Potrivirea impedanței - Impedance matching

Diagrama schematică a sursei și impedanței circuitului de sarcină
Impedanță a sursei și a circuitului de încărcare

În electronică , potrivirea impedanței este practica proiectării impedanței de intrare a unei sarcini electrice sau a impedanței de ieșire a sursei de semnal corespunzătoare pentru a maximiza transferul de putere sau a minimiza reflexia semnalului din sarcină. O sursă de energie electrică, cum ar fi un generator , amplificator sau emițător radio, are o sursă de impedanță echivalentă cu o rezistență electrică în serie cu o reactanță dependentă de frecvență . De asemenea, o sarcină electrică, cum ar fi un bec , o linie de transmisie sau o antenă, are o impedanță echivalentă cu o rezistență în serie cu o reactanță .

Cele maxime de putere teorema statelor care puterea maximă este transferată de la sursă la sarcină , atunci când rezistența de sarcină este egală cu rezistența sursei și reactanță de sarcină este egal cu negativ al reactanță Sursa: reactantele se anulează reciproc cu dependența lor opuse de frecvență. Un alt mod de a spune acest lucru folosind numere complexe este impedanța de încărcare trebuie să fie egală cu conjugatul complex al impedanței sursei. Dacă această condiție este îndeplinită, se spune că cele două părți ale circuitului corespund impedanței .

Într-un circuit de curent continuu (DC), condiția este îndeplinită dacă rezistența la sarcină este egală cu rezistența sursei. Într-un circuit de curent alternativ (AC), reactanța depinde de frecvență , astfel încât circuitele care au o impedanță potrivită la o singură frecvență nu pot fi potrivite la impedanță dacă se schimbă frecvența. Potrivirea impedanței pe o bandă largă va necesita, în general, structuri complexe, asemănătoare filtrelor, cu multe componente, cu excepția cazului banal al sursei constante și a rezistențelor la sarcină atunci când poate fi utilizat un transformator.

În cazul unei impedanțe complexe a sursei Z S și a impedanței de încărcare Z L , transferul de putere maximă se obține atunci când

unde asteriscul indică conjugatul complex al variabilei. În cazul în care Z S reprezintă impedanța caracteristică a unei linii de transmisie , reflexia minimă se obține atunci când

Conceptul de potrivire a impedanței a găsit primele aplicații în ingineria electrică , dar este relevant în alte aplicații în care o formă de energie, nu neapărat electrică, este transferată între o sursă și o sarcină. O alternativă la potrivirea impedanței este punerea în impedanță , în care impedanța de sarcină este aleasă pentru a fi mult mai mare decât impedanța sursei și maximizarea transferului de tensiune, mai degrabă decât puterea, este obiectivul.

Teorie

Impedanța este opoziția unui sistem la fluxul de energie dintr-o sursă. Pentru semnale constante, această impedanță poate fi, de asemenea, constantă. Pentru semnale variabile, de obicei se modifică cu frecvența. Energia implicată poate fi electrică , mecanică , acustică , magnetică , optică sau termică . Conceptul de impedanță electrică este probabil cel mai cunoscut. Impedanța electrică, ca și rezistența electrică, este măsurată în ohmi . În general, impedanța are o valoare complexă ; acest lucru înseamnă că sarcini au în general o rezistență componentă (simbol: R ) , care formează reală parte Z și reactanța component (simbol: X ) , care formează imaginar parte a Z .

În cazuri simple (cum ar fi transmisia de putere cu frecvență joasă sau curent continuu) reactanța poate fi neglijabilă sau zero; impedanța poate fi considerată o rezistență pură, exprimată ca număr real. În rezumatul următor vom lua în considerare cazul general în care rezistența și reactanța sunt ambele semnificative și cazul special în care reactanța este neglijabilă.

Potrivire fără reflexie

Potrivirea impedanței pentru a reduce la minimum reflexiile se realizează făcând impedanța sarcinii egală cu impedanța sursei. Dacă impedanța sursei, impedanța de sarcină și impedanța caracteristică a liniei de transmisie sunt pur rezistive, atunci potrivirea fără reflexie este aceeași cu potrivirea transferului de putere maximă.

Potrivirea maximă a transferului de putere

Corelarea conjugată complexă este utilizată atunci când este necesar un transfer de putere maxim, și anume

unde un indicativ * indică conjugatul complex . O potrivire conjugată este diferită de o potrivire fără reflexie atunci când sursa sau sarcina are o componentă reactivă.

