Это не официальный сайт wikipedia.org 01.01.2023

Электрический импеданс — Википедия

Электрический импеданс

(перенаправлено с «Полное сопротивление»)

Электри́ческий импеда́нс (ко́мплексное электри́ческое сопротивле́ние[1][2]) (англ. impedance от лат. impedio «препятствовать») — комплексное сопротивление между двумя узлами цепи или двухполюсника для гармонического сигнала.

Понятие и термин ввёл физик и математик О. Хевисайд в 1886 году[3][4].

Аналогия с электрическим сопротивлением проводника на примере резистораПравить

Резистор — пассивный элемент, обладающий исключительно активным сопротивлением. Реактивная составляющая комплексного сопротивления резистора равна нулю, так как соотношение между напряжением на резисторе и током через него не зависит от частоты тока/напряжения, а также из-за того, что резистор является пассивным элементом (поскольку не содержит внутренних источников энергии). Если к его концам приложить некоторое напряжение U   (подсоединить источник напряжения), то через резистор пойдёт электрический ток I .   Если через резистор пропустить электрический ток I   (подсоединить источник тока), то между концами резистора возникнет падение напряжения U .   Резистор характеризуется электрическим сопротивлением, которое равно отношению напряжения U ,   к току I   (см. закон Ома для участка цепи):

R = U I .  

Применение понятия «электрическое сопротивление» к реактивным элементам (катушка индуктивности и конденсатор) при постоянном токе приводит к тому, что:

  • сопротивление идеальной катушки индуктивности стремится к нулю:
если пропустить через идеальную катушку индуктивности некоторый постоянный ток I, то при любом значении I, падение напряжения на катушке будет нулевым:
U = 0 ;  
R = U I = 0 I = 0 ;  
если приложить к конденсатору некоторое постоянное напряжение U ,   то при любом значении U ,   ток через конденсатор будет нулевым:
I = 0 ;  
R = U I = U 0 = .  

Это справедливо лишь для постоянного тока и напряжения. В случае же приложения к реактивному элементу переменного тока и напряжения, свойства реактивных элементов существенно иные:

  • напряжение между выводами катушки индуктивности не равно нулю;
  • ток, протекающий через конденсатор, не будет равен нулю.

Такое поведение не может быть описано в терминах активного сопротивления для постоянного тока, поскольку активное сопротивление предполагает постоянное, не зависящее от времени соотношение тока и напряжения, то есть отсутствие фазовых сдвигов между током и напряжением.

Было бы удобно иметь некоторый параметр, аналогичный активному сопротивлению и для реактивных элементов, который бы связывал ток и напряжение на них подобно активному сопротивлению в формуле закона Ома для постоянного тока.

Такую характеристику можно ввести, если рассмотреть свойства реактивных элементов при воздействиях на них гармонических сигналов. В этом случае ток и напряжение оказываются связаны некой константой (подобной в некотором смысле активному сопротивлению), которая и получила название «электрический импеданс» (или просто «импеданс»). При рассмотрении импеданса используется комплексное представление гармонических сигналов, поскольку именно в таком представлении одновременно учитываются и амплитудные, и фазовые характеристики гармонических сигналов и откликов систем на гармоническое воздействие.

ОпределениеПравить

Импедансом z ^ ( j ω )   называется отношение комплексной амплитуды напряжения гармонического сигнала, прикладываемого к двухполюснику, к комплексной амплитуде тока, протекающего через двухполюсник в установившемся режиме, то есть после завершения переходных процессов. Для линейных пассивных цепей с постоянными параметрами в установившемся режиме импеданс не зависит от времени. Если время t   в математическом выражении для импеданса не сокращается, значит, для данного двухполюсника понятие импеданса неприменимо.

z ^ ( j ω ) = u ^ ( j ω , t ) i ^ ( j ω , t ) = U ( ω ) e j ( ω t + ϕ u ( ω ) ) I ( ω ) e j ( ω t + ϕ i ( ω ) ) = U ( ω ) e j ϕ u ( ω ) I ( ω ) e j ϕ i ( ω ) = U ^ ( j ω ) I ^ ( j ω )   (1)
Здесь:
  • j   — мнимая единица[5];
  • ω   — циклическая (круговая) частота;
  • U ( ω ) ,   I ( ω )   — амплитуды напряжения и тока гармонического сигнала на частоте ω ;  
  • ϕ u ( ω ) ,   ϕ i ( ω )   — фазы напряжения и тока гармонического сигнала на частоте ω ;  
  • U ^ ( j ω ) ,   I ^ ( j ω )   — комплексные амплитуды напряжения и тока гармонического сигнала на частоте ω .  

