Impedancia nominal

La impedancia nominal en ingeniería eléctrica e ingeniería de audio se refiere a la impedancia de diseño aproximada de un circuito o dispositivo eléctrico. El término se aplica en varios campos diferentes, y se utiliza con mayor frecuencia en relación con:

• El valor nominal de la impedancia característica de un cable u otra forma de línea de transmisión .
• Valor nominal de la impedancia de entrada , salida o imagen de un puerto de una red, especialmente una red destinada a utilizarse con una línea de transmisión, como filtros , ecualizadores y amplificadores .
• El valor nominal de la impedancia de entrada de una antena de radiofrecuencia

La impedancia real puede variar considerablemente de la nominal con los cambios de frecuencia. En el caso de cables y otras líneas de transmisión , también hay variación a lo largo del cable, si no está correctamente terminado.

Es una práctica habitual hablar de impedancia nominal como si fuera una resistencia constante, ^[1] es decir, que es invariante con la frecuencia y tiene un componente reactivo cero , a pesar de que esto a menudo está lejos de ser el caso. Dependiendo del campo de aplicación, la impedancia nominal se refiere implícitamente a un punto específico en la respuesta de frecuencia del circuito en consideración. Este puede ser a baja frecuencia, banda media o algún otro punto y las aplicaciones específicas se analizan en las secciones siguientes. ^[2]

En la mayoría de las aplicaciones, hay una serie de valores de impedancia nominal que se reconocen como estándar. A la impedancia nominal de un componente o circuito se le suele asignar uno de estos valores estándar, independientemente de si la impedancia medida corresponde exactamente a él. Al elemento se le asigna el valor estándar más cercano.

La impedancia nominal comenzó a especificarse en los primeros días de las telecomunicaciones . Al principio, no había amplificadores disponibles y, cuando lo estuvieron, eran caros. Por lo tanto, era necesario lograr la máxima transferencia de potencia desde el cable en el extremo receptor para maximizar las longitudes de cables que se podían instalar. También se hizo evidente que las reflexiones en la línea de transmisión limitarían severamente el ancho de banda que se podía utilizar o la distancia que era factible transmitir. La adaptación de la impedancia del equipo a la impedancia característica del cable reduce las reflexiones (y se eliminan por completo si la adaptación es perfecta) y se maximiza la transferencia de potencia. Con este fin, todos los cables y equipos comenzaron a especificarse con una impedancia nominal estándar. El estándar más antiguo, y todavía el más extendido, es 600  Ω , utilizado originalmente para telefonía . La elección de esta cifra tuvo más que ver con la forma en que los teléfonos se interconectaban con la central local que con cualquier característica del cable telefónico local. Los teléfonos ( teléfonos analógicos de estilo antiguo ) se conectan a la central mediante cableado de par trenzado. Cada extremo del par está conectado a una bobina de relé que detecta la señalización en la línea ( marcación , auricular descolgado, etc.). El otro extremo de una bobina está conectado a una tensión de alimentación y la segunda bobina está conectada a tierra. Una bobina de relé de central telefónica tiene alrededor de 300 Ω, por lo que las dos juntas terminan la línea en 600 Ω. ^[3]

El cableado hasta el abonado en las redes telefónicas se realiza generalmente con cable de par trenzado. Su impedancia en frecuencias de audio, y especialmente en las frecuencias más restringidas de la banda telefónica, está lejos de ser constante. Es posible fabricar este tipo de cable para que tenga una impedancia característica de 600 Ω, pero solo será este valor en una frecuencia específica. Esto podría citarse como una impedancia nominal de 600 Ω a 800 Hz o 1 kHz. Por debajo de esta frecuencia, la impedancia característica aumenta rápidamente y se vuelve cada vez más dominada por la resistencia óhmica del cable a medida que la frecuencia cae. En la parte inferior de la banda de audio, la impedancia puede ser de varias decenas de kiloohmios. Por otro lado, a alta frecuencia en la región de MHz, la impedancia característica se estabiliza hasta algo casi constante. La razón de esta respuesta radica en las constantes de línea primarias . ^[4]

Las redes de área local (LAN) suelen utilizar un tipo similar de cable de par trenzado, pero blindado y fabricado con tolerancias más estrictas que las necesarias para la telefonía. Aunque tiene una impedancia muy similar a la del cable telefónico, la impedancia nominal está clasificada en 100 Ω. Esto se debe a que los datos de la LAN se encuentran en una banda de frecuencia más alta donde la impedancia característica es sustancialmente plana y mayormente resistiva. ^[4]

La estandarización de la impedancia nominal de la línea condujo a que las redes de dos puertos , como los filtros, se diseñaran con una impedancia nominal coincidente. La impedancia nominal de las secciones de filtro T o Pi simétrico de paso bajo (o, de manera más general, las secciones de filtro de imagen ) se define como el límite de la impedancia de imagen del filtro a medida que la frecuencia se acerca a cero y se expresa mediante:

${\displaystyle Z_{\mathrm {nom} }={\sqrt {\frac {L}{C}}}}$

donde L y C son como se definen en el filtro k constante . Esta impedancia es puramente resistiva. Este filtro, cuando se transforma en un filtro de paso de banda , tendrá una impedancia igual a la impedancia nominal en resonancia en lugar de a baja frecuencia. Esta impedancia nominal de los filtros generalmente será la misma que la impedancia nominal del circuito o cable en el que está funcionando el filtro. ^[5]

Si bien 600 Ω es un estándar casi universal en telefonía para presentaciones locales en las instalaciones del cliente desde la central, para la transmisión de larga distancia en líneas troncales entre centrales se utilizan otras impedancias nominales estándar y generalmente son más bajas, como 150 Ω. ^[6]

En el campo de la ingeniería de radiofrecuencia (RF) y microondas , el estándar de línea de transmisión más común es, con diferencia, el cable coaxial (coax) de 50 Ω, que es una línea desequilibrada . 50 Ω surgió por primera vez como una impedancia nominal durante el trabajo de la Segunda Guerra Mundial en el radar y es un compromiso entre dos requisitos. Este estándar fue el trabajo del Comité de coordinación de cables de RF conjunto del Ejército y la Marina de los EE. UU. en tiempos de guerra. El primer requisito es la pérdida mínima. La pérdida del cable coaxial está dada por,

${\displaystyle \alpha \approx {\frac {R}{2Z_{0}}}}$ neperios /metro

donde R es la resistencia de bucle por metro y Z ₀ es la impedancia característica. Al aumentar el diámetro del conductor interior, se reducirá R y al reducir R se reducirá la pérdida. Por otro lado, Z ₀ depende de la relación entre los diámetros de los conductores exterior e interior ( D _r ) y disminuirá con el aumento del diámetro del conductor interior, aumentando así la pérdida. Hay un valor específico de D _r para el cual la pérdida es mínima, que resulta ser 3,6. Para un cable coaxial dieléctrico de aire , esto corresponde a una impedancia característica de 77 Ω. El cable coaxial producido durante la guerra ^{[ ¿cuál? ]} era un tubo rígido aislado con aire, y esto siguió siendo así durante algún tiempo después. El segundo requisito es el manejo de máxima potencia y fue un requisito importante para el radar. Esta no es la misma condición que la pérdida mínima, porque el manejo de potencia suele estar limitado por la tensión de ruptura del dieléctrico. Sin embargo, existe un compromiso similar en términos de la relación de los diámetros de los conductores. Si el conductor interno es demasiado grande, se obtiene un aislante delgado que se rompe a un voltaje más bajo. Por otro lado, si el conductor interno es demasiado pequeño, se genera una mayor intensidad de campo eléctrico cerca del conductor interno (porque la misma energía de campo se acumula alrededor de una superficie conductora más pequeña) y nuevamente se reduce el voltaje de ruptura. La relación ideal, D _r , para el manejo de potencia máxima, es 1,65 y corresponde a una impedancia característica de 30 Ω en el aire. La impedancia de 50 Ω es la media geométrica de estas dos cifras;

${\displaystyle 50\approx {\sqrt {30\times 77}}\mathrm {\ } \Omega }$

y luego redondear a un número entero conveniente. ^{[7] [8]}

La producción de cables coaxiales durante la guerra, y durante un período posterior, tendió a utilizar tamaños de tuberías de plomería estándar para el conductor externo y tamaños AWG estándar para el conductor interno. Esto dio como resultado un cable coaxial que era casi, pero no exactamente, de 50 Ω. La adaptación es un requisito mucho más crítico en las frecuencias de radio que en las frecuencias de voz, por lo que cuando el cable comenzó a estar disponible, ese era realmente de 50 Ω y surgió la necesidad de circuitos de adaptación para interconectar los nuevos cables con el equipo heredado, como la extraña red de adaptación de 51,5 Ω a 50 Ω. ^{[8] [9]}

Si bien el cable de 30 Ω es muy deseable por sus capacidades de manejo de potencia, nunca se ha producido comercialmente porque el gran tamaño del conductor interno dificulta su fabricación. Este no es el caso del cable de 77 Ω. El cable con una impedancia nominal de 75 Ω se ha utilizado desde un período temprano en telecomunicaciones por su característica de baja pérdida. Según Stephen Lampen de Belden Wire & Cable, se eligió 75 Ω como la impedancia nominal en lugar de 77 Ω porque correspondía a un tamaño de cable AWG estándar para el conductor interno. Para los cables y las interfaces de video coaxial, 75 Ω es ahora la impedancia nominal estándar casi universal. ^{[8] [10]}

La idea generalizada de que las impedancias nominales de cable de 50 Ω y 75 Ω surgieron en relación con la impedancia de entrada de varias antenas es un mito. Varias antenas comunes se adaptan fácilmente a cables con estas impedancias nominales. ^{[7] Un} monopolo de un cuarto de longitud de onda en el espacio libre tiene una impedancia de 36,5 Ω, ^[11] y un dipolo de media longitud de onda en el espacio libre tiene una impedancia de 72 Ω. ^{[12] Por otro lado, un} dipolo plegado de media longitud de onda , que se ve comúnmente en las antenas de televisión, tiene una impedancia de 288 Ω, cuatro veces la de un dipolo de línea recta.1/2⁠  λ  dipolo y el ⁠1/2 Se considera comúnmente que los dipolos plegados λ tienen impedancias nominales de 75 Ω y 300 Ω, respectivamente. [ ^13]

La impedancia del punto de alimentación de una antena instalada varía por encima y por debajo del valor indicado, dependiendo de su altura de instalación sobre el suelo y de las propiedades eléctricas de la tierra circundante. ^{[14] [15]}

Una medida de la calidad de la fabricación e instalación de cables es la fidelidad con la que la impedancia característica se adhiere a la impedancia nominal a lo largo de su longitud. Los cambios de impedancia pueden ser causados ​​por variaciones en la geometría a lo largo de la longitud del cable. A su vez, estos pueden ser causados ​​por un proceso de fabricación defectuoso o por una instalación defectuosa, como no respetar los límites en los radios de curvatura . Desafortunadamente, no existe un método fácil y no destructivo para medir directamente la impedancia a lo largo de la longitud de un cable. Sin embargo, se puede indicar indirectamente midiendo las reflexiones, es decir, la pérdida de retorno . La pérdida de retorno por sí sola no revela mucho, ya que el diseño del cable tendrá alguna pérdida de retorno intrínseca de todos modos debido a que no tiene una impedancia característica puramente resistiva. La técnica utilizada es ajustar cuidadosamente la terminación del cable para obtener una coincidencia lo más cercana posible y luego medir la variación de la pérdida de retorno con la frecuencia. La pérdida de retorno mínima medida de esta manera se denomina pérdida de retorno estructural (SRL). La SRL es una medida de la adherencia de un cable a su impedancia nominal, pero no es una correspondencia directa, ya que los errores más alejados del generador tienen menos efecto en la SRL que los que se producen cerca de él. La medición también debe realizarse en todas las frecuencias dentro de la banda para que sea significativa. La razón de esto es que los errores igualmente espaciados introducidos por el proceso de fabricación se cancelarán y serán invisibles, o al menos se reducirán mucho, en ciertas frecuencias debido a la acción del transformador de impedancia de cuarto de onda . ^{[16] [17]}

En la mayoría de los casos, los sistemas de audio, tanto profesionales como domésticos, tienen sus componentes interconectados con salidas de baja impedancia conectadas a entradas de alta impedancia. Estas impedancias están mal definidas y no se suelen asignar impedancias nominales para este tipo de conexión. Las impedancias exactas hacen poca diferencia en el rendimiento siempre que la última sea mucho mayor que la primera. ^[18] Este es un esquema de interconexión común, no solo para audio, sino para unidades electrónicas en general que forman parte de un equipo más grande o solo están conectadas a una corta distancia. Cuando es necesario transmitir audio a grandes distancias, lo que suele ser el caso en la ingeniería de transmisión , las consideraciones de adaptación y reflexiones dictan que se utilice un estándar de telecomunicaciones, lo que normalmente significaría utilizar una impedancia nominal de 600 Ω, aunque a veces se encuentran otros estándares, como enviar a 75 Ω y recibir a 600 Ω, que tiene ventajas de ancho de banda. La impedancia nominal de la línea de transmisión y de los amplificadores y ecualizadores en la cadena de transmisión será la misma. ^[6]

Sin embargo, la impedancia nominal se utiliza para caracterizar los transductores de un sistema de audio, como sus micrófonos y altavoces. Es importante que estén conectados a un circuito capaz de manejar impedancias en el rango apropiado y asignar una impedancia nominal es una forma conveniente de determinar rápidamente las posibles incompatibilidades. Los altavoces y los micrófonos se tratan en secciones separadas a continuación.

