Что такое входное сопротивление

30

Входное и выходное сопротивление

Все электронные устройства состоят из блоков. Их еще часто называют каскады, модули, узлы и т.д. Например, (рис. 1) состоит из двух блоков.

Рис. 1 — Схема источника питания

На рисунке 1 в левом блоке мы получаем постоянное напряжение, а в правом блоке его стабилизируем (рис. 2).

Рис. 2 — Блочная схема источника питания

Блочная схема — это условное деление. В этом примере мы могли бы даже взять трансформатор, как отдельный блок, который понижает переменное напряжение одного номинала к другому. Как нам удобнее, так и делим на блоки нашу электронную безделушку. Метод «от простого к сложному» полностью работает в нашем мире. На низшем уровне находятся радиоэлементы, на высшем — готовое устройство, например, телевизор.

Как вы поняли, любое устройство состоит из блоков, которые выполняют определенную функцию.

На словах все выходит прекрасно, но всегда есть подводные камни, которые следует изучить, чтобы начать проектировать электронные устройства. Некоторые из этих камушков называются входным и выходным сопротивлением.

Резистор хоть и обладает сопротивлением, но это активное сопротивление. Катушка индуктивности и конденсатор будут уже обладать, так называемым, реактивным сопротивлением.

Если прислушаться фразам, то входное сопротивление — это сопротивление какого-то входа, а выходное — сопротивление какого-либо выхода. Ну да, все почти так и есть. И где же нам найти в схеме эти входные и выходные сопротивления? А вот «прячутся» они в самих блоках радиоэлектронных устройств.

Входное сопротивление

В блочной схеме вход блока располагается слева, выход — справа.

Рис. 3 — Входы и выходы в блочной схеме

Как и полагается, этот блок используется в каком-нибудь радиоэлектронном устройстве и выполняет какую-либо функцию. Значит, на его вход будет подаваться какое-то входное напряжение U_вх от другого блока или от источника питания, а на его выходе появится напряжение U_вых (или не появится, если блок является конечным).

Рис. 4 — Входное и выходное напряжения

Но раз уж мы подаем напряжение на вход (входное напряжение U_вх), следовательно, у нас этот блок будет потреблять какую-то силу тока I_вх.

Рис. 5 — Сила тока на входе

От чего зависит I_вх ? Вообще, от чего зависит сила тока в цепи? Вспоминаем закон Ома для участка цепи:

Значит, сила тока у нас зависит от напряжения и от сопротивления. Предположим, что напряжение у нас не меняется, следовательно, сила тока в цепи будет зависеть от. СОПРОТИВЛЕНИЯ. Но где нам его найти? А прячется оно в самом каскаде и называется входным сопротивлением.

Рис. 6 — Входное сопротивление

То есть, разобрав такой блок, внутри него мы можем найти этот резистор? Конечно же нет. Он является своего рода сопротивлением радиоэлементов, соединенных по схеме этого блока.

Измерение входного сопротивления

Как мы знаем, на каждый блок подается какой-либо сигнал от предыдущего блока или это может быть даже питание от сети или батареи. Что нам остается сделать?

1. Замерить напряжение U_вх , подаваемое на блок.
2. Замерить силу тока I_вх , которую потребляет блок.
3. По закону Ома найти входное сопротивление R_вх .

Если у вас входное сопротивление получается очень большое, чтобы замерить его как можно точнее, используют вот такую схему.

Рис. 7 — Измерение входного сопротивления

Мы с вами знаем, что если входное сопротивление у нас большое, то входная сила тока в цепи у нас будет очень маленькая (из закона Ома).

Падение напряжения на резисторе R обозначим, как

Из всего этого получаем.

Когда мы проводим эти измерения, имейте ввиду, что напряжение на выходе генератора не должно меняться!

