¿Qué es la correspondencia de impedancia? Necesito más que el teorema de transferencia de potencia máxima. ¿Qué es una analogía?

Answer 1

Lo siguiente se extrajo de un curso de capacitación que impartí a una clase de técnicos de servicio hace muchos años. Utiliza una analogía de la cuerda que puede ayudarlo a comprender la coincidencia de impedancias.

Comportamiento de alta frecuencia de cables

Además del efecto de la piel, los cables (conjuntos de conductores) exhiben efectos inductivos y capacitivos. Existe un campo magnético entre los dos conductores cuando fluye corriente. También existe un campo eléctrico entre los dos conductores.

Por lo tanto, es posible tratar un cable como si fuera un número de pequeños inductores y condensadores conectados en serie / paralelo. Esto se muestra en la Figura 1.

Figura 1: impedancia característica de un cable

Esta impedancia característica puede calcularse a partir de la geometría del cable y la constante dieléctrica de los materiales aislantes utilizados. Las impedancias características típicas con las que puede estar familiarizado son 50 y 75 ohmios para cables coaxiales, y 300 ohmios para el cable de “escalera” que a veces se usa en los cables de entrada de antena de TV.

Impedancia a juego

Es importante que la transmisión de señal de alta frecuencia coincida con la impedancia del cable y los dispositivos conectados a él.

Si la impedancia de la línea de transmisión no es la misma que la impedancia de la carga, las señales que se propagan a través de la línea solo serán parcialmente absorbidas por la carga. El resto de la señal se reflejará en la dirección de donde vino. Esto es malo: representa una transferencia de energía ineficiente. Para deshacerse del problema, emplee la correspondencia de impedancia.

La figura 2 muestra un esquema de una línea de transmisión de una impedancia conectada a una carga (u otro cable) de otra impedancia.

Figura 2: Línea de transmisión conectada a la carga

Impedancias inigualables

Para tener una idea de los efectos de una correspondencia de impedancia incorrecta, puede ser útil considerar la analogía de una unión en dos cuerdas. Si las cuerdas no coinciden, una ligera y otra pesada, y se transmite un pulso por la cuerda, se reflejará el pulso en la unión de las cuerdas.

Figura 3: Analogía de la cuerda para impedancias inigualables: carga de alta impedancia

Aquí una cuerda ligera está conectada a una cuerda pesada. Ponga un pulso en la cuerda ligera (que representa la línea de transmisión) y en la interfaz entre las dos cuerdas suceden dos cosas:

El pulso pasa a la cuerda pesada, pero se puede ver un reflejo. Tenga en cuenta que la reflexión está “invertida” en comparación con el pulso incidente. Hay transferencia de energía ineficiente entre las cuerdas.

Figura 4: Analogía de la cuerda para impedancias inigualables: carga de baja impedancia

Aquí una cuerda pesada está conectada a una cuerda ligera. El pulso pasa a la cuerda ligera, pero una vez más, se produce un reflejo. Tenga en cuenta que la reflexión NO está invertida. Hay transferencia de energía ineficiente entre las cuerdas.

Figura 5: Analogía de cuerdas para impedancias coincidentes

Conectar una línea de transmisión y una carga de impedancias iguales juntas es como conectar dos cuerdas juntas de tamaños y densidades similares. El pulso viajará a través de la unión en las cuerdas, y no hay reflejo, cambio de longitud de onda o cambio de amplitud. Por lo tanto, la transferencia de potencia es suave y eficiente.

Answer 2

Un brillante ejemplo se dio en uno de mis primeros cursos de ingeniería con una pecera, un palo y una luz de flash. El agua tiene una impedancia característica diferente que el aire. Al insertar el palo en el agua hasta la mitad, el palo parece estar doblado cuando se ve desde la mayoría de los ángulos. Por supuesto, el palo no está doblado, pero la luz es tal como se mueve de un medio al siguiente a través de las transiciones de impedancia. La luz del flash ayudó a ilustrar otra característica importante cuando brilló a través de la superficie del agua en ciertos ángulos. Se podía ver que parte de la luz penetraba en la superficie, y parte de la luz se reflejaba en la superficie. La falta de coincidencia en el medio hizo que se reflejara parte de la energía, de forma similar a cómo una impedancia no coincidente hará que parte de la energía se refleje de nuevo en la línea de transmisión. La coincidencia de impedancia es asegurarse de que el medio con el que está trabajando tenga las mismas características que el medio al que necesita transferir energía. Si necesita TODA la energía de la linterna para ir al agua, ¡entonces coloque la linterna en el agua! (Y sí, sé que hay fallas en el ejemplo, pero al igual que las superficies sin fricción, las simplificaciones excesivas pueden ayudar al alumno a obtener lo básico).

