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Richard DAVIS
Resistencia no inductiva
AEC-NASA Tech Brief # 68-10267
La resistencia de Moebius es no inductiva y no reactiva
El problema:
Desarrollar una resistencia eléctrica que no tenga autoinductancia mutua o residual a altas frecuencias.
La solución:
Una tira de Moebius hecha de materiales resistivos aislados con cables eléctricos unidos directamente uno frente al otro proporciona una resistencia no inductiva, no reactiva que es simple, económica y flexible en uso, y puede fabricarse en casi cualquier tamaño y forma deseados.
Cómo está hecho:
Se colocan dos conductores de cinta de igual longitud en los extremos opuestos de una tira de dieléctrico. Luego se da un giro único al ensamblaje y los extremos se unen para formar una superficie de Moebius. Los extremos de los conductores se sueldan juntos y los terminales de la resistencia se unen a las juntas de soldadura directamente opuestas. La corriente aplicada a los terminales viajará en direcciones opuestas, de modo que los campos electromagnéticos se cancelen entre sí, dando como resultado una resistencia esencialmente no inductiva, no reactiva, con una constante de tiempo baja. Se puede usar cable bifilar en lugar de cinta resistiva, eliminando la necesidad de una tira dieléctrica central. Los conductores de película delgada en superficies planas también se pueden usar para hacer resistencias de Moebius.
Dos o más conjuntos de cables resistivos pueden montarse lateralmente en la misma tira no conductora, con un espacio de aproximadamente 1/16 de pulgada, y conectarse para formar resistencias multi-Moebius en una unidad. No hay cambio en la constante de tiempo de las resistencias individuales, ni una de ninguna manera afecta el funcionamiento de las otras, incluso cuando se ensamblan en paralelo o en serie.
El rendimiento de la resistencia Moebius no se ve afectado por su forma, tamaño o longitud. Una vez que se conecta en forma de Moebius, se puede doblar o rodear alrededor de un núcleo cilíndrico o una tarjeta, o incluso en una bola, lo que resulta en un embalaje compacto de la resistencia para su uso en circuitos miniaturizados. La resistencia de Moebius no se acopla a objetos metálicos, campos externos ni a sí misma. Cuando el puente se anula, la resistencia se puede manipular o cambiar de forma sin alterar el equilibrio. No se deben tocar los conductores y no se debe alterar el espacio entre ellos.
La inductancia y la reactancia se eliminan virtualmente en esta resistencia porque la tira de Moebius es topológicamente una superficie de un solo lado. El pulso se divide por igual en los terminales, ya que la impedancia es la misma en ambas direcciones. Un pulso viaja con una orientación hacia la derecha, y el otro opuesto a él en todos los aspectos; por lo tanto, los pulsos no se cancelan. La polaridad se invierte cuando los pulsos han recorrido la mitad de la longitud de la resistencia donde la resistencia de CC es la mitad del valor total. En este punto, los potenciales de los pulsos separados son iguales y de fase opuesta. Continúan hasta llegar a las terminales nuevamente donde han disminuido a cero. Al igual que con otras resistencias, la resistencia de Moebius utiliza la longitud total del conductor para disipar la energía del pulso; sin embargo, el dieléctrico de la resistencia de Moebius se usa de manera más eficiente, ya que dos pulsos iguales viajan a lo largo de su volumen entre los conductores.
Notas:
(1) Si los terminales no están directamente opuestos, la resistencia se vuelve inductiva, con una inductancia máxima cuando los terminales están separados por la mitad de la longitud del bucle.
(2) Las consultas relacionadas con esta invención pueden dirigirse a:
Sandia Oficina de Cooperación Industrial ~ Org. 3413
Sandia Corp.
PO Box 5800
Albuquerque NM 87115
Referencia: B68-10267
Electronics Illustrated (noviembre de 1969, p. 76, 77, 117)
¡En frecuencias ultra altas, los componentes electrónicos adquieren formas extrañas!
por
Jorma Hyypia
¿Cómo puede exprimir la inductancia y la reactancia problemáticas (resistencia a los cambios en la CA) de una resistencia? Una forma es hacer una resistencia en forma de bucle Moebius, una rareza matemática centenaria que se basa en una superficie geométrica que tiene solo un lado y un borde.
