Bobina de carga

(izquierda) Bobina de carga toroidal de 0,175 H para una línea telefónica de larga distancia de AT&T entre Nueva York y Chicago en 1922. Cada uno de los 108 pares trenzados del cable requería una bobina. Las bobinas estaban alojadas en un tanque de acero lleno de aceite (derecha) en el poste telefónico. El cable requería bobinas de carga cada 1800 metros (6000 pies  ).

Una aplicación común de las bobinas de carga es mejorar las características de respuesta de amplitud en frecuencia de voz de los pares trenzados balanceados en un cable telefónico. Dado que el par trenzado es un formato balanceado , se debe insertar la mitad de la bobina de carga en cada rama del par para mantener el equilibrio. Es común que ambos devanados se formen en el mismo núcleo. Esto aumenta los enlaces de flujo , sin los cuales sería necesario aumentar el número de espiras de la bobina. A pesar de utilizar núcleos comunes, estas bobinas de carga no constituyen transformadores , ya que no proporcionan acoplamiento a otros circuitos.

Las bobinas de carga insertadas periódicamente en serie con un par de cables reducen la atenuación en las frecuencias vocales más altas hasta la frecuencia de corte del filtro paso bajo formado por la inductancia de las bobinas (más la inductancia distribuida de los cables) y la capacitancia distribuida entre los cables. Por encima de la frecuencia de corte, la atenuación aumenta rápidamente. Cuanto menor sea la distancia entre las bobinas, mayor será la frecuencia de corte. El efecto de corte es un artefacto del uso de inductores concentrados . Con los métodos de carga que utilizan inductancia distribuida continua, no existe corte.

Sin bobinas de carga, la respuesta de la línea está dominada por la resistencia y la capacitancia de la misma, con una atenuación que aumenta gradualmente con la frecuencia. Con bobinas de carga de la inductancia precisa, ni la capacitancia ni la inductancia predominan: la respuesta es plana, las formas de onda no se distorsionan y la impedancia característica es resistiva hasta la frecuencia de corte. La formación simultánea de un filtro de audiofrecuencia también resulta beneficiosa, ya que reduce el ruido.

Otro tipo de bobina de carga se utiliza en las antenas de radio . Las antenas monopolo y dipolo están diseñadas para funcionar como resonadores de ondas de radio; la potencia del transmisor, aplicada a la antena a través de su línea de transmisión , excita ondas estacionarias de voltaje y corriente en el elemento de la antena. Para que la antena resuene de forma natural, debe tener una longitud física equivalente a un cuarto de la longitud de onda de las ondas de radio utilizadas (o un múltiplo de dicha longitud, siendo generalmente preferibles los múltiplos impares). En resonancia, la antena actúa eléctricamente como una resistencia pura , absorbiendo toda la potencia que recibe del transmisor.

En muchos casos, por razones prácticas, es necesario que la antena sea más corta que la longitud de resonancia; esto se denomina antena eléctricamente corta . Una antena más corta que un cuarto de longitud de onda presenta reactancia capacitiva a la línea de transmisión. ^{[ 1 ]} Parte de la potencia aplicada se refleja de vuelta a la línea de transmisión y viaja hacia el transmisor . Las dos corrientes a la misma frecuencia que circulan en direcciones opuestas provocan ondas estacionarias en la línea de transmisión , medidas como una relación de onda estacionaria (ROE) mayor que uno. Las corrientes elevadas desperdician energía calentando el cable e incluso pueden sobrecalentar el transmisor.

Para lograr que una antena eléctricamente corta resuene, se inserta una bobina de carga en serie con ella. La bobina se construye con una reactancia inductiva igual y opuesta a la reactancia capacitiva de la antena, de modo que la combinación de reactancias se cancele. Con esta carga, la antena presenta una resistencia pura a la línea de transmisión, impidiendo la reflexión de energía. La bobina de carga suele colocarse en la base de la antena, entre esta y la línea de transmisión ( carga en la base ), pero para una radiación más eficiente, a veces se inserta cerca del punto medio del elemento de la antena ( carga en el centro ).

Las bobinas de carga para transmisores potentes pueden tener requisitos de diseño exigentes, especialmente a bajas frecuencias. La resistencia de radiación de las antenas cortas puede ser muy baja, de tan solo unos pocos ohmios en las bandas LF o VLF , donde las antenas suelen ser cortas y la carga inductiva es más necesaria. Dado que la resistencia en el bobinado es comparable o superior a la resistencia de radiación, las bobinas de carga para antenas eléctricamente muy cortas deben tener una resistencia de CA extremadamente baja a la frecuencia de operación. Para reducir las pérdidas por efecto piel , la bobina suele estar hecha de tubos o hilo Litz , con bobinados de una sola capa y espiras espaciadas para reducir la resistencia por efecto de proximidad . A menudo deben soportar altos voltajes. Para reducir la potencia perdida por pérdidas dieléctricas , la bobina suele estar suspendida en el aire sobre finas tiras de cerámica. Las antenas reactivas capacitivas utilizadas a bajas frecuencias tienen anchos de banda extremadamente estrechos, por lo que si se cambia la frecuencia, la bobina de carga debe ser ajustable para sintonizar la antena a la resonancia con la nueva frecuencia del transmisor. A menudo se utilizan variómetros .

