Входное сопротивление - Input impedance

В входное сопротивление из электрическая сеть мера противостояния текущему (сопротивление ), как статические (сопротивление ) и динамический (реактивное сопротивление ), в сеть нагрузки, которая внешний к источнику электричества. 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 - выходной импеданс, видимый нагрузкой, и Z_L - входной импеданс, видимый источником.

Входное сопротивление

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 на входных клеммах 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 Эквивалент Тевенина Схема электрической сети использует понятие входного импеданса для определения полного сопротивления эквивалентной цепи.

Расчет

Если бы создать схему с эквивалентными свойствами на входных клеммах, поместив входное сопротивление на нагрузку цепи и выходное сопротивление последовательно с источником сигнала, Закон Ома может использоваться для расчета передаточной функции.

Электрический КПД

Значения входного и выходного сопротивления часто используются для оценки электрического КПД сетей, разбивая их на несколько ступеней и оценивая эффективность взаимодействия между каждой ступенью независимо. Чтобы минимизировать электрические потери, выходной импеданс сигнала должен 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,

${ displaystyle Z_ {in} gg Z_ {out}}$

Входное сопротивление ведомой ступени (нагрузки) намного больше, чем выходное сопротивление приводной ступени (источника).

Фактор силы

В AC схемы несущий мощность, потери из-за реактивной составляющей импеданса могут быть значительными. Эти потери проявляются в явлении, называемом фазовым дисбалансом, когда ток не совпадает по фазе (отстает или опережает) с напряжением. Следовательно, произведение тока и напряжения меньше, чем было бы, если бы ток и напряжение были в фазе. В случае источников 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.

${ displaystyle { begin {выровнено} Z_ {in} & = X-j operatorname {Im} (Z_ {out}) конец {выровнено}}}$

Передача мощности

Состояние максимальная мощность передача утверждает, что для данного источника максимальная мощность будет передана, когда сопротивление источника будет равно сопротивлению нагрузки, а коэффициент мощности корректируется путем компенсации реактивного сопротивления. Когда это происходит, говорят, что цепь комплексно сопряженный совпадает импедансу 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:

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

При отсутствии реактивного компонента это уравнение упрощается до ${ displaystyle Z_ {in} = Z_ {out}}$ как мнимая часть ${ displaystyle Z_ {out}}$ равно нулю.

Согласование импеданса

Когда характеристический импеданс линия передачи, ${ displaystyle Z_ {line}}$, не соответствует импедансу сети нагрузки, ${ displaystyle Z_ {in}}$, сеть нагрузки будет отражать часть исходного сигнала. Это может создать стоячие волны на линии передачи. Чтобы минимизировать отражения, характеристический импеданс линия передачи и полное сопротивление цепи нагрузки должно быть равным (или «согласованным»). Если полное сопротивление совпадает, соединение называется согласованное соединение, а процесс исправления рассогласования импеданса называется согласование импеданса. Поскольку характеристический импеданс для однородной линии передачи основан только на геометрии и поэтому 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

Обработка сигнала

В современном обработка сигнала, устройства, такие как операционные усилители, имеют входной импеданс на несколько порядков выше, чем выходное сопротивление устройства-источника, подключенного к этому входу. Это называется мостовое сопротивление. Потери из-за входного импеданса (потерь) в этих цепях будут минимизированы, а напряжение на входе усилителя будет близким 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, вакуумные трубки, полевой транзистор усилители и операционные усилители ) часто указывается как сопротивление параллельно с емкость (например, 2,2 МОм ∥ 1 пФ ). Предварительные усилители, предназначенные 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 шуму (особенно гул сети ).

Радиочастотные системы питания

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 пробой диэлектрика прочность изоляционного материала линии, тогда дуга произойдет. Это, в свою очередь, может вызвать реактивный импульс высокого напряжения, который может вывести из строя конечный выходной каскад передатчика.

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

Для максимальной передачи мощности^{[требуется разъяснение ]} для радиочастотных систем электроснабжения цепи должны быть комплексно сопряженный совпадает на протяжении силовая цепь, от передатчик выход, через линия передачи (симметричная пара, коаксиальный кабель или волновод) к антенна система, который состоит из устройства согласования импеданса и излучающего элемента (ов).

Смотрите также

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

использованная литература

• Искусство электроники, Winfield Hill, Paul Horowitz, Cambridge University Press, ISBN  0-521-37095-7
• "Входной импеданс аорты у нормального человека: связь с формами волны давления", JP Murgo, N Westerhof, JP Giolma, SA Altobelli pdf
• Прекрасное введение в важность согласования импеданса и импеданса можно найти в Практическое введение в электронные схемы, М. Х. Джонс, Издательство Кембриджского университета, ISBN  0-521-31312-0

внешние ссылки

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