Итак, давайте посчитаем, какой же резистор нам необходимо подобрать, чтобы как можно точнее замерять это входное сопротивление. Допустим, что у нас входное сопротивление R_вх=1 МОм, а резистор взяли R = 1 КОм. Пусть генератор выдает постоянное напряжение U=10 В. В результате, у нас получается цепь с двумя сопротивлениями. Правило делителя напряжения гласит: сумма падений напряжений на всех сопротивлениях в цепи равняется ЭДС генератора.

Рис. 8 — Делитель напряжения

Рассчитываем силу тока в цепи в амперах:

Получается, что падение напряжения на сопротивлении R в вольтах будет:

Грубо говоря 0,01 В. Вряд ли вы сможете точно замерить такое маленькое напряжение на своем мультиметре.

Какой отсюда вывод? Для более точного измерения высокого входного сопротивления надо брать добавочное сопротивление также очень большого номинала. В этом случае работает правило шунта: на бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение, и наоборот, на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение.

Давайте теперь на практике попробуем замерить входное сопротивление какого-либо устройства. Итак, выставляем на блоке питания рабочее напряжение этого транзистор-метра, то есть 9 В, и во включенном состоянии замеряем потребляемую силу тока. По схеме все это будет выглядеть вот так:

А на деле вот так:

Итак, у нас получилось 22,5 миллиАмпер.

Теперь, зная значение потребляемого тока, можно найти по этой формуле входное сопротивление:

Выходное сопротивление

Яркий пример выходного сопротивления — это закон Ома для полной цепи, в котором есть так называемое «внутреннее сопротивление».

Что мы имели? У нас был автомобильный аккумулятор, с помощью которого мы поджигали галогеновую лампочку. Перед тем, как цеплять лампочку, мы замеряли напряжение на клеммах аккумулятора:

И как только подсоединяли лампочку, у нас напряжение на аккумуляторе становилось меньше.

Разница напряжения, то есть 0,3 В (12,09 -11,79) у нас падало на так называемом внутреннем сопротивлении r . Оно же и есть ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. Его также называют еще сопротивлением источника или эквивалентным сопротивлением.

У всех аккумуляторов есть это внутреннее сопротивление r, и «цепляется» оно последовательно с источником ЭДС ( Е ).

Рис. 13 — Внутреннее сопротивление аккумулятора

Выходным сопротивлением обладают все источники питания. Это может быть блок питания, генератор частоты, либо вообще какой-нибудь усилитель.

В теореме Тевенина говорилось, что любую цепь, которая имеет две клеммы и содержит в себе много различных источников ЭДС и резисторов разного номинала можно привести к источнику ЭДС с каким-то значением напряжения ( E_экв ) и с каким-то внутренним сопротивлением ( R_экв ).

E_экв — эквивалентный источник ЭДС

R_экв — эквивалентное сопротивление

То есть получается, если какой-либо источник напряжения питает нагрузку, значит, в источнике напряжения есть ЭДС и эквивалентное сопротивление, оно же выходное сопротивление.

В режиме холостого хода (то есть, когда к выходным клеммам не подцеплена нагрузка) с помощью мультиметра мы можем замерить ЭДС ( E ). С замером ЭДС вроде бы понятно, но вот как замерить R_вых ?

В принципе, можно устроить короткое замыкание. То есть замкнуть выходные клеммы толстым медным проводом, по которому у нас будет течь ток короткого замыкания I_кз .

Рис. 15 — Ток короткого замыкания

В результате у нас получается замкнутая цепь с одним резистором. Из закона Ома получаем, что

Но есть небольшая загвоздка. Теоретически — формула верна. Но на практике я бы не рекомендовал использовать этот способ. В этом случае сила тока достигает бешенного значения, да вообще, вся схема ведет себя неадекватно.

Есть другой, более безопасный способ. Не буду повторяться, просто скопирую со статьи закон Ома для полной цепи, где мы находили внутреннее сопротивление аккумулятора. В той статье, мы к акуму цепляли галогеновую лампочку, которая была нагрузкой R. В результате по цепи шел электрический ток. На лампочке и на внутреннем сопротивлении у нас падало напряжение, сумма которых равнялась ЭДС.

Итак, для начала замеряем напряжение на аккумуляторе без лампочки (рис. 17).