Dacă sursa are o componentă reactivă, dar sarcina este pur rezistivă, atunci potrivirea poate fi realizată prin adăugarea unei reactanțe de aceeași magnitudine, dar semn opus sarcinii. Această rețea simplă de potrivire, formată dintr-un singur element , va obține de obicei o potrivire perfectă la o singură frecvență. Acest lucru se datorează faptului că elementul adăugat va fi fie un condensator, fie un inductor, a cărui impedanță în ambele cazuri este dependentă de frecvență și nu va urma, în general, dependența de frecvență a impedanței sursei. Pentru aplicații cu lățime de bandă largă , trebuie proiectată o rețea mai complexă.

Transfer de energie

Ori de câte ori o sursă de alimentare cu o impedanță de ieșire fixă cum ar fi un electric semnal sursă, un radio , emițător sau un sunet mecanic ( de exemplu, un difuzor ) operează într - o sarcină , maximă posibilă puterea este livrată la sarcină , atunci când impedanța sarcinii ( impedanța de încărcare sau impedanța de intrare ) este egală cu conjugatul complex al impedanței sursei (adică impedanța sa internă sau impedanța de ieșire ). Pentru ca două impedanțe să fie conjugate complexe, rezistențele lor trebuie să fie egale, iar reactanțele lor trebuie să fie egale în mărime, dar cu semne opuse. În sistemele de joasă frecvență sau de curent continuu (sau sistemele cu surse și sarcini pur rezistive), reactanțele sunt nule sau suficient de mici pentru a fi ignorate. În acest caz, transferul de putere maximă are loc atunci când rezistența sarcinii este egală cu rezistența sursei (a se vedea teorema puterii maxime pentru o dovadă matematică).

Potrivirea impedanței nu este întotdeauna necesară. De exemplu, dacă o sursă cu o impedanță mică este conectată la o sarcină cu o impedanță mare, puterea care poate trece prin conexiune este limitată de impedanța mai mare. Această conexiune de tensiune maximă este o configurație obișnuită numită punte de impedanță sau punte de tensiune și este utilizată pe scară largă în procesarea semnalului. În astfel de aplicații, furnizarea unei tensiuni ridicate (pentru a minimiza degradarea semnalului în timpul transmisiei sau pentru a consuma mai puțină energie prin reducerea curenților) este adesea mai importantă decât transferul de putere maximă.

În sistemele audio mai vechi (bazate pe transformatoare și rețele de filtrare pasive și bazate pe sistemul telefonic ), sursele și rezistențele de sarcină au fost potrivite la 600 ohmi. Un motiv pentru aceasta a fost maximizarea transferului de energie, deoarece nu existau amplificatoare disponibile care să poată restabili semnalul pierdut. Un alt motiv a fost asigurarea funcționării corecte a transformatoarelor hibride utilizate la echipamentele centrale de schimb pentru a separa vorbirea de ieșire de cea primită, astfel încât acestea să poată fi amplificate sau alimentate într-un circuit cu patru fire . Cele mai multe circuite audio moderne, pe de altă parte, utilizează amplificare și filtrare activă și pot utiliza conexiuni de punte de tensiune pentru cea mai mare precizie. Strict vorbind, potrivirea impedanței se aplică numai atunci când dispozitivele sursă și de încărcare sunt liniare ; cu toate acestea, pot fi obținute potriviri între dispozitive neliniare în anumite intervale de operare.

Dispozitive de potrivire a impedanței

Reglarea impedanței sursei sau a impedanței sarcinii, în general, se numește „potrivirea impedanței”. Există trei moduri de a îmbunătăți o nepotrivire a impedanței, toate fiind denumite „potrivirea impedanței”:

  • Dispozitivele destinate să prezinte o sarcină aparentă la sursa de Z sarcină  =  Z sursă * (complex de potrivire conjugat). Având în vedere o sursă cu tensiune fixă ​​și impedanță sursă fixă, teorema puterii maxime spune că aceasta este singura modalitate de a extrage puterea maximă din sursă.
  • Dispozitivele destinate să prezinte o sarcină aparentă Z sarcină  =  Z linie (complex impedanta de potrivire), la ecouri Evitare. Având în vedere o sursă de linie de transmisie cu o impedanță de sursă fixă, această „potrivire a impedanței fără reflexie” la sfârșitul liniei de transmisie este singura modalitate de a evita reflectarea ecourilor înapoi la linia de transmisie.
  • Dispozitive destinate să prezinte o rezistență aparentă a sursei cât mai aproape de zero sau să prezinte o tensiune aparentă a sursei cât mai mare posibil. Aceasta este singura modalitate de a maximiza eficiența energetică și, prin urmare, este utilizată la începutul liniilor electrice. O astfel de conexiune de punte de impedanță minimizează, de asemenea, distorsiunea și interferențele electromagnetice ; este, de asemenea, utilizat în amplificatoare audio moderne și dispozitive de procesare a semnalului.

Există o varietate de dispozitive utilizate între o sursă de energie și o sarcină care efectuează „potrivirea impedanței”. Pentru a se potrivi impedanțelor electrice, inginerii folosesc combinații de transformatoare , rezistențe , inductoare , condensatori și linii de transmisie . Aceste dispozitive de potrivire a impedanței pasive (și active) sunt optimizate pentru diferite aplicații și includ balunuri , tunere de antenă (uneori numite ATU sau roller-coasters, datorită aspectului lor), claxoane acustice, rețele de potrivire și terminatoare .

Transformatoare

Transformatoarele sunt uneori folosite pentru a se potrivi impedanțelor circuitelor. Un transformator convertește curentul alternativ la o tensiune la aceeași formă de undă la o altă tensiune. Puterea de intrare în transformator și ieșirea din transformator sunt aceleași (cu excepția pierderilor de conversie). Partea cu tensiunea mai mică este la impedanță mică (deoarece aceasta are numărul mai mic de spire), iar partea cu tensiunea mai mare este la o impedanță mai mare (deoarece are mai multe spire în bobină).

Un exemplu al acestei metode implică un transformator balun de televiziune . Acest transformator convertește un semnal echilibrat de la antenă (prin cablu dublu de 300 ohmi ) într-un semnal neechilibrat (cablu coaxial de 75 ohmi, cum ar fi RG-6 ). Pentru a se potrivi impedanțelor ambelor dispozitive, ambele cabluri trebuie să fie conectate la un transformator potrivit cu un raport de rotații de 2 (cum ar fi un transformator 2: 1). În acest exemplu, cablul de 75 ohmi este conectat la partea transformatorului cu mai puține rotații; linia de 300 ohmi este conectată la partea transformatorului cu mai multe rotații. Formula pentru calcularea raportului de transformare a transformatorului pentru acest exemplu este:

Rețea rezistivă

Meciurile de impedanță rezistivă sunt cel mai ușor de proiectat și pot fi realizate cu un simplu pad L format din două rezistențe. Pierderea de energie este o consecință inevitabilă a utilizării rețelelor rezistive și sunt utilizate (de obicei) doar pentru a transfera semnale la nivel de linie .

Linie de transmisie în trepte

Majoritatea dispozitivelor cu elemente nodulare se pot potrivi cu o gamă specifică de impedanțe de încărcare. De exemplu, pentru a potrivi o sarcină inductivă într-o impedanță reală, trebuie utilizat un condensator. Dacă impedanța de încărcare devine capacitivă, elementul de potrivire trebuie înlocuit cu un inductor. În multe cazuri, este necesar să se utilizeze același circuit pentru a se potrivi cu o gamă largă de impedanțe de încărcare și, astfel, simplifica proiectarea circuitului. Această problemă a fost abordată de linia de transmisie în trepte, unde sunt folosite melci dielectrici cu un sfert de undă, plasate în serie, pentru a varia impedanța caracteristică a unei linii de transmisie. Prin controlul poziției fiecărui element, o gamă largă de impedanțe de sarcină poate fi potrivită fără a fi nevoie să reconectați circuitul.

Filtre

Filtrele sunt frecvent utilizate pentru a obține potrivirea impedanței în telecomunicații și inginerie radio. În general, teoretic nu este posibil să se realizeze o potrivire perfectă a impedanței la toate frecvențele cu o rețea de componente discrete. Rețelele de potrivire a impedanței sunt proiectate cu o lățime de bandă definită, iau forma unui filtru și utilizează teoria filtrelor în proiectarea lor.

