Входное сопротивление электрической сети и согласование импедансов.
Input impedance
Входное сопротивление в электротехнике: определение, влияние на передачу мощности и согласование импедансов. Ключевые понятия: сопротивление, реактивность, проводимость.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Мера противодействия протеканию тока внешней электрической нагрузкой.
Measure of the opposition to current flow by an external electrical load
В электротехнике входной импеданс электрической сети представляет собой меру сопротивления току (импеданса), как постоянному (сопротивление), так и переменному (реактивное сопротивление), в нагрузку, находящуюся вне сети источника питания. Входная проводимость (величина, обратная импедансу) является мерой способности нагрузки потреблять ток. Сеть источника – это часть сети, передающая мощность, а сеть нагрузки – часть сети, потребляющая мощность.
In electrical engineering, the input impedance of an electrical network is the measure of the opposition to current (impedance), both static (resistance) and dynamic (reactance), into a load network that is external to the electrical source network. The input admittance (the reciprocal of impedance) is a measure of the load network's propensity to draw current. The source network is the portion of the network that transmits power, and the load network is the portion of the network that consumes power.
Импеданс ввода
Если сеть нагрузки заменить устройством с выходным импедансом, равным входному импедансу сети нагрузки (эквивалентной схемы), характеристики сети источник-нагрузка будут одинаковы с точки зрения точки подключения. Следовательно, напряжение на и ток через входные клеммы будут идентичны тем, что были в выбранной сети нагрузки. Таким образом, входной импеданс нагрузки и выходной импеданс источника определяют, как изменяются ток и напряжение источника. Эквивалентная схема Тевенина использует понятие входного импеданса для определения импеданса эквивалентной схемы.
If the load network were replaced by a device with an output impedance equal to the input impedance of the load network (equivalent circuit), the characteristics of the source load network would be the same from the perspective of the connection point. So, the voltage across and the current through the input terminals would be identical to the chosen load network. Therefore, the input impedance of the load and the output impedance of the source determine how the source current and voltage change. The Thévenin's equivalent circuit of the electrical network uses the concept of input impedance to determine the impedance of the equivalent circuit.
Расчет
Если бы можно было создать схему с эквивалентными свойствами на входных клеммах, подключив входной импеданс параллельно нагрузке схемы, а выходной импеданс последовательно с источником сигнала, то закон Ома можно было бы использовать для вычисления передаточной функции.
If one were to create a circuit with equivalent properties across the input terminals by placing the input impedance across the load of the circuit and the output impedance in series with the signal source, Ohm's law could be used to calculate the transfer function.
Коэффициент мощности
В схемах переменного тока, передающих мощность, потери энергии в проводниках из-за реактивной составляющей импеданса могут быть значительными. Эти потери проявляются в явлении, называемом фазовым сдвигом, когда ток не совпадает по фазе с напряжением (отстает или опережает). В результате, произведение тока и напряжения оказывается меньше, чем при их одновременности по фазе. В цепях постоянного тока реактивные элементы не оказывают влияния, поэтому коррекция коэффициента мощности не требуется. Для моделирования схемы с идеальным источником, выходным импедансом и входным импедансом, входная реактивность схемы может быть подобрана равной по величине и противоположной по знаку выходной реактивности источника. В этом случае реактивная составляющая входного импеданса компенсирует реактивную составляющую выходного импеданса источника. Получающаяся эквивалентная схема является чисто резистивной, и потери, вызванные фазовым сдвигом, в источнике или нагрузке отсутствуют.
In AC circuits carrying power, the losses of energy in conductors due to the reactive component of the impedance can be significant. These losses manifest themselves in a phenomenon called phase imbalance, where the current is out of phase (lagging behind or ahead) with the voltage. Therefore, the product of the current and the voltage is less than what it would be if the current and voltage were in phase. With DC sources, reactive circuits have no impact, therefore power factor correction is not necessary. For a circuit to be modelled with an ideal source, output impedance, and input impedance; the circuit's input reactance can be sized to be the negative of the output reactance at the source. In this scenario, the reactive component of the input impedance cancels the reactive component of the output impedance at the source. The resulting equivalent circuit is purely resistive in nature, and there are no losses due to phase imbalance in the source or the load.
Соответствие импеданса
Когда характеристическое сопротивление линии передачи, , не совпадает с сопротивлением нагрузки, , часть сигнала от источника отражается обратно от нагрузки. Это может приводить к образованию стоячих волн на линии передачи. Для минимизации отражений характеристическое сопротивление линии передачи и сопротивление нагрузки должны быть равны (или "согласованы"). Если сопротивления согласованы, соединение называется согласованным, а процесс устранения рассогласования импедансов – согласованием импедансов. Поскольку характеристическое сопротивление однородной линии передачи определяется только её геометрией и, следовательно, является постоянной величиной, а сопротивление нагрузки можно измерить независимо, условие согласования выполняется независимо от расположения нагрузки (до или после линии передачи).
