Impedancia egyeztetés - Impedance matching

A forrás és a terhelő áramkör impedanciájának sematikus rajza
Forrás- és terhelési áramkör impedanciája

Az elektronika , impedancia illesztés a gyakorlat tervezése bemeneti impedanciája egy elektromos terhelés , illetve a kimeneti impedanciája a neki megfelelő jelforrás maximalizálása erőátvitel vagy minimalizálása jelvisszaverődésből a terhelést. A áramellátásban például egy generátor , erősítő vagy rádió adó egy forrás impedancia egyenértékű egy elektromos ellenállás sorosan egy frekvenciafüggő reaktancia . Hasonlóképpen, egy elektromos terhelés, például egy izzó , távvezeték vagy antenna impedanciája egyenértékű a reaktanciával soros ellenállással .

A maximális teljesítménytétel szerint a maximális teljesítmény átkerül a forrásból a terhelésbe, amikor a terhelési ellenállás megegyezik a forrás ellenállásával, és a terhelési reaktancia megegyezik a forrás reaktivitásának negatívjával: a reaktanciák ellentétes frekvenciafüggőségükkel törlik egymást. A komplex számok használatának másik módja az, hogy a terhelés impedanciájának meg kell egyeznie a forrás impedancia komplex konjugátumával . Ha ez a feltétel teljesül, akkor azt mondjuk, hogy az áramkör két része impedanciája megegyezik .

Egy egyenáramú (DC) áramkör, a feltétel teljesül, ha a terhelési ellenállás megegyezik a forrás ellenállás. Egy váltakozó áram (AC) áramkör reaktanciájától függ frekvencia , így áramkörök, amelyek impedancia illesztett egy frekvencián nem lehet impedanciája illeszkedik, ha a frekvencia változik. A széles sávon belüli impedanciaillesztéshez általában összetett, sok komponensű, szűrőszerű struktúrákra van szükség, kivéve az állandó forrás- és terhelési ellenállások triviális esetét, amikor transzformátor használható.

Komplex Z S forrásimpedancia és Z L terhelési impedancia esetén a maximális teljesítményátadás akkor érhető el

ahol a csillag a változó komplex konjugátumát jelöli. Ahol Z S a távvezeték jellemző impedanciáját képviseli , akkor a minimális visszaverődés akkor érhető el

Az impedancia-megfeleltetés fogalma az elektrotechnikában első alkalmazásra talált , de releváns más olyan alkalmazásokban, amelyekben egy nem feltétlenül elektromos energiafajta átkerül a forrás és a terhelés között. Az impedanciaillesztés egyik alternatívája az impedancia áthidalása , amelynél a terhelés impedanciáját sokkal nagyobbnak választják, mint a forrás impedanciáját, és a teljesítmény helyett a feszültségátadás maximalizálása a cél.

Elmélet

Az impedancia a rendszer ellentéte a forrásból származó energia áramlásával. Állandó jelek esetén ez az impedancia is állandó lehet. Változó jelek esetén általában változik a frekvenciával. Az érintett energia lehet elektromos , mechanikus , akusztikus , mágneses , optikai vagy termikus . Az elektromos impedancia fogalma talán a legismertebb. Az elektromos impedanciát, mint az elektromos ellenállást, ohmban mérjük . Az impedancia általában komplex értékkel bír; ez azt jelenti, hogy a terheléseknek általában van egy ellenállási komponense (szimbóluma: R ), amely a Z valós részét képezi, és egy reaktancia- komponense (szimbóluma: X ), amely a Z képzeletbeli részét képezi .

Egyszerű esetekben (például alacsony frekvenciájú vagy egyenáramú erőátvitelnél) a reaktancia elhanyagolható vagy nulla lehet; az impedancia tiszta ellenállásnak tekinthető, valós számban kifejezve. A következő összefoglalóban azt az általános esetet vesszük figyelembe, amikor az ellenállás és a reaktancia egyaránt jelentős, és azt a speciális esetet, amelyben a reaktancia elhanyagolható.

