Por qué adaptar impedancias

Artículos teóricos

Es muy probable que en multitud de ocasiones hayas oido la frase "adaptación de impedancias" cuando alguien se está refiriendo a un determinado aspecto de algún circuito o dispositivo electrónico, por ejemplo a la conexión de un equipo transmisor de radio con el sistema de antena, la conexión de un amplificador de sonido con sus correspondientes altavoces, la conexión de una etapa amplificadora a transistor con otra de similares características, etc...

Son muchos los que hablan de "adaptación de impedancias". Sin embargo, no son tantos los que saben exactamente de que se trata, por qué debe llevarse a cabo de manera cuidadosa y las consecuencias que se derivan de una adaptación de impedancias defectuosa.

En este artículo no vamos a profundizar sobre una determinada faceta de la adaptación de impedancias electrónica. Lo que pretendemos no es enseñarte a solucionar un problema concreto, por ejemplo el bajo rendimiento de tu transmisor de radio porque tu antena no está ajustada, o el calentamiento excesivo de tu equipo de sonido por no tener los altavoces adecuados. Más bien lo que queremos conseguir es que comprendas de que se trata y que tengas una idea clara y general sobre este tema.

Una vez que hayas leído este artículo entenderás a la perfección lo que significa y por qué ha de hacerse una "adaptación de impedancias" correcta en los equipos y dispositivos electrónicos que la requieran. Sigue leyendo, no te arrepentirás.

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Si te fijas, en el primer párrafo de este artículo has leído tres ejemplos de circuitos o equipos electrónicos en los que se necesita una adaptación de impedancias para su correcto funcionamiento. Estos tres equipos o circuitos pertenecen a facetas de la electrónica muy distintas entre sí. Por un lado tenemos una emisora de radio, por otro un sistema de sonido y por otro unas etapas amplificadoras a transistores.

No obstante, a pesar de su heterogeneidad, estos ejemplos se reiteran en un aspecto, un factor común que está nítida y claramente indicado allí en el texto. Te pedimos que vuelvas atrás y leas de nuevo el primer párrafo. ¿Ves a que nos referimos?... ¿aún no?. Pues entonces te lo decimos nosotros.

Todos y cada uno de los ejemplos propuestos utilizan una "conexión" para enlazar un dispositivo o circuito a otro. Efectivamente un transmisor de radio necesita conectarse a una antena, un amplificador de audio tiene que conectarse a unos altavoces y las etapas amplificadoras a transistores también necesitan conectarse entre ellas.

Hasta aquí todo parece fácil, pero... ¿verdaderamente lo es?. ¿Pueden hacerse las conexiones entre dispositivos sin tomar ninguna precaución especial?. Si hay que tomarlas... ¿cuales son estas?. Para empezar, veamos que se le pide a una buena conexión y después estudiemos que podemos hacer para conseguirlo.

REQUISITOS DE UNA CONEXIÓN
Fíjate en la primera ilustración de este artículo. ¿Que ves?. Efectivamente se trata de un tipo singular de "adaptador" usado en fontanería que conecta dos tubos de diferentes diámetros entre sí.

Si intentáramos conectar estos dos tubos directamente, sin que mediara el adaptador, cuando el agua comenzara a circular a través de ellos se producirían grandes pérdidas, y el rendimiento del sistema de canalización bajaría tremendamente.

Aunque la similitud física que tiene esta "conexión" con las de tipo electrónico es nula, su función prácticamente es la misma (salvando las diferencias); adaptar dos dispositivos (en este caso dos tubos) de la mejor manera y con las mínimas pérdidas posibles.

Se persigue lo mismo con las conexiones de tipo electrónico. Por ejemplo, en el caso de un equipo transmisor de radio se intenta que la potencia desarrollada por las etapas finales de R.F. de la emisora llegue con el máximo nivel posible a la antena, o en el caso de un equipo de música se pretende que la potencia generada en la etapa final de audio le llegue a los altavoces con toda su intensidad.

