Elektrická impedance: definice, principy, vyjádření, parametry, schéma, aplikace (jednoduché a dostupné)

Celkový odpor (impedance) je komplexní hodnota elektrického obvodu, vyjádřená reálným odporem a imaginární reaktancí, která brání průchodu elektrického proudu. Při měření impedance bychom měli obvod napájet vždy střídavým proudem, v případě stejnosměrného proudu budeme měřit pouze skutečnou složku impedance.

Význam impedance

Ve stejnosměrných obvodech hraje aktivní odpor R důležitou roli. Pokud jde o sinusové obvody střídavého proudu, samotný aktivní odpor nebude stačit. Pokud jsou totiž ve stejnosměrných obvodech kapacita a indukčnost znatelná pouze při přechodových procesech, pak ve střídavých obvodech se tyto součástky projevují mnohem výrazněji.

Proto se pro adekvátní výpočet střídavých obvodů zavádí pojem „elektrická impedance“ – Z neboli komplexní (plný) odpor dvousvorkové sítě vůči harmonickému signálu. Někdy lidé prostě řeknou „impedance“ a vypustí slovo „elektrický“.

Impedance, která je komplexním číslem, bere v úvahu jak aktivní odpor, tak reaktivní odpor, který zahrnuje indukční a kapacitní odpor.

Pojem impedance umožňuje aplikovat Ohmův zákon na úseky obvodů se střídavým sinusovým proudem. Projev indukční složky dvousvorkovou sítí (zátěž) vede ke zpoždění proudu od napětí na dané frekvenci a projev kapacitní složky ke zpoždění napětí od proudu. Aktivní součástka nezpůsobuje zpoždění mezi proudem a napětím, projevující se v podstatě stejně jako u stejnosměrného obvodu.

Impedanční vyjádření

Složka impedance obsahující kapacitní a indukční složku se nazývá reaktivní složka X. Graficky lze aktivní složku R impedance vynést podél osy oX a reaktivní složku podél osy oY, potom bude impedance jako celek reprezentována ve formě komplexního čísla, kde j je imaginární jednotka (pomyslná jednotka se kvadratickým číslem 1).

V tomto případě je jasně vidět, že reaktivní složku X lze rozložit na kapacitní a indukční složky, které mají opačný směr, to znamená, že mají opačné účinky na proudovou fázi: pokud bude převládat indukční složka, bude impedance obvodu jako celku kladná, to znamená, že proud v obvodu bude za napětím zaostávat, ale pokud bude kapacitní složka napětí, bude převažovat proud.

Schematicky je tato dvoukoncová síť v daném tvaru znázorněna následovně:

V zásadě lze jakýkoli lineární dvousvorkový obvod zredukovat na podobnou formu. Zde můžeme určit aktivní složku R, která nezávisí na aktuální frekvenci a reaktivní složku X, která zahrnuje kapacitní a indukční složku.

Z grafického modelu, kde jsou odpory znázorněny vektory, je zřejmé, že modul impedance pro danou frekvenci sinusového proudu se vypočítá jako délka vektoru, která je součtem vektorů X a R. Impedance se měří v Ohmech.

Alternativní termíny

V praktických popisech sinusových střídavých obvodů z hlediska impedance se lze setkat s pojmy jako „aktivně-indukční povaha zátěže“ nebo „aktivně-kapacitní zátěž“ nebo „čistě aktivní zátěž“. To, co je myšleno, je následující:

• Pokud v obvodu převažuje vliv indukčnosti L, pak je jalová složka X kladná, zatímco aktivní složka R je malá – jedná se o indukční zátěž. Příkladem indukční zátěže je induktor.
• Pokud v obvodu převládá vliv kapacity C, pak je jalová složka X záporná, zatímco aktivní složka R je malá – jedná se o kapacitní zátěž. Příkladem kapacitní zátěže je kondenzátor.
• Převažuje-li v obvodu aktivní odpor R, zatímco jalová složka X je malá, jedná se o aktivní zátěž. Příkladem aktivní zátěže je žárovka.
• Pokud je aktivní složka R v obvodu významná, ale převažuje indukční složka nad kapacitní, to znamená, že jalová složka X je kladná, nazývá se zátěž aktivní indukční. Příkladem aktivní indukční zátěže je asynchronní motor.
• Pokud je aktivní složka R v obvodu významná a kapacitní složka převažuje nad indukční, to znamená, že jalová složka X je záporná, nazývá se zátěž aktivní kapacitní. Příkladem aktivní kapacitní zátěže je napájecí zdroj pro zářivku.

