임피던스 란?

이것은 공동체를위한 자원과 나 자신을위한 학습 경험으로 제시됩니다. 나는 문제에 대한 지식이 충분하지만, 주제의 세부 사항을 잘 이해하지 못한다. 유용한 답변은 다음과 같습니다.

• 임피던스 성분의 설명
• 이러한 구성 요소가 상호 작용하는 방법
• 어떻게 임피던스를 변환 할 수 있습니까?
• 이것이 RF 필터, 전원 공급 장치 및 기타 항목과 관련이있는 방법 ...

도와 주셔서 감사합니다!

"임피던스는 무엇인가"라는 질문에, 임피던스는 일반적으로 물리학의 광범위한 개념이며, 전기 임피던스는 단지 하나의 예일뿐입니다.

의미와 작동 방식을 파악하기 위해 기계적 임피던스를 고려하는 것이 더 쉬운 경우가 많습니다. 바닥을 가로 질러 무거운 소파를 밀려 고 시도하십시오.
밀착 강도, 소파 무게, 바닥 유형, 소파의 발 유형 등에 따라 일정한 양의 힘을 가하면 소파가 특정 속도로 미끄러집니다. 이 상황에서, 얼마나 세게 누르는가와 소파가 얼마나 빨라지 는가 사이의 비율을 제공하는 기계적 임피던스를 정의 할 수 있습니다.

이것은 실제로 DC 전기 회로와 매우 유사하며 회로에 일정한 양의 전압을 적용하고 전류는 특정 속도로 흐릅니다.

소파와 회로의 경우 입력에 대한 응답은 간단하고 상당히 선형적일 수 있습니다. 옴의 법칙을 준수하는 저항, 전기 임피던스가 저항 인 소파에는 마찰 슬라이더 다리가있어 힘에 비례하는 속도로 움직입니다. *

회로 및 기계 시스템도 비선형 일 수 있습니다. 회로가 다이오드와 직렬로 저항을 가로 질러 배치 된 가변 전압으로 구성된 경우, 다이오드의 순방향 전압을 초과 할 때까지 전류는 0에 가까워지며,이 시점에서 전류는 저항에 따라 저항을 통해 흐르기 시작합니다. 법. 마찬가지로, 바닥에 앉은 소파는 보통 어느 정도의 정적 마찰력을 갖습니다. 일정량의 초기 힘으로 밀기 전까지는 움직이기 시작하지 않습니다. 기계 시스템과 전기 시스템에는 정의 할 수없는 단일 선형 임피던스가 없습니다. 오히려 최선의 방법은 서로 다른 조건에서 임피던스를 별도로 정의하는 것입니다. (실제 세계는 훨씬 더 비슷합니다.)

일이 매우 명확하고 선형 일지라도 임피던스는 단지 비율을 설명한다는 점에 유의해야합니다. 이는 시스템의 한계를 설명하지 않으며 "나쁜"것이 아닙니다. 더 많은 전압 / 푸시를 추가하여 이상적인 시스템에서 원하는만큼의 전류 / 속도를 얻을 수 있습니다.

기계 시스템은 또한 AC 임피던스에 대해 상당히 좋은 느낌을 줄 수 있습니다. 자전거를 타고 있다고 상상해보십시오. 페달의 각 반주기마다 왼쪽으로 밀고 오른쪽으로 밉니다. 한 발과 발끝으로 페달을 밟는 것을 상상할 수 있습니다. 페달을 밟을 때마다 밀고 당깁니다. 이는 회로에 AC 전압을 적용하는 것과 매우 유사합니다. 특정 주파수에서 주기적으로 주기적으로 밀고 당깁니다.

자전거를 멈출 때처럼 주파수가 충분히 느리면 페달을 밟는 문제는 소파를 누르는 것과 같은 "dc"문제 일뿐입니다. 하지만 속도를 높이면 상황이 다르게 행동 할 수 있습니다.

이제 특정 속도로 자전거를 타는 중이고 자전거가 저속, 중속 및 고속 기어 비율의 3 단 변속이라고 가정 해보십시오. 중간 느낌은 자연스럽고, 기어는 차이를 만들기에 충분한 힘을 가하기 어렵고, 기어가 낮 으면 바퀴에 에너지를 전달하지 않고 페달을 돌리기 만하면됩니다. 이것은 임피던스 매칭 의 문제 로, 바퀴에 발에 일정한 양의 물리적 저항이있을 때만 힘을 효과적으로 전달할 수 있습니다. 해당 전기 현상도 매우 일반적입니다. A 지점에서 B 지점으로 RF 전력을 효과적으로 전송하려면 임피던스 정합 라인이 필요하며 두 전송 라인을 함께 연결할 때마다 인터페이스에서 약간의 손실이 발생합니다.

페달이 발에 제공하는 저항은 누르는 힘에 비례하며, 이는 특히 낮은 속도에서 간단한 저항과 가장 밀접한 관련이 있습니다. AC 회로에서도 저항은 저항처럼 작동합니다 (특정 지점까지).

그러나 저항과 달리 자전거의 임피던스는 주파수에 따라 다릅니다. 자전거를 정지 상태에서 높은 기어에 넣었다고 가정하십시오. 시작하기 가 매우 어려울 수 있습니다 . 그러나 일단 시작하면 더 빨리 갈수록 페달에 의해 표시되는 임피던스가 내려 가고, 매우 빠르게 갈 때 페달에서 너무 작은 임피던스를 나타내어 발에서 전력을 흡수 할 수 있습니다. 따라서 실제로 주파수에 의존하는 임피던스 ( 리액턴스 )가 높아지고 높은 주파수로 갈수록 낮아집니다.

이것은 커패시터의 동작과 매우 유사하며 자전거의 기계적 임피던스에 대한 상당히 좋은 모델은 커패시터와 병렬로 연결된 저항입니다.

dc (제로 속도)에서는 임피던스가 높고 일정한 저항 만 나타납니다. 페달링 주파수가 증가함에 따라 커패시터의 임피던스는 저항의 임피던스보다 낮아져 전류가 흐르게된다.

물론 다양한 다른 전기 구성 요소와 그 기계적 비유가 있지만,이 토론에서는 일반적인 개념에 대한 초기 직관을 통해 때때로 보이는 것의 수학적 측면에 대해 배울 때 접지 상태를 유지해야합니다. 매우 추상적 인 주제처럼.

* 까다로운 말 : 옴의 법칙은 실제 장치에 대해 절대 정확하지 않으며, 실제 마찰력은 속도에 힘에 정확히 비례하지 않습니다. 그러나 "공정하게 선형"은 쉽습니다. 나는 여기에 모든 교육과 물건이 되려고 노력하고 있습니다. 좀 느슨하게 잘라

** 예를 들어, 인덕터는 휠에 스프링 식 롤러와 같은 것으로 고주파에 도달 할 때 드래그를 추가합니다)

회로 요소의 임피던스는 해당 요소의 전압과 전류 사이의 비율입니다.

정전압 및 전류

일정한 전압과 전류의 경우 임피던스는 단지 저항입니다. 저항은 전압이 변하더라도 동일한 전압 대 전류 비율을 유지하는 장치입니다. 그것들은 선형이며 전압을 두 배로 늘리고 전류도 두 배로합니다. 전압 대 전류 그래프를 그리면 기울기가 임피던스가됩니다.

두 개의 금속판과 같은 커패시터는 정전류 및 전압을위한 개방 회로처럼 작동합니다. 꼬임 선을 의미하는 인덕터는 정전류 및 전압의 단락 회로처럼 작동합니다.

(실제로는 이처럼 깨끗하지 않다. 저항은 뜨거워 질 때 전류를 덜 통과시키는 경향이있다. 커패시터는 전류가 흐르지 않아도 약간의 전류가 누설되도록한다. 인덕터는 소량의 저항을 갖는다. 일반 와이어처럼)

시간에 따라 변하는 전압과 전류

더 흥미로운 곳입니다. 커패시터 및 인덕터와 같은 일부 회로 요소는 적용되는 전압의 주파수에 따라 다소의 전류 흐름을 허용합니다. 그것들을 주파수 의존 저항으로 생각할 수 있습니다. 임피던스의 주파수 의존 부분을 리액턴스라고합니다. 리액턴스와 저항을 추가하면 임피던스를 얻을 수 있습니다.

리액턴스의 예

진폭 120V의 사인파를 생성하는 박스가 있다고 가정합니다. 박스를 초당 60 사이클로 설정하고 박스의 신호를 0.1F 커패시터에 연결합니다. 흐르는 전류는 같은 주파수에서 사인파가됩니다. 현재는 다음과 같습니다

I = V * 2 * pi * 주파수 * C

I = 120 * 2 * 3.14 * 60 * 0.1 = 4522 암페어.

(실제로, 전류가 많으면 커패시터가 폭발하게됩니다.)

사인파의 주파수를 두 배로 늘리면 전류가 두 배가됩니다. 이러한 종류의 동작은 RC 필터에 유용합니다. 한 주파수에서 높은 저항을 가지지 만 다른 주파수에서 낮은 저항을 갖는 회로를 만들 수 있습니다. 예를 들어 잡음 중에서 신호를 선택할 수 있습니다.

