Trở kháng là gì?

Điều này được trình bày như là một nguồn tài nguyên cho cộng đồng và kinh nghiệm học tập cho bản thân tôi. Tôi có đủ kiến ​​thức về chủ đề này để khiến bản thân gặp rắc rối, nhưng tôi không nắm bắt tốt nhất các chi tiết của chủ đề. Một số câu trả lời hữu ích có thể là:

• Giải thích về các thành phần của trở kháng
• Các thành phần đó tương tác như thế nào
• Làm thế nào người ta có thể biến đổi trở kháng
• Làm thế nào điều này liên quan đến bộ lọc RF, nguồn điện và bất cứ thứ gì khác ...

Cảm ơn đã giúp đỡ!

Đối với câu hỏi "Trở kháng là gì", tôi sẽ lưu ý rằng trở kháng là một khái niệm rộng về vật lý nói chung, trong đó trở kháng điện chỉ là một ví dụ.

Để hiểu được ý nghĩa của nó và cách thức hoạt động, thay vào đó, thường dễ dàng hơn để xem xét trở kháng cơ học. Hãy nghĩ đến việc cố gắng đẩy (trượt) một chiếc ghế dài nặng nề trên sàn nhà.
Bạn tác dụng một lực nhất định, và chiếc ghế trượt với vận tốc nhất định, tùy thuộc vào mức độ bạn đẩy, trọng lượng của chiếc ghế, loại bề mặt sàn, loại bàn chân mà chiếc ghế có, v.v. Trong tình huống này, có thể xác định trở kháng cơ học cho tỷ lệ giữa mức độ bạn đẩy mạnh và tốc độ của chiếc ghế.

Điều này thực sự rất giống với một mạch điện dc, trong đó bạn áp dụng một lượng điện áp nhất định trên một mạch và dòng điện chạy với tốc độ tương ứng nhất định thông qua nó.

Đối với trường hợp của cả đi văng và mạch, phản ứng với đầu vào của bạn có thể đơn giản và khá tuyến tính: một điện trở tuân theo Định luật Ohm, trong đó trở kháng điện của nó chỉ là điện trở và ghế có thể có chân trượt ma sát cho phép nó để di chuyển với vận tốc tỷ lệ thuận với lực của bạn. *

Mạch và hệ thống cơ học cũng có thể là phi tuyến. Nếu mạch của bạn bao gồm một điện áp thay đổi được đặt trên một điện trở nối tiếp với một diode, dòng điện sẽ gần bằng 0 cho đến khi bạn vượt quá điện áp chuyển tiếp của diode, tại đó dòng điện sẽ bắt đầu chạy qua điện trở, theo Ohm pháp luật. Tương tự như vậy, một chiếc ghế dài ngồi trên sàn thường sẽ có một mức độ ma sát tĩnh: nó sẽ không bắt đầu di chuyển cho đến khi bạn đẩy với một lực nhất định ban đầu. Trong cả hệ thống cơ và điện đều không có trở kháng tuyến tính duy nhất có thể được xác định. Thay vào đó, điều tốt nhất bạn có thể làm là xác định riêng các trở kháng trong các điều kiện khác nhau. (Thế giới thực giống như thế này nhiều hơn.)

Ngay cả khi mọi thứ rất rõ ràng và tuyến tính, điều quan trọng cần lưu ý là trở kháng chỉ mô tả tỷ lệ - nó không mô tả các giới hạn cho hệ thống và nó không "xấu". Bạn chắc chắn có thể có được dòng điện / vận tốc như bạn muốn (trong một hệ thống lý tưởng) bằng cách thêm nhiều điện áp / đẩy mạnh hơn.

Hệ thống cơ khí cũng có thể mang lại cảm giác khá tốt cho trở kháng ac. Hãy tưởng tượng rằng bạn đang đi xe đạp. Với mỗi nửa chu kỳ của bàn đạp, bạn đẩy sang trái, đẩy sang phải. Bạn cũng có thể tưởng tượng việc đạp chỉ bằng một chân và một ngón chân, sao cho bạn đẩy và kéo theo mỗi chu kỳ của bàn đạp. Điều này rất giống với việc áp một điện áp xoay chiều vào mạch: bạn đẩy và kéo lần lượt, theo chu kỳ, ở một tần số nhất định.

