¿Necesita ayuda para obtener cierta intuición básica sobre los tejidos móviles de la línea de transmisión?

Esta es una pregunta realmente buena y que muchos malinterpretan.

una clave es darse cuenta de que no son los electrones los que viajan por la línea, en realidad es un CAMBIO en el CAMPO eléctrico que viaja por la línea. Los propios electrones viajan a una velocidad mucho más lenta ya que el cable está formado por moléculas en una estructura cristalina, y los electrones chocan contra otras moléculas y electrones todo el tiempo. El campo los empuja en una dirección general, pero no se mueven ni cerca de la velocidad a la que se mueve el campo.

si recuerdas la física básica, existe un campo eléctrico entre dos puntos que tienen una diferencia de voltaje entre ellos. La fuerza de ese campo depende del material que llena el espacio entre esos dos puntos.

En una línea de transmisión, comienza con una situación de estado estable donde el voltaje es constante y, por lo tanto, el campo es constante. Luego cambia abruptamente ese campo en un extremo de la línea. El CAMBIO en el campo se propaga a lo largo de la línea a la velocidad de la luz, si el material entre los alambres es espacio libre, o algo más lento dependiendo del material (llamado dieléctrico). En un cable coaxial, está cerca de la velocidad de la luz, en un PCB es aproximadamente la mitad de la velocidad de la luz. La regla general para PCB es 2ns por pie o 180ps por pulgada. A la velocidad de la luz, la onda se propagaría a aproximadamente 1 ns por pie.

Una buena analogía es una ola en el agua. Comience con una superficie de agua suave. Deja caer una piedra en el medio. Una onda se propaga desde el punto de caída de la roca hacia afuera a cierta velocidad. Las moléculas individuales de agua no viajan con la ola. En su mayoría, solo se mueven hacia arriba y hacia abajo a medida que pasa la ola. probablemente se moverán un poco en la dirección de la ola, pero mucho más lento de lo que realmente se mueve la ola.

También hay una analogía de cómo la ola en el agua rebota cuando golpea una pared, que es como un circuito abierto en la caja eléctrica. ¡Pero tendría que buscar la analogía de un cortocircuito y una línea bien terminada!

Una analogía más: puede pensar en una línea de transmisión como una serie de condensadores. a medida que el campo se propaga por la línea, está cargando cada capacitor, uno tras otro. en el proceso de cargarlos, algo de corriente debe fluir de un cable al otro hasta que el capacitor alcance el voltaje de campo. El valor real del capacitor y la resistencia que ve la corriente dependen completamente de la composición física de la estructura: el espacio entre los cables, el material dieléctrico en ese espacio, etc., por lo que se basa en el cambio de voltaje (delta V) , hace fluir algo de corriente para cargar los condensadores (delta I) y, por lo tanto, puede calcular una resistencia equivalente a partir de la ley de ohmios: delta R = delta V / delta I. esto se denomina impedancia característica de la línea de transmisión, también denominada como Z0.

En el espacio libre y con cables muy separados, se llega a un límite de unos 120 ohmios para Z0. En las PCB, es común tener líneas que están entre 30 ohmios y 70 ohmios, según el ancho de las pistas de la PCB, el espacio entre ellas y el material dieléctrico de la PCB entre ellas.

Sé que esto se está volviendo largo y prolijo, pero cuando el campo finalmente llega al final de la línea, finalmente ve lo que hay allí. Esta es una condición de contorno a la que el campo debe reaccionar. si es un circuito abierto, entonces no fluirá corriente al final de la línea entre los dos cables. PERO existe este delta I que ha estado ocurriendo, y debido a la inductancia de la línea (sé que aún no lo he mencionado, pero también hay inductancia allí) la corriente no puede detenerse de inmediato, por lo que gira hacia el lado opuesto. ¡voltaje que provoca un cambio en el campo eléctrico, que luego comienza a propagarse de regreso por la línea EN LA OTRA DIRECCIÓN! Cuando ese cambio en el campo golpea la fuente original, ve cierta impedancia y reacciona en consecuencia y cambia el voltaje del campo nuevamente, que se propaga de regreso al final, y así sucesivamente.

Si hay una resistencia a lo largo de la línea al final que coincide con el Z0 de la línea, entonces coincide perfectamente con el delta V y el delta I que baja por la línea y no hay cambios en los resultados del campo, por lo que no hay reflejos. eso es lo que se llama una línea de transmisión perfectamente terminada.

Puedes volver al análogo de tus canicas. Es beneficioso, ya que contiene muchas experiencias "ajá" que revelan el comportamiento de las líneas de transmisión eléctrica.

En primer lugar, mejore las canicas para que se adapten mejor a un circuito eléctrico: empáquelas sólidas sin espacios permitidos. Luego agregue más canicas al tubo, de modo que haya una fuerza inmensa comprimiéndolas alrededor del tubo: miles de libras. Finalmente, haga que el tubo sea mucho más largo, tal vez unas pocas millas. Apriétalo en una forma ovalada de "pista de carreras", para que se vea más como dos tubos paralelos. Y, por supuesto, hacerlo sin fricción, para que coincida con los conductores ideales de cero ohmios.

