¿Qué es exactamente la ‘impedancia característica’? ¿Qué representa físicamente?

Suponga que una línea de transmisión construida con conductores de resistencia cero (coaxial, par trenzado, … no importa, siempre que su construcción sea uniforme).

Comience con un trozo corto de esa línea (un metro, diez metros, …) y coloque una resistencia fija que tenga el valor de la “impedancia característica” en el otro extremo. Ahora, si coloca un ohmímetro en el extremo cercano de la línea, leerá esa resistencia mientras mantenga el ohmímetro conectado.

Si comienza con una línea muy larga (muchos kilómetros) y realiza la misma prueba, obtendrá (por supuesto) el mismo resultado; la lectura será la de la resistencia (recuerde, resistencia cero en la línea misma).

Y ahora para la parte divertida.

Retire la resistencia del extremo más alejado y vuelva a aplicar el ohmímetro. Leerá el valor de “impedancia característica” por el tiempo que tarde el impulso de corriente del ohmímetro en viajar al extremo lejano, reflejarse y regresar, momento en el cual el ohmímetro indicará de repente una resistencia “infinita”. Si su línea es realmente larga (como infinita), entonces el ohmímetro se comportará exactamente igual que cuando lo aplica a una resistencia fija que tenga un valor igual a su impedancia característica.

Si coloca una resistencia de cualquier otro valor en el extremo lejano, el ohmiómetro leerá el valor de “impedancia característica” para dos viajes a lo largo de la línea (hacia abajo y hacia atrás) y luego indicará el valor real de la resistencia de terminación mientras déjalo conectado.

Obviamente, incluso la línea corta se comporta exactamente de la misma manera; es solo que la señal reflejada regresa tan rápido que no tienes tiempo para leer el ohmímetro.

Entonces, si termina una línea “real” (no infinita) con una carga resistiva de valor igual a la impedancia característica de la línea, no habrá reflejo desde el extremo lejano; la línea parecerá tener una longitud infinita.

Un “reflectómetro de dominio de tiempo” es una pieza especial de equipo de prueba que es esencialmente un dispositivo que traza la resistencia (vertical) frente al tiempo (horizontal). Aplicado a una línea de transmisión, puede decirle si la línea es uniforme (y cuál es su impedancia característica en realidad) o si está dañada. Puede decirle dónde hay una pausa o un corto a lo largo de la línea.

Nota: debajo de alguna frecuencia, probablemente en decenas o cientos de kilociclos por segundo, dependiendo de su construcción precisa, una línea no tiene una “impedancia característica”; más bien la impedancia depende de la frecuencia.

La impedancia característica se controla mediante la relación de inductancia por unidad de longitud a la capacitancia por unidad de longitud. Se puede verificar fácilmente con una batería, un interruptor, una resistencia (o reóstato) y un osciloscopio, de esta manera.

Si una batería está conectada por un interruptor y un reóstato de bajo valor (por ejemplo, 200 ohmios) al cable central de cincuenta pies o más de cable coaxial abierto en el extremo más alejado, y el protector externo se devuelve al otro lado de la batería, luego, cuando el interruptor está en ON, el voltaje en el electrodo central aumenta hasta cierto valor de voltaje, mientras que una onda recorre la longitud del cable coaxial hasta el extremo en corto, donde duplica su valor para su retorno al extremo cercano en un fracción justa (digamos 0.6) de la velocidad de la luz. Esto, naturalmente, requiere un amplio alcance de ancho de banda para ver. De todos modos, cuando el reóstato se ajusta de modo que el paso inicial sea exactamente la mitad del voltaje de la batería, el reóstato se ajusta a la impedancia característica del cable.

Imagina una fuente de señal. Conéctelo a una línea de transmisión. La energía fluirá desde la fuente hacia la línea. La fuente no tiene información sobre la carga en el extremo más alejado de la línea, por lo que no tiene influencia (hasta que regresa una señal). Entonces, hasta que esa señal regrese, el voltaje de la señal y la corriente resultante dependen solo de la fuente y la línea. La línea transmitirá energía, pero la relación de corriente a voltaje dependerá solo de las características de la línea. La relación de voltaje y corriente es la “impedancia característica” de la línea.

Lo que significaba para mí cuando trabajaba en sistemas de radar modulares era que la electrónica estaba diseñada para integrarse mediante un cable coaxial estandarizado con una impedancia característica de 50 ohmios. El hecho de no coincidir con esa impedancia reflejaría los ecos de la señal hacia su fuente. Una impedancia demasiado baja en una carga se acercaba a problemas de cortocircuito, un circuito abierto demasiado alto se acercaba y la entrega a domicilio era la máxima transferencia de energía. Todos los solucionadores de problemas llevaban terminaciones de cable de 50 ohmios y camisetas en sus bolsillos. Nos preocupamos por el diseño del cable tanto como buscamos hacer nuestros propios tubos de vacío o transistores.

Una pista es que la impedancia característica también se llama “impedancia de sobretensión”. Cuando la energía se aplica por primera vez a una línea, el voltaje y la corriente no aparecen instantáneamente en el extremo más alejado. Hay un retraso extremadamente breve pero finito mientras su pulso inicial viaja (sobretensiones) desde el origen hasta el otro extremo. La autoimpedancia de la línea durante la sobretensión inicial es la impedancia característica.

Cuando el pulso inicial alcanza el extremo lejano, parte de la energía normalmente se refleja de vuelta a la fuente. Esta fuerza reactiva se suma a la impedancia característica para convertirse en la impedancia de entrada.

Otra forma de decirlo es que la impedancia característica es la impedancia de una línea de potencia similar de longitud infinita, porque, al no tener un extremo lejano, una línea infinita no tiene potencia reflejada / reactiva.