INTRODUCCION

La producción en masa detransformadores para fre-cuencias por debajo de los

30MHz pueden hacerse con bobinasarrolladas sobre formas cilíndricas yconseguir una reproducibilidad razo-nable, aunque a 30MHz es lógico es-perar una variación en las caracterís-ticas. A frecuencias más altas, el pro-blema se hace más difícil de resolvera un costo razonable, especialmentecuando deben diseñarse transforma-dores balanceados a no-balancea-dos. Los transformadores impresospresentan una solución a estos pro-blemas.

Los inductores impresos en formade espiral, meandro o laberinto ya sehan empleado ocasionalmente. Espe-cialmente los de forma espiral sonparticularmente exitosos. Una fórmu-la empírica de exactitud razonable hasido derivada por Bryan para la espi-ral cuadrada y circular. En este artí-culo consideraremos solamente a laespiral cuadrada ya que es más fácilde fabricar.

Dos tipos de transformadores quehan sido analizados se muestran en lafigura 1. Ellas son a) el transformadortipo meandro o de línea ondulada y b)la doble espiral. Esta última puedeproducirse simple faz con o sin planode tierra, o doble faz con los dos in-ductores en serie o en paralelo.

Las mediciones han mostrado que

para un área dada, la línea onduladatiene una inductancia menor. Esto sedebe a los acoplamientos positivos ynegativos de los meandros sucesivos.La inductancia de una línea onduladaen particular está dibujada para distin-tas longitudes en la figura 2. Una espi-ral de un área equivalente tiene una in-ductancia diez veces mayor. Comoconsecuencia, el factor de calidad Qde las líneas onduladas es muy bajo,lo que puede ser importante cuandose diseñan circuitos de acoplamien-tos de bajas pérdidas. Cuando tienenun plano de tierra las característicasson peores. Mediciones en variostransformadores de este tipo tienen,tal como se esperaba, un coeficientede acoplamiento particularmente pe-queño, 8%.

La ventaja del tipo meandro com-parado con el tipo espiral es que am-bos extremos están fácilmente dispo-nibles. Sin embargo, no es general-mente demasiado serio, ya que esmuy frecuente, en el diseño de ampli-ficadores, conectar a tierra un extre-mo de un inductor o conectarlo a lafuente de alimentación a través de un

Transformadores Impresospara Alta Frecuencia

Cuando los amplificadores de alta frecuencia deben serfabricados en cantidad, su reproducibilidad es un pro-blema. Los circuitos impresos han sido una soluciónaún cuando se requieren inductores. Curvas de diseñopara varios tipos de transformadores, uno para 30MHz ydos para 132MHz se han producido y se presentan losresultados experimentales.

Autor: Arnoldo Galetto

RADIOAFICIONADO

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choque de radiofrecuencia con un ca-pacitor de desacoplo a masa. En el ca-so de los espirales doble faz en serie,en donde el dibujo se repite en amboslados del impreso y conectados comose ve en la figura 3, ambos finales es-tán disponibles. Los ejes de ambos es-pirales deben coincidir para máximoacoplamiento, para un acoplamientomenor pueden desplazarse. Donde senecesita un acoplamiento alto, eltransformador espiral es muy atracti-vo.

Puede hacerse con un coeficientede acoplamiento tan alto como el 90 %con un Q de 100.

Los transformadores en espiral im-preso puede hacerse con inductanciasque varían desde 50nH hasta 3µH yson de tamaño razonable. En general,estos transformadores se pueden em-plear desde los 20MHz hasta los200MHz.

Otro tipo de transformador, la bo-bina con derivación, se puede hacertambién con espirales impresos, conun capacitor conectado a la deriva-ción. Se puede ver en la figura 4 unaaplicación para una frecuencia de160MHz.

CURVAS PARA EL DISEÑO DE TRANSFORMADORES

El transformador en espiral ha sidoanalizado para unos pocos casos, endonde se tienen las facilidades comu-nes para la manufactura de circuitosimpresos. Se ha estudiado el caso detransformadores de espiral cuadradade simple y doble faz. La distancia en-tre espiras se ha fijado en 0.25mm, yaque valores inferiores, si bien desea-ble, es de difícil fabricación. Por la mis-ma razón el ancho mínimo se ha limi-tado a 0.3mm. Se consideran anchosde 0.5 y 1mm también. Las espiralestienen un centro de alrededor de 5mmpermitiendo su conexión al resto delcircuito en el caso de una espiral sim-ple faz. En la práctica, este centro noafecta en forma apreciable las propie-

Transformadores Impresos Para Alta Frecuencia

dades de los transformadores, supo-niendo que la espiral tiene muchasvueltas. Para frecuencias muy altas endonde se necesitan pequeñas induc-tancias, parece ser deseable, cuandoes necesario un acoplamiento alto,emplear técnicas de película delgada.En caso presente, se han usado espi-rales doble faz con un espesor de1.5mm. Para los anchos de espiral re-comendado el espesor de la placa decircuito impreso no es crítico. Dupli-cando el espesor ocasiona una dismi-nución del 10% en inductancia y coefi-ciente de acoplamiento.