Ahora, cada vez que empujes un par de canicas y hagas que toda la cadena de canicas comience a moverse, verás ondas. La primera canica disminuirá la fuerza sobre la que está detrás, que se mueve hacia ella. Esto sucede en secuencia, con cada canica "tirando" de la anterior hacia adelante a medida que la gran fuerza de compresión se reduce un poco. Además, esa canica que empujaste hacia adelante, empuja a la siguiente, que empuja a la siguiente, cada una moviéndose hacia adelante debido al aumento de la fuerza.

Un par de ondas extremadamente rápidas salen volando desde la ubicación de tu mano. Estas son, por supuesto, ondas de sonido, que se mueven a la velocidad del sonido en el vidrio (¡suponiendo canicas de vidrio!) La onda que se propaga hacia atrás contra el movimiento de las canicas es una onda de baja presión, mientras que la que se propaga a lo largo de las canicas que se mueven hacia adelante es de alta presión. .

Específicamente, si las canicas comenzaron sin moverse, y luego tomaste algunas y las empujaste hacia adelante, entonces estas dos ondas son "ondas de inicio". Después de que ha pasado cada ola, las canicas se están moviendo. Antes de que lleguen las olas, las canicas distantes aún no "saben" que estás empujando su cadena. Ocurren ondas similares cuando agarras la cadena en movimiento y la obligas a detenerse. Las ondas salen de la ubicación de su mano, una onda que vuela hacia atrás a lo largo de la cadena y otra que vuela hacia adelante. Las canicas a lo lejos todavía se están moviendo, pero luego llega la "ola de detención" y se detienen.

En su tubo de canicas, el flujo de las canicas es análogo a la corriente eléctrica y está conectado al campo magnético que rodea un cable. La compresión longitudinal (y la densidad más alta o más baja) de las canicas es análoga al voltaje y está conectada al campo electrónico fuera de un cable cargado.

Finalmente, piense en cómo se siente empujar la canica . Cuando agarras canicas y las empujas, te encuentras con una gran inercia y estás realizando un trabajo, ya que las ondas rápidas ponen en movimiento todas las canicas. Está experimentando la "impedancia de línea". Se siente como fricción, aunque estas canicas no tienen fricción. Ahora espera a que las olas rodeen el hoola-hoop y regresen. Cuando golpean tu mano, ¡de repente tu mano es tirada hacia adelante! Su aro es un cortocircuito, por lo que cuando las ondas pasan por el otro extremo del bucle, se "reflejan" cuando la onda positiva pasa al tubo de retorno opuesto y la onda negativa pasa al otro tubo. (Suelte las canicas en este punto. Verá que siguen moviéndose, pero con tirones repetidos a medida que las ondas pasan alrededor del bucle.

Finalmente, siéntese y mida la fricción aparente experimentada cuando intenta poner las canicas en movimiento. Encuentre la fuerza y ​​la velocidad de la canica y calcule la fricción. Ahora, agregue un freno de fricción a las canicas en el otro extremo de su "bucle de dos cables". Ahora tomó el valor de la impedancia de línea y luego colocó una resistencia de terminación en el otro extremo; una resistencia con el mismo valor que la impedancia de la columna de mármol comprimible. Ahora, si pones las canicas en movimiento, ¡ no habrá olas que regresen! ¿Una resistencia que tiene el mismo valor de impedancia de línea? También es el mismo valor requerido para absorber por fricción todas las ondas de mármol que golpean.

Problema de tarea. :) Ponga un bloqueo en el otro extremo del bucle. Sujeta esas canicas para que no se puedan mover. Ahora, ¿qué sucede cuando obligas a las canicas en tu extremo a comenzar a moverse?

Todo lo anterior involucra ondas mecánicas (ondas de sonido) en una transmisión de potencia tipo correa. El "trabajo", la energía que se transmite, resulta ser lo mismo que las ondas de sonido.

Cuando cambiamos a la versión eléctrica, descubrimos que las líneas de transmisión de 2 hilos son solo "correas de transmisión" hechas de carga móvil, donde la tensión o compresión "es voltaje" y el movimiento de las canicas "es corriente". .y las ondas de sonido en las canicas sólidas se han convertido en ondas electromagnéticas que se mueven a la velocidad de la luz. La impedancia de línea está ahí, pero en lugar de ser causada por el peso y la compresibilidad del mármol, proviene de la inductancia y la capacitancia de los conductores. Las reflexiones lineales se comportan igual en ambas configuraciones.

La principal diferencia entre un tubo de canicas y un circuito eléctrico es que las cargas en los circuitos eléctricos no solo empujan a sus vecinos inmediatos. En cambio, los campos de cada carga se extenderán para empujar millones de otras cargas en el cable por delante y por detrás. Si "agarras un electrón" y lo empujas hacia adelante, siempre estás causando que los campos EM salgan disparados de la superficie del cable y forzando a millones de electrones hacia adelante y hacia atrás para que también comiencen a moverse. En los cables, las fuerzas pueden "saltar" sobre muchas pulgadas de espacio vacío, en lugar de tener que viajar a través de una cadena de cargas vecinas, como ocurre con la columna de canicas sin fricción. Es por eso que los cables funcionan a la velocidad de la luz, en lugar de a la velocidad del sonido. Y es por eso que la energía real de un circuito fluye en los campos del espacio circundante,