Analiza impedancji, impedancji wejściowej i impedancji wyjściowej

Impedancja to zbiorcze określenie rezystancji i reaktancji, a największa różnica między rezystancją a reaktancją polega na tym, że ograniczenie prądu przez rezystancję (prawo Ohma) powoduje jednoczesne zużycie energii elektrycznej. Reaktancja jest ograniczona do prądu i nie zużywa energii elektrycznej (bez wykonywania pracy). Rezystancja ma ograniczony wpływ na prąd zarówno w przypadku prądu stałego, jak i prądu przemiennego, podczas gdy reaktancja ma jedynie ograniczony wpływ na prąd w środowiskach prądu przemiennego.

Impedancja wejściowa odnosi się do równoważnej impedancji na wejściowym końcu obwodu. Dodaj źródło napięcia U do zacisku wejściowego i zmierz prąd I na zacisku wejściowym, a następnie impedancja wejściowa Rin wynosi U/I. Możesz sobie wyobrazić koniec wejściowy jako dwa końce rezystora, a wartość rezystancji tego rezystora to impedancja wejściowa.

Przy tym samym napięciu wejściowym, jeśli impedancja wejściowa jest bardzo niska, musi płynąć duży prąd, co sprawdza zdolność wyjściową prądu poprzedniego stopnia; Jeśli impedancja wejściowa jest wysoka, wymagana jest tylko niewielka ilość prądu, co zmniejsza znaczne obciążenie wydajności prądowej stopnia przedniego. Dlatego projektując obwody, staraj się maksymalnie zwiększyć impedancję wejściową.

Impedancja wejściowa nie różni się od zwykłej składowej reaktancji, ponieważ odzwierciedla wielkość efektu blokowania prądu.

W przypadku obwodów zasilanych napięciem im większa impedancja wejściowa, tym mniejsze obciążenie źródła napięcia, co ułatwia sterowanie bez wpływu na źródło sygnału; W przypadku obwodów napędzanych prądem im mniejsza impedancja wejściowa, tym mniejsze obciążenie źródła prądu.

Dlatego możemy pomyśleć, że jeśli do napędu wykorzystywane jest źródło napięcia, im większa impedancja wejściowa, tym lepiej; Jeśli zasilany jest ze źródła prądu, im mniejsza impedancja, tym lepiej (uwaga: nadaje się tylko do obwodów o niskiej częstotliwości, w obwodach o wysokiej częstotliwości należy również rozważyć dopasowanie impedancji.) Dodatkowo, przy uzyskiwaniu maksymalnej mocy wyjściowej, impedancja należy również wziąć pod uwagę dopasowanie.Impedancja wyjściowa

Impedancja wyjściowa obejmuje impedancję wewnętrzną równoważnego źródła napięcia (obwód zastępczy Thevenina) lub równoważnego źródła prądu (obwód równoważny Nortona) niezależnego portu wyjściowego sieci energetycznej. Jego wartość jest równa impedancji wejściowej widzianej z portu wyjściowego, gdy niezależne zasilanie jest ustawione na zero.

Niezależnie od źródła sygnału, wzmacniacza i zasilacza, występuje problem z impedancją wyjściową. Impedancja wyjściowa to rezystancja wewnętrzna źródła sygnału. Pierwotnie dla idealnego źródła napięcia (łącznie z zasilaczem) rezystancja wewnętrzna powinna wynosić 0 lub impedancja idealnego źródła prądu powinna być nieskończona. Impedancja wyjściowa wymaga szczególnej uwagi przy projektowaniu obwodów.

W rzeczywistości źródła napięcia nie są w stanie tego osiągnąć, a idealne źródło napięcia jest często połączone szeregowo z rezystorem r, co odpowiada rzeczywistemu źródłu napięcia. Rezystor r połączony szeregowo z idealnym źródłem napięcia to rezystancja wewnętrzna źródła sygnału/wyjścia wzmacniacza/zasilania.

Kiedy to źródło napięcia zasila obciążenie, przez obciążenie przepłynie prąd I i wygeneruje I na tym rezystorze × Spadek napięcia r. Spowoduje to zmniejszenie napięcia wyjściowego zasilacza, ograniczając w ten sposób maksymalną moc wyjściową.

Podobnie idealne źródło prądu powinno mieć impedancję wyjściową nieskończoną, ale rzeczywiste obwody są niemożliwe.

