В электротехнике входное сопротивление электрической сети является мерой противодействия току ( импедансу ), как статическому ( сопротивление ), так и динамическому ( реактивное сопротивление ), в сети нагрузки , которая является внешней по отношению к электрической сети источника. Входная проводимость (величина , обратная импедансу) является мерой склонности сети нагрузки потреблять ток. Сеть источника является частью сети, которая передает мощность , а сеть нагрузки является частью сети, которая потребляет мощность.
.svg/1280px-Source_and_load_circuit_Z_(2).svg.png)
Если бы сеть нагрузки была заменена устройством с выходным импедансом, равным входному импедансу сети нагрузки (эквивалентная схема), характеристики сети источник-нагрузка были бы такими же с точки зрения точки подключения. Таким образом, напряжение на и ток через входные клеммы были бы идентичны выбранной сети нагрузки.
Таким образом, входное сопротивление нагрузки и выходное сопротивление источника определяют, как изменяются ток и напряжение источника.
Эквивалентная схема Тевенена электрической сети использует концепцию входного сопротивления для определения импеданса эквивалентной схемы.
Если бы нужно было создать цепь с эквивалентными свойствами на входных клеммах, поместив входное сопротивление параллельно нагрузке цепи, а выходное сопротивление последовательно с источником сигнала, то для расчета передаточной функции можно было бы использовать закон Ома .
Значения входного и выходного импеданса часто используются для оценки электрической эффективности сетей путем разбиения их на несколько каскадов и независимой оценки эффективности взаимодействия между каждым каскадом. Для минимизации электрических потерь выходной импеданс сигнала должен быть незначительным по сравнению с входным импедансом подключаемой сети, поскольку коэффициент усиления эквивалентен отношению входного импеданса к общему импедансу (входной импеданс + выходной импеданс). В этом случае
В цепях переменного тока, передающих мощность , потери энергии в проводниках из-за реактивной составляющей импеданса могут быть значительными. Эти потери проявляются в явлении, называемом дисбалансом фаз, когда ток находится в противофазе (отстает или опережает) по отношению к напряжению. Поэтому произведение тока и напряжения меньше, чем было бы, если бы ток и напряжение были в фазе. С источниками постоянного тока реактивные цепи не оказывают никакого влияния, поэтому коррекция коэффициента мощности не требуется.
Для моделируемой схемы с идеальным источником, выходным импедансом и входным импедансом входное реактивное сопротивление схемы может быть рассчитано так, чтобы оно было отрицательным по отношению к выходному реактивному сопротивлению на источнике. В этом сценарии реактивная составляющая входного импеданса компенсирует реактивную составляющую выходного импеданса на источнике. Полученная эквивалентная схема является чисто резистивной по своей природе, и нет потерь из-за фазового дисбаланса в источнике или нагрузке.
Условие максимальной передачи мощности гласит, что для данного источника максимальная мощность будет передана, когда сопротивление источника равно сопротивлению нагрузки, а коэффициент мощности скорректирован путем устранения реактивного сопротивления. Когда это происходит, говорят, что схема комплексно сопряжена и согласована с импедансом сигналов. Обратите внимание, что это максимизирует только передачу мощности, а не эффективность схемы. Когда передача мощности оптимизирована, схема работает только с эффективностью 50%.
Формула для комплексно-сопряженного соответствия:
При отсутствии реактивной составляющей это уравнение упрощается, поскольку мнимая часть равна нулю.
Когда характеристическое сопротивление линии передачи , , не соответствует импедансу сети нагрузки, , сеть нагрузки будет отражать часть исходного сигнала. Это может создавать стоячие волны на линии передачи. Чтобы минимизировать отражения, характеристическое сопротивление линии передачи и импеданс цепи нагрузки должны быть равны (или «согласованы»). Если импеданс совпадает, соединение известно как согласованное соединение , а процесс исправления несоответствия импеданса называется согласованием импеданса . Поскольку характеристическое сопротивление для однородной линии передачи основано только на геометрии и, следовательно, является постоянным, а импеданс нагрузки можно измерить независимо, условие согласования сохраняется независимо от размещения нагрузки (до или после линии передачи).
В современной обработке сигналов такие устройства, как операционные усилители , проектируются так, чтобы иметь входное сопротивление на несколько порядков выше выходного сопротивления исходного устройства, подключенного к этому входу. Это называется мостовым соединением импеданса . Потери из-за входного сопротивления (потери) в этих цепях будут минимизированы, а напряжение на входе усилителя будет близко к напряжению, как если бы цепь усилителя не была подключена. Когда используется устройство, входное сопротивление которого может вызвать значительное ухудшение сигнала, часто используется устройство с высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением, чтобы минимизировать его эффекты. Повторители напряжения или трансформаторы согласования импеданса часто используются для этих эффектов.
Входное сопротивление для усилителей с высоким импедансом (таких как электронные лампы , усилители на полевых транзисторах и операционные усилители ) часто указывается как сопротивление , параллельное емкости (например, 2,2 МОм ∥ 1 пФ ). Предварительные усилители, рассчитанные на высокий входной импеданс, могут иметь немного более высокое эффективное шумовое напряжение на входе (при этом обеспечивая низкий эффективный шумовой ток), и поэтому немного более шумные, чем усилитель, рассчитанный на определенный источник с низким импедансом, но в целом конфигурация источника с относительно низким импедансом будет более устойчивой к шуму (особенно к сетевому гулу ).
Отражения сигнала, вызванные несоответствием импеданса на конце линии передачи, могут привести к искажениям и потенциальному повреждению схемы управления.
В аналоговых видеоцепях несоответствие импеданса может вызвать «фантомное» изображение, когда задержанное по времени эхо основного изображения выглядит как слабое и смещенное изображение (обычно справа от основного изображения). В высокоскоростных цифровых системах, таких как HD-видео, отражения приводят к помехам и потенциальному искажению сигнала.
Стоячие волны, создаваемые несоответствием, представляют собой периодические области с напряжением выше нормального. Если это напряжение превышает диэлектрическую прочность изоляционного материала линии, то возникает дуга . Это, в свою очередь, может вызвать реактивный импульс высокого напряжения, способный разрушить конечный выходной каскад передатчика.
В радиочастотных системах типичные значения сопротивления линии и оконечной нагрузки составляют 50 Ом и 75 Ом .
Для максимизации передачи мощности [ необходимо разъяснение ] для радиочастотных систем электропитания схемы должны быть комплексно сопряженными и согласованными по всей цепи питания, от выхода передатчика , через линию передачи (симметричную пару, коаксиальный кабель или волновод) до антенной системы , которая состоит из устройства согласования импеданса и излучающего элемента(ов).
