náhled|alt=Schéma obvodu s impedancí zdroje a zátěže|Obvod s elektrickým zdrojem a impedancemi zdroje a zátěže Impedanční přizpůsobení je v elektronice praxe návrhu nebo nastavování vstupní nebo výstupní impedance elektrického zařízení na požadovanou hodnotu. Požadovaná hodnota se často volí tak, aby maximalizovala přenos výkonu nebo minimalizovala odrazy signálu. Impedanční přizpůsobení se typicky používá například pro zlepšení přenosu výkonu z rádiového vysílače přenosovým vedením k anténě. Aby se signál přenosovým vedením přenášel bez odrazů, musí být vedení zakončené impedančním přizpůsobením.

K impedančnímu přizpůsobení se používají transformátory, nastavitelné obvody s prvky se soustředěnými parametry, jako jsou rezistory, kondenzátory a indukčnostmi nebo správně navržená přenosová vedení. Účelem impedančního přizpůsobení zařízení v praxi je dosáhnout nejlepší výsledky v daném frekvenčním pásmu.

Koncept impedančního přizpůsobení, který je široce používaný v elektrotechnice, je relevantní i v jiných aplikacích, v nichž se nějaká forma energie (ne nutně elektrické) přenáší mezi zdrojem a zátěží, např. v akustice nebo v optice.

Teorie Impedance představuje odpor soustavy vůči toku energie ze zdroje. Může se jednat o energii elektrickou, mechanickou, akustickou, magnetickou, optickou nebo tepelnou, avšak koncept elektrické impedance je nejznámější. Jednotkou elektrické impedance je, stejně jako u elektrického odporu, Ohm.

Na rozdíl od odporu je však impedance (obvykle značená Z) vyjádřena komplexním číslem; reálná část je odporová složka – rezistance (značená R), imaginární část je reaktanční složka (značená X). V jednoduchých případech (např. u nízkofrekvenčních nebo stejnosměrných přenosů výkonu) může být reaktance zanedbatelná nebo nulová; impedanci pak lze považovat za čistě odporovou, vyjádřenou reálným číslem. V následujícím souhrnu budeme uvažovat obecný případ, když rezistance a reaktance jsou významné, i speciální případ, když reaktance je zanedbatelná. Pro konstantní signály může být impedance konstantní; pro proměnné signály se však impedance obvykle mění s frekvencí.

Přizpůsobení pro maximální přenos výkonu Pro maximální přenos výkonu se používá přizpůsobení pomocí komplexně sdružené impedance

kde horní index * indikuje číslo komplexně sdružené. Pokud zdroj nebo zátěž má jalovou složku, přizpůsobení pomocí konjugované impedance se liší od přizpůsobení pro omezení odrazů.

Pokud zdroj má jalovou složku, a zátěž je čistě rezistivní, pak lze přizpůsobení dosáhnout přidáním reaktance stejné velikosti ale opačného znaménka k zátěži. Tento jednoduchý přizpůsobovací obvod obsahující pouze jeden prvek umožňuje dosáhnout dokonalého přizpůsobení pouze pro jednu frekvenci. Důvodem je, že přidaný prvek je buď kondenzátor nebo cívka, jejichž impedance závisí na frekvenci, a tato závislost se obecně nemusí shodovat s frekvenční závislostí impedance zdroje. Pro širokopásmové aplikace je proto třeba použít složitější obvod.

Přenos výkonu Když zdroj výkonu s pevnou výstupní impedancí např. zdroj elektrického signálu, rádiový vysílač nebo zdroj zvuku (např. reproduktor) působí do zátěže, je do zátěže dodáván maximální možný výkon právě tehdy, když impedance zátěže nebo impedance vstupu) je rovna komplexně sdružené hodnotě impedance zdroje (tj. jeho vnitřní impedanci nebo výstupní impedanci). Aby byly dvě impedance komplexně sdružené, jejich rezistance musí být stejné a jejich reaktance musí mít stejnou velikost, ale opačná znaménka. V nízkofrekvenčních nebo stejnosměrných systémech (nebo v systémech s čistě odporovým zdrojem a zátěží) jsou reaktance nulové nebo dostatečně malé, takže je lze zanedbat. V tomto případě dojde k maximálnímu přenosu výkonu, pokud odpor zátěže bude roven odporu zdroje (matematický důkaz je v článku věta o maximálním výkonu).

