¿Qué es impedancia?
La impedancia eléctrica (Z) es la oposición total que un circuito presenta a la corriente alterna. La impedancia cambia según los componentes en el circuito y la frecuencia de la CA aplicada. La impedancia puede incluir resistencia (R), reactancia inductiva (X L ) y reactancia capacitiva (X C ) . No es simplemente la suma algebraica de la resistencia, la reactancia inductiva y la reactancia capacitiva. La reactancia inductiva y la reactancia capacitiva están desfasadas en 90 ° con la resistencia, por lo que sus valores máximos se producen en diferentes momentos. Por lo tanto, la adición del vector se debe usar para calcular la impedancia.
En un circuito alimentado por CC, la resistencia es la relación de la tensión aplicada (V) a la corriente resultante (I). Esta es la Ley de Ohm.
Una corriente alterna regularmente invierte su polaridad. Cuando un circuito de CA contiene solo resistencia, la resistencia del circuito también está determinada por la ley de Ohm.
Sin embargo, cuando la capacitancia y / o la inductancia están presentes en un circuito de CA, causan que el voltaje y la corriente estén desfasados. Por lo tanto, la ley de Ohm debe ser modificada al sustituir la resistencia por resistencia (Z). La Ley de Ohm se convierte en: Z = V / I, donde Z es un número complejo.
Z es un número complejo; es decir, tiene un componente real (R) y un componente imaginario ( jX ). El componente imaginario representa cualquier punto en la forma de onda de CA.
Cambio de fase
La resistencia siempre está en fase con la tensión. Por lo tanto, un cambio de fase siempre es relativo a la línea de resistencia. Cuando el circuito tiene más resistencia en relación con la reactancia inductiva, la línea de impedancia se mueve hacia la línea de resistencia (eje X) y el desplazamiento de fase disminuye. Cuando el circuito produce más reactancia inductiva en relación con la resistencia, la línea de impedancia se desplaza hacia la línea de reactancia inductiva (eje Y) y el desplazamiento de fase aumenta.
La impedancia en un circuito con resistencia y reactancia inductiva puede calcularse usando la siguiente ecuación. Si la reactancia capacitiva estaba presente en el circuito, su valor se agregaría al término de inductancia antes de cuadrar.
El ángulo de fase del circuito se puede calcular usando la ecuación siguiente. Si la reactancia capacitiva estuviera presente en el circuito, su valor se restaría del término de reactancia inductiva.
Se puede dibujar un desplazamiento de fase en un diagrama vectorial que muestra una impedancia en serie, Z, su parte real Rs (resistencia en serie), su parte imaginaria jXs (reactancia en serie) y el ángulo de fase θ.
ω = 2πf
Figura 1 . Un conjunto de diagramas de vectores
Cuando hay inductancia o capacitancia en un circuito, el voltaje y la corriente están desfasados.
Inductancia : el voltaje en el inductor es máximo cuando la tasa de cambio de la corriente es máxima. Para una forma de onda de CA (sinusoidal), esto es en el punto donde la corriente real es cero. El voltaje aplicado a un inductor alcanza su valor máximo un cuarto de ciclo antes de que la corriente lo haga, y se dice que el voltaje conduce la corriente en 90 o .
Capacitancia : la corriente que fluye a través del condensador es directamente proporcional al valor del condensador (los condensadores de alto valor se cargan más lentamente) y es directamente proporcional al cambio en la tensión del condensador a lo largo del tiempo. La corriente aplicada a un condensador alcanza su valor máximo un cuarto de ciclo antes del voltaje; la corriente lleva el voltaje en 90 o. a través del condensador.
Serie vs. Equivalencias Paralelas
¿Cuáles deberían ser parámetros medidos, en serie o paralelos? Depende del propósito de la medición. Para las mediciones entrantes de inspección y producción en componentes pasivos, generalmente los valores de la serie se especifican en los estándares EIA y MIL. Estos estándares también especifican las frecuencias de prueba y otras condiciones de prueba.
Para determinar el valor de CC de una resistencia que utiliza mediciones de CA, utilice mediciones en serie de resistencias de bajo valor (por ejemplo, bajo 1k) ; usa mediciones paralelas de las de alto valor. En la mayoría de los casos, esto evita los errores debidos a la inductancia en serie y a la capacitancia en paralelo paralela. Además, use una frecuencia de prueba baja. Tenga en cuenta que a veces una medición de CA puede dar el valor de CC correcto mejor que una medición de CC porque se evitan los errores de deriva y voltaje térmico y la sensibilidad de medición tiende a ser mayor.
Otros casos donde se prefieren las mediciones paralelas son cuando se miden valores muy bajos de capacitancia, cuando se realizan mediciones en materiales dieléctricos y magnéticos, y, por supuesto, cuando se intenta determinar los valores separados de dos componentes en paralelo. Con mucha frecuencia, la D de un condensador es menor que .01, por lo que no hace ninguna diferencia que se mida porque la diferencia entre la serie y los valores paralelos es menor que .01%. Del mismo modo, la Q de una resistencia suele ser inferior a 0,01, de modo que se puede medir cualquier cantidad de resistencia.
Un circuito equivalente para esta impedancia pondría a Rs y Xs en serie, de ahí el subíndice 's' .
El recíproco de Z es Admisión (Y), que también es un número complejo que tiene una parte real Gp (conductancia paralela) y una parte imaginaria jBp ( susceptancia paralela) con un ángulo de fase φ.
Para obtener una lista completa de términos y ecuaciones de impedancia, consulte la página 65. .
La resistencia, R, se puede especificar con un solo número real y la unidad es el Ohm (Ω). La conductancia, G, de un dispositivo es el recíproco de su resistencia: G = 1 / R. La unidad de conductancia es el Siemen (anteriormente mho, 'Ohm' deletreado al revés).
Para CA, la relación de voltaje a la corriente es un número complejo porque los voltajes y las corrientes de CA tienen una fase así como también una magnitud. Este número complejo se llama impedancia, Z, y es la suma de un número real, R, y uno imaginario, jX , (donde j = -1). Por lo tanto, Z = R + jX . La parte real es la resistencia de CA y la parte imaginaria es la reactancia. Ambos tienen unidades de Ohms.
La reactancia viene en dos tipos, inductivo y capacitivo. La reactancia de un elemento inductivo es L, donde L es su inductancia y = 2πf (donde f = frecuencia). La reactancia de un elemento capacitivo es negativa, -1 / C, donde C es su capacitancia. El signo negativo ocurre porque la impedancia de un condensador puro es 1 / j C y 1 / j = -j.
Debido a que la impedancia de dos dispositivos en serie es la suma de sus impedancias separadas, considere una impedancia como la combinación en serie de una resistencia ideal y un capacitor o inductor ideal. Este es el circuito equivalente en serie de una impedancia que comprende una resistencia en serie equivalente y una capacitancia o inductancia en serie equivalente. Usando los subíndices para series, tenemos:
Para una red que tiene muchos componentes, los valores de los elementos del circuito equivalente cambian con la frecuencia. Esto también es cierto para los valores de los elementos inductivos y capacitivos del circuito equivalente de un único componente real (aunque los cambios suelen ser muy pequeños).
La impedancia se representa, en cualquier frecuencia específica, por un circuito equivalente. Los valores de estos elementos o parámetros dependen de qué representación se use, en serie o en paralelo, excepto cuando la impedancia es puramente resistiva o puramente reactiva. En tales casos, solo se necesita un elemento y la serie o los valores paralelos son los mismos.
Admittance, Y, es el recíproco de la impedancia como se muestra en la ecuación 2:
También es un número complejo que tiene una parte real, la conductancia CA y una parte imaginaria, la susceptance B. Debido a que se agregan las admitancias de elementos paralelos, Y puede representarse mediante una combinación paralela de una conductancia ideal y una susceptancia , donde esta última es una capacitancia ideal o una inductancia ideal. Usando el subíndice p para elementos paralelos, tenemos la ecuación 3:
En general, Gp no es igual a 1 / Rs y Bp no es igual a 1 / Xs (o -1 / Xs) como se puede ver en el cálculo en la ecuación 4.
Por lo tanto, Gp = 1 / Rs solo si Xs = 0, que es el caso solo si la impedancia es una resistencia pura; y Bp = -1 / Xs (observe el signo menos) solo si Rs = 0, es decir, la impedancia es una capacitancia o inductancia pura.
Otras dos cantidades, D y Q, son medidas de la "pureza" de un componente, es decir, qué tan cerca está de ser ideal o que solo contiene resistencia o reactancia. D, el factor de disipación, es la relación de la parte real de la impedancia, o admisión, a la parte imaginaria. Q, el factor de calidad, es el recíproco de esta relación como se ilustra en la ecuación 5.
Una discusión en profundidad de La Historia de las Medidas de Impedancia de Henry P. Hall es otro artículo bien escrito sobre el tema de las medidas de impedancia.