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  • 导体阻抗和导体电阻
    2022-04-07 21:13:45
    内容包括电阻、电抗、阻抗的介绍与计算,电导、电纳、导纳的介绍与计算。紫色文字是超链接,点击自动跳转至相关博文。持续更新,原创不易!
    目录:
    一、阻抗与导纳概述
    二、阻抗与导纳祥述
    三、阻抗与导纳计算
    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
    一、阻抗与导纳概述
    电阻——欧姆定律定义的参数:电压与电流之比,单位欧姆
    电抗——交流电流通过电感或者电容压降时,电压与电流之比,虚数表示,单位欧姆
    阻抗——电阻与电抗的复合参数,用复数表示,实部为电阻,虚部为电抗,单位欧姆
    阻抗=电阻+j电抗
    电导——电阻的倒数,单位西门子
    电纳——电抗的导数,单位西门子
    导纳——电导与电纳复合参数,实部为电导,虚部为电纳,单位西门子
    导纳=电导+j电纳
    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
    二、阻抗与导纳祥述
    在具有电阻、电感和电容的电路里,对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由电阻、感抗和容抗三者组成,但不是三者简单相加。阻抗的单位是欧。在直流电中,物体对电流阻碍的作用叫做电阻,世界上所有的物质都有电阻,只是电阻值的大小差异而已。电阻很小的物质称作良导体,如金属等;电阻极大的物质称作绝缘体,如木头和塑料等。还有一种介于两者之间的导体叫做半导体,而超导体则是一种电阻值几近于零的物质。但是在交流电的领域中则除了电阻会阻碍电流以外,电容及电感也会阻碍电流的流动,这种作用就称之为电抗,意即抵抗电流的作用。电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗,简称容抗及感抗。它们的计量单位与电阻一样是欧姆,而其值的大小则和交流电的频率有关系,频率愈高则容抗愈小感抗愈大,频率愈低则容抗愈大而感抗愈小。此外电容抗和电感抗还有相位角度的问题,具有向量上的关系式,因此才会说:阻抗是电阻与电抗在向量上的和。对于一个具体电路,阻抗不是不变的,而是随着频率变化而变化。在电阻、电感和电容串联电路中,电路的阻抗一般来说比电阻大。也就是阻抗减小到最小值。在电感和电容并联电路中,谐振的时候阻抗增加到最大值,这和串联电路相反。LC串联和并联电路汇总
    阻抗是一个比电阻大的概念。
    阻抗包括感抗\容抗\电阻,感抗是电感(线圈)对交流电的阻碍能力,容抗是电容对交流电的阻碍能力,电阻是导体对稳恒电流的阻碍能力,不同阻抗的材料组合起来可以控制电路的电流\相位\波形,从而实现控制。
    电阻表示是纯电阻对电流的阻力,交流电在电阻(R)上的电压与电流的相位总是相同的。
    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
    三、阻抗与导纳计算
    电抗(X)由电感产生的感抗(Xl)和电容产生的容抗(Xc)组成,交流电在电抗上电压与电流的相位不相。在电感上电压超前电流90度;在电容上电压滞后电流90度。
    X=ωL=1/ωC,其中ω=2πf (f为交流电的频率),总的阻抗:Z=R+jX 称为复阻抗。
    对电感有u=L*di/dt,在交流电i=Isinωt作用下,有u=L*d(Isinωt)/dt=LIω(cosωt)=IωLsin(ωt+π/2)=Usin(ωt+θ)
    显然U=IωL(Xl=2πfL=ωL),即感抗为U/I=ωL;同时θ=π/2,即电压和电流存在π/2的相位差。
    对电容有i=C*du/dt,在交流电u=Usinωt作用下,有i=C*d(Usinωt)/dt=CUω(cosωt)=UωCsin(ωt+π/2)=Isin(ωt+θ)
    显然I=UωC[Xc=1/(2πfC)=1/(ωC)],即感抗为U/I=1/ωC;同时θ=π/2,即电压和电流存在π/2的相位差。
    j是虚数的单位,j就是90°。感抗是j*XL,就是说感抗和电阻差90°。容抗是-j*XC,就是说容抗和电阻差-90°。
    等于说,电阻和电抗是三角形的两条直角边,是不能直接相加的。他们的阻抗就是斜边,是他们平方和再开根号。
    再从复数的范畴来理解j,乘以j[j=cos90°+jsin90°]就是正旋转90度,除以j即乘以-j[-j=cos(-90°)+jsin(-90°)]就是反旋转90度,这个刚好和正弦函数推倒出来的电流比电压落后90°(电感),电流比电压超前90°(电容)吻合。
    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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    同轴电缆

