Cos'è l'impedenza?
L' impedenza elettrica (Z) , è l'opposizione totale che un circuito presenta alla corrente alternata. L'impedenza cambia in base ai componenti del circuito e alla frequenza della CA applicata. L'impedenza può includere resistenza (R), reattanza induttiva (X L ) e reattanza capacitiva (X C ) . Non è semplicemente la somma algebrica della resistenza, della reattanza induttiva e della reattanza capacitiva. La reattanza induttiva e la reattanza capacitiva sono sfasate di 90 ° rispetto alla resistenza, in modo che i loro valori massimi si verifichino in momenti diversi. Pertanto, per calcolare l'impedenza deve essere utilizzata l'aggiunta vettoriale.
In un circuito fornito da CC, la resistenza è il rapporto tra la tensione applicata (V) e la corrente risultante (I). Questa è la legge di Ohm.
Una corrente alternata inverte regolarmente la polarità. Quando un circuito AC contiene solo resistenza, anche la resistenza del circuito è determinata dalla legge di Ohm.
Tuttavia, quando la capacità e / o l'induttanza sono presenti in un circuito CA, causano la tensione e la corrente fuori fase. Pertanto, la legge di Ohm deve essere modificata sostituendo l'impedenza (Z) per la resistenza. La legge di Ohm diventa: Z = V / I, dove Z è un numero complesso.
Z è un numero complesso; cioè, ha un componente reale (R) e un componente immaginario ( jX ). Il componente immaginario rappresenta qualsiasi punto sulla forma d'onda CA.
Sfasamento
La resistenza è sempre in fase con la tensione. Pertanto uno sfasamento è sempre relativo alla linea di resistenza. Quando il circuito ha più resistenza rispetto alla reattanza induttiva, la linea di impedenza si sposta verso la linea di resistenza (asse X) e lo spostamento di fase diminuisce. Quando il circuito produce più reattanza induttiva rispetto alla resistenza, la linea di impedenza si sposta verso la linea di reattanza induttiva (asse Y) e lo spostamento di fase aumenta.
L'impedenza in un circuito con resistenza e reattanza induttiva può essere calcolata utilizzando la seguente equazione. Se la reattanza capacitiva era presente nel circuito, il suo valore sarebbe stato aggiunto al termine di induttanza prima della quadratura.
L' angolo di fase del circuito può essere calcolato utilizzando l'equazione sottostante. Se la reattanza capacitiva era presente nel circuito, il suo valore sarebbe sottratto dal termine di reattanza induttiva.
Uno sfasamento può essere disegnato in un diagramma vettoriale che mostra un'impedenza di serie, Z, la sua parte reale Rs (resistenza in serie), la sua parte immaginaria jX (reattanza in serie) e l'angolo di fase θ.
ω = 2πf
figura 1 . Una serie di diagrammi vettoriali
Quando c'è induttanza o capacità in un circuito, tensione e corrente sono sfasate.
Induttanza : la tensione attraverso l'induttore è massima quando la velocità di variazione della corrente è massima. Per una forma d'onda AC (sinusoidale), questo è nel punto in cui la corrente effettiva è zero. La tensione applicata ad un induttore raggiunge il valore massimo di un quarto di ciclo prima corrente fa, e la tensione è detto per portare la corrente di 90 o.
Capacitanza - La corrente che fluisce attraverso il condensatore è direttamente proporzionale al valore del condensatore stesso (i condensatori di alto valore si caricano più lentamente) ed è direttamente proporzionale alla variazione della tensione del condensatore nel tempo. La corrente applicata a un condensatore raggiunge il suo valore massimo di un quarto di giro prima della tensione; la corrente porta la tensione di 90 o. lungo il condensatore.
Serie vs Equivalenze parallele
Quale dovrebbe essere misurato, serie o parametri paralleli? Dipende dallo scopo della misurazione. Per le ispezioni in entrata e le misurazioni della produzione su componenti passivi di solito i valori delle serie sono specificati negli standard EIA e MIL. Questi standard specificano anche le frequenze di prova e altre condizioni di prova.
Per determinare il valore DC di un resistore utilizzando le misurazioni AC, utilizzare le misurazioni in serie di resistori a basso valore (ad esempio sotto 1k) ; utilizzare misurazioni parallele di valori elevati. Nella maggior parte dei casi, ciò evita errori dovuti all'induttanza di serie e alla capacità parallela parallela. Inoltre, utilizzare una frequenza di prova bassa. Si noti che a volte una misurazione CA può fornire il valore CC corretto migliore di una misurazione CC poiché si evitano errori di deriva termica e di deriva e la sensibilità di misurazione può essere più elevata.
Altri casi in cui si preferiscono misure parallele sono quando si misurano valori molto bassi di capacità, quando si effettuano misurazioni su materiali dielettrici e magnetici e, naturalmente, quando si cerca di determinare i valori separati di due componenti in parallelo. Molto spesso la D di un condensatore è inferiore a 0,01, quindi non fa alcuna differenza misurata perché la differenza tra i valori di serie e quelli paralleli è inferiore allo 0,01%. Allo stesso modo, il Q di un resistore è solitamente inferiore a 0,01, in modo che sia possibile misurare entrambe le resistenze.
Un circuito equivalente per questa impedenza avrebbe messo Rs e Xs in serie, quindi pedice 's' .
Il reciproco di Z è Ammettenza (Y), che è anche un numero complesso con una parte reale Gp (conduttanza parallela) e una parte immaginaria jBp ( suscettibilità parallela) con un angolo di fase φ.
Per un elenco completo dei termini e delle equazioni di impedenza, vedere a pagina 65 .
La resistenza, R, può essere specificata da un singolo numero reale e l'unità è l'Ohm (Ω). La conduttanza, G, di un dispositivo è il reciproco della sua resistenza: G = 1 / R. L'unità di conduttanza è il Siemen (precedentemente mho, 'Ohm' scritto all'indietro).
Per AC, il rapporto tra tensione e corrente è un numero complesso poiché le tensioni e le correnti CA hanno fase e ampiezza. Questo numero complesso è chiamato impedenza, Z, ed è la somma di un numero reale, R, e uno immaginario, jX , (dove j = -1). Quindi, Z = R + jX . La parte reale è la resistenza AC e la parte immaginaria è la reattanza. Entrambi hanno unità di Ohm.
La reattività è di due tipi, induttiva e capacitiva. La reattanza di un elemento induttivo è L, dove L è la sua induttanza e = 2πf (dove f = frequenza). La reattanza di un elemento capacitivo è negativa, -1 / C, dove C è la sua capacità. Il segno negativo si verifica perché l'impedenza di un condensatore puro è 1 / j C e 1 / j = -j.
Poiché l'impedenza di due dispositivi in serie è la somma delle loro impedenze separate, considerare un'impedenza come la combinazione di serie di un resistore ideale e di un condensatore o induttore ideale. Questo è il circuito equivalente in serie di un'impedenza comprendente una resistenza in serie equivalente e una capacità o induttanza in serie equivalente. Usando il pedice s per le serie, abbiamo:
Per una rete con molti componenti, i valori degli elementi del circuito equivalente cambiano con la frequenza. Questo vale anche per i valori di entrambi gli elementi induttivo e capacitivo del circuito equivalente di un singolo componente reale (sebbene le modifiche siano in genere molto piccole).
L'impedenza è rappresentata, a qualsiasi frequenza specifica, da un circuito equivalente. I valori di questi elementi o parametri dipendono da quale rappresentazione viene utilizzata, serie o parallelo, tranne quando l'impedenza è puramente resistiva o puramente reattiva. In questi casi è necessario un solo elemento e la serie o i valori paralleli sono gli stessi.
L'ammissione, Y, è il reciproco dell'impedenza come mostrato nell'equazione 2:
Anche questo è un numero complesso, con una parte reale, la conduttanza AC e una parte immaginaria, la suscettanza B. Poiché le ammissioni di elementi paralleli vengono aggiunte, Y può essere rappresentato da una combinazione parallela di una conduttanza ideale e di una suscettanza , in cui quest'ultima è una capacità ideale o un'induttanza ideale. Usando il pedice p per gli elementi paralleli, abbiamo l'equazione 3:
In generale, Gp non è uguale a 1 / Rs e Bp non è uguale a 1 / Xs (o -1 / Xs) come si può vedere dal calcolo nell'equazione 4.
Quindi Gp = 1 / Rs solo se Xs = 0, che è il caso solo se l'impedenza è una resistenza pura; e Bp = -1 / Xs (notare il segno meno) solo se Rs = 0, cioè l'impedenza è una pura capacità o induttanza.
Altre due quantità, D e Q, sono misure della "purezza" di un componente, cioè quanto è vicino all'essere ideale o contenente solo resistenza o reattanza. D, il fattore di dissipazione, è il rapporto tra la parte reale dell'impedenza, o ammettenza, per la parte immaginaria. Q, il fattore qualità, è il reciproco di questo rapporto come illustrato nell'equazione 5.
Una discussione approfondita su The History of Impedance Measurements di Henry P. Hall è un altro articolo ben scritto sul tema delle misure di impedenza.