Q, Factor de calidad El tutorial Incluye:
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El factor de calidad o ‘Q’ de un inductor o circuito sintonizado se usa a menudo para dar una indicación de su rendimiento en un circuito de resonador. El factor Q o de calidad es un número adimensional y describe la amortiguación en el circuito. También proporciona una indicación del ancho de banda del resonador en relación con su frecuencia central.
Los valores de factor de calidad a menudo se citan y se pueden usar para definir el rendimiento de un inductor, un condensador o un circuito sintonizado.
El factor Q o de calidad se utiliza con muchos circuitos o elementos sintonizados de RF para indicar su rendimiento en un oscilador u otra forma de circuito resonante.
Las fórmulas simples relacionan las pérdidas y el ancho de banda con el Q.
Conceptos básicos de factor de calidad Q
El concepto de Factor de calidad Q fue concebido por primera vez por un ingeniero llamado K. S. Johnson del Departamento de Ingeniería de Western Electric Company en los EE. Estaba evaluando el rendimiento y la calidad de diferentes bobinas. A lo largo de sus investigaciones desarrolló el concepto de Q. Curiosamente, su elección de la letra Q se hizo porque se tomaron todas las demás letras del alfabeto y no por el término factor de calidad, aunque en retrospectiva la elección de la letra Q para factor de calidad no podría haber sido mejor.
El factor de calidad es un concepto que es aplicable en muchas áreas de la física y la ingeniería. Se denota con la letra Q y puede denominarse factor Q.
El factor Q es un parámetro adimensional que indica las pérdidas de energía dentro de un elemento resonante que podría ser cualquier cosa, desde un péndulo mecánico, un elemento en una estructura mecánica, o dentro de un circuito electrónico como un circuito resonante.
Mientras que el factor Q de un elemento se relaciona con las pérdidas, esto se vincula directamente al ancho de banda de un resonador con respecto a su frecuencia central.
La Q indica la pérdida de energía en relación con la cantidad de energía almacenada en el sistema. Por lo tanto, cuanto mayor sea la Q, menor será la tasa de pérdida de energía y, por lo tanto, las oscilaciones se reducirán más lentamente, es decir, tendrán un bajo nivel de amortiguación y suenan durante más tiempo.
Para circuitos electrónicos, las pérdidas de energía dentro del circuito son causadas por resistencia. Aunque esto puede ocurrir en cualquier lugar dentro del circuito, la causa principal de resistencia ocurre dentro del inductor.
Definición del factor de calidad
La definición del factor de calidad a menudo se necesita para dar una comprensión más exacta de lo que realmente es esta cantidad.
Para los circuitos electrónicos, Q se define como la relación entre la energía almacenada en el resonador y la energía suministrada por a a él, por ciclo, para mantener constante la amplitud de la señal, a una frecuencia en la que la energía almacenada es constante con el tiempo.
También se puede definir para un inductor como la relación de su reactancia inductiva a su resistencia a una frecuencia particular, y es una medida de su eficiencia.
Efectos del factor Q
Cuando se trata de circuitos sintonizados por RF, hay muchas razones por las que el factor Q es importante. Por lo general, un alto nivel de Q es beneficioso, pero en algunas aplicaciones, un nivel definido de Q puede ser lo que se requiere.
Algunas de las consideraciones asociadas con los circuitos sintonizados Q en RF se resumen a continuación:
- Ancho de banda: Al aumentar el factor Q o el factor de calidad, se reduce el ancho de banda del filtro de circuito sintonizado. A medida que disminuyen las pérdidas, el circuito sintonizado se vuelve más agudo a medida que la energía se almacena mejor en el circuito.
Se puede ver que a medida que aumenta la Q, el ancho de banda de 3 dB disminuye y la respuesta general del circuito sintonizado aumenta. En muchos casos, se necesita un factor Q elevado para garantizar que se alcance el grado de selectividad requerido. - Ancho de banda amplio: En muchas aplicaciones de RF se requiere un funcionamiento de ancho de banda amplio. Algunas formas de modulación requieren un ancho de banda amplio, y otras aplicaciones requieren filtros fijos para proporcionar una cobertura de banda ancha. Si bien es posible que se requiera un alto rechazo de señales no deseadas, existe un requisito competitivo para anchos de banda anchos. En consecuencia, en muchas aplicaciones se debe determinar el nivel de Q requerido para proporcionar el rendimiento general que se necesita para cumplir con los requisitos de ancho de banda amplio y rechazo adecuado de señales no deseadas.
- Ruido de fase del oscilador: Cualquier oscilador genera lo que se conoce como ruido de fase. Esto comprende cambios aleatorios en la fase de la señal. Esto se manifiesta como ruido que se extiende desde el portador principal. Como era de esperar, este ruido no es deseable y, por lo tanto, debe minimizarse. El diseño del oscilador se puede adaptar para reducir esto de varias maneras, la principal es aumentando el factor de calidad Q del circuito sintonizado del oscilador.
- Señales espurias generales: Los circuitos sintonizados y los filtros se utilizan a menudo para eliminar señales espurias. Cuanto más afilado sea el filtro y mayor sea el nivel de Q, mejor será el circuito capaz de eliminar las señales espurias.
- Timbre: A medida que aumenta la Q de un circuito resonante, las pérdidas disminuyen. Esto significa que cualquier oscilación configurada dentro del circuito tardará más en desaparecer. En otras palabras, el circuito tenderá a» sonar » más. Esto es realmente ideal para usar dentro de un circuito de oscilador porque es más fácil configurar y mantener una oscilación ya que se pierde menos energía en el circuito sintonizado.
Fórmulas de factor Q
La fórmula básica de factor Q o de calidad se basa en las pérdidas de energía dentro del inductor, circuito u otra forma de componente.
De la definición de factor de calidad dada anteriormente, el factor Q se puede expresar matemáticamente en la fórmula del factor Q a continuación:
Cuando se mira el ancho de banda de un circuito resonante de RF, esto se traduce en la fórmula del factor Q:
Dentro de cualquier RF u otro circuito, cada componente individual puede contribuir al factor Q o de calidad de la red de circuitos en su conjunto. La Q de los componentes, como inductores y condensadores, a menudo se cita como que tienen un cierto factor Q o factor de calidad.
Factor de calidad y amortiguación
Un aspecto del factor Q que es importante en muchos circuitos es la amortiguación. El Factor de calidad, Q, determina el comportamiento cualitativo de osciladores amortiguados simples y afecta a otros circuitos, como la respuesta dentro de los filtros, etc.
Hay tres regímenes principales que se pueden considerar al referirse al factor de amortiguación y Q.
- Bajo amortiguación (Q > 1/2) : Un sistema con amortiguación inferior es aquel en el que el factor Q es superior a la mitad. Aquellos sistemas donde el factor Q es solo un poco más de la mitad pueden oscilar una o dos veces cuando se aplica un impulso de paso antes de que la oscilación desaparezca. A medida que aumenta el factor de calidad, la amortiguación cae y las oscilaciones se mantendrán durante más tiempo. En un sistema teórico donde el factor Q es infinito, la oscilación se mantendría indefinidamente sin la necesidad de agregar ningún estímulo adicional. En los osciladores, alguna señal se retroalimenta para proporcionar un estímulo adicional, pero un factor Q alto normalmente produce un resultado mucho más limpio. Niveles más bajos de ruido de fase están presentes en la señal.
- Sobrecompresión (Q < 1/2): Un sistema sobrecompresión tiene un factor Q inferior a 1/2. En este tipo de sistema, las pérdidas son altas y el sistema no tiene exceso. En su lugar, el sistema decaerá exponencialmente, acercándose al valor de estado estacionario de forma asintótica después de aplicar un impulso escalonado. A medida que se reduce el factor Q o factor de calidad, los sistemas responden más lentamente a un impulso de paso.
- Amortiguado críticamente (Q = 1/2): El sistema amortiguado críticamente tiene un factor Q de 0,5 y, al igual que un sistema sobre amortiguado, la salida no oscila y no sobrepasa su salida de estado estacionario. El sistema se acercará a la asíntota de estado estacionario en el tiempo más rápido sin ningún exceso.
En muchos sistemas resonantes de RF, se necesitan altos niveles de factor Q. Para los filtros se necesita suficiente selectividad, pero no demasiada, y para los osciladores, los altos niveles de Q dan como resultado una estabilidad mejorada y un ruido de fase más bajo. En muchos sistemas, el factor Q no debe ser demasiado alto, ya que puede resultar en anchos de banda de filtro demasiado estrechos y los osciladores no pueden rastrear el rango requerido. Sin embargo, los niveles del factor Q tienden a ser altos en lugar de bajos.
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