Aplicațiile care necesită doar o lățime de bandă îngustă, cum ar fi sintonizatoarele și emițătoarele radio, ar putea utiliza un filtru simplu reglat, cum ar fi un stub . Acest lucru ar oferi o potrivire perfectă la o singură frecvență specifică. Potrivirea lățimii de bandă largi necesită filtre cu mai multe secțiuni.

Secțiunea L

Schema de bază pentru potrivirea R 1 cu R 2 cu un tampon L. R 1 > R 2 , cu toate acestea, fie R 1 sau R 2 pot fi sursa și cealaltă sarcină. Unul dintre X 1 sau X 2 trebuie să fie un inductor și celălalt trebuie să fie un condensator.
Rețele L pentru bandă îngustă care se potrivește cu o sursă sau impedanță de sarcină Z la o linie de transmisie cu impedanță caracteristică Z 0 . X și B pot fi fiecare pozitive (inductor) sau negative (condensator). Dacă Z / Z 0 se află în cercul 1 + jx de pe diagrama Smith (adică dacă Re ( Z / Z 0 )> 1), rețeaua (a) poate fi utilizată; în caz contrar, se poate utiliza rețeaua (b).

O rețea simplă de potrivire a impedanței electrice necesită un condensator și un inductor. In figura din dreapta, R 1 > R 2 , cu toate acestea, fie R 1 sau R 2 pot fi sursa și cealaltă sarcină. Unul dintre X 1 sau X 2 trebuie să fie un inductor și celălalt trebuie să fie un condensator. O reactanță este în paralel cu sursa (sau sarcina), iar cealaltă este în serie cu sarcina (sau sursa). Dacă o reactanță este în paralel cu sursa , rețeaua eficientă se potrivește de la impedanță mare la mică.

Analiza este următoarea. Luați în considerare o impedanță reală a sursei și o impedanță reală a sarcinii . Dacă o reactanță este în paralel cu impedanța sursei, impedanța combinată poate fi scrisă ca:

Dacă partea imaginară a impedanței de mai sus este anulată de reactanța serie, partea reală este

Rezolvarea pentru

.
.
unde .

Rețineți că, reactanța în paralel, are o reactanță negativă, deoarece este de obicei un condensator. Acest lucru oferă rețelei L caracteristica suplimentară a suprimării armonice, deoarece este și un filtru low-pass.

Conexiunea inversă (accelerarea impedanței) este pur și simplu inversă - de exemplu, reactanța în serie cu sursa. Mărimea raportului de impedanță este limitată de pierderile de reactanță, cum ar fi Q- ul inductorului. Mai multe secțiuni L pot fi conectate în cascadă pentru a obține rapoarte de impedanță mai mari sau lățime de bandă mai mare. Rețelele de potrivire a liniilor de transmisie pot fi modelate ca infinit de multe secțiuni L cablate în cascadă. Circuitele de potrivire optimă pot fi proiectate pentru un anumit sistem folosind diagrame Smith .

Corecția factorului de putere

Dispozitivele de corecție a factorului de putere sunt destinate să anuleze caracteristicile reactive și neliniare ale unei sarcini la capătul unei linii electrice. Acest lucru face ca sarcina văzută de linia electrică să fie pur rezistivă. Pentru o anumită putere reală necesară unei sarcini, aceasta minimizează curentul real furnizat prin liniile electrice și minimizează puterea irosită în rezistența acelor linii electrice. De exemplu, un tracker de putere maximă este utilizat pentru a extrage puterea maximă dintr-un panou solar și pentru a o transfera eficient la baterii, rețeaua electrică sau alte sarcini. Teorema puterii maxime se aplică conexiunii sale „în amonte” la panoul solar, deci emulează o rezistență la sarcină egală cu rezistența sursei panoului solar. Cu toate acestea, teorema puterii maxime nu se aplică conexiunii sale „în aval”. Această conexiune este o conexiune de punte de impedanță ; emulează o sursă de înaltă tensiune și rezistență scăzută pentru a maximiza eficiența.

Pe rețeaua electrică , sarcina totală este de obicei inductivă . În consecință, corectarea factorului de putere se realizează cel mai frecvent cu băncile condensatoarelor . Este necesar doar ca corectarea să fie realizată la o singură frecvență, frecvența alimentării. Rețelele complexe sunt necesare numai atunci când o bandă de frecvențe trebuie să fie potrivită și acesta este motivul pentru care condensatorii simpli sunt tot ceea ce este de obicei necesar pentru corectarea factorului de putere.