Impedancja wyjściowa odnosi się do równoważnej impedancji obwodu, gdy obciążenie obwodu jest oglądane z portu wyjściowego obwodu w przeciwnym kierunku. W rzeczywistości odnosi się to głównie do impedancji mierzonej przez źródło energii na końcu wyjściowym, powszechnie znanej jako rezystancja wewnętrzna.

Analiza myślenia impedancyjnego obwodów przełączających

Jak pokazano na poniższym rysunku, V1 nadal dostarcza prąd do R1, a obwód prądowy na rysunku jest pokazany przez zieloną strzałkę. Jakie mamy metody, jeśli chcemy kontrolować przepływ prądu do R1?

Najpopularniejszą metodą jest rozłączenie połączenia pomiędzy V1 i R1 i odcięcie obwodu prądowego. Jak pokazano na poniższym rysunku.

Alternatywnie możemy ominąć R1, jak pokazano na poniższym rysunku. Dodaj przewód przed R1, aby skierować prąd w stronę ścieżki o niskiej impedancji, a R1 uzyska zaniedbywalny prąd.

Powyższe dwie metody są bardzo proste i polegają na całkowitym odłączeniu ścieżki od V1 do R1 lub zwarciu R1, co całkowicie rozwiązuje problem. Ale w świecie inżynierii nie da się tego zrobić tak czysto i schludnie, często podkreślając „podobne”; zbliżać się. Zatem w „modelu zwarcia” możemy osiągnąć jedynie „niską impedancję”, podczas gdy w „modelu obwodu otwartego” możemy osiągnąć jedynie „wysoką impedancję”. Jeśli energia jest znacząco „osłabiona”, uważamy, że spełnia normę.

Jak pokazano na poniższym rysunku, pokazano rzeczywisty model obciążenia mocy. Zobaczmy, jak osiągnąć efekt przełączania poprzez regulację impedancji. W rzeczywistych obwodach źródła zasilania mają ograniczenia wydajności wyjściowej i rezystancji wewnętrznej, a im większy prąd wyjściowy, tym niższe napięcie wyjściowe.

Poniższy obwód ma rezystancję wewnętrzną 0,1 Ω i obciążenie 1 K Ω. W obecnej sytuacji napięcie uzyskane na obu końcach obciążenia składa się z rezystancji wewnętrznej i napięcia cząstkowego R2. Możemy obliczyć V=5V * (1K/(1K+0,1))=4,9999V, I=5V/1000,1 Ω=4,9mA.

Jeśli użyjemy „modelu obwodu otwartego” metoda przerwania obwodu, jak powinniśmy wyregulować impedancję? Polega na podłączeniu szeregowo rezystora znacznie większego niż 1K pomiędzy zasilaczem a obciążeniem i wykonaniu szeregowego podziału napięcia w celu zmniejszenia napięcia uzyskanego na R2. Jak pokazano na poniższym rysunku, jeśli rezystor 1M jest podłączony szeregowo z dzielnikiem napięcia obciążenia. Możemy obliczyć końcowy rozkład napięcia pomiędzy dwoma końcami obciążenia:

V=5V * (1K/(0,1+1000K+1K))=0,00499V, I=5V/1001000,1 Ω=0,0049mA. Amplituda została osłabiona prawie 1000 razy, a w myśleniu inżynierskim R2 jest prawie „odłączony”.

Jeśli użyjemy „modelu zwarcia” metoda odłączenia R2, jak powinniśmy to dostosować? Polega na podłączeniu rezystora znacznie mniejszego niż 0,1 Ω równolegle na przednim końcu obciążenia i szeregowym podziale napięcia z rezystorem wewnętrznym, w wyniku czego na R2 zostanie uzyskane mniejsze napięcie.

Jak pokazano na poniższym rysunku, jeśli środek filtrujący jest równoważny równoległemu rezystorowi 0,005 Ω i wewnętrznemu dzielnikowi napięcia. Możemy obliczyć końcowe napięcie rozdzielone pomiędzy dwoma końcami obciążenia R2:

V = 5 V * (0,0049/(0,1 + 0,0049) = 0,233 V. Amplituda została osłabiona prawie 20 razy, a w myśleniu inżynierskim R2 jest również podobne do bycia „odłączonym”.

Powyższy model teoretyczny obwodów przełączników półprzewodnikowych na przykładzie obwodów falownika:

Kiedy końcówka IN zostanie zasilona, ​​powiemy, że tranzystor MOS Q1 przewodzi. W tym momencie stan przewodzenia jest równoznaczny z tym, że Q1 staje się rezystorem o impedancji kilkudziesięciu miliomów, a następnie dzieli napięcie przez rezystor R1. Jeśli rezystor podciągający R1 jest za mały i ma dziesiątki miliomów, nawet jeśli IN jest wysoki i Q1 przewodzi, zacisk OUT nie może generować niskiego poziomu.

