O que é impedância?
Impedância elétrica (Z) , é a oposição total que um circuito apresenta à corrente alternada. A impedância muda de acordo com os componentes do circuito e a frequência do CA aplicado. Impedância pode incluir resistência (R), reatância indutiva (X L ) e reatância capacitiva (X C ) . Não é simplesmente a soma algébrica da resistência, reatância indutiva e reatância capacitiva. Reactância indutiva e reactância capacitiva são 90 ° fora de fase com a resistência, de modo que os seus valores máximos ocorrem em momentos diferentes. Portanto, a adição de vetor deve ser usada para calcular a impedância.
Em um circuito alimentado por CC, a resistência é a razão entre a tensão aplicada (V) e a corrente resultante (I). Esta é a lei de Ohm.
Uma corrente alternada regularmente inverte sua polaridade. Quando um circuito CA contém apenas resistência, a resistência do circuito também é determinada pela Lei de Ohm.
No entanto, quando a capacitância e / ou a indutância estão presentes em um circuito CA, elas fazem com que a tensão e a corrente fiquem fora de fase. Portanto, a lei de Ohm deve ser modificada substituindo a impedância (Z) por resistência. A Lei de Ohm se torna: Z = V / I, onde Z é um número complexo.
Z é um número complexo; isto é, tem um componente real (R) e um componente imaginário ( jX ). O componente imaginário representa qualquer ponto na forma de onda CA.
Mudança de fase
A resistência está sempre em fase com a tensão. Portanto, um deslocamento de fase é sempre relativo à linha de resistência. Quando o circuito tem mais resistência em relação à reatância indutiva, a linha de impedância se move em direção à linha de resistência (eixo X) e a mudança de fase diminui. Quando o circuito produz mais reatância indutiva em relação à resistência, a linha de impedância se desloca em direção à linha de reatância indutiva (eixo Y) e a mudança de fase aumenta.
A impedância em um circuito com resistência e reatância indutiva pode ser calculada usando a seguinte equação. Se a reatância capacitiva estivesse presente no circuito, seu valor seria adicionado ao termo de indutância antes da quadratura.
O ângulo de fase do circuito pode ser calculado usando a equação abaixo. Se a reatância capacitiva estivesse presente no circuito, seu valor seria subtraído do termo de reatância indutiva.
Um deslocamento de fase pode ser desenhado em um diagrama vetorial mostrando uma impedância em série, Z, sua parte real Rs (resistência em série), sua parte imaginária jXs (reatância em série) e o ângulo de fase θ.
ω = 2πf
Figura 1 . Um conjunto de diagramas vetoriais
Quando há indutância ou capacitância em um circuito, a tensão e a corrente estão fora de fase.
Indutância - A tensão no indutor é máxima quando a taxa de variação da corrente é maior. Para uma forma de onda AC (sinusoidal), isso é no ponto em que a corrente real é zero. A voltagem aplicada a um indutor alcança seu valor máximo em um quarto de ciclo antes da corrente , e a voltagem é dita a conduzir a corrente em 90 o .
Capacitância - A corrente que flui através do capacitor é diretamente proporcional ao valor do próprio capacitor (os capacitores de alto valor carregam mais lentamente) e é diretamente proporcional à variação na tensão do capacitor ao longo do tempo. A corrente aplicada a um capacitor atinge seu valor máximo um quarto de ciclo antes da tensão; corrente leva a tensão por 90 o .across o condensador.
Séries versus Equivalências Paralelas
Quais parâmetros devem ser medidos, em série ou paralelos? Depende do propósito da medição. Para inspeção de entrada e medições de produção em componentes passivos, geralmente os valores da série são especificados nos padrões EIA e MIL. Esses padrões também especificam frequências de teste e outras condições de teste.
Para determinar o valor DC de um resistor usando medições AC, use medições em série de resistores de baixo valor (digamos, abaixo de 1k) ; usar medições paralelas de valores de alto valor. Na maioria dos casos, isso evita erros devido à indutância em série e à capacitância paralela concentrada. Além disso, use uma baixa frequência de teste. Observe que, às vezes, uma medição CA pode fornecer o valor CC correto melhor do que uma medição CC, porque os erros de tensão térmica e desvio são evitados e a sensibilidade da medição pode ser maior.