Linii de transmisie

Schema schematică a cablului coaxial
Linie de transmisie coaxială cu o singură sursă și o singură sarcină

Podul de impedanță nu este adecvat pentru conexiunile RF, deoarece face ca puterea să fie reflectată înapoi la sursă de la limita dintre impedanțele mari și cele mici. Reflecția creează o undă staționară dacă există reflexie la ambele capete ale liniei de transmisie, ceea ce duce la o pierdere suplimentară de energie și poate provoca pierderi dependente de frecvență. În aceste sisteme, potrivirea impedanței este de dorit.

În sistemele electrice care implică linii de transmisie (cum ar fi radio și fibră optică ) - unde lungimea liniei este lungă în comparație cu lungimea de undă a semnalului (semnalul se schimbă rapid în comparație cu timpul necesar pentru a călători de la sursă la încărcare) - impedanțele de la fiecare capăt al liniei trebuie să fie potrivite cu impedanța caracteristică a liniei de transmisie ( ) pentru a preveni reflexiile semnalului la capetele liniei. (Când lungimea liniei este scurtă în comparație cu lungimea de undă, nepotrivirea impedanței este baza transformatoarelor de impedanță a liniei de transmisie; vezi secțiunea anterioară.) În sistemele de radiofrecvență (RF), o valoare comună pentru impedanțele sursei și a sarcinii este 50 ohmi . O sarcină tipică RF este o antenă de sol de un sfert de undă (37 ohmi cu un plan de sol ideal); poate fi asortat la 50 ohmi folosind un plan de sol modificat sau o secțiune de potrivire coaxială, adică o parte sau tot alimentatorul de impedanță mai mare.

Forma generală a coeficientului de reflecție a tensiunii pentru o undă care se deplasează de la mediu 1 la mediu 2 este dată de

în timp ce coeficientul de reflecție a tensiunii pentru o undă care se deplasează de la mediu 2 la mediu 1 este

deci coeficientul de reflexie este același (cu excepția semnului), indiferent din ce direcție se apropie valul de limită.

Există, de asemenea, un coeficient de reflecție curent, care este negativul coeficientului de reflecție a tensiunii. Dacă unda întâlnește o deschidere la capătul sarcinii, impulsurile de tensiune pozitivă și de curent negativ sunt transmise înapoi către sursă (curent negativ înseamnă că curentul merge în direcția opusă). Astfel, la fiecare limită există patru coeficienți de reflecție (tensiune și curent pe o parte și tensiune și curent pe cealaltă parte). Toate cele patru sunt la fel, cu excepția faptului că două sunt pozitive și două sunt negative. Coeficientul de reflecție a tensiunii și coeficientul de reflecție a curentului de pe aceeași parte au semne opuse. Coeficienții de reflectare a tensiunii de pe laturile opuse ale limitei au semne opuse.

Deoarece toate sunt la fel, cu excepția semnului, este tradițional să se interpreteze coeficientul de reflexie ca fiind coeficientul de reflecție a tensiunii (dacă nu se indică altfel). Oricare dintre capete (sau ambele capete) ale unei linii de transmisie poate fi o sursă sau o sarcină (sau ambele), deci nu există nicio preferință inerentă pentru care parte a limitei este medie 1 și care parte este medie 2. Cu o singură linie de transmisie este obișnuit să se definească coeficientul de reflecție a tensiunii pentru o undă incidentă la limita din partea liniei de transmisie, indiferent dacă o sursă sau o sarcină este conectată pe cealaltă parte.

Linie de transmisie cu sursă unică care conduce o sarcină

Condiții de încărcare

Într-o linie de transmisie, o undă se deplasează de la sursă de-a lungul liniei. Să presupunem că unda atinge o limită (o schimbare bruscă a impedanței). O parte din val este reflectată înapoi, în timp ce altele continuă să se miște. (Să presupunem că există o singură limită, la sarcină.)

Lăsa

și să fie tensiunea și curentul care sunt incidente la limita din partea sursei.
și să fie tensiunea și curentul care sunt transmise sarcinii.
și să fie tensiunea și curentul care se reflectă înapoi spre sursă.

Pe partea linie a frontierei și și pe partea de sarcină în cazul în care , , , , , , și sunt fazorilor .

Prin urmare, la o limită, tensiunea și curentul trebuie să fie continue

Toate aceste condiții sunt îndeplinite de

în cazul în care coeficientul de reflexie merge de la linia de transmisie la sarcina.

