Входное сопротивление

В электротехнике электрической входное сопротивление сети является мерой сопротивления току ( импедансу ), как статическому ( сопротивление ), так и динамическому ( реактивное сопротивление ), в сети нагрузки , которая является внешней по отношению к сети источника электроэнергии. Входная проводимость ( обратная величина импеданса) является мерой склонности сети нагрузки потреблять ток. Исходная сеть — это часть сети, которая передает мощность , а сеть нагрузки — это часть сети, которая потребляет мощность.

Входное сопротивление

Если бы сеть нагрузки была заменена устройством с выходным сопротивлением, равным входному сопротивлению сети нагрузки (схема замещения), 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.

использует Эквивалентная схема электрической сети Тевенена концепцию входного сопротивления для определения импеданса эквивалентной цепи.

Расчет

Если бы нужно было создать цепь с эквивалентными свойствами на входных клеммах, подключив входное сопротивление к нагрузке цепи, а выходное сопротивление последовательно с источником сигнала, закон Ома можно было бы использовать для расчета передаточной функции.

Электрический КПД

Значения входного и выходного сопротивления часто используются для оценки электрического КПД сетей путем разбиения их на несколько каскадов и оценки эффективности взаимодействия между каждым каскадом 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 этом случае,

Z_{in}\gg Z_{out}

(или

Z_{L}\gg Z_{S}

)

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

Коэффициент мощности

В цепях переменного тока, несущих мощность , потери энергии в проводниках из-за реактивной составляющей импеданса могут быть значительными. Эти потери проявляются в явлении, называемом дисбалансом фаз, 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 синфазными. При использовании источников постоянного тока реактивные цепи не оказывают влияния, поэтому коррекция коэффициента мощности не требуется.

Для моделирования схемы с идеальным источником, выходным и входным сопротивлениями; Входное реактивное сопротивление схемы может быть настроено так, чтобы оно было отрицательным по отношению к выходному реактивному сопротивлению источника. В этом сценарии реактивная составляющая входного импеданса нейтрализует реактивную составляющую выходного сопротивления источника. Получающаяся в результате эквивалентная схема является чисто резистивной по своей природе, и потери из-за перекоса фаз в источнике или нагрузке отсутствуют.

{\begin{aligned}Z_{in}&=X-j\operatorname {Im} (Z_{out})\\\end{aligned}}

Передача мощности

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, а не эффективность схемы. Когда передача мощности оптимизирована, схема работает только с КПД 50%.

Формула для комплексного сопряжения:

{\begin{aligned}Z_{in}&=Z_{out}^{*}\\&=\left\vert Z_{out}\right\vert e^{-j\Theta _{out}}\\&=\operatorname {Re} (Z_{out})-j\operatorname {Im} (Z_{out}).\\\end{aligned}}

Когда нет реактивного компонента, это уравнение упрощается до $Z_{in}=Z_{out}$ как воображаемая часть $Z_{out}$ равен нулю.

Согласование импеданса

Когда характеристическое сопротивление линии передачи , $Z_{line}$ , не соответствует сопротивлению сети нагрузки, $Z_{in}$ , сеть нагрузки будет отражать часть исходного сигнала. Это может создать стоячие волны на линии передачи. Чтобы минимизировать отражения, характеристическое сопротивление линии передачи и сопротивление цепи нагрузки должны быть равны (или «совпадать»). Если импедансы совпадают, соединение называется согласованным соединением , а процесс исправления несоответствия импедансов называется согласованием импедансов . Поскольку характеристическое сопротивление однородной линии передачи основано только на геометрии и, следовательно, является постоянным, а полное сопротивление нагрузки можно измерить независимо, условие согласования сохраняется независимо от размещения нагрузки (до или после линии передачи).

Z_{in}=Z_{line}

Приложения

Обработка сигналов

В современной обработке сигналов устройства, такие как операционные усилители , имеют входное сопротивление на несколько порядков выше, чем выходное сопротивление устройства-источника, подключенного к этому входу. Это называется импедансным мостом . Потери из-за входного сопротивления (потерь) в этих схемах будут минимизированы, а напряжение на входе усилителя будет близко к напряжению, как если бы схема усилителя не была подключена. Когда используется устройство, входное сопротивление которого может вызвать значительное ухудшение сигнала, часто используется устройство с высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением, чтобы минимизировать его эффекты. повторители напряжения Для этих эффектов часто используются или трансформаторы, согласующие импедансы.

Входное сопротивление усилителей с высоким импедансом (таких как электронные лампы , усилители на полевых транзисторах и операционные усилители ) часто указывается как сопротивление , параллельное емкости (например, 2,2 МОм ∥ 1 пФ ). Предварительные усилители, рассчитанные на высокое входное сопротивление, могут иметь немного более высокое эффективное шумовое напряжение на входе (при этом обеспечивая низкий эффективный шумовой ток) и поэтому немного более шумные, чем усилитель, рассчитанный на конкретный источник с низким импедансом, но в целом Конфигурация источника с относительно низким импедансом будет более устойчивой к шуму (особенно к шуму сети ).

Радиочастотные энергосистемы

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

В аналоговых видеосхемах несоответствие импедансов может вызвать «двоение», когда задержанное по времени эхо основного изображения выглядит 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 несоответствием, представляют собой периодические области с напряжением выше нормального. Если это напряжение превысит диэлектрическую прочность изоляционного материала линии, дуга возникнет . Это, в свою очередь, может вызвать реактивный импульс высокого напряжения, который может вывести из строя последний выходной каскад передатчика.

В радиочастотных системах типичные значения импеданса линии и оконечной нагрузки составляют 50 Ом и 75 Ом .

Чтобы максимизировать передачу мощности ^{[ нужны разъяснения ]} для радиочастотных энергетических систем цепи должны быть комплексно- сопряженными по всей силовой цепи , от выхода передатчика через линию передачи (симметричную пару, коаксиальный кабель или волновод) до антенной системы , которая состоит из импеданса согласующее устройство и излучающий элемент(ы).

См. также

Ссылки

Искусство электроники , Уинфилд Хилл, Пол Горовиц, издательство Кембриджского университета, ISBN 0-521-37095-7
«Входной импеданс аорты у нормального человека: связь с формами волны давления», Дж. П. Мурго, Н. Вестерхоф, Дж. П. Джиолма, С. А. Альтобелли , pdf.
Отличное введение в важность импеданса и согласования импедансов можно найти в книге «Практическое введение в электронные схемы» , М. Х. Джонс, Cambridge University Press, ISBN 0-521-31312-0

Внешние ссылки