Так как у нас в этом случае цепь разомкнута (нет внешней нагрузки), следовательно сила тока в цепи I равняется нулю. Значит, и падение напряжение на внутреннем резисторе U_r тоже будет равняться нулю. В итоге, у нас остается только источник ЭДС, у которого мы и замеряем напряжение. В нашем случае E = 12,09 В.

Как только мы цепанули нагрузку, то у нас сразу же упало напряжение на внутреннем резисторе и на нагрузке, в данном случае на лампочке:

Сейчас на нагрузке (на галогенке) у нас упало напряжение

следовательно, на внутреннем резисторе падение напряжения составило

Сила тока в цепи равняется I =4,35 Ампер. ЭДС у нас равняется E=12,09 Вольт. Следовательно, из закона Ома для полной цепи вычисляем, чему у нас будет равняться внутреннее сопротивление r:

r = (12,09 — 11,79)/4,35 = 0,069 [Ом]

Выводы

Входное и выходное сопротивление каскадов (блоков) в электронике играют очень важную роль при согласовании узлов радиоэлектронных схем. Все качественные вольтметры и осциллографы также стараются делать с очень высоким входным сопротивлением, чтобы оно меньше сказывалось на замеряемый сигнал и не гасило его амплитуду.

С выходным сопротивлением все намного интереснее. Когда мы подключаем низкоомную нагрузку, то чем больше внутреннее сопротивление, тем больше напряжение падает на внутреннем сопротивлении. То есть в нагрузку будет отдаваться меньшее напряжение, так как разница осядет на внутреннем резисторе. Поэтому, качественные источники питания, типа блока питания либо генератора частоты, пытаются делать как можно с меньшим выходным сопротивлением, чтобы напряжение на выходе «не проседало» при подключении низкоомной нагрузки. Даже если сильно просядет, то мы можем вручную подкорректировать с помощью регулировки выходного напряжения, которые есть в каждом нормальном источнике питания. В некоторых источниках это делается уже автоматически.

Входное сопротивление

внутреннее сопротивление (проводимость) между его входными зажимами.

• Telegram
• Whatsapp
• Вконтакте
• Одноклассники
• Email

Научные статьи на тему «Входное сопротивление»

Усилительные устройства

По соотношению между внутренним сопротивлением в источнике сигнала, выходным сопротивлением, сопротивлением.
нагрузки и входным сопротивлением.
К входным параметрам относятся входная мощность сигнала, номинальное входное напряжения и номинальный.
входной электрический ток.
входной электрический ток; Rвх — входное сопротивление.

Входное сопротивление цилиндрической спиральной антенны

В работе развит численно-аналитический метод расчета входного сопротивления цилиндрической спиральной антенны. На примерах продемонстрирована высокая эффективность метода. Исследована зависимость входного сопротивления от параметров спирали.

Исследование характеристик двухполюсников и четырехполюсников

Расчет входных сопротивлений режимах холостого хода при прямом и обратном включениях, а также при режиме.
К частотным характеристикам относятся: зависимость мнимой или действительной части входного сопротивления.
(проводимости) от частоты; зависимость модуля входного сопротивления или проводимости от частоты.
По результатам измерения подсчитывается модуль входного сопротивления или мнимая (действительная) часть.
входного сопротивления (проводимость).

Оптимизация рамочных антенн по входному сопротивлению

С использованием метода моментов исследованы основные закономерности в зависимости электрических характеристик и параметров двух типов рамочных антенн от их геометрических параметров. Определены геометргиеские параметры, при которых реактивная часть входного сопротивления равна нулю на заданной частоте

Термин: Сопротивление входное

Под входным сопротивлением прибора (устройства) понимают сопротивление R_ВХ его входной цепи при пропускании через эту цепь тока I_вх.

При простой модели входного сопротивления по постоянному току R_ВХ представляют как величину активного сопротивления. В более сложной модели при работе на переменном токе R_ВХ представляют как величину импеданса на определённой частоте сигнала. Эти вопросы относятся к построению эквивалентной схемы входной цепи прибора (устройства).