Alternativní termíny jako „aktivní-indukční“ a „aktivní-kapacitní zátěž“ pomáhají přesněji popsat charakteristiky obvodu a předpovědět jeho chování za různých podmínek. To je zvláště důležité při navrhování a analýze složitých elektrických systémů, kde je třeba vzít v úvahu všechny možné faktory ovlivňující provoz a bezpečnost.

Rezonance ve střídavých obvodech

Když jsou indukční a kapacitní komponenty v obvodu vyvážené, obvod je ve stavu rezonance. V tomto případě je reaktance obvodu nulová a chová se jako čistě aktivní zátěž. Rezonanci lze využít ke zvýšení účinnosti přenosu výkonu, ale také může způsobit přepětí, která jsou pro elektrická zařízení nebezpečná.

Fázový posun ve střídavých obvodech

Fázový posun mezi napětím a proudem ve střídavém obvodu je důležitým ukazatelem, který je určen poměrem aktivní a jalové složky impedance. Fázový posun ovlivňuje účiník, který je měřítkem toho, jak efektivně je elektrická energie využívána v obvodu.

Impedance v napájecím zdroji

S impedancí se lze setkat i při posuzování bezpečnosti elektroinstalace nízkého napětí (například při revizích). Hodnota impedance sítě TN určuje bezpečnost instalace stanovením rychlosti odezvy předřazeného ochranného zařízení (pojistka, jistič atd.). Aby jistič v případě poruchy vypadl v dostatečně krátké době, musí být impedance dostatečně nízká.

Impedance hraje klíčovou roli při zajištění rychlého odpojení elektrického obvodu, když dojde ke zkratu nebo jiné poruše. Je to dáno tím, že doba odezvy ochranného zařízení je přímo úměrná hodnotě impedance obvodu. Proto čím nižší impedance, tím rychleji dojde k vypnutí, čímž se sníží riziko požáru nebo poškození zařízení.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Tento článek, přeložený A-CONTRACT, pomůže vývojářům naučit se správně určit impedanci v obvodu, což je extrémně důležité při navrhování vysokorychlostních/
vysokofrekvenční obvody, pro které je impedance jedním ze základních parametrů.

Průchod signálu přes desku plošných spojů, výměna energie mezi elektronickými součástkami na desce a absence nežádoucích úniků signálu jsou klíčové parametry, které určují efektivitu jejího provozu. Významný vliv na ně má faktor známý jako impedance. Tento článek je věnován problematice stanovení impedance obvodu v deskách plošných spojů.

Impedance obvodu

Existuje několik metod pro určení impedance obvodu, ale všechny mohou poskytnout nesprávné výsledky, pokud se neberou v úvahu parazitní prvky. Impedance je AC charakteristika obvodu, která se může měnit s provozní frekvencí. Obvykle je reprezentován následujícím výrazem:

Rozdíl mezi impedancí a odporem

Hlavní rozdíl mezi odporem a impedancí spočívá v tom, že odpor je proti proudu stejnosměrného i střídavého proudu, zatímco impedance je proti pouze střídavému proudu. Impedance u stejnosměrného obvodu nezáleží. Některé klíčové rozdíly mezi odporem a impedancí jsou uvedeny v tabulce.

Tabulka. Klíčové rozdíly mezi odporem a impedancí

Impedanční přizpůsobení a integrita signálu

Při vysokých frekvencích působí vodivé stopy obvodové desky jako přenosová vedení se specifickými hodnotami impedance v každém bodě. Impedanční přizpůsobení zajišťuje, že impedance zůstává konstantní v každém bodě stopy. Změny impedance v přenosové lince mají za následek odraz signálu, a tudíž zhoršení její integrity. Řízená impedance zajišťuje průchod signálu přes PCB bez útlumu.