Tükrözés nélküli egyezés

Az impedancia egyeztetése a visszaverődések minimalizálása érdekében úgy érhető el, hogy a terhelés impedanciáját megegyezik a forrás impedanciájával. Ha a forrás impedanciája, a terhelés impedanciája és a távvezeték jellegzetes impedanciája tisztán ellenálló, akkor a reflexió nélküli illesztés megegyezik a maximális teljesítményátviteli egyeztetéssel.

Maximális energiaátviteli egyezés

Komplex konjugátumillesztést alkalmazunk, ha maximális teljesítményátadásra van szükség, mégpedig

ahol egy felső index * jelzi a komplex konjugátumot . A konjugált egyezés különbözik a reflexió nélküli egyezéstől, ha a forrásnak vagy a terhelésnek reaktív komponense van.

Ha a forrásnak van reaktív komponense, de a terhelés tisztán ellenálló, akkor az illesztés elérhető ugyanolyan nagyságrendű, de ellentétes előjelű reaktancia hozzáadásával a terheléshez. Ez az egyszerű, egyetlen elemből álló hálózat általában csak egyetlen frekvencián éri el a tökéletes egyezést. Ennek oka, hogy a hozzáadott elem vagy kondenzátor, vagy induktor lesz, amelynek impedanciája mindkét esetben frekvenciafüggő, és általában nem fogja követni a forrásimpedancia frekvenciafüggését. Nagy sávszélességű alkalmazásokhoz összetettebb hálózatot kell kialakítani.

Teljesítményátadás

Amikor a hatalom forrása a fix kimeneti impedancia , például egy elektromos jel forrását, egy rádió adó vagy mechanikus hang (pl hangszóró ) működtet egy terhelést , a lehető legnagyobb teljesítmény jut a terhelést, ha az impedancia a terhelés ( terhelési impedancia vagy bemeneti impedancia ) egyenlő a forrás impedanciájának (vagyis belső impedanciájának vagy kimeneti impedanciájának ) komplex konjugátumával . Ahhoz, hogy két impedancia összetett konjugátum legyen, ellenállásuknak egyenlőnek kell lennie, reaktanciájuknak pedig azonos nagyságúnak, de ellentétes előjelűeknek kell lennie. Alacsony frekvenciájú vagy egyenáramú rendszerekben (vagy tisztán ellenállású forrásokkal és terhelésekkel rendelkező rendszerekben) a reaktancia nulla, vagy elég kicsi ahhoz, hogy figyelmen kívül hagyják. Ebben az esetben a maximális teljesítményátadás akkor következik be, amikor a terhelés ellenállása megegyezik a forrás ellenállásával ( matematikai bizonyítást lásd a maximális teljesítménytételben ).

Az impedancia egyeztetése nem mindig szükséges. Például, ha egy alacsony impedanciájú forrást nagy impedanciájú terheléshez csatlakoztatunk, akkor a kapcsolaton átmenő teljesítményt a nagyobb impedancia korlátozza. Ez a maximális feszültségű kapcsolat egy általános konfiguráció, az úgynevezett impedancia áthidalás vagy feszültség áthidalás , és széles körben használják a jelfeldolgozásban. Ilyen alkalmazásokban gyakran fontosabb a nagyfeszültség leadása (a jelromlás minimalizálása érdekében az átvitel során vagy az áram csökkentésével kevesebb energiafogyasztás érdekében), mint a maximális teljesítményátadás.