    同轴电缆是一种电线及信号传输线,一般是由四层物料造成:最内里是一条导电铜线,线的外面有一层塑胶(作绝缘体、电介质之用)围拢,绝缘体外面又有一层薄的网状导电体,然后导电体外面是最外层的绝缘物料作为外皮。

    在这里插入图片描述

    同轴电缆可分为两种基本类型,基带同轴电缆和宽带同轴电缆。

    • 基带同轴电缆的屏蔽层通常是用铜做成的网状结构,其特征阻抗为50Ω,该电缆用于传输数字信号(军用微波、GSM、WCDMA系统);
    • 宽带同轴电缆的屏蔽层通常是用铝冲压而成的,其特征阻抗为75Ω,这种电缆通常用于传输模拟信号(有线电视)。

    电阻、阻抗、特性阻抗

    电阻

    电阻是描述一个器件或材料对流过其中的电流的阻碍作用,其本质是不可逆的将电能转换为其它形式的能量。比如电路中的电阻,电热毯的发热丝,都是将电能转为热能耗散出去。白炽灯将热能转换为热与光。这个过程的本质是在电压下运动的电子与材料原子碰撞并将能量传给原子,原子再以辐射或传导方式将能量耗散掉。
    我们在初中都学过,电阻可以由电压比电流求得,导体的电阻越大,表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体,电阻一般不同,电阻是导体本身的一种性质。导体的电阻通常用字母R(R=U/I)表示,电阻的单位是欧姆,简称欧,符号为Ω。
    电阻是导体本身的一种属性,因此导体的电阻与导体是否接入电路、导体中有无电流、电流的大小等因素无关。

    阻抗(Impedance)

    在具有电阻、电感和电容的电路里,对电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗,阻抗常用Z表示,是一个复数,实部称为电阻,虚部称为电抗,其中电容在电路中对交流电所起的阻碍作用称为容抗,电感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗,电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为阻抗。阻抗是瞬时的电压除以电流,跟电阻的定义很像,区别就是阻抗中除了阻性外还有容性、感性。(容性的本质就是以空间或电介质内的电场形式储存电能。感性的本质就是以空间或磁介质内的磁场储存电能,这两种情况都是存储电能,在其它时刻可以释放,而不是像阻性一样把电能转换为热能耗散掉)

    阻抗表达式可以分为电阻部分、电容部分、电感部分:

    电阻部分:Z_R = R
    电容部分:Z_L = jwL
    电感部分:Z_C = 1/(jwC)
    Z = R + jwL - 1/(jwC) wL为感抗,1/wC为容抗

    特性阻抗

    特性阻抗是射频(我们知道电台,手机通讯信号,wif等都是向外部发射信号能量的装置,也就是说能量是从天线射出去,能量不再回来到天线了,可以想像就像机枪向外面扫射一样,子弹打出去就不回来了)传输线影响无线电波电压、电流的幅值和相位变化的固有特性,等于各处的电压与电流的比值。在射频电路中,电阻、电容、电感都会阻碍交变电流的流动,因此合称为阻抗。电阻是吸收电磁能量的,理想电容和电感不消耗电磁能量。阻抗合起来影响无线电波电压、电流的幅值和相位。同轴电缆的特性阻抗和导体内、外直径大小及导体间介质的介电常数有关,而与工作频率传输线所接的射频器件以及传输线长短无关。因为射频传输线各处的电压和电流的比值是一定的,特征阻抗是不变的。

