Apa itu impedansi?

Ini disajikan sebagai sumber daya bagi komunitas dan pengalaman belajar bagi saya sendiri. Saya hanya memiliki pengetahuan yang cukup tentang subjek untuk membuat saya mendapat masalah, tetapi saya tidak memiliki pemahaman terbaik tentang rincian subjek. Beberapa tanggapan yang bermanfaat mungkin:

• Penjelasan komponen impedansi
• Bagaimana komponen-komponen itu berinteraksi
• Bagaimana seseorang dapat mengubah impedansi
• Bagaimana ini terkait dengan filter RF, catu daya, dan hal lain ...

Terima kasih untuk bantuannya!

Untuk pertanyaan "apa itu Impedansi," saya akan mencatat bahwa impedansi adalah konsep fisika yang luas secara umum, yang mana impedans listrik hanyalah satu contoh.

Untuk memahami apa artinya dan cara kerjanya, seringkali lebih mudah untuk mempertimbangkan impedansi mekanis. Pikirkan untuk mencoba mendorong (geser) sofa yang berat ke lantai.
Anda menerapkan kekuatan tertentu, dan sofa meluncur dengan kecepatan tertentu, tergantung pada seberapa keras Anda mendorong, berat sofa, jenis permukaan lantai, jenis kaki yang dimiliki sofa, dan sebagainya. Untuk situasi ini, Anda dapat menentukan impedansi mekanis yang memberikan rasio antara seberapa keras Anda mendorong dan seberapa cepat sofa berjalan.

Ini sebenarnya sangat mirip dengan rangkaian listrik as, di mana Anda menerapkan sejumlah tegangan di seluruh rangkaian, dan arus mengalir pada tingkat yang sesuai tertentu melalui itu.

Untuk kasus kedua sofa dan sirkuit, respons terhadap input Anda mungkin sederhana dan cukup linier: sebuah resistor yang mematuhi Hukum Ohm, di mana impedans listriknya hanya hambatan, dan sofa mungkin memiliki kaki geser gesekan yang memungkinkannya untuk bergerak dengan kecepatan yang sebanding dengan kekuatan Anda. *

Sirkuit dan sistem mekanis mungkin juga nonlinier. Jika rangkaian Anda terdiri dari tegangan variabel yang ditempatkan melintasi resistor secara seri dengan dioda, arus akan mendekati nol hingga Anda melebihi tegangan maju dioda, di mana titik arus akan mulai mengalir melalui resistor, sesuai dengan Ohm hukum. Demikian juga, sofa yang duduk di lantai biasanya akan memiliki beberapa tingkat gesekan statis: ia tidak akan mulai bergerak sampai Anda mendorong dengan kekuatan awal dalam jumlah tertentu. Baik dalam sistem mekanik maupun listrik tidak ada impedansi linier tunggal yang dapat didefinisikan. Sebaliknya, yang terbaik yang dapat Anda lakukan adalah secara terpisah mendefinisikan impedansi dalam kondisi yang berbeda. (Dunia nyata jauh lebih seperti ini.)

Bahkan ketika segala sesuatunya sangat jelas dan linier, penting untuk dicatat bahwa impedansi hanya menggambarkan rasio - itu tidak menggambarkan batas-batas sistem, dan itu tidak "buruk." Anda pasti bisa mendapatkan arus / kecepatan sebanyak yang Anda inginkan (dalam sistem yang ideal) dengan menambahkan lebih banyak voltase / mendorong lebih keras.

Sistem mekanik juga dapat memberikan kesan yang cukup baik untuk impedansi ac. Bayangkan Anda sedang mengendarai sepeda. Dengan setiap setengah putaran pedal, Anda mendorong ke kiri, mendorong ke kanan. Anda juga bisa membayangkan mengayuh hanya dengan satu kaki dan jepit kaki, sehingga Anda mendorong dan menarik dengan setiap siklus pedal Anda. Ini sangat mirip dengan memberikan tegangan ac ke sirkuit: Anda mendorong dan menariknya secara bergantian, pada putaran tertentu, pada frekuensi tertentu.

Jika frekuensinya cukup lambat - seperti ketika Anda berhenti di atas sepeda, masalah menekan pedal hanyalah masalah "dc", seperti mendorong sofa. Ketika Anda mempercepat, hal-hal dapat bertindak berbeda.

Sekarang, anggaplah Anda bersepeda bersama pada kecepatan tertentu, dan sepeda Anda adalah tiga kecepatan dengan rasio gigi rendah, sedang, dan hi gear. Medium terasa alami, hi gear sulit untuk menerapkan kekuatan yang cukup untuk membuat perbedaan, dan pada gigi rendah, Anda hanya memutar pedal tanpa mentransfer energi ke roda. Ini adalah masalah pencocokan impedansi , di mana Anda hanya dapat secara efektif mentransfer daya ke roda ketika mereka memberikan sejumlah ketahanan fisik pada kaki Anda - tidak terlalu banyak, tidak terlalu sedikit. Fenomena listrik yang sesuai juga sangat umum; Anda perlu saluran yang sesuai dengan impedansi untuk mentransmisikan daya RF secara efektif dari titik A ke titik B, dan setiap kali Anda menghubungkan dua saluran transmisi secara bersamaan, akan ada beberapa kerugian pada antarmuka.

Resistansi yang diberikan pedal ke kaki Anda sebanding dengan seberapa keras Anda menekan, yang menghubungkannya paling dekat dengan resistansi sederhana - khususnya pada kecepatan rendah. Bahkan di sirkuit AC, sebuah resistor berperilaku seperti sebuah resistor (hingga titik tertentu).

Namun, tidak seperti resistor, impedansi sepeda tergantung pada frekuensi. Misalkan Anda menaruh sepeda Anda di gigi tinggi, mulai dari berhenti. Hal ini dapat sangat sulit untuk memulai. Tetapi, begitu Anda memulai, impedansi yang diberikan oleh pedal turun saat Anda bergerak lebih cepat, dan begitu Anda berjalan sangat cepat, Anda mungkin mendapati bahwa pedal menghadirkan impedansi yang terlalu sedikit untuk menyerap daya dari kaki Anda. Jadi sebenarnya ada impedansi tergantung frekuensi ( reaktansi ) yang dimulai tinggi dan semakin rendah saat Anda menuju frekuensi yang lebih tinggi.

Ini sangat mirip dengan perilaku kapasitor, dan model yang cukup baik untuk impedansi mekanik sepeda akan menjadi resistor secara paralel dengan kapasitor.

Pada dc (kecepatan nol), Anda hanya melihat resistansi tinggi dan konstan sebagai impedansi Anda. Ketika frekuensi mengayuh meningkat, impedansi kapasitor menjadi lebih rendah dari resistor, dan memungkinkan arus mengalir dengan cara itu.

Ada, tentu saja, berbagai komponen listrik lainnya dan analogi mekanisnya **, tetapi diskusi ini harus memberi Anda beberapa intuisi awal tentang konsep umum untuk tetap membumi (pun intended) ketika Anda mempelajari tentang aspek matematika dari apa yang kadang-kadang tampak seperti subjek yang sangat abstrak.

* Kata untuk pemilih: Hukum Ohm tidak pernah tepat untuk perangkat nyata, dan gaya gesekan dunia nyata tidak pernah memberikan kecepatan yang sebanding dengan gaya. Namun, "cukup linier" itu mudah. Saya mencoba untuk menjadi semua pendidikan dan hal-hal di sini. Potong saya kendur.

** Misalnya, induktor adalah sesuatu seperti roller pegas pada roda Anda yang menambahkan hambatan saat Anda mendapatkan frekuensi yang lebih tinggi)

Impedansi elemen rangkaian adalah rasio antara tegangan dan arus pada elemen tersebut.

Tegangan dan arus konstan

Untuk tegangan dan arus yang konstan, impedansi adalah hambatan. Resistor adalah perangkat yang mempertahankan rasio voltase terhadap arus yang sama, meskipun voltase berubah. Mereka linear - menggandakan tegangan dan arus juga berlipat ganda. Jika Anda menggambar grafik tegangan vs arus, kemiringan akan menjadi impedansinya.

Kapasitor, yang seperti dua pelat logam, bertindak seperti sirkuit terbuka untuk arus dan tegangan konstan. Induktor, yang berarti kawat keriting, bertindak seperti korsleting untuk arus dan tegangan konstan.

(Pada kenyataannya, ini tidak sebersih ini. Resistor cenderung membiarkan arus kurang dari yang seharusnya ketika mereka menjadi panas. Kapasitor membiarkan sedikit arus bocor, bahkan ketika tidak seharusnya. Induktor memiliki sejumlah kecil perlawanan, seperti kawat normal.)

Tegangan dan arus yang berubah seiring waktu

Di sinilah semakin menarik. Beberapa elemen rangkaian, seperti kapasitor dan induktor, memungkinkan aliran arus yang lebih banyak atau lebih sedikit tergantung pada frekuensi tegangan yang dikenakan. Anda dapat menganggap mereka sebagai resistor yang bergantung pada frekuensi. Bagian yang bergantung pada frekuensi dari impedansi disebut reaktansi. Tambahkan reaktansi dan perlawanan dan Anda mendapatkan impedansi.

Contoh reaktansi

Misalkan Anda memiliki kotak yang menghasilkan gelombang sinus amplitudo 120 V. Anda mengatur kotak selama 60 siklus per detik dan menghubungkan sinyal kotak di kapasitor 0,1 F. Arus yang mengalir akan menjadi gelombang sinus pada frekuensi yang sama. Arus akan:

I = V * 2 * pi * frekuensi * C

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

(Pada kenyataannya, arus sebanyak itu akan membuat kapasitor meledak.)

Jika Anda menggandakan frekuensi gelombang sinus, arus akan berlipat ganda. Perilaku semacam ini berguna dalam filter RC - Anda dapat membuat sirkuit yang memiliki resistansi tinggi pada satu frekuensi, tetapi resistansi rendah pada frekuensi lain, yang memungkinkan Anda memilih sinyal dari antara noise, misalnya.

Induktor berperilaku serupa, tetapi ketika Anda meningkatkan frekuensi, impedansi meningkat daripada berkurang.

Dunia nyata

Pada kenyataannya, semuanya memiliki beberapa resistensi serta beberapa reaktansi (baik kapasitansi kecil atau induktansi, tetapi tidak keduanya). Selain itu, semua sirkuit memiliki non-linearitas, seperti ketergantungan suhu atau efek geometris yang membuatnya menyimpang dari model ideal.

Juga, tegangan dan arus yang kita hadapi bukanlah gelombang sinus yang sempurna - mereka adalah campuran frekuensi.

Misalnya, Anda menjalankan solenoida untuk membuka kunci pintu, seperti bel di gedung apartemen. Solenoid adalah induktor besar yang menciptakan medan magnet yang menarik kait terhadap kekuatan pegas. Saat Anda mematikan solenoid, Anda membuat perubahan saat ini secara drastis seiring waktu. Ketika Anda mencoba membuat penurunan arus dengan cepat, induktansi dari solenoid membuat tegangan naik dengan cepat.

Inilah sebabnya mengapa Anda melihat apa yang disebut "flyback diode" secara paralel dengan induktor besar - untuk memungkinkan arus turun lebih lambat, menghindari lonjakan tegangan yang disebabkan oleh perubahan frekuensi tinggi.

Langkah selanjutnya

Dari sini, langkah selanjutnya adalah mempelajari bagaimana memodelkan rangkaian yang dibangun dari beberapa elemen reaktif (katakanlah, sekelompok resistor dan kapasitor). Untuk itu, kita harus melacak tidak hanya amplitudo tegangan dan arus, tetapi juga pergeseran fasa di antara mereka - puncak gelombang sinus tidak berbaris dalam waktu.

(Sayangnya, saya harus menyelesaikan beberapa pekerjaan di sini, jadi saya harus meninggalkan Anda dengan tautan ini: http://www.usna.edu/MathDept/CDP/ComplexNum/Module_6/ComplexPhasors.htm )

Impedansi adalah perpanjangan dari konsep resistensi yang mencakup efek kapasitansi dan induktansi. Induktor dan kapasitor memiliki "reaktansi", dan impedansi adalah kombinasi dari efek resistensi dan reaktansi.

n00b pengantar: Pada dasarnya, ini memungkinkan Anda berpikir tentang kapasitor dan induktor seolah-olah mereka adalah resistor, membuat perhitungan lebih sederhana dan lebih intuitif. Misalnya, jika Anda tahu cara menghitung output dari pembagi tegangan resistif murni:

maka Anda juga dapat menghitung besarnya output filter RC pada frekuensi yang diberikan:

Katakanlah R adalah 1 kΩ dan C adalah 1 uF, misalnya, dan Anda ingin mengetahui tegangan keluaran jika Anda memasukkan gelombang sinus pada 160 Hz. Reaktansi kapasitor pada 160 Hz memiliki besar sekitar 1 kΩ , sehingga kedua "resistor" adalah sama, dan tegangan pada masing-masing akan sama. Setiap komponen memiliki 0,707 tegangan input yang melewatinya, bukan 0,5, seperti dalam kasus resistif.

Pada frekuensi lain, besarnya reaktansi kapasitor akan berbeda, itulah sebabnya filter merespons secara berbeda terhadap frekuensi yang berbeda. Anda juga dapat bekerja dengan angka imajiner untuk menghitung pergeseran fase dalam output, tetapi seringkali besarnya adalah satu-satunya bagian yang Anda pedulikan.

Analogi mekanis yang saya sukai untuk impedansi adalah pegas yang digantung secara vertikal dengan sekumpulan bobot yang tergantung di atasnya. Jika sistem awalnya tidak bergerak dan seseorang menyentak ke atas dengan berat di atas, mengembalikannya dengan cepat ke posisi semula, gangguan akan merambat ke pegas. Setiap bobot akan ditarik ke atas oleh bobot di atas, lalu dorong ke atas pada bobot di atas (dan didorong ke bawah olehnya) sementara itu menarik ke atas pada bobot di bawah (dan ditarik ke bawah olehnya), dan akhirnya didorong ke atas oleh berat di bawah. Setelah semua hal ini terjadi, bobot akan kembali ke posisi semula dan kecepatan (nol).

Perhatikan bahwa perilaku gelombang merambat ke bawah tidak tergantung pada apa pun di bawahnya. Namun begitu gelombang mencapai dasar, salah satu dari tiga hal dapat terjadi tergantung pada apakah akhir pegas menjuntai, tetap kaku pada sesuatu, atau tetap pada sesuatu yang dapat bergerak dengan beberapa perlawanan.

Jika ujung pegas menjuntai, beban bawah tidak akan memiliki apa pun di bawahnya untuk menarik turun ketika tersentak ke atas. Efek dari ini adalah bahwa berat akan menyentak ke atas lebih dari yang seharusnya, dan lebih dari berat di atas akan berharap untuk membatalkan energinya. Hal ini pada gilirannya akan menyebabkan bobot mendorong ke atas pada bobot di atas, dan menghasilkan gelombang perjalanan ke atas yang akan (kehilangan gesekan tidak ada) sama besarnya dengan gelombang ke bawah awal. Arah perpindahan akan sama dengan gelombang asli (yaitu ke atas) tetapi tekanannya akan berlawanan (gelombang asli adalah gelombang tegangan; rebound akan dikompresi).

Sebaliknya, jika akhir pegas ditetapkan, bobot dasar akan menemukan bahwa pegas di bawahnya tahan lebih kuat dari yang diharapkan. Dengan demikian, berat bagian bawah tidak akan naik sebanyak berat di atas yang diharapkan, dan efek bersihnya adalah seolah-olah bagian bawah memberi "tarikan" tambahan, mengirimkan gelombang ke atas. Arah perpindahan gelombang ini akan menjadi kebalikan dari gelombang asli (yaitu ke bawah) tetapi tekanannya akan sama (kompresi).

Jika bagian bawah pegas melekat pada sesuatu yang bergerak agak, tetapi tidak sebanyak pegas menjuntai, dua perilaku di atas dapat membatalkan ke tingkat tertentu. Jika bagian bawah pegas dibiarkan bergerak dalam jumlah yang tepat, perilaku akan dibatalkan dan gelombang akan hilang. Kalau tidak, satu atau jenis gelombang lain akan melambung, tetapi besarnya umumnya akan lebih kecil dari itu dengan ujung yang menggantung atau tetap. Jumlah hambatan yang diperlukan secara efektif ditentukan oleh impedansi, yang pada gilirannya merupakan fungsi dari massa bobot dan konstanta pegas pegas.

Perhatikan bahwa banyak perilaku terkait impedansi ditangkap oleh model ini. Misalnya, jika semua bobot di atas titik berat tertentu 100g sedangkan yang di bawah berat 200g, dan semua pegas sama, transisi dari bobot yang lebih ringan ke bobot yang lebih berat akan menyebabkan sebagian energi gelombang dipantulkan ke atas (dengan cara tertentu). mirip dengan ujung bawah tetap) karena bobot yang lebih berat tidak akan bergerak sebanyak yang diharapkan. Gagasan utama adalah bahwa untuk hal-hal yang didorong untuk kembali ke kecepatan nol, mereka harus mentransfer energi kinetik dan momentum mereka. Jika mereka dapat mentransfer energi dan momentum mereka ke sesuatu dengan karakteristik yang sama seperti apa pun yang mendorong mereka, mereka akan menerima semua energi dan momentum dan meneruskannya. Kalau tidak, mereka harus mengembalikan sebagian energi dan / atau momentum.

Saya akan membatasi jawaban saya ke bidang listrik. Impedansi (Z) secara harfiah hanya V / I. Sesederhana itu. Tetapi 'itu' tidak begitu sederhana dalam semua kasus. Mari kita mulai dengan penyederhanaan dan bekerja.

Jika impedansinya adalah resistor yang disatukan sederhana dan V adalah tegangan DC (frekuensi = f = 0), kita dapat menulis ulang Z = V / I menjadi R = V / I.

Jika impedansi disebabkan oleh topi atau induktor, maka impedansi bergantung pada frekuensi.

Jika frekuensi menjadi cukup tinggi sehingga komponen tidak muncul sebagai elemen yang disatukan, maka impedansi tidak hanya bergantung pada frekuensi tetapi juga tergantung pada lokasi. Terkadang elemen-elemen ini dirancang untuk didistribusikan (misalnya, pemandu gelombang, antena, dan gelombang EM di ruang bebas), dan terkadang tidak.

Alat umum yang telah dikembangkan untuk menggambarkan efek frekuensi yang lebih tinggi ini dalam ruang dan waktu (1 dimensi) adalah. . . Z = V / I. Tetapi 'V' dan 'I' keduanya merupakan besaran vektor kompleks dari bentuk (A) (e) ^ (j (wt + x)), di mana j = SQRT (-1), 'A' adalah konstanta, 'e 'adalah dasar dari logaritma natural,' w 'adalah frekuensi dalam radian / detik,' t 'adalah waktu dalam detik, dan' x 'adalah jarak di sepanjang jalur 1-D. Karena 'Z' adalah rasio dari dua vektor kompleks ini, ia juga merupakan vektor kompleks yang bervariasi dalam ruang dan waktu. Insinyur listrik memanipulasi jumlah ini untuk waktu dan lokasi yang diinginkan, dan kemudian mengambil bagian nyata dari V atau I (atau Z) untuk mendapatkan apa yang diamati di dunia nyata.