Исторически сложилось, что в электротехнике обозначение импеданса, комплексных амплитуд и других комплексных функций частоты записывают как f ( j ω ) ,   а не f ( ω ) .   Такое обозначение подчёркивает, что используются комплексные представления гармонических функций вида e j ω t .   Кроме того, над символом, обозначающим комплексный сигнал или комплексный импеданс, обычно ставят «домик» или точку: U ˙ ( j ω )   чтобы отличать от соответствующих действительных величин.

Физический смыслПравить

Алгебраическая формаПравить

Если рассматривать комплексный импеданс как комплексное число в алгебраической форме, то действительная часть соответствует активному сопротивлению, а мнимая — реактивному. То есть двухполюсник с импедансом z ^ ( j ω )   можно рассматривать как последовательно соединенные резистор с сопротивлением ( z ^ ( j ω ) )   и чисто реактивный элемент с импедансом ( z ^ ( j ω ) ) .  

Рассмотрение действительной части полезно при расчёте мощности, выделяемой в двухполюснике, поскольку мощность выделяется только на активном сопротивлении.

Тригонометрическая формаПравить

 
Пример графического представление импеданса на комплексной плоскости

Если рассматривать импеданс как комплексное число в тригонометрической форме, то модуль соответствует отношению амплитуд напряжения и тока (сдвиг фаз не учитывается), а аргумент — сдвигу фазы между током и напряжением, то есть на сколько фаза тока отстаёт от фазы напряжения или опережает.

ОграниченияПравить

Понятие импеданса в классической форме применимо, если при приложении к двухполюснику гармонического напряжения, ток, вызванный этим напряжением, также гармонический той же частоты. Для этого необходимо и достаточно, чтобы двухполюсник был линейным и его параметры не менялись со временем и закончились переходные процессы. Если это условие не выполнено, то импеданс не может быть найден по следующей причине: невозможно получить выражение для импеданса, не зависящее от времени t ,   поскольку при вычислении импеданса множитель e j ω t   в (1) не сокращается.

  • Однако и для линейных двухполюсников (для которых зависимость от времени сокращается) импеданс всё же зависит от частоты (за исключением случая когда двухполюсник сводится к схеме из одних резисторов и импеданс оказывается действительной величиной).

Практически это означает, что импеданс может быть вычислен для любого двухполюсника, состоящего из резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов, то есть из линейных пассивных элементов. Также импеданс хорошо применим для активных цепей, линейных в широком диапазоне входных сигналов (например, цепи на основе операционных усилителей). Для цепей, импеданс которых не может быть найден в силу указанного выше ограничения, бывает полезным найти импеданс в малосигнальном приближении — для бесконечно малой амплитуды сигнала для конкретной рабочей точки. Для этого необходимо перейти к эквивалентной схеме и искать импеданс для неё.

Обобщенный импеданс в s-плоскости и преобразование ЛапласаПравить

Импедансы, определённые через комплексную частоту j ω ,   позволяют вычислять частотный отклик некоторой линейной цепи, возбуждаемой гармоническим сигналом, причём только в установившемся режиме. Для расчёта отклика цепи на сигнал, произвольно изменяющийся во времени применяется обобщенный импеданс — функции комплексной переменной s = σ + j ω   и отклик цепи во временно́й области вычисляется через обратное преобразование Лапласа, причем в таких вычислениях возбуждающий сигнал f i n ( t )   из временного представления должен быть предварительно преобразован в комплексное представление F t ( s )   через прямое преобразование Лапласа:

F t ( s ) = 0 f i n ( t ) e s t d t .  