인덕터는 비슷하게 동작하지만 주파수를 높이면 임피던스가 감소하지 않고 증가합니다.

현실 세계

실제로 모든 것은 약간의 저항과 약간의 리액턴스 (약간의 정전 용량이나 인덕턴스 중 하나만)를 가지고 있습니다. 또한 모든 회로에는 온도 의존성 또는 기하학적 효과와 같은 비선형 성이있어 이상적인 모델과 다릅니다.

또한 우리가 다루는 전압과 전류는 완벽한 사인파가 아니며 주파수의 혼합입니다.

예를 들어, 아파트 건물의 버저와 같이 도어 잠금 장치를 열기 위해 솔레노이드를 실행한다고 가정합니다. 솔레노이드는 스프링의 힘에 대해 래치를 뒤로 당기는 자기장을 생성하는 거대한 인덕터입니다. 솔레노이드를 끄면 시간이 지남에 따라 전류가 크게 변경됩니다. 전류를 빠르게 떨어 뜨리려고 할 때 솔레노이드의 인덕턴스는 전압을 빠르게 상승시킵니다.

그렇기 때문에 고주파수 변화로 인한 전압 스파이크를 피하면서 전류가 더 느리게 떨어질 수 있도록 큰 인덕터와 병렬로 "플라이 백 다이오드"를 볼 수 있습니다.

다음 단계

여기에서 다음 단계는 여러 반응성 요소 (예 : 저항 및 커패시터)로 구성된 회로를 모델링하는 방법을 배우는 것입니다. 이를 위해 전압과 전류의 진폭뿐만 아니라 그 사이의 위상 변화도 추적해야합니다. 사인파의 피크는 시간에 맞춰 정렬되지 않습니다.

(: 불행히도, 난 몇 가지 작업이 여기에 끝내야 할, 그래서 나는이 링크와 함께 당신을 떠날해야합니다 http://www.usna.edu/MathDept/CDP/ComplexNum/Module_6/ComplexPhasors.htm )

임피던스는 커패시턴스 및 인덕턴스의 영향을 포함하는 저항 개념의 확장입니다. 인덕터와 커패시터는 "리액턴스"를 가지며 임피던스는 저항과 리액턴스의 효과의 조합입니다.

n00b 소개 : 본질적으로 커패시터와 인덕터를 저항기처럼 생각하여 계산을보다 간단하고 직관적으로 수행 할 수 있습니다. 예를 들어, 순전히 저항 전압 분배기의 출력을 계산하는 방법을 알고 있다면 :

주어진 주파수에서 RC 필터의 출력 크기를 계산할 수도 있습니다.

예를 들어 R이 1kΩ이고 C가 1uF라고 가정하고 160Hz에서 사인파를 입력하면 출력 전압을 알고 싶어합니다. 160Hz에서 커패시터의 리액턴스는 약 1kΩ 의 크기를 가지므로 두 "저항"은 동일하며 각 전압은 동일합니다. 각 구성 요소는 저항성 케이스에서와 같이 입력 전압의 0.707을 갖지만 0.5가 아닙니다.

다른 주파수에서는 커패시터의 리액턴스 크기가 다를 수 있으므로 필터가 다른 주파수에 다르게 반응합니다. 또한 허수를 사용하여 출력의 위상 편이를 계산할 수 있지만 종종 크기가 유일한 부분입니다.

임피던스에 대해 내가 좋아하는 기계적인 비유는 수직으로 매달려있는 스프링이며 무게 추가 매달려 있습니다. 시스템이 처음에는 움직이지 않고 상단의 무게에 잠시 위로 올라가서 원래 위치로 빠르게 돌아 오면 방해가 스프링 아래로 이동합니다. 각 무게는 위의 무게로 위로 당겨지고, 아래의 무게로 아래로 당기고 (아래로 아래로 당겨), 위의 무게로 위로 밀고 (아래로 아래로 밀림) 아래 무게. 이 모든 일이 발생하면 무게는 원래 위치와 (제로) 속도로 돌아갑니다.

하향 전파의 동작은 그 아래에 의존하지 않습니다. 그러나 파도가 바닥에 도달하면 스프링 끝이 매달려 있는지, 어떤 물체에 단단히 고정되어 있는지, 또는 약간의 저항으로 움직일 수있는 물체에 고정되어 있는지에 따라 세 가지 중 하나가 발생할 수 있습니다.

스프링의 끝이 매달려 있으면 하단 웨이트 아래에 위로 튀어 올릴 때 아래로 잡아 당기는 물건이 없습니다. 이것의 결과는 무게가 다른 것보다 더 많이 위로 올라가고, 위의 무게보다 더 많은 에너지가 상쇄 될 것으로 예상됩니다. 이것은 결국 웨이트를 웨이트 위에서 위로 밀게하고, 위로 내려가는 웨이브를 생성하며, 이는 아래로 내려 오는 웨이브와 크기가 같습니다 (마찰 손실이 없음). 변위 방향은 원래 파와 동일하지만 응력은 반대입니다 (원래 파는 장력 파, 리바운드는 압축됩니다).

대조적으로, 스프링의 끝이 고정되면, 바닥 중량은 스프링 아래의 스프링이 예상보다 더 강하게 저항 함을 알게됩니다. 따라서 바닥 무게는 예상보다 높은 무게만큼 올라가지 않을 것이며, 바닥 효과는 바닥이 여분의 "줄다리기"를했던 것처럼 파도가 위로 향하게됩니다. 이 파의 변위 방향은 원래 파의 반대 방향 (즉, 아래쪽)이지만 응력은 동일합니다 (압축).

스프링의 바닥이 매달려있는 스프링만큼 움직이지 않는 물체에 부착되면 위의 두 동작이 어느 정도 취소 될 수 있습니다. 스프링 바닥이 올바른 양만큼만 움직일 수있게되면 동작이 취소되고 파도가 사라집니다. 그렇지 않으면 하나 또는 다른 유형의 파도가 반동하지만 크기는 일반적으로 매달려 있거나 고정 된 끝보다 작습니다. 필요한 저항의 양은 임피던스에 의해 효과적으로 정의되며, 이는 차례로 중량의 질량과 스프링의 스프링 상수의 함수입니다.

이 모델은 많은 임피던스 관련 동작을 캡처합니다. 예를 들어, 특정 포인트 무게 100g을 초과하는 무게와 200g 이하의 무게가 모두 같고 모든 스프링이 동일한 경우, 더 가벼운 무게에서 무거운 무게로의 전환으로 인해 일부 파동 에너지가 위쪽으로 반사됩니다 (방식으로) 무거운 무게는 예상만큼 많이 움직이지 않기 때문에 고정 된 하단과 비슷 함). 핵심 개념은 제로 속도로 돌아 가기 위해 추진되는 물체의 경우 운동 에너지와 운동량을 모두 전달해야한다는 것입니다. 만약 그들이 밀어 붙인 것과 같은 특성을 가진 에너지와 운동량을 전달할 수 있다면, 모든 에너지와 운동량을 받아 들여 전달할 것입니다. 그렇지 않으면 그들은 에너지 및 / 또는 운동량의 일부를 다시 보내야 할 것이다.

나는 전기 영역에 대한 대답을 제한 할 것이다. 임피던스 (Z)는 문자 그대로 V / I입니다. 그렇게 간단합니다. 그러나 '그것'이 모든 경우에 그렇게 간단하지는 않습니다. 간단한 작업부터 시작해 봅시다.

임피던스가 단순 일괄 저항이고 V가 DC 전압 인 경우 (주파수 = f = 0) Z = V / I를 R = V / I로 다시 쓸 수 있습니다.

임피던스가 캡 또는 인덕터로 인한 경우 임피던스는 주파수에 따라 다릅니다.

주파수가 구성 요소가 집중 소자로 표시되지 않을 정도로 높아지면 임피던스는 주파수에만 국한 될뿐만 아니라 위치에 따라 달라집니다. 때때로 이러한 요소는 분배되도록 설계 (예 : 자유 공간의 도파관, 안테나 및 EM 파) 및 때로는 그렇지 않습니다.

시간과 공간 (1 차원)에서 이러한 고주파 효과를 묘사하기 위해 개발 된 일반적인 도구는 다음과 같습니다. . . Z = V / I. 그러나 'V'와 'I'는 모두 (A) (e) ^ (j (wt + x)) 형식의 복소수 벡터입니다. 여기서 j = SQRT (-1), 'A'는 상수, 'e '는 자연 로그의 기초이고'w '는 라디안 / 초 단위의 주파수이고't '는 초 단위의 시간이며'x '는 1-D 경로를 따른 거리입니다. 'Z'는이 두 복소수 벡터의 비율이므로 시간과 공간에 따라 변하는 복소수 벡터입니다. 전기 기술자는 원하는 시간과 위치에 따라 이러한 수량을 조작 한 다음 실제 세계에서 관찰되는 것을 얻기 위해 V 또는 I (또는 Z)의 실제 부분을 가져옵니다.