Scopul unei linii de transmisie este de a obține cantitatea maximă de energie către celălalt capăt al liniei (sau de a transmite informații cu erori minime), astfel încât reflexia este cât mai mică posibil. Acest lucru se realizează prin potrivirea impedanțelor și astfel încât acestea să fie egale ( ).

Condiții de finalizare a sursei

La capătul sursei liniei de transmisie, pot exista unde incidente atât de la sursă, cât și de la linie; se poate calcula un coeficient de reflecție pentru fiecare direcție

,

unde Zs este impedanța sursei. Sursa undelor incidente de pe linie sunt reflectările de la capătul de încărcare. Dacă impedanța sursei se potrivește cu linia, reflexiile de la capătul de sarcină vor fi absorbite la capătul sursei. Dacă linia de transmisie nu este potrivită la ambele capete, reflecțiile de la sarcină vor fi re-reflectate la sursă și re-reflectate la capătul de sarcină ad infinitum , pierzând energie la fiecare tranzit al liniei de transmisie. Acest lucru poate provoca o stare de rezonanță și un comportament puternic dependent de frecvență. Într-un sistem cu bandă îngustă, acest lucru poate fi de dorit pentru potrivire, dar este în general nedorit într-un sistem cu bandă largă.

Impedanță sursă-capăt

unde este funcția de transfer într-un singur sens (de la fiecare capăt la celălalt) atunci când linia de transmisie este exact potrivită la sursă și sarcină. contabilizează tot ce se întâmplă cu semnalul în tranzit (inclusiv întârziere, atenuare și dispersie). Dacă există o potrivire perfectă la încărcare și

Funcție de transfer

unde este tensiunea de ieșire a circuitului deschis (sau descărcat) de la sursă.

Rețineți că, dacă există o potrivire perfectă la ambele capete

și

și apoi

.

Exemple electrice

Sisteme telefonice

Sistemele telefonice folosesc, de asemenea, impedanțe potrivite pentru a minimiza ecoul pe liniile de distanță lungă. Acest lucru este legat de teoria liniilor de transmisie. Potrivirea permite, de asemenea, bobinei hibride telefonice (conversie de la 2 la 4 fire) să funcționeze corect. Deoarece semnalele sunt trimise și recepționate pe același circuit cu două fire către biroul central (sau centrală), este necesară anularea la casca telefonică, astfel încât să nu se audă tonul lateral excesiv . Toate dispozitivele utilizate în căile de semnal telefonic sunt în general dependente de impedanțele de cablu, sursă și sarcină potrivite. În bucla locală, impedanța aleasă este de 600 ohmi (nominală). Rețelele de terminare sunt instalate la bursă pentru a oferi cea mai bună potrivire liniilor lor de abonați. Fiecare țară are propriul standard pentru aceste rețele, dar toate sunt concepute pentru a aproxima aproximativ 600 ohmi peste banda de frecvență a vocii .

Amplificatoare pentru difuzoare

Diagrama schematică a amplificatorului și difuzorului, cu două tuburi și un transformator de potrivire a impedanței
Amplificator tipic de putere pentru tub audio tip push-pull, asortat la difuzor cu un transformator de potrivire a impedanței

Amplificatoarele audio nu corespund de obicei impedanțelor, dar oferă o impedanță de ieșire mai mică decât impedanța de încărcare (cum ar fi <0,1 ohm în amplificatoarele tipice cu semiconductor ), pentru o amortizare îmbunătățită a difuzoarelor . Pentru amplificatoarele cu tuburi de vid , transformatoarele care schimbă impedanța sunt adesea utilizate pentru a obține o impedanță de ieșire scăzută și pentru a potrivi mai bine performanța amplificatorului cu impedanța de încărcare. Unele amplificatoare cu tuburi au robinete transformatoare de ieșire pentru a adapta ieșirea amplificatorului la impedanțele tipice ale difuzoarelor.

Transformatorul de ieșire din amplificatoarele pe bază de tuburi de vid are două funcții de bază:

Impedanța difuzorului pe bobina secundară a transformatorului va fi transformată într-o impedanță mai mare pe bobina primară din circuitul pentodelor de putere de pătratul raportului de rotații , care formează factorul de scalare a impedanței .