En circunstancias ideales, una resistencia debe proporcionar solo resistencia, una capacitancia solo de condensador y una inductancia solo de inductor. Desafortunadamente, en los circuitos de alta frecuencia (UHF y microondas) y especialmente en aplicaciones de pulso como el radar, el diseño y el funcionamiento de dichos circuitos se ve muy afectado por la reactancia no deseada inherente a estos componentes. Cuanto mayor es la frecuencia, más críticos son estos valores parásitos.
Richard L. Davis, un ingeniero electrónico de los Laboratorios Sandia en Albuquerque, NM, ha encontrado una solución única para uno de estos problemas (hacer que las resistencias de bajo valor no sean reactivas). Davis razonó que si la corriente que pasa a través de una resistencia pudiera dividirse en dos componentes iguales cuyos campos electromagnéticos se cancelan, la reactancia de la resistencia sería pequeña. ¿Cómo podría hacerse una resistencia así? La solución de Davis fue agregar un simple giro de Moebius a una resistencia de cinta o conductor de cable.
Kooky Loops ~
Quizás la forma más antigua de visualizar la construcción (y el funcionamiento) de una resistencia Moebius es hacer un cupé de bucles Moebius a partir de tiras largas de papel de aproximadamente una pulgada de ancho. Primero haga el bucle básico uniendo (con cinta) los dos extremos de una sola tira después de haberle dado media vuelta. ¡Este bucle solo tiene una superficie! Demuestre esto dibujando una línea a lo largo de toda la tira hasta su punto de partida. La línea cubrirá ambos lados de la tira.
Sin embargo, una resistencia de Moebius debe construirse con dos cintas conductoras, con o sin una capa dieléctrica de separación. Así que ahora haga otro bucle de Moebius, esta vez usando dos tiras de papel idénticas, una encima de la otra; nuevamente, dale media vuelta a las tiras antes de unir los extremos opuestos. Etiquete una de las entradas de empalmes, la otra salida.
Puede parecer que todavía hay dos bucles separados: un lápiz entre las tiras se puede deslizar completamente alrededor del bucle hasta el punto de partida. En realidad, solo hay un bucle. Verá esto cuando intente separarlos. Los dos caminos que tomará la corriente de entrada al terminal de salida se pueden rastrear una vez que se abre el bucle.
Cómo funciona ~
El pulso de entrada que se aplica a uno de los terminales se divide en dos componentes iguales que viajan en direcciones opuestas. Esto sucede porque las impedancias de las dos rutas a los terminales de salida son idénticas. Dado que un pulso gira hacia la derecha mientras las otras cabezas se van, no pueden interferir entre sí. Luego, cuando los pulsos han viajado a la mitad de la salida, donde la resistencia de CC es la mitad del valor total, los pulsos tienen el mismo potencial y la fase opuesta. Para cuando alcanzan la producción, sus potenciales caen a cero.
Los dos terminales deben estar exactamente opuestos entre sí; de lo contrario, la resistencia se volverá inductiva (los pulsos no estarían desfasados 180 ° y el magnetismo residual estaría presente). Si bien es preferible eliminar los cables conductores siempre que sea posible (para evitar la capacitancia parásita), una resistencia que sea ligeramente capacitiva puede equilibrarse si ajusta las longitudes de los cables.
La primera resistencia experimental de Davis estaba hecha de un conductor de cinta de aluminio colocado en cinta de enmascarar. La cinta adhesiva sirve como dieléctrico. Tenía una resistencia de 0.022 ohm y una reactancia residual de 0.003 microhenry. El tiempo constante [ilegible] fue muy bajo para una resistencia tan pequeña. Estos valores pueden parecer ridículamente bajos para las personas que experimentan con audio y frecuencias de RF más bajas, pero a medida que ingresa en el espectro, estos valores de componentes tienen efectos de rendimiento tremendos.