Para los transformadores presen-tados en los gráficos, el Q varía entre50 y 120 para frecuencias entre 20 y200MHz. El dieléctrico usado es la fi-

bra de vidrio y las tirasde cobre tienen un es-pesor de 35µm. La in-ductancia de una espi-ral simple faz se hacalculado empleando la fórmula empí-rica de Bryan. (Ver fórmula 1)

donde: D es el ancho de la espiral,∆ es la abertura del centro de la espi-ral, e es la separación espiral y d es elancho de la línea. L es en nanohen-rios. La separación entre espiras es,entonces, igual a 2e+d. Estos paráme-

tros están descriptos en la figura 5 endonde la inductancia está dibujada se-gún el ancho de la espiral para variosanchos de línea. Las característicasdel mismo transformador se ven en lafigura 6 para el espiral doble faz enserie. Estos datos se han obtenido ex-perimentalmente.

Muchas veces es deseable en eldiseño de transformadores tener dife-rentes inductancias entre primario y elsecundario. Para ello se aumenta ∆.Un transformador tal se ilustra en la fi-gura 7. La reducción en inductanciadebido al aumento de la abertura del

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FORMULA 1

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centro de la espiral, se ve en las figu-ras 8 y 9 para el espiral de simple fazy para la doble faz en serie respectiva-mente. La inductancia de la espiral seha normalizado para la máxima induc-tancia obtenible correspondiente a unancho de espiral dado, esto escuando ∆ es igual a 5mm.

En las figuras 10 y 11 elcoeficiente de acoplamientose ha dibujado como una fun-ción de la inductancia espiralpara los transformadores es-tudiados en las figuras 8 y 9para e=0.25, con d variandoentre 0.3 hasta 1mm y para in-ductancias primaria y secun-daria iguales. Para inductan-cias bajas el coeficiente deacoplamiento varía rápida-mente, y, a medida que eltransformador tiene menosvueltas, los gráficos son me-nos exactos. Cuando se nece-sita un acoplamiento alto coninductancias bajas, se reco-mienda usar espirales de me-nores dimensiones ya que elacoplamiento está determina-do principalmente por el nú-mero de vueltas. Para espira-les con más de 5 vueltas elcoeficiente de acoplamientoes mayor del 80%. El coefi-ciente de acoplamiento se de-fine mediante la fórmula [2].En donde M es la inductanciamutua y L1 y L2 son las in-

ductancias primaria y secun-

daria. Cuando la inductancia secunda-ria se hace menor mediante el incre-mento de la abertura central, el coefi-ciente de acoplamiento disminuye. Lavariación del coeficiente de acopla-miento, como una función de la induc-

tancia normalizada, se hadibujado en la figura 12. Elacoplamiento máximo seobtiene cuando las induc-tancias primaria y secunda-ria son aproximadamenteiguales.En los gráficos de inductan-cia se presume que el pasode la espiral permanececonstante desde el iniciohasta el final. En la prácti-ca, cuando la inductanciasecundaria es una fracciónde la inductancia primaria,el paso puede reducirsecuando se alcanza el extre-mo interno de la inductan-cia secundaria. Como resul-tado, la inductancia de laespiral primaria se hacemayor que lo que predicenlos gráficos.Se han hecho experienciascon espirales normales aco-pladas inductivamente através del material de baseEl coeficiente de acopla-miento máximo obteniblees menor y existe una fuer-te dependencia del espesordel substrato. Para una es-piral de ancho de 23mm, la

Transformadores Impresos Para Alta Frecuencia

FORMULA 2

disminución en el coefi-ciente de acoplamientocomparado con una espi-ral doble faz en serie delmismo tipo es de alrede-dor del 14 %. Si el anchode la espiral se hace de17mm la disminución sehace del 18 %. Duplican-do el espesor de la baseen la última espiral, elcoeficiente de acopla-miento cae el 50%.

Una ventaja de estaconfiguración es que unopuede ajustar el coefi-ciente de acoplamientocon facilidad con ambasespirales fuera del eje.También esta configura-ción nos da una inductancia ligera-mente mayor, tanto para el primariocomo para el secundario, de hasta el25%. Debe tenerse en cuenta que losgráficos suministrados en este artículono tienen una exactitud extrema, demodo que pueden esperarse erroresdel 10%. Asimismo, en donde existeun plano de tierra habrá que hacer pe-queñas correcciones adicionales.

TRANSFORMADOR DE DOBLE SINTONIA PARA 33MHZ.

