Що таке імпеданс?

Це представлено як ресурс для громади, так і досвід для себе. У мене достатньо знань з цього питання, щоб я потрапив у біду, але я не найкраще розумію його деталі. Деякі корисні відповіді можуть бути:

• Пояснення складових імпедансу
• Як взаємодіють ці компоненти
• Як можна перетворити імпеданси
• Як це стосується радіочастотних фільтрів, джерел живлення та всього іншого ...

Дякую за допомогу!

На питання "що таке імпеданс", я зазначив би, що імпеданс - це широке поняття фізики взагалі, електричний опір - лише один приклад.

Щоб зрозуміти, що це означає і як це працює, часто простіше розглянути механічний опір замість цього. Подумайте, намагаючись просунути важкий диван по підлозі.
Ви застосовуєте певну силу, і диван ковзає з певною швидкістю, залежно від того, наскільки сильно ви натискаєте, ваги дивана, типу поверхні підлоги, типу ніг, якими володіє диван, і так далі. У цій ситуації можна визначити механічний опір, який дає співвідношення між тим, наскільки сильно тиснеш, і тим, наскільки швидко йде диван.

Це насправді дуже схоже на електричний ланцюг постійного струму, де ви подаєте певну кількість напруги по ланцюгу, і струм протікає з певною відповідною швидкістю через нього.

Що стосується як дивана, так і ланцюга, реакція на ваш вхід може бути простою і досить лінійною: резистор, що підкоряється закону Ома, де його електричний опір - це лише опір, а диван може мати стулки повзунка тертя, які це дозволяють рухатися зі швидкістю, пропорційною вашій силі. *

Схеми та механічні системи також можуть бути нелінійними. Якщо ваша схема складається із змінної напруги, розміщеної поперек резистора послідовно з діодом, струм буде майже нульовим, поки ви не перевищите напругу прямого діода, в який момент струм почне текти через резистор відповідно до Ома закон. Так само диван, що сидить на підлозі, зазвичай матиме певну ступінь статичного тертя: він не почне рухатися, поки ви не натиснете з певною кількістю початкової сили. Ні в механічній, ні в електричній системі немає єдиного лінійного опору, який можна визначити. Швидше, найкраще, що ви можете зробити, це окремо визначити імпеданси в різних умовах. (Реальний світ набагато більше подібний до цього.)

Навіть коли речі дуже чіткі та лінійні, важливо зазначити, що імпеданс просто описує коефіцієнт - це не описує межі системи, і це не «погано». Ви, безумовно, можете отримати стільки струму / швидкості, скільки хочете (в ідеальній системі), додавши більше напруги / натискаючи сильніше.

Механічні системи також можуть дати досить хороше відчуття змінного опору. Уявіть, що ви їдете на велосипеді. З кожним півциклом педалей ви натискаєте вліво, натискаєте праворуч. Ви також можете уявити педалювання лише однією ногою та затискачем для ніг, таким чином, щоб ви натискали та тягнули з кожним циклом вашої педалі. Це дуже схоже на подання змінного струму до ланцюга: ви натискаєте і тягнете по черзі циклічно з певною заданою частотою.

Якщо частота досить повільна - як, наприклад, коли ви зупиняєтесь на велосипеді, проблема натискання на педалі - це лише проблема "постійного струму", як натискання на диван. Коли ви пришвидшите, все може діяти інакше.

А тепер припустимо, що ви їдете на велосипеді з певною швидкістю, а ваш велосипед - це триступінчастий з низьким, середнім та високим коефіцієнтом передач. Середній відчуває себе природним, у привітній передачі важко застосувати достатню силу, щоб змінити значення, а при низькій передачі ви просто крутите педалі, не передаючи енергії на колеса. Це питання відповідності імпедансу , коли ви можете ефективно передати силу колесам лише тоді, коли вони надають певну фізичну опір вашій стопі - не надто, не занадто мало. Відповідне електричне явище також дуже поширене; вам потрібні лінії, що відповідають імпедансу, щоб ефективно передавати радіочастотну потужність від точки А до точки В, і кожного разу, коли ви з'єднаєте дві лінії передачі разом, на інтерфейсі буде певна втрата.