Если специально не оговаривается, то величина входного сопротивления приводится для рабочего диапазона сигнала для данного входа при нормальной температуре окружающей среды. При превышении рабочего диапазона сигнала входное сопротивление может отличаться от входного сопротивления в рабочем диапазоне сигнала и даже можнет стать нелинейным из-за наличия во входной цепи защитных элементов ограничения напряжения. В выключенном (обесточенном) состоянии прибора входное сопротивление может резко отличаться от входного сопротивления в рабочем режиме.

Для приборов с входным коммутатором каналов входное сопротивление всегда нормируется для одноканального режима, при котором коммутационный процесс отсутствует. Это связано с тем, что коммутационный процесс вносит в цепь измерения динамический заряд коммутатора в момент переключения и тем самым усложняет саму модель входа такого прибора, в результате чего оценивать его по критерию «входное сопротивление» становится некорректно.

У приборов с входом напряжения входное сопротивление относительно высокое, поскольку данный вход параллельно подключают к цепи измерения.

У приборов с входом тока входное сопротивление относительно низкое, поскольку требуется последовательно включать такой прибор в цепь измерения.

Для усилителей заряда 1-го типа, преобразующих составляющую напряжения заряда, вход заряда имеет очень высокое входное сопротивление в режиме измерения.

Для усилителей заряда 2-го типа, преобразующих переменный заряд путём пропускания тока цепи заряда через вход (например, как у LE-41), вход имеет низкое входное сопротивление.

Для дифференциального входа применяется понятие входного сопротивления как для дифференциальной цепи X, Y (при условии соблюдения синфазного диапазона сигнала относительно AGND), так и для цепи синфазного сигнала при соединённых вместе входах X и Y (относительно AGND).

Измерить входное сопротивление можно методом вольтметра − амперметра, контролируя напряжение и ток в цепи входа и вычисляя сопротивление по закону Ома для участка цепи. Но более точное измерение входного сопротивление прибора получается по двум измерениям для разных напряжений U₁ и U₂ и соответствующим измеренным токам I₁ и I₂; в этом случае входное сопротивление вычисляется по формуле:

Напоследок – лирическое отступление о философском смысле, связанном с понятием входного сопротивления прибора. Теоретически невозможно создать идеальный прибор, не влияющий на цепь измерения, поскольку невозможно измерить физическую величину, не отобрав из цепи измерения энергию. Это означает, что невозможно создать идеальные вольтметр и амперметр с бесконечно большим и, соответственно, бесконечно малым входным импедансом. Или, другими словами, достижимая точность измерения всегда конечна. Эти фундаментальные истины подтверждены известным в квантовой механике принципом неопределённости.

Понятие входного (внутреннего) сопротивления пассивной или активной электрической цепи являтся базовым понятием Теории линейных электрических цепей в курсе ТОЭ.

Пример использования термина

Термин используется для описания электрических свойств входов преобразователей и систем сбора данных.

Что такое входное сопротивление и как его измерить

При работе со сложными схемами нужно уметь определять характеристики их отдельных блоков и элементов. В частности, входное и выходное сопротивление. Важно знать, что они из себя представляют, как определяются и какую роль играют в работе устройства.

Понятие входного сопротивления для постоянного тока

Радиоэлектронные устройства могут быть не только относительно, но и очень сложными, состоящими из многих блоков. Однако независимо от сложности устройства, количества используемых в нем деталей, схему можно рассматривать в качестве совокупности простых частей с определенной разностью потенциалов на входе. На выходе блока имеется ещё два контакта, на которых также присутствует напряжение. В первом случае его называют входным, в другом — выходным. Сказанное можно пояснить следующим рисунком.

Входное сопротивление цепи можно легко измерить с помощью вольтметра. Также нетрудно определить силу тока, протекающего между контактами. Для этого достаточно к схеме последовательно подключить амперметр. Получив эти два параметра, по закону Ома можно определить сопротивление схемы. Его называют входным. Иногда при этом рассматривают входное сопротивление длинной линии. Его определяющим свойством является то, что при подключении нагрузки к клеммам источника питания электрические характеристики не меняются.