Para reducir las pérdidas debidas a la alta capacitancia en líneas de transmisión de energía de larga distancia , se puede introducir inductancia en el circuito mediante un sistema de transmisión de CA flexible (FACTS), un compensador estático de VAR o un compensador síncrono estático en serie. La compensación en serie puede considerarse como un inductor conectado en serie al circuito si este suministra inductancia al mismo.

El origen de la bobina de carga se encuentra en la obra de Oliver Heaviside sobre la teoría de las líneas de transmisión . Heaviside (1881) representó la línea como una red de elementos de circuito infinitesimalmente pequeños. Al aplicar su cálculo operacional al análisis de esta red, descubrió (1887) lo que se conoce como la condición de Heaviside . ^{[ 6 ] [ 7 ]} Esta es la condición que debe cumplirse para que una línea de transmisión esté libre de distorsión . La condición de Heaviside establece que la impedancia en serie , Z, debe ser proporcional a la admitancia en paralelo , Y, en todas las frecuencias. En términos de los coeficientes de la línea primaria, la condición es:

${\displaystyle {\frac {R}{G}}={\frac {L}{C}}}$

dónde:

${\displaystyle R}$es la resistencia en serie de la línea por unidad de longitud

${\displaystyle L}$es la autoinductancia en serie de la línea por unidad de longitud

${\displaystyle G}$es la conductancia de fuga en derivación del aislador de línea por unidad de longitud

${\displaystyle C}$es la capacitancia en paralelo entre los conductores de línea por unidad de longitud

Heaviside era consciente de que esta condición no se cumplía en los cables telegráficos prácticos que se utilizaban en su época. En general, un cable real tendría,

${\displaystyle {\frac {R}{G}}\gg {\frac {L}{C}}}$

Esto se debe principalmente al bajo valor de fuga a través del aislante del cable, que es aún más pronunciado en los cables modernos que tienen mejores aislantes que en la época de Heaviside. Para cumplir con la condición, las opciones son intentar aumentar G o L o disminuir R o C. Disminuir R requiere conductores más grandes. El cobre ya se utilizaba en los cables telegráficos y es el mejor conductor disponible, salvo la plata. Disminuir R implica usar más cobre y un cable más caro. Disminuir C también implicaría un cable más grande (aunque no necesariamente más cobre). Aumentar G es muy indeseable; si bien reduciría la distorsión, al mismo tiempo aumentaría la pérdida de señal. Heaviside consideró esta posibilidad, pero la descartó, lo que lo llevó a la estrategia de aumentar L como la forma de reducir la distorsión. ^{[ 8 ]}

Heaviside propuso inmediatamente (1887) varios métodos para aumentar la inductancia, incluyendo espaciar más los conductores y cargar el aislante con polvo de hierro. Finalmente, Heaviside propuso (1893) utilizar inductores discretos a intervalos a lo largo de la línea. ^{[ 9 ]} Sin embargo, nunca logró convencer a la Oficina General de Correos británica (GPO) de que adoptara la idea. Brittain atribuye esto a que Heaviside no proporcionó detalles técnicos sobre el tamaño y el espaciado de las bobinas para parámetros de cable específicos. El carácter excéntrico de Heaviside y su distanciamiento del sistema también pudieron haber influido en que lo ignoraran. ^{[ 10 ]}

John S. Stone trabajó para la American Telephone & Telegraph Company (AT&T) y fue el primero en intentar aplicar las ideas de Heaviside a las telecomunicaciones reales. La idea de Stone (1896) consistía en utilizar un cable bimetálico de hierro y cobre que había patentado. ^{[ 11 ]} Este cable de Stone aumentaría la inductancia de la línea debido al contenido de hierro y tenía el potencial de cumplir la condición de Heaviside. Sin embargo, Stone dejó la empresa en 1899 y la idea nunca se implementó. ^{[ 12 ]} El cable de Stone fue un ejemplo de carga continua, un principio que posteriormente se puso en práctica de otras formas; véase, por ejemplo, el cable Krarup más adelante en este artículo.