Las impedancias de los altavoces se mantienen relativamente bajas en comparación con otros componentes de audio, de modo que se pueda transmitir la potencia de audio requerida sin utilizar voltajes inconvenientemente (y peligrosamente) altos. La impedancia nominal más común para altavoces es de 8 Ω. También se utilizan 4 Ω y 16 Ω. ^{[20] La antiguamente común impedancia de 16 Ω ahora se reserva principalmente para} controladores de compresión de alta frecuencia , ya que el extremo de alta frecuencia del espectro de audio no suele requerir tanta potencia para reproducirse. ^[21]

La impedancia de un altavoz no es constante en todas las frecuencias. En un altavoz típico, la impedancia aumentará con el aumento de la frecuencia desde su valor de CC , como se muestra en el diagrama, hasta que alcanza un punto de su resonancia mecánica. Después de la resonancia, la impedancia cae a un mínimo y luego comienza a aumentar de nuevo. ^[22] Los altavoces suelen estar diseñados para funcionar a frecuencias superiores a su resonancia y, por esta razón, la práctica habitual es definir la impedancia nominal en este mínimo y luego redondear al valor estándar más cercano. ^{[23] [24]} La relación entre la frecuencia de resonancia pico y la impedancia nominal puede ser de hasta 4:1. ^[25] Sin embargo, sigue siendo perfectamente posible que la impedancia de baja frecuencia sea en realidad inferior a la impedancia nominal. ^[19] Un amplificador de audio determinado puede no ser capaz de manejar esta impedancia de baja frecuencia aunque sea capaz de manejar la impedancia nominal, un problema que se puede resolver ya sea con el uso de filtros de cruce o subestimando el amplificador suministrado. ^[26]

En la época de las válvulas ( tubos de vacío ), la mayoría de los altavoces tenían una impedancia nominal de 16 Ω. Las salidas de las válvulas requieren un transformador de salida para adaptar la impedancia y el voltaje de salida muy altos de las válvulas de salida a esta impedancia más baja. Estos transformadores se tomaban comúnmente para permitir la adaptación de la salida a una configuración de múltiples altavoces. Por ejemplo, dos altavoces de 16 Ω en paralelo darán una impedancia de 8 Ω. Desde la llegada de los amplificadores de estado sólido cuyas salidas no requieren transformador, las salidas de impedancia múltiple, que alguna vez fueron comunes, se han vuelto raras y los altavoces de impedancia más baja son más comunes. La impedancia nominal más común para un solo altavoz ahora es de 8 Ω. La mayoría de los amplificadores de estado sólido están diseñados para funcionar con combinaciones de altavoces de cualquier valor entre 4 Ω y 8 Ω. ^[27]

Existe una gran cantidad de tipos diferentes de micrófonos y, en consecuencia, existen grandes diferencias de impedancia entre ellos. Van desde la impedancia muy baja de los micrófonos de cinta (puede ser inferior a un ohmio) hasta la impedancia muy alta de los micrófonos piezoeléctricos, que se miden en megaohmios. La Electronic Industries Alliance (EIA) ha definido ^[28] una serie de impedancias nominales de micrófonos estándar para facilitar la categorización de los micrófonos. ^[29]

La Comisión Electrotécnica Internacional define un conjunto similar de impedancias nominales, pero también tiene una clasificación más burda de impedancias bajas (menos de 600 Ω), medias (600 Ω a 10 kΩ) y altas (más de 10 kΩ). ^{[30] [ verificación fallida ]}

Las entradas de los osciloscopios suelen tener una impedancia alta, de modo que solo afectan mínimamente al circuito que se está midiendo cuando se conectan. Sin embargo, la impedancia de entrada se establece en un valor nominal específico, en lugar de arbitrariamente alto, debido al uso común de sondas X10 . Un valor común para la impedancia nominal del osciloscopio es una resistencia de 1 MΩ y una capacitancia de 20  pF . ^[31] Con una impedancia de entrada conocida al osciloscopio, el diseñador de la sonda puede garantizar que la impedancia de entrada de la sonda sea exactamente diez veces esta cifra (en realidad, la impedancia del osciloscopio más el cable de la sonda). Dado que la impedancia incluye la capacitancia de entrada y la sonda es un circuito divisor de impedancia, el resultado es que la forma de onda que se está midiendo no está distorsionada por el circuito RC formado por la resistencia de la sonda y la capacitancia de la entrada (o la capacitancia del cable, que generalmente es mayor). ^{[32] [33]}

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