Устройство блока может быть достаточно сложным, но в рассматриваемом случае не принимаются во внимание особенности его конструкции. Фактически можно представить, что внутри как бы находится резистор с определенным активным сопротивлением, соответствующим измеренному.

Входное электрическое сопротивление рассматривается как общая характеристика конкретного блока. Напряжение на вход может поступать с выхода другого блока или, например, с клемм аккумулятора или батареи.

Что такое внутреннее сопротивление при переменном токе

В предыдущем разделе было рассмотрено чисто активное сопротивление. При наличии в цепи только активного сопротивления фазы напряжения и тока совпадают. В реальных схемах обязательно присутствует реактивное сопротивление, которое делится еще на ёмкостное и индуктивное. Для постоянного тока его значение принято считать пренебрежимо малым и не принимать во внимание при расчёте параметров.

Если используется переменное напряжение на входе, тогда рассматривается полное сопротивление, состоящее из активного и реактивного. Их суммируют, используя правило прямоугольного треугольника. В этом случае один катет соответствует активному сопротивлению, второй — реактивному, а гипотенуза — полному или импедансу.

Важно учитывать, что в цепи с переменным током фаза напряжения сдвигается относительно фазы тока. Сдвиг фаз зависит от соотношения активного и реактивного сопротивлений конкретной цепи.

При отсутствии конденсаторов и катушек индуктивности в цепи емкостным и индуктивным сопротивлениями можно пренебречь и учитывать только активное. В этом случае ток будет следовать за напряжением, одновременно принимая нулевые и максимальные значения.

Если же в цепь включить катушку или конденсатор, создающих индуктивное или емкостное сопротивление настолько большого значения, что активное становится пренебрежимо малым, то сдвиг фаз будет равен π/2.

Так как реактивное сопротивление зависит от частоты поступающего сигнала, то чтобы более точно определить импеданс, необходимо узнать нужные параметры при двух различных частотах.

Следует принимать во внимание, что входное полное сопротивление линии может быть различным в отличающихся температурных условиях. Характер и величина отличий зависит от конкретного устройства рассматриваемого блока. Также требуется учитывать обратное влияние самой процедуры измерения на электрические параметры схемы.

Входное сопротивление зависит еще и от того, каким способом вводится в цепь сигнал обратной связи (ОС). Если этот сигнал отсутствует, то входное сопротивление определяется напряжением и током, присутствующими на входе. В том случае, когда обратную связь вводят по последовательной схеме, сопротивление на входе увеличивается при отрицательной ОС и уменьшается при положительной ОС.

При использовании параллельной схемы введения ОС входное сопротивление уменьшается и при отрицательной, и при положительной ОС. При небольшом сопротивлении в цепи ОС оно может составлять десятые, и даже тысячные доли Ома.

Как измерить

При определении входных параметров блока его устройство не рассматривается, но при этом может возникнуть необходимость провести измерение входного сопротивления. Блок выглядит как чёрный ящик, имеющий две входных и две выходных клеммы. Наиболее простым решением является определение входного напряжения и силы тока. Для простоты можно предположить, что рассматривается постоянный ток. Определить входное электрическое сопротивление в этом случае можно способом, который описан далее.

Найти входное сопротивление можно, разделив напряжение на силу тока. Однако в рассматриваемом случае нужно понимать, что если напряжение подаётся с батареи, то на показания будет влиять внутреннее сопротивление источника тока.

Если в блоке используется конденсатор, то нужно учитывать, что через него ток проходить не будет. С другой стороны, для переменного тока он помехой не является. Для переменного тока в качестве входного сопротивления цепи рассматривается полное сопротивление (импеданс). Оно представляет собой векторную сумму активного (омического) и реактивного (индуктивного и ёмкостного) сопротивлений. Однако его значение будет отличаться при различных частотах. Поэтому процедура измерения является более сложной по сравнению с постоянным током. В этом случае может быть использована следующая схема.

