Nøglepunkter
● Få en større forståelse af begrebet belastningsimpedans.
● Lær, hvordan belastningsimpedans bruges i et kredsløb.
● Lær mere om de virkninger, som belastningsimpedans har på et kredsløb.
Et digitalt multimeter
I stort set alle ordbøger defineres synonymer som ord, der har den samme eller næsten den samme betydning som hinanden. Inden for elektronikområdet finder vi, at brugen af synonymer er meget udbredt.
Et sådant par synonymer er impedans (vekselstrømskredsløb) og modstand (jævnstrømskredsløb). Ud fra et teknisk synspunkt repræsenterer de begge modstand mod strømgennemstrømning, men impedans inkorporerer også modstand i sin faktorbarhed. Dette omfatter naturligvis også reaktans (kondensatorer) og induktans (induktorer).
Hvad er impedans?
Impedans er et elektrisk kredsløbs eller en elektrisk komponents aktive modstand mod vekselstrøm, der udvikles af de kombinerede virkninger af reaktans og ohmsk modstand. Vi definerer den også som enhver hindring eller et mål for en elektrisk strøms modstand mod energistrømmen ved påføring af spænding.
Den mere tekniske definition er den samlede modstand, som et elektrisk kredsløb yder mod strømmen af vekselstrøm med en enkelt frekvens. Kort sagt er det en kombination af reaktans og modstand, som vi måler i ohm, og vi repræsenterer den med symbolet Z.
Beregning af impedans
Som nævnt er impedans en kreds’ modstand mod vekselstrøm, og vi måler den i ohm. Hvis vi beregner impedans, har vi brug for modstanden (impedansen) for alle kondensatorer, induktorer og værdien af alle modstande. Kravet om disse værdier skyldes, at hver af disse komponenter giver forskellige mængder af modstand mod strømmen. Målingen afhænger naturligvis af, hvordan strømmen ændrer sig i hastighed, retning og styrke. Vi kan beregne impedans ved hjælp af en simpel matematisk formel.
Dette er de formler, du skal bruge for at beregne impedansen for dit kredsløb præcist
-
Impedans: Z = R eller XL eller XC (hvis kun en af dem er til stede)
-
Impedans kun i serie:
-
Impedans i serie: Z = √(R2 + X2) (hvis både R og en type X er til stede)
-
Impedans i serie: Z = √(R2 + X2) (hvis både R og en type X er til stede)
-
Impedans kun i serie: Z = √(R2 + (|XL – XC|)2) (når R, XC og XL er til stede)
-
Impedans i ethvert kredsløb = R + jX (j er det imaginære tal √(-1))
-
Vedstand: R = V / I
-
Induktiv reaktans: R = V / I
-
Induktiv reaktans: XL = 2πƒL = ωL
-
Kapacativ reaktans: XL = 2πƒL = ωL
-
Kapacativ reaktans: XC = 1 / 2πƒC = 1 / ωC
Hvad er belastningsimpedans?
En belastning eller belastningsimpedans er konceptet om at forbinde en enhed eller komponent til udgangen af en funktionsblok og dermed trække en målbar mængde strøm fra den. Man kan f.eks. tilslutte en modstand til en strømforsyning eller tilslutte en bufferforstærker (op-forstærker) til en oscillator. Derfor er en belastningsimpedans den indgangsimpedans for den næste funktionsblok i kæden.
Note: En bufferforstærker eller buffer sørger for elektrisk impedansomdannelse fra et kredsløb til det næste kredsløb i kæden. Kort sagt sikrer den overførslen af strøm eller spænding fra det første kredsløb, som har et højt udgangsimpedansniveau, til det andet kredsløb, som har et lavt indgangsimpedansniveau. Den interpolerede bufferforstærker forhindrer det andet kredsløb i at overbelaste det første kredsløb og hindre en korrekt funktion. Generelt er der to hovedtyper af buffere: en strømbuffer eller en spændingsbuffer.
En belastningsimpedans er til stede, når belastningen har andre komponenter end rent resistive komponenter, som f.eks. modstande, og også omfatter reaktive komponenter som induktorer og kondensatorer. De reaktive komponenter repræsenterer den imaginære impedans, mens de resistive elementer indeholder reel impedans.
Funktionelt set bortleder modstande energien, når vi tilfører spænding, mens kondensatorer og induktorer lagrer energien. Derfor betragter vi deres impedans som imaginær.
Vigtigheden af belastningsimpedans
Som med enhver modstand, der med vilje tilføjes til et kredsløb, er det endelige mål at kontrollere strømmen af strøm og spænding i kredsløbet. Da impedans blot er en udvidelse af principperne for modstand i vekselstrømskredsløb, er brugen af belastningsimpedans forståeligt nok afgørende for kredsløbets funktionalitet.
Lastimpedanser er også afgørende for vurderingen af et kredsløbs opførsel under forskellige forhold. For eksempel opnår et kredsløb maksimal effektoverførsel, når belastningsimpedansen er lig med kredsløbets udgangsimpedans. En ændring i belastningsimpedansen vil påvirke opladning og afladning af RC-tidskonstanterne. Dette afhænger naturligvis af kredsløbets konstruktion, men det kan også medføre en ændring i stignings- og faldtiderne. Sammenfattende kan man sige, at et kredsløbs opførsel er forskellig under forhold som f.eks. induktive og kapacitive belastninger eller endog kortslutningsforhold.
Lastimpedanser er også afgørende, når impedanstilpasning er dit mål for et bestemt kredsløb. Lad os se på eksemplet med transmissionslinjer. Ideelt set ønsker du, at kildeimpedansen, transmissionsledningsimpedansen og belastningsimpedansen skal være ens. Opnåelse af disse ideelle parameterforhold vil sikre, at et kildesignal på 7 V vil være et 7 V-signal i hele transmissionsledningen, og at udgangen også vil observere eller se et 7 V-signal.
Belastningsimpedans påvirker kredsløbenes ydeevne, mere specifikt udgangsspændinger og -strømme. Disse virkninger forekommer i spændingskilder, sensorer og forstærkere for blot at nævne nogle få. Et af de bedste eksempler herpå er netudtag, da de leverer strøm ved en konstant spænding. I dette tilfælde er belastningen det elektriske apparat, som du tilslutter til strømkredsløbet. Det betyder, at når et apparat med høj effekt tændes, reducerer det belastningsimpedansen betydeligt. Impedanstilpasning er imidlertid ikke kun afgørende for en transmissionsledning, men også for PCB-forbindelser.
Trefaset oliedampet transformator med indstikstype HV-bøsning
Godt nok vil du med Cadences oversigtsside om PCB-design og analyse være sikker på, at dine designere og produktionsteams arbejder sammen om at forstå brugen af belastningsimpedans for alle din virksomheds gældende kredsløbsdesigns. Derudover kan valget af en PCB-design- og analysepakke med fuld funktionalitet, som Cadence Allegro PCB Designer, hjælpe med at sikre succesen af dit PCB-design med nyttige værktøjer til at sikre passende impedans.
Hvis du vil vide mere om, hvordan Cadence har løsningen til dig, så tal med os og vores team af eksperter.
Om forfatteren
Cadence PCB-løsninger er et komplet front-to-back designværktøj, der muliggør hurtig og effektiv produktskabelse. Cadence giver brugerne mulighed for præcist at forkorte designcyklusser til aflevering til produktion gennem moderne, IPC-2581 industristandard.
Følg på Linkedin Besøg hjemmeside Mere indhold af Cadence PCB Solutions