    特性阻抗不是个基础概念,而是应用于传输线的概念。在高速应用场景,信号传输线已经不能看作理想导线,不能忽略传输线上的一些寄生参数,如寄生电阻、寄生电容、寄生电感。特性阻抗就是一个综合传输线场景下这些参数的合成参数。

    单位长度的传输线可以等效为以下模型:

    在这里插入图片描述
    该模型的阻抗表达式为:
    在这里插入图片描述
    理论上的特性阻抗是一个与频率相关的量,而在实际应用中,传输线的电阻部分,即耗散能量的部分往往可以忽略不计,即上式中的R和G为0,近似为无损传输线。对于无损传输线,阻抗表达式可以表示为:
    在这里插入图片描述
    对于同轴电缆来说:
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    总结

    • 阻抗描述的是一个电路或器件,加上特定的电压,电流会怎么变化。
    • 阻抗包含阻性、容性与感性,阻性描述耗散电能,容性与感性描述储存电能,阻抗与频率相关。
    • 电阻是阻抗在电抗部分为0时的特例,电阻与频率无关。
    • 特性阻抗是描述传输线的单位长度阻抗的参数,对于无损传输线,阻抗与频率无关。
    展开全文
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  •  交流电流流过一个导体时,所受到的阻力称为阻抗 (Impedance),符合为Z,单位还是Ω。  此时的阻力同直流电流所遇到的阻力有差别,除了电阻 的阻力以外,还有感抗(XL)容抗(XC)的阻力问题。  为区别直流...
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           电容的本质结构:可以看成是两金属板之间放入绝缘介质。这两个金属板就是电容的电极,电荷就存储在电极之间。两个金属板做电极,中间放置绝缘介质,这样一个电容就完成了。电容容量的大小是由电极的相对面积大小和距离大小决定的。

           电容(Capacitance)亦称作“电容量”,是指在给定电位差下自由电荷的储藏量,记为C,国际单位是法拉(F)。一般来说,电荷在电场中会受力而移动,当导体之间有了介质,则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上,造成电荷的累积储存,储存的电荷量则称为电容。

    电容的等效模型:

    电容的总阻抗|Z|=R+|Xc|+|XL|

    |Xc|=1/2Πfc,其中f是通过电容的信号频率,C为电容容量。 

    |XL|=wL=2ΠfL,其中f是通过等效电感的信号频率,L为等效电感的感值。

    我们选择电容的时,不仅注意其:耐压值,容值,材质(与工作温度有关)和其频率特性。不同的系统工作频率选择不同的去耦电容。

    我们列举常用的0.1uF与10uF电容,对比其频率特性:

    一、0.1uF电容的频率特性:

                          

                                                    图1   |Z|与频率f特性曲线图

                            

                                                  图2 等效电阻R与频率f特性曲线图

       

                             

                                                   图3 容抗|Xc|与频率f特性曲线图

                               

                                                   图4 等效电感L与频率f特性曲线图

    二、10uF电容的频率特性:

                                    

                                                               图5   |Z|与频率f特性曲线图

                                       

                                                             图6 等效电阻R与频率f特性曲线图

                                       

                                                                图7  容抗|Xc|与频率f特性曲线图

                                         

                                                                图8  等效电感与频率f特性曲线图

     总结:

               1)小容量的电容在高频时,其总阻抗最小,可以有效滤除高频(10Mhz)干扰;

               2)大容量的电容在低频时,其总阻抗最小,可以有效滤除低频(1Mhz)干扰。

    展开全文
  • 阻抗,特征阻抗与等效阻抗

    千次阅读 2022-01-02 18:32:17
    射频的黄金三角之一就是阻抗,我们在射频设计中,会经常与阻抗打交道,比如特征阻抗,负载阻抗阻抗匹配等等。更多的时候,我们所设计的射频电路就是一个阻抗匹配的问题。我们今天一起来看一下有关阻抗的那些事儿。