Outros casos em que medições paralelas são preferidas são quando medimos valores muito baixos de capacitância, ao fazer medições em materiais dielétricos e magnéticos, e, é claro, ao tentar determinar os valores separados de dois componentes em paralelo. Muitas vezes, o D de um capacitor é menor que 0,01, de modo que não faz qualquer diferença que seja medida, porque a diferença entre os valores em série e paralelos é menor que 0,01%. Da mesma forma, o Q de um resistor é geralmente menor que 0,01, de modo que a quantidade de resistência pode ser medida.
Um circuito equivalente para essa impedância colocaria Rs e Xs em série, portanto subscript 's' .
O recíproco de Z é Admissão (Y), que também é um número complexo que tem uma parte real Gp (condutância paralela) e uma parte imaginária jBp ( suscetibilidade paralela) com um ângulo de fase φ.
Para obter uma lista completa dos termos e equações de impedância, consulte a página 65. .
A resistência, R, pode ser especificada por um único número real e a unidade é o Ohm (Ω). A condutância, G, de um dispositivo é a recíproca de sua resistência: G = 1 / R. A unidade de condutância é o Siemen (anteriormente mho, 'Ohm' soletrado ao contrário).
Para AC, a relação de tensão para corrente é um número complexo porque as tensões e correntes AC possuem fase e magnitude. Esse número complexo é chamado de impedância, Z, e é a soma de um número real, R, e um imaginário, jX , (onde j = -1). Assim, Z = R + jX . A parte real é a resistência AC e a parte imaginária é a reatância. Ambos possuem unidades de Ohms.
A reatividade vem em dois tipos, indutiva e capacitiva. A reatância de um elemento indutivo é L, onde L é sua indutância e = 2πf (onde f = frequência). A reatância de um elemento capacitivo é negativa, -1 / C, onde C é sua capacitância. O sinal negativo ocorre porque a impedância de um capacitor puro é 1 / j C e 1 / j = -j.
Como a impedância de dois dispositivos em série é a soma de suas impedâncias separadas, considere uma impedância como a combinação em série de um resistor ideal e um capacitor ou indutor ideal. Este é o circuito equivalente em série de uma impedância compreendendo uma resistência em série equivalente e uma capacitância ou indutância em série equivalente. Usando os subscritos para séries, temos:
Para uma rede com muitos componentes, os valores dos elementos do circuito equivalente mudam com a frequência. Isso também é válido para os valores dos elementos indutivo e capacitivo do circuito equivalente de um único componente real (embora as alterações sejam geralmente muito pequenas).
Impedância é representada, em qualquer frequência específica, por um circuito equivalente. Os valores desses elementos ou parâmetros dependem de qual representação é usada, série ou paralelo, exceto quando a impedância é puramente resistiva ou puramente reativa. Em tais casos, apenas um elemento é necessário e os valores em série ou paralelos são os mesmos.
A admissão, Y, é a recíproca da impedância, conforme mostrado na equação 2:
Também é um número complexo, tendo uma parte real, a condutância AC G e uma parte imaginária, a suscetibilidade B. Como as admitâncias de elementos paralelos são adicionadas, Y pode ser representado por uma combinação paralela de uma condutância ideal e uma suscetibilidade , onde a última é uma capacitância ideal ou uma indutância ideal. Usando o subscrito p para elementos paralelos, temos a equação 3:
Em geral, Gp não é igual a 1 / Rs e Bp não é igual a 1 / Xs (ou -1 / Xs) como se pode ver no cálculo da equação 4.
Assim Gp = 1 / Rs somente se Xs = 0, que é o caso somente se a impedância for uma resistência pura; e Bp = -1 / Xs (observe o sinal de menos) somente se Rs = 0, ou seja, a impedância é uma capacitância ou indutância pura.
Duas outras grandezas, D e Q, são medidas da "pureza" de um componente, isto é, quão perto está de ser ideal ou contendo apenas resistência ou reatância. D, o fator de dissipação, é a razão entre a parte real da impedância, ou admitância, para a parte imaginária. Q, o fator de qualidade, é o recíproco dessa razão, conforme ilustrado na equação 5.
Uma discussão aprofundada de The History of Impedance Measurements, de Henry P. Hall, é outro artigo bem escrito sobre o tema das medições de impedância.