Faktory ovlivňující řízenou impedanci

Impedance vodivé dráhy je určena jejími fyzickými rozměry (šířka a tloušťka), permitivitou a vzdáleností k referenční rovině (tloušťka dielektrika) materiálu desky. Jeho hodnota se obvykle pohybuje v rozmezí 25–125 Ohmů. Na impedanci desky s plošnými spoji mají vliv následující faktory (obr. 1):

• šířka W a tloušťka T měděné signální stopy (nahoře a dole);
• tloušťka H materiálu jádra nebo prepregu na každé straně měděné stopy;
• permitivita εr materiálu jádra a prepregu;
• vzdálenost od jiných měděných předmětů.

Řízení impedance je nezbytné pro vysokorychlostní aplikace, jako jsou signálové procesory, komunikační zařízení a vysokofrekvenční přenosová zařízení.

Celková impedance desky plošných spojů

Impedance obvodu je určena uspořádáním součástek. Rezistory, kondenzátory a induktory jsou některé ze základních prvků obvodu. Rezistory působí proti toku proudu, což znamená, že hodnota odporu nezávisí na napájecí frekvenci. Kondenzátory a induktory však mají reaktanci, která závisí na frekvenci vstupního signálu.

V ideálním případě by reaktance kondenzátoru měla být nepřímo úměrná úhlové frekvenci signálu a reaktance induktoru by měla být
být přímo úměrné této frekvenci. Kromě výše uvedených parametrů závisí impedance obvodu také na substrátu DPS a vnitřních vodivých vrstvách. Izolační materiál spolu s vnitřními vrstvami může vytvářet parazitní kapacitu a indukčnost. Tyto parazitní prvky zase způsobují přeslechy a ovlivňují impedanci celého obvodu. Faktory, které určují velikost impedance obvodu, budou popsány níže.

Impedance přenosového vedení

Impedance přenosového vedení závisí především na jeho charakteristické impedanci, což je v podstatě odpor vedení v úplné izolaci (obr. 2). Další metriky používané ke kvantifikaci impedance přenosového vedení jsou impedance sudého a lichého režimu. Sudý a lichý jsou dva hlavní způsoby šíření signálu po spárovaném přenosovém vedení.

• Lichý režim je impedance přenosového vedení, když dva vodiče v páru pracují rozdílně (signály stejné amplitudy a opačného směru).
• Sudý režim je impedance přenosového vedení, když dva vodiče v páru pracují rovnoměrně (signály stejné amplitudy a směru).

Impedance přenosového vedení také závisí na tom, jak jsou stopy umístěny vůči sobě navzájem. U dvou tras umístěných blízko sebe dochází k induktivní a kapacitní vazbě, což obvykle vede k přeslechům a také ke změnám impedance každého vedení.

Impedance napájecí sítě

Při nízkých frekvencích má napájecí vedení (PDN) kapacitní typ reaktivní impedance (obr. 3).

Fyzické oddělení mezi napájecími kolejnicemi, vodivými stopami a vnitřními vrstvami určuje impedanci napájecího vedení. Se zvyšující se vstupní frekvencí roste i impedance tohoto vedení. Studium impedančního spektra umožňuje určit propustné pásmo s nejnižší impedancí napájecího vedení. Spektrum by mělo zůstat stejné v celém pracovním frekvenčním rozsahu desky. Umístění zemnicí plochy je rozhodující pro zachování integrity jejího napájecího zdroje. Vzhledem k tomu, že signály se při pohybu na zemní plochu pohybují po dráze nejmenší reaktance, měla by být umístěna přímo pod vodiči na desce. Tím je zajištěno, že indukčnost smyčky obvodu je udržována na minimu a je snížena náchylnost k elektromagnetickému rušení.

Výběr materiálu podkladu a montáž

Montáž desky je uspořádání vrstev v sekvenčním pořadí. Na Obr. 4 ukazuje schematický diagram čtyřvrstvé desky.

L1 a L4 jsou vnější vrstvy, L2 a L3 jsou vnitřní vrstvy. Jak bylo zmíněno, sousední vodivé vrstvy v designu desky mohou vytvářet parazitní efekt, který následně ovlivňuje celkovou impedanci obvodu. Nesoulad impedance v důsledku parazitního rušení způsobuje odrazy na dráze, které nakonec
nakonec vede ke vzniku přeslechů a elektromagnetického rušení.

