Согласование импеданса

Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны ) Ведущий раздел этой статьи может быть слишком коротким, чтобы адекватно резюмировать ее ключевые моменты . Пожалуйста, рассмотрите возможность расширения лид, чтобы предоставить доступный обзор всех важных аспектов статьи. ( Декабрь 2016 г. ) Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в значительной степени непроверенным, поскольку в нем отсутствует достаточное количество соответствующих встроенных ссылок . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Декабрь 2013 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Импеданс цепи источника и нагрузки

В электронике , согласование импеданса является практикой проектирования входного импеданса в качестве электрической нагрузки или выходного сопротивления его соответствующего источника сигнала , чтобы максимизировать передачу мощности или свести к минимуму отражения сигнала от нагрузки. Источник электроэнергии, такой как генератор , усилитель или радиопередатчик, имеет полное сопротивление источника, эквивалентное электрическому сопротивлению, включенному последовательно с частотно-зависимым реактивным сопротивлением . Точно так же электрическая нагрузка, такая как лампочка ,Линия передачи или антенна имеет импеданс, эквивалентный сопротивлению, включенному последовательно с реактивным сопротивлением. Теорема о максимальной мощности утверждает, что максимальная мощность передается от источника к нагрузке, когда сопротивление нагрузки равно сопротивлению источника, а реактивное сопротивление нагрузки равно отрицательному реактивному сопротивлению источника: реактивные сопротивления компенсируют друг друга с их противоположной зависимостью от частоты. Другими словами, используя комплексные числа, импеданс нагрузки должен равняться комплексно-сопряженной величине полного сопротивления источника. Если это условие выполнено, две части цепи считаются согласованными по сопротивлению .

В цепи постоянного тока (DC) условие выполняется, если сопротивление нагрузки равно сопротивлению источника. В цепи переменного тока (AC) реактивное сопротивление зависит от частоты , поэтому цепи, импеданс которых согласован на одной частоте, могут не соответствовать импедансу при изменении частоты. Согласование импеданса в широкой полосе, как правило, требует сложных, подобных фильтру структур с множеством компонентов, за исключением тривиального случая постоянного сопротивления источника и нагрузки, когда можно использовать трансформатор.

В случае комплексного полного сопротивления источника Z _S и полного сопротивления нагрузки Z _L максимальная передача мощности достигается, когда

${\ Displaystyle Z _ {\ mathrm {S}} = Z _ {\ mathrm {L}} ^ {*} \,}$

где звездочка указывает на комплексное сопряжение переменной. Там , где Z _S представляет собой характеристический импеданс в виде линии передачи , минимальное отражение получается , когда

${\displaystyle Z_{\mathrm {S} }=Z_{\mathrm {L} }\,}$

Концепция согласования импеданса впервые нашла применение в электротехнике , но актуальна и в других приложениях, в которых энергия, не обязательно электрическая, передается между источником и нагрузкой. Альтернативой согласованию импеданса является мостовое соединение импеданса , при котором импеданс нагрузки выбирается намного большим, чем импеданс источника, и целью является максимизация передачи напряжения, а не мощности.

Теория [ править ]

Импеданс - это противодействие системы потоку энергии от источника. Для постоянных сигналов это сопротивление также может быть постоянным. Для различных сигналов она обычно меняется в зависимости от частоты. Используемая энергия может быть электрической , механической , акустической , магнитной , оптической или тепловой . Концепция электрического импеданса, пожалуй, самая известная. Электрический импеданс, как и электрическое сопротивление, измеряется в омах . В общем, импеданс имеет комплексное значение; это означает, что нагрузки обычно имеют компонент сопротивления (символ: R ), который формирует реальнуючасть Z и реактивный компонент (символ: Х ) , который образует мнимую часть Z .

В простых случаях (например, при передаче электроэнергии на низких частотах или постоянном токе) реактивное сопротивление может быть незначительным или равным нулю; импеданс можно рассматривать как чистое сопротивление, выраженное действительным числом. В следующем заключении мы рассмотрим общий случай, когда сопротивление и реактивное сопротивление являются значительными, и специальный случай, когда реактивное сопротивление незначительно.

Соответствие без отражения [ править ]

Согласование импеданса для минимизации отражений достигается за счет приведения полного сопротивления нагрузки к сопротивлению источника. Если импеданс источника, импеданс нагрузки и характеристический импеданс линии передачи являются чисто резистивными, то согласование без отражения будет таким же, как согласование максимальной передаваемой мощности. ^[1]

Согласование максимальной мощности передачи [ править ]

Комплексно-сопряженное согласование используется, когда требуется передача максимальной мощности, а именно

${\displaystyle Z_{\mathsf {load}}=Z_{\mathsf {source}}^{*}\,}$

где верхний индекс * указывает на комплексное сопряжение . Сопряженное сопоставление отличается от сопоставления без отражения, когда либо у источника, либо у нагрузки есть реактивный компонент.

Если источник имеет реактивную составляющую, но нагрузка является чисто резистивной, то согласование может быть достигнуто путем добавления реактивного сопротивления такой же величины, но противоположного знака к нагрузке. Эта простая согласованная сеть, состоящая из одного элемента , обычно обеспечивает идеальное согласование только на одной частоте. Это связано с тем, что добавленный элемент будет либо конденсатором, либо катушкой индуктивности, полное сопротивление которых в обоих случаях зависит от частоты и, как правило, не будет соответствовать частотной зависимости полного сопротивления источника. Для приложений с широкой полосой пропускания необходимо проектировать более сложную сеть.

Передача энергии [ править ]

Всякий раз , когда источник питания с фиксированными выходными сопротивлением , такими как электрический сигналом источник, в радио передатчик или механический звук (например, громкоговоритель ) работает в нагрузку , максимально возможная мощность подается на нагрузку , когда импеданс нагрузки ( полное сопротивление нагрузки или входное сопротивление ) равно комплексно сопряженному сопротивлению источника (то есть его внутреннему сопротивлению или выходному сопротивлению). Чтобы два импеданса были комплексно сопряженными, их сопротивления должны быть равными, а их реактивные сопротивления должны быть равными по величине, но противоположных знаков. В низкочастотных системах или системах постоянного тока (или системах с чисто резистивными источниками и нагрузками) реактивные сопротивления равны нулю или достаточно малы, чтобы ими можно было пренебречь. В этом случае передача максимальной мощности происходит, когда сопротивление нагрузки равно сопротивлению источника (см. Теорему о максимальной мощности для математического доказательства).

Согласование импеданса не всегда необходимо. Например, если источник с низким импедансом подключен к нагрузке с высоким импедансом, мощность, которая может проходить через соединение, ограничивается более высоким импедансом. Это соединение с максимальным напряжением представляет собой обычную конфигурацию, называемую мостовой схемой импеданса или мостом по напряжению , и широко используется при обработке сигналов. В таких приложениях подача высокого напряжения (чтобы минимизировать ухудшение сигнала во время передачи или потреблять меньше энергии за счет уменьшения токов) часто более важна, чем максимальная передача мощности.

В более старых аудиосистемах (основанных на трансформаторах и сетях с пассивными фильтрами и на базе телефонной системы) сопротивление источника и нагрузки было согласовано на уровне 600 Ом. Одна из причин этого заключалась в том, чтобы максимизировать передачу мощности, поскольку не было доступных усилителей, которые могли бы восстановить потерянный сигнал. Другая причина заключалась в обеспечении правильной работы гибридных трансформаторов, используемых в центральном коммутаторе для отделения исходящей речи от входящей, чтобы ее можно было усилить или подать в четырехпроводную схему . С другой стороны, большинство современных аудиосхем используют активное усиление и фильтрацию и могут использовать мостовые соединения по напряжению для максимальной точности. Строго говоря, согласование импеданса применяется только тогда, когда и источник, и нагрузка устройства являются линейными.; однако согласование может быть достигнуто между нелинейными устройствами в определенных рабочих диапазонах.

Устройства согласования импеданса [ править ]

Регулировка импеданса источника или импеданса нагрузки, как правило, называется «согласованием импеданса». Есть три способа улучшить рассогласование импеданса, каждый из которых называется «согласованием импеданса»:

• Устройства, предназначенные для представления кажущейся нагрузки источнику Z _{нагрузки}  =  Z _{источник} * (комплексно-сопряженное согласование). Учитывая источник с фиксированным напряжением и фиксированным сопротивлением источника, теорема о максимальной мощности гласит, что это единственный способ извлечь максимальную мощность из источника.
• Устройства, предназначенные для представления кажущейся нагрузки Z _load  =  Z _line (комплексное согласование импеданса), чтобы избежать эхо-сигналов. Учитывая источник линии передачи с фиксированным импедансом источника, это «безотражательное согласование импеданса» на конце линии передачи является единственным способом избежать отражения эхо-сигналов обратно в линию передачи.
• Устройства, предназначенные для отображения кажущегося сопротивления источника как можно более близкого к нулю или для отображения кажущегося напряжения источника как можно более высокого. Это единственный способ максимизировать энергоэффективность, поэтому он используется в начале линий электропередач. Такое мостовое соединение с полным сопротивлением также сводит к минимуму искажения и электромагнитные помехи ; он также используется в современных усилителях звука и устройствах обработки сигналов.

Между источником энергии и нагрузкой используются различные устройства, которые выполняют «согласование импеданса». Для согласования электрических сопротивлений инженеры используют комбинации трансформаторов , резисторов , катушек индуктивности , конденсаторов и линий передачи . Эти пассивные (и активные) устройства согласования импеданса оптимизированы для различных приложений и включают балуны , антенные тюнеры (иногда называемые ATU или американские горки из-за их внешнего вида), акустические рупоры, согласующие сети и терминаторы .

Трансформеры [ править ]

Трансформаторы иногда используются для согласования импедансов цепей. Трансформатор преобразует переменный ток при одном напряжении в сигнал той же формы при другом напряжении. Входная мощность трансформатора и выходная мощность трансформатора одинаковы (за исключением потерь преобразования). Сторона с более низким напряжением имеет низкий импеданс (потому что у нее меньшее количество витков), а сторона с более высоким напряжением имеет более высокий импеданс (поскольку у нее больше витков в ее катушке).

Одним из примеров этого метода является телевизионный балунный трансформатор. Этот трансформатор преобразует симметричный сигнал от антенны (через 300-ом твин-свинец ) в несимметричном сигнале (коаксиальный кабель 75 Ом , такие как RG-6 ). Чтобы согласовать импедансы обоих устройств, оба кабеля должны быть подключены к согласующему трансформатору с соотношением витков 2 (например, к трансформатору 2: 1). В этом примере 75-омный кабель подключается к трансформатору с меньшим количеством витков; линия на 300 Ом подключается к стороне трансформатора с большим количеством витков. Формула для расчета коэффициента трансформации трансформатора для этого примера:

${\displaystyle {\text{turns ratio}}={\sqrt {\frac {\text{source resistance}}{\text{load resistance}}}}}$

Резистивная сеть [ править ]

Сопряжения резистивного импеданса проще всего спроектировать, и их можно получить с помощью простой L-образной контактной площадки, состоящей из двух резисторов. Потеря мощности - неизбежное следствие использования резистивных сетей, и они (обычно) используются только для передачи сигналов линейного уровня .

Ступенчатая линия передачи [ править ]

Большинство устройств с сосредоточенными элементами могут соответствовать определенному диапазону импедансов нагрузки. Например, чтобы согласовать индуктивную нагрузку с реальным сопротивлением, необходимо использовать конденсатор. Если сопротивление нагрузки становится емкостным, согласующий элемент необходимо заменить индуктором. Во многих случаях необходимо использовать одну и ту же схему для согласования широкого диапазона импеданса нагрузки и, таким образом, упрощения конструкции схемы. Эта проблема была решена с помощью ступенчатой ​​линии передачи ^{[2], в} которой несколько последовательно размещенных четвертьволновых диэлектрических пробок используются для изменения характеристического импеданса линии передачи. Контролируя положение каждого элемента, можно согласовать широкий диапазон импедансов нагрузки без необходимости повторного подключения цепи.

Фильтры [ править ]

Фильтры часто используются для согласования импеданса в телекоммуникациях и радиотехнике. В общем, теоретически невозможно достичь идеального согласования импеданса на всех частотах с помощью сети дискретных компонентов. Сети согласования импеданса проектируются с определенной полосой пропускания, имеют форму фильтра и используют теорию фильтров при их проектировании.

Приложения, требующие только узкой полосы пропускания, такие как радиотюнеры и передатчики, могут использовать простой настроенный фильтр, такой как шлейф . Это обеспечит идеальное совпадение только на одной определенной частоте. Для согласования с широкой полосой пропускания требуются фильтры с несколькими разделами.

L-образная секция [ править ]

Для простой сети с согласованием электрического импеданса требуется один конденсатор и одна катушка индуктивности. На рисунке справа R ₁ > R ₂ , однако либо R _1, либо R ₂ могут быть источником, а другой - нагрузкой. Один из X ₁ или X ₂ должен быть индуктором, а другой - конденсатором. Одно реактивное сопротивление параллельно источнику (или нагрузке), а другое - последовательно нагрузке (или источнику). Если реактивное сопротивление параллельно источнику , эффективная сеть соответствует от высокого до низкого импеданса.

Анализ выглядит следующим образом. ^[4] Рассмотрите реальный импеданс источника и реальный импеданс нагрузки . Если реактивное сопротивление параллельно импедансу источника, комбинированный импеданс можно записать как:${\displaystyle R_{1}}$${\displaystyle R_{2}}$${\displaystyle X_{1}}$

${\displaystyle {\frac {jR_{1}X_{1}}{R_{1}+jX_{1}}}}$

Если мнимая часть вышеуказанного импеданса компенсируется последовательным реактивным сопротивлением, действительная часть равна

${\displaystyle R_{2}={\frac {R_{1}X_{1}^{2}}{R_{1}^{2}+X_{1}^{2}}}}$

Решение для ${\displaystyle X_{1}}$

${\displaystyle \left\vert X_{1}\right\vert ={\frac {R_{1}}{Q}}}$.

${\displaystyle \left\vert X_{2}\right\vert =QR_{2}}$.

где .${\displaystyle Q={\sqrt {\frac {R_{1}-R_{2}}{R_{2}}}}}$

Обратите внимание, что реактивное сопротивление, подключенное параллельно, имеет отрицательное реактивное сопротивление, потому что это обычно конденсатор. Это дает L-сети дополнительную функцию подавления гармоник, поскольку она также является фильтром нижних частот.${\displaystyle X_{1}}$

Обратное соединение (повышение импеданса) просто обратное - например, реактивное сопротивление последовательно с источником. Величина отношения импедансов ограничивается потерями реактивного сопротивления, такими как добротность катушки индуктивности. Несколько L-секций можно соединить каскадом для достижения более высокого отношения импеданса или большей полосы пропускания. Согласующие сети линий передачи могут быть смоделированы как бесконечное количество L-образных секций, соединенных каскадом. Оптимальные схемы согласования могут быть разработаны для конкретной системы с использованием диаграмм Смита .

Коррекция коэффициента мощности [ править ]

Устройства коррекции коэффициента мощности предназначены для устранения реактивных и нелинейных характеристик нагрузки в конце линии электропередачи. Это приводит к тому, что нагрузка, воспринимаемая линией питания, является чисто резистивной. Для заданной истинной мощности, необходимой для нагрузки, это минимизирует истинный ток, подаваемый по линиям электропередач, и сводит к минимуму потери мощности на сопротивление этих линий электропередачи. Например, трекер максимальной мощностииспользуется для извлечения максимальной мощности из солнечной панели и эффективной передачи ее батареям, электросети или другим нагрузкам. Теорема о максимальной мощности применяется к его «восходящему» соединению с солнечной панелью, поэтому он имитирует сопротивление нагрузки, равное сопротивлению источника солнечной панели. Однако теорема о максимальной мощности неприменима к его «нисходящему» соединению. Это соединение является мостовым соединением с полным сопротивлением ; он имитирует источник высокого напряжения с низким сопротивлением для максимального повышения эффективности.

В электросети общая нагрузка обычно индуктивная . Следовательно, коррекция коэффициента мощности чаще всего достигается с помощью конденсаторных батарей . Это необходимо только для достижения коррекции на одной единственной частоте, частоте источника питания. Сложные сети требуются только тогда, когда должна быть согласована полоса частот, и по этой причине простые конденсаторы - это все, что обычно требуется для коррекции коэффициента мощности.

Линии передачи [ править ]

Импедансный мост не подходит для ВЧ-соединений, потому что он заставляет мощность отражаться обратно к источнику от границы между высоким и низким импедансами. Отражение создает стоячую волну, если есть отражение на обоих концах линии передачи, что приводит к дальнейшим потерям мощности и может вызвать частотно-зависимые потери. В этих системах желательно согласование импеданса.

В электрических системах, включающих линии передачи (например, радио и оптоволокно ), где длина линии велика по сравнению с длиной волны сигнала (сигнал изменяется быстро по сравнению со временем, необходимым для прохождения от источника до нагрузки), Импедансы на каждом конце линии должны быть согласованы с характеристическим импедансом линии передачи ( ), чтобы предотвратить отражение сигнала на концах линии. (Когда длина линии мала по сравнению с длиной волны, рассогласование импеданса является основой трансформаторов импеданса линии передачи; см. Предыдущий раздел.) В радиочастотных (РЧ) системах общее значение импеданса источника и нагрузки равно 50. Ом${\displaystyle Z_{c}}$. Типичная ВЧ-нагрузка представляет собой четвертьволновую антенну с заземляющим слоем (37 Ом с идеальным заземлением); его можно согласовать с сопротивлением 50 Ом, используя модифицированную пластину заземления или коаксиальную согласующую секцию, т. е. часть или весь фидер с более высоким импедансом.

Общий вид коэффициента отражения по напряжению для волны, движущейся из среды 1 в среду 2, имеет вид

${\displaystyle \Gamma _{12}={Z_{2}-Z_{1} \over Z_{2}+Z_{1}}}$

а коэффициент отражения по напряжению для волны, движущейся из среды 2 в среду 1, равен

${\displaystyle \Gamma _{21}={Z_{1}-Z_{2} \over Z_{1}+Z_{2}}}$

${\displaystyle \Gamma _{21}=-\Gamma _{12}\,}$

поэтому коэффициент отражения одинаков (за исключением знака) независимо от того, с какого направления волна приближается к границе.

Существует также текущий коэффициент отражения, который является отрицательным значением коэффициента отражения по напряжению. Если волна встречает разрыв на конце нагрузки, положительные импульсы напряжения и отрицательного тока передаются обратно к источнику (отрицательный ток означает, что ток идет в противоположном направлении). Таким образом, на каждой границе есть четыре коэффициента отражения (напряжение и ток с одной стороны, а напряжение и ток - с другой). Все четыре одинаковые, за исключением того, что два положительных и два отрицательных. Коэффициенты отражения по напряжению и по току на одной стороне имеют противоположные знаки. Коэффициенты отражения напряжения на противоположных сторонах границы имеют противоположные знаки.

Поскольку все они одинаковы, за исключением знака, традиционно коэффициент отражения интерпретируется как коэффициент отражения по напряжению (если не указано иное). Любой конец (или оба конца) линии передачи может быть источником или нагрузкой (или обоими), поэтому нет неотъемлемого предпочтения в отношении того, какая сторона границы является средней 1, а какая - средней 2. С одной линией передачи. обычно определяют коэффициент отражения напряжения для волны, падающей на границу со стороны линии передачи, независимо от того, подключен ли источник или нагрузка на другой стороне.

Линия передачи с одним источником, управляющая нагрузкой [ править ]

Условия окончания нагрузки [ править ]

В линии передачи волна распространяется от источника вдоль линии. Предположим, волна достигает границы (резкое изменение импеданса). Часть волны отражается назад, а часть продолжает двигаться вперед. (Предположим, что есть только одна граница у нагрузки.)

Позволять

${\displaystyle V_{i}\,}$и - напряжение и ток, падающие на границу со стороны источника.${\displaystyle I_{i}\,}$

${\displaystyle V_{t}\,}$и быть напряжением и током, которые передаются на нагрузку.${\displaystyle I_{t}\,}$

${\displaystyle V_{r}\,}$и быть напряжением и током, которые отражаются обратно к источнику.${\displaystyle I_{r}\,}$

На линейной стороне границы и и на стороне нагрузки , где , , , , , , и являются фазоры .${\displaystyle V_{i}=Z_{c}I_{i}\,}$${\displaystyle V_{r}=-Z_{c}I_{r}\,}$${\displaystyle V_{t}=Z_{L}I_{t}\,}$${\displaystyle V_{i}\,}$${\displaystyle V_{r}\,}$${\displaystyle V_{t}\,}$${\displaystyle I_{i}\,}$${\displaystyle I_{r}\,}$${\displaystyle I_{t}\,}$${\displaystyle Z_{c}\,}$

На границе напряжение и ток должны быть непрерывными, поэтому

${\displaystyle V_{t}=V_{i}+V_{r}\,}$

${\displaystyle I_{t}=I_{i}+I_{r}\,}$

Всем этим условиям удовлетворяет

${\displaystyle V_{r}=\Gamma _{TL}V_{i}\,}$

${\displaystyle I_{r}=-\Gamma _{TL}I_{i}\,}$

${\displaystyle V_{t}=(1+\Gamma _{TL})V_{i}\,}$

${\displaystyle I_{t}=(1-\Gamma _{TL})I_{i}\,}$

где коэффициент отражения , идущий от линии передачи к нагрузке.${\displaystyle \Gamma _{TL}\,}$

${\displaystyle \Gamma _{TL}={Z_{L}-Z_{c} \over Z_{L}+Z_{c}}=\Gamma _{L}\,}$^{[5] [6] [7]}

Цель линии передачи - передать максимальное количество энергии на другой конец линии (или передать информацию с минимальной ошибкой), чтобы отражение было как можно меньше. Это достигается путем сопоставления импедансов и так , что они равны ( ).${\displaystyle Z_{L}}$${\displaystyle Z_{c}}$${\displaystyle \Gamma =0}$

Исходные условия [ править ]

На исходном конце линии передачи могут быть волны, падающие как от источника, так и от линии; коэффициент отражения для каждого направления можно вычислить с помощью

${\displaystyle -\Gamma _{ST}=\Gamma _{TS}={Z_{s}-Z_{c} \over Z_{s}+Z_{c}}=\Gamma _{S}\,}$,

где Zs - полное сопротивление источника. Источником падающих волн от линии являются отражения от конца нагрузки. Если полное сопротивление источника совпадает с линией, отражения от конца нагрузки будут поглощаться концом источника. Если линия передачи не согласована на обоих концах, отражения от нагрузки будут повторно отражаться в источнике и повторно отражаться в конце нагрузки до бесконечности , теряя энергию при каждом прохождении линии передачи. Это может вызвать состояние резонанса и сильно зависящее от частоты поведение. В узкополосной системе это может быть желательно для согласования, но обычно нежелательно в широкополосной системе.

Импеданс на конце источника [ править ]

${\displaystyle Z_{in}=Z_{C}{\frac {(1+T^{2}\Gamma _{L})}{(1-T^{2}\Gamma _{L})}}\,}$ ^[8]

где - односторонняя передаточная функция (от одного конца до другого), когда линия передачи точно согласована между источником и нагрузкой. учитывает все, что происходит с сигналом в пути (включая задержку, затухание и дисперсию). Если есть идеальное совпадение по нагрузке, и${\displaystyle T\ ,}$${\displaystyle T\,}$${\displaystyle \Gamma _{L}=0\,}$${\displaystyle Z_{in}=Z_{C}\,}$

Передаточная функция [ править ]

${\displaystyle V_{L}=V_{S}{\frac {T(1-\Gamma _{S})(1+\Gamma _{L})}{2(1-T^{2}\Gamma _{S}\Gamma _{L})}}\,}$

где - выходное напряжение холостого хода (или ненагруженного) от источника.${\displaystyle V_{S}\,}$

Обратите внимание, что если есть идеальное совпадение на обоих концах

${\displaystyle \Gamma _{L}=0\,}$ и ${\displaystyle \Gamma _{S}=0\,}$

а потом

${\displaystyle V_{L}=V_{S}{\frac {T}{2}}\,}$.

Электрические примеры [ править ]

Телефонные системы [ править ]

Телефонные системы также используют согласованные импедансы, чтобы минимизировать эхо на междугородних линиях. Это связано с теорией линий передачи. Согласование также обеспечивает правильную работу телефонной гибридной катушки (преобразование с 2 на 4 провода). Поскольку сигналы отправляются и принимаются по одной и той же двухпроводной цепи в центральный офис (или коммутатор), необходимо отменить их в телефонной гарнитуре, поэтому излишний боковой сигналне слышно. Все устройства, используемые в телефонных сигнальных трактах, обычно зависят от согласованного сопротивления кабеля, источника и нагрузки. В локальном контуре выбранный импеданс составляет 600 Ом (номинальное). Терминальные сети устанавливаются на бирже, чтобы обеспечить наилучшее соответствие их абонентским линиям. В каждой стране есть свой стандарт для этих сетей, но все они рассчитаны примерно на 600 Ом в полосе частот голоса .

Усилители громкоговорителей [ править ]

Звуковые усилители обычно не соответствуют импедансу, но обеспечивают выходное сопротивление ниже, чем полное сопротивление нагрузки (например, <0,1 Ом в типичных полупроводниковых усилителях), для улучшения демпфирования динамика . Для ламповых усилителей часто используются трансформаторы с изменяющимся импедансом, чтобы получить низкий выходной импеданс и лучше согласовать характеристики усилителя с импедансом нагрузки. Некоторые ламповые усилители имеют отводы выходного трансформатора для адаптации выхода усилителя к типичному импедансу громкоговорителей.

Выходной трансформатор в усилителях на электронных лампах выполняет две основные функции:

• Разделение составляющей переменного тока (содержащей аудиосигналы) от составляющей постоянного тока (обеспечиваемой источником питания ) в анодной цепи силового каскада на основе электронных ламп. Громкоговоритель не должен подвергаться воздействию постоянного тока.
• Снижение выходного сопротивления силовых пентодов (таких как EL34 ) в конфигурации с общим катодом .

Импеданс громкоговорителя на вторичной катушке трансформатора будет преобразован в более высокий импеданс на первичной катушке в цепи силовых пентодов на квадрат отношения витков , который образует масштабный коэффициент импеданса .

Выходной каскад в оконечных каскадах на основе полупроводников с общим стоком или общим коллектором с полевыми МОП-транзисторами или силовыми транзисторами имеет очень низкий выходной импеданс. Если они правильно сбалансированы, нет необходимости в трансформаторе или большом электролитическом конденсаторе для разделения переменного и постоянного тока.

Неэлектрические примеры [ править ]

Акустика [ править ]

Подобно линиям электропередачи, существует проблема согласования импеданса при передаче звуковой энергии из одной среды в другую. Если акустическое сопротивление двух сред сильно различается, большая часть звуковой энергии будет отражаться (или поглощаться), а не передаваться через границу. Гель, используемый в медицинской ультрасонографии, помогает передавать акустическую энергию от датчика к телу и обратно. Без геля несоответствие импеданса между датчиком и телом и разрыв между воздухом и телом отражает почти всю энергию, оставляя очень мало для попадания в тело.

Кости в среднем ухе обеспечивают согласование импеданса между барабанной перепонкой (на которую действуют колебания воздуха) и заполненным жидкостью внутренним ухом.

Рупоры в акустических системах используются как трансформаторы в электрических цепях, чтобы согласовать импеданс преобразователя с импедансом воздуха. Этот принцип используется как в рупорных громкоговорителях, так и в музыкальных инструментах. Поскольку импедансы большинства драйверов плохо согласуются с импедансом свободного воздуха на низких частотах, корпуса громкоговорителей спроектированы таким образом, чтобы согласовывать импеданс и минимизировать деструктивные фазовые компенсации между выходом из передней и задней части диффузора динамика. Громкость звука, производимого в воздухе из громкоговорителя , напрямую связана с отношением диаметра громкоговорителя к длине волны производимого звука: громкоговорители большего размера могут воспроизводить более низкие частоты на более высоком уровне, чем громкоговорители меньшего размера. ЭллиптическийДинамики представляют собой сложный корпус, действующий как большие динамики в продольном направлении и маленькие динамики в поперечном направлении. Согласование акустического импеданса (или его отсутствие) влияет на работу мегафона , эхо и звукоизоляцию .

Оптика [ править ]

Аналогичный эффект возникает, когда свет (или любая электромагнитная волна) попадает на границу раздела двух сред с разными показателями преломления . Для немагнитных материалов показатель преломления обратно пропорционален характеристическому импедансу материала. Оптическое или волновое сопротивление (которое зависит от направления распространения) может быть вычислено для каждой среды, и может быть использовано в уравнении отражения линии передачи

${\displaystyle r={Z_{2}-Z_{1} \over Z_{1}+Z_{2}}}$

для расчета коэффициентов отражения и передачи для интерфейса. Для немагнитных диэлектриков это уравнение эквивалентно уравнениям Френеля . Нежелательные отражения можно уменьшить за счет использования антибликового оптического покрытия .

Механика [ править ]

Если тело массы m упруго сталкивается со вторым телом, максимальная передача энергии второму телу происходит, когда второе тело имеет ту же массу m . При лобовом столкновении равных масс энергия первого тела будет полностью передана второму телу (как , например, в колыбели Ньютона ). В этом случае массы действуют как «механические сопротивления» ^{[ сомнительно - обсудить ],} которые должны быть согласованы. Если и - массы движущегося и неподвижного тел, а P - импульс системы (который остается постоянным на протяжении всего столкновения), то энергия второго тела после столкновения будет равна E${\displaystyle m_{1}}$${\displaystyle m_{2}}$₂ :

${\displaystyle E_{2}={\frac {2P^{2}m_{2}}{(m_{1}+m_{2})^{2}}}}$

которое аналогично уравнению передачи мощности.

Эти принципы полезны при применении высокоэнергетических материалов (взрывчатых веществ). Если заряд взрывчатого вещества помещается на цель, внезапное высвобождение энергии заставляет волны сжатия распространяться через цель радиально от контакта точечного заряда. Когда волны сжатия достигают областей с высоким рассогласованием акустического импеданса (например, противоположной стороны мишени), волны растяжения отражаются назад и вызывают скалывание . Чем больше несоответствие, тем сильнее будет эффект смятия и растрескивания. Заряд, инициированный против стены с воздухом позади нее, нанесет ей больше повреждений, чем заряд, инициированный против стены с почвой позади нее.

См. Также [ править ]

• Мощность (физика)
• Коэффициент отражения
• Звонок (сигнал)
• Коэффициент стоячей волны
• Линия передачи
• Мокрый трансформатор

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Согласование импеданса Согласование импеданса с диаграммой Смита