Transferencia máxima de potencia

La transferencia máxima de potencia se produce cuando el valor resistivo de la carga es igual al valor de la resistencia interna de las fuentes de tensión, lo que permite suministrar la máxima potencia.

En general, esta resistencia de la fuente o incluso la impedancia si están involucrados inductores o condensadores es de un valor fijo valor en ohmios.

Sin embargo, cuando conectamos una resistencia de carga, RL a través de los terminales de salida de la fuente de alimentación, la impedancia de la carga variará de un estado de circuito abierto a un estado de cortocircuito, lo que hará que la potencia sea absorbida por la carga en la impedancia de la fuente de alimentación real. Luego, para que la resistencia de carga absorba la máxima potencia posible, tiene que estar “emparejada” con la impedancia de la fuente de alimentación y esto constituye la base de la transferencia de máxima potencia.

El teorema de transferencia de máxima potencia es otro método de análisis de circuito útil para garantizar que la cantidad máxima de potencia se disipa en la resistencia de carga cuando el valor de la resistencia de carga es exactamente igual a la resistencia de la fuente de alimentación. La relación entre la impedancia de carga y la impedancia interna de la fuente de energía dará la potencia en la carga. Considere el circuito a continuación:

Circuito equivalente de Thevenin

thevenins equivalent circuit- Transferencia máxima de potencia - ClasesParaTodos.org

En nuestro circuito equivalente de Thevenin anterior, el teorema de transferencia de máxima potencia establece que «la cantidad máxima de potencia se disipará en la resistencia de carga si es igual en valor a la resistencia de fuente de Thevenin o Norton de la red que suministra la potencia«.

En otras palabras, la resistencia de carga que da como resultado la mayor disipación de potencia debe ser igual en valor a la resistencia de fuente de Thevenin equivalente, entonces RL = RS pero si la resistencia de carga es menor o mayor en valor que la resistencia de fuente de Thevenin de la red, su potencia disipada será inferior al máximo.

Por ejemplo, encuentre el valor de la resistencia de carga, RL, que dará la máxima transferencia de potencia en el siguiente circuito:

Ejemplo de transferencia de máxima potencia No.1

 

maximum power transfer theorem
Donde: RS= 25Ω
RL es variable entre 0 – 100Ω
VS = 100v

Luego, usando las siguientes ecuaciones de la Ley de Ohm:

maximum power transfer- Transferencia máxima de potencia - ClasesParaTodos.org

Ahora podemos completar la siguiente tabla para determinar la corriente y la potencia en el circuito para diferentes valores de resistencia de carga.

Tabla de corriente contra potencia

RL (Ω)I (amperios)P (vatios)RL (Ω)I (amperios)P (vatios)
04.00252.0100
53.355301.897
102.878401.594
152.593601.283
202.2971000.864

Usando los datos de la tabla anterior, podemos trazar un gráfico de resistencia de carga, RL contra potencia, P para diferentes valores de resistencia de carga. También observe que la potencia es cero para un circuito abierto (condición de corriente cero) y también para un cortocircuito (condición de voltaje cero).

Gráfico de potencia vs la carga de la resistencia 

maximum power against load- Transferencia máxima de potencia - ClasesParaTodos.org

De la tabla y el gráfico anteriores podemos ver que la transferencia de máxima potencia ocurre en la carga cuando la resistencia de carga, RL, es igual en valor a la resistencia de la fuente, RS, que es: RS = RL = 25Ω. Esto se llama una «condición de coincidencia» y, como regla general, la potencia máxima se transfiere desde un dispositivo activo, como una fuente de alimentación o una batería, a un dispositivo externo cuando la impedancia del dispositivo externo coincide exactamente con la impedancia de la fuente.

Un buen ejemplo de adaptación de impedancia es entre un amplificador de audio y un altavoz. La impedancia de salida, ZOUT del amplificador se puede dar entre 4Ω y 8Ω, mientras que la impedancia de entrada nominal, ZIN del altavoz se puede dar como 8Ω solamente.

Luego, si es 8Ω del altavoz que está conectado a la salida del amplificador, el amplificador verá el altavoz como una carga de 8Ω. Conectar dos altavoces de 8Ω en paralelo equivale a que el amplificador conduzca un altavoz de 4Ω y ambas configuraciones están dentro de las especificaciones de salida del amplificador.

La adaptación incorrecta de la impedancia puede provocar una pérdida excesiva de energía y una disipación de calor. Pero, ¿cómo podría igualar la impedancia de un amplificador y un altavoz que tienen impedancias muy diferentes? Bueno, hay transformadores de adaptación de impedancia de los altavoces disponibles que pueden cambiar impedancias de 4Ω a 8Ω,o a 16Ω de permitir la adaptación de impedancia de muchos altavoces conectados juntos en varias combinaciones, como en los sistemas de PA (megafonía).

Adaptación de impedancia del transformador

Una aplicación muy útil de adaptación de impedancia para proporcionar la máxima transferencia de potencia entre la fuente y la carga se encuentra en las etapas de salida de los circuitos amplificadores. Los transformadores de señal se utilizan para hacer coincidir el valor de impedancia más alto o más bajo de los altavoces con la impedancia de salida de los amplificadores para obtener la máxima potencia de salida de sonido. Estos transformadores de señal de audio se denominan «transformadores de adaptación» y acoplan la carga a la salida de los amplificadores como se muestra a continuación:

Adaptación de la impedancia del transformador

transformer impedance matching- Transferencia máxima de potencia - ClasesParaTodos.org

La transferencia de máxima potencia se puede obtener incluso si la impedancia de salida no es la misma que la impedancia de carga. Esto se puede hacer usando una «relación de vueltas» adecuada en el transformador con la relación correspondiente de impedancia de carga, ZLOAD a impedancia de salida, ZOUT coincide con la relación de las vueltas primarias a las secundarias del transformador como una resistencia en un lado de el transformador se convierte en un valor diferente sobre el otro.

Si la impedancia de carga, ZLOAD es puramente resistiva y la impedancia de la fuente es puramente resistiva, ZOUT, entonces la ecuación para encontrar la máxima transferencia de potencia se da como:

transformer turns ratio matching- Transferencia máxima de potencia - ClasesParaTodos.org

Donde: NP es el número de vueltas primarias y NS el número de vueltas secundarias en el transformador. Luego, variando el valor de la relación de vueltas de los transformadores, la impedancia de salida se puede «emparejar» con la impedancia de la fuente para lograr la máxima transferencia de potencia. Por ejemplo:

Ejemplo de transferencia máxima de potencia No.2

Si un altavoz de 8Ω se va a conectar a un amplificador con una impedancia de salida de 1000 Ω, calcule la relación de espiras del transformador de adaptación requerida para proporcionar la máxima transferencia de potencia de la señal de audio. Supongamos que la impedancia de la fuente del amplificador es Z1, la impedancia de carga es Z2 con la razón de transformación dado como N.

transformer impedance matching circuit- Transferencia máxima de potencia - ClasesParaTodos.org
transformer turns ratio- Transferencia máxima de potencia - ClasesParaTodos.org

En general, los pequeños transformadores de audio de alta frecuencia utilizados en circuitos amplificadores de baja potencia casi siempre se consideran ideales por simplicidad, por lo que se pueden ignorar las pérdidas.

En el próximo tutorial sobre la teoría de circuitos de CC, veremos la Transformación Delta-Estrella, que nos permite convertir circuitos conectados en estrella balanceados en delta equivalentes y viceversa.

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