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Curso de Fibra Óptica Capítulo 1 – Conceptos Básicos

Adolfo Producto García Yagüe [email protected] Dpto. Ingeniería Cables~ Ópticos ~ [email protected] 0.0 ~ Junio Mes Año Versión 1.0 2005 Diseñamos primero, fabricamos después 1

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CURSO DE FIBRA ÓPTICA

Capítulo 1: Conceptos básicos Capítulo 2: Cables de fibra óptica Capítulo 3: Cableado Capítulo 4: Empalme de la fibra óptica Capítulo 5: Componentes Ópticos Pasivos Capítulo 6: Conectores Capítulo 7: Reflectometría 2

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Diseñamos primero, fabricamos después

CONCEPTOS TEÓRICOS (I)

Un Pulso de luz es una onda electromagnética No hay circulación de corriente eléctrica, sino propagación de luz (en pulsos y modos) Cada pulso de luz es un campo electromagnético en propagación o MODO LOS PULSOS DE LUZ SE PROPAGAN EN UN MEDIO ESPECÍFICO: FIBRA ÓPTICA Diseñamos primero, fabricamos después

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CONCEPTOS TEÓRICOS (II)

Señal óptica Transmisor electro-óptico Diodo LED o LASER

Receptor electro-óptico

Cable de FO

Fotodiodo

Conectores de FO Diseñamos primero, fabricamos después

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FRECUENCIAS Y LONGITUDES DE ONDA c = λ·f Altas Frecuencias

100 Km 10 Km

λ

1 Km

100 m

10 m

c = λ/T

Microondas

1m

1 dm

1 cm

Infrarojos

1 mm

Visible Ultravioleta

100 µm 10 µm 1 µm 100 nm 10 nm

Rayos X

1 nm 100 pm 10 pm

F 10 k

100 k

1M

10 M

100 M

1.5 µm 1.4

1G

1.3

10 G

1.2

100 G

1.1

1T

1

10 T

...

900 nm 800

Ventanas de la FO 5

100 T

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700

600

500

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ÍNDICE DE REFRACCIÓN (I)

Indice de refracción teórico de un medio: relación entre la velocidad de la luz en el vacío c y la velocidad de la luz en el medio vp. n = c / vp c = 300.000 Km/seg Vidrio de la f.o. Comercial: n=1,44

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n depende de la λ en el medio ⇒ Existen variaciones en la velocidad de propagación de la onda de luz a Diseñamos primero, fabricamos después través de un mismo medio de propagación. © 2008 TELNET-RI

ÍNDICE DE REFRACCIÓN (II)

Si Vp no es constante ⇒ las ondas de luz emplean distintos tiempos en recorrer la misma distancia física en la f.o. El tiempo que emplea el pulso lumínico en propagarse depende de un nuevo factor que es el Índice de refracción de grupo ng Diseñamos primero, ng > nm (1,4466 frente a 1,4616 a 1300nm) fabricamos después 7

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LONGITUDES DE ONDA: LASER-LED

Longitudes de onda LED Diodo láser 850 nm 1300nm 1300 nm 1550 nm

Comparacion Laser-LED LED

Diodo laser

Más barato

Más caro

Multimodo

Monomodo

Ancho espectral LED Diodo láser 40-80 nm 1-2 nm

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REFRACCIÓN Y REFLEXIÓN (I)

REFRACCIÓN: Cambio de velocidad, dirección y sentido que sufre una onda de luz al incidir sobre otro medio. La propagación de la onda prosigue por el segundo medio. REFLEXIÓN: Cambio de dirección y sentido que sufre una onda de luz al incidir sobre otro medio con n menor. La propagación de la onda prosigue por el medio inicial. Diseñamos primero, fabricamos después

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REFRACCIÓN Y REFLEXIÓN (II)

1

1

2

θ1

n1 n2 < n1 θ2

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1) Rayo incidente 2) Rayo reflejado 3) Rayo refractado

El rayo se aleja de la normal Si θ1 crece θ2 decrece Por encima de cierto ángulo θc sólo hay reflexión: Angulo crítico.