Etapa de ieșire în stadiile de capăt bazate pe semiconductori cu scurgere comună sau colector comun cu MOSFET-uri sau tranzistoare de putere are o impedanță de ieșire foarte mică. Dacă acestea sunt echilibrate corespunzător, nu este nevoie de un transformator sau un condensator electrolitic mare pentru a separa curentul alternativ de curent continuu.

Exemple non-electrice

Acustică

Similar cu liniile de transmisie electrică, există o problemă de potrivire a impedanței la transferul energiei sonore de la un mediu la altul. Dacă impedanța acustică a celor două medii este foarte diferită, cea mai mare energie sonoră va fi reflectată (sau absorbită), mai degrabă decât transferată peste graniță. Gelul utilizat în ultrasunetele medicale ajută la transferul energiei acustice din transductor în corp și înapoi. Fără gel, nepotrivirea impedanței din transductor-aer și discontinuitatea aer-corp reflectă aproape toată energia, lăsând foarte puțin să intre în corp.

Oasele din urechea medie asigură potrivirea impedanței între timpan (care este acționat de vibrațiile din aer) și urechea internă plină de lichid.

Claxoanele din sistemele de difuzoare sunt utilizate ca transformatoare în circuitele electrice pentru a potrivi impedanța traductorului cu impedanța aerului. Acest principiu este utilizat atât la difuzoarele din corn cât și la instrumentele muzicale. Deoarece cele mai multe impedanțe ale șoferului sunt slab corelate cu impedanța aerului liber la frecvențe joase, carcasele difuzoarelor sunt proiectate atât pentru a se potrivi cu impedanța, cât și pentru a minimiza anulările de fază distructive între ieșirea din fața și din spatele unui con de difuzor. Volumul sunetului produs în aer de la un difuzor este direct legat de raportul dintre diametrul difuzorului și lungimea de undă a sunetului produs: difuzoarele mai mari pot produce frecvențe mai mici la un nivel mai ridicat decât difuzoarele mai mici. Difuzoarele eliptice sunt o carcasă complexă, acționând ca difuzoare mari pe lungime și difuzoare mici pe cruce. Potrivirea impedanței acustice (sau lipsa acestuia) afectează funcționarea unui megafon , ecoul și izolarea fonică .

Optică

Un efect similar apare atunci când lumina (sau orice undă electromagnetică) lovește interfața dintre două medii cu indici de refracție diferiți . Pentru materialele nemagnetice, indicele de refracție este invers proporțional cu impedanța caracteristică a materialului. O impedanță optică sau de undă (care depinde de direcția de propagare) poate fi calculată pentru fiecare mediu și poate fi utilizată în ecuația de reflexie a liniei de transmisie

pentru a calcula coeficienții de reflecție și transmisie pentru interfață. Pentru dielectricele nemagnetice, această ecuație este echivalentă cu ecuațiile Fresnel . Reflecțiile nedorite pot fi reduse prin utilizarea unui strat optic antireflex .

Mecanică

Dacă un corp de masă m se ciocnește elastic cu un al doilea corp, transferul maxim de energie către cel de-al doilea corp va avea loc atunci când al doilea corp are aceeași masă m . Într-o coliziune frontală de mase egale, energia primului corp va fi complet transferată în al doilea corp (ca în leagănul lui Newton de exemplu). În acest caz, masele acționează ca „impedanțe mecanice”, care trebuie potrivite. Dacă și sunt masele corpurilor în mișcare și staționare, iar P este impulsul sistemului (care rămâne constant pe tot parcursul coliziunii), energia celui de-al doilea corp după coliziune va fi E 2 :

care este analog ecuației de transfer de putere.

Aceste principii sunt utile în aplicarea materialelor extrem de energice (explozivi). Dacă o sarcină explozivă este plasată pe o țintă, eliberarea bruscă de energie determină propagarea undelor de compresie prin țintă radial de la contactul punct-încărcare. Când undele de compresie ajung în zone de nepotrivire cu impedanță acustică ridicată (cum ar fi partea opusă a țintei), undele de tensiune se reflectă înapoi și creează spalling . Cu cât nepotrivirea este mai mare, cu atât va fi mai mare efectul cutelor și al scindării. O sarcină inițiată împotriva unui perete cu aer în spate va afecta mai mult peretele decât o sarcină inițiată împotriva unui perete cu sol în spatele său.

Vezi si

Note

Referințe

linkuri externe