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En resumidas cuentas, podríamos decir que lo que se persigue en electrónica es que las conexiones entre diferentes dispositivos y/o circuitos tengan las menores pérdidas posibles. ¿Como conseguirlo?. Ahí es donde entra en escena la adaptación de impedancias.

POR QUÉ SE PRODUCEN PÉRDIDAS
Para comprender por qué se producen pérdidas en el ejemplo de la conexión de las tuberías de agua, en caso de no usar el adaptador, no hace falta hacer un "master de fontanería". Al no encajar los tubos a la perfección uno dentro del otro el agua se escapa y se pierde.

Algo más complicado es entender por qué se producen pérdidas en una conexión entre dispositivos o circuitos electrónicos si sus impedancias no son de valores similares. Para ello no tenemos más remedio que acudir, aunque solo sea un poco, a las temidas (por algunos) matemáticas y, además, tener una noción básica de análisis de circuitos. Pero no te preocupes que no será nada complicado. Te lo explicaremos de manera muy sencilla.

Continuando con los ejemplos propuestos al principio, el del transmisor de radio y su antena y el del amplificador de audio y sus altavoces, podemos considerar que tanto el transmisor como el amplificador actúan como "generadores" y que tanto la antena como los altavoces lo hacen como "carga" de esos generadores al recibir la corriente eléctrica que aquellos están produciendo.

Es decir, por un lado tenemos un generador que produce cierta energía eléctrica (el transmisor de radio o el amplificador de sonido) y por otra parte tenemos un dispositivo (la antena o los altavoces) que espera recibir la energía del generador y que actúa como carga o "receptor" de esa energía. Esto podemos expresarlo mediante un circuito muy simple de la siguiente manera.

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Centrémonos en el ejemplo del transmisor de radio y la antena. El generador representa a dicho transmisor y la resistencia representa a la antena. Como generador se ha indicado uno de corriente alterna, pero para que nos resulte aún más sencillo de entender y teniendo en cuenta que para el caso da exactamente igual, vamos a cambiarlo por una simple batería.

El circuito, a los efectos que estamos estudiando, sigue siendo el mismo; un generador, ahora de corriente contínua, y una resistencia de carga conectada a sus bornes. Aparentemente es un circuito muy simple, pero vamos a ver que tiene su miga.

Seguro que sabes que no existe el generador ideal, ni de corriente contínua ni de corriente alterna. Efectivamente, es imposible fabricar un generador perfecto. Uno de los motivos de esto es porque todos los generadores tienen lo que se llama una resistencia interna. Si fuera posible construir un generador ideal con resistencia interna nula (cero ohmios) y lo conectáramos como en el circuito de arriba, suponiendo que la resistencia de carga "R" fuera también de cero ohmios, es decir un cortocircuito, la intensidad que circularía a través de ella sería de infinitos amperios, y eso es imposible.

Ningún generador real puede producir una corriente infinita. Esto es así porque la intensidad máxima de corriente que puede llegar a suministrar un generador está limitada por su resistencia interna. Por ejemplo, una pila suele tener una resistencia interna de 1 ohmio e incluso algo menos, una batería de automóvil tiene una resistencia interna que puede llegar a ser menor de 0,1 ohmios, y una buena fuente de alimentación electrónica puede llegar a rebajar su resistencia interna a 0,01 ohmios e incluso valores más bajos. Si un generador fuese ideal no tendría esta limitación.

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Por esta razón, en el cálculo y diseño de circuitos, cuando estamos ante un generador de tensión de cualquier índole (el transmisor de radio o el amplificador de sonido de los que hemos hablado pueden asimilarse a "generadores"), se considera que dicho generador es ideal pero siempre tiene en serie con él, y de forma intrínseca y permanente, una resistencia del mismo valor que la resistencia interna del generador real, la cual conocemos. El circuito de arriba lo representaríamos entonces con dos resistencias en serie, la interna del generador (Ri) y la de carga del circuito (Rc).