A régebbi audiorendszerekben (transzformátorokra és passzív szűrőhálózatokra támaszkodva, valamint a telefonrendszer alapján) a forrás és a terhelés ellenállása 600 ohmos volt. Ennek egyik oka az áramátadás maximalizálása volt, mivel nem voltak olyan erősítők, amelyek helyreállíthatnák az elveszett jelet. Egy másik ok az volt, hogy biztosítsák a központi csereberendezéseknél használt hibrid transzformátorok megfelelő működését a kimenő és a bejövő beszéd elválasztására, így ezeket fel lehet erősíteni vagy négyvezetékes áramkörbe lehet táplálni . A legtöbb modern audio áramkör viszont aktív erősítést és szűrést használ, és a legnagyobb pontosság érdekében feszültség-áthidaló kapcsolatokat használhat. Szigorúan véve az impedancia-egyeztetés csak akkor érvényes, ha a forrás- és a terhelőeszközök egyaránt lineárisak ; a nemlineáris eszközök között azonban bizonyos működési tartományokban megfelelőség érhető el.

Impedancia-illesztő eszközök

A forrásimpedancia vagy a terhelési impedancia beállítását általában impedanciaillesztésnek nevezzük. Az impedancia-eltérés javításának három módja van, ezeket mind impedancia-egyeztetésnek nevezzük:

  • Olyan eszközök, amelyek látszólagos terhelést jelentenek a Z terhelés forrására  =  Z forrás * (komplex konjugátumillesztés). Ha egy rögzített feszültségű és fix impedanciájú forrás van, akkor a maximális teljesítménytétel szerint ez az egyetlen módja annak, hogy a forrásból kinyerjük a maximális teljesítményt.
  • Olyan eszközök, amelyek Z terhelés látszólagos terhelését mutatják  =  Z vonal (komplex impedancia egyeztetés), a visszhangok elkerülése érdekében. Adott vezetékes impedanciájú távvezeték-forrás esetén ez a "visszaverődés nélküli impedancia-illesztés" a távvezeték végén az egyetlen módja annak, hogy elkerüljük a visszaverődést a távvezetékre.
  • Olyan eszközök, amelyek a látszólagos forrásellenállást a lehető legközelebb a nullához mutatják, vagy a látszólagos forrásfeszültséget a lehető legnagyobb mértékben mutatják be. Csak így lehet maximalizálni az energiahatékonyságot, ezért az elektromos vezetékek elején alkalmazzák. Egy ilyen impedancia áthidaló kapcsolat a torzítást és az elektromágneses interferenciát is minimalizálja ; modern hangerősítőkben és jelfeldolgozó eszközökben is használják.

Az energiaforrás és a terhelés között különféle eszközöket használnak, amelyek "impedanciaillesztést" végeznek. Az elektromos impedanciák összehangolása érdekében a mérnökök transzformátorok , ellenállások , induktivitások , kondenzátorok és távvezetékek kombinációit alkalmazzák . Ezeket a passzív (és aktív) impedancia egyező eszköz optimalizált különböző alkalmazások és tartalmazzák balunok , antenna tuner (néha ATUS vagy hullámvasút, mert a megjelenés), akusztikus szarvak, megfelelő hálózatok és terminátorok .

Transzformátorok

A transzformátorokat néha használják az áramkörök impedanciáinak egyeztetésére. A transzformátor átalakítja az egyik feszültség váltakozó áramát egy másik feszültségre ugyanazon hullámformára. A transzformátor teljesítményfelvétele és a transzformátor kimenete megegyezik (kivéve az átalakítási veszteségeket). Az alacsonyabb feszültségű oldal alacsony impedanciával rendelkezik (mert ennek kisebb a fordulatszáma), a nagyobb feszültségű oldal pedig nagyobb impedanciájú (mivel tekercsében több fordulat van).

Ennek a módszernek egyik példája egy televíziós balun transzformátor. Ez a transzformátor átalakítja kiegyensúlyozott jelet az antenna (via 300 ohmos iker-ólom ) egy aszimmetrikus jel (75 ohmos koaxiális kábelt, például RG-6 ). Mindkét eszköz impedanciáinak megfeleltetéséhez mindkét kábelt egy megfelelő transzformátorhoz kell csatlakoztatni, amelynek fordulatszáma 2 (például 2: 1 transzformátor). Ebben a példában a 75 ohmos kábel kevesebb fordulattal csatlakozik a transzformátor oldalához; a 300 ohmos vezeték több fordulattal csatlakozik a transzformátor oldalához. A transzformátor fordulatszámának kiszámítására szolgáló képlet ebben a példában a következő:

Ellenálló hálózat

A rezisztív impedancia egyezéseket a legkönnyebb megtervezni, és két ellenállásból álló egyszerű L párnával érhetők el . Az áramveszteség az ellenállóképes hálózatok használatának elkerülhetetlen következménye, és ezeket csak (általában) használják a vonalszintű jelek továbbítására.