Popis struktury vrstev plošných spojů je součástí dokumentace s požadavky zákazníka na výrobce. Absence těchto informací to může ztížit nebo znemožnit
při výrobě desky nelze přesně dodržet technické požadavky zákazníka. Použití materiálu, který nejlépe odpovídá designu desky plošných spojů, který si vyberete, pomůže těmto problémům předejít. Permitivita Dk ovlivňuje geometrii vodivé dráhy s určitou hodnotou impedance. Obsah pryskyřice a tloušťka materiálu jsou také dva důležité faktory, které určují Dk materiálu: Dk se snižuje s rostoucí tloušťkou, což znamená, že čím vyšší je obsah pryskyřice, tím nižší je hodnota Dk.

Návrháři by měli vybrat vhodné materiály PCB, aby se zabránilo změně celkové hodnoty impedance. Zde je několik doporučení na toto téma.

• Určete správnou tloušťku vrstvy: tenčí vrstvy snižují plochu smyčky a parazitní indukčnost a zároveň zvyšují parazitní kapacitu. Chcete-li najít vhodnou tloušťku vrstvy, můžete použít modelovací nástroje s různými sadami vrstev.
• Vyberte materiál s nižší permitivitou: substráty s vyšším Dk zvyšují parazitní kapacitu. Vždy vybírejte substrát s nižší Dk, zejména pro vysokorychlostní aplikace.
• Vyvarujte se výběru substrátu s velmi nízkým obsahem pryskyřice, protože to může vést k vyčerpání pryskyřice, což zase změní impedanci.

V sestavě nepoužívejte více než tři různé typy prepregu, jinak se může zvýšit pravděpodobnost velkého rozdílu v konečné tloušťce. Při použití několika typů předimpregnovaných laminátů by se měla efektivní permitivita kompozitního materiálu vypočítat pomocí metody váženého průměru.

Přes impedanci

Průchozí otvory a průchozí otvory ve vícevrstvé desce mají parazitní spojení mezi sousedními vodivými prvky. Indukčnost prokovu je řádově nH a je určena hlavně poměrem stran jeho rozměrů. Impedance průchodů je typicky 25-35 ohmů. Proto existuje významný rozdíl mezi impedancemi prokovu a tras (asi 50 ohmů). Když je prokov umístěn na vodivé stopy, dochází k šumové vazbě, která způsobuje nespojitosti impedance. Doporučuje se vyhnout se umístění prokovů mezi diferenciální páry, aby se snížily tyto nespojitosti.

Metody stanovení impedance obvodu

Impedanci obvodu lze vypočítat pomocí následujících metod.

Modelování obvodu

Simulace obvodů je technika používaná k ověření funkčnosti návrhu desky před její výrobou. Výpočet impedance je součástí mnoha programů pro návrh DPS. Jednou z hlavních výhod v tomto ohledu je, že parametry výpočtu impedance lze měnit a lze simulovat různé varianty pro výběr nejlepšího návrhu pro výrobu.

Online kalkulačky impedance

Řízenou impedanci nebo parametry dráhy lze určit pomocí online kalkulátorů. Neposkytují stejnou úroveň detailů jako modelovací nástroje, ale umožňují vám upravovat návrh, jak na něm pracujete. Například kalkulátor impedance Sierra Circuits používá dvourozměrné numerické řešení Maxwellových rovnic pro přenosové linky desek s plošnými spoji. Získaná data jsou poměrně přesná a vhodná pro výrobu desek plošných spojů. Nástroj vyhodnocuje parametry dráhy: kapacitu, indukčnost, zpoždění šíření na jednotku délky a efektivní permitivitu konstrukce. Na rozdíl od zmíněného nástroje pro měření impedance není většina bezplatných online kalkulátorů impedance příliš přesná, protože jsou založeny na empirických vzorcích a neberou v úvahu vliv takových faktorů, jako je lichoběžníkový tvar dráhy, více dielektrických materiálů atd.

praktická metoda

Pro rychlé získání přibližné hodnoty řízené impedance se doporučuje vypočítat dobu náběhu pomocí vzorce:

kde f_max — maximální provozní frekvence. Maximální délka trati se vypočítá podle vzorce:

Charakteristická impedance stopy se vypočítá takto:

kde ε_r — dielektrická konstanta materiálu (podle pasu); H — vzdálenost mezi tratí a zemnící vrstvou; W – šířka stopy; T – tloušťka stopy. Bez ohledu na to, jak určíte impedanci PCB, se doporučuje spolupracovat se smluvním výrobcem, protože výrobní normy a dostupnost vhodných materiálů ovlivňují výrobní proces.

