امپدانس چیست؟ چه تفاوتی با مقاومت دارد و چطور محاسبه می شود؟ 

اگر از آن دست افرادی هستید که مهندسی برق هستید یا با الکترونیک سر و کار دارید، حتما در مباحث مختلفی به کلمه امپدانس برخورد داشته اید. در این مطلب قصد داریم به بررسی اینکه امپدانس چیست ، نحوه محاسبه آن و کاربردهای آن بپردازیم. پیشنهاد می کنیم اگر با این عبارت آشنایی ندارید، تا انتهای این مطلب همراه ما باشید.

امپدانس چیست؟

امپدانس الکتریکی که به اختصار «امپدانس» نیز نامیده می‌شود، افزوده ای از تعریف مقاومت در برابر جریان متناوب (AC)است؛ این بدان معنی است که امپدانس شامل مقاومت (میزان مخالفت در برابر جریان الکتریکی که باعث تولید گرما می شود) و راکتانس (توسط سلف یا خازن مانع تغییر جریان می شود) است. در جریان مستقیم (DC)، امپدانس الکتریکی همان مقاومت است، با این تفاوت که در مدارهای AC صادق نیست.

مقاومت و راکتانس

مقاومت اساساً اصطکاک در برابر حرکت الکترون ها است و به جز ابررساناها در همه رساناها تا حدی وجود دارد. هنگامی که جریان متناوب از مقاومت عبور می کند، یک افت ولتاژ ایجاد می شود که در فاز جریان است. مقاومت از نظر ریاضی با حرف R نشان داده می شود و در واحد اهم (Ω) اندازه گیری می شود.

راکتانس اساساً در برابر حرکت الکترون ها غیر فعال است و در هر جایی که میدان های الکتریکی یا مغناطیسی متناسب با ولتاژ یا جریان اعمال شده ایجاد می شود، وجود دارد؛ به ویژه در خازن ها و سلف ها. هنگامی که جریان متناوب از یک راکتانس خالص عبور می کند، یک افت ولتاژ به وجود می آید – که 90 درجه با جریان اختلاف فاز دارد. راکتانس از نظر ریاضی با حرف “X”  نمادین است و در واحد اهم (Ω) اندازه گیری می شود.

نماد امپدانس یا Impedance

امپدانس، که با نماد Z نشان داده می شود، معیاری برای مخالفت با جریان الکتریکی است که با اهم اندازه گیری می شود. برای سیستم های DC، امپدانس و مقاومت یکسان است و به عنوان ولتاژ در یک عنصر تقسیم بر جریان (R = V/I) تعریف می شود.

در سیستم های AC، “راکتانس” به دلیل سهم خازنی و اندوکتانس وابسته به فرکانس وارد معادله می شود. امپدانس در یک سیستم AC همچنان بر حسب اهم اندازه گیری می شود و با معادله Z = V/I نشان داده می شود، اما V و I وابسته به فرکانس هستند.

امپدانس ورودی Z_IN

امپدانس ورودی (Z_IN) امپدانسی است که توسط هر چیزی که به ورودی مدار یا دستگاه متصل است، مانند آمپلی فایر؛ دیده می شود. این اثر ترکیبی از کل مقاومت، ظرفیت خازنی و اندوکتانس متصل به ورودی داخل مدار یا دستگاه است.

استفاده از عبارت “امپدانس ورودی” حتی برای موارد ساده ای که فقط مقاومت وجود دارد، طبیعی است. در واقع معمولاً منطقی است که فرض کنیم یک Impedance ورودی فقط مقاومت است به شرطی که سیگنال ورودی فرکانس پایین (کمتر از 1 کیلوهرتز) داشته باشد.

اثرات خازن و اندوکتانس با فرکانس متفاوت است، بنابراین اگر اینها وجود داشته باشند امپدانس ورودی با فرکانس متفاوت خواهد بود. اثرات خازن و اندوکتانس به طور کلی در فرکانس های بالا بسیار مهم است.

معمولا امپدانس ورودی باید زیاد باشد، حداقل ده برابر Impedance خروجی مدار یا قطعه که سیگنالی را به ورودی می دهد. این تضمین می کند که ورودی منبع سیگنال را سر بار نمی کند و قدرت (ولتاژ) سیگنال را به میزان قابل توجهی کاهش نمی دهد.

امپدانس خروجی Z_OUT

خروجی هر مدار یا قطعه ای معادل امپدانس خروجی (Z_OUT) به صورت سری با منبع ولتاژ کامل (V_SOURCE) است. این مدار معادل نامیده می شود و نشان دهنده اثر ترکیبی کل منابع ولتاژ، مقاومت، خازن و اندوکتانس متصل به خروجی داخل مدار یا دستگاه است. توجه داشته باشید که V_SOURCE معمولاً با ولتاژ منبع تغذیه برابر نیست.

