Impedancia de entrada - Input impedance

La impedancia de entrada de una red eléctrica es la medida de la oposición a la corriente ( impedancia ), tanto estática ( resistencia ) como dinámica ( reactancia ), en la red de carga que es externa a la fuente eléctrica. La admitancia de entrada (1 / impedancia) es una medida de la propensión de la carga a consumir corriente. La red de origen es la parte de la red que transmite energía y la red de carga es la parte de la red que consume energía.

El circuito a la izquierda del conjunto central de círculos abiertos modela el circuito fuente, mientras que el circuito a la derecha modela el circuito conectado. Z _S es la impedancia de salida vista por la carga y Z _L es la impedancia de entrada vista por la fuente.

Impedancia de entrada

Si la red de carga fuera reemplazada por un dispositivo con una impedancia de salida igual a la impedancia de entrada de la red de carga (circuito equivalente), las características de la red fuente-carga serían las mismas desde la perspectiva del punto de conexión. Entonces, el voltaje y la corriente a través de los terminales de entrada serían idénticos a la red de carga elegida.

Por lo tanto, la impedancia de entrada de la carga y la impedancia de salida de la fuente determinan cómo cambian la corriente y el voltaje de la fuente.

El circuito equivalente de Thévenin de la red eléctrica utiliza el concepto de impedancia de entrada para determinar la impedancia del circuito equivalente.

Cálculo

Si se creara un circuito con propiedades equivalentes a través de los terminales de entrada colocando la impedancia de entrada a través de la carga del circuito y la impedancia de salida en serie con la fuente de señal, la ley de Ohm podría usarse para calcular la función de transferencia.

Eficiencia electrica

Los valores de la impedancia de entrada y salida se utilizan a menudo para evaluar la eficiencia eléctrica de las redes dividiéndolas en múltiples etapas y evaluando la eficiencia de la interacción entre cada etapa de forma independiente. Para minimizar las pérdidas eléctricas, la impedancia de salida de la señal debe ser insignificante en comparación con la impedancia de entrada de la red que se está conectando, ya que la ganancia es equivalente a la relación entre la impedancia de entrada y la impedancia total (impedancia de entrada + impedancia de salida). En este caso,

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

La impedancia de entrada de la etapa de conducción (carga) es mucho mayor que la impedancia de salida de la etapa de conducción (fuente).

Factor de potencia

En los circuitos de CA que transportan energía , las pérdidas debidas al componente reactivo de la impedancia pueden ser significativas. Estas pérdidas se manifiestan en un fenómeno llamado desequilibrio de fase, donde la corriente está desfasada (rezagada o adelantada) con el voltaje. Por lo tanto, el producto de la corriente y el voltaje es menor de lo que sería si la corriente y el voltaje estuvieran en fase. Con fuentes de CC, los circuitos reactivos no tienen impacto, por lo que no es necesaria la corrección del factor de potencia.

Para modelar un circuito con una fuente, impedancia de salida e impedancia de entrada ideales; La reactancia de entrada del circuito se puede dimensionar para que sea el negativo de la reactancia de salida en la fuente. En este escenario, el componente reactivo de la impedancia de entrada cancela el componente reactivo de la impedancia de salida en la fuente. El circuito equivalente resultante es de naturaleza puramente resistiva y no hay pérdidas debido al desequilibrio de fase en la fuente o la carga.

${\ Displaystyle {\ begin {align} Z_ {in} & = Xj \ operatorname {Im} (Z_ {out}) \\\ end {alineado}}}$

Transferencia de poder

La condición de transferencia de potencia máxima establece que para una fuente dada se transferirá la potencia máxima cuando la resistencia de la fuente sea igual a la resistencia de la carga y el factor de potencia se corrija cancelando la reactancia. Cuando esto ocurre, se dice que el circuito es un conjugado complejo adaptado a la impedancia de las señales. Tenga en cuenta que esto solo maximiza la transferencia de potencia, no la eficiencia del circuito. Cuando se optimiza la transferencia de energía, el circuito solo funciona al 50% de eficiencia.

La fórmula para conjugado complejo emparejado es

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

Cuando no hay un componente reactivo, esta ecuación se simplifica ya que la parte imaginaria de es cero. ${\ Displaystyle Z_ {in} = Z_ {out}}$${\ Displaystyle Z_ {out}}$

Emparejamiento de impedancia

Cuando la impedancia característica de una línea de transmisión , no coincide con la impedancia de la red de carga , la red de carga reflejará parte de la señal fuente. Esto puede crear ondas estacionarias en la línea de transmisión. Para minimizar los reflejos, la impedancia característica de la línea de transmisión y la impedancia del circuito de carga deben ser iguales (o "emparejadas"). Si la impedancia coincide, la conexión se conoce como conexión emparejada , y el proceso de corregir una falta de coincidencia de impedancia se denomina adaptación de impedancia . Dado que la impedancia característica para una línea de transmisión homogénea se basa solo en la geometría y, por lo tanto, es constante, y la impedancia de carga se puede medir de forma independiente, la condición de coincidencia se mantiene independientemente de la ubicación de la carga (antes o después de la línea de transmisión). ${\ Displaystyle Z_ {line}}$${\ Displaystyle Z_ {in}}$

${\ Displaystyle Z_ {in} = Z_ {line}}$

Aplicaciones

Procesamiento de la señal

En el procesamiento de señales moderno , los dispositivos, como los amplificadores operacionales , están diseñados para tener una impedancia de entrada varios órdenes de magnitud mayor que la impedancia de salida del dispositivo fuente conectado a esa entrada. Esto se llama puenteo de impedancia . Las pérdidas debidas a la impedancia de entrada (pérdida) en estos circuitos se minimizarán y el voltaje en la entrada del amplificador estará cerca del voltaje como si el circuito del amplificador no estuviera conectado. Cuando se usa un dispositivo cuya impedancia de entrada podría causar una degradación significativa de la señal, a menudo se usa un dispositivo con una impedancia de entrada alta y una impedancia de salida baja para minimizar sus efectos. A menudo se utilizan transformadores seguidores de voltaje o adaptadores de impedancia para estos efectos.

La impedancia de entrada para amplificadores de alta impedancia (como tubos de vacío , amplificadores de transistores de efecto de campo y amplificadores operacionales ) a menudo se especifica como una resistencia en paralelo con una capacitancia (por ejemplo, 2,2 MΩ ∥ 1 pF ). Los preamplificadores diseñados para alta impedancia de entrada pueden tener un voltaje de ruido efectivo ligeramente más alto en la entrada (mientras que proporcionan una corriente de ruido efectiva baja) y, por lo tanto, un poco más ruidoso que un amplificador diseñado para una fuente específica de baja impedancia, pero en general un La configuración de fuente de impedancia relativamente baja será más resistente al ruido (especialmente al zumbido de la red ).   

Sistemas de energía de radiofrecuencia

Los reflejos de señal causados ​​por una falta de coincidencia de impedancia al final de una línea de transmisión pueden resultar en distorsión y daño potencial a los circuitos de conducción.

En los circuitos de video analógicos, el desajuste de impedancia puede causar "efecto fantasma", donde el eco retardado de la imagen principal aparece como una imagen débil y desplazada (típicamente a la derecha de la imagen principal). En sistemas digitales de alta velocidad, como el video HD, los reflejos provocan interferencias y una señal potencialmente corrupta.

Las ondas estacionarias creadas por el desajuste son regiones periódicas de voltaje superior al normal. Si este voltaje excede la resistencia a la ruptura dieléctrica del material aislante de la línea, se producirá un arco . Esto a su vez puede causar un pulso reactivo de alto voltaje que puede destruir la etapa de salida final del transmisor.

En los sistemas de RF, los valores típicos para la impedancia de línea y terminación son 50 Ω y 75 Ω .

Para maximizar la transmisión de potencia para los sistemas de potencia de radiofrecuencia, los circuitos deben ser conjugados complejos acoplados a lo largo de la cadena de potencia , desde la salida del transmisor , a través de la línea de transmisión (un par balanceado, un cable coaxial o una guía de ondas), hasta el sistema de antena , que consta de un dispositivo de adaptación de impedancia y los elementos radiantes.

Ver también

• Impedancia de salida
• Factor de amortiguamiento
• Divisor de voltaje
• Carga ficticia

Referencias

• El arte de la electrónica , Winfield Hill, Paul Horowitz, Cambridge University Press, ISBN   0-521-37095-7
• "Impedancia de entrada aórtica en el hombre normal: relación con las formas de onda de presión", JP Murgo, N Westerhof, JP Giolma, SA Altobelli pdf
• Se puede encontrar una excelente introducción a la importancia de la impedancia y la adaptación de impedancia en Una introducción práctica a los circuitos electrónicos , MH Jones, Cambridge University Press, ISBN   0-521-31312-0

enlaces externos

• Cálculo del factor de amortiguación y la amortiguación del puenteo de impedancia
• Interconexión de dos unidades de audio: impedancia de entrada e impedancia de salida
• Impedancia y reactancia
• Medida de impedancia de entrada