インピーダンスとは？

これは、コミュニティのリソースとして、また私自身の学習体験として提示されています。私は自分自身をトラブルに巻き込むのに十分な知識を持っていますが、被験者の詳細を十分に把握していません。役に立つ回答は次のとおりです。

• インピーダンスの成分の説明
• それらのコンポーネントの相互作用
• インピーダンスを変換する方法
• これがRFフィルター、電源、その他にどのように関係しているか...

助けてくれてありがとう！

「インピーダンスとは」という質問に対して、インピーダンスは一般的な物理学の広い概念であり、電気インピーダンスはその一例にすぎないことに注意してください。

それが何を意味し、どのように機能するかを把握するために、代わりに機械的インピーダンスを考慮する方が簡単な場合がよくあります。重いソファを床全体に押し（スライド）しようとすることを考えてください。
一定の力を加えると、押し込む強さ、ソファの重量、床面の種類、ソファの足の種類などに応じて、ソファが一定の速度でスライドします。この状況では、押し込む力とソファの移動速度の比を与える機械的インピーダンスを定義できます。

これは実際にはDC電気回路によく似ており、回路に一定量の電圧を印加し、電流が一定の対応するレートで流れます。

カウチと回路の両方の場合、入力への応答はシンプルでかなり線形です。オームの法則に従う抵抗器で、電気インピーダンスは単なる抵抗であり、カウチにはそれを可能にする摩擦スライダーフットがあります力に比例した速度で移動します。*

回路および機械システムも非線形である場合があります。回路がダイオードと直列の抵抗器の両端に配置された可変電圧で構成されている場合、ダイオードの順方向電圧を超えるまで電流はゼロに近くなり、その時点でオームの電流に従って抵抗器に電流が流れ始めます法律。同様に、床に座っているカウチは通常、ある程度の静止摩擦があります。一定の初期力で押すまで動き始めません。機械システムにも電気システムにも、定義可能な単一の線形インピーダンスはありません。むしろ、できる最善の方法は、さまざまな条件下でインピーダンスを個別に定義することです。（現実の世界は、このようなものです。）

物事が非常に明確で線形である場合でも、インピーダンスは比率を表すだけであることに注意することが重要です。これはシステムの限界を表すものではなく、「悪い」ものではありません。より理想的なシステムでは、より多くの電圧/押し込みを追加することで、間違いなく必要な電流/速度を得ることができます。

機械システムもACインピーダンスにかなり良い感触を与えることができます。あなたが自転車に乗っていると想像してください。ペダルの半サイクルごとに、左に押し、右に押します。また、ペダルのサイクルごとに押したり引いたりするように、片足とつま先クリップだけでペダルをこぐことも想像できます。これは、回路にAC電圧を印加することによく似ています。つまり、特定の周波数で周期的に押したり引いたりします。

自転車で停止しているときのように、周波数が十分に遅い場合、ペダルを踏む問題は、ソファを押すような「DC」問題にすぎません。ただし、速度を上げると、物事が異なる動作をする可能性があります。

今、あなたが特定の速度で自転車に乗っており、あなたの自転車が低、中、および高ギア比の3速であると仮定します。ミディアムは自然に感じます。ハイギアは違いを生むのに十分な力を加えるのが難しく、ローギアでは、エネルギーを車輪に伝えずにペダルを回します。これはインピーダンスマッチングの問題であり、車輪が足にある程度の物理的抵抗を与えたときにのみ、車輪に効果的に電力を伝達できます。対応する電気現象も非常に一般的です。ポイントAからポイントBにRF電力を効率的に送信するにはインピーダンスが一致したラインが必要です。2本の伝送ラインを接続すると、インターフェースで損失が発生します。

ペダルが足に与える抵抗は、押す力に比例します。これは、特に低速での単純な抵抗と最も密接に関係しています。AC回路でも、抵抗器は抵抗器のように動作します（特定のポイントまで）。

ただし、抵抗器とは異なり、自転車のインピーダンスは周波数に依存します。停車から始めて、自転車をハイギアにするとします。することができ非常に始めるのは難しいです。しかし、いったん始めると、ペダルが速くなるにつれてインピーダンスが低下し、非常に速くなると足のパワーを吸収するにはペダルのインピーダンスが小さすぎることがわかります。そのため、実際には、周波数に依存するインピーダンス（リアクタンス）があり、高い周波数から高い周波数に向かうにつれて低くなります。

これは、コンデンサの動作によく似ており、自転車の機械的インピーダンスのかなり良いモデルは、コンデンサと並列の抵抗器です。

DC（速度0）では、インピーダンスとして高い一定の抵抗が表示されます。ペダリング周波数が高くなると、コンデンサのインピーダンスが抵抗のインピーダンスよりも低くなり、電流がそのように流れるようになります。