Answer 3

Es difícil encontrar analogías que una persona laica pueda entender para algo como la correspondencia de impedancia. El comportamiento de las olas es algo difícil de entender cuando no estás acostumbrado a trabajar con ellas todo el tiempo.

Podemos comenzar con agua.

Si empuja un poco de agua, el agua al lado tiene cierta masa e inercia. Pensando en la tercera ley de Newton, sabemos que la segunda parte del agua proporciona una fuerza de reacción si la primera parte la empuja. Esto continúa en la dirección en que se mueve la ola. Cada pedacito de agua siente el mismo tipo de inercia del agua que lo rodea. Esta inercia es como una impedancia característica en un circuito eléctrico.

Si llegamos a un lugar donde la inercia del agua fuera diferente, digamos que cambió a petróleo, el retroceso sería diferente. Es difícil explicar por qué, pero esto es como una diferencia en la impedancia característica. Lo que vemos que sucede en este momento es que parte de esta ola se refleja hacia atrás y parte continúa hacia adelante, pero no toda. Entonces, no toda la energía se acaba.

Ahora, si pudiéramos poner algo en ese lugar, en lugar de agua, pero que actuó exactamente como el agua, podríamos evitar un reflejo y sacar toda la energía al final. Esto sería como una impedancia para igualar la carga.

Sin embargo, digamos que no teníamos otra opción y que teníamos que entregar toda esa energía al petróleo. Lo que tendríamos que hacer es encontrar algo que podamos poner en el límite para que el petróleo se vea como el agua. No puedo describir con precisión qué podría ser eso, pero supongamos que colocamos una membrana que tiene mucho peso para que el aceite ahora parezca tan pesado como el agua. Esa podría ser una analogía débil de un dispositivo de adaptación de impedancia. De alguna manera, tenemos que hacer que la nueva carga se vea exactamente como si fuera más agua de la misma edad. Responde de la misma manera a un impulso y proporciona el mismo retroceso reactivo.

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Answer 4

La adaptación de impedancia es simplemente hacer que la impedancia de salida del amplificador, usando inductores y condensadores, sea igual al conjugado de la impedancia de carga a la frecuencia de operación. Fuera de la frecuencia de operación, habrá una falta de coincidencia. Cuanto más te alejes de la frecuencia de operación, más desajustes tendrás. Cuando tienes una combinación perfecta, la mejor transferencia de potencia que puedes lograr es del 50%.

Answer 5

Si envía una ola en un medio, cuando llega a un límite, se reflejará en usted. Esto puede ser cualquier ola, una ola en agua, aire, metales y cables eléctricos.

Si está intentando pasar una señal por un cable eléctrico, ese rebote de ida y vuelta distorsiona la señal hasta el punto de que no se puede usar. El truco consiste en absorber la energía de la onda en el otro extremo para que no tenga energía para reflejar nada.

Para hacerlo, debe hacerlo de modo que las características eléctricas del extremo del cable sean idénticas al cable en sí. Para la ola, si no tiene un cambio en la impedancia, no tendrá nada en qué reflexionar. De ahí la “impedancia correspondiente”.

Answer 6

Es un poco como estar en la marcha correcta en un vehículo. Si está tratando de subir una colina lo más rápido posible, una velocidad demasiado baja le permitirá moverse, pero solo lentamente. Un engranaje demasiado alto y no puede moverse en absoluto. Adapte el engranaje a la necesidad y podrá subir la colina mejor, utilizando la potencia disponible de manera óptima.

Hay muchos diccionarios en línea que definirán la “analogía” para usted.