Что такое импеданс?

Это представлено как ресурс для сообщества, так и опыт обучения для меня. У меня достаточно знаний об этом предмете, чтобы попасть в неприятности, но я не имею лучшего понимания деталей предмета. Некоторые полезные ответы могут быть:

  • Объяснение компонентов импеданса
  • Как взаимодействуют эти компоненты.
  • Как можно преобразовать импедансы
  • Как это относится к ВЧ-фильтрам, источникам питания и прочим ...

Спасибо за помощь!

60 голосов | спросил 4 revs, 2 users 93%
Jesse
1 Jam1000000amThu, 01 Jan 1970 03:00:00 +030070 1970, 03:00:00

5 ответов


48

На вопрос «что такое импеданс», я хотел бы отметить, что импеданс - это широкая концепция физики в целом, электрическим импедансом которой является только один пример.

Чтобы понять, что это значит и как это работает, часто проще рассмотреть механический импеданс. Подумайте о попытке толкнуть тяжелую кушетку по полу. Вы применяете определенное усилие, а кушетка скользит с определенной скоростью, в зависимости от того, насколько сильно вы нажимаете, вес кушетки, тип поверхности пола, тип ног, которые есть на диване, и так далее. Для этой ситуации можно определить механический импеданс, который дает соотношение между тем, насколько сильно вы нажимаете и как быстро проходит кушетка.

Это на самом деле очень похоже на электрическую цепь постоянного тока, где вы применяете определенное напряжение на цепи, и ток течет с определенной скоростью через него.

В случае как кушетки, так и схемы ответ на ваш вход может быть простым и довольно линейным: резистор, который подчиняется закону Ома, где его электрический импеданс - это просто сопротивление, а на кушетке могут быть фрикционные ползунки которые позволяют ему двигаться со скоростью, пропорциональной вашей силе. *

Схемы и механические системы также могут быть нелинейными. Если ваша схема состоит из переменного напряжения, расположенного поперек резистора последовательно с диодом, ток будет почти нулевым, пока вы не превысите прямое напряжение диода, и в этот момент ток начнет протекать через резистор в соответствии с сигналом Ом закон. Аналогично, диван, сидящий на полу, обычно имеет некоторую степень статического трения: он не начнет двигаться, пока вы не нажмете с определенной силой. Ни в механической, ни в электрической системе нет единого линейного импеданса, который можно определить. Скорее, лучшее, что вы можете сделать, - это отдельно определить импедансы в разных условиях. (Реальный мир намного больше похож на этот.)

Даже когда вещи очень четкие и линейные, важно отметить, что импеданс просто описывает отношение - он не описывает пределы для системы, и это не «плохо». Вы можете определенно получить столько тока /скорости, сколько хотите (в идеальной системе), добавив больше напряжения /толчка.

Механические системы также могут дать довольно хорошее ощущение полного сопротивления. Представьте, что вы едете на велосипеде. С каждым полупериодом педалей вы нажимаете налево, нажимаете вправо. Вы также можете представить педали с одной ногой и носком клипа, так что вы нажимаете и тянете с каждым циклом педали. Это во многом напоминает применение переменного напряжения в цепи: вы нажимаете и тянете поочередно, циклически, на определенной частоте.

Если частота достаточно медленная - например, когда вы остановились на велосипеде, проблема нажатия на педали - это просто проблема «постоянного тока», например, нажатие дивана. Однако, когда вы ускоряетесь, все может действовать по-другому.

Теперь предположим, что вы едете на велосипеде с определенной скоростью, а ваш велосипед - с тремя скоростями с низким, средним и высоким передаточным числом. Среда чувствует себя естественной, на передачу очень сложно применить достаточную силу, чтобы иметь какое-либо значение, и на малой передаче вы просто вращаете педали, не передавая какую-либо энергию колесам. Это вопрос соответствия импеданса , где вы можете только эффективно передавать мощность на колеса, когда они оказывают определенное физическое сопротивление вашей ноге - не слишком много, не слишком мало. Соответствующее электрическое явление также очень распространено; вам нужны линии согласованного импеданса для эффективной передачи мощности радиочастоты от точки A до точки B, и в любое время, когда вы соединяете две линии передачи вместе, на интерфейсе будет какая-то потеря.

Сопротивление, которое педали обеспечивают на ваших ногах, пропорционально тому, как сильно вы нажимаете, что наиболее близко относится к простому сопротивлению - особенно при низких скоростях. Даже в цепях переменного тока резистор ведет себя как резистор (до определенной точки).

Однако, в отличие от резистора, импеданс велосипеда зависит от частоты. Предположим, что вы положили свой велосипед на высокую передачу, начиная с остановки. Это может быть труднее начать very . Но, как только вы начнете, импеданс, представленный педалями, снизится по мере того, как вы ускоряетесь, и как только вы пойдете очень быстро, вы обнаружите, что педали не имеют слишком большого сопротивления, чтобы поглощать силу у ваших ног. Таким образом, на самом деле существует частотно-зависимый импеданс (a реактивное сопротивление ), которое начинается высоко и становится ниже, когда вы направляетесь на более высокую частоту.

Это очень похоже на поведение конденсатора, и довольно хорошая модель для механического импеданса велосипеда будет резистором параллельно с конденсатором.

При dc (нулевая скорость) вы просто видите высокое постоянное сопротивление как ваш импеданс. По мере увеличения частоты педалей импеданс конденсатора становится ниже, чем сопротивление резистора, и позволяет течению течь таким образом.

Есть, конечно, различные другиеэлектрические компоненты и их механические аналоги **, но это обсуждение должно дать вам некоторую первоначальную интуицию по общей концепции, чтобы оставаться заземленной (каламбур), когда вы узнаете о математических аспектах того, что может порой казаться очень абстрактным предметом.

* Слово для придирчивости: закон Ома никогда не бывает точным для реального устройства, а силы трения реального мира никогда не дают скорости, точно пропорциональной силе. Однако «довольно линейный» легко. Я стараюсь быть все учебным и прочим здесь. Сократите мне слабину.

** Например, индуктор - это что-то вроде подпружиненного ролика на вашем колесе, который добавляет сопротивление, когда вы достигаете более высокой частоты).

ответил Olin Lathrop 23 J000000Wednesday14 2014, 15:11:18
22

Импеданс элемента схемы представляет собой соотношение между напряжением и током в этом элементе.

Постоянное напряжение и токи

Для постоянных напряжений и токов импеданс - это просто сопротивление. Резистор - это устройство, которое поддерживает одинаковое соотношение напряжения и тока, даже когда напряжение изменяется. Они линейные - удваивают напряжение, а ток тоже удваивается. Если вы нарисовали график напряжения против тока, наклон будет сопротивлением.

Конденсатор, который подобен двум металлическим пластинам, действует как разомкнутая цепь для постоянных токов и напряжений. Индуктор, который представляет собой кудрявый 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 нужно, когда они нагреваются. Конденсаторы пропускают небольшую утечку тока, даже если они не должны. Индукторы имеют небольшую величину сопротивления, как и любой обычный провод.)

Напряжения и токи, изменяющиеся со временем

Вот где это становится интереснее. Некоторые элементы схемы, такие как конденсаторы и индукторы, обеспечивают более или менее ток в зависимости от частоты напряжения, на которое они подвергаются. Вы можете думать о них как о частотно-зависимых резисторах. Частотно-зависимая часть импеданса называется реактивной. Добавьте реактивное сопротивление и сопротивление, и вы получите сопротивление.

Примеры реактивности

Предположим, у вас есть ящик, который генерирует синусоидальные волны с амплитудой 120 В. Вы устанавливаете коробку на 60 циклов в секунду и подключаете сигнал коробки через конденсатор 0,1 F. Ток, который течет, будет синусоидальной волной с той же частотой. Ток будет:

I = V * 2 * pi * частота * C

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

(На самом деле, этот ток может привести к взрыву конденсатора.)

Если вы удвоили частоту синусоидальной волны, ток удвоится. Такое поведение полезно в RC-фильтрах - вы можете создавать схемы с высоким сопротивлением на одной частоте, но с низким сопротивлением на другом, что позволяет, например, выбирать сигнал из-за шума.

Индуктор ведет себя аналогично, но по мере увеличения частоты импеданс увеличивается, а не уменьшается.

Реальный мир

В действительности все имеет некоторое сопротивление, а также некоторое реактивное сопротивление (либо небольшая емкость, либо 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 смесь частот.

Например, предположим, что вы запускаете соленоид, чтобы открыть дверной замок, например, зуммеры в многоквартирных домах. Соленоид - это массивный индуктор, который создает магнитное поле, которое оттягивает защелку от силы пружины. Когда вы выключаете соленоид, вы меняете текущее изменение со временем. Когда вы пытаетесь быстро сделать текущее падение, индуктивность соленоида быстро увеличивает напряжение.

Вот почему вы видите так называемый «обратный диод» параллельно с большими индукторами - чтобы ток текла медленнее, избегая скачка напряжения, вызванного высокочастотным изменением.

Следующий шаг

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

(К сожалению, мне нужно проделать определенную работу здесь, поэтому мне придется оставить вас по этой ссылке: http://www.usna.edu/MathDept/CDP/ComplexNum/Module_6/ComplexPhasors.htm )

ответил Olin Lathrop 23 J000000Wednesday14 2014, 15:11:18
17

Импеданс - это расширение понятия сопротивления, которое включает в себя эффекты емкости и индуктивности. Индукторы и конденсаторы имеют «реактивность», а импеданс представляет собой комбинацию эффектов сопротивления и реактивности.

n00b Введение. По сути, это позволяет вам думать о конденсаторах и индукторах, как о резисторах, делая вычисления более простыми и интуитивными. Например, если вы знаете, как рассчитать выход чисто резистивного делителя напряжения:

alt text

, то вы также можете рассчитать величину выхода RC-фильтра на заданной частоте:

alt text

Скажем, что R - 1 кО ©, а C - 1 мкФ, и вы хотите знать выходное напряжение, если вы вводите синусоидальную волну с частотой 160 Гц. Реактивное сопротивление конденсатора при 160 Гц имеет величину около 1 kO © , поэтому оба« резистора »одинаковы, а напряжение на каждом из них будет одинаковым. Каждый компонент имеет 0,707 входного напряжения на нем, хотя и не 0,5, как в резистивном случае.

На других частотах величина реактивности конденсатора будет различной, поэтому фильтр по-разному реагирует на разные частоты. Вы также можете работать с мнимыми числами, чтобы рассчитать фазовый сдвиг в выходе, но часто величина - это единственная часть, о которой вы заботитесь.

ответил Olin Lathrop 23 J000000Wednesday14 2014, 15:11:18
2

Механическая аналогия, которую мне нравится для импеданса, представляет собой вертикально-подвесную пружину с навеской на ней. Если система изначально неподвижна, и один дает кратковременный рывок к весу сверху, быстро возвращая его в исходное положение, возмущение будет двигаться вниз по пружине. Каждый вес будет подниматься вверх по весу выше, а затем подниматься вверх по весу выше (и подталкиваться вниз), пока он тянет вверх по весу ниже (и тянется вниз к нему), и, наконец, подталкивается вверх вес ниже. Как только все это произошло, вес вернется в исходное положение и (нулевая) скорость.

Обратите внимание, что поведение распространяющейся вниз волны не зависит от чего-либо ниже. Однако, как только волна достигает дна, одна из трех вещей может произойти в зависимости от того, висит ли конец пружины, жестко привязан к чему-либо или прикреплен к чему-то, что может двигаться с некоторым сопротивлением.

Если конец пружины свисает, нижний вес не будет иметь ничего ниже, чтобы опустить его, когда он подергивается вверх. Эффект от этого будет заключаться в том, что вес будет рывком вверх больше, чем в противном случае, и больше, чем вес выше, ожидал бы отменить его энергию. Это, в свою очередь, приведет к тому, что вес поднимется вверх по весу выше и создаст восходящую волну, которая будет (отсутствие потерь на трение) будет равна по величине начальной нисходящей волне. Направление смещения будет таким же, как и исходная волна (т. Е. Вверх), но напряжение будет противоположным (исходная волна была волной растяжения, отскок - сжатием).

В отличие от этого, если конец пружины фиксирован, нижний вес будет определять, что пружина под ним сопротивляется сильнее, чем ожидалось. Таким образом, нижний вес не будет подниматься так сильно, как ожидалось бы вес над ним, и чистый эффект будет таким, как если бы дно дало дополнительный «буксир», посылая волну вверх. Направление смещения этой волны будет противоположно исходной волне (т. Е. Вниз), но напряжение будет одинаковым (сжатие).

Если нижняя часть пружины прикреплена к чему-то, что движется несколько, но не так сильно, как свисающая пружина, два поведения выше могут в некоторой степени сокращаться. Если нижней части пружины разрешено перемещать только правильное количество, поведение отменяется, и волна исчезнет. В противном случае волна одного или другого типа отскочит, но величина, как правило, будет меньше, чем при обвисшем или фиксированном конце. Требуемое количество сопротивления эффективно определяется импедансом, который, в свою очередь, зависит от массы весов и постоянной пружины пружин.

Обратите внимание, что многие модели поведения, связанные с импедансом, фиксируются этой моделью. Например, если все веса выше определенного веса в 100 г, а те, которые ниже весом 200 г, а все пружины равны, переход от более легких весов к более тяжелым весам приведет к отражению некоторой части энергии волны вверх (в порядке подобно фиксированному нижнему концу), поскольку более тяжелые веса не будут двигаться так сильно, как ожидалось. Ключевое понятие состоит в том, что для вещей, которые толкаются, чтобы вернуться к нулевой скорости, они должны передавать как свою кинетическую энергию, так и их импульс. Если они могут передать свою энергию и импульс чему-то с теми же характеристиками, что и то, что их подтолкнуло, они будут принимать всю энергию и импульс и передавать их. В противном случае им придется отправить часть энергии и /или импульса.

ответил Olin Lathrop 23 J000000Wednesday14 2014, 15:11:18
2

Я ограничу свой ответ на электрическую сферу. Импеданс (Z) буквально равен V /I. Это так просто. Но «это» не так просто во всех случаях. Начнем с упрощения и обработки.

Если импеданс представляет собой простой сосредоточенный резистор, а V - постоянное напряжение (частота) = f = 0, мы можем переписать Z = V /I как R = V /I.

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

Если частоты становятся настолько высокими, что компоненты не отображаются в виде сосредоточенных элементов, то импеданс не только зависит от частоты, но и зависит от местоположения. Иногда эти элементы предназначены для распределения (например, волноводы, антенны и электромагнитные волны в свободном пространстве), а иногда и нет.

Общий инструмент, который был разработан для отображения этих высокочастотных эффектов 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 базой естественного логарифма,' w '- частота в радианах /секунда, t - время в секундах, а «x» - расстояние по одномерному пути. Так как «Z» является отношением этих двух комплексных векторов, то он также является сложным вектором, который изменяется во времени и пространстве. Инженер-электрик манипулирует этими количествами для желаемого времени и местоположения, а затем берет реальную часть V или I (или Z), чтобы получить то, что наблюдается в реальном мире.

ответил Olin Lathrop 23 J000000Wednesday14 2014, 15:11:18

Похожие вопросы

Популярные теги

security × 330linux × 316macos × 2827 × 268performance × 244command-line × 241sql-server × 235joomla-3.x × 222java × 189c++ × 186windows × 180cisco × 168bash × 158c# × 142gmail × 139arduino-uno × 139javascript × 134ssh × 133seo × 132mysql × 132