    目录

    一、阻抗

    二、 特征阻抗

    三、等效阻抗


    射频的黄金三角之一就是阻抗,我们在射频设计中,会经常与阻抗打交道,比如特征阻抗,负载阻抗,阻抗匹配等等。更多的时候,我们所设计的射频电路就是一个阻抗匹配的问题。我们今天一起来看一下有关阻抗的那些事儿。

    一、阻抗

    谈到阻抗的概念,大家的第一影响就是电阻和电抗的组合。没错,在低频领域,或者在我们学习的电路原理的课程中,阻抗就是电阻和电抗的组合。

    我们借用百度百科的定义就是:

    在具有电阻、电感和电容的电路里,对电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示,是一个复数,实部称为电阻,虚部称为电抗,其中电容在电路中对交流电所起的阻碍作用称为容抗 ,电感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗,电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为电抗。阻抗的单位是欧姆。

    阻抗可以是电阻、电容、电感的任意组合对电流起到的阻碍作用。由于电容对直流电的阻抗无穷大,而电感对直流电的阻抗是零,因此,阻抗更多用于描述交流电路中对电流的阻碍作用。高阻抗是指阻抗值大,低阻抗是指阻抗值小。

    对于一个具体电路,阻抗不是不变的,而是随着频率变化而变化。在电阻、电感和电容串联电路中,电路的阻抗一般来说比电阻大。也就是阻抗减小到最小值。在电感和电容并联电路中,谐振的时候阻抗增加到最大值,这和串联电路相反。

    阻抗从字面上看就与电阻不一样,其中只有一个阻字是相同的,而另一个抗字呢?简单地说,阻抗就是电阻加电抗,所以才叫阻抗;阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。在直流电的世界中,物体对电流阻碍的作用叫做电阻,世界上所有的物质都有电阻,只是电阻值的大小差异而已。电阻小的物质称作良导体,电阻很大的物质称作非导体,而最近在高科技领域中称的超导体,则是一种电阻值几近于零的东西。

    但是在交流电的领域中则除了电阻会阻碍电流以外,电容及电感也会阻碍电流的流动,这种作用就称之为电抗,意即抵抗电流的作用。电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗,简称容抗及感抗。它们的计量单位与电阻一样是奥姆,而其值的大小则和交流电的频率有关系,频率愈高则容抗愈小感抗愈大,频率愈低则容抗愈大而感抗愈小。此外电容抗和电感抗还有相位角度的问题,具有向量上的关系式,因此才会说:阻抗是电阻与电抗在向量上的和。

    阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配,得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路,匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中,当负载电阻等于激励源内阻时,则输出功率为最大,这种工作状态称为匹配,否则称为失配。

    当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时,为使负载得到最大功率,负载阻抗与内阻必须满足共扼关系,即电阻成份相等,电抗成份只数值相等而符号相反。这种匹配条件称为共扼匹配。

    二、 特征阻抗

    特征阻抗是射频传输线的一个固有特性,其物理意义是在射频传输线上入射波电压与入射波电流的比值,或者反射波电压和反射波电流的比值。

     如果按照分布参数的理论去表示,传输线的特征阻抗可以表示为:

    从上式可以看出,对于一个有耗传输线来说,特征阻抗是一个复数,有耗传输线的损耗就来自于这个传输线的电阻。而对于理想的无耗传输线来说,特征阻抗就是一个实数。这也就告诉我们,对于一个理想的无耗的50欧姆传输线来说,其电阻为0,这和上文中的带电阻的阻抗就不一样了。

    特征阻抗是射频传输线影响无线电波电压、电流的幅值和相位变化的固有特性,等于各处的电压与电流的比值,用V/I表示。在射频电路中,电阻、电容、电感都会阻碍交变电流的流动,合称阻抗。电阻是吸收电磁能量的,理想电容和电感不消耗电磁能量。阻抗合起来影响无线电波电压、电流的幅值和相位。同轴电缆的特性阻抗和导体内、外直径大小及导体间介质的介电常数有关,而与工作频率传输线所接的射频器件以及传输线长短无关。也就是说,射频传输线各处的电压和电流的比值是一定的,特征阻抗是不变的。对于一个已知特性阻抗的传输线来说,它与频率无关。

