Nyckelresultat

● Lär dig mer om formlerna för att konvertera kapacitans till impedans.

● Få en större förståelse för hur kapacitans och impedans interagerar.

● Lär dig mer om betydelsen av impedans i växelströmskretsanalys.

Kapacitans och dess förhållande till impedans

Elektronikområdet innehåller olika parametrar som mäter, assisterar och påverkar funktionaliteten, såväl som prestandan, hos varje elektronisk enhet. Dessa parametrar påverkar inledande och slutliga konstruktionsbeslut.

Parametrar som kapacitans och impedans måste hålla sig inom de acceptabla konstruktionsgränserna, annars kommer även den mest noggranna konstruktionen att misslyckas med att ge det önskade funktionella resultatet. Dessutom finns det fall där omvandlingen av en parameter till en motsvarighet till en annan är ett krav. En sådan omvandling, som kapacitans till impedans, är ett krav vid detaljerad analys av växelströmskretsar.

Kondensatorer och kapacitans

Den komponent som förknippas med kapacitans är naturligtvis en kondensator, och ett systems förmåga att lagra en elektrisk laddning kallas kapacitans. Inom fysiken är det förhållandet mellan förändringen av en elektrisk laddning i ett system med avseende på en förändring av dess elektriska potential. I båda fallen är standarenheten för kapacitans farad.

Dessa passiva elektroniska komponenter lagrar energi i form av ett elektrostatiskt fält. I sin renaste form innehåller en kondensator två ledande plattor som är åtskilda av ett isolerande material som kallas dielektrikum. En kondensators kapacitans är direkt proportionell mot plattornas yta och omvänt proportionell mot avståndet mellan dessa plattor. Nettokapacitansen beror dock också på dielektricitetskonstanten hos det ämne som skiljer plattorna åt.

När vi omvandlar impedansen hos en kondensator använder vi formeln Z = -jX. Tänk på att reaktans är en mer entydig parameter, och den definierar hur mycket motstånd en kondensator har vid en viss frekvens. Som tidigare nämnts är det nödvändigt att känna till impedansen för en detaljerad analys av en växelströmskrets.

Induktans och impedans

Förstå impedans i en växelströmskrets

Impedans är det aktiva motståndet hos en elektrisk krets eller komponent mot växelström från de kombinerade effekterna av reaktans och ohmsk motstånd. Med andra ord är impedans en utvidgning av principerna för motstånd i växelströmskretsar. Vi definierar också impedans som varje hinder, eller måttet på en elektrisk ströms motstånd, mot energiflödet när man lägger på spänning.

Den mer tekniska definitionen är det totala motståndet som erbjuds av en elektrisk krets mot flödet av växelström av en enda frekvens. Sammanfattningsvis är det en kombination av reaktans och motstånd som vi mäter i ohm och som vi representerar med symbolen Z.

Reaktans (X) uttrycker en komponents motstånd mot växelström, medan impedans (Z) anger en komponents motstånd mot både växelström och likström. Vi visar det som ett komplext tal genom att använda följande formel: Z = R + jX. I idealfallet är impedansen för ett motstånd likvärdig med dess motstånd. Under dessa omständigheter är den verkliga eller faktiska delen av impedansen motståndet, och den imaginära delen är noll eller noll.

Konvertering av kapacitans till impedans

Det finns beräkningsinstrument för kapacitiv reaktans som gör det möjligt att bestämma impedansen för en kondensator, förutsatt att du har dess kapacitetsvärde (C) och frekvensen för signalen som passerar genom den (f). Du anger kapacitansen i farads, picofarads, mikrofarads eller nanofarads och frekvensen i enheterna GHz, MHz, kHz eller Hz. Till exempel ger en kapacitans på 2 farads vid en frekvens på 100 hertz en impedans på 0,0008 ohm.

Följande är den formel som behövs för att beräkna ovanstående värden:

Vi förstår nu parametrarna för ett idealt motstånd där dess impedans är lika med dess motstånd. En perfekt kondensators impedans är dock lika med storleken på dess reaktans, även om dessa två parametrar inte är identiska. Vi uttrycker reaktansen som ett vanligt tal i ohm, och kondensatorns impedans är reaktansen multiplicerad med -j. Detta motsvarar följande formel: Z = -jX. I detta sammanhang representerar termen -j den 90 graders fasförskjutning som sker mellan ström och spänning i en rent kapacitiv krets.

Användning av omvandlingsekvationen

Med hjälp av ekvationen ovan (XC = 1/ωC = 1/2πƒC) kan man få fram reaktansen för en kondensator, och för att omvandla denna till impedansen för en kondensator kan man använda formeln Z = -jX. Kom ihåg att reaktansen är ett mer uppenbart parametervärde, och den urskiljer hur mycket motstånd en kondensator har vid en viss frekvens.

Det framgår av ekvationerna ovan att en kondensators reaktans är omvänt proportionell mot både kapacitans och frekvens. Därför ger högre kapacitans och högre frekvens en lägre reaktans. Detta omvända förhållande mellan frekvens och reaktans underlättar användningen av kondensatorer för att blockera lågfrekventa komponenter i en signal och samtidigt låta högfrekventa komponenter passera.

Kapacitans i en växelströmskrets är lätt att urskilja, men det är impedansen som är ett krav för en grundlig analys av växelströmskretsen. Logiskt sett innebär detta att det är av största vikt att få en större förståelse för betydelsen av hur dessa två parametrar samverkar.

Induktorns koppartrådsveckning

För att få funktionella och tillförlitliga kretsar är det viktigt att ha rätt uppsättning av konstruktions- och analysmjukvara som kan hjälpa dig att skapa dina kretsar, simuleringsmodeller och fotavtryck. Front-end-designfunktionerna från Cadence integreras med den kraftfulla PSpice-simulatorn för att skapa det idealiska mjukvarusystemet för kretsdesign och simulering.

Om du vill veta mer om hur Cadence har lösningen för dig, prata med oss och vårt expertteam.