もちろん、他にもさまざまな電気部品とそれらの機械的類似性**がありますが、この議論は、時々考えられることの数学的側面について学ぶときに、接地されたままにするための一般的な概念に関する最初の直感を与えます非常に抽象的な主題のように。

*注意を要する言葉：オームの法則は実際のデバイスでは決して正確ではなく、実際の摩擦力は速度を力に正確に比例させることはありません。ただし、「かなり線形」は簡単です。私はここですべての教育とスタッフになろうとしています。たるみを切ってください。

**たとえば、インダクタは、ホイールのバネ付きローラーのようなもので、高周波になると抵抗が増加します）

回路要素のインピーダンスは、その要素の電圧と電流の比率です。

定電圧および定電流

一定の電圧と電流の場合、インピーダンスは単なる抵抗です。抵抗器は、電圧が変化しても、電流と電圧の比率を維持するデバイスです。それらは線形です-電圧が2倍になり、電流も2倍になります。電圧と電流のグラフを描いた場合、勾配はインピーダンスになります。

2つの金属板のようなコンデンサは、定電流と定電圧の開回路のように機能します。巻き線を意味するインダクタは、定電流および定電圧の短絡回路のように機能します。

（実際には、それほどきれいではありません。抵抗器は、熱くなったときよりも少ない電流を流す傾向があります。通常のワイヤのように。）

時間とともに変化する電圧と電流

ここがより興味深いところです。コンデンサやインダクタなどの一部の回路要素では、印加される電圧の周波数に応じて、多少の電流が流れます。それらは周波数依存の抵抗と考えることができます。インピーダンスの周波数依存部分はリアクタンスと呼ばれます。リアクタンスと抵抗を追加すると、インピーダンスが得られます。

リアクタンスの例

振幅120 Vの正弦波を生成するボックスがあるとします。ボックスを1秒あたり60サイクルに設定し、ボックスの信号を0.1 Fコンデンサに接続します。流れる電流は、同じ周波数の正弦波になります。現在は次のようになります。

I = V * 2 * pi *周波数* C

I = 120 * 2 * 3.14 * 60 * 0.1 = 4522アンペア。

（実際には、その電流が大きいとコンデンサが爆発します。）

正弦波の周波数を2倍にすると、電流は2倍になります。このような動作はRCフィルターで役立ちます。ある周波数では抵抗が高く、別の周波数では抵抗が低い回路を作成できます。これにより、たとえばノイズの中から信号を取り出すことができます。

インダクタも同様に動作しますが、周波数を上げると、インピーダンスは減少するのではなく増加します。

現実の世界

実際には、すべての抵抗とリアクタンス（小さな容量またはインダクタンスのいずれか、両方ではありません）があります。さらに、すべての回路には、温度依存性や理想的なモデルから逸脱する幾何学的効果などの非線形性があります。

また、私たちが扱う電圧と電流は決して完全な正弦波ではありません。それらは周波数の混合です。

たとえば、アパートの建物のブザーのように、ドアロックを開くためにソレノイドを実行しているとします。ソレノイドは、スプリングの力に逆らってラッチを引き戻す磁場を作り出す巨大なインダクタです。ソレノイドをオフにすると、時間とともに大幅に電流が変化します。電流をすばやく落とそうとすると、ソレノイドのインダクタンスにより電圧が急速に上昇します。

このため、大きなインダクタと並列に「フライバックダイオード」と呼ばれるものが表示されます。これにより、電流の低下が遅くなり、高周波変化による電圧スパイクが回避されます。

次のステップ

ここから、次のステップは、複数のリアクタンス素子（抵抗やコンデンサの束など）で構築された回路をモデル化する方法を学習することです。そのためには、電圧と電流の振幅だけでなく、それらの間の位相シフトも追跡する必要があります。正弦波のピークは時間内に整列しません。

（残念ながら、私はここでいくつかの作業を行わなければならないので、このリンクをあなたに残さなければなりません：http : //www.usna.edu/MathDept/CDP/ComplexNum/Module_6/ComplexPhasors.htm）

インピーダンスは、静電容量とインダクタンスの影響を含む抵抗の概念の拡張です。インダクタとコンデンサには「リアクタンス」があり、インピーダンスは抵抗とリアクタンスの効果の組み合わせです。

n00bの概要：基本的に、コンデンサーとインダクターを抵抗器のように考えることができ、計算がより簡単で直感的になります。たとえば、純粋な抵抗分圧器の出力を計算する方法を知っている場合：

次に、特定の周波数でのRCフィルターの出力の大きさも計算できます。

たとえば、Rが1kΩ、Cが1 uFで、160 Hzの正弦波を入力した場合の出力電圧を知りたいとします。160 Hzでのコンデンサのリアクタンスの大きさは約1kΩであるため、両方の「抵抗」は同じで、それぞれの両端の電圧は同じになります。ただし、抵抗コンポーネントの場合のように、各コンポーネントの入力電圧は0.707ですが、0.5ではありません。