Nếu tần số đủ chậm - như khi bạn dừng trên xe đạp, vấn đề đẩy bàn đạp xuống chỉ là vấn đề "dc", như đẩy chiếc ghế dài. Khi bạn tăng tốc, mặc dù, mọi thứ có thể hành động khác nhau.

Bây giờ, giả sử rằng bạn đang đạp xe ở một tốc độ nhất định và xe đạp của bạn là ba tốc độ với các tỷ số truyền thấp, trung bình và hi. Trung bình cảm thấy tự nhiên, thiết bị hi rất khó áp dụng đủ lực để tạo ra bất kỳ sự khác biệt nào, và ở mức thấp, bạn chỉ cần quay bàn đạp mà không truyền bất kỳ năng lượng nào cho các bánh xe. Đây là vấn đề kết hợp trở kháng , trong đó bạn chỉ có thể truyền năng lượng hiệu quả đến các bánh xe khi chúng có một lực cản vật lý nhất định cho bàn chân của bạn - không quá nhiều, không quá ít. Hiện tượng điện tương ứng là rất phổ biến là tốt; bạn cần có các đường kết hợp trở kháng để truyền công suất RF hiệu quả từ điểm A đến điểm B và bất cứ khi nào bạn kết nối hai đường truyền với nhau, sẽ có một số mất mát tại giao diện.

Sức cản mà bàn đạp cung cấp cho bàn chân của bạn tỷ lệ thuận với mức độ bạn ấn mạnh, điều này liên quan chặt chẽ nhất đến một lực cản đơn giản - đặc biệt là ở tốc độ thấp. Ngay cả trong các mạch điện xoay chiều, một điện trở hoạt động giống như một điện trở (lên đến một điểm nhất định).

Tuy nhiên, không giống như một điện trở, trở kháng của xe đạp phụ thuộc vào tần số. Giả sử rằng bạn đặt xe đạp của bạn trong hộp số cao, bắt đầu từ một điểm dừng. Nó có thể rất khó để bắt đầu. Nhưng, một khi bạn bắt đầu, trở kháng do bàn đạp thể hiện sẽ giảm khi bạn đi nhanh hơn và một khi bạn đi rất nhanh, bạn có thể thấy rằng bàn đạp xuất hiện quá ít trở kháng để hấp thụ năng lượng từ chân bạn. Vì vậy, thực sự có một trở kháng phụ thuộc tần số (một phản ứng ) bắt đầu ở mức cao và trở nên thấp hơn khi bạn hướng đến tần số cao hơn.

Điều này giống như hoạt động của tụ điện, và một mô hình khá tốt cho trở kháng cơ học của xe đạp sẽ là một điện trở song song với tụ điện.

Ở dc (vận tốc bằng không), bạn chỉ thấy điện trở cao, không đổi là trở kháng của mình. Khi tần số đạp tăng lên, trở kháng tụ trở nên thấp hơn so với điện trở và cho phép dòng điện chạy theo cách đó.

Tất nhiên, có nhiều thành phần điện khác và các chất tương tự cơ học của chúng **, nhưng cuộc thảo luận này sẽ cung cấp cho bạn một số trực giác ban đầu về khái niệm chung để giữ vững (ý định chơi chữ) khi bạn tìm hiểu về các khía cạnh toán học của những gì có thể đôi khi giống như một chủ đề rất trừu tượng.

* Một từ để cầu kỳ: Định luật Ohm không bao giờ chính xác đối với một thiết bị thực và lực ma sát trong thế giới thực không bao giờ cho vận tốc tỷ lệ chính xác với lực. Tuy nhiên, "khá tuyến tính" là dễ dàng. Tôi đang cố gắng trở thành tất cả giáo dục và công cụ ở đây. Cắt cho tôi một chút chùng.

** Ví dụ, một cuộn cảm là một cái gì đó giống như một con lăn được tải bằng lò xo trên bánh xe của bạn có thêm lực kéo khi bạn có tần số cao hơn)

Trở kháng của phần tử mạch là tỷ lệ giữa điện áp và dòng điện trong phần tử đó.