Se necesitaba un transformadorpara 33 MHz con una ancho de bandamayor que el 50 % e inductancias pri-maria y secundaria de 1µH y 0.5µH

respectivamente. Debido a considera-ciones prácticas, el ancho de la espiralse limitó a 20mm y la separación entreespiras de 0.25mm. Se eligió una espi-ral doble faz paraobtener el menor ta-maño posible. Delos gráficos de la fi-gura 6 se halla porextrapolación la in-ductancia primarianecesaria de 1µHpara D = 17.6 mm yd = 4 mm. El coefi-ciente de acopla-miento máximo lle-ga hasta el 85% se-gún la figura 11. Ladisminución en el

acoplamiento debido a ladisminución en la inductan-cia secundaria es por unfactor 1/0.5 = 2, llega al 87% según la figura 12. Elcoeficiente de acoplamien-to del transformador seráentonces de 0.85 * 0.87aproximadamente igual al74 %.El tamaño del secundariose obtiene de la figura 9; yaque la relación de inductan-cias es de 0.5, el centro dela espiral es de 12.4mm pa-ra un ancho de espiral de17.6mm.El transformador ha queda-do así completamente de-terminado y se ve en la fi-

gura 13. Mediciones sobre este trans-formador han dado los siguientes re-sultados: inductancia primaria:1070nH, inductancia secundaria:

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524nH. El ancho de bandaes del 87% tal como se veen la figura 14, en donde losmarcadores de frecuenciaestán cada 10MHz. Un an-cho de banda como éste, co-rresponde a un coeficientede acoplamiento de aproxi-madamente del 68%.

TRANSFORMADOR DE DOBLE SINTONIAPARA 132.5MHZ.

Las especificaciones son: un an-cho de banda mínimo del 40%, parauna inductancia primaria de 32nH yuna inductancia secundaria de 16nH.Con la figura 5 una espiral de simplefaz de 11mm de ancho, con un anchode línea de 1mm y una separación en-tre líneas de 0.25mm. El acoplamientomáximo es del 35% y se reduce a0.25*0.875 = 30.6% cuando el centro

de la espiral secundaria se aumentapara reducir su inductancia. Este cen-tro se halla de la figura 8 para D = 11 y

Lsec 16= = 0.5

Lprim 32

∆ = 7.5mm. Con estas cifras se haconstruido el amplificador de la figura

15. Las mediciones han indicado36nH y 18nH para las inductan-cias primaria y secundaria de lostransformadores.La respuesta de frecuencia decada etapa se ve en la Fig.16con los marcadores cada10MHz.El ancho de banda es del 49 % a132.5MHz, o sea 37% lo que co-rresponde a un coeficiente deacoplamiento del 32%.

TRANSFORMADORES BALANCEADO NO-BALANCEADO

La red mostrada esquemáticamen-te en la figura 17 es para aparear (a132MHz) la salida balanceada de unmezclador a un preamplificador de ba-jo ruido. Una derivación central es ne-cesaria para poder medir la corrientedel cristal. El transformador impresose ve en la figura 18 ✪

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Simulación de CirSimulación de Circuitos & Diseño de C.Icuitos & Diseño de C.IContenido de la Obra.

Cómo hacer un circuito con cualquierade estos tres programas.PCB Wizard en funcionamiento.Agregando componentes.Cómo cambiar valores de componentes ymodelos.

La Simulación de Circuitos con el Livewire.La simulación del circuito.¿Cómo visualizar la animación del circuito?Usando los Instrumentos en la Simulación de Circuitos.Simulando un circuito con el osciloscopio.Cómo Crear Circuitos Impresos.Síntesis y Requerimientospara un Laboratorio Virtual.El simulador.El generador de circuitos impresos.Para aprender electricidad y electrónicamediante animación y simulación electrónicaRequerimientos del sistema.Interruptor con Retardo:

Descripción Paso a Paso del Uso de un Laboratorio Virtual.Introducción.El circuito, su funcionamiento.Armado del circuito en el livewire.Simulando el funcionamiento del interruptor.Generación del circuito impreso.Ruteo manual.Proyectos con Circuitos Impresos.Conversor analógico digital de 2 Bits.Conversor analógico digital de 4 Bits.Registro de desplazamiento de 4 Bits.Oscilador monoestable de uso general.Oscilador astable de uso general.Generador de efectos lumínicos.Generador de efecto fantástico.Generador para display de 7 segmentos.Oscilador / contador.Oscilador / contador 4060 de precisión.Triple secuencial para árbol de navidad.Matriz lumínica 5 x 7.Comparador dual.Selección de Circuitos.

Metrónomo. Push-pull indicador de polaridad.Fuente partida regulada de ±5V y ±12V x 1A.Generador de caracteres.Amplificador sumador.Termómetro a Leds para el auto.Termómetro sencillo. Interruptor con tiristor.Semáforo a Leds. Compuerta NOT.Compuerta AND. Baliza de potencia para el auto.Espanta insectos y roedores.Compuerta NOR. Compuerta OR.Interruptor retardado. Contador de 2 dígitos.Probador de continuidad.Compuerta NAND.Contenido del CD.Introducción. Indice de las 200 edicionesEnciclopedia de electrónica básica.Curso de reparación de monitores.150 diagramas de monitores. Cuaderno especialde fallas de monitores.Programas de electrónica. 150 circuitos prácticos.Video: medición de componentes con el multímetro.

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