    三、等效阻抗

    等效阻抗也是传输线理论的一个概念,我们在设计中,经常要求知道在传输线上指定位置的阻抗是多少。这个指定位置的阻抗就是等效阻抗Z(z),其定义为传输线上该位置处的电压和电流的比值:

     注意对比特征阻抗与等效阻抗定义公式之间的区别:特征阻抗是入射波或者反射波的比值,而等效阻抗则是指定位置处入射波和反射波两者叠加之后的比值。这个是位置的函数。对于无耗传输线来说,特征阻抗是固定的,而等效阻抗则随位置的不同而变化。
    这个位置的变化,还涉及到一个看过去的方向问题。比如我们看向负载还是源,这个所得到的等效阻抗,有时候是有区别的。我们设定观察点,向负载看去的等效阻抗,就是负载阻抗。

     如上图所示,如果我们在指定的位置z处截断,在负载处用一个阻抗为Z(z)的来代替系统中的负载部分,那么对于截断点到电源部分的电压和电流分布将不会改变,这说明Z(z)与截断的电路ZL相等,Z(z)就是负载的等效阻抗,或称为负载阻抗。
    相反,如果我们向源的方向看去,我们把源到截断点的阻抗用Z(z)来替代Zin,那么从截断点到负载的传输特性也不会改变,那么这个Z(z)就可以表示为系统的输入阻抗。

     等效阻抗与特征阻抗的关系可以用反射系数来计算。

     只要知道传输线上指定位置的反射系数,就可以得到其等效阻抗。相应的,如果知道传输线上的等效阻抗,就可以求出该位置的反射系数。

     我们如果用传输线上的电流和电压方程来表示等效阻抗Z(z)的话,我们还能够发现一个更有趣的现象。
    电流和电压方程:

    带入等效阻抗方程可得到:

    图片

    注意观察上述方程,您是否注意到方程里面的那个Tan,也就是说,在无耗传输线上等效阻抗是三角函数的复合函数。由于三角函数的周期性特征,无耗传输线上的等效阻抗也必然具有周期性。这个周期就是pi,180°。 

    至此,我们不难发现,在传输线上,任意相距二分之波长和其整数倍的位置,其等效阻抗相等。 

     在传输线上,任意相距四分之一波长极其整数倍的位置等效阻抗满足如下关系式:

    当负载处阻抗等于0时,那么距离负载二分之一波长整数倍的地方阻抗也等于零,在距离负载四分之一波长整数倍的位置等效阻抗则为无穷大。
    相反,当负载阻抗为无穷大时,上述结论也翻一下。这不就是开路短路状态的转化吗?

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    万次阅读 2010-01-07 09:36:00
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  •  同轴电缆的特性阻抗Zo,由电缆的内部导体和外部屏蔽内径D及绝缘体的导电率er决定:  另外,处理分布常数电路时,用相当于单位长的电感L静电容量C的比率也能计算,如忽略损耗电阻,则  图1是用于测定同轴...
  • 在高频端,寄生元件(比如连线上的电感、板层之间的电容和导体电阻)对匹配网络 具有明显的、不可预知的影响。频率在数十兆赫兹以上时,理论计算仿真已经远远不 能满足要求,为了得到适当的最终结果,还必须...
  • 阻抗测量中的万能法宝谁不知道欧姆定律?对于直流电压来说,它表述为通过导体两点之间的电流与这两点之间的电压成正比。换言之,导体电阻是恒定的,与电流无关。
  • 生物组织对外加电流场具有不同导电作用,当在人体表面加一固定频率的低电平电流时,含水 70 %以上的肌肉组织是良好导体,而含水较少的脂肪组织近似为绝缘体,因此通过测出阻抗值可用于计算出身体成份以及电阻抗的...

空空如也

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导体阻抗和导体电阻