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 es 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 extraer corriente. La red de fuente es la parte de la red que transmite energía y la red de carga es la parte de la red que consume energía.

Si la red de carga se sustituyera 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. Por lo tanto, la tensión y la corriente a través de los terminales de entrada serían idénticas a las de 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 Thévenin de la red eléctrica utiliza el concepto de impedancia de entrada para determinar la impedancia del circuito equivalente.

Si uno fuera a crear un circuito con propiedades equivalentes a través de 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.

Los valores de la impedancia de entrada y de salida se utilizan a menudo para evaluar la eficiencia eléctrica de las redes, dividiéndolas en varias 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,

${\displaystyle Z_{entrada}\gg Z_{salida}}$(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 accionamiento (fuente).

En los circuitos de corriente alterna 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 respecto a la tensión. Por lo tanto, el producto de la corriente por la tensión es menor de lo que sería si la corriente y la tensión estuvieran en fase. Con fuentes de corriente continua, 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 ideal, una impedancia de salida y una impedancia de entrada, la reactancia de entrada del circuito se puede dimensionar para que sea el negativo 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 fase en la fuente o la carga.

${\displaystyle {\begin{aligned}Z_{in}&=Xj\operatorname {Im} (Z_{out})\\\end{aligned}}}$

La condición de transferencia de potencia máxima establece que, para una fuente dada, se transferirá la potencia máxima cuando la resistencia de la fuente sea igual a la resistencia de la carga y el factor de potencia se corrija cancelando la reactancia. Cuando esto ocurre, se dice que el circuito es complejo conjugado y está adaptado a 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 una eficiencia del 50 %.

La fórmula para el complejo conjugado emparejado es

${\displaystyle {\begin{aligned}Z_{entrada}&=Z_{salida}^{*}\\&=\left\vert Z_{salida}\right\vert e^{-j\Theta _{salida}}\\&=\operatorname {Re} (Z_{salida})-j\operatorname {Im} (Z_{salida}).\\\end{aligned}}}$

Cuando no hay componente reactivo esta ecuación se simplifica a que la parte imaginaria de es cero.${\displaystyle Z_{in}=Z_{out}}$${\displaystyle Z_{salida}}$

Cuando la impedancia característica de una línea de transmisión , , no coincide con la impedancia de la red de carga, , la red de carga reflejará parte de la señal de la fuente. Esto puede crear ondas estacionarias en la línea de transmisión. Para minimizar las reflexiones, la impedancia característica de la línea de transmisión y la impedancia del circuito de carga deben ser iguales (o "coincidentes"). Si la impedancia coincide, la conexión se conoce como conexión coincidente y el proceso de corregir un desajuste de impedancia se denomina coincidencia de impedancia . Dado que la impedancia característica de una línea de transmisión homogénea se basa solo en la geometría y, por lo tanto, es constante, y la impedancia de carga se puede medir de forma independiente, la condición de coincidencia se mantiene independientemente de la ubicación de la carga (antes o después de la línea de transmisión).${\displaystyle Z_{línea}}$${\displaystyle Z_{in}}$

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

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. A menudo se utilizan seguidores de voltaje o transformadores de adaptación de impedancia para estos efectos.

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

Las reflexiones de señal causadas por un desajuste de impedancia al final de una línea de transmisión pueden generar distorsión y posibles daños en los circuitos de control.

En los circuitos de video analógico, la falta de coincidencia de impedancia puede provocar "imágenes fantasma", en las que 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 video HD, los reflejos provocan interferencias y pueden dañar la señal.

Las ondas estacionarias creadas por el desajuste son regiones periódicas de voltaje más alto que lo normal. Si este voltaje excede la resistencia de ruptura dieléctrica del material aislante de la línea, se producirá un arco . Esto, a su vez, puede causar 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 potencia ^{[ aclaración necesaria ]} para los sistemas de potencia de radiofrecuencia, los circuitos deben ser conjugados complejos y adaptados a lo largo de toda la cadena de potencia, desde la salida del transmisor , pasando por la línea de transmisión (un par balanceado, un cable coaxial o una guía de ondas), hasta el sistema de antena , que consta de un dispositivo de adaptación de impedancia y el o los elementos radiantes.

• Impedancia de salida
• Factor de amortiguamiento
• Divisor de voltaje
• Carga ficticia

• El arte de la electrónica , Winfield Hill, Paul Horowitz, Cambridge University Press, ISBN  0-521-37095-7
• "Impedancia de entrada aórtica en el hombre normal: relación con las formas de onda de presión", JP Murgo, N Westerhof, JP Giolma, SA Altobelli pdf
• Una excelente introducción a la importancia de la impedancia y la adaptación de impedancia se puede encontrar en A practical introduction to electronic circuits , MH Jones, Cambridge University Press, ISBN 0-521-31312-0 

• Cálculo del factor de amortiguamiento y amortiguamiento del puente de impedancia
• Interconexión de dos unidades de audio - Impedancia de entrada e impedancia de salida
• Impedancia y reactancia
• Medición de impedancia de entrada