Nyckelresultat

● Få en större förståelse för begreppet belastningsimpedans.

● Lär dig hur belastningsimpedans används i en krets.

● Lär dig mer om vilka effekter lastimpedans har på en krets.

En digital multimeter

I praktiskt taget alla ordböcker definieras synonymer som ord som har samma eller nästan samma innebörd som varandra. Inom elektronikområdet finner vi att användningen av synonymer är utbredd.

Ett sådant par synonymer är impedans (växelströmskretsar) och motstånd (likströmskretsar). Ur teknisk synvinkel representerar de båda motstånd mot strömflödet, men impedans innehåller också motstånd i sin faktorbarhet. Detta inkluderar naturligtvis även reaktans (kondensatorer) och induktans (induktorer).

Vad är impedans?

Impedans är det aktiva motståndet hos en elektrisk krets eller komponent mot växelström, som utvecklas från de kombinerade effekterna av reaktans och ohmsk motstånd. Vi definierar den också som varje hinder, eller måttet på motståndet, för en elektrisk ström mot energiflödet när spänning läggs på.

Den mer tekniska definitionen är det totala motståndet som erbjuds av en elektrisk krets mot flödet av växelström av en enda frekvens. Sammanfattningsvis är det en kombination av reaktans och motstånd som vi mäter i ohm, och vi representerar den med symbolen Z.

Beräkning av impedans

Som sagt är impedans en krets’ motstånd mot växelström, och vi mäter det i ohm. Om vi beräknar impedansen behöver vi motståndet (impedansen) för alla kondensatorer, induktorer och värdet på alla motstånd. Kravet på dessa värden beror på att var och en av dessa komponenter ger olika mycket motstånd mot strömmen. Måttet beror naturligtvis på hur strömmen förändras i hastighet, riktning och styrka. Vi kan beräkna impedansen med hjälp av en enkel matematisk formel.

Detta är de formler du behöver för att exakt beräkna impedansen i din krets

• Impedans: Z = R eller XL eller XC (om endast en av dem finns)

• Impedans endast i serie: Z = √(R2 + X2) (om både R och en typ av X finns)

• Impedans endast i serie: Z = √(R2 + X2) (om både R och en typ av X finns)

• Impedans endast i serie: Z = √(R2 + (|XL – XC|)2) (när R, XC och XL finns)

• Impedans i en krets = R + jX (j är det imaginära talet √(-1))

• Motstånd: R = V / I

• Induktiv reaktans: XL = 2πƒL = ωL

• Kapacativ reaktans: XC = 1 / 2πƒC = 1 / ωC

Vad är belastningsimpedans?

En belastning eller belastningsimpedans är begreppet att ansluta en anordning eller komponent till utgången av ett funktionsblock och på så sätt dra en mätbar mängd ström från den. Du kan till exempel ansluta ett motstånd till en strömförsörjning eller ansluta en buffertförstärkare (op-förstärkare) till en oscillator. Därför är en belastningsimpedans ingångsimpedansen för nästa funktionsblock i kedjan.

Anmärkning: En buffertförstärkare, eller buffert, tillhandahåller elektrisk impedansomvandling från en krets till nästa krets i kedjan. Sammanfattningsvis säkerställer den överföringen av ström eller spänning från den första kretsen, som har en hög utgångsimpedansnivå, till den andra kretsen som har en låg ingångsimpedansnivå. Den interpolerade buffertförstärkaren hindrar den andra kretsen från att överbelasta den första kretsen och hindra en korrekt funktion. I allmänhet finns det två huvudtyper av buffertar: en strömbuffert eller en spänningsbuffert.

En belastningsimpedans föreligger när belastningen har andra komponenter än bara rent resistiva komponenter, som motstånd, och även innehåller reaktiva komponenter som induktorer och kondensatorer. De reaktiva komponenterna representerar den imaginära impedansen, medan de resistiva komponenterna innehåller verklig impedans.

Funktionellt sett förslösar motstånden energin när vi lägger på spänning, medan kondensatorer och induktorer lagrar energin. Därför anser vi att deras impedans är imaginär.

Vikten av belastningsimpedans

Som med alla motstånd som avsiktligt läggs till i en krets är det yttersta målet att kontrollera flödet av ström och spänning i kretsen. Eftersom impedans bara är en förlängning av principerna för motstånd i växelströmskretsar är användningen av belastningsimpedans förståeligt nog avgörande för kretsens funktionalitet.

Belastningsimpedanser är också viktiga för att bedöma hur en krets beter sig under olika förhållanden. Till exempel uppnår en krets maximal effektöverföring när belastningsimpedansen är lika med kretsens utgångsimpedans. En förändring av belastningsimpedansen påverkar laddningen och urladdningen av RC-tidskonstanter. Detta beror naturligtvis på kretsens utformning, men det kan också orsaka en förändring av stignings- och falltiderna. Sammanfattningsvis kan man säga att en krets beteende skiljer sig åt under förhållanden som induktiva och kapacitiva belastningar, eller till och med under kortslutningsförhållanden.

Lastimpedanser är också viktiga när impedansanpassning är ditt mål för en viss krets. Låt oss titta på exemplet med transmissionsledningar. I idealfallet vill man att källimpedansen, överföringsledningsimpedansen och belastningsimpedansen ska vara lika stora. Om man uppnår dessa idealiska parametervillkor kommer man att se till att en 7V källsignal kommer att vara en 7V-signal i hela överföringsledningen och att utgången också kommer att observera eller se en 7V-signal.

Lastimpedansen påverkar kretsarnas prestanda, närmare bestämt utgångsspänningar och -strömmar. Dessa effekter förekommer i spänningskällor, sensorer och förstärkare, för att nämna några. Ett av de bästa exemplen på detta är nätuttag eftersom de ger ström vid en konstant spänning. I det här fallet är belastningen den elektriska apparat som du ansluter till strömkretsen. Detta innebär att när en apparat med hög effekt slås på minskar belastningsimpedansen avsevärt. Impedansanpassning är dock inte bara avgörande för en överföringsledning, utan dess betydelse sträcker sig även till PCB-anslutningar.

Trefas oljeimpregnerad transformator med HV-bussning av plug-in-typ

Troligtvis kan du med Cadences översiktssida för PCB-design och -analys vara säker på att dina konstruktörer och produktionsteam samarbetar för att förstå användningen av belastningsimpedans i alla ditt företags tillämpliga kretsdesigns. Om du dessutom väljer ett fullfjädrad PCB-design- och analyspaket, som Cadence Allegro PCB Designer, kan du säkerställa att din PCB-design blir framgångsrik med hjälp av användbara verktyg för att säkerställa lämplig impedans.

Om du vill veta mer om hur Cadence har lösningen för dig, prata med oss och vårt expertteam.

Om författaren

Cadence PCB-lösningar är ett komplett designverktyg från framsida till baksida för att möjliggöra ett snabbt och effektivt produktskapande. Cadence gör det möjligt för användarna att exakt förkorta designcyklerna och överlämna dem till tillverkningen genom modern IPC-2581 industristandard.

Följ på Linkedin Besök webbplatsen Mer innehåll av Cadence PCB Solutions