Комплексный отклик системы выражается обычным способом через преобразованное комплексное представление возбуждающего сигнала и комплексную передаточную функцию системы H ( s ) :  

F t , H ( s ) = H ( s )   F t ( s ) .  
Двухполюсник Обобщённый
импеданс
Резистор R  
Катушка
индуктивности
s L  
Конденсатор 1 s C  

Комплексная передаточная функция вычисляется обычным методом расчёта электрических цепей, например, по правилам Кирхгофа, в формулы в качестве сопротивлений подставляются обобщённые импедансы. Обобщённые импедансы пассивных двухполюсников приведены в таблице. Например, обобщённый импеданс цепи, состоящей из последовательно включённых резистора и катушки индуктивности будет R + s L .  

Отклик цепи во временно́й области вычисляется обратным преобразованием Лапласа:

f F , H ( t ) = L 1 [ H ( s )   F t ( s ) ] = 1 2 π j σ 1 j σ 1 + j e s t H ( s )   F t ( s ) d s ,  
где σ 1     — некоторое вещественное число, выбираемое из условий сходимости интеграла.
Пример вычисления временно́го отклика RC-фильтра нижних частот на ступенчатое возмущение
 
Пассивный RС-фильтр нижних частот 1-го порядка

Простейший фильтр нижних частот 1-го порядка изображён на рисунке и состоит из последовательно соединённых резистора и конденсатора, образующего делитель напряжения для входного сигнала где выходной сигнал снимается с конденсатора, обобщённый комплексный коэффициент передачи H R C ( s )   такого делителя:

H R C ( s ) = 1 / s C R + 1 / s C = 1 s R C + 1 = 1 s T + 1 ,  
где обозначено T = R C   — постоянная времени RС-цепи.

Ступенчатый входной сигнал можно выразить через функцию Хевисайда h ( t ) :  

U i n ( t ) = U 0   h ( t ) ,  
где U 0   — амплитуда ступеньки.

Преобразование Лапласа входного сигнала:

F i n ( s ) = L [ U 0   h ( t ) ] = 0 e s t U 0 h ( t ) d t = U 0 / s .  

U o u t ( t ) = L 1 [ H R C ( s )   F i n ( s ) ] = 1 2 π j σ 1 j σ 1 + j e s t 1 s T + 1 U 0 s d s = U 0 ( 1 e t / T ) .  

Таким образом, получен отклик цепи при нулевом начальном условии ( U C = 0   при t = 0  ), такой же, как и при применении другого метода расчёта, например, из решения обыкновенного дифференциального уравнения.

Для практического применения расчета цепей (и других расчётов) составлены подробные таблицы прямого и обратного преобразования Лапласа многих часто встречающихся при расчётах функций.

Комбинируя преобразование Лапласа с использованием его свойств и интеграл Дюамеля обычно относительно легко найти отклики во временной области самых различных линейных электрических цепей.

Вычисление импедансаПравить

Идеальные элементыПравить

РезисторПравить

Для резистора импеданс всегда равен его сопротивлению R   и не зависит от частоты:

z R = R   (2)

КонденсаторПравить

Ток и напряжение для конденсатора связаны соотношением:

i ( t ) = C d U d t .   (3)

Отсюда следует, что при напряжении

u ^ ( j ω , t ) = U ( ω ) e j ( ω t + ϕ u ( ω ) )   (4)

ток, текущий через конденсатор, будет равен:

i ^ ( j ω , t ) = C d d t ( U ( ω ) e j ( ω t + ϕ u ( ω ) ) ) = j ω C U ( ω ) e j ( ω t + ϕ u ( ω ) ) .   (5)

После подстановки (4) и (5) в (1) получаем:

z ^ C ( j ω ) = 1 j ω C = j ω C .   (6)

Катушка индуктивностиПравить

Аналогичное рассмотрение для катушки индуктивности приводит к результату:

z ^ L ( j ω ) = j ω L .   (7)

Общий случайПравить

Для произвольного двухполюсника, состоящего из элементов с известным импедансом, нет необходимости производить приведенные выше вычисления с целью нахождения импеданса. Импеданс находится по обычным правилам расчёта сопротивления сложной цепи, то есть используются формулы для сопротивления при параллельном и последовательном соединении резисторов. При этом все математические операции производятся по правилам действий над комплексными числами. Например, импеданс идеальных последовательно соединенных резистора, конденсатора и катушки индуктивности будет равен:

Z ^ ( j ω )   = R + 1 j ω C + j ω L = R j ω C + j ω L = R + j ( 1 ω C + ω L ) .   (8)

Экспериментальное измерение импедансаПравить

Прямое измерение импеданса требует измерения амплитуд синусоидальных напряжения и тока изучаемого двухполюсника, и одновременного измерения сдвига фазы между ними.