Lépcsős távvezeték

A legtöbb darabos elem képes megfelelni a terhelési impedanciák meghatározott tartományának. Például annak érdekében, hogy az induktív terhelés valós impedanciává váljon, kondenzátort kell használni. Ha a terhelés impedanciája kapacitívvé válik, akkor az illeszkedő elemet induktivitással kell helyettesíteni. Sok esetben ugyanazt az áramkört kell használni, hogy megfeleljen a terhelés impedanciájának széles tartományának, és így egyszerűsítse az áramkör kialakítását. Ezt a kérdést a lépcsős távvezeték kezelte, ahol több, sorozatosan elhelyezett, negyedhullámú dielektromos csigát használnak a távvezeték jellemző impedanciájának megváltoztatására. Az egyes elemek helyzetének szabályozásával a terhelés impedanciáinak széles tartománya illeszthető az áramkör újbóli csatlakoztatása nélkül.

Szűrők

A szűrőket gyakran használják az impedancia egyeztetésének elérésére a telekommunikációban és a rádiótechnikában. Általánosságban elmondható, hogy elméletileg nem lehet tökéletes impedancia-illesztést elérni minden frekvencián diszkrét komponensek hálózatával. Az impedanciaillesztési hálózatokat meghatározott sávszélességgel tervezik, szűrő formájúak, és tervezésük során a szűrőelméletet használják.

A csak keskeny sávszélességet igénylő alkalmazások, például a rádiós tunerek és adók, használhatnak egyszerű hangolt szűrőt , például csonkot . Ez tökéletes egyezést biztosítana csak egy adott frekvencián. A széles sávszélesség-egyeztetéshez több szakaszos szűrőkre van szükség.

L-szakasz

Alapvető vázlatos az egyező R 1 -R 2 egy L pad. R 1 > R 2 , azonban vagy R 1 vagy R 2 lehet a forrása, és a másik a terhelés. X 1 vagy X 2 közül az egyiknek induktivitásnak, a másiknak kondenzátornak kell lennie.
L hálózatok a Z keskeny sávú vagy terhelési impedancia és a Z 0 impedanciájú távvezeték összehangolásához . X és B egyaránt lehet pozitív (induktivitás) vagy negatív (kondenzátor). Ha a Z / Z 0 a Smith diagram 1 + jx körén belül van (azaz ha Re ( Z / Z 0 )> 1), akkor az (a) hálózat használható; különben a (b) hálózat használható.

Egy egyszerű elektromos impedancia-kiegyenlítő hálózathoz egy kondenzátor és egy induktor szükséges. Az ábrán a jobb, R 1 > R 2 , azonban vagy R 1 vagy R 2 lehet a forrása, és a másik a terhelés. Az X 1 vagy X 2 közül az egyiknek induktivitásnak, a másiknak kondenzátornak kell lennie. Az egyik reaktancia párhuzamos a forrással (vagy a terheléssel), a másik pedig a terheléssel (vagy a forrással) soros. Ha a reaktancia párhuzamos a forrással , akkor az effektív hálózat magasról alacsony impedanciára illeszkedik.

Az elemzés a következő. Tekintsük a valós impedanciáját és a valós terhelési impedanciáját . Ha egy reaktancia párhuzamos a forrás impedanciájával, akkor a kombinált impedancia a következőképpen írható fel:

Ha a fenti impedancia képzeletbeli részét a soros reaktancia törli, akkor a valódi rész az

Megoldása

.
.
hol .