Impedanční přizpůsobení není vždy nezbytné. Pokud je například při přenosu důležitější dodat vysoké napětí (pro omezení degradace signálu nebo pro omezení spotřeby) než maximalizovat přenos výkonu, pak se často používá impedanční přemostění nebo napěťové přemostění.

U starších zvukových systémů (které používaly transformátory a obvody s pasivními filtry jako v klasické telefonní soustavě), byly rezistance zdroje a zátěže sladěny na 600 ohmů. Jedním z důvodů byla maximalizace přenosu výkonu, protože v té době neexistovaly žádné zesilovače pro kompenzaci útlumu signálu. Dalším důvodem bylo zajištění správného fungování hybridních transformátorů používaných v ústřednách pro oddělení odchozího a příchozího hlasového signálu, aby mohly být zesíleny nebo přivedeny na čtyřdrátový okruh. Naproti tomu většina moderních audioobvodů používá aktivní zesílení a filtraci a pro dosažení největší věrnosti může používat spojení s napěťovým přemostěním. Přísně vzato, impedanční přizpůsobení je třeba pouze tehdy, když zdroj i zátěž zařízení jsou lineární; přizpůsobení však lze v určitých funkčních mezích dosáhnout i mezi nelineárními zařízeními.

Obvody pro impedanční přizpůsobení Nastavení impedance zdroje nebo impedance zátěže se obecně nazývá „impedanční přizpůsobení“. Existují tři způsoby snížení impedančního nesouladu nazývané „impedanční přizpůsobení“: Zařízení, u nichž impedance zdroje a zátěže jsou komplexně sdružená čísla: Zzátěž = Z*zdroj (komplexně sdružené funkce přizpůsobení). Je-li dán zdroj s pevným napětím a pevnou zdrojovou impedancí, věta o maximálním výkonu říká, že právě tímto způsobem lze získat maximální výkon ze zdroje. Zařízení, jehož zátěž má stejnou impedanci jako přenosové vedení: Zzátěž = Zvedení (komplexně impedanční přizpůsobení), aby se zabránilo odrazům. Má-li přenosové vedení zdroje pevnou zdrojovou impedanci, je toto „bezodrazové impedanční přizpůsobení“ na konci přenosového vedení jediným způsobem, jak zabránit odrazům zpět do přenosového vedení. Zařízení, jejichž zdánlivá rezistance zdroje je blízká nule nebo aby zdánlivé napětí zdroje bylo co nejvyšší. To je jediný způsob, jak maximalizovat energetickou účinnost, a proto se používá na začátku elektrického energetického vedení. Takové impedanční přemostění také minimalizuje zkreslení a elektromagnetické rušení; používá se také v moderních audiozesilovačích a zařízeních pro zpracování signálu.

Existuje řada zařízení, které se zapojují mezi zdroj energie a zátěž, a provádějí „impedanční přizpůsobení“. Pro přizpůsobení elektrické impedance používají inženýři kombinaci transformátorů, rezistorů, cívek, kondenzátorů a přenosových vedení. Tato pasivní (a aktivní) zařízení pro přizpůsobení impedance jsou optimalizována pro různé aplikace a patří k nim symetrizační členy, členy pro přizpůsobení antény (někdy kvůli svému vzhledu nazývané ATU nebo horské dráhy), akustické ozvučnice trubkovitého tvaru, přizpůsobovací obvody, a terminátory.

Transformátory Dříve se pro přizpůsobení impedance obvodů často používaly transformátory. Transformátor konvertuje střídavý proud o určitém napětí na proud se stejným průběhem s jiným napětím. Vstupní a výstupní výkon transformátoru je stejný (až na určité ztráty). Strana s nižším napětím má nižší impedanci (protože má nižší počet závitů), a strana s vyšším napětím má vyšší impedanci (má větší počet závitů).

Příkladem jsou symetrizační členy používané pro připojení antény ke koaxiálnímu kabelu nebo k televizoru. Tyto symetrizační členy mají na jedné straně symetrické vedení (300ohmová dvojlinka) nebo symetrický anténní dipól, na druhé nesymetrické vedení (75ohmový koaxiální kabel např. RG-6). Pro přizpůsobení impedance musí být oba kabely zapojeny přes přizpůsobovací transformátor s transformačním poměrem 2:1. V tomto případě je 300ohmové vedení zapojeno k vinutí transformátoru s více závity; 75ohmový kabel je zapojen k vinutí transformátoru s méně závity. Vzorec pro výpočet transformačního poměru pro tento příklad je:

Rezistivní obvod Návrh rezistivních impedančních přizpůsobení je nejsnazší na a přizpůsobení lze dosáhnout s jednoduchým L-článkem sestávajícím ze dvou rezistorů. Nevyhnutelným důsledkem použití rezistivního obvodu je výkonová ztráta, a proto jsou tyto články (obvykle) používány pouze pro přenos signálů na linkové úrovni.