θc = 1/sen (n2/n1) 10

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CARACTERIZACIÓN DE LAS F.O.

Parámetros geométricos – – –

Diámetro del núcleo Diámetro del revestimiento o cubierta Diámetro del recubrimiento primario

Parámetros estructurales – – –

Apertura numérica Perfil de la fibra óptica Longitud de onda límite

Parámetros fundamentales de transmisión – –

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Coeficiente de atenuación Dispersión total / ancho de banda © 2008 TELNET-RI

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GEOMETRÍA DE LA F.O.

Núcleo (Core): Zona interior de la f.o., donde se produce la propagación de la onda de luz. Existe propagación porque nn > nr Revestimiento (Cladding): Capa central concéntrica con el núcleo. Recubrimiento primario (Coating o Jacket): Capa exterior de la fibra óptica, concéntrica con las dos anteriores.

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La trayectoria descrita por la onda de luz en su propagación depende de la primero distribución de los índices de refracción a lo largo de las seccionesDiseñamos del núcleo y , fabricamos después revestimiento (Perfil de f.o.) © 2008 TELNET-RI

PERFIL DE F.O.

Perfil de índice de refracción es la distribución del índice de refracción a lo largo de un diámetro de una fibra óptica. –

–

Perfil gradual: nc no se mantiene constante presentando una sección de forma acampanada ⇒ n es máximo en el centro del núcleo y decrece a medida que nos aproximamos al revestimiento. (MM) Perfil escalonado: nc se mantiene constante, presenta una sección recta ⇒ n es máximo en toda la sección del núcleo. (SM/MM)

nr siempre se mantiene constante 13

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APERTURA NUMÉRICA

Determina el ángulo máximo de luz incidente ⇒ Sólo la luz incidente bajo la NA se propaga por la fibra. Depende de los índices de refracción n1 y n2.

valores típicos de N.A. 0.27 en multimodo 0.11 en monomodo

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TIPOS DE FIBRAS: MULTIMODO (I)

Multimodo: salto de índice –

–

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Ancho de banda: 100MHz x Km Poco utilizadas © 2008 TELNET-RI

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TIPOS DE FIBRAS: MULTIMODO (II) Multimodo: índice gradual – – – – – –

Perfil de índice parabólico: se reduce la dispersión. Ancho de banda 1000MHz x Km 62,5/125µm mayor atenuación que 50/125 µm Atenuación menor a 1300nm que a 850nm λ utilizadas: 850 y 1300nm Mayor ancho de banda a 1300nm

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TIPOS DE FIBRAS: MONOMODO Monomodo: salto de índice –

–

–

–

–

El diámetro del núcleo solo permite el modo fundamental: No hay dispersión modal Ancho de banda 100GHz x Km Longitud de onda de corte: 1255nm Atenuación menor a 1550nm que a 1310nm λ utilizadas: 1310 y 1550nm

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ATENUACIÓN (I)

Tipo FO

850 nm

MM salto índice

5 -12 dB/km

MM Indice gradual

3 - 5 dB/km

Monomodo

1300 nm

1550 nm

0.5-0.7 dB/km 0.3-0.4 dB/km

0.2-0.3 dB/km

Disminución o pérdida de potencia de luz inyectada en la fibra con la distancia. La atenuación A(λ) a una λ entre dos secciones transversales de una f.o. 1 y 2 separadas una distancia L se define como: –

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A(λ)=10log (P1(λ)/P2(λ)) (dB) © 2008 TELNET-RI

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ATENUACIÓN (II)

Factores que intervienen el la atenuación: –

–

Dispersión Rayleigh o Scattering Absorción de la luz Dióxido de Silicio (UV, IR) Iones oxhidrilo (OH) (950nm, 1230nm y 1450nm) Curvaturas: se excede el ángulo critico. Radio de curvatura mínimo: máxima curvatura que puede soportar una fibra óptica circunscrita en un mandril de radio: radio de curvatura mínimo, sin variar alguna de sus características de transmisión. •

•

–

Ventanas de transmisión: 850nm, 1310nm, 1550nm 1550nm es la ventana de transmisión de atenuación mínima Diseñamos primero, fabricamos después

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ATENUACIÓN (III)

MACROCURVATURAS

SCATTERING

ABSORCIÓN

MICROCURVATURAS

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ATENUACIÓN (IV)

GRÁFICA DE ATENUACIÓN ESPECTRAL

MACROCURVATURAS

SCATTERING

ABSORCIÓN

MICROCURVATURAS

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DISPERSIÓN Y ANCHO DE BANDA

Ancho de Banda de f.o.: Frecuencia a la que la potencia óptica decae 3dB con respecto a la potencia a frecuencia cero. Dispersión: es el ensanchamiento del pulso de luz a lo largo de la fibra –

Dispersión modal (Sólo en multimodo)

–

Dispersión en el material

–

Dispersión en la Guiaonda

–

Polarización (PMD) en X e Y la luz viaja a diferentes velocidades, afecta sobre todo en monomodo Diseñamos primero, fabricamos después

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DISPERSIÓN MODAL (I)

Se produce porque la velocidad del haz de luz cuando se propaga por el núcleo de la f.o. no se mantiene constante. Dependencia de la dispersión modal con la anchura espectral del haz de luz inyectado. Menor anchura espectral ⇒ Mayor Ancho de Banda Limitación ancho de banda f.o. Multimodo ⇒ Dispersión modal. El resto de tipos de dispersión es despreciable (en f.o. MM)

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DISPERSIÓN MODAL (II)

62,5µm 125µm

Fibra multimodo de índice gradual –

–

Menor Vp de los modos de orden inferior que los de orden superior. Modos de orden inferior: parte central del núcleo, mayor nx Diseñamos primero, fabricamos después

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DISPERSIÓN MODAL (III)

Fibra multimodo de salto de índice –

–

Adelanto de los modos de orden inferior con respecto a los de orden superior. Los modos de orden inferior recorren menor camino y la Vp se mantiene constante ya que nx es constante.

62,5µm 125µm Diseñamos primero, fabricamos después

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DISPERSIÓN EN EL MATERIAL Y GUÍAONDA

Dispersión en el material – –

Variación del índice de refracción puntual del núcleo de fibra óptica Vp no se mantiene constante

Dispersión en la Guíaonda –

–

Falta de uniformidad en los fenómenos de reflexión del haz lumínico que se propaga en el núcleo de la fibra Dispersión característica de las fibras de salto de índice ya que la propagación se produce por reflexiones sucesivas.

La suma de estos dos tipos de dispersión es lo que se llama: Dispersión cromática o intramodal. Depende de λ. 1310nm es la λ con cero de Dispersión cromática (en SMF) Diseñamos primero,

fabricamos después

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VENTAJAS DE LA F.O. (I)

Ancho de banda muy elevado (GHz) Baja atenuación-larga distancia Inmunidad electromagnética Tamaño reducido Bajo peso Seguridad de la información Aislamiento eléctrico Rentabilidad No hay riesgo de chispas/explosión Diseñamos primero, El silicio es uno de los materiales más abundantes de la tierra fabricamos después

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VENTAJAS DE LA F.O. (II)

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DESVENTAJAS DE LA F.O.

Tecnología compleja: fabricación, instalación, medidas Coste de los equipos terminales

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FIBRAS ÓPTICAS ESPECIALES (I)

VENTAJAS DE DWDM

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FIBRAS ÓPTICAS ESPECIALES (II)

Comparación de los tipos de F.O. (I):

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FIBRAS ÓPTICAS ESPECIALES (III)