Điện áp và dòng điện không đổi

Đối với điện áp và dòng điện không đổi, trở kháng chỉ là điện trở. Điện trở là một thiết bị duy trì cùng tỷ lệ điện áp với dòng điện, ngay cả khi điện áp thay đổi. Chúng tuyến tính-- tăng gấp đôi điện áp và hiện tại tăng gấp đôi. Nếu bạn vẽ đồ thị điện áp so với dòng điện, độ dốc sẽ là trở kháng.

Một tụ điện, giống như hai tấm kim loại, hoạt động như một mạch mở cho dòng điện và điện áp không đổi. Một cuộn cảm, có nghĩa là một dây xoăn, hoạt động như một mạch ngắn cho dòng điện và điện áp không đổi.

(Trong thực tế, nó không hoàn toàn sạch như vậy. Các điện trở có xu hướng truyền qua dòng điện ít hơn khi chúng bị nóng. như mọi dây bình thường.)

Điện áp và dòng điện thay đổi theo thời gian

Đây là nơi nó trở nên thú vị hơn. Một số phần tử mạch, như tụ điện và cuộn cảm, cho phép dòng điện nhiều hay ít tùy thuộc vào tần số của điện áp mà chúng phải chịu. Bạn có thể nghĩ về chúng như các điện trở phụ thuộc tần số. Phần phụ thuộc tần số của trở kháng được gọi là phản ứng. Thêm phản ứng và kháng và bạn có được trở kháng.

Ví dụ về phản ứng

Giả sử bạn có một hộp tạo ra các sóng hình sin có biên độ 120 V. Bạn đặt hộp trong 60 chu kỳ mỗi giây và kết nối tín hiệu của hộp qua một tụ điện 0,1 F. Dòng chảy sẽ là một sóng hình sin có cùng tần số. Hiện tại sẽ là:

I = V * 2 * pi * tần số * C

I = 120 * 2 * 3.14 * 60 * 0.1 = 4522 ampe.

(Trong thực tế, dòng điện đó sẽ làm cho tụ điện phát nổ.)

Nếu bạn nhân đôi tần số của sóng hình sin, dòng điện sẽ tăng gấp đôi. Loại hành vi này rất hữu ích trong các bộ lọc RC - chẳng hạn, bạn có thể tạo ra các mạch có điện trở cao ở một tần số, nhưng điện trở thấp ở tần số khác, cho phép bạn chọn tín hiệu từ nhiễu, chẳng hạn.

Một cuộn cảm hoạt động tương tự, nhưng khi bạn tăng tần số, trở kháng tăng chứ không giảm.

Thế giới thực

Trong thực tế, mọi thứ đều có một số điện trở cũng như một số phản ứng (có thể có một chút điện dung hoặc điện cảm, nhưng không phải cả hai). Ngoài ra, tất cả các mạch đều có tính phi tuyến tính, như sự phụ thuộc nhiệt độ hoặc hiệu ứng hình học làm cho chúng lệch khỏi mô hình lý tưởng.

Ngoài ra, điện áp và dòng điện chúng ta xử lý không bao giờ là sóng hình sin hoàn hảo - chúng là sự pha trộn của các tần số.

Ví dụ: giả sử bạn đang chạy một cuộn điện từ để mở khóa cửa, giống như tiếng chuông trong các tòa nhà chung cư. Các điện từ là một cuộn cảm lớn tạo ra một từ trường kéo lại một chốt chống lại lực của lò xo. Khi bạn tắt điện từ, bạn đang thực hiện một thay đổi mạnh mẽ theo thời gian. Khi bạn cố gắng làm cho dòng điện giảm nhanh chóng, độ tự cảm của điện từ làm cho điện áp tăng nhanh.

Đây là lý do tại sao bạn thấy cái được gọi là "diode flyback" song song với cuộn cảm lớn-- để cho phép dòng điện giảm chậm hơn, tránh sự tăng vọt điện áp do thay đổi tần số cao.

Bước tiếp theo

Từ đây, bước tiếp theo là tìm hiểu cách mô hình hóa các mạch được xây dựng từ nhiều phần tử phản ứng (giả sử, một loạt các điện trở và tụ điện). Để làm được điều đó, chúng ta phải theo dõi không chỉ biên độ của điện áp và dòng điện, mà cả sự dịch pha giữa chúng - các đỉnh của sóng hình sin không xếp hàng đúng lúc.

