¿Resistencia vs. Impedancia?

Question

• ¿Cuál es la diferencia entre la Resistencia y la Impedancia?

• ¿Cuándo diremos que es una Impedancia y cuándo lo diremos como una ¿Resistencia?

• ¿Puede explicarlo con un diagrama (si es posible) y un ejemplo en tiempo real.

• Y cómo se formarán las reactancias en el circuito donde los condensadores y los inductores no están disponibles en nuestro circuito?

• ¿Cómo encontraremos las reactancias en el circuito y sus valores en tiempo real?

• Me refiero a si es posible calcular la reactancia usando cualquier instrumento?

• ¿La reactancia fue guardada intencionalmente por el diseñador o en general con el que se formará en el circuito?

Todas las respuestas son apreciadas.

Answer 1

Aquí hay un diagrama para la impedancia:

Básicamente, la impedancia se compone de dos cosas: reactancia y resistencia , haciendo de la resistencia un subconjunto de la impedancia.

Para simplificar los cálculos, utilizamos números complejos para expresar la impedancia. De esta manera podemos tener la impedancia \$Z=R+jX\$ , donde \$R\$ es la resistencia, \$j\$ es el número imaginario y \$X\$ es la reactancia. Si pensamos un poco en los números complejos, veremos que el cero es un valor válido para \$X\$ . En ese caso, sólo tenemos resistencia y no reactancia. No es incorrecto decir que una carga puramente resistiva tiene impedancia, porque la impedancia se compone de resistencia y reactancia, pero parece que con el tiempo el término impedancia empezó a dar a entender que hay cierta reactancia.

Otro problema con el término impedancia es que se utiliza sobre todo para los circuitos de CA y, por alguna razón, la gente suele estar expuesta primero a los circuitos de CC. La razón por la que la impedancia no se utiliza para los circuitos de CC es por la naturaleza de la reactancia. Básicamente para la reactancia, tenemos 3 casos: Cuando la reactancia es cero, cuando es positiva y cuando es negativa.

En los casos de reactancia positiva, tenemos sobre todo impedancia inductiva y la fórmula de la impedancia es \$Z=R+j \omega L\$ , donde \$\omega=2 \pi f\$ es la frecuencia angular y \$L\$ es la inductividad del elemento. Con la corriente continua la frecuencia es cero y, por lo tanto, la parte imaginaria de la impedancia también es cero, lo que nos da sólo la resistencia. Dado que la resistencia suele ser considerablemente menor que la reactancia, se considera que una bobina ideal tiene resistencia cero y que en los circuitos de corriente continua es un cortocircuito.

En los casos de reactancia negativa, tenemos sobre todo impedancia capacitiva y la fórmula de la impedancia es \$Z=R+ \frac{-j}{\omega C}=R-\frac{j}{\omega C}\$ . En los circuitos de CC, a medida que la frecuencia se aproxima a cero, la reactancia se aproxima a infinito y, por esa razón, los condensadores ideales se modelan como circuito abierto en los circuitos de CC.

También existe la inversa de la impedancia, llamada admitancia. Básicamente es \$Y=Z^{-1}=G+jB\$ , donde \$G=\frac{R}{R^2+X^2}\$ es la conductancia y \$B=\frac{-X}{R^2+X^2}\$ es la susceptancia.

ACTUALIZACIÓN Desgraciadamente, no soy tan avanzado así que no puedo darte una buena respuesta a la actualización. Básicamente cada parte del circuito actúa como una combinación de una resistencia, un inductor y un condensador. Es posible calcular la inductancia de un trozo de cable, por ejemplo, utilizando Ley Biot-Savart o Ley de Gauss .

La capacitancia, entre otras cosas, puede calcularse mediante Ley de Gauss para el campo eléctrico o Ley de Coulomb . La idea básica es asumir alguna carga \$Q\$ en el cuerpo y utilizando una de las dos leyes que he mencionado para describir un campo eléctrico para obtener el potencial del cuerpo con respecto a un punto en el infinito. Después de eso la capacitancia se puede obtener usando la fórmula \$C= \frac{Q}{V}\$ .

Que yo sepa, hoy en día hay programas de diseño electrónico que son capaces de calcular la inductancia y la capacitancia de las trazas de la PCB automáticamente a partir del propio trazado de la PCB. Las leyes que he proporcionado funcionan, pero calcular la inductancia y la capacitancia de las trazas en una PCB sería bastante complicado.

ACTUALIZACIÓN 2

La reactancia puede medirse con varios tipos de instrumentos, dependiendo de los valores que se esperen, de la precisión que se necesite y del tipo de instrumento que sea más fácil de utilizar en un circuito concreto.

Por ejemplo, se puede utilizar un multímetro "simple" para medir la capacitancia y la inductancia de una traza. Para obtener mejores resultados se puede utilizar un tipo especial de multímetro llamado RLCmeter. Éste mostrará la resistencia y la reactancia exactas a una frecuencia determinada y la mayoría de los mejores modelos podrán mostrar la inductancia y la capacitancia. Esto es útil porque en algunas situaciones la resistencia en serie equivalente de, por ejemplo, un condensador puede ser importante y no se puede medir con un simple multímetro.

En algunos casos se puede utilizar incluso un osciloscopio para ver la reactancia. La reactancia afectará a las señales que atraviesan la traza y tales efectos pueden detectarse con un osciloscopio y luego se puede determinar la reactancia a partir de los efectos en el circuito.

En cuanto a la parte intencional, bueno la inductancia y la capacitancia son fenómenos naturales y son inevitables y siempre ocurrirán. En algunos circuitos el diseñador puede prestarles especial atención, porque pueden cambiar la forma en que una señal se propaga a través de la traza. Esto es especialmente común en la electrónica digital moderna de alta frecuencia. Por otro lado, en algunos circuitos (por ejemplo, la electrónica digital de baja frecuencia, los sistemas de corriente continua, etc.) el diseñador puede no tener que prestar mucha atención a la reactancia y puede simplemente "dejarla pasar".

Answer 2

¡Diagrama!

Esto es para una impedancia compleja:

\$Z = R + \dfrac{1}{j \omega C} \$

Resistencia \$R\$ está en fase con la tensión aplicada, por lo que el vector apunta en la misma dirección X. La impedancia de un condensador es casi totalmente reactiva, es decir, su parte resistiva es mucho menor que la \$\dfrac{1}{j \omega C} \$ . El \$j\$ provoca un \$\theta\$ = 90° de rotación, y como el \$j\$ (= \$\sqrt{-1}\$ ) está en el denominador el ángulo es negativo \$\left( \dfