Входное сопротивление

Входной импеданс из электрической сети является мерой оппозиции тока ( импеданс ), как статическая ( сопротивление ) и динамическим ( реактивная ), в сеть нагрузки , которая является внешней к электрическому источнику. Входная проводимость (1 / импеданс) является мерой склонности нагрузки потреблять ток. Сеть-источник - это часть сети, которая передает мощность, а сеть нагрузки - это часть сети, которая потребляет энергию.

Схема слева от центрального набора открытых кружков моделирует схему источника, а схема справа моделирует подключенную схему. Z _S - это выходное сопротивление нагрузки, а Z _L - входное сопротивление источника.

Входное сопротивление [ править ]

Если бы сеть нагрузки была заменена устройством с выходным сопротивлением, равным входному сопротивлению сети нагрузки (эквивалентная схема), характеристики сети источник-нагрузка были бы такими же с точки зрения точки подключения. Таким образом, напряжение и ток через входные клеммы будут идентичны выбранной сети нагрузки.

Следовательно, входное сопротивление нагрузки и выходное сопротивление источника определяют, как изменяются ток и напряжение источника.

В эквивалентной Thevenin в цепи электрической сети использует концепцию входного импеданса , чтобы определить импеданс эквивалентной схемы.

Расчет [ править ]

Если бы нужно было создать схему с эквивалентными свойствами на входных клеммах, поместив входное сопротивление на нагрузку цепи и выходное сопротивление последовательно с источником сигнала, закон Ома можно было бы использовать для вычисления передаточной функции.

Электрический КПД [ править ]

Значения входного и выходного импеданса часто используются для оценки электрического КПД сетей, разбивая их на несколько этапов и оценивая эффективность взаимодействия между каждым этапом независимо. Чтобы минимизировать электрические потери, выходное сопротивление сигнала должно быть незначительным по сравнению с входным сопротивлением подключаемой сети, поскольку коэффициент усиления эквивалентен отношению входного сопротивления к общему сопротивлению (входное сопротивление + выходное сопротивление). В таком случае,

${\ displaystyle Z_ {in} \ gg Z_ {out}}$(или )${\ Displaystyle Z_ {L} \ gg Z_ {S}}$

Входное сопротивление ведомого каскада (нагрузки) намного больше, чем выходное сопротивление приводного каскада (источника).

Коэффициент мощности [ править ]

В цепях переменного тока, несущих мощность , потери из-за реактивной составляющей импеданса могут быть значительными. Эти потери проявляются в явлении, называемом фазовым дисбалансом, когда ток не в фазе (отстает или опережает) с напряжением. Следовательно, произведение тока и напряжения меньше, чем было бы, если бы ток и напряжение были в фазе. В источниках постоянного тока реактивные цепи не влияют, поэтому коррекция коэффициента мощности не требуется.

Для схемы, которая должна быть смоделирована с идеальным источником, выходным сопротивлением и входным сопротивлением; входное реактивное сопротивление схемы может иметь размер, равный отрицательному выходному реактивному сопротивлению источника. В этом сценарии реактивная составляющая входного импеданса нейтрализует реактивную составляющую выходного импеданса в источнике. Полученная эквивалентная схема является чисто резистивной по своей природе, и отсутствуют потери из-за фазового дисбаланса в источнике или нагрузке.

${\ Displaystyle {\ begin {выровнено} Z_ {in} & = Xj \ operatorname {Im} (Z_ {out}) \\\ конец {выровнено}}}$

Передача энергии [ править ]

Условие передачи максимальной мощности гласит, что для данного источника максимальная мощность будет передаваться, когда сопротивление источника равно сопротивлению нагрузки, а коэффициент мощности корректируется путем компенсации реактивного сопротивления. Когда это происходит, говорят, что цепь является комплексно сопряженной, согласованной с импедансом сигналов. Обратите внимание, что это максимизирует только передачу мощности, но не эффективность схемы. Когда передача мощности оптимизирована, схема работает только с КПД 50%.

Формула для комплексно-сопряженного сопоставления:

${\ displaystyle {\ begin {align} Z_ {in} & = Z_ {out} ^ {*} \\ & = \ left \ vert Z_ {out} \ right \ vert e ^ {- j \ Theta _ {out} } \\ & = \ operatorname {Re} (Z_ {out}) - j \ operatorname {Im} (Z_ {out}). \\\ конец {выровнено}}}$

Когда нет реактивного компонента, это уравнение упрощается, так как мнимая часть равна нулю.${\ displaystyle Z_ {in} = Z_ {out}}$${\ displaystyle Z_ {out}}$

Согласование импеданса [ править ]

Когда волновое сопротивление линии передачи , , не совпадает с сопротивлением нагрузки сети, , нагрузка на сеть будет отражать обратно часть сигнала источника. Это может создать стоячие волны на линии передачи. Чтобы минимизировать отражения, характеристическое сопротивление линии передачи и полное сопротивление цепи нагрузки должны быть равными (или «согласованными»). Если импеданс совпадает, соединение называется согласованным соединением , а процесс исправления несоответствия импеданса называется согласованием импеданса.${\ displaystyle Z_ {line}}$${\ displaystyle Z_ {in}}$. Поскольку характеристический импеданс для однородной линии передачи основан только на геометрии и, следовательно, является постоянным, а импеданс нагрузки может быть измерен независимо, условие согласования выполняется независимо от размещения нагрузки (до или после линии передачи).

${\ displaystyle Z_ {in} = Z_ {линия}}$

Приложения [ править ]

Обработка сигнала [ править ]

В современной обработке сигналов устройства, такие как операционные усилители , имеют входной импеданс на несколько порядков выше, чем выходной импеданс устройства-источника, подключенного к этому входу. Это называется импедансным мостом . Потери из-за входного импеданса (потерь) в этих цепях будут минимизированы, а напряжение на входе усилителя будет близко к напряжению, как если бы цепь усилителя не была подключена. Когда используется устройство, входной импеданс которого может вызвать значительное ухудшение сигнала, часто используется устройство с высоким входным импедансом и низким выходным сопротивлением, чтобы минимизировать его влияние. Повторитель напряжения или трансформаторы согласования импеданса часто используются для этих эффектов.

Входное сопротивление для усилителей с высоким импедансом (например, электронных ламп , усилителей на полевых транзисторах и операционных усилителей ) часто определяется как сопротивление, параллельное емкости (например, 2,2 МОм 1 пФ ). Предварительные усилители, разработанные для высокого входного импеданса, могут иметь немного более высокое эффективное шумовое напряжение на входе (при обеспечении низкого эффективного шумового тока) и, следовательно, немного более шумные, чем усилитель, разработанный для конкретного источника с низким импедансом, но в целом Конфигурация источника с относительно низким импедансом будет более устойчива к шумам (особенно гудению от сети ).  

Радиочастотные энергосистемы [ править ]

Отражения сигнала, вызванные несоответствием импеданса на конце линии передачи, могут привести к искажению и потенциальному повреждению схемы управления.

В аналоговых видеосхемах несоответствие импеданса может вызвать "двоение", когда задержанное по времени эхо основного изображения появляется как слабое и смещенное изображение (обычно справа от основного изображения). В высокоскоростных цифровых системах, таких как HD-видео, отражения приводят к помехам и потенциально искажают сигнал.

Стоячие волны, создаваемые рассогласованием, представляют собой периодические области с напряжением выше нормального. Если это напряжение превышает диэлектрическую прочность изоляционного материала линии, возникает дуга . Это, в свою очередь, может вызвать реактивный импульс высокого напряжения, который может вывести из строя последний выходной каскад передатчика.

В ВЧ-системах типичные значения полного сопротивления линии и оконечной нагрузки составляют 50 Ом и 75 Ом .

Чтобы максимизировать передачу энергии ^{[ необходимо пояснение ]} для радиочастотных систем питания, цепи должны быть комплексно сопряженными, согласованными по всей силовой цепи , от выхода передатчика , через линию передачи (симметричная пара, коаксиальный кабель или волновод) до антенная система , которая состоит из устройства согласования импеданса и излучающего элемента (ов).

См. Также [ править ]

• Выходное сопротивление
• Коэффициент демпфирования
• Делитель напряжения
• Фиктивная нагрузка

Ссылки [ править ]

• Искусство электроники , Winfield Hill, Paul Horowitz, Cambridge University Press, ISBN  0-521-37095-7
• «Входной импеданс аорты у нормального человека: взаимосвязь с формами волны давления», JP Murgo, N Westerhof, JP Giolma, SA Altobelli pdf
• Прекрасное введение в важность импеданса и согласования импеданса можно найти в Практическом введении в электронные схемы , MH Jones, Cambridge University Press, ISBN 0-521-31312-0 

Внешние ссылки [ править ]

• Расчет коэффициента демпфирования и демпфирования импедансного моста
• Соединение двух аудиоустройств - входное сопротивление и выходное сопротивление
• Импеданс и реактивное сопротивление
• Измерение входного импеданса