Impedancia de entrada

En ingeniería eléctrica, 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 una red de carga que está externa a la red de fuente eléctrica. La admitancia de entrada (el recíproco de la impedancia) es una medida de la propensión de la red de 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.

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

Cálculo

Si uno creara un circuito con propiedades equivalentes en 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, se podría usar la ley de Ohm para calcular la función de transferencia.

Eficiencia eléctrica

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 impulsada (carga) es mucho mayor que la impedancia de salida de la etapa de unidad (fuente).

Factor de potencia

En los circuitos de CA que transportan energía, las pérdidas de energía en los conductores debido 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 (atrasada o adelantada) con el voltaje. Por lo tanto, el producto de la corriente y el voltaje es menor que 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, una impedancia de salida y una impedancia de entrada ideales; La reactancia de entrada del circuito se puede dimensionar para que sea negativa 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 fases en la fuente o la carga.

${displaystyle {begin{aligned}Z_{in} {fnMicrosoft Sans Serif}$

Transferencia de potencia

La condición de transferencia de potencia máxima establece que para una fuente dada se transferirá la potencia máxima cuando la resistencia de la fuente es igual a la resistencia de la carga y el factor de potencia se corrige al cancelar la reactancia. Cuando esto ocurre, se dice que el circuito es conjugado complejo coincidente con 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 potencia, el circuito solo funciona con un 50% de eficiencia.

La fórmula para el conjugado complejo coincide

${displaystyle {begin{aligned}Z_{in} {=Z_{out}\\\\fns=leftvert} Z_{out}rightvert e^{-jTheta _{out}\=operatorname {Re} (Z_{out)-joperatorname {fn} {fnMicrosoft}}$

Cuando no hay componente reactiva esta ecuación simplifica ${displaystyle Z_{in}=Z_{out}$ como parte imaginaria de ${displaystyle Z_{out}$ es cero.

Impedancia coincidente

Cuando la impedancia característica de una línea de transmisión, ${displaystyle Z_{line}$, no coincide con la impedancia de la red de carga, ${displaystyle Z_{in}$, la red de carga reflejará parte de la señal de origen. Esto puede crear ondas de pie en la línea de transmisión. Para minimizar las reflexiones, la impedancia característica de la línea de transmisión y la impedancia del circuito de carga tienen que ser iguales (o "matched"). Si la impedancia coincide, la conexión se conoce como un conexión a juego, y el proceso de corregir un desajuste de impedancia se llama impedancia coincidente. Dado que la impedancia característica para una línea de transmisión homogénea se basa en la geometría única y es por lo tanto constante, y la impedancia de carga se puede medir independientemente, la condición de emparejamiento mantiene independientemente de la colocación de la carga (antes o después de la línea de transmisión).

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

Aplicaciones

Procesamiento de señales

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 puente de impedancia. Las pérdidas debidas a la impedancia de entrada (pérdida) en estos circuitos se minimizarán y el voltaje en la entrada del amplificador será cercano al voltaje como si el circuito amplificador no estuviera conectado. Cuando se utiliza un dispositivo cuya impedancia de entrada podría causar una degradación significativa de la señal, a menudo se utiliza un dispositivo con una impedancia de entrada alta y una impedancia de salida baja para minimizar sus efectos. Para estos efectos se utilizan a menudo transformadores seguidores de voltaje o transformadores de adaptación de impedancia.

La impedancia de entrada para amplificadores de alta impedancia (como válvulas 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 una alta impedancia de entrada pueden tener un voltaje de ruido efectivo ligeramente mayor en la entrada (al mismo tiempo que proporcionan una corriente de ruido efectiva baja) y, por lo tanto, un poco más ruidosos que un amplificador diseñado para una fuente específica de baja impedancia, pero en general La configuración de fuente de impedancia relativamente baja será más resistente al ruido (particularmente al zumbido de la red eléctrica).

Sistemas de energía por radiofrecuencia

Los reflejos de la señal causados por una falta de coincidencia de impedancia al final de una línea de transmisión pueden provocar distorsión y posibles daños a los circuitos de conducción.

En los circuitos de vídeo analógico, la falta de coincidencia de impedancia puede provocar "efecto fantasma", donde el eco retardado de la imagen principal aparece como una imagen débil y desplazada (normalmente a la derecha de la imagen principal). En los sistemas digitales de alta velocidad, como el vídeo HD, los reflejos provocan interferencias y una señal potencialmente corrupta.

Las ondas estacionarias creadas por el desajuste son regiones periódicas de voltaje más alto de lo 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 provocar un pulso reactivo de alto voltaje que puede destruir la etapa de salida final del transmisor.

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

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