Опір, який надають педалі вашим ногам, пропорційний тому, наскільки сильно тиснеш, що найбільше стосується простого опору - особливо на низьких швидкостях. Навіть в ланцюгах змінного струму резистор поводиться як резистор (до певної точки).

Однак, на відміну від резистора, імпеданс велосипеда залежить від частоти. Припустимо, ви поставили велосипед у високій передачі, починаючи від зупинки. Починати це може бути дуже важко. Але, як тільки ви почнете працювати, імпеданс, який подають педалі, знижується, коли ви рухаєтесь швидше, і коли ви будете їхати дуже швидко, ви можете виявити, що педалі мають занадто малий опір, щоб поглинати силу з ваших ніг. Таким чином, насправді є частотний опір ( реактивний коефіцієнт), який починається з високого рівня і стає нижчим, коли ви переходите на більш високу частоту.

Це дуже схоже на поведінку конденсатора, і досить хорошою моделлю для механічного опору велосипеда був би резистор паралельно конденсатору.

На постійному струмі (нульова швидкість) ви просто бачите високий, постійний опір як свій імпеданс. Зі збільшенням частоти педалювання імпеданс конденсатора стає нижчим, ніж у резистора, і дозволяє струму текти таким чином.

Звичайно, є різні інші електричні компоненти та їх механічні аналогії **, але ця дискусія повинна дати вам деяку початкову інтуїцію щодо загальної концепції, щоб залишатися заземленою (каламбур), коли ви дізнаєтесь про математичні аспекти того, що часом може здатися як дуже абстрактний предмет.

* Слово до прискіпливого: Закон Ома ніколи не є точним для реального пристрою, а сили тертя в реальному світі ніколи не дають швидкості точно пропорційній силі. Однак "досить лінійно" легко. Я намагаюся тут бути всім освітнім та іншим. Поріжте мені якусь слабкість.

** Наприклад, індуктор - це щось на зразок пружинного валика на вашому колесі, що додає перетягування при досягненні більшої частоти)

Імпеданс елемента ланцюга - це співвідношення між напругою і струмом у цьому елементі.

Постійні напруги та струми

Для постійних напруг і струмів імпеданс - це просто опір. Резистор - це пристрій, який підтримує те саме відношення напруги до струму, як і зміна напруги. Вони лінійні-- вдвічі напруга і струм подвоюється. Якби ви намалювали графік напруги проти струму, нахил був би імпедансом.

Конденсатор, як дві металеві пластини, діє як відкритий контур постійних струмів і напруг. Індуктор, що означає фігурний провід, діє як коротке замикання на постійні струми та напруги.

(Насправді це не зовсім так чисто. Резистори, як правило, пропускають менше струму, ніж повинні, коли нагріваються. Конденсатори пропускають трохи струму, навіть коли не повинні. Індуктори мають невеликий опір, як і будь-який звичайний провід.)

Напруги і струми, які змінюються з часом

Ось де стає цікавіше. Деякі елементи ланцюга, такі як конденсатори та індуктори, дозволяють мати більш чи менший струм в залежності від частоти напруги, якій вони піддаються. Ви можете вважати їх резисторами залежними від частоти. Частотно-залежна частина імпедансу називається реактивністю. Додайте реактивність і опір, і ви отримаєте опір.

Приклади реактивності

Припустимо, у вас була коробка, яка генерувала синусоїди амплітуди 120 В. Ви встановлюєте коробку на 60 циклів в секунду і підключаєте сигнал коробки через конденсатор 0,1 F. Струм, який тече, буде синусоїдою з однаковою частотою. Струм буде:

I = V * 2 * pi * частота * C

I = 120 * 2 * 3,14 * 60 * 0,1 = 4522 ампер.

(Насправді саме стільки струму змусило б вибухнути конденсатор.)

Якщо подвоїти частоту синусоїди, струм подвоївся б. Така поведінка корисна у фільтрах RC - ви можете створювати схеми, які мають високий опір на одній частоті, але низький опір на іншій, що дозволяє вибрати сигнал, наприклад, серед шуму.