Los circuitos UHF sintonizados tienen frecuencias resonantes que requieren condensadores y bobinas casi invisibles, y las longitudes de onda cortas son demasiado grandes para la mayoría de los componentes. De hecho, la mayoría de los circuitos de radar utilizan cavidades resonantes en lugar de condensadores y bobinas individuales. Las cavidades y guías de onda actúan sobre campos electromagnéticos, mientras que las resistencias, los condensadores y las bobinas están diseñados principalmente para controlar los electrones que fluyen en los cables. Los primeros actúan como constantes distribuidas; estos últimos son constantes agrupadas. Una resistencia de Moebius es un componente constante constante.
Gran versatilidad ~
Una característica llamativa de una resistencia Moebius es que no se acopla electromagnéticamente a otro objeto metálico o a sí mismo, incluso si se cambia la forma de la resistencia terminada. Solo hay dos requisitos para esto: los conductores no deben tocarse físicamente y la separación entre la capa conductora no debe modificarse. Esta característica de no acoplamiento permite envolver las resistencias de Moebius alrededor de las tarjetas.
Las resistencias de Moebius son simples y económicas de fabricar. El problema es que, a menos que tenga un equipo que funcione a frecuencias de alrededor de 500 a 4000 mc, no encontrará mucho uso para ellos. Por supuesto, si usted es matemático, siempre puede buscar un libro de texto sobre topología, solo para descubrir de qué estaba hablando realmente el Sr. Moebius.
Hora (25 de septiembre de 1964)
Hacer resistencias con matemáticas
Breves pulsos de alta potencia de energía eléctrica que palpitan a través de intrincados circuitos son los latidos del radar moderno. Pero son la ruina de muchos ingenieros electrónicos. A veces, las corrientes de alta frecuencia que se apiñan en un pulso giran a través de una resistencia simple como si fuera también una pequeña bobina (inductancia); a veces los pulsos tratan la resistencia como si fuera un condensador. De cualquier manera, bobina o condensador, esos efectos no deseados introducen problemas molestos.
En un esfuerzo por reducir tales efectos secundarios, los expertos en electrónica han recurrido a todo tipo de trucos. Pero en la mayoría de los casos, lo mejor que podían hacer era seguir consejos tan antiguos como el físico escocés Maxwell, el padre de la teoría eléctrica, quien murió en 1879. Fue Maxwell quien señaló que las resistencias pueden doblarse en curvas cerradas para que su corriente fluya en dos direcciones, cancelando la capacitancia o inductancia. Más tarde, el físico Georges Chaperon hirió las resistencias en bobinas entrelazadas con el mismo resultado.
Mente errante ~
Esas soluciones funcionan bien, pero no lo suficientemente bien para los equipos de alta potencia actuales. En Sandia Corp. en Albuquerque, el físico Richard L. Davis estaba ocupado tratando de idear mejoras. Un día dejó que su mente divagara y recordó un viejo truco matemático de salón, el bucle Moebius (llamado así por el matemático alemán August Moebius, 1790-1868). Math se fusionó de repente con la electrónica, y Davis tenía lo que estaba buscando: el diseño de una resistencia Mobius no inductiva.
Se puede hacer un lazo de Mobius cortando una tira estrecha de papel y pegando sus extremos juntos después de darle media vuelta a la tira. El bucle que resulta tiene cualidades peculiares. Lo más importante, aunque el papel del que está hecho tiene dos lados, el bucle solo tiene una superficie. Esto se puede probar dibujando una línea de lápiz en el centro de la tira. La línea de lápiz cubre ambos lados del papel y regresa al punto de partida sin que se voltee la tira. Cuando se corta a lo largo de la línea del lápiz, el papel no forma dos lazos, sino un lazo largo y estrecho. Cortado una vez más de la misma manera, el bucle estrecho se convierte en dos bucles entrelazados.
Doble Pasaje ~
Davis hizo un lazo de Mobius con una tira de plástico no conductor que tenía una lámina metálica unida a ambos lados para servir como resistencia eléctrica. Él ató el cable a la lámina en lados opuestos de la tira. Cuando envió pulsos eléctricos a través de estos cables, la corriente se dividió, fluyó en ambas direcciones a través de la lámina, y pasó dos veces. Debido al doble pasaje, la inductancia fue tan baja como Davis había esperado. Está encantado pero aún desconcertado. Los pulsos aparentemente pasan directamente a través de ellos mismos, y él no puede estar seguro de cómo o por qué funciona su dispositivo. “Quizás Maxwell podría decirnos”, dice, “pero está muerto”.
Patente de los Estados Unidos Nº 3.267.406
Resistencia eléctrica no inductiva
(16 de agosto de 1966)
Richard L. Davis
Esta invención se refiere a resistencias eléctricas, particularmente a resistencias eléctricas no inductivas.
En los circuitos electrónicos de alta tensión y alta frecuencia, especialmente en aplicaciones de pulso como el radar, el diseño y el funcionamiento de estos circuitos se ven muy afectados por la reactancia desconocida en los componentes del circuito o en el acoplamiento no deseado entre los componentes. Se ha gastado una gran cantidad de tiempo y dinero para desarrollar componentes que muestren en estas aplicaciones la función eléctrica particular para la que fue diseñada. En circunstancias ideales, una resistencia debería proporcionar esencialmente solo resistencia al circuito, una capacitancia solo de condensador y una inductancia solo de inductor.
Este ha sido el problema en el campo de resistencias y particularmente resistencias de baja resistencia. Resistencias de baja resistencia previamente conocidas han mostrado en aplicaciones de alta frecuencia y pulso alguna forma de reactancia perjudicial o acoplamiento con otros componentes.
Por lo tanto, un objetivo de esta invención es proporcionar una resistencia que no tenga autoinductancia residual o inductancia mutua.
Es un objeto adicional proporcionar una resistencia que no sea reactiva a altas frecuencias.
Aparecerán otros objetos y ventajas a partir de la siguiente descripción de una realización de la invención, y las características más novedosas se señalarán particularmente a continuación en relación con las reivindicaciones adjuntas.
Esta invención contempla la utilización de material resistivo aislado en forma de una superficie de Moebius con cables eléctricos unidos diametralmente opuestos entre sí como una resistencia no inductiva.
Para una mejor comprensión de la invención, puede hacerse referencia a los dibujos adjuntos en los que:
La figura 1 es una vista en perspectiva de una realización de esta invención.
La figura 2 es una vista en sección transversal de la tira de Moebius que muestra la ubicación de la resistencia, el aislante y los cables eléctricos, y
La figura 3 es una vista en corte de una sección de una resistencia que incorpora esta invención.
En la realización de la invención ilustrada en la Figura 1 y la Figura 2, la resistencia no inductiva 1 comprende una cinta no conductora 2 de un material aislante tal como Mylar (tereftalato de polietileno) en ambos lados de los cuales se han aplicado cintas resistivas 3 y 4. Las cintas resistivas 3 y 4 pueden estar hechas de un material resistivo como Tophet A (80 Ni, 20 Cr) o para aluminio de muy baja resistencia. Las cintas combinadas, 2,3 y 4 se retuercen como se muestra en el punto 5 y la cinta resistiva 3 se conecta a una cinta resistiva 4 tal como soldando para formar una tira de Moebius. Las cintas resistivas 3 y 4, cuando están conectadas, forman una sola superficie de Moebius. Los cables eléctricos 6 y 7 se unen, por ejemplo, mediante soldadura a los puntos diametralmente opuestos 8 y 9 de las cintas resistivas 3 y 4 para completar la resistencia.
Se entiende que las cintas resistivas 3 y 4 pueden reemplazarse por un cable resistivo tal como un cable bifilar Manganin (84 Cu, 12 Mn, 4 Ni) en el que el aislamiento normalmente proporcionado reemplazaría la cinta no conductora 2. Por un cable bifilar, es significaba dos hilos paralelos de alambre cubiertos y separados por el mismo aislante. El espacio entre los cables proporcionados por el aislamiento debe mantenerse cuando los cables respectivos están conectados entre sí para formar la tira de Moebius para tener una mínima reactancia en la resistencia.
En funcionamiento, una corriente eléctrica de alta frecuencia insertada a través de los cables eléctricos 6 y 7 viajará en direcciones opuestas entre los cables a través de las cintas resistivas 3 y 4. Los campos electromagnéticos generados por estas corrientes se cancelan entre sí, lo que da como resultado un efecto esencialmente no inductivo de resistencia reactiva como se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1 ~
Resistencia del conductor (ohmios) Reactancia (200 kc) Material resistivo
Cinta 12.7 0.0305 microhenries Tophet A
Cinta 80 0.1 picofarad Tophet A
Alambre 50.3 0.090 microhenries Manganina
Wire 62 0.069 picofarad Manganin
La resistencia de Moebius enumerada primero en la Tabla 1 se pulsó a 1000 voltios y tuvo un tiempo de aumento medido de 0,1 microsegundos.
Se descubrió que la reactancia y / o resistencia de una resistencia que incorpora esta invención no se vio afectada por el manejo o los cambios de forma. Una vez que la resistencia está conectada como se describió anteriormente en una tira de Moebius, la resistencia no necesita mantenerse en ninguna forma particular como la que se muestra en la Figura 1, sino que puede enrollarse alrededor de un núcleo cilíndrico o una tarjeta o, en ese caso, enrollarse en una bola las cintas resistivas están aisladas entre sí, como es bien conocido en la técnica. Una resistencia de tira de Moebius fue enrollada en un núcleo cilíndrico sin ningún efecto en su funcionamiento, lo que permite un empaque compacto de la resistencia.
Además, como se muestra en la Figura 3, dos conjuntos de cintas resistivas 10 y 11 y 12 y 13 respectivamente se aplicaron lado a lado en la misma cinta no conductora 14 con un espacio de aproximadamente 1/16 de pulgada y la unidad combinada conectada como se describe con respecto a la Figura 1 para formar dos resistencias de banda de Moebius usando las cintas 10 y 11 como una resistencia y las cintas 12 y 13 como la otra resistencia. Estas resistencias se conectaron sucesivamente en serie y en paralelo y se midió la resistencia y la reactancia resultantes. Se descubrió que el valor de la resistencia resultante cambiaba de acuerdo con el efecto paralelo en serie habitual sin cambiar la constante de tiempo de una resistencia simple. Por lo tanto, se puede organizar un grupo de resistencias de banda Moebius para la mayoría de los valores de resistencia, ya sea por conexión en serie o conexión en paralelo y aún así mantener el tiempo constante. Dado que estas resistencias pueden enrollarse alrededor de cualquier forma y no cambiar la reactancia, se puede hacer un grupo de resistencias en la misma cinta y la resistencia combinada se enrolla alrededor de una forma común con un tamaño comparable a las resistencias actuales.
Se entenderá que los expertos en la materia pueden realizar diversos cambios en los detalles, materiales y disposiciones de las partes, que se han descrito e ilustrado en el presente documento para explicar la naturaleza de la invención, dentro de los principios y el alcance de invención como se expresa en las reivindicaciones adjuntas.
Lo reclamado es:
(1) Una resistencia eléctrica no inductiva que comprende en combinación, una cinta de material no conductor que tiene superficies opuestas que definen una superficie uniforme continua en forma de una tira de Moebius, al menos una sola capa uniforme de material resistivo dispuesta de manera continua circunferencialmente a lo largo y en paralelo de la coextensividad en dichas superficies opuestas, y un par de cables eléctricos conectados a la capa de material resistivo en puntos alineados entre sí en superficies opuestas del material no conductor.
(2) La combinación de la reivindicación 1 en la que el material resistivo comprende una pluralidad de capas resistivas y cada capa está dispuesta uniforme y continuamente en todas partes y en coextensividad paralela sobre dichas superficies opuestas.
(3) La combinación de la reivindicación 2 en la que cada capa resistiva tiene un par de cables eléctricos conectados a la misma en puntos alineados entre sí en superficies opuestas del material no conductor.