La impedancia nominal en ingeniería eléctrica e ingeniería de audio se refiere a la impedancia diseñada aproximada de un circuito o dispositivo eléctrico. El término se aplica en varios campos diferentes, y se encuentra con mayor frecuencia con respecto a:
La impedancia real puede variar considerablemente de la cifra nominal con cambios de frecuencia. En el caso de cables y otras líneas de transmisión , también existe variación a lo largo del largo del cable, si este no está correctamente terminado.
Es una práctica habitual hablar de impedancia nominal como si fuera una resistencia constante [1] , es decir, es invariante con la frecuencia y tiene componente reactiva nula , aunque muchas veces esto no es así. Dependiendo del campo de aplicación, la impedancia nominal se refiere implícitamente a un punto específico de la respuesta de frecuencia del circuito considerado. Esto puede ser en 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 a menudo se le asigna uno de estos valores estándar, independientemente de si la impedancia medida corresponde exactamente a él. Al artículo se le asigna el valor estándar más cercano.
La impedancia nominal comenzó a especificarse en los primeros días de las telecomunicaciones . Al principio, los amplificadores no estaban disponibles y, cuando estuvieron disponibles, eran caros. En consecuencia, era necesario lograr la máxima transferencia de energía desde el cable en el extremo receptor para maximizar las longitudes de los cables que podían instalarse. También se hizo evidente que las reflexiones en la línea de transmisión limitarían severamente el ancho de banda que podría usarse o la distancia a la que era posible transmitir. Hacer coincidir la impedancia del equipo con la impedancia característica del cable reduce los reflejos (y se eliminan por completo si la combinación es perfecta) y se maximiza la transferencia de energía. 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 el de 600 Ω , utilizado originalmente para telefonía . La elección de esta cifra tuvo más que ver con la forma en que los teléfonos estaban conectados a 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 tramo del par está conectado a una bobina de relé que detecta la señalización en la línea ( marcación , descolgado del auricular , etc.). El otro extremo de una bobina está conectado a una tensión de alimentación y la segunda bobina está conectada a tierra. La bobina de un relé de una central telefónica tiene alrededor de 300 Ω, por lo que los dos juntos 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 las frecuencias de audio, y especialmente en las frecuencias de la banda telefónica más restringida, está lejos de ser constante. Es posible fabricar este tipo de cable para que tenga una impedancia característica de 600 Ω pero sólo 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 queda 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 aplana hasta llegar a algo casi constante. La razón de esta respuesta radica en las constantes de la línea primaria . [4]
Las redes de área local (LAN) suelen utilizar un tipo similar de cable de par trenzado, pero apantallado y fabricado con tolerancias más estrictas de las necesarias para la telefonía. Aunque tiene una impedancia muy similar a la del cable telefónico, la impedancia nominal es de 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 mayoritariamente resistiva. [4]
La estandarización de la impedancia nominal de la línea llevó al diseño de redes de dos puertos, como filtros, con una impedancia nominal coincidente. La impedancia nominal de las secciones de filtro T o Pi simétricas de paso bajo (o más generalmente, secciones de filtro de imagen ) se define como el límite de la impedancia de la imagen del filtro cuando la frecuencia se acerca a cero y está dada por,
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 en baja frecuencia. Esta impedancia nominal de los filtros generalmente será la misma que la impedancia nominal del circuito o cable en el que está trabajando el filtro. [5]
Mientras que 600 Ω es un estándar casi universal en telefonía para la presentación local 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 que suelen ser inferiores, como 150 Ω. [6]
En el campo de la ingeniería de radiofrecuencia (RF) y microondas , con diferencia el estándar de línea de transmisión más común es el cable coaxial (coaxial) de 50 Ω, que es una línea no balanceada . 50 Ω surgieron por primera vez como una impedancia nominal durante el trabajo en radar de la Segunda Guerra Mundial y es un compromiso entre dos requisitos. Este estándar fue obra del Comité Coordinador de Cables RF conjunto del Ejército y la Armada de EE. UU. en tiempos de guerra. El primer requisito es que la pérdida sea mínima. La pérdida del cable coaxial está dada por,
donde R es la resistencia del bucle por metro y Z 0 es la impedancia característica. Hacer que el diámetro del conductor interno sea más grande disminuirá R y disminuir R disminuye la pérdida. Por otro lado, Z 0 depende de la relación entre los diámetros de los conductores externos e internos ( Dr ) y disminuirá al aumentar el diámetro del conductor interno, aumentando así la pérdida . Existe un valor específico de D r para el cual la pérdida es mínima, que resulta ser 3,6. Para un coaxial dieléctrico de aire , esto corresponde a una impedancia característica de 77 Ω. El coaxial producido durante la guerra [ ¿cuál? ] era una tubería rígida aislada por aire, y así siguió siendo durante algún tiempo después. El segundo requisito es el manejo de potencia máxima y era un requisito importante para el radar. Esta no es la misma condición que la pérdida mínima, porque el manejo de potencia generalmente está limitado por el voltaje de ruptura del dieléctrico. Sin embargo, existe un compromiso similar en cuanto a la relación de los diámetros de los conductores. Hacer que el conductor interno sea demasiado grande da como resultado un aislante delgado que se rompe a un voltaje más bajo. Por otro lado, hacer que el conductor interno sea demasiado pequeño da como resultado una mayor intensidad de campo eléctrico cerca del conductor interno (porque la misma energía de campo se acumula alrededor de una superficie más pequeña del conductor) y nuevamente reduce el voltaje de ruptura. La relación ideal, Dr , 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;
y luego redondear a un número entero conveniente. [7] [8]