Індуктор поводиться аналогічно, але зі збільшенням частоти імпеданс збільшується, а не зменшується.

Реальний світ

Насправді все має певний опір, а також деяку реактивність (або трохи ємності, або індуктивності, але не обидва). Крім того, всі схеми мають нелінійність, як температурну залежність або геометричні ефекти, які змушують їх відхилятися від ідеальної моделі.

Крім того, напруги та струми, з якими ми маємо справу, ніколи не є ідеальними синусоїдами - це суміш частот.

Наприклад, припустимо, що ви працюєте з соленоїдом, щоб відкрити дверний замок, як гудіння у багатоквартирних будинках. Соленоїд - це масивний індуктор, який створює магнітне поле, яке відтягує засувку проти сили пружини. Коли ви вимикаєте соленоїд, ви з часом різко змінюєте поточну зміну. Коли ви намагаєтесь швидко зменшити струм, індуктивність соленоїда змушує напругу швидко підніматися.

Ось чому ви бачите те, що називається "пролітковим діодом" паралельно з великими індукторами - щоб струм повільніше падав, уникаючи сплеску напруги, викликаного зміною високої частоти.

Наступний крок

Звідси наступний крок - навчитися моделювати схеми, побудовані з декількох реактивних елементів (скажімо, купа резисторів та конденсаторів). Для цього нам слід відстежувати не тільки амплітуди напруги і струму, але і зсув фаз між ними - вершини синусоїд не вирівнюються в часі.

(На жаль, я маю тут виконати певну роботу, тому мені доведеться залишити вас за цим посиланням: http://www.usna.edu/MathDept/CDP/ComplexNum/Module_6/ComplexPhasors.htm )

Імпеданс - це розширення поняття опору, що включає ефекти ємності та індуктивності. Індуктори та конденсатори мають "реактивність", а імпеданс - це поєднання ефектів опору та реактивності.

Введення n00b: По суті, вона дозволяє думати про конденсатори та індуктори так, ніби вони були резисторами, що робить розрахунки більш простими та інтуїтивними. Наприклад, якщо ви знаєте, як розрахувати вихід чисто резистивного дільника напруги:

то ви також можете обчислити величину виходу RC-фільтра на заданій частоті:

Скажімо, R, наприклад, 1 кОм, а C - 1 мкФ, і ви хочете знати вихідну напругу, якщо вводите синусоїду при 160 Гц. Реактивність конденсатора на 160 Гц має величину близько 1 кОм , тому обидва "резистора" однакові, і напруга на кожному буде однаковим. Кожен компонент має 0,707 вхідної напруги через нього, хоча не 0,5, як у резистивному випадку.

На інших частотах величина реактивності конденсатора була б різною, через що фільтр по-різному реагує на різні частоти. Ви також можете працювати з уявними числами, щоб обчислити зсув фази на виході, але часто величина є єдиною частиною, про яку ви дбаєте.

Механічна аналогія, яка мені подобається імпедансу, - це вертикально висяча пружина з колекцією ваг, що висить на ній. Якщо система спочатку нерухома, і хтось дає короткий ривок вгору до ваги у верхній частині, швидко повертаючи її у вихідне положення, збудження рухатиметься вниз пружиною. Кожна вага буде витягнута вгору на вагу вгорі, потім натиснути на вагу вгору (і натиснути на неї вниз), поки вона тягне вгору на вагу внизу (і тягне її вниз), і, нарешті, буде штовхнути вгору вага нижче. Після того, як всі ці речі відбудуться, вага повернеться у вихідне положення та (нульову) швидкість.

Зауважте, що поведінка хвилі, що розповсюджується вниз, не залежить від нічого, що знаходиться під нею. Однак, коли хвиля досягне дна, одна із трьох речей може статися залежно від того, чи кінець весни звисає, жорстко прикріплений до чогось, чи закріплений на чомусь, що може рухатися з деяким опором.