Una vez que conocemos los detalles y los componentes, a nivel general, que intervienen en la conexión de un generador con su carga, podemos realizar una serie de sencillos cálculos para saber con exactitud a que valor de la resistencia de carga le correspondería recibir la mayor potencia del generador. Esto es aplicable no solo a los generadores propiamente dichos, sino a aquellos dispositivos y circuitos electrónicos que actúan como tales, por ejemplo un transmisor y su antena, un amplificador de sonido y sus altavoces o una etapa amplificadora a transistores y la siguiente conectadas en cascada. ¿Vas cogiendo el punto?.

¡Bien!... Vamos a ejemplificar la teoría. Supongamos que tenemos un generador que suministra una tensión "V" de 10 voltios el cual tiene una resistencia interna "Ri" de 50 ohmios. Vamos a hacer los cálculos para cinco valores de resistencias de carga "Rc": 5, 25, 50, 75 y 100 ohmios.

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¿Recuerdas la fórmula para conocer la potencia que disipa una resistencia por la que circula una determinada corriente eléctrica, en función del valor de dicha corriente y el valor de la propia resistencia?. Esta fórmula se halla a partir de la tensión que cae en la resistencia y la intensidad que circula por ella. La desarrollamos a continuación:

Te recordamos que "W" es la potencia expresada en watios, "V" la tensión expresada en voltios, "I" la intensidad indicada en amperios y "R" la resistencia expresada en ohmios. Comencemos con un valor de resistencia de carga "Rc" de 5 ohmios. El circuito a resolver sería el siguiente:

Lo primero que tenemos que conocer es la intensidad de corriente que circula por el circuito. Para ello tenemos que dividir la tensión del generador entre la suma de ambas resistencias, la interna mas la de carga. Ambas resistencias suman 55 ohmios. Por lo tanto, la corriente a través del circuito sería, según la ley de Ohm, de:

Una vez que sabemos cual es la intensidad de corriente general del circuito, hallamos la potencia que disipa la resistencia de carga "Rc", que recordemos es de 5 ohmios, mediante la primera fórmula:

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Vemos como la potencia que recibe "Rc" del generador es de 0,162 watios. Siguiendo las mismas pautas calculamos las potencias que corresponden a los demás valores de resistencias de carga "Rc". Para no hacer demasiado largo el artículo os damos todos los resultados (aproximados) una vez calculados por nosotros:

Se desprende claramente de esta tabla que la máxima potencia disipada en la resistencia de carga "Rc" es de 0,5 watios. Esta potencia se desarrolla precisamente cuando su valor es idéntico al de la resistencia interna del generador.

Los valores de resistencias usados en este ejemplo son muy similares entre si, por lo que las diferencias de potencias halladas no son excesivamente importantes. No obstante son suficientes para ver con claridad que cuanto más alejado está el valor de la resistencia de carga del circuito del de la resistencia interna del generador, menos potencia disipa y menor es su rendimiento.

Lo que aquí hemos usado son resistencias puras, pero en los circuitos reales lo que la mayoría de las veces se manejan son "impedancias". Podemos pensar que la impedancia es a la corriente alterna lo que la resistencia es a la corriente contínua. Por lo tanto, para definir la impedancia diríamos que es la oposición que presenta un circuito o componente electrónico (con cierto efecto capacitivo y/o inductivo) a la corriente alterna.

Se dice que existe una correcta adaptación de impedancias cuando la resistencia (o la impedancia) interna de un generador (sea este un transmisor de radio, un amplificador de sonido o cualquier otro dispositivo que actúe como tal) es idéntica a la que ofrece la carga que tiene conectada a sus bornes (sea esta una antena, un altavoz, o cualquier otro dispositivo o componente electrónico).

Acabamos ya este artículo sobre la adaptación de impedancias. Pronto habrá más. Te esperamos aquí, en Radioelectronica.es, tu punto de encuentro.

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C O M E N T A R I O S   
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#2 bonana » 05-02-2018 12:59

Gracias hermano, bien entendido

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RE: Por qué adaptar impedancias

#1 Moises » 07-05-2017 06:09

Esta muy bueno el contenido. Muy buena la explicación, espero la continuación :). Saludos!!

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