(Thật không may, tôi phải hoàn thành một số công việc ở đây, vì vậy tôi sẽ phải để lại cho bạn liên kết này: http://www.usna.edu/MathDept/CDP/ComplexNum/Module_6/ComplexPhasors.htm )

Trở kháng là một phần mở rộng của khái niệm điện trở bao gồm các ảnh hưởng của điện dung và điện cảm. Cuộn cảm và tụ điện có "phản ứng", và trở kháng là sự kết hợp giữa tác động của điện trở và phản ứng.

Giới thiệu n00b: Về cơ bản, nó cho phép bạn suy nghĩ về tụ điện và cuộn cảm như thể chúng là điện trở, làm cho việc tính toán đơn giản và trực quan hơn. Chẳng hạn, nếu bạn biết cách tính đầu ra của một bộ chia điện áp thuần trở:

sau đó bạn cũng có thể tính độ lớn của đầu ra của bộ lọc RC ở tần số đã cho:

Ví dụ, giả sử R là 1 kΩ và C là 1 uF và bạn muốn biết điện áp đầu ra nếu bạn nhập sóng hình sin ở 160 Hz. Điện kháng của tụ điện ở 160 Hz có cường độ khoảng 1 kΩ , vì vậy cả hai "điện trở" đều giống nhau và điện áp trên mỗi điện áp sẽ giống nhau. Mỗi thành phần có 0,707 điện áp đầu vào trên nó, mặc dù, không phải 0,5, như trong trường hợp điện trở.

Ở các tần số khác, cường độ phản ứng của tụ điện sẽ khác nhau, đó là lý do tại sao bộ lọc đáp ứng khác nhau với các tần số khác nhau. Bạn cũng có thể làm việc với các số ảo để tính toán độ dịch pha trong đầu ra, nhưng thường thì cường độ là phần duy nhất bạn quan tâm.

Sự tương tự cơ học mà tôi thích cho trở kháng là một lò xo treo thẳng đứng với một tập hợp các trọng lượng treo trên nó. Nếu hệ thống ban đầu bất động và người ta giật một cú giật nhanh lên trọng lượng ở phía trên, nhanh chóng đưa nó trở lại vị trí ban đầu, sự xáo trộn sẽ truyền xuống mùa xuân. Mỗi trọng lượng sẽ được kéo lên theo trọng lượng ở trên, sau đó đẩy lên trên trọng lượng ở trên (và được đẩy xuống dưới) trong khi nó kéo lên trên trọng lượng bên dưới (và được kéo xuống dưới), và cuối cùng được đẩy lên trên trọng lượng dưới đây. Một khi tất cả những điều này đã xảy ra, trọng lượng sẽ trở về vị trí ban đầu và vận tốc (không).

Lưu ý rằng hành vi của sóng truyền xuống không phụ thuộc vào bất cứ điều gì bên dưới nó. Tuy nhiên, khi sóng chạm đáy, một trong ba điều có thể xảy ra tùy thuộc vào việc cuối mùa xuân có lơ lửng, cố định một cách cứng nhắc vào thứ gì đó hay cố định với thứ gì đó có thể di chuyển với một số lực cản.

Nếu cuối mùa xuân đang lơ lửng, trọng lượng dưới cùng sẽ không có bất cứ thứ gì bên dưới nó để kéo nó xuống khi nó giật lên. Hiệu quả của việc này sẽ là trọng lượng sẽ tăng lên nhiều hơn so với mức khác, và nhiều hơn trọng lượng ở trên sẽ mong muốn loại bỏ năng lượng của nó. Điều này đến lượt nó sẽ làm cho trọng lượng đẩy lên trên trọng lượng ở trên và tạo ra một sóng di chuyển lên trên (tổn thất ma sát vắng mặt) có độ lớn tương đương với sóng đi xuống ban đầu. Hướng dịch chuyển sẽ giống như sóng ban đầu (tức là hướng lên) nhưng ứng suất sẽ ngược lại (sóng ban đầu là sóng căng; lực bật lại sẽ bị nén).