La producción de coaxiales en tiempos de guerra, y durante un período posterior, tendió a utilizar tamaños de tubería de plomería estándar para el conductor exterior y tamaños estándar AWG para el conductor interior. Esto resultó en un coaxial que era casi, pero no del todo, 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, en realidad era de 50 Ω y surgió la necesidad de circuitos de adaptación para interconectar los nuevos cables y los equipos antiguos, como el Red de coincidencia bastante extraña 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 energía, nunca ha estado en producción comercial porque el gran tamaño del conductor interno dificulta su fabricación. Este no es el caso del cable de 77 Ω. El cable con impedancia nominal de 75 Ω se ha utilizado desde un período temprano en las telecomunicaciones por su característica de baja pérdida. Según Stephen Lampen de Belden Wire & Cable, se eligió 75 Ω como impedancia nominal en lugar de 77 Ω porque correspondía a un tamaño de cable AWG estándar para el conductor interno. Para interfaces y cables de vídeo coaxiales, 75 Ω es ahora la impedancia nominal estándar casi universal. [8] [10]
La idea generalizada de que las impedancias nominales de los cables 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, comúnmente visto en antenas de televisión, tiene una impedancia de 288 Ω, cuatro veces la de un dipolo en línea recta. el 1/2 λ dipolo y el 1/2 Se suele considerar 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 cotizado, dependiendo de la altura de instalación sobre el suelo y las propiedades eléctricas de la tierra circundante. [14] [15]
Una medida de la calidad de la fabricación e instalación del cable es qué tan cerca se adhiere la impedancia característica a la impedancia nominal a lo largo de su longitud. Los cambios de impedancia pueden deberse a variaciones en la geometría a lo largo de la longitud del cable. A su vez, estos pueden deberse a un proceso de fabricación defectuoso o a una instalación defectuosa, como por ejemplo no respetar los límites de los radios de curvatura . Desafortunadamente, no existe un método sencillo y no destructivo para medir directamente la impedancia a lo largo de un cable. Sin embargo, se puede indicar indirectamente midiendo reflexiones, es decir, 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 consiste en 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 así medida se denomina pérdida de retorno estructural (SRL). 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 SRL que los que están 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 muy reducidos, en ciertas frecuencias debido a la acción del transformador de impedancia de cuarto de onda . [16] [17]
La mayoría de 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 influyen poco en el rendimiento siempre que este último sea muchas veces mayor que el primero. [18] Este es un esquema de interconexión común, no sólo para audio, sino para unidades electrónicas en general que forman parte de un equipo más grande o que solo se conectan a corta distancia. Cuando es necesario transmitir audio a grandes distancias, como suele ser el caso en la ingeniería de radiodifusión , las consideraciones de coincidencia 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 como enviar a 75 Ω y recibir a 600 Ω, lo que tiene ventajas de ancho de banda. La impedancia nominal de la línea de transmisión y de los amplificadores y ecualizadores de la cadena de transmisión serán todas del mismo valor. [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 posibles incompatibilidades. Los altavoces y micrófonos se tratan en secciones separadas a continuación.
Las impedancias de los altavoces se mantienen relativamente bajas en comparación con otros componentes de audio para que la potencia de audio requerida pueda transmitirse sin utilizar voltajes inconvenientes (y peligrosamente) altos. La impedancia nominal más común para los altavoces es de 8 Ω. También se utilizan 4 Ω y 16 Ω. [20] Los 16 Ω, que alguna vez fueron comunes, ahora están reservados principalmente para controladores de compresión de alta frecuencia , ya que el extremo de alta frecuencia del espectro de audio generalmente no requiere tanta potencia para reproducirse. [21]
La impedancia de un altavoz no es constante en todas las frecuencias. En un altavoz típico, la impedancia aumentará al aumentar la frecuencia desde su valor de CC , como se muestra en el diagrama, hasta alcanzar un punto de resonancia mecánica. Después de la resonancia, la impedancia cae al mínimo y luego comienza a aumentar nuevamente. [22] Los altavoces generalmente están diseñados para funcionar a frecuencias por encima de su resonancia y, por esta razón, es una práctica habitual definir la impedancia nominal en este mínimo y luego redondear al valor estándar más cercano. [23] [24] La relación entre la frecuencia resonante máxima y la impedancia nominal puede ser de hasta 4:1. [25] Sin embargo, todavía es perfectamente posible que la impedancia de baja frecuencia sea realmente inferior a la impedancia nominal. [19] Es posible que un amplificador de audio determinado no sea capaz de controlar esta impedancia de baja frecuencia aunque sea capaz de controlar la impedancia nominal, un problema que puede resolverse 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 válvula requieren un transformador de salida para igualar la muy alta impedancia de salida y el voltaje de las válvulas de salida con esta impedancia más baja. Estos transformadores se utilizaban 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 menor impedancia son más comunes. La impedancia nominal más común para un solo altavoz es ahora de 8 Ω. La mayoría de los amplificadores de estado sólido están diseñados para funcionar con combinaciones de altavoces de entre 4 Ω y 8 Ω. [27]
Hay 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 grande 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 ayudar a la categorización de los micrófonos. [29]
La Comisión Electrotécnica Internacional define un conjunto similar de impedancias nominales, pero también tiene una clasificación más aproximada de impedancias bajas (menos de 600 Ω), medias (600 Ω a 10 kΩ) y altas (más de 10 kΩ). [30] [ verificación fallida ]
Las entradas del osciloscopio suelen ser de alta impedancia, por lo que sólo afectan mínimamente al circuito que se está midiendo cuando están conectados. Sin embargo, la impedancia de entrada tiene un valor nominal específico, en lugar de un valor 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 la impedancia del 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 se distorsiona 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 más alto). [32] [33]