В данной схеме применён генератор переменного тока, который расположен слева. Его соединяют с исследуемым блоком, подавая на него переменный ток. На одном из соединительных проводов ставится резистор с известным сопротивлением R.

Напряжение измеряют дважды — перед резистором и после него. Пусть его значение будет равно U1 и U2 соответственно. Как известно, при переменном входном токе I(вх) падение напряжения на этой детали составит U2 – U1. С другой стороны оно будет равно I(вх) × R. В результате может быть получена следующая формула:

Из этой формулы можно определить величину входного тока:

I(вх) = ( U2 − U1 ) / R.

На вход исследуемого блока поступает напряжение U2:

Входное сопротивление R(вх) найдем, используя формулу:

( U2 − U1 ) / R = U2 / R(вх).

Определяем значение сопротивления:

R(вх) = R × U2 / ( U2 − U1 ).

Все величины в правой части равенства являются известными или были измерены. Подставив их формулу, можно определить величину входного сопротивления схемы.

Применение описанного здесь способа позволяет точно вычислять входное сопротивление даже в тех случаях, когда оно очень велико.

Выходное напряжение

При рассмотрении упрощённой схемы блока видно, что у него имеется выходное напряжение. Оно появляется на контактах, указанных на изображении справа.

На рисунке показан идеальный источник тока, который, как предполагается, не имеет внутреннего сопротивления. Это означает, что может быть создан сколько угодно большой ток. Имеющийся на схеме резистор нарушает определенную идеальность, ограничивая величину тока при коротком замыкании.

Измерение выходного тока может быть выполнено следующим образом. Напряжение U является известной величиной. При коротком замыкании может быть измерен проходящий по контактам ток. Выходное сопротивление R(вых) определяется по закону Ома. Для его вычисления необходимо напряжение разделить на ток.

Однако этот способ неудобен, так как большой ток нарушает условия функционирования схемы и может привести к поломкам. Поэтому на практике между клеммами ставят дополнительный резистор с известной величиной сопротивления R и только после этого измеряют значение силы тока I и напряжения U2. Предварительно следует определить разность потенциалов U1 с помощью вольтметра. Исходя из закона Ома, получают следующую формулу:

R(вых) = ( U2 – U1 ) / ( U2 / R ).

Практическое применение

Понятие входного сопротивления играет важную роль при согласовании характеристик соединённых между собой блоков. Сказанное можно пояснить на следующем примере.

Предположим, что первым блоком является источник питания. Если к его клеммам присоединён следующий блок, то при практическом определении его входного сопротивления станет понятно, что оно немного меньше расчётной величины.

Это связано с наличием внутреннего сопротивления аккумулятора. Чем оно больше, тем искажение заметнее. Аналогичная ситуация наблюдается при соединении двух любых других блоков. Чтобы передача сопротивления проходила с минимальными потерями, необходимо, чтобы выходное сопротивление предыдущего блока было намного меньше входного у последующего.

С учетом этого обстоятельства необходимо уметь определять рассматриваемые величины, а при создании схемы обеспечивать их правильное соотношение. Если оно будет нарушено, то произойдёт значительное падение напряжения при передаче.

На практике обычно сталкиваются с очень большими значениями входных сопротивлений. В некоторых случаях они могут достигать 1 МОм. Это часто происходит при относительно небольшом входном напряжении. В результате сила рассматриваемого тока получается также небольшой.

В электронике входное и выходное сопротивление играют важную роль. Все качественные измерительные приборы стараются делать с очень высоким входным сопротивлением, чтобы оно минимально сказывалось на измеряемом сигнале и не гасило его амплитуду.

Что касается качественных источников питания, то их выпускают с очень небольшим выходным сопротивлением, чтобы при подключении низкоомной нагрузки напряжение на выходе «не проседало». Но даже если это случится, его можно подкорректировать вручную, используя регулировку выходного напряжения, присутствующую в каждом нормальном источнике питания.