Ngược lại, nếu kết thúc mùa xuân là cố định, trọng lượng dưới cùng sẽ thấy rằng lò xo bên dưới nó bền hơn dự kiến. Do đó, trọng lượng dưới cùng sẽ không di chuyển lên nhiều như trọng lượng trên nó mong đợi, và hiệu ứng ròng sẽ như thể phía dưới tạo ra một "lực kéo" thêm, gửi một làn sóng lên trên. Hướng dịch chuyển của sóng này sẽ ngược lại với sóng ban đầu (tức là hướng xuống) nhưng ứng suất sẽ giống nhau (nén).

Nếu đáy của lò xo được gắn vào một cái gì đó di chuyển phần nào, nhưng không nhiều như một lò xo lơ lửng, hai hành vi trên có thể hủy bỏ ở một mức độ nào đó. Nếu đáy lò xo được phép di chuyển đúng số lượng, các hành vi sẽ hủy và sóng sẽ biến mất. Mặt khác, một hoặc một loại sóng khác sẽ bật lại, nhưng cường độ nhìn chung sẽ nhỏ hơn so với đầu sóng lơ lửng hoặc cố định. Lượng điện trở cần thiết được xác định một cách hiệu quả bởi trở kháng, lần lượt là một hàm của khối lượng của trọng lượng và hằng số lò xo của lò xo.

Lưu ý rằng nhiều hành vi liên quan đến trở kháng được mô hình này nắm bắt. Ví dụ: nếu tất cả các trọng lượng trên một trọng lượng điểm nhất định 100g trong khi các trọng lượng dưới 200g và tất cả các lò xo đều bằng nhau, việc chuyển từ các trọng lượng nhẹ hơn sang các trọng lượng nặng hơn sẽ khiến một phần năng lượng sóng bị phản xạ lên (theo cách thức tương tự như đầu dưới cố định) vì trọng lượng nặng hơn sẽ không di chuyển nhiều như mong đợi. Khái niệm chính là đối với những thứ được đẩy trở về vận tốc bằng không, chúng phải truyền cả động năng và động lượng của chúng. Nếu họ có thể chuyển năng lượng và động lượng của mình sang một thứ gì đó có cùng đặc điểm với bất cứ thứ gì thúc đẩy họ, họ sẽ chấp nhận tất cả năng lượng và động lượng và truyền lại cho họ. Nếu không, họ sẽ phải gửi lại một phần năng lượng và / hoặc động lượng.

Tôi sẽ giới hạn câu trả lời của tôi cho lĩnh vực điện. Trở kháng (Z) theo nghĩa đen chỉ là V / I. Nó đơn giản như vậy. Nhưng 'cái đó' không đơn giản như vậy trong mọi trường hợp. Hãy bắt đầu với sự đơn giản và làm việc lên.

Nếu trở kháng là một điện trở gộp đơn giản và V là điện áp DC (tần số = f = 0), chúng ta có thể viết lại Z = V / I thành R = V / I.

Nếu trở kháng là do một nắp hoặc một cuộn cảm, thì trở kháng là phụ thuộc thường xuyên.

Nếu tần số đủ cao để các thành phần không xuất hiện dưới dạng các phần tử gộp, thì trở kháng không chỉ phụ thuộc tần số mà phụ thuộc vào vị trí. Đôi khi các yếu tố này được thiết kế để phân phối (ví dụ: hướng dẫn sóng, ăng ten và sóng EM trong không gian trống), và đôi khi không.

Công cụ chung đã được phát triển để mô tả các hiệu ứng tần số cao hơn này theo thời gian và không gian (1 chiều) là. . . Z = V / I. Nhưng 'V' và 'I' đều là các đại lượng vectơ phức tạp có dạng (A) (e) ^ (j (wt + x)), trong đó j = SQRT (-1), 'A' là hằng số, 'e 'là cơ sở của logarit tự nhiên,' w 'là tần số tính bằng radian / giây,' t 'là thời gian tính bằng giây và' x 'là khoảng cách dọc theo đường 1-D. Vì 'Z' là tỷ lệ của hai vectơ phức tạp này, nên nó cũng là một vectơ phức tạp thay đổi theo thời gian và không gian. Kỹ sư điện điều khiển các đại lượng này theo thời gian và vị trí mong muốn, sau đó lấy phần thực của V hoặc I (hoặc Z) để có được những gì được quan sát trong thế giới thực.