Что такое импеданс?

Это представлено как ресурс для сообщества и опыт обучения для меня. У меня достаточно знаний о предмете, чтобы попасть в неприятности, но я не совсем понимаю детали предмета. Некоторые полезные ответы могут быть:

• Объяснение компонентов импеданса
• Как эти компоненты взаимодействуют
• Как можно преобразовать импедансы
• Как это относится к радиочастотным фильтрам, блокам питания и прочему ...

Спасибо за помощь!

На вопрос «что такое импеданс» я хотел бы отметить, что импеданс является широкой концепцией физики в целом, электрический импеданс которой является лишь одним примером.

Чтобы понять, что это значит и как это работает, зачастую проще рассмотреть механическое сопротивление. Подумайте о попытке протолкнуть (сдвинуть) тяжелую кушетку по полу.
Вы прикладываете определенное усилие, и кушетка скользит с определенной скоростью, в зависимости от того, насколько сильно вы толкаете, веса кушетки, типа поверхности пола, типа ножек кушетки и т. Д. В этой ситуации можно определить механическое сопротивление, которое дает соотношение между тем, насколько сильно вы нажимаете, и тем, как быстро движется кушетка.

Это на самом деле очень похоже на электрическую цепь постоянного тока, где вы прикладываете определенное количество напряжения к цепи, и через нее течет ток с определенной соответствующей скоростью.

В случае кушетки и схемы ответ на ваш вход может быть простым и довольно линейным: резистор, подчиняющийся закону Ома, где его электрический импеданс является просто сопротивлением, а кушетка может иметь ножки ползунка трения, которые позволяют ему двигаться со скоростью, пропорциональной вашей силе. *

Схемы и механические системы также могут быть нелинейными. Если ваша цепь состоит из переменного напряжения, расположенного на резисторе последовательно с диодом, ток будет близок к нулю до тех пор, пока вы не превысите прямое напряжение диода, и в этот момент ток начнет течь через резистор в соответствии с омом закон. Точно так же на кушетке, сидящей на полу, обычно возникает некоторая степень статического трения: она не начнет двигаться, пока вы не нажмете с определенным начальным усилием. Ни в механической, ни в электрической системе нет единого линейного сопротивления, которое можно определить. Скорее, лучшее, что вы можете сделать, это отдельно определить импедансы в различных условиях. (Реальный мир гораздо больше похож на это.)

Даже когда все очень четко и линейно, важно отметить, что импеданс просто описывает отношение - он не описывает границы системы, и это не «плохо». Вы определенно можете получить столько тока / скорости, сколько хотите (в идеальной системе), добавив больше напряжения / толкая сильнее.

Механические системы также могут дать довольно хорошее ощущение импеданса переменного тока. Представь, что ты ездишь на велосипеде. С каждым полупериодом педалей вы нажимаете влево, нажимаете вправо. Вы также можете представить, как крутить педали всего одной ногой и зажимом для пальца на ноге, так что вы нажимаете и тянете с каждым циклом педали. Это очень похоже на подачу переменного напряжения в цепь: вы нажимаете и тянете поочередно, циклически, с определенной частотой.

Если частота достаточно медленная - например, когда вы остановились на велосипеде, проблема нажатия педалей - это просто проблема постоянного тока, например, нажатие на кушетку. Когда вы ускоряетесь, все может действовать по-другому.

Теперь предположим, что вы едете на велосипеде с определенной скоростью, а ваш велосипед - трехскоростной с низким, средним и высоким передаточным числом. Средняя кажется естественной, на высокой передаче сложно приложить достаточную силу, чтобы что-то изменить, а на низкой передаче вы просто вращаете педали, не передавая энергию колесам. Это вопрос согласования импедансов , когда вы можете эффективно передавать мощность на колеса только тогда, когда они оказывают определенное физическое сопротивление вашей ноге - не слишком много и не слишком мало. Соответствующее электрическое явление также очень распространено; вам необходимы согласованные по импедансу линии для эффективной передачи ВЧ-энергии из точки А в точку Б, и каждый раз, когда вы соединяете две линии передачи вместе, на интерфейсе будут некоторые потери.

Сопротивление, оказываемое педалями вашим ногам, пропорционально тому, насколько сильно вы нажимаете, что наиболее тесно связано с простым сопротивлением, особенно на низких скоростях. Даже в цепях переменного тока резистор ведет себя как резистор (до определенной точки).

Однако, в отличие от резистора, сопротивление велосипеда зависит от частоты. Предположим, вы включили свой велосипед на высокой скорости, начиная с остановки. Это может быть очень трудно начать. Но, как только вы начинаете, сопротивление, создаваемое педалями, уменьшается по мере того, как вы движетесь быстрее, и, когда вы едете очень быстро, вы можете обнаружить, что педали обладают слишком малым сопротивлением, чтобы поглощать энергию от ваших ног. Таким образом, в действительности существует частотно-зависимое сопротивление ( реактивное сопротивление ), которое начинается с высокого уровня и становится ниже, когда вы движетесь к более высокой частоте.

Это очень похоже на поведение конденсатора, и довольно хорошей моделью для механического импеданса велосипеда будет резистор, параллельный конденсатору.

При постоянном токе (нулевая скорость) вы просто видите высокое постоянное сопротивление в качестве импеданса. Когда частота педалирования увеличивается, сопротивление конденсатора становится ниже, чем у резистора, и это позволяет току течь таким образом.

Есть, конечно, различные другие электрические компоненты и их механические аналогии **, но это обсуждение должно дать вам некоторую начальную интуицию об общей концепции, чтобы оставаться на месте (каламбур), когда вы узнаете о математических аспектах того, что иногда может показаться как очень абстрактный предмет.

* Слово к требовательному: закон Ома никогда не бывает точным для реального устройства, а силы трения в реальном мире никогда не дают скорость, точно пропорциональную силе. Однако «довольно линейно» легко. Я пытаюсь быть все образовательным и прочее здесь. Отпусти меня.

** Например, индуктор - это что-то вроде подпружиненного ролика на вашем колесе, который добавляет сопротивление при повышении частоты)

Полное сопротивление элемента схемы - это соотношение между напряжением и током в этом элементе.

Постоянные напряжения и токи

Для постоянных напряжений и токов полное сопротивление - это просто сопротивление. Резистор - это устройство, которое поддерживает такое же отношение напряжения к току, даже при изменении напряжения. Они линейные - удваивают напряжение, а ток тоже удваивается. Если вы нарисовали график зависимости напряжения от тока, то наклоном будет сопротивление.

Конденсатор, который похож на две металлические пластины, действует как разомкнутая цепь для постоянных токов и напряжений. Индуктор, который означает вьющийся провод, действует как короткое замыкание для постоянных токов и напряжений.

(На самом деле, это не совсем так чисто. Резисторы имеют тенденцию пропускать меньше тока, чем они должны, когда они нагреваются. Конденсаторы пропускают небольшое количество тока, даже когда они не должны. Индукторы имеют небольшое сопротивление, как и любой нормальный провод.)

Напряжения и токи, которые меняются со временем

Вот где это становится более интересным. Некоторые элементы схемы, такие как конденсаторы и индукторы, пропускают больше или меньше тока в зависимости от частоты напряжения, которому они подвергаются. Вы можете думать о них как о частотно-зависимых резисторах. Частотно-зависимая часть полного сопротивления называется реактивным сопротивлением. Добавьте реактивное сопротивление и сопротивление, и вы получите сопротивление.

Примеры реактивного сопротивления

Предположим, у вас есть блок, который генерирует синусоидальные волны с амплитудой 120 В. Вы устанавливаете блок на 60 циклов в секунду и подключаете сигнал блока через конденсатор 0,1 F. Ток, который течет, будет синусоидой на той же частоте. Ток будет:

I = V * 2 * pi * частота * C

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

(На самом деле, такой большой ток заставил бы конденсатор взорваться.)

Если вы удвоите частоту синусоиды, ток удвоится. Такое поведение полезно в RC фильтрах: вы можете создавать схемы, которые имеют высокое сопротивление на одной частоте, но низкое сопротивление на другой, что позволяет, например, выделять сигнал из шума.

Индуктор ведет себя аналогично, но при увеличении частоты импеданс скорее увеличивается, чем уменьшается.

Реальный мир

В действительности, все имеет некоторое сопротивление, а также некоторое реактивное сопротивление (или небольшую емкость или индуктивность, но не оба). Кроме того, все схемы имеют нелинейности, такие как температурная зависимость или геометрические эффекты, которые заставляют их отклоняться от идеальной модели.

Кроме того, напряжения и токи, с которыми мы имеем дело, никогда не являются идеальными синусоидальными волнами - они представляют собой сочетание частот.

Например, предположим, что вы используете соленоид, чтобы открыть дверной замок, как зуммеры в многоквартирных домах. Соленоид представляет собой массивный индуктор, который создает магнитное поле, которое оттягивает защелку против силы пружины. Когда вы выключаете соленоид, вы вносите существенные изменения во времени. При попытке быстрого падения тока индуктивность соленоида вызывает быстрое повышение напряжения.

Вот почему вы видите то, что называется «обратным диодом» параллельно с большими индукторами - чтобы позволить току падать медленнее, избегая скачка напряжения, вызванного высокочастотным изменением.

Следующий шаг

Отсюда следующий шаг - научиться моделировать схемы, построенные из нескольких реактивных элементов (скажем, группы резисторов и конденсаторов). Для этого мы должны отслеживать не только амплитуды напряжения и тока, но и фазовый сдвиг между ними - пики синусоидальных колебаний не выстраиваются во времени.

(К сожалению, я должен сделать некоторую работу здесь, поэтому мне придется оставить вас с этой ссылкой: http://www.usna.edu/MathDept/CDP/ComplexNum/Module_6/ComplexPhasors.htm )

Импеданс является расширением концепции сопротивления, которая включает в себя влияние емкости и индуктивности. Индукторы и конденсаторы имеют «реактивное сопротивление», а импеданс представляет собой сочетание эффектов сопротивления и реактивного сопротивления.

Введение в n00b: По сути, оно позволяет вам думать о конденсаторах и катушках индуктивности, как о резисторах, что делает вычисления более простыми и интуитивно понятными. Например, если вы знаете, как рассчитать выходной сигнал чисто резистивного делителя напряжения:

тогда вы также можете рассчитать величину выходного сигнала RC-фильтра на заданной частоте:

Скажем, R составляет 1 кОм, а C, например, 1 мкФ, и вы хотите знать выходное напряжение, если вы вводите синусоидальный сигнал с частотой 160 Гц. Реактивное сопротивление конденсатора при 160 Гц имеет величину около 1 кОм , поэтому оба «резистора» одинаковы, и напряжение на каждом из них будет одинаковым. Каждый компонент имеет 0,707 входного напряжения, но не 0,5, как в резистивном случае.

На других частотах величина реактивного сопротивления конденсатора была бы другой, поэтому фильтр по-разному реагирует на разные частоты. Вы также можете работать с мнимыми числами для вычисления сдвига фазы на выходе, но часто величина - это единственная часть, которая вас волнует.

Механическая аналогия, которую я люблю для импеданса, - это вертикально подвешенная пружина, на которой висит коллекция гирь. Если система изначально неподвижна и кто-то резко поднимает вес наверху, быстро возвращая его в исходное положение, возмущение будет распространяться вниз по пружине. Каждый вес будет тянуться вверх от веса выше, затем толкаться вверх на весе выше (и он будет толкаться вниз), в то время как он тянет вверх на весе ниже (и тянет его вниз), и, наконец, толкается вверх вес ниже. Как только все это произойдет, вес вернется в исходное положение и (нулевую) скорость.

Обратите внимание, что поведение распространяющейся вниз волны не зависит ни от чего под ней. Однако, как только волна достигает дна, может произойти одно из трех, в зависимости от того, болтается ли конец пружины, жестко ли он прикреплен к чему-либо или прикреплен к чему-то, что может двигаться с некоторым сопротивлением.

Если конец пружины болтается, нижний вес не будет иметь ничего ниже, чтобы тянуть его вниз, когда он дергается вверх. Результатом этого будет то, что вес будет дергаться вверх больше, чем он был бы в противном случае, и больше, чем вес, приведенный выше, ожидал бы компенсировать его энергию. Это, в свою очередь, приведет к тому, что вес будет толкаться вверх на весе выше, и будет генерировать волну, идущую вверх, которая будет (при отсутствии потерь на трение) равной по величине исходной волне вниз. Направление смещения будет таким же, как у исходной волны (то есть вверх), но напряжение будет противоположным (исходная волна была волной растяжения; отскок будет сжатием).

Напротив, если конец пружины зафиксирован, нижний груз обнаружит, что пружина под ним сопротивляется сильнее, чем ожидалось. Таким образом, вес дна не будет подниматься так сильно, как ожидалось, и суммарный эффект будет таким, как если бы дно дало дополнительный «рывок», посылая волну вверх. Направление смещения этой волны будет противоположным исходной волне (то есть нисходящей), но напряжение будет таким же (сжатие).

Если нижняя часть пружины прикреплена к чему-то, что несколько смещается, но не так сильно, как висящая пружина, два указанных выше поведения могут в некоторой степени компенсироваться. Если нижней части пружины будет позволено двигаться только на нужную величину, поведение отменится, и волна исчезнет. В противном случае волна того или иного типа отскочит, но величина, как правило, будет меньше, чем при качающемся или фиксированном конце. Величина требуемого сопротивления эффективно определяется полным сопротивлением, которое, в свою очередь, является функцией массы гирь и постоянной пружины пружин.

Обратите внимание, что многие модели поведения, связанные с импедансом, фиксируются этой моделью. Например, если все веса выше определенной точечной массы 100 г, в то время как те, что ниже, весят 200 г, и все пружины равны, переход от более легких весов к более тяжелым весам вызовет отражение части энергии волны вверх (таким образом, аналогично фиксированному нижнему концу), поскольку более тяжелые грузы не будут двигаться так, как ожидалось. Ключевым понятием является то, что для вещей, которые вынуждены возвращаться к нулевой скорости, они должны передавать как свою кинетическую энергию, так и свой импульс. Если они могут передать свою энергию и импульс чему-то с теми же характеристиками, что и те, кто их подтолкнул, они примут всю энергию и импульс и передадут их. В противном случае им придется отправить часть энергии и / или импульса.

Я ограничу свой ответ электрическим царством. Импеданс (Z) буквально просто V / I. Это так просто. Но «это» не так просто во всех случаях. Давайте начнем с упрощения и продолжим работу.

Если импеданс представляет собой простой резистор с сосредоточенными параметрами, а V представляет собой напряжение постоянного тока (частота = f = 0), мы можем переписать Z = V / I, чтобы он был R = V / I.

Если импеданс обусловлен колпачком или индуктором, тогда импеданс зависит от частоты.

Если частоты становятся достаточно высокими, чтобы компоненты не выглядели как сосредоточенные элементы, тогда импеданс зависит не только от частоты, но и от местоположения. Иногда эти элементы предназначены для распределения (например, волноводы, антенны и электромагнитные волны в свободном пространстве), а иногда нет.

Общий инструмент, который был разработан, чтобы изобразить эти высокочастотные эффекты во времени и пространстве (1 измерение). , , Z = U / I. Но 'V' и 'I' являются комплексными векторными величинами вида (A) (e) ^ (j (wt + x)), где j = SQRT (-1), «A» - постоянная, «e «является основанием натурального логарифма,« w »- частота в радианах / секунду,« t »- время в секундах, а« x »- расстояние по 1-D маршруту. Поскольку «Z» является отношением этих двух комплексных векторов, он также является комплексным вектором, который изменяется во времени и пространстве. Инженер-электрик манипулирует этими величинами в течение требуемого времени и местоположения, а затем берет реальную часть V или I (или Z), чтобы получить то, что наблюдается в реальном мире.