Stupňovité přenosové vedení Většina zařízení s prvky se soustředěnými parametry se v určitém rozsahu může přizpůsobit impedancí zátěže. Například pro přizpůsobení induktivní zátěže skutečné impedanci je třeba použít kondenzátor. Pokud by naopak impedance zátěže byla kapacitní, přizpůsobovací prvek musí být tvořen cívkou. Přitom je často potřeba použít stejný obvod pro přizpůsobení širokého rozsahu impedancí zátěže a tím zjednodušit obvodový návrh. Tento problém lze řešit pomocí stupňovitého přenosového vedení, u něhož se pro změnu charakteristické impedance vedení používá několik za sebou umístěných čtvrtvlnných dielektrických výběžků. Nastavením pozice jednotlivých prvků lze dosáhnout přizpůsobení pro široký rozsah impedancí zátěže bez potřeby přepojovat obvod.

Filtry V telekomunikacích a radiotechnice se pro impedanční přizpůsobení často používají filtry. Obecně obvodem s diskrétními součástkami není teoreticky možné dosáhnout dokonalého impedančního přizpůsobení pro všechny frekvence. Obvody pro impedanční přizpůsobení se proto navrhují pro určitou šířku pásma, fungují jako filtr, a pro jejich návrh se používá teorie filtrů.

Aplikace, které používají pouze úzkou šířku pásma, např. přizpůsobení antény a vysílače, mohou používat jednoduchý laděný filtr tvořený např. pahýlem. Ten poskytuje dokonalé přizpůsobení pouze pro jednu určitou frekvenci. Širokopásmová přizpůsobení vyžadují filtry s více částmi.

L-článek náhled|Základní schéma pro přizpůsobení R1 na R2 pomocí L-článku. Platí, že R1 > R2, ale není řečeno, co je zdroj a co je zátěž. Jedním z X1 nebo X2 musí být cívka a druhým kondenzátor. náhled|L-článek pro úzkopásmové přizpůsobení impedance Z zdroje nebo zátěže přenosovému vedení s charakteristickou impedancí Z0. Reaktance X a B může být buď kladná (cívka) anebo záporná (kondenzátor). Pokud Z/Z0 je uvnitř kružnice 1+jx na Smithově diagramu (tj. pokud lze použít obvod (a), jinak lze použít obvod (b). Jednoduchý obvod elektrického impedančního přizpůsobení je tvořen kondenzátorem a cívkou. Na obrázku vpravo je R1 > R2, není však uvedeno, zda R1 příp. R2 je zdroj nebo zátěž. Jedním z X1 nebo X2 musí být cívka a druhý musí být kondenzátor. Jedna reaktance je paralelně se zdrojem (nebo zátěží), druhá je sériově se zátěží (nebo se zdrojem). Je-li reaktance paralelně se zdrojem, obvod realizuje přizpůsobení z vysoké na nízkou impedanci.

Analýza obvodu je následující: Uvažujme reálnou impedanci zdroje a reálnou zatěžovací impedanci . Pokud je reaktance paralelně s impedancí zdroje, lze výslednou impedanci zapsat jako:

Pokud imaginární část výše uvedené impedance je vyrušena sériovou reaktancí, reálná část je

Řešení pro . . kde .

Paralelní reaktance je obvykle záporná, protože jde typicky o kondenzátor. Díky tomu je L-článek také filtrem harmonických kmitočtů, protože má charakter dolní propusti.

Inverzní zapojení (pro zvýšení impedance) je jednoduše opakem výše uvedeného; například reaktance zapojená sériově se zdrojem. Velikosti impedančního poměru jsou omezeny reaktančními ztrátami např. Q faktorem cívky. Pro dosažení většího impedančního poměru nebo větší šířky pásma lze propojit více L-článků do kaskády. Obvody přizpůsobení přenosového vedení lze modelovat jako nekonečně mnoho L-článků propojených do kaskády. Pro návrh optimálních přizpůsobovacích obvodů pro určitý systém lze použít Smithových diagramů.

Korekce účiníku