Impedenza di ingresso - Input impedance

L' impedenza di ingresso di una rete elettrica è la misura dell'opposizione alla corrente ( impedenza ), sia statica ( resistenza ) che dinamica ( reattanza ), nella rete di carico esterna alla sorgente elettrica. L'ammettenza di ingresso (1 / impedenza) è una misura della propensione del carico ad assorbire corrente. La rete di origine è la parte della rete che trasmette energia e la rete di carico è la parte della rete che consuma energia.

Il circuito a sinistra della serie centrale di cerchi aperti modella il circuito sorgente, mentre il circuito a destra modella il circuito collegato. Z _S è l'impedenza di uscita vista dal carico e Z _L è l'impedenza di ingresso vista dalla sorgente.

Impedenza di ingresso

Se la rete di carico fosse sostituita da un dispositivo con un'impedenza di uscita pari all'impedenza di ingresso della rete di carico (circuito equivalente), le caratteristiche della rete sorgente-carico sarebbero le stesse dal punto di vista del punto di connessione. Quindi, la tensione e la corrente attraverso i terminali di ingresso sarebbero identiche alla rete di carico scelta.

Pertanto, l'impedenza di ingresso del carico e l'impedenza di uscita della sorgente determinano come cambiano la corrente e la tensione della sorgente.

Il circuito equivalente di Thévenin della rete elettrica utilizza il concetto di impedenza di ingresso per determinare l'impedenza del circuito equivalente.

Calcolo

Se si dovesse creare un circuito con proprietà equivalenti attraverso i terminali di ingresso posizionando l'impedenza di ingresso attraverso il carico del circuito e l'impedenza di uscita in serie con la sorgente del segnale, la legge di Ohm potrebbe essere utilizzata per calcolare la funzione di trasferimento.

Efficienza elettrica

I valori dell'impedenza di ingresso e di uscita sono spesso utilizzati per valutare l'efficienza elettrica delle reti suddividendole in più stadi e valutando l'efficienza dell'interazione tra ogni stadio in modo indipendente. Per ridurre al minimo le perdite elettriche, l'impedenza di uscita del segnale dovrebbe essere insignificante rispetto all'impedenza di ingresso della rete da collegare, poiché il guadagno è equivalente al rapporto tra l'impedenza di ingresso e l'impedenza totale (impedenza di ingresso + impedenza di uscita). In questo caso,

${\ displaystyle Z_ {entrata} \ gg Z_ {uscita}}$ (o ) ${\ displaystyle Z_ {L} \ gg Z_ {S}}$

L'impedenza di ingresso dello stadio pilotato (carico) è molto maggiore dell'impedenza di uscita dello stadio pilotato (sorgente).

Fattore di potenza

Nei circuiti CA che trasportano potenza , le perdite dovute alla componente reattiva dell'impedenza possono essere significative. Queste perdite si manifestano in un fenomeno chiamato squilibrio di fase, in cui la corrente è sfasata (in ritardo o in anticipo) con la tensione. Pertanto, il prodotto della corrente e della tensione è inferiore a quello che sarebbe se la corrente e la tensione fossero in fase. Con le sorgenti DC, i circuiti reattivi non hanno alcun impatto, quindi la correzione del fattore di potenza non è necessaria.

Per un circuito da modellare con una sorgente ideale, un'impedenza di uscita e un'impedenza di ingresso; la reattanza di ingresso del circuito può essere dimensionata per essere il negativo della reattanza di uscita alla sorgente. In questo scenario, la componente reattiva dell'impedenza di ingresso annulla la componente reattiva dell'impedenza di uscita alla sorgente. Il circuito equivalente risultante è di natura puramente resistiva e non ci sono perdite dovute allo squilibrio di fase nella sorgente o nel carico.

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

Trasferimento di potenza

La condizione di massimo trasferimento di potenza afferma che per una data sorgente la massima potenza sarà trasferita quando la resistenza della sorgente è uguale alla resistenza del carico e il fattore di potenza viene corretto annullando la reattanza. Quando ciò si verifica, si dice che il circuito sia un complesso coniugato abbinato all'impedenza dei segnali. Nota che questo massimizza solo il trasferimento di potenza, non l'efficienza del circuito. Quando il trasferimento di potenza è ottimizzato, il circuito funziona solo al 50% di efficienza.

