Acoplamiento de señales

PIEZAS Y MATERIALES

• batería de 6 voltios
• Un capacitor, 0.22 µF (catálogo de Radio Shack # 272-1070 o equivalente)
• Un capacitor, 0.047 µF (catálogo de Radio Shack # 272-134 o equivalente)
• Motor pequeño de tipo "hobby", tipo imán permanente (catálogo de Radio Shack n. ° 273-223 o equivalente)
• Detector de audio con auriculares
• Longitud del cable telefónico, varios pies de largo (catálogo de Radio Shack # 278-872)

El cable telefónico también está disponible en las ferreterías. Cualquier cable multiconductor sin blindaje será suficiente para este experimento. Los cables con conductores delgados (el cable telefónico suele ser de calibre 24) producen un efecto más pronunciado.

REFERENCIAS CRUZADAS

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 2, capítulo 7:"Señales de CA de frecuencia mixta"

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 2, capítulo 8:"Filtros"

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Para aprender a "acoplar" señales de CA y bloquear señales de CC a un instrumento de medición
• Para saber cómo ocurre el acoplamiento perdido en los cables
• Para determinar técnicas para minimizar el acoplamiento entre cables

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRACIÓN

INSTRUCCIONES

Conecte el motor a la batería usando dos de los cuatro conductores del cable telefónico. El motor debería funcionar como se esperaba. Ahora, conecte el detector de señal de audio a través de los terminales del motor, con el capacitor de 0.047 µF en serie, así:

Debería poder escuchar un "zumbido" o "gemido" en los auriculares, que representa el voltaje de "ruido" de CA producido por el motor cuando las escobillas hacen y rompen el contacto con las barras del conmutador giratorio.

El propósito del condensador en serie es actuar como un filtro de paso alto para que el detector solo reciba el voltaje de CA a través de los terminales del motor, no ningún voltaje de CC. Así es precisamente como los osciloscopios proporcionan una función de "acoplamiento de CA" para medir el contenido de CA de una señal sin ningún voltaje de polarización de CC:un condensador se conecta en serie con una sonda de prueba.

Idealmente, uno esperaría nada más que voltaje DC puro en los terminales del motor, porque el motor está conectado directamente en paralelo con la batería. Dado que los terminales del motor son eléctricamente comunes con los terminales respectivos de la batería, y la naturaleza de la batería es mantener un voltaje de CC constante, nada más que voltaje de CC debería aparecer en los terminales del motor, ¿verdad?

Bueno, debido a la resistencia interna de la batería y a lo largo de las longitudes de los conductores, los pulsos de corriente dibujados por el motor producen "caídas" de voltaje oscilantes en los terminales del motor, lo que provoca el "ruido" de CA que escucha el detector:

Utilice el detector de audio para medir el voltaje de "ruido" directamente a través de la batería. Dado que el ruido de CA se produce en este circuito al pulsar caídas de voltaje a lo largo de las resistencias parásitas, cuanto menos resistencia midamos, menos voltaje de ruido deberíamos detectar:​​

También puede medir la caída de voltaje de ruido a lo largo de cualquiera de los conductores del cable telefónico que suministran energía al motor, conectando el detector de audio entre ambos extremos de un solo conductor de cable. El ruido detectado aquí se origina en pulsos de corriente a través de la resistencia del cable:

Ahora que hemos establecido cómo se crea y distribuye el ruido de CA en este circuito, exploremos cómo se acopla a los alambres adyacentes en el cable. Utilice el detector de audio para medir el voltaje entre uno de los terminales del motor y uno de los cables no utilizados en el cable telefónico. El capacitor de 0.047 µF no es necesario en este ejercicio, porque no hay voltaje de CC entre estos puntos para que el detector lo detecte de todos modos:

El voltaje de ruido detectado aquí se debe a la capacitancia parásita entre conductores de cables adyacentes que crean una “ruta” de corriente CA entre los cables. Recuerde que ninguna corriente pasa a través una capacitancia, pero la acción alterna de carga y descarga de una capacitancia, ya sea intencional o no, proporciona alternancia actual una especie de camino.

Si intentáramos conducir una señal de voltaje entre uno de los cables no utilizados y un punto común con el motor, esa señal se contaminaría con el voltaje de ruido del motor. Esto podría ser bastante perjudicial, dependiendo de la cantidad de ruido acoplado entre los dos circuitos y de la sensibilidad de un circuito al ruido del otro.

Dado que el fenómeno de acoplamiento primario en este circuito es de naturaleza capacitiva, los voltajes de ruido de alta frecuencia están más fuertemente acoplados que los voltajes de ruido de baja frecuencia.

Si la señal adicional fuera una señal de CC, sin CA esperada en ella, podríamos mitigar el problema del ruido acoplado al "desacoplar" el ruido de CA con un condensador relativamente grande conectado a través de los conductores de la señal de CC. Utilice el condensador de 0,22 µF para este propósito, como se muestra:

El condensador de desacoplamiento actúa como un cortocircuito práctico a cualquier voltaje de ruido de CA, sin afectar en absoluto las señales de voltaje de CC entre esos dos puntos. Siempre que el valor del condensador de desacoplamiento sea significativamente mayor que la capacitancia de "acoplamiento" parásito entre los conductores del cable, el voltaje de ruido de CA se mantendrá al mínimo.

Otra forma de minimizar el ruido acoplado en un cable es evitar que dos circuitos compartan un conductor común. Para ilustrar, conecte el detector de audio entre los dos cables no utilizados y escuche una señal de ruido:

Debería detectarse mucho menos ruido entre dos de los conductores no utilizados que entre un conductor no utilizado y otro utilizado en el circuito del motor. La razón de esta drástica reducción del ruido es que la capacitancia parásita entre los conductores del cable tiende a acoplar el mismo voltaje de ruido a ambos de los conductores no utilizados en proporciones aproximadamente iguales.

Por lo tanto, al medir el voltaje entre esos dos conductores, el detector solo "ve" la diferencia entre dos señales de ruido aproximadamente idénticas.