Gdy koniec IN zostanie wyłączony, powiemy, że tranzystor MOS Q1 jest odcięty. W tym momencie stan odcięcia jest równoznaczny z tym, że Q1 staje się rezystorem o impedancji kilku megaomów i dzieli napięcie przez rezystor R1. Jeśli rezystor podciągający R1 jest za duży, co również wynosi kilka megaomów, nawet jeśli IN jest niskie, a Q1 jest odcięte, zacisk OUT nie może generować wysokiego poziomu.

Dlatego też, jeśli dogłębnie zrozumiemy obwody przełączające, konieczne jest ich przeanalizowanie z uwzględnieniem impedancji.

Obwód filtra analizy myślenia impedancyjnego

Tutaj przeanalizuj obwód filtrujący, stosując myślenie impedancyjne.

W praktycznych zastosowaniach inżynieryjnych moc wyjściowa często zawiera składowe prądu przemiennego o różnych częstotliwościach, zarówno te, których chcemy, jak i te, których nie chcemy. Impedancja indukcyjności i pojemności będzie się zmieniać wraz z częstotliwością. Właśnie ze względu na tę cechę cewki indukcyjne i kondensatory stały się wiodącymi aktorami w obwodach filtrujących.

Następujący obwód jest nadal używany, zakładając, że zasilacz zawiera składową widmową
0-1 GHz.

Jeśli chcemy odfiltrować komponenty prądu przemiennego o wysokiej częstotliwości dla obciążenia R2, odkryjemy, że zarówno indukcyjność szeregowa, jak i pojemność równoległa mogą spełnić wymagania.
Jak pokazano na poniższym rysunku, jeśli jedna cewka indukcyjna 16uH zostanie podłączona szeregowo pomiędzy zasilaczem a obciążeniem, jak bardzo zaniknie składowa prądu przemiennego 100 MHz? Zgodnie ze wzorem impedancji na indukcyjność: ZL=2 π fL=2 * 3,14 * 100 MHz * 16uH można otrzymać ZL=10K.

Zgodnie ze wzorem na dzielnik napięcia szeregowego, napięcie/wejście na obu końcach R3=R3/(R3+ZL)=1K/11K=0,0909. Zatem gdy amplituda zasilania wynosi 5 V, amplituda na obu końcach rezystora R3 wynosi tylko 5 V * 0,0909 = 0,45 V.

Przy 100 MHz użyj oscyloskopu do pomiaru kształtu fali przed i po filtrowaniu. Z porównania wynika, że ​​wpływ ma przebieg 100 MHz, a rzeczywisty pomiar wynosi 0,449 V, co jest zgodne z wynikami analizy.

Analiza myślenia impedancyjnego filtrów dolnoprzepustowych

Łącząc cewkę szeregowo pomiędzy zasilaczem a obciążeniem i podłączając kondensator równolegle z przodu obciążenia, tworzy się obwód filtra dolnoprzepustowego.

W następujący sposób, jeśli C1=1uF i L1=22uH, jaki jest stopień tłumienia obwodu filtrującego do
Komponent prądu przemiennego 100 MHz?

W tym momencie obwód łączy się równolegle z impedancją Zc ​​kondensatora (C1) i R3, a następnie dzieli przez impedancję ZL cewki indukcyjnej (L1). Możemy więc wypisać równanie impedancji (które jest prostym wzorem na dzielnik napięcia szeregowego).

Amplituda tłumienia=Vout/Vin=(Zc//R3)/(ZL+(Zc/R3)

Wśród nich Zc=1/2 π fC i ZL=2 π fL. Biorąc pod uwagę R3=1K Ω, można stwierdzić, że Zc=0,0015 Ω, Zc/R=0,00149 Ω.

ZL=13816 Ω, amplitudę tłumienia można otrzymać jako 0,00149/(13816,00149)=0,000000178.

Można zauważyć, że składnik prądu przemiennego o częstotliwości 100 MHz z trudem przechodzi przez obwód filtrowania dolnoprzepustowego 22 uH i 1 uF. Jednocześnie widzimy również, że obciążenie R3 może wpływać na efekt filtrowania filtra. Czasami okazuje się, że ten sam obwód filtra działa dobrze w tym obwodzie, ale słabo w innych obwodach.