Якщо кінець весни звисає, нижня вага не матиме нічого під собою, щоб тягнути її вниз, коли вона смикається вгору. Ефект цього полягатиме в тому, що вага буде підстрибувати вгору більше, ніж це було б інакше, і більше, ніж вага вище, сподівався відмінити свою енергію. Це, в свою чергу, призведе до того, що вага підніметься на вагу вище, і створить хвилю, що рухається вгору, яка (за відсутності втрат на тертя) буде дорівнює величині початковій низхідній хвилі. Напрямок переміщення буде таким самим, як і вихідна хвиля (тобто вгору), але напруження буде протилежним (початкова хвиля була хвилею напруги; відскок буде стисканням).

На противагу цьому, якщо кінець пружини буде фіксований, нижня вага виявить, що пружина під нею чинить опір сильніше, ніж очікувалося. При цьому нижня вага не буде рухатися вгору настільки, наскільки вага, на яку він очікував, а чистий ефект буде таким, як би нижній давав додатковий "буксир", посилаючи хвилю вгору. Напрямок переміщення цієї хвилі буде протилежним початковій хвилі (тобто вниз), але напруження буде однаковим (стиснення).

Якщо дно пружини прикріплене до чогось, що дещо рухається, але не настільки, як звисаюча пружина, дві вищезгадані форми поведінки можуть певною мірою скасуватись. Якщо внизу пружини буде дозволено рухатись лише в потрібній кількості, поведінка скасується і хвиля зникне. Інакше той чи інший тип хвилі відскочить, але величина, як правило, буде меншою, ніж при звисаючому або нерухомому кінці. Необхідна кількість опору ефективно визначається імпедансом, який у свою чергу є функцією маси ваг і постійної пружини пружин.

Зауважте, що багато моделей поведінки, пов'язаних з імпедансом, охоплені цією моделлю. Наприклад, якщо всі ваги вище певної вагової точки 100 г, а ті, що нижче важать 200 г, а всі пружини рівні, перехід від легших ваг до більш важких ваг призведе до відображення деякої енергії хвилі вгору (таким чином подібний до фіксованого нижнього кінця), оскільки більш важкі ваги не будуть рухатися настільки, як очікувалося. Ключове поняття полягає в тому, що для речей, які підштовхуються до повернення до нульової швидкості, вони повинні передавати як свою кінетичну енергію, так і імпульс. Якщо вони можуть перенести свою енергію і імпульс на щось з тими ж характеристиками, що і що їх підштовхнуло, вони приймуть всю енергію і імпульс і передадуть їх далі. Інакше їм доведеться повернути частину енергії та / або імпульсу.

Я обмежу свою відповідь електричною сферою. Імпеданс (Z) - це буквально просто V / I. Це так просто. Але "це" не так просто у всіх випадках. Почнемо з спрощеного списку і попрацюємо.

Якщо імпеданс - це простий резистор зі скрученим струмом, а V - напруга постійного струму (частота = f = 0), ми можемо переписати Z = V / I на R = V / I.

Якщо імпеданс обумовлений ковпаком або індуктором, то імпеданс залежить від частоти.

Якщо частоти стають досить високими, що компоненти не виглядають як згущені елементи, то імпеданс залежить не тільки від частоти, але і від місця розташування. Іноді ці елементи призначені для розповсюдження (наприклад, напрямні хвилі, антени та ЕМ-хвилі у вільному просторі), а іноді й ні.

Загальний інструмент, розроблений для відображення цих вищих частотних ефектів у часі та просторі (1 вимір). . . Z = V / I. Але 'V' і 'I' є обома складними векторними величинами форми (A) (e) ^ (j (wt + x)), де j = SQRT (-1), 'A' - константа, 'e 'є основою природного логарифму,' w '- частота в радіанах / секунду,' t '- час у секундах, а' x '- відстань по 1-D шляху. Оскільки 'Z' є співвідношенням цих двох складних векторів, він також є складним вектором, який змінюється в часі та просторі. Електротехнік маніпулює цими величинами протягом потрібного часу та місця, а потім приймає реальну частину V або I (або Z), щоб отримати те, що спостерігається в реальному світі.