他の周波数では、コンデンサのリアクタンスの大きさが異なるため、フィルタは異なる周波数に対して異なる応答をします。虚数を使用して出力の位相シフトを計算することもできますが、多くの場合、重要なのは振幅だけです。

私がインピーダンスについて好む機械的アナロジーは、重りのコレクションがぶら下がっている垂直にぶら下がったバネです。システムが最初は動かず、上部の重りに短い上向きのジャークを与えて、素早く元の位置に戻すと、外乱はスプリングを伝わります。各おもりは上のおもりで上向きに引っ張られ、上のおもりを上向きに押して（そしてそれによって下向きに押されます）、下の重りを上向きに引っ張り（そしてそれによって下向きに引っ張られます）、最後に以下の重量。これらすべてが発生すると、重量は元の位置と（ゼロ）速度に戻ります。

下向きに伝播する波の振る舞いは、その下にあるものに依存しないことに注意してください。ただし、波が底に達すると、バネの端がぶら下がっているか、何かにしっかりと固定されているか、何らかの抵抗で動くことができるものに固定されているかによって、3つのいずれかが発生します。

バネの端がぶら下がっている場合、下の重りは下に動きませんので、下の重りは下に引っ張られません。これの効果は、他の場合よりも重量が上方向に急上昇し、上記の重量がそのエネルギーを相殺することを期待するよりも大きいことです。これにより、上に重りが上に重りを押し上げ、上向きに進行する波が発生します（摩擦損失がない場合）。最初の下向きの波と大きさが等しくなります。変位の方向は元の波と同じ（つまり上向き）になりますが、応力は反対になります（元の波は張力波で、リバウンドは圧縮になります）。

対照的に、バネの端が固定されている場合、下の重りは、その下のバネが予想よりも強く抵抗することがわかります。したがって、底部の重さはその上にあるはずの重さほど上昇せず、最終的な効果は底部が余分な「引っ張り」を与えて波を上向きに送るかのようになります。この波の変位方向は元の波の反対（つまり下向き）になりますが、応力は同じになります（圧縮）。

バネの底が多少動くが、ぶら下がりバネほどではないものに取り付けられている場合、上記の2つの動作はある程度相殺される可能性があります。スプリングの底が適切な量だけ移動できる場合、動作はキャンセルされ、波は消えます。そうしないと、1つまたは他のタイプの波が跳ね返りますが、一般に、振幅はぶら下がりまたは固定端の場合よりも小さくなります。必要な抵抗の量は、インピーダンスによって効果的に定義されます。インピーダンスは、錘の質量とバネのバネ定数の関数です。

このモデルでは、多くのインピーダンス関連の動作がキャプチャされることに注意してください。たとえば、特定のポイントウェイト100gを超えるすべてのウェイトが200g未満であり、すべてのスプリングが等しい場合、軽いウェイトから重いウェイトへの移行により、波のエネルギーの一部が上方に反射されます固定された下端に似ています）重いウェイトは予想どおりに移動しないためです。重要な概念は、ゼロ速度に戻るようにプッシュされたものについては、運動エネルギーと運動量の両方を転送する必要があるということです。彼らが自分のエネルギーと運動量を、それらを押したものと同じ特性を持つものに移すことができるなら、彼らはすべてのエネルギーと運動量を受け入れて、それらを渡すでしょう。そうでなければ、彼らはエネルギーや運動量の一部を送り返す必要があります。

電気分野への答えを制限します。インピーダンス（Z）は文字通り単なるV / Iです。それはそれと同じくらい簡単です。しかし、「それ」はすべての場合においてそれほど単純ではありません。simplistから始めて、仕上げましょう。

インピーダンスが単純な集中抵抗であり、VがDC電圧である場合（周波数= f = 0）、Z = V / IをR = V / Iに書き換えることができます。

インピーダンスがキャップまたはインダクタに起因する場合、インピーダンスは周波数に依存します。

コンポーネントが集中要素として表示されないほど周波数が高くなると、インピーダンスは周波数に依存するだけでなく、位置にも依存します。これらの要素は、分散されるように設計される場合があります（たとえば、導波管、アンテナ、自由空間内のEM波）、そうでない場合があります。

時間と空間（1次元）でこれらのより高い周波数効果を描写するために開発された一般的なツールはです。。。Z = V / I。ただし、「V」と「I」は両方とも（A）（e）^（j（wt + x））の形式の複素ベクトル量です。ここで、j = SQRT（-1）、「A」は定数、「e」 'は自然対数の底、' w 'はラジアン/秒単位の周波数、' t 'は秒単位の時間、' x 'は1次元パスに沿った距離です。「Z」はこれら2つの複素数ベクトルの比率であるため、時間と空間が異なる複素数ベクトルでもあります。電気技師は、これらの量を必要な時間と場所で操作し、VまたはI（またはZ）の実際の部分を使用して、実際の世界で観察されるものを取得します。