Comparación de los tipos de F.O. (II) –

FIBRAS ÓPTICAS CONVENCIONALES • •

–

FIBRAS ÓPTICAS ESPECIALES • • • • • • •

–

SMF (G.652B) DSF (G.653) Low Water Peak SMF (G.652D) : PureBand NZ-DSF for CWDM & DWDM (G.655A) : PureMetro Advanced NZ-DSF for DWDM (G.655B) : PureGuide Ultimate Lowest Attenuation (G.654) : Z Fiber Submarine Cables : PureCouple Dispersion Compensation Fiber : PureShaper Erbium doped fiber

FIBRAS ÓPTICAS MULTIMODO GIGABIT ETHERNET

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MANEJO DE LA F.O: TENSIONES MECÁNICAS

Toda la f.o. viene probada del fabricante mediante el “PROOF TEST” 100 Kpsi >1% elongación Esto equivale en f.o. de 125 um a 8.5 N = 850 g Garantiza la inexistencia de micro-roturas La f.o. rompe por tracción a aprox. 65 N = 6.5 Kg

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Gracias por su Atención www.telnet-ri.es

Adolfo García Yagüe ~ [email protected] Versión 0.0 ~ Mes Año Diseñamos primero, fabricamos 34 después

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Curso de Fibra Óptica Capítulo 2 – Cables de fibra óptica

Adolfo Producto García Yagüe [email protected] Dpto. Ingeniería Cables~ Ópticos ~ [email protected] 0.0 ~ Junio Mes Año Versión 1.0 2005 Diseñamos primero, fabricamos después 1

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CURSO DE FIBRA ÓPTICA

Capítulo 1: Conceptos básicos Capítulo 2: Cables de fibra óptica Capítulo 3: Cableado Capítulo 4: Empalme de la fibra óptica Capítulo 5: Componentes Ópticos Pasivos Capítulo 6: Conectores Capítulo 7: Reflectometría 2

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FIBRAS ÓPTICAS

El material utilizado para la fabricación de las fibras ópticas es el dióxido de silicio, SiO2 (cuarzo ó arena de silice) El dióxido de silicio debe ser muy puro para garantizar su alta transparencia óptica Durante el proceso de fabricación se incorporan los aditivos de dopado necesarios para modificar los índices de refracción del núcleo y del revestimiento Dopado del revestimiento: Boro y Flúor que reducen el índice de refracción Dopado del núcleo: Germanio y Fósforo para aumentar el índice de refracción Diseñamos primero,

fabricamos después

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PROCESO DE FABRICACIÓN

El proceso es el siguiente: –

–

Realización de la preforma • Sintetización del núcleo de la fibra óptica • Colapso del núcleo de la fibra óptica Extrusión o estirado de la fibra óptica

La preforma es el cilindro macizo de dióxido de silicio dopado que sirve como materia prima para la elaboración de la fibra óptica Diseñamos primero, fabricamos después

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PREFORMA DE FIBRA ÓPTICA

Métodos de fabricación: –

–

– –

MCVD: Modified Chemical Vapor Deposition VAD: Vapor Axial Deposition OVD: Outside Vapor Deposition PCVD: Plasma Chemical Vapor Deposition

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MCVD

Desarrollado inicialmente por Corning Glass Utilizada por Lucent y Alcatel Se instala un tubo de cuarzo en un torno Se calienta el tubo entre 1400 y 1600 ºC Se gira y se desplaza longitudinalmente el tubo de cuarzo Se introducen dopantes que se depositan en el interior del tubo formando sucesivas capas concéntricas El tubo de cuarzo con el dióxido de silicio en su interior convenientemente dopado, se convierte en un cilindro macizo que constituye la preforma, esta operación se realiza con un quemador entre 1700 y 1800ºC primero, Tamaño de la preforma 1m x 1cm de diámetro Diseñamos fabricamos después 6

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MCVD

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VAD

Desarrollado inicialmente por NTT Tecnología japonesa: Sumitomo, Fujikura La técnica es la misma que en el MCVD, la diferencia radica en que en este método se deposita tanto el núcleo como su revestimiento Se necesita un cilindro auxiliar sobre el que la preforma porosa va creciendo axialmente Se tienen que controlar la deposición del silicio de Germanio para crear el núcleo y el revestimiento Este proceso presenta las ventajas frente al MCVD de que permite obtener preformas con mayor diámetro y mayor Diseñamos primero, longitud a la par que precisa un menor aporte energético fabricamos después 8

