Key Takeaways

● Tutustu kaavoihin kapasitanssin muuntamiseksi impedanssiksi.

● Saat paremman ymmärryksen kapasitanssin ja impedanssin välisestä vuorovaikutuksesta.

● Opi lisää impedanssin merkityksestä vaihtovirtapiirien analysoinnissa.

Kapasitanssi ja sen suhde impedanssiin

Elektroniikan alalla on erilaisia parametreja, jotka mittaavat, avustavat ja vaikuttavat jokaisen elektronisen laitteen toimivuuteen sekä suorituskykyyn. Nämä parametrit vaikuttavat alkuperäisiin ja lopullisiin suunnittelupäätöksiin.

Parametrien, kuten kapasitanssin ja impedanssin, on pysyttävä hyväksyttävissä suunnittelurajoissa, tai tarkimmallakaan suunnittelulla ei saavuteta haluttua toiminnallista lopputulosta. Lisäksi on tapauksia, joissa yhden parametrin muuntaminen toisen parametrin vastineeksi on vaatimuksena. Yksi tällainen muunnos, kuten kapasitanssi impedanssiksi, on yksityiskohtaisen vaihtovirtapiirianalyysin vaatimus.

Kondensaattorit ja kapasitanssi

Kapasitanssiin liittyvä komponentti on tietenkin kondensaattori, ja järjestelmän kykyä varastoida sähkövarausta kutsutaan kapasitanssiksi. Fysiikassa se on systeemin sähkövarauksen muutoksen suhde sen sähköpotentiaalin muutokseen. Kummassakin tapauksessa kapasitanssin standardiyksikkö on faradi.

Nämä passiiviset elektroniikkakomponentit varastoivat energiaa sähköstaattisen kentän muodossa. Puhtaimmillaan kondensaattori sisältää kaksi johtavaa levyä, jotka on erotettu toisistaan eristävällä materiaalilla, jota kutsutaan dielektriseksi aineeksi. Kondensaattorin kapasitanssi on suoraan verrannollinen sen levyjen pinta-alaan ja kääntäen verrannollinen levyjen väliseen etäisyyteen. Nettokapasitanssi riippuu kuitenkin myös levyjä erottavan aineen dielektrisyysvakiosta.

Kondensaattorin impedanssia muunnettaessa käytetään kaavaa Z = -jX. Pidä mielessä, että reaktanssi on yksiselitteisempi parametri, ja se määrittelee, kuinka suuri vastus kondensaattorilla on tietyllä taajuudella. Kuten aiemmin todettiin, impedanssin tunteminen on välttämätöntä yksityiskohtaista vaihtovirtapiirin analyysia varten.

Induktori ja impedanssi

Impedanssin ymmärtäminen vaihtovirtapiirissä

Impedanssi on sähköpiirin tai -komponentin vaihtovirtapiirin aktiivinen resistanssi, joka syntyy reaktanssin ja ohmisen resistanssin yhdistelmästä. Toisin sanoen impedanssi on vastuksen periaatteiden laajennus vaihtovirtapiireissä. Määrittelemme impedanssin myös joksikin esteeksi tai sähkövirran vastuksen mitaksi energian virtaukselle jännitettä käytettäessä.

Teknisempi määritelmä on sähköpiirin tarjoama kokonaisvastustus yhden taajuuden vaihtovirran virtaukselle. Yhteenvetona se on reaktanssin ja resistanssin yhdistelmä, jonka mittaamme ohmeina, ja edustamme sitä symbolilla Z.

Reaktanssi (X) ilmaisee komponentin resistanssin vaihtovirtaa vastaan, kun taas impedanssi (Z) ilmaisee komponentin resistanssin sekä vaihtovirtaa että tasavirtaa vastaan. Esitämme sen kompleksilukuna seuraavan kaavan avulla: Z = R + jX. Ihannetapauksessa vastuksen impedanssi vastaa sen resistanssia. Tällöin impedanssin reaali- tai todellinen osa on resistanssi ja imaginääriosa on nolla tai nolla.

Kapasitanssin muuntaminen impedanssiksi

On olemassa kapasitiivisen reaktanssin laskureita, joiden avulla voit määrittää kondensaattorin impedanssin edellyttäen, että sinulla on tiedossasi kondensaattorin kapasitanssin arvo (C) ja sen läpi kulkevan signaalin taajuussuure (f). Syötät kapasitanssin faradeina, pikofaradeina, mikrofaradeina tai nanofaradeina ja taajuuden yksikköinä GHz, MHz, kHz tai Hz. Esimerkiksi 2 faradin kapasitanssi 100 hertsin taajuudella antaa impedanssiksi 0,0008 ohmia.

Seuraavassa on edellä mainittujen arvojen laskemiseen tarvittava kaava:

Ymmärrämme nyt ideaalisen vastuksen parametrit, jossa sen impedanssi on yhtä suuri kuin sen resistanssi. Täydellisen kondensaattorin impedanssi on kuitenkin yhtä suuri kuin sen reaktanssi, vaikka nämä kaksi parametria eivät ole identtisiä. Ilmaisemme reaktanssin tavallisena lukuna ohmeina, ja kondensaattorin impedanssi on reaktanssi kerrottuna -j:llä. Tämä vastaa seuraavaa kaavaa: Z = -jX. Tässä yhteydessä -j-termi edustaa 90 asteen vaihesiirtymää, joka tapahtuu virran ja jännitteen välillä puhtaasti kapasitiivisessa piirissä.

Muunnosyhtälön käyttäminen

Käyttämällä edellä esitettyä yhtälöä (XC = 1/ωC = 1/2πƒC) saat kondensaattorin reaktanssin, ja jos haluat muuntaa tämän kondensaattorin impedanssiksi, voit käyttää kaavaa Z = -jX. Muista, että reaktanssi on ilmeisempi parametriarvo, ja se erottaa, kuinka suuri vastus kondensaattorilla on tietyllä taajuudella.

Yllä olevista yhtälöistä käy ilmi, että kondensaattorin reaktanssi on kääntäen verrannollinen sekä kapasitanssiin että taajuuteen. Näin ollen suurempi kapasitanssi ja suurempi taajuus johtavat pienempään reaktanssiin. Tämä käänteinen suhde taajuuden ja reaktanssin välillä helpottaa kondensaattoreiden käyttöä signaalin matalataajuisten komponenttien estämiseksi samalla, kun korkeataajuiset komponentit päästetään läpi.

Vaihtovirtapiirin kapasitanssi on helposti havaittavissa, mutta perusteellisen vaihtovirtapiirianalyysin vaatimuksena on impedanssi. Loogisesti tämä tarkoittaa, että on ensiarvoisen tärkeää ymmärtää paremmin, miten nämä kaksi parametria ovat vuorovaikutuksessa keskenään.

Induktorin kuparilankakäämitys

Toimivien ja luotettavien piirien saaminen riippuu siitä, että käytössäsi on oikeanlainen suunnittelu- ja analyysiohjelmisto, jonka avulla voit luoda virtapiirejäsi, simulointimallejaan ja jalanjälkiäsi. Cadencen front-end-suunnitteluominaisuudet integroituvat tehokkaaseen PSpice-simulaattoriin luoden ihanteellisen ohjelmistojärjestelmän piirien suunnittelua ja simulointia varten.

Jos haluat lisätietoja siitä, miten Cadence tarjoaa ratkaisun juuri sinulle, keskustele meidän ja asiantuntijatiimimme kanssa.