Импеданс также часто измеряют компенсационными методами с помощью мостов переменного тока, подобными мосту Уитстона для постоянного тока, при таких измерениях мост балансируют изменением эталонных реактивного и активного элементов, по величине реактивного и активного сопротивления эталонных элементов, требуемого для балансировки моста, определяется измеряемый импеданс.

В силовых устройствах измерение импеданса может потребовать одновременного измерения и подачи питания на работающее устройство.

Измерение импеданса устройств и линий передач является практической задачей в радиотехнике и других областях.

Измерения импеданса обычно проводятся на одной частоте, но если требуется определить зависимость импеданса от частоты, то измерения проводят на нескольких частотах в нужном диапазоне частот.

Активная и реактивная составляющие импеданса обычно выражают в омах. Однако, для характеризации антенн, линиях передачи, СВЧ электронных устройств обычно более удобно использовать связанные с ним S-параметры, коэффициент стоячей волны или коэффициент отражения.

Сопротивление устройства можно рассчитать путем деления комплексных напряжения и тока. Полное сопротивление устройства рассчитывается путем подачи синусоидального напряжения на устройство последовательно с эталонным резистором и измерения напряжений на резисторе и на самом устройстве. Выполнение этого измерения на нескольких частотах тестирующего сигнала обеспечивает определение фазового сдвига и величины импеданса[6].

Измерение отклика исследуемой цепи на импульсный тестирующий сигнал можно использовать в сочетании с быстрым преобразованием Фурье для измерения импеданса различных электрических устройств[6].

LCR-измеритель (индуктивность L, емкость C и сопротивление R) или измеритель иммитанса — это устройство, обычно используемое для измерения индуктивности, сопротивления и ёмкости компонента. Из этих значений можно рассчитать полное сопротивление на любой частоте.

Применение понятия импедансаПравить

Введение импеданса позволяет описывать поведение двухполюсника с реактивными свойствами при воздействии на него гармонического сигнала. Кроме того, в случае негармонического сигнала импеданс применяется столь же успешно. Для этого применяется преобразование Лапласа, либо сигнал раскладывается на спектральные компоненты при помощи ряда Фурье (или преобразования Фурье) и рассматривается воздействие каждой спектральной компоненты. Вследствие линейности двухполюсника сумма откликов на спектральные компоненты равна отклику на исходный негармонический сигнал .

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. ГОСТ 19880-74 Электротехника. Основные понятия. Термины и определения  (неопр.). docs.cntd.ru. Дата обращения: 7 ноября 2018.
  2. ГОСТ Р 52002-2003 Электротехника. Термины и определения основных понятий  (неопр.). docs.cntd.ru. Дата обращения: 21 сентября 2020.
  3. Science, p. 18, 1888
  4. Oliver Heaviside. The Electrician. P. 212; 23 July 1886 reprinted as Electrical Papers, p64, AMS Bookstore, ISBN 0-8218-3465-7
  5. В электротехнике и электронике мнимую единицу принято обозначать символом j ,   во избежание путаницы с символом i ,   традиционно применяемом для обозначения силы тока.
  6. 1 2 George Lewis Jr. Cost-effective broad-band electrical impedance spectroscopy measurement circuit and signal analysis for piezo-materials and ultrasound transducers (англ.) // Measurement Science and Technology  (англ.) (рус. : journal. — 2008. — August (vol. 19, no. 10). — P. 105102. — doi:10.1088/0957-0233/19/10/105102. — Bibcode2008MeScT..19j5102L. — PMID 19081773.

ЛитератураПравить

  • Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. — 9-е изд. — М.: Высшая школа, 1996.
  • Графов Б. М., Укше Е. А. Электрохимические цепи переменного тока. — М.: Наука, 1983.