استفاده از عبارت “امپدانس خروجی” حتی برای موارد ساده ای که فقط مقاومت وجود دارد، طبیعی است. در واقع معمولاً منطقی است که فرض کنیم Impedance خروجی فقط مقاومت است به شرطی که سیگنال خروجی فرکانس پایین (کمتر از 1 کیلوهرتز) داشته باشد.

اثرات خازن و اندوکتانس با فرکانس متفاوت است، بنابراین اگر اینها وجود داشته باشند امپدانس ورودی با فرکانس متفاوت خواهد بود. اثرات خازن و اندوکتانس به طور کلی در فرکانس های بالا بسیار مهم است.

معمولا Impedance های خروجی باید کم و چیزی کمتر از یک دهم امپدانس بار متصل به خروجی باشند. اگر امپدانس خروجی خیلی زیاد باشد، نمی‌تواند سیگنال به اندازه کافی قوی به بار بدهد، زیرا بیشتر ولتاژ سیگنال در جریان محرک مدار از طریق امپدانس خروجی Z_OUT از بین می‌رود. بار می تواند یک قطعه منفرد یا امپدانس ورودی مدار دیگری باشد.

امپدانس با خروجی کم ZOUT << ZLOAD

بیشتر V_SOURCE در سرتاسر بار ظاهر می شود، ولتاژ بسیار کمی از بین می رود و جریان خروجی را از طریق Impedance خروجی هدایت می کند. معمولا این بهترین ترکیب است.

امپدانس های منطبق ZOUT = ZLOAD

نیمی از V_SOURCE در سرتاسر بار ظاهر می شود، نیمی دیگر از بین رفته و جریان خروجی را از طریق Impedance خروجی هدایت می کند. این چیدمان در برخی موقعیت ها مانند آمپلی فایری ای که بلندگو را هدایت می کند، مفید است زیرا حداکثر توان را به بار می رساند. توجه داشته باشید که مقدار مساوی از توانی که جریان خروجی را از طریق Z_OUT هدایت می کند، هدر می رود؛ در نتیجه بازدهی نصف شده و به 50% می رسد.

امپدانس با خروجی بالا ZOUT >> ZLOAD

تنها بخش کوچکی از V_SOURCE در سرتاسر بار ظاهر می‌شود که بیشتر آن از بین می‌رود و جریان خروجی را از طریق آمپدانس خروجی هدایت می‌کند. این ترکیب رضایت بخش نیست.

شباهت و تفاوت امپدانس و مقاومت

ابتدا، ما شباهت های این دو را بررسی می کنیم. امپدانس هم درست مانند مقاومت، مقداری است که میزان مقاومتی را که یک قطعه در برابر جریان الکتریکی دارد نشان می دهد و درست مانند مقاومت، واحد اندازه گیری آن، اهم (Ω) است.

در بررسی تفاوت میان مقاومت و امپدانس، باید بگوییم که Impedance از این نظر متفاوت است که مقدار مقاومتی که یک قطعه در برابر سیگنال دارد با فرکانس سیگنال متفاوت است. این بدان معناست که مقاومت قطعه بسته به فرکانس سیگنال ورودی به قطعه متفاوت است. مقاومت یک مقدار و اندازه گیری مستقل از فرکانس است. فرکانس سیگنال عبوری از آن را در نظر نمی گیرد، زیرا فرکانس بر مقاومت قطعات غیر واکنشی تأثیر نمی گذارد. قطعات مقدار مقاومتی را که در مدار ارائه می دهند بسته به فرکانس سیگنال ورودی تغییر می دهند؛ اما امپدانس با توجه به فرکانس سیگنال ورودی به آن متفاوت است.

کاربرد امپدانس

آمپدانس و مقاومت هر دو کاربردهای زیادی دارند و در جاهای بسیار زیادی از آن ها استفاده شده است. به عنوان مثال، برق خانه شما توسط تابلویی که فیوز در آن وجود دارد کنترل می شود. هنگامی که از یک موج الکتریکی عبور می کنید، فیوزها برای قطع برق وجود دارند تا آسیب به حداقل برسد. فیوزهای شما شبیه به مقاومت های با ظرفیت بسیار بالا هستند که می توانند ضربه را تحمل کنند. بدون آنها، احتمال آتش گرفتن سیستم الکتریکی منزل تان وجود دارد؛ البته این مشکل به لطف امپدانس و مقاومت قابل حل است.

کاربرد امپدانس در خازن

موقعیت دیگری که Impedance در آن اهمیت دارد، در خازن ها است. در خازن ها، امپدانس برای مدیریت جریان الکتریسیته در برد مدار استفاده می شود. بدون خازن های کنترل کننده و قابل انطباق جریان الکتریکی، وسایل الکترونیکی شما که از جریان‌های متناوب استفاده می‌کنند یا می سوزند یا از بین می‌روند. از آنجایی که جریان متناوب الکتریسیته را با یک پالس نوسانی تحویل می‌دهد، باید گیتی وجود داشته باشد که تمام الکتریسیته را نگه دارد و اجازه دهد به آرامی برود تا مدار الکتریکی کمتر از حد معمول یا بیش از حد بارگذاری نشده باشد.