La formula per il coniugato complesso abbinato è

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

Quando non vi è alcuna componente reattiva, questa equazione si semplifica in quanto la parte immaginaria di è zero. ${\ displaystyle Z_ {in} = Z_ {out}}$${\ displaystyle Z_ {out}}$

Adeguamento dell'impedenza

Quando l'impedenza caratteristica di una linea di trasmissione , , non corrisponde l'impedenza del carico di rete, la rete carico rifletterà parte del segnale sorgente. Questo può creare onde stazionarie sulla linea di trasmissione. Per ridurre al minimo le riflessioni, l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione e l'impedenza del circuito di carico devono essere uguali (o "adattate"). Se l'impedenza corrisponde, la connessione è nota come connessione adattata e il processo di correzione di una mancata corrispondenza di impedenza è chiamato adattamento dell'impedenza . Poiché l'impedenza caratteristica per una linea di trasmissione omogenea si basa sulla sola geometria ed è quindi costante, e l'impedenza di carico può essere misurata indipendentemente, la condizione di adattamento vale indipendentemente dal posizionamento del carico (prima o dopo la linea di trasmissione). ${\ displaystyle Z_ {line}}$${\ displaystyle Z_ {in}}$

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

Applicazioni

Elaborazione del segnale

Nella moderna elaborazione del segnale , i dispositivi, come gli amplificatori operazionali , sono progettati per avere un'impedenza di ingresso di diversi ordini di grandezza superiore all'impedenza di uscita del dispositivo sorgente collegato a quell'ingresso. Questo è chiamato ponte di impedenza . Le perdite dovute all'impedenza di ingresso (perdita) in questi circuiti saranno ridotte al minimo e la tensione all'ingresso dell'amplificatore sarà vicina alla tensione come se il circuito dell'amplificatore non fosse collegato. Quando viene utilizzato un dispositivo la cui impedenza di ingresso potrebbe causare una degradazione significativa del segnale, spesso viene utilizzato un dispositivo con un'impedenza di ingresso elevata e un'impedenza di uscita bassa per minimizzarne gli effetti. Per questi effetti vengono spesso utilizzati trasformatori ad inseguitore di tensione o adattatori di impedenza.

L'impedenza di ingresso per amplificatori ad alta impedenza (come tubi a vuoto , amplificatori a transistor ad effetto di campo e amplificatori operazionali ) è spesso specificata come una resistenza in parallelo con una capacità (ad es. 2,2 MΩ ∥ 1 pF ). I preamplificatori progettati per un'impedenza di ingresso elevata possono avere una tensione di rumore effettiva leggermente superiore all'ingresso (pur fornendo una corrente di rumore effettiva bassa), e quindi leggermente più rumorosi di un amplificatore progettato per una specifica sorgente a bassa impedenza, ma in generale un la configurazione della sorgente a impedenza relativamente bassa sarà più resistente al rumore (in particolare il ronzio di rete ).   

Sistemi di alimentazione a radiofrequenza

Le riflessioni del segnale causate da un disadattamento di impedenza alla fine di una linea di trasmissione possono provocare distorsioni e potenziali danni ai circuiti di pilotaggio.

Nei circuiti video analogici, la mancata corrispondenza dell'impedenza può causare "ghosting", in cui l'eco ritardato nel tempo dell'immagine principale appare come un'immagine debole e spostata (tipicamente a destra dell'immagine principale). Nei sistemi digitali ad alta velocità, come i video HD, i riflessi provocano interferenze e un segnale potenzialmente danneggiato.

Le onde stazionarie create dal disadattamento sono regioni periodiche di tensione superiore al normale. Se questa tensione supera la resistenza alla rottura dielettrica del materiale isolante della linea, si verificherà un arco . Ciò a sua volta può causare un impulso reattivo di alta tensione che può distruggere lo stadio di uscita finale del trasmettitore.

Nei sistemi RF, i valori tipici dell'impedenza di linea e di terminazione sono 50 Ω e 75 Ω .

Per massimizzare la trasmissione di potenza per i sistemi di alimentazione a radiofrequenza, i circuiti devono essere complessi coniugati abbinati in tutta la catena di alimentazione , dall'uscita del trasmettitore , attraverso la linea di trasmissione (una coppia bilanciata, un cavo coassiale o una guida d'onda), al sistema di antenna , che è costituito da un dispositivo di adattamento dell'impedenza e dagli elementi radianti.

Guarda anche

• Impedenza di uscita
• Fattore di smorzamento
• Partitore di tensione
• Carico fittizio

Riferimenti

• The Art of Electronics , Winfield Hill, Paul Horowitz, Cambridge University Press, ISBN   0-521-37095-7
• "Impedenza di ingresso aortica nell'uomo normale: relazione con le forme d'onda di pressione", JP Murgo, N Westerhof, JP Giolma, SA Altobelli pdf
• Un'eccellente introduzione all'importanza dell'impedenza e dell'adattamento di impedenza può essere trovata in Un'introduzione pratica ai circuiti elettronici , MH Jones, Cambridge University Press, ISBN   0-521-31312-0

link esterno

• Calcolo del fattore di smorzamento e smorzamento dell'impedenza a ponte
• Interconnessione di due unità audio - Impedenza di ingresso e impedenza di uscita
• Impedenza e reattanza
• Misurazione dell'impedenza di ingresso