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VAD

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OVD

Desarrollada inicialmente por Corning Glass Utilizada por Corning, Siecor, Optical Fibres Se parte de una varilla de substrato de cerámica Se depositan cientos de capas con dopantes que luego formarán el núcleo y el revestimiento Se realiza un secado de la preforma porosa con cloro gaseoso Se realiza el colapso de forma análoga al método VAD Optimizándose el proceso de secado es posible fabricar fibras con bajas atenuaciones Este método permite una alta calidad obteniéndose unos Diseñamos primero, perfiles mas homogéneos fabricamos después 10

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OVD

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ESTIRADO DE LA FIBRA ÓPTICA

En este proceso se fija el diámetro exterior de la fibra Se somete a la preforma a una temperatura de 2000ºC en un horno tubular para el reblandecimiento del cuarzo Factores decisivos: •

•

•

Uniformidad en la tensión de tracción que origina el estiramiento de la fibra > 1% (Proof test: 100 Kpsi) Ausencia de turbulencias en el horno Ausencia de cuerpos extraños

Se le aplica una capa de material sintético de protección que preserva mecánicamente y evita la formación de microcurvaturas (acrilato 250 µm) Diseñamos primero, fabricamos después

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ESTIRADO DE LA FIBRA ÓPTICA

Diseñamos primero, fabricamos después

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MONOMODO Y MULTIMODO

Recubrimiento Revestimiento Núcleo

MONOMODO

MULTIMODO

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CARACTERÍSTICAS DE LAS F.O. Monomodo 10/125

Multimodo 50/125

9,2 ± 0,4

50 ± 0,3

Multimodo 62,5/125 62,5 ± 0,3

Diámetro del revestimiento Diámetro del recubrimiento Error concentricidad núcleo-revest. Error circularidad núcleo

125 +/-1

125 +/-2

125 +/-2

245 ± 10

245 ± 10

245 ± 10

1 um

1,5 um

1,5 um

500 conexiones.

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ATENUADORES DE FIBRA ÓPTICA

Fijos y variables Permiten adecuar el nivel de potencia óptica. Aplicación típica en cabeceras de distribución o en los primeros nodos. Evitan saturación Diversos encapsulados – – – –

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En línea Macho/hembra Altas PR (40/60dB) Baja tolerancia ( 30 dB SPC > 40 dB UPC > 50 dB

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PULIDO APC

APC (Pulido Convexo Angular) Angulo de 8° Pulido convexo (radio de pulido 5-12 mm) P. R. Al aire > 60 dB Conectado –

–

P.I. = 0.30 dB P.R. > 60 dB

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CONECTORES

Características del buen conector – – – – – – – – – – – –

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Bajo coste Calidad Materiales, plástico, metal Estándar Fabricación Facilidad de uso, limpieza Pequeño tamaño Fiabilidad Repetibilidad Buenas P.I. Y P.R. Retención Durabilidad © 2008 TELNET-RI

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CONECTOR SMA

Diseñado en los años 60 a partir del SMA tipo A utilizado en radiofrecuencia Varios tipos SMA 905 y SMA 906 se diferencian en la forma de la ferrule Ferrule ø3,17 mm No existe contacto Diseñamos primero, fabricamos después

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CONECTOR SMA

Tipo de fibra multimodo 50/125, 62,5/125, 230um P.I. Típicas entre 0,3 y 1,5 dB dependiendo de la calidad del conector y el tipo de la fibra Repetibilidad: 18 dB, >30 dB y >40 dB Repetibilidad: 40, UPC>50, APC>60 Repetibilidad: 40, UPC>50, APC>60 Repetibilidad: 40, UPC>50, APC>60 Repetibilidad: 40, UPC>50 Repetibilidad: 40, UPC>50 Repetibilidad: