Key Takeaways

● Saat paremman ymmärryksen kuormaimpedanssin käsitteestä.

● Opi, miten kuormaimpedanssia käytetään piirissä.

● Opi lisää kuormaimpedanssin vaikutuksista virtapiiriin.

Digitaalinen yleismittari

Periaatteessa jokaisessa sanakirjassa synonyymit määritellään sanoiksi, jotka tarkoittavat samaa tai melkeinpä samaa asiaa keskenään. Elektroniikan alalla synonyymien käyttö on yleistä.

Yksi tällaiseksi synonyymipariksi voidaan lukea impedanssi (vaihtovirtapiirit) ja resistanssi (tasavirtapiirit). Teknisestä näkökulmasta ne molemmat edustavat virran kulun vastustusta, mutta impedanssi sisältää myös resistanssin kertoimenaan. Tähän kuuluvat tietenkin myös reaktanssi (kondensaattorit) ja induktanssi (induktorit).

Mikä on impedanssi?

Impedanssi on sähköpiirin tai -komponentin aktiivinen resistanssi vaihtovirtaa vastaan, joka kehittyy reaktanssin ja ohmisen resistanssin yhteisvaikutuksesta. Määrittelemme sen myös sähkövirran esteeksi tai vastuksen mitaksi energian virtaukselle jännitettä käytettäessä.

Teknisempi määritelmä on sähköpiirin tarjoama kokonaisvastustus yksittäisen taajuuden vaihtovirran virtaukselle. Yhteenvetona se on reaktanssin ja resistanssin yhdistelmä, jonka mittaamme ohmeina, ja edustamme sitä symbolilla Z.

Impedanssin laskeminen

Kuten sanottu, impedanssi on piirin vastustus vaihtovirralle, ja mittaamme sen ohmeina. Impedanssia laskettaessa tarvitsemme kaikkien kondensaattoreiden ja induktoreiden resistanssin (impedanssin) sekä kaikkien vastusten arvon. Näiden arvojen vaatimus johtuu siitä, että kukin näistä komponenteista muodostaa vaihtelevan vastuksen virralle. Toimenpide riippuu tietenkin siitä, miten virran nopeus, suunta ja voimakkuus muuttuvat. Voimme laskea impedanssin käyttämällä yksinkertaista matemaattista kaavaa.

Nämä ovat kaavat, joita tarvitset piirisi impedanssin tarkkaan laskemiseen

• Impedanssi: Z = R tai XL tai XC (jos vain yksi on olemassa)

• Impedanssi vain sarjassa: Z = √(R2 + X2) (jos sekä R että yksi X-tyyppi on läsnä)

• Impedanssi vain sarjassa: Z = √(R2 + (|XL – XC|)2) (kun R, XC ja XL ovat läsnä)

• Impedanssi missä tahansa piirissä = R + jX (j on imaginääriluku √(-1))

• Vastus: R = V / I

• Induktiivinen reaktanssi: XL = 2πƒL = ωL

• Kapasitiivinen reaktanssi: XC = 1 / 2πƒC = 1 / ωC

Mikä on kuormaimpedanssi?

Kuormalla tai kuormaimpedanssilla tarkoitetaan käsitettä, jossa laite tai komponentti kytketään toiminnallisen lohkon ulostuloon, jolloin siitä otetaan mitattavissa oleva määrä virtaa. Voit esimerkiksi kytkeä vastuksen virtalähteeseen tai kytkeä puskurivahvistimen (op-vahvistin) vahvistimen oskillaattoriin. Kuormitusimpedanssi on siis ketjun seuraavan funktionaalisen lohkon tuloimpedanssi.

Huomautus: Puskurivahvistin eli puskuri tarjoaa sähköisen impedanssimuunnoksen yhdestä piiristä ketjun seuraavaan piiriin. Yhteenvetona se varmistaa virran tai jännitteen siirron ensimmäisestä piiristä, jolla on korkea lähtöimpedanssitaso, toiseen piiriin, jolla on matala tuloimpedanssitaso. Interpoloitu puskurivahvistin estää toista piiriä ylikuormittamasta ensimmäistä piiriä ja estämästä sen asianmukaista toimintaa. Yleisesti ottaen puskureita on kahta päätyyppiä: virtapuskuri tai jännitepuskuri.

Kuormitusimpedanssi on olemassa, kun kuormassa on muitakin komponentteja kuin puhtaasti resistiivisiä komponentteja, kuten vastuksia, ja se sisältää myös reaktiivisia komponentteja, kuten induktoreita ja kondensaattoreita. Reaktiiviset komponentit edustavat imaginaarista impedanssia, kun taas resistiiviset elementit sisältävät reaalisen impedanssin.

Funktionaalisesti vastukset haihduttavat energiaa, kun sovellamme jännitettä, kun taas kondensaattorit ja induktorit varastoivat energiaa. Siksi pidämme niiden impedanssia imaginäärisenä.

Kuormitusimpedanssin merkitys

Kuten minkä tahansa piiriin tarkoituksella lisätyn vastuksen kohdalla, perimmäisenä tavoitteena on hallita virran ja jännitteen kulkua piirissä. Koska impedanssi on vain vastuksen periaatteiden laajennus vaihtovirtapiireissä, kuormaimpedanssin käyttö on ymmärrettävästi ratkaisevan tärkeää piirin toimivuuden kannalta.

Kuormitusimpedanssit ovat myös elintärkeitä arvioitaessa piirin käyttäytymistä eri olosuhteissa. Esimerkiksi piiri saavuttaa maksimaalisen tehonsiirron, kun kuormaimpedanssi on yhtä suuri kuin piirin lähtöimpedanssi. Kuormaimpedanssin muutos vaikuttaa RC-aikavakioiden latautumiseen ja purkautumiseen. Tämä riippuu tietenkin piirin suunnittelusta, mutta se voi myös aiheuttaa muutoksen nousu- ja laskuaikoihin. Yhteenvetona voidaan todeta, että piirin käyttäytyminen eroaa toisistaan esimerkiksi induktiivisen ja kapasitiivisen kuorman tai jopa oikosulkuolosuhteissa.

Kuormitusimpedanssit ovat myös elintärkeitä, kun impedanssin sovittaminen on tavoitteena tietylle piirille. Tarkastellaan esimerkkinä siirtojohtoja. Ihannetapauksessa haluat, että lähdeimpedanssi, siirtolinjan impedanssi ja kuormaimpedanssi ovat yhtä suuret. Näiden ihanteellisten parametriolosuhteiden saavuttaminen varmistaa, että 7 V:n lähdesignaali on 7 V:n signaali koko siirtojohdossa ja ulostulo havaitsee tai näkee myös 7 V:n signaalin.

Kuormitusimpedanssi vaikuttaa piirien suorituskykyyn, tarkemmin sanottuna lähtöjännitteisiin ja -virtoihin. Näitä vaikutuksia esiintyy muun muassa jännitelähteissä, antureissa ja vahvistimissa. Yksi parhaista esimerkeistä tästä ovat verkkovirtapistorasiat, koska ne tuottavat virtaa vakiojännitteellä. Tässä tapauksessa kuorma on sähkölaite, jonka kytket virtapiiriin. Tämä tarkoittaa, että kun suuritehoinen laite kytkeytyy päälle, se pienentää kuorman impedanssia merkittävästi. Impedanssin sovittaminen ei kuitenkaan ole kriittistä vain siirtojohdolle, vaan sen merkitys ulottuu myös piirilevyjen liitäntöihin.

Kolmivaiheinen öljyllä upotettu muuntaja, jossa on plug-in-tyyppinen HV-holkki

Cadencen PCB-suunnittelun ja -analyysin yleiskatsaussivun avulla suunnittelijasi ja tuotantotiimisi työskentelevät yhdessä ymmärtääkseen kuormaimpedanssin käytön yrityksesi kaikissa soveltuvissa piirisuunnitelmissa. Lisäksi Cadence Allegro PCB Designer -suunnittelu- ja analyysipaketin, kuten Cadence Allegro PCB Designer -paketin, valitseminen voi auttaa varmistamaan piirilevysuunnittelun onnistumisen hyödyllisillä työkaluilla sopivan impedanssin varmistamiseksi.

Jos haluat lisätietoja siitä, miten Cadence tarjoaa ratkaisun sinulle, keskustele kanssamme ja asiantuntijatiimimme kanssa.

Tietoa kirjoittajasta

Cadence PCB -ratkaisut on täydellinen etupuolelta takapuolelle ulottuva suunnittelutyökalu, jolla mahdollistetaan nopean ja tehokkaan tuotekehityksen luominen. Cadence antaa käyttäjille mahdollisuuden lyhentää tarkasti suunnittelusykliä, jotta ne voidaan luovuttaa valmistukseen nykyaikaisen, IPC-2581-teollisuusstandardin avulla.

Follow on Linkedin Visit Website More Content by Cadence PCB Solutions