Megjegyezzük, hogy a párhuzamos reaktancia negatív reaktanciával rendelkezik, mivel ez tipikusan kondenzátor. Ez biztosítja az L-hálózat számára a harmonikus elnyomás további jellemzőjét, mivel ez is egy aluláteresztő szűrő.

Az inverz kapcsolat (impedancia fokozása) egyszerűen fordított - például a forráshoz sorosan adott reaktancia. Az impedancia arány nagyságát olyan reaktanciaveszteségek korlátozzák, mint az induktor Q- ja. Több L-szakasz köthető kaszkádban a nagyobb impedancia arány vagy nagyobb sávszélesség elérése érdekében. A távvezeték- illesztési hálózatok végtelenül sok L-szakaszra modellezhetők kaszkádban. Optimális illesztési áramkörök tervezhetők egy adott rendszerhez Smith diagramok felhasználásával .

Teljesítménytényező korrekció

A teljesítménytényező-korrekciós eszközök célja az erővezeték végén lévő terhelés reaktív és nemlineáris jellemzőinek törlése. Ez azt eredményezi, hogy az elektromos vezeték által látott terhelés tisztán ellenálló. Egy adott terhelés által igényelt tényleges teljesítménynél ez minimalizálja az elektromos vezetéken keresztül leadott valódi áramot, és minimalizálja az elektromos vezetékek ellenállásába pazarolt energiát. Például egy maximális teljesítménypont-követőt használnak a maximális teljesítmény kinyerésére egy napelemről, és hatékonyan továbbítják az elemekre, az elektromos hálózatra vagy más terhelésekre. A maximális teljesítménytétel a napelemhez való "upstream" csatlakozására vonatkozik, így a napelemes forrás ellenállásával megegyező terhelési ellenállást emulál. A maximális teljesítménytétel azonban nem vonatkozik a "downstream" kapcsolatára. Ez a kapcsolat impedancia áthidaló kapcsolat; nagyfeszültségű, alacsony ellenállású forrást emulál a hatékonyság maximalizálása érdekében.

Az elektromos hálózaton a teljes terhelés általában induktív . Következésképpen a teljesítménytényező korrekciója leggyakrabban a kondenzátorok bankjaival érhető el . Csak arra van szükség, hogy a korrekciót egyetlen frekvencián, az ellátás frekvenciáján érjék el. Komplex hálózatokra csak akkor van szükség, ha a frekvenciasávokat ki kell egyeztetni, és ez az oka annak, hogy az egyszerű kondenzátorokra általában szükség van a teljesítménytényező korrekciójához.

Távvezetékek

A koaxiális kábel sematikus rajza
Koaxiális távvezeték egy forrással és egy terheléssel

Az impedancia áthidalása alkalmatlan az RF kapcsolatokhoz, mert ez az áram visszavert visszavezetését a forrásba a magas és az alacsony impedancia közötti határról. A visszaverődés állandó hullámot hoz létre, ha a távvezeték mindkét végén visszaverődés van, ami további energiapazarláshoz vezet, és frekvenciafüggő veszteséget okozhat. Ezekben a rendszerekben az impedancia egyeztetése kívánatos.

Távvezetékeket magában foglaló elektromos rendszerekben (például rádió és száloptika ) - ahol a vezeték hossza hosszú a jel hullámhosszához képest (a jel gyorsan változik ahhoz az időhöz képest, amely a forrástól a terhelésig tart) a vezeték mindkét végén lévő impedanciákat össze kell hangolni a távvezeték jellemző impedanciájával ( ), hogy megakadályozzuk a jel visszaverődését a vonal végén. (Ha a vezeték hossza rövid a hullámhosszhoz képest, akkor az impedancia eltérése az alapja a távvezeték impedancia transzformátorainak; lásd az előző szakaszt.) A rádiófrekvenciás (RF) rendszerekben a forrás és a terhelés impedanciáinak közös értéke 50 ohm . Tipikus RF terhelés egy negyedhullámú földsík antenna (37 ohm ideális talajsíkkal); 50 ohmhoz illeszthető módosított alapsík vagy koaxiális illesztési szakasz, azaz nagyobb impedanciájú adagoló egy részének vagy egészének felhasználásával.

Az 1. közegből a 2. közegbe haladó hullám feszültségvisszaverődési együtthatójának általános formáját a

míg a 2. közegből az 1. közegbe haladó hullám feszültségvisszaverődési együtthatója

tehát a reflexiós együttható megegyezik (kivéve a jelet), függetlenül attól, hogy a hullám melyik irányból közelít a határhoz.

Van egy aktuális reflexiós együttható is, amely a feszültség reflexiós együtthatójának negatívuma. Ha a hullám nyitott állapotban van a terhelés végén, akkor a pozitív feszültség és a negatív áram impulzusai visszakerülnek a forrás felé (a negatív áram azt jelenti, hogy az áram ellentétes irányba megy). Így mindegyik határon négy reflexiós együttható van (egyik oldalon feszültség és áram, másik oldalon feszültség és áram). Mind a négy egyforma, kivéve, hogy kettő pozitív és kettő negatív. Az ugyanazon az oldalon található feszültségvisszaverődési együtthatónak és áramvisszaverődési együtthatónak ellentétes előjelei vannak. A határ ellentétes oldalán lévő feszültségvisszaverődési együtthatók ellentétes előjelekkel rendelkeznek.

Mivel a jel kivételével mindegyik egyforma, a reflexiós együtthatót a feszültség-reflexiós együtthatóként értelmezni (hacsak másként nem jelezzük). A távvezeték bármelyik vége (vagy mindkét vége) lehet forrás vagy terhelés (vagy mindkettő), így nincs benne rejlő preferencia, hogy a határ melyik oldala 1. közepes és melyik 2. közepes. szokás meghatározni a feszültségvisszaverődési együtthatót a határvonalon az átviteli vonal felől beeső hullámra, függetlenül attól, hogy a másik oldalon forrás vagy terhelés van-e összekötve.

Egyforrású távvezeték, amely terhelést jelent

Terhelés végi feltételek

Egy távvezetékben a hullám a forrásból a vonal mentén halad. Tegyük fel, hogy a hullám elüt egy határt (az impedancia hirtelen változása). A hullám egy része visszaverődik, míg néhány tovább halad. (Tegyük fel, hogy csak egy határ van a terhelésnél.)

Hagyd

és legyen az a feszültség és áram, amely a határon esik a forrás oldaláról.
és legyen a terhelésre továbbított feszültség és áram.
és legyen az a feszültség és áram, amely visszavert a forrás felé.

A hálózati oldalon a határ , és és a terhelési oldalon , ahol , , , , , , és a phasors .

Egy határon a feszültségnek és az áramnak ezért folyamatosnak kell lennie

Mindezek a feltételek teljesülnek

ahol a távvezetéktől a terhelésig tartó reflexiós együttható .

A távvezeték célja, hogy a maximális energiamennyiség eljusson a vezeték másik végébe (vagy információt küldjön minimális hibával), így a visszaverődés a lehető legkisebb. Ezt úgy érjük el, megfelelő impedanciája és úgy, hogy azok egyenlő ( ).

Forrás végi feltételek

A távvezeték forrás végén hullámok fordulhatnak elő mind a forrásból, mind a vezetékből; az egyes irányok reflexiós együtthatója kiszámítható

,

ahol Zs a forrás impedancia. A vonal felől érkező hullámok forrása a terhelés végétől érkező visszaverődések. Ha a forrás impedanciája megegyezik a vonallal, akkor a terhelés felől érkező visszaverődések elnyelődnek a forrás végén. Ha a távvezeték mindkét végén nem egyezik meg, akkor a terhelésből származó visszaverődések visszaverődnek a forrásnál, és a terhelés végén végtelenül visszaverődnek , energiát vesztve a távvezeték minden átmeneténél. Ez rezonancia állapotot és erősen frekvenciafüggő viselkedést okozhat. Keskeny sávú rendszerben ez kívánatos lehet az illesztéshez, de széles sávú rendszerben általában nem kívánatos.

Forrásvégi impedancia

hol van az egyirányú átviteli függvény (egyik végétől a másikig), amikor a távvezeték forrása és terhelése pontosan megegyezik. mindent elszámol, ami történik az átvitt jelzéssel (beleértve a késleltetést, a csillapítást és a szóródást). Ha van egy tökéletes illeszkedés a terhelésnél, és

Átviteli funkció

hol van a megszakadt áramkör (vagy terheletlen) kimeneti feszültség a forrásból.

Ne feledje, hogy ha mindkét végén tökéletes a találat

és

és akkor

.

Elektromos példák

Telefon rendszerek

A telefonos rendszerek egyeztetett impedanciákat is alkalmaznak a távolsági vonalak visszhangjának minimalizálása érdekében. Ez összefügg a távvezeték-elmélettel. Az illesztés lehetővé teszi a telefon hibrid tekercs (2–4 vezetékes átalakítás) megfelelő működését is. Mivel a jeleket ugyanazon a kétvezetékes áramkörön küldi és fogadja a központi iroda (vagy központ), a telefon fülhallgatójánál törölni kell, így nem hallható túlzott mellékhang . A telefonjellemzőkben használt összes eszköz általában az illesztett kábeltől, a forrás és a terhelés impedanciáitól függ. A helyi hurokban a választott impedancia 600 ohm (névleges). A végpontos hálózatokat a központban telepítik, hogy az előfizetői vonalaiknak a lehető legjobban megfeleljenek. Minden országnak megvan a saját szabványa ezekre a hálózatokra, de mindegyiket úgy tervezték, hogy a hangfrekvenciasávon kb .

Hangszóró erősítők

Az erősítő és a hangszóró vázlatos rajza két csővel és egy impedancia-illesztő transzformátorral
Tipikus push-pull audio cső erősítő, hangszóróhoz illesztve, impedanciának megfelelő transzformátorral

Az audioerősítők általában nem egyeznek az impedanciákkal, de a kimeneti impedanciát alacsonyabbak, mint a terhelési impedancia (például <0,1 ohm a tipikus félvezető erősítőkben) a hangszóró jobb csillapítása érdekében . A vákuumcsöves erősítőknél az impedanciát váltó transzformátorokat gyakran használják az alacsony kimeneti impedancia eléréséhez, és az erősítő teljesítményének jobb összehangolásához a terhelés impedanciájához. Néhány csöves erősítő rendelkezik kimeneti transzformátor csapokkal, hogy az erősítő kimenetét a hangszóró tipikus impedanciáihoz igazítsa.

A kimeneti transzformátor a vákuum-csőben -alapú erősítők két alapvető funkciók:

A transzformátor szekunder tekercsén lévő hangszóró impedanciája a primer tekercs nagyobb impedanciájává alakul át a teljesítménypentódok áramkörében a fordulatszám négyzetével , amely az impedancia méretezési tényezőt képezi .

A kimeneti fokozat MOSFET-ekkel vagy teljesítménytranzisztorokkal ellátott közös lefolyású vagy közös kollektoros félvezető-alapú végfokokban nagyon alacsony kimeneti impedanciával rendelkezik. Ha ezek megfelelően kiegyensúlyozottak, nincs szükség transzformátorra vagy nagy elektrolit kondenzátorra, amely elválasztja az AC-t az egyenáramtól.

Nem elektromos példák

Akusztika

Az elektromos távvezetékekhez hasonlóan impedanciaillesztési probléma áll fenn, amikor a hangenergiát egyik közegből a másikba továbbítják. Ha a két közeg akusztikai impedanciája nagyon különbözik, akkor a legtöbb hang visszaverődik (vagy elnyelődik), ahelyett, hogy átkerülne a határon. Az orvosi ultrahangvizsgálaton használt gél segít az akusztikus energia átvitelében a jelátalakítóból a testbe és vissza. Gél nélkül az impedancia eltérése a jelátalakító-levegő és a levegő-test közötti folytonosságban szinte az összes energiát visszatükrözi, és nagyon keveset hagy a testbe.

A középfülben lévő csontok impedanciaillesztést biztosítanak a dobhártya (amelyre a levegőben lévő rezgések hatnak) és a folyadékkal töltött belső fül között.

A hangszórórendszerben lévő kürtöket úgy használják, mint az elektromos áramkörök transzformátorait, hogy az átalakító impedanciáját a levegő impedanciájához illesszék. Ezt az elvet mind a kürt hangszórókban , mind a hangszerekben alkalmazzák. Mivel a legtöbb vezetői impedancia rosszul illeszkedik a szabad levegő impedanciájához alacsony frekvenciákon, a hangszóróházakat úgy tervezték, hogy egyezzenek az impedanciával, és minimalizálják a hangszórókúp elülső és hátsó kimenete közötti pusztító fázistöréseket. A hangszóróból a levegőben előállított hang erőssége közvetlenül összefügg a hangszóró átmérőjének és az előállított hang hullámhosszának arányával: a nagyobb hangszórók alacsonyabb frekvenciákat képesek magasabb szinten produkálni, mint a kisebb hangszórók. Az ellipszis hangszórók egy összetett eset, amely úgy működik, mint a nagy hangszórók hosszában és a kis hangszórók keresztben. Az akusztikus impedancia illesztése (vagy annak hiánya) befolyásolja a megafon , a visszhang és a hangszigetelés működését .

Optika

Hasonló hatás akkor következik be, amikor a fény (vagy bármilyen elektromágneses hullám) két különböző törésmutatójú közeg interfészét éri . Nem mágneses anyagok esetében a törésmutató fordítottan arányos az anyag jellemző impedanciájával. Minden közegre kiszámítható egy optikai vagy hullámimpedancia (amely a terjedési iránytól függ), és felhasználható a távvezeték reflexiós egyenletében

az interfész reflexiós és átviteli együtthatóinak kiszámításához. A nem mágneses dielektrikumok esetében ez az egyenérték egyenértékű a Fresnel-egyenletekkel . A nem kívánt visszaverődések visszaverődésgátló optikai bevonattal csökkenthetők .

Mechanika

Ha egy m tömegű test rugalmasan ütközik egy második testtel, akkor a maximális energiaátadás a második testre akkor következik be, ha a második testnek ugyanaz az m tömege . Egyenlő tömegű frontális ütközés esetén az első test energiája teljesen átkerül a második testbe (mint például Newton bölcsőjében ). Ebben az esetben a tömegek "mechanikus impedanciákként" működnek, amelyeket meg kell egyezni. Ha és a tömegek a mozgó és álló szervek, és P jelentése a lendület a rendszert (amely állandó marad az ütközés), az energia a második test az ütközés után lesz E 2 :

amely analóg az energiaátviteli egyenlettel.

Ezek az elvek hasznosak a nagy energiájú anyagok (robbanóanyagok) alkalmazásában. Ha egy célpontra robbanótöltetet helyeznek, az energia hirtelen felszabadulása azt eredményezi, hogy a kompressziós hullámok sugárirányban terjednek át a célponton a pont-töltés kontaktusból. Amikor a kompressziós hullámok eljutnak a nagy akusztikai impedancia eltérésű területekre (például a cél másik oldalára), a feszültség hullámai visszaverődnek és hézagot hoznak létre . Minél nagyobb az eltérés, annál nagyobb lesz a gyűrődés és a spalling hatása. Egy olyan fal ellen indított töltés, amelynek levegője van a háta mögött, nagyobb kárt okoz a falban, mint egy olyan fal, amelyet a mögötti talajjal indítottak.

Lásd még

Megjegyzések

Hivatkozások

Külső linkek