Sergey Shikhov, ředitel projektového řízení, A-CONTRACT, komentuje:

U vysokorychlostních/vysokofrekvenčních obvodů je impedance jedním ze základních parametrů. Ovlivňuje vyrovnání přenosových linek, a tím i integritu signálů a elektromagnetickou kompatibilitu, které zase určují kvalitu desky s plošnými spoji. Nesprávný výběr hodnoty impedance může výrazně snížit účinnost desky a dokonce vést k selhání konečné elektronické jednotky. To je důvod, proč je nezbytné, aby konstruktér byl schopen správně určit impedanci v obvodu.

Související novinky

• 04.09.2023 Měření impedance pomocí reflektometru
• 23.01.2018 Plánování PCB: Integrita signálu a řízení impedance. Část 2
• 16.01.2018 Plánování PCB: Integrita signálu a řízení impedance. Část 1

Související soubory

• Jak určit impedanci obvodu na deskách s plošnými spoji 1 MB

• ← Rychlejší, přesnější, kvalitnější: modernizace zařízení v závodě A-CONTRACT
• Byla vytvořena unikátní domácí technologie pro výcvik AI pro „chytrou“ přepravu →

Jak objednat

• Obecná pravidla pro objednávání
• Jak objednat desky plošných spojů
• Jak objednat montáž desky plošných spojů
• Jak objednat smluvní výrobu
• Vybavení pro objednání
• Možnosti doručení
• platba

Desky plošných spojů

• Návrh PCB
• DFM analýza
• Směrování PCB
• Výroba desek plošných spojů
• Technické možnosti
• Typy desek plošných spojů
• Naléhavá výroba
• Planární transformátory
• Kvalita desky plošných spojů
• Objednávka desek plošných spojů

Instalace PCB

• Výrobní schopnosti
• Komplexní sestavy plošných spojů
• Desky plošných spojů pro povrchovou montáž
• Montáž do otvoru
• BGA montáž
• Přebalování BGA kolíků
• Elektronické jednotky pro extrémní podmínky
• Kompletní sada pro automatickou instalaci
• Kvalita elektronických jednotek
• Balení hotových elektronických jednotek
• Objednávka montáže desky plošných spojů

Smluvní výroba

• Fáze plnění objednávky
• Systém sledovatelnosti
• Kvalita
• komponenty
• Zakázka výroby zakázky

Technologie a vybavení

• Mikrovlnná trouba
• Svazky a kabely jako součást produktů
• Pouzdra pro výrobu nástrojů
• Ochrana desek plošných spojů proti vlhkosti
• Opravy BGA desek
• Přebalování BGA kolíků
• POP montáž
• Selektivní pájení
• Laserové značení
• Rentgenová kontrola
• 3D rentgen
• Čištění desek plošných spojů
• Lisování konektorů
• Testování elektronických jednotek
• Nastavení elektronických jednotek
• Оборудование

Kontrola kvality

• DFM analýza
• Elektrické ovládání desek plošných spojů
• Ovládání odporu vln
• Kontrola desek před instalací
• Ovládání elektronických součástek
• Ovládání aplikace pájecí pasty
• Vizuální ovládání
• Automatické optické ovládání
• Rentgenová kontrola
• Testování v okruhu
• Hraniční skenování
• Kontrola kvality mytí
• Funkční ovládání

Příručka

• Příručka
• Slovníček pojmů
• Kalendář výstavy trhu elektroniky

A-Contract Petrohrad , a-contract.ru

Rusko, Petrohrad, Obchodní centrum “Red Thread”, telefon: +7 812 703-00-55

A-Contract Moskva , a-contract.ru

115419, Rusko, Moskva, 2-oy Roshchinsky pr., bldg 8, Business Center “Serpukhovskoy Dvor”, tel.: +7 812 703-00-55.