O que é impedância?

Isso é apresentado como um recurso para a comunidade e uma experiência de aprendizado para mim. Eu tenho conhecimento suficiente do assunto para me meter em problemas, mas não tenho a melhor compreensão dos detalhes do assunto. Algumas respostas úteis podem ser:

• Explicação dos componentes da impedância
• Como esses componentes interagem
• Como se pode transformar impedâncias
• Como isso se relaciona com filtros de RF, fontes de alimentação e qualquer outra coisa ...

Obrigado pela ajuda!

Para a pergunta "o que é impedância", eu observaria que impedância é um conceito amplo da física em geral, cuja impedância elétrica é apenas um exemplo.

Para entender o que significa e como funciona, geralmente é mais fácil considerar a impedância mecânica. Pense em tentar empurrar (deslizar) um sofá pesado pelo chão.
Você aplica uma certa força e o sofá desliza a uma certa velocidade, dependendo da força com que você empurra, do peso do sofá, do tipo de superfície do piso, do tipo de pé que o sofá tem e assim por diante. Para essa situação, é possível definir uma impedância mecânica que forneça a relação entre a força com que você empurra e a velocidade com que o sofá vai.

Na verdade, é muito parecido com um circuito elétrico dc, onde você aplica uma certa quantidade de tensão em um circuito, e a corrente flui a uma determinada taxa correspondente.

No caso do sofá e do circuito, a resposta à sua entrada pode ser simples e bastante linear: um resistor que obedece à Lei de Ohm, onde sua impedância elétrica é apenas a resistência, e o sofá pode ter pés deslizantes de atrito que permitem para se mover com uma velocidade proporcional à sua força. *

Circuitos e sistemas mecânicos também podem não ser lineares. Se o seu circuito consistir em uma tensão variável colocada através de um resistor em série com um diodo, a corrente será próxima de zero até você exceder a tensão direta do diodo, quando a corrente começará a fluir através do resistor, de acordo com as Ohm. lei. Da mesma forma, um sofá sentado no chão geralmente tem algum grau de atrito estático: ele não começará a se mover até que você empurre com uma certa quantidade de força inicial. Nem no sistema mecânico nem no elétrico há uma única impedância linear que pode ser definida. Em vez disso, o melhor que você pode fazer é definir separadamente impedâncias sob diferentes condições. (O mundo real é muito mais parecido com isso.)

Mesmo quando as coisas são muito claras e lineares, é importante observar que a impedância apenas descreve uma proporção - ela não descreve os limites do sistema e não é "ruim". Você pode obter definitivamente a quantidade de corrente / velocidade que desejar (em um sistema ideal) adicionando mais tensão / forçando com mais força.

Os sistemas mecânicos também podem dar uma boa sensação de impedância CA. Imagine que você está andando de bicicleta. A cada meio ciclo dos pedais, você empurra para a esquerda, empurra para a direita. Você também pode imaginar pedalar com apenas um pé e um grampo para o dedo, de modo que você empurra e puxa a cada ciclo do pedal. Isso é muito parecido com a aplicação de uma tensão CA a um circuito: você empurra e puxa alternadamente, ciclicamente, em uma determinada frequência.

Se a frequência for lenta o suficiente - como quando você está parado na bicicleta, o problema de pressionar os pedais é apenas um problema "dc", como empurrar o sofá. Quando você acelera, as coisas podem agir de maneira diferente.

Agora, suponha que você esteja pedalando a uma certa velocidade e sua bicicleta seja de três velocidades com marchas baixa, média e alta. O meio parece natural, o equipamento hi é difícil de aplicar força suficiente para fazer qualquer diferença, e no câmbio baixo, basta girar os pedais sem transferir energia para as rodas. Essa é uma questão de correspondência de impedância , onde você só pode efetivamente transferir energia para as rodas quando elas apresentam uma certa resistência física ao seu pé - nem muito, nem muito pouco. O fenômeno elétrico correspondente também é muito comum; você precisa de linhas correspondentes à impedância para transmitir a potência de RF efetivamente do ponto A ao ponto B e, sempre que conectar duas linhas de transmissão, haverá alguma perda na interface.

A resistência que os pedais proporcionam aos seus pés é proporcional à força com que você pressiona, o que o relaciona mais de perto a uma resistência simples - principalmente em baixas velocidades. Mesmo em circuitos CA, um resistor se comporta como um resistor (até um certo ponto).

No entanto, ao contrário de um resistor, a impedância de uma bicicleta depende da frequência. Suponha que você coloque sua bicicleta em alta velocidade, começando de uma parada. Pode ser muito difícil começar. Mas, assim que você começa, a impedância apresentada pelos pedais diminui à medida que você avança mais rápido e, quando você avança muito rápido, pode descobrir que os pedais apresentam impedância muito pequena para absorver a energia dos seus pés. Então, na verdade, existe uma impedância dependente da frequência (uma reatância ) que começa alta e diminui à medida que você avança para uma frequência mais alta.

Isso é muito parecido com o comportamento de um capacitor, e um modelo bastante bom para a impedância mecânica de uma bicicleta seria um resistor em paralelo com um capacitor.

Em CC (velocidade zero), você apenas vê a alta resistência constante como sua impedância. À medida que a frequência de pedalada aumenta, a impedância do capacitor se torna menor que a do resistor e permite que a corrente flua dessa maneira.

É claro que existem vários outros componentes elétricos e suas analogias mecânicas **, mas essa discussão deve fornecer uma intuição inicial sobre o conceito geral de permanecer aterrado (trocadilho intencional) enquanto você aprende sobre os aspectos matemáticos do que às vezes pode parecer como um assunto muito abstrato.

* Uma palavra para o exigente: a lei de Ohm nunca é exata para um dispositivo real, e as forças de atrito do mundo real nunca fornecem velocidade exatamente proporcional à força. No entanto, "bastante linear" é fácil. Estou tentando ser educacional e tudo mais aqui. Me dá uma folga.

** Por exemplo, um indutor é algo como um rolo de mola no seu volante que adiciona arrasto à medida que você alcança uma frequência mais alta)

A impedância de um elemento do circuito é a razão entre tensão e corrente nesse elemento.

Tensões e correntes constantes

Para tensões e correntes constantes, a impedância é apenas resistência. Um resistor é um dispositivo que mantém a mesma proporção de tensão / corrente, mesmo quando a tensão muda. Eles são lineares - o dobro da tensão e a corrente também dobra. Se você desenhasse um gráfico de tensão versus corrente, a inclinação seria a impedância.

Um capacitor, que é como duas placas de metal, atua como um circuito aberto para correntes e tensões constantes. Um indutor, que significa um fio encaracolado, atua como um curto-circuito para correntes e tensões constantes.

(Na realidade, não é tão limpo assim. Os resistores tendem a deixar passar menos corrente do que deveriam quando ficam quentes. Os capacitores deixam escapar um pouco da corrente, mesmo quando não deveriam. Os indutores têm uma pequena quantidade de resistência, como qualquer fio normal.)

Tensões e correntes que mudam com o tempo

Aqui é onde fica mais interessante. Alguns elementos do circuito, como capacitores e indutores, permitem mais ou menos fluxo de corrente, dependendo da frequência da tensão a que estão sujeitos. Você pode pensar neles como resistores dependentes da frequência. A parte da impedância dependente da frequência é chamada reatância. Adicione reatância e resistência e você obterá impedância.

Exemplos de reatância

Suponha que você tenha uma caixa que gerou ondas senoidais de amplitude de 120 V. Você define a caixa para 60 ciclos por segundo e conecta o sinal da caixa através de um capacitor de 0,1 F. A corrente que flui será uma onda senoidal na mesma frequência. A corrente será:

I = V * 2 * pi * frequência * C

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

(Na realidade, essa quantidade de corrente faria o capacitor explodir.)

Se você dobrar a frequência da onda senoidal, a corrente dobrará. Esse tipo de comportamento é útil nos filtros RC - você pode criar circuitos com alta resistência em uma frequência, mas baixa resistência em outra, o que permite captar um sinal entre ruídos, por exemplo.

Um indutor se comporta de maneira semelhante, mas à medida que você aumenta a frequência, a impedância aumenta em vez de diminuir.

O mundo real

Na realidade, tudo tem alguma resistência e também alguma reatância (um pouco de capacitância ou indutância, mas não ambas). Além disso, todos os circuitos têm não linearidades, como dependência de temperatura ou efeitos geométricos que os desviam do modelo ideal.

Além disso, as tensões e correntes com as quais lidamos nunca são ondas senoidais perfeitas - são uma mistura de frequências.

Por exemplo, suponha que você esteja usando um solenóide para abrir uma fechadura da porta, como as campainhas dos prédios de apartamentos. O solenóide é um indutor maciço que cria um campo magnético que puxa uma trava contra a força de uma mola. Quando você desliga o solenóide, está fazendo uma alteração atual drasticamente com o tempo. Quando você tenta fazer a corrente cair rapidamente, a indutância do solenóide aumenta a tensão rapidamente.

É por isso que você vê o que é chamado de "diodo flyback" em paralelo com grandes indutores - para permitir que a corrente caia mais lentamente, evitando o pico de tensão causado por uma mudança de alta frequência.

O próximo passo

A partir daqui, o próximo passo é aprender a modelar circuitos construídos com vários elementos reativos (por exemplo, vários resistores e capacitores). Para isso, precisamos rastrear não apenas as amplitudes de tensão e corrente, mas também a mudança de fase entre elas - os picos das ondas senoidais não se alinham a tempo.

(Infelizmente, tenho que fazer algum trabalho aqui, então terei que deixar você com este link: http://www.usna.edu/MathDept/CDP/ComplexNum/Module_6/ComplexPhasors.htm )

Impedância é uma extensão do conceito de resistência que inclui os efeitos de capacitância e indutância. Indutores e capacitores têm "reatância", e impedância é a combinação dos efeitos de resistência e reatância.

Introdução ao n00b: Essencialmente, ele permite que você pense em capacitores e indutores como se fossem resistores, tornando os cálculos mais simples e intuitivos. Por exemplo, se você souber calcular a saída de um divisor de tensão puramente resistivo:

então você também pode calcular a magnitude da saída de um filtro RC em uma determinada frequência:

Digamos que R seja 1 kΩ e C seja 1 uF, por exemplo, e você deseja saber a tensão de saída se inserir uma onda senoidal a 160 Hz. A reatância do capacitor em 160 Hz tem uma magnitude de cerca de 1 kΩ , então os dois "resistores" são os mesmos e a tensão em cada um deles é a mesma. Cada componente possui 0,707 da tensão de entrada, embora não 0,5, como no caso resistivo.

Em outras frequências, a magnitude da reatância do capacitor seria diferente, razão pela qual o filtro responde de maneira diferente a diferentes frequências. Você também pode trabalhar com números imaginários para calcular a mudança de fase na saída, mas geralmente a magnitude é a única parte com a qual você se importa.

A analogia mecânica que eu gosto de impedância é uma mola suspensa verticalmente com uma coleção de pesos pendurados nela. Se o sistema estiver inicialmente imóvel e se der um breve puxão para cima do peso no topo, retornando-o rapidamente à sua posição original, a perturbação passará pela mola. Cada peso será puxado para cima pelo peso acima, depois empurrado para cima no peso acima (e empurrado para baixo por ele) enquanto puxa para cima no peso abaixo (e é puxado para baixo por ele) e, finalmente, empurrado para cima pelo peso abaixo. Depois que tudo isso acontecer, o peso retornará à sua posição original e velocidade (zero).

Observe que o comportamento da onda de propagação para baixo não depende de nada abaixo dela. Quando a onda chega ao fundo, no entanto, uma das três coisas pode acontecer dependendo se o final da primavera está oscilando, rigidamente fixo em alguma coisa ou fixo em algo que pode se mover com alguma resistência.

Se o final da mola estiver oscilando, o peso inferior não terá nada abaixo dele para puxá-lo quando ele puxar para cima. O efeito disso será que o peso se elevará mais do que de outra forma, e mais do que o peso acima esperaria cancelar sua energia. Por sua vez, isso fará com que o peso empurre para cima em relação ao peso acima e gere uma onda de deslocamento para cima que será (perdas por atrito ausentes) iguais em magnitude à onda descendente inicial. A direção do deslocamento será a mesma da onda original (ou seja, para cima), mas a tensão será oposta (a onda original era uma onda de tensão; a recuperação será a compressão).

Por outro lado, se o final da mola for fixo, o peso inferior descobrirá que a mola abaixo dela resiste mais fortemente do que o esperado. O peso do fundo não subirá tanto quanto o peso acima do esperado, e o efeito líquido será como se o fundo desse um "puxão" extra, enviando uma onda para cima. A direção de deslocamento dessa onda será o oposto da onda original (ou seja, para baixo), mas a tensão será a mesma (compressão).

Se o fundo da mola estiver ligado a algo que se move um pouco, mas não tanto quanto uma mola oscilante, os dois comportamentos acima podem se anular em algum grau. Se a parte inferior da primavera puder se mover na quantidade certa, os comportamentos serão cancelados e a onda desaparecerá. Caso contrário, um ou outro tipo de onda se recuperará, mas a magnitude geralmente será menor do que seria com uma extremidade oscilante ou fixa. A quantidade de resistência necessária é efetivamente definida pela impedância, que por sua vez é uma função da massa dos pesos e da constante de mola das molas.

Observe que muitos comportamentos relacionados à impedância são capturados por este modelo. Por exemplo, se todos os pesos acima de um determinado ponto pesam 100g, enquanto os abaixo pesam 200g e todas as molas são iguais, a transição dos pesos mais leves para os mais pesados ​​fará com que parte da energia das ondas seja refletida para cima (de uma maneira semelhante à extremidade inferior fixa), pois os pesos mais pesados ​​não se moverão tanto quanto o esperado. A noção chave é que, para coisas que são pressionadas a retornar à velocidade zero, elas devem transferir tanto a energia cinética quanto o momento. Se eles puderem transferir sua energia e momento para algo com as mesmas características que os impulsou, eles aceitarão toda a energia e momento e os transmitirão. Caso contrário, eles terão que enviar de volta parte da energia e / ou momento.

Limitarei minha resposta ao domínio elétrico. A impedância (Z) é literalmente apenas V / I. É tão simples quanto isso. Mas 'isso' não é tão simples em todos os casos. Vamos começar com simplista e trabalhar.

Se a impedância for um resistor concentrado simples e V for uma tensão CC (frequência = f = 0), podemos reescrever Z = V / I para R = V / I.

Se a impedância é devida a uma tampa ou a um indutor, a impedância depende da frequência.

Se as frequências forem altas o suficiente para que os componentes não apareçam como elementos agrupados, a impedância não depende apenas da frequência, mas também da localização. Às vezes, esses elementos são projetados para serem distribuídos (por exemplo, guias de ondas, antenas e ondas EM no espaço livre) e às vezes não.

A ferramenta geral que foi desenvolvida para retratar esses efeitos de frequência mais alta no tempo e no espaço (1 dimensão) é. . . Z = V / I. Mas 'V' e 'I' são quantidades vetoriais complexas da forma (A) (e) ^ (j (wt + x)), onde j = SQRT (-1), 'A' é uma constante, 'e 'é a base do logaritmo natural,' w 'é a frequência em radianos / segundo,' t 'é o tempo em segundos e' x 'é a distância ao longo do caminho 1-D. Como 'Z' é uma razão desses dois vetores complexos, também é um vetor complexo que varia no tempo e no espaço. O engenheiro elétrico manipula essas quantidades pelo tempo e local desejados e, em seguida, pega a porção real de V ou I (ou Z) para obter o que é observado no mundo real.