Ingångsimpedans

Ingångsimpedansen för ett elektriskt nätverk är måttet på motståndet mot ström ( impedans ) , både statisk ( resistans ) och dynamisk ( reaktans ), in i belastningsnätverket som är utanför den elektriska källan. Ingångsadmittansen ( impedansens reciproka ) är ett mått på lastens benägenhet att dra ström . Källnätverket är den del av nätverket som sänder ström, och belastningsnätverket är den del av nätverket som förbrukar ström.

Kretsen till vänster om den centrala uppsättningen av öppna cirklar modellerar källkretsen, medan kretsen till höger modellerar den anslutna kretsen. Z _S är utgångsimpedansen som ses av belastningen, och ZL är ingångsimpedansen som ses av källan _.

Ingångsimpedans

Om belastningsnätverket ersattes av en enhet med en utgångsimpedans lika med belastningsnätets ingångsimpedans (ekvivalent krets), skulle källbelastningsnätverkets egenskaper vara desamma ur anslutningspunktens perspektiv. Så spänningen över och strömmen genom ingångsterminalerna skulle vara identiska med det valda lastnätet.

Därför bestämmer belastningens ingångsimpedans och källans utgångsimpedans hur källströmmen och spänningen ändras.

Thévenins ekvivalenta krets av det elektriska nätverket använder konceptet ingångsimpedans för att bestämma impedansen för den ekvivalenta kretsen.

Beräkning

Om man skulle skapa en krets med ekvivalenta egenskaper över ingångsterminalerna genom att placera ingångsimpedansen över kretsens belastning och utgångsimpedansen i serie med signalkällan, skulle Ohms lag kunna användas för att beräkna överföringsfunktionen .

Elektrisk effektivitet

Värdena för ingångs- och utgångsimpedansen används ofta för att utvärdera den elektriska effektiviteten hos nätverk genom att dela upp dem i flera steg och utvärdera effektiviteten av interaktionen mellan varje steg oberoende. För att minimera elektriska förluster bör signalens utgångsimpedans vara obetydlig i jämförelse med ingångsimpedansen på nätverket som ansluts, eftersom förstärkningen är ekvivalent med förhållandet mellan ingångsimpedansen och den totala impedansen (ingångsimpedans + utgångsimpedans). I detta fall,

Z_{in}\gg Z_{out}

(eller

{\displaystyle Z_{L}\gg Z_{S}} )

Ingångsimpedansen

för den drivna steg (belastning) är mycket större än utgångsimpedansen för drivsteget (källan).

Effektfaktor

I växelströmskretsar som bär effekt kan förlusterna av energi i ledarna på grund av impedansens reaktiva komponent vara betydande. Dessa förluster visar sig i ett fenomen som kallas fasobalans, där strömmen är ur fas (släpar efter eller före) med spänningen. Därför är produkten av strömmen och spänningen mindre än vad den skulle vara om strömmen och spänningen var i fas. Med DC-källor har reaktiva kretsar ingen inverkan, därför är effektfaktorkorrigering inte nödvändig.

För att en krets ska modelleras med en idealisk källa, utgångsimpedans och ingångsimpedans; kretsens ingångsreaktans kan dimensioneras för att vara den negativa av utgångsreaktansen vid källan. I detta scenario upphäver den reaktiva komponenten av ingångsimpedansen den reaktiva komponenten av utgångsimpedansen vid källan. Den resulterande ekvivalenta kretsen är rent resistiv till sin natur och det finns inga förluster på grund av fasobalans i källan eller belastningen.

{\begin{aligned}Z_{in}&=Xj\operatörsnamn {Im} (Z_{out})\\\end{aligned}}

Kraftöverföring

Villkoret för maximal effektöverföring anger att för en given källa överförs maximal effekt när källans resistans är lika med belastningens resistans och effektfaktorn korrigeras genom att ta bort reaktansen. När detta inträffar sägs kretsen vara komplex konjugat anpassad till signalernas impedans. Observera att detta endast maximerar kraftöverföringen, inte kretsens effektivitet. När kraftöverföringen är optimerad körs kretsen endast med 50 % verkningsgrad.

Formeln för komplex konjugatmatchning är

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

När det inte finns någon reaktiv komponent förenklas denna ekvation till $Z_{in}=Z_{out}$ eftersom den imaginära delen av $Z_{out}$ är noll .

Impedansmatchning

När den karakteristiska impedansen för en transmissionsledning , ${\displaystyle Z_{line}},$ inte matchar impedansen för belastningsnätverket, $\displaystyle Z_{in}}$ , kommer belastningsnätverket att reflektera tillbaka en del av källsignalen. Detta kan skapa stående vågor på transmissionsledningen. För att minimera reflektioner måste överföringsledningens karakteristiska impedans och belastningskretsens impedans vara lika (eller "matchad"). Om impedansen matchar kallas anslutningen en matchad anslutning , och processen att korrigera en impedansmissanpassning kallas impedansmatchning . Eftersom den karakteristiska impedansen för en homogen transmissionsledning baseras på enbart geometri och därför är konstant, och lastimpedansen kan mätas oberoende, gäller matchningsvillkoret oavsett placeringen av lasten (före eller efter transmissionsledningen).

Z_{in}=Z_{line}

Ansökningar

Signalbehandling

I modern signalbehandling är enheter, såsom operationsförstärkare, utformade för att ha en ingångsimpedans som är flera storleksordningar högre än utgångsimpedansen för källenheten som är ansluten till den ingången. Detta kallas impedansbryggning . Förlusterna på grund av ingångsimpedans (förlust) i dessa kretsar kommer att minimeras, och spänningen vid ingången till förstärkaren kommer att vara nära spänningen som om förstärkarkretsen inte var ansluten. När en enhet vars ingångsimpedans kan orsaka betydande försämring av signalen används, används ofta en enhet med hög ingångsimpedans och låg utimpedans för att minimera dess effekter. Spänningsföljare eller impedansmatchande transformatorer används ofta för dessa effekter.

Ingångsimpedansen för högimpedansförstärkare (såsom vakuumrör , fälteffekttransistorförstärkare och op-förstärkare ) anges ofta som ett motstånd parallellt med en kapacitans (t.ex. 2,2 MΩ ∥ 1 pF ). Förförstärkare designade för hög ingångsimpedans kan ha en något högre effektiv brusspänning vid ingången (samtidigt som de ger en låg effektiv brusström), och därför något mer brusande än en förstärkare som är designad för en specifik lågimpedanskälla, men i allmänhet en Källkonfiguration med relativt låg impedans kommer att vara mer motståndskraftig mot brus (särskilt brum från nätet) .

Radiofrekvenskraftsystem

Signalreflektioner orsakade av en impedansmissanpassning vid slutet av en transmissionsledning kan resultera i distorsion och potentiell skada på drivkretsen.

I analoga videokretsar kan impedansmissanpassning orsaka "spökbilder", där det tidsfördröjda ekot av huvudbilden uppträder som en svag och förskjuten bild (vanligtvis till höger om huvudbilden). I höghastighets digitala system, som HD-video, resulterar reflektioner i störningar och potentiellt korrupta signaler.

De stående vågorna som skapas av missanpassningen är periodiska områden med högre spänning än normal. Om denna spänning överstiger den dielektriska genombrottshållfastheten hos ledningens isolerande material kommer en ljusbåge att uppstå. Detta kan i sin tur orsaka en reaktiv puls av hög spänning som kan förstöra sändarens slutsteg.

I RF-system är typiska värden för linje- och termineringsimpedans 50 Ω och 75 Ω .

För att maximera kraftöverföringen ^{[ förtydligande behövs ]} för radiofrekventa kraftsystem bör kretsarna vara komplexa konjugatmatchade genom hela kraftkedjan, från sändarens utgång, genom transmissionsledningen (ett balanserat par, en koaxialkabel eller en vågledare) till antennsystem , som består av en impedansmatchningsanordning och strålningselementet/-en .

Se även

The Art of Electronics , Winfield Hill, Paul Horowitz, Cambridge University Press, ISBN 0-521-37095-7
"Aorta ingångsimpedans hos normal människa: förhållande till tryckvågsformer", JP Murgo, N Westerhof, JP Giolma, SA Altobelli pdf
En utmärkt introduktion till vikten av impedans och impedansmatchning finns i En praktisk introduktion till elektroniska kretsar, MH Jones, Cambridge University Press, ISBN 0-521-31312-0

externa länkar