When the characteristic impedance of a transmission line, , does not match the impedance of the load network, , the load network will reflect back some of the source signal. This can create standing waves on the transmission line. To minimize reflections, the characteristic impedance of the transmission line and the impedance of the load circuit have to be equal (or "matched"). If the impedance matches, the connection is known as a matched connection, and the process of correcting an impedance mismatch is called impedance matching. Since the characteristic impedance for a homogeneous transmission line is based on geometry alone and is therefore constant, and the load impedance can be measured independently, the matching condition holds regardless of the placement of the load (before or after the transmission line).
Обработка сигналов
В современной обработке сигналов устройства, такие как операционные усилители, разрабатываются с входным импедансом, на несколько порядков превышающим выходной импеданс источника сигнала, подключенного к этому входу. Это называется импедансным согласованием (или импедансным мостом). Потери, вызванные входным импедансом в этих схемах, будут сведены к минимуму, и напряжение на входе усилителя будет близко к напряжению, как если бы усилитель не был подключен. Когда используется устройство, входной импеданс которого может существенно ухудшить сигнал, часто применяют устройство с высоким входным импедансом и низким выходным импедансом для минимизации этого эффекта. Для этих целей часто используются повторители напряжения или согласующие трансформаторы. Входной импеданс усилителей с высоким входным сопротивлением (таких как ламповые усилители, усилители на полевых транзисторах и операционные усилители) часто указывается как сопротивление, параллельное емкости (например, 2,2 МΩ || 1 пФ). Предварительные усилители, предназначенные для работы с высоким входным импедансом, могут иметь несколько более высокое эффективное напряжение шума на входе (при этом обеспечивая низкий эффективный ток шума), и поэтому могут быть немного шумнее усилителей, разработанных для конкретного источника с низким импедансом, но в целом схема с источником относительно низкого импеданса будет более устойчива к шумам (особенно к помехам от сети).
In modern signal processing, devices, such as operational amplifiers, are designed to have an input impedance several orders of magnitude higher than the output impedance of the source device connected to that input. This is called impedance bridging. The losses due to input impedance (loss) in these circuits will be minimized, and the voltage at the input of the amplifier will be close to voltage as if the amplifier circuit was not connected. When a device whose input impedance could cause significant degradation of the signal is used, often a device with a high input impedance and a low output impedance is used to minimize its effects. Voltage follower or impedance matching transformers are often used for these effects. The input impedance for high impedance amplifiers (such as vacuum tubes, field effect transistor amplifiers and op amps) is often specified as a resistance in parallel with a capacitance (e. g., 2.2MΩ ∥ 1pF). Pre amplifiers designed for high input impedance may have a slightly higher effective noise voltage at the input (while providing a low effective noise current), and so slightly more noisy than an amplifier designed for a specific low impedance source, but in general a relatively low impedance source configuration will be more resistant to noise (particularly mains hum).
Системы радиочастотного питания
Отражение сигнала, вызванное несоответствием импеданса в конце линии передачи, может привести к искажению и потенциальному повреждению схемы управления. В аналоговых видеосхемах несоответствие импеданса может вызывать эффект "двойного изображения" (или "призрачного" изображения), когда эхо основного изображения с временной задержкой проявляется как слабое и смещенное изображение (обычно справа от основного изображения). В высокоскоростных цифровых системах, таких как видео высокой четкости, отражения приводят к интерференции и потенциальной порче сигнала. Стоячие волны, возникающие из-за несоответствия, представляют собой периодические области с напряжением выше нормального. Если это напряжение превышает диэлектрическую прочность изоляционного материала линии, возникает электрическая дуга. Это, в свою очередь, может вызвать импульс реактивной мощности высокого напряжения, способный разрушить конечную выходную ступень передатчика. В радиочастотных системах типичные значения импеданса линии и оконечного сопротивления составляют 50 Ом и 75 Ом. Для максимизации передачи мощности в радиочастотных системах, схемы должны быть комплексно сопряжены по всей цепи передачи мощности, от выхода передатчика, через линию передачи (симметричная пара, коаксиальный кабель или волновод), до антенной системы, состоящей из устройства согласования импеданса и излучающих элементов.
Signal reflections caused by an impedance mismatch at the end of a transmission line can result in distortion and potential damage to the driving circuitry. In analog video circuits, impedance mismatch can cause "ghosting", where the time delayed echo of the principal image appears as a weak and displaced image (typically to the right of the principal image). In high speed digital systems, such as HD video, reflections result in interference and potentially corrupt signal. The standing waves created by the mismatch are periodic regions of higher than normal voltage. If this voltage exceeds the dielectric breakdown strength of the insulating material of the line then an arc will occur. This in turn can cause a reactive pulse of high voltage that can destroy the transmitter's final output stage. In RF systems, typical values for line and termination impedance are 50 Ω and 75 Ω. To maximise power transmission for radio frequency power systems the circuits should be complex conjugate matched throughout the power chain, from the transmitter output, through the transmission line (a balanced pair, a coaxial cable, or a waveguide), to the antenna system, which consists of an impedance matching device and the radiating element(s).