George Campbell era otro ingeniero de AT&T que trabajaba en sus instalaciones de Boston. A Campbell se le encomendó continuar la investigación sobre el cable bimetálico de Stone, pero pronto la abandonó en favor de la bobina de carga. Su descubrimiento fue independiente: Campbell conocía el trabajo de Heaviside sobre el descubrimiento de la condición de Heaviside, pero desconocía su sugerencia de usar bobinas de carga para que una línea pudiera cumplirla. La razón del cambio de rumbo fue el presupuesto limitado de Campbell.

Campbell tenía dificultades para realizar una demostración práctica en una ruta telefónica real con el presupuesto asignado. Tras considerar que sus simuladores de línea artificiales utilizaban componentes concentrados en lugar de las cantidades distribuidas presentes en una línea real, se preguntó si no podría insertar la inductancia con componentes concentrados en vez de utilizar la línea distribuida de Stone. Cuando sus cálculos demostraron que las alcantarillas en las rutas telefónicas estaban lo suficientemente cerca como para insertar las bobinas de carga sin el gasto de excavar la ruta o tender nuevos cables, cambió a este nuevo plan. ^{[ 13 ]} La primera demostración de bobinas de carga en un cable telefónico se realizó el 6 de septiembre de 1899 en un tramo de 46 millas del llamado cable de Pittsburgh (la prueba se realizó en realidad en Boston; el cable se había utilizado previamente para pruebas en Pittsburgh), llevada a cabo por el propio Campbell y su asistente. ^{[ 14 ]} El primer cable telefónico con líneas cargadas puesto en servicio público se instaló entre Jamaica Plain y West Newton en Boston el 18 de mayo de 1900. ^{[ 15 ]}

El trabajo de Campbell sobre bobinas de carga proporcionó la base teórica para su trabajo posterior sobre filtros, que resultó ser tan importante para la multiplexación por división de frecuencia . El fenómeno de corte de las bobinas de carga, un efecto secundario indeseable, puede aprovecharse para producir una respuesta de frecuencia de filtro deseable. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Mihajlo Pupin , inventor e inmigrante serbio en los EE. UU., también desempeñó un papel en la historia de las bobinas de carga. Pupin presentó una patente rival a la de Campbell. ^{[ 18 ]} Esta patente de Pupin data de 1899. Existe una patente anterior ^{[ 19 ]} (1894, presentada en diciembre de 1893) que a veces se cita como la patente de bobinas de carga de Pupin, pero que, de hecho, es algo diferente. La confusión es fácil de entender: el propio Pupin afirma que se le ocurrió la idea de las bobinas de carga mientras escalaba una montaña en 1894, ^{[ 20 ]} aunque no hay nada publicado por él en ese momento. ^{[ 21 ]}

La patente de Pupin de 1894 «carga» la línea con capacitores en lugar de inductores, un esquema que ha sido criticado por tener fallas teóricas ^{[ 22 ]} y que nunca se ha puesto en práctica. Para mayor confusión, una variante del esquema de capacitores propuesto por Pupin sí incluye bobinas. Sin embargo, estas no tienen como objetivo compensar la línea de ninguna manera. Su función es simplemente restablecer la continuidad de CC a la línea para que pueda ser probada con equipos estándar. Pupin afirma que la inductancia debe ser tan grande que bloquee todas las señales de CA superiores a 50  Hz. ^{[ 23 ]} En consecuencia, solo el capacitor agrega una impedancia significativa a la línea y «las bobinas no ejercerán ninguna influencia material en los resultados antes mencionados». ^{[ 24 ]}

Heaviside nunca patentó su idea; de hecho, no obtuvo ningún beneficio comercial de su trabajo. ^{[ 25 ]} A pesar de las disputas legales que rodean esta invención, es incuestionable que Campbell fue el primero en construir un circuito telefónico utilizando bobinas de carga. ^{[ 26 ]} Tampoco cabe duda de que Heaviside fue el primero en publicar y muchos cuestionarían la prioridad de Pupin. ^{[ 27 ]}

AT&T libró una batalla legal con Pupin por su reclamación. Pupin fue el primero en patentar, pero Campbell ya había realizado demostraciones prácticas antes incluso de que Pupin presentara su patente (diciembre de 1899). ^{[ 28 ]} La demora de Campbell en presentar la solicitud se debió a la lentitud de los procesos internos de AT&T. ^{[ 29 ]}

Sin embargo, AT&T, de forma imprudente, eliminó de la solicitud de patente propuesta por Campbell todas las tablas y gráficos que detallaban el valor exacto de la inductancia que se requeriría antes de presentar la patente. ^{[ 30 ]} Dado que la patente de Pupin contenía una fórmula (menos precisa), AT&T estaba expuesta a demandas por divulgación incompleta. Temiendo que existiera el riesgo de que la batalla terminara con la declaración de la invención como no patentable debido a la publicación previa de Heaviside, decidieron desistir del desafío y comprar una opción sobre la patente de Pupin por una tarifa anual para que AT&T controlara ambas patentes. En enero de 1901, Pupin había recibido $200,000 ( equivalente a $7,740,000 en 2025 ) y en 1917, cuando terminó el monopolio de AT&T y cesaron los pagos, había recibido un total de $455,000 ( equivalente a $11,434,091 en 2025 ). ^{[ 31 ]}

El invento fue de enorme valor para AT&T. Ahora se podían usar cables telefónicos al doble de distancia que antes, o bien, se podía usar un cable de la mitad de calidad (y costo) para la misma distancia. Al considerar si permitir que Campbell siguiera adelante con la demostración, sus ingenieros habían estimado que ahorrarían 700 000 dólares en costos de instalación nuevos solo en Nueva York y Nueva Jersey. ^{[ 32 ]} Se ha estimado que AT&T ahorró 100 millones de dólares en el primer cuarto del siglo XX. ^{[ 33 ] [ 34 ]} Heaviside, quien lo inició todo, no obtuvo nada. Le ofrecieron un pago simbólico, pero no lo aceptó, pues quería el reconocimiento por su trabajo. Comentó irónicamente que si se hubiera admitido su publicación anterior, "interferiría... con el flujo de dólares en la dirección correcta...". ^{[ 35 ]}

El ingeniero danés Carl Emil Krarup inventó un tipo de cable de carga continua que solucionó los problemas de las bobinas de carga discretas. El cable Krarup tiene hilos de hierro enrollados continuamente alrededor del conductor central de cobre, con espiras adyacentes en contacto entre sí. Este cable fue el primero en utilizar carga continua en un cable de telecomunicaciones. ^{[ 40 ]} En 1902, Krarup escribió su artículo sobre este tema y presenció la instalación del primer cable entre Helsingør (Dinamarca) y Helsingborg (Suecia). ^{[ 41 ]}

Aunque el cable Krarup añadía inductancia a la línea, esto era insuficiente para cumplir la condición de Heaviside. AT&T buscó un material mejor con mayor permeabilidad magnética . En 1914, Gustav Elmen descubrió la permalloy , una aleación recocida de níquel-hierro magnética. Hacia 1915, Oliver E. Buckley , H. D. Arnold y Elmen, todos en los Laboratorios Bell , mejoraron notablemente las velocidades de transmisión al proponer un método para construir cables de comunicaciones submarinos utilizando cinta de permalloy enrollada alrededor de los conductores de cobre. ^{[ 42 ]}

El cable fue probado en un ensayo en Bermudas en 1923. El primer cable de permalloy puesto en servicio conectó la ciudad de Nueva York y Horta (Azores) en septiembre de 1924. ^{[ 42 ]} El cable de permalloy permitió aumentar la velocidad de señalización en los cables telegráficos submarinos a 400 palabras/min en un momento en que 40 palabras/min se consideraba una buena velocidad. ^{[ 43 ]} El primer cable transatlántico alcanzó solo dos palabras/min. ^{[ 44 ]}

El mu-metal posee propiedades magnéticas similares a las del permalloy, pero la adición de cobre a la aleación aumenta su ductilidad y permite estirarlo para formar alambre. El cable de mu-metal es más fácil de fabricar que el de permalloy, ya que el mu-metal se enrolla alrededor del conductor central de cobre de forma muy parecida al alambre de hierro en el cable Krarup. Otra ventaja del cable de mu-metal es que su construcción permite un perfil de carga variable, donde la carga disminuye gradualmente hacia los extremos.

El mu-metal fue inventado en 1923 por la Telegraph Construction and Maintenance Company , de Londres, ^{[ 45 ]} que fabricó el cable, inicialmente, para la Western Union Telegraph Co. Western Union competía con AT&T y la Western Electric Company , que utilizaban permalloy. La patente del permalloy pertenecía a Western Electric, lo que impedía a Western Union utilizarlo. ^{[ 46 ]}

La carga continua de cables es costosa y, por lo tanto, solo se realiza cuando es absolutamente necesario. La carga concentrada con bobinas es más económica, pero presenta las desventajas de sellos difíciles y una frecuencia de corte definida. Un método intermedio es la carga por parches, en la que el cable se carga continuamente en secciones repetidas. Las secciones intermedias se dejan sin carga. ^{[ 47 ]}

El cable con bobinas de carga ya no es una tecnología útil para los cables de comunicación submarinos, habiendo sido reemplazado primero por el cable coaxial con repetidores en línea alimentados eléctricamente y luego por el cable de fibra óptica . La fabricación de cable con bobinas de carga disminuyó en la década de 1930 y luego fue reemplazada por otras tecnologías después de la Segunda Guerra Mundial . ^{[ 46 ]} Todavía se pueden encontrar bobinas de carga en algunas líneas telefónicas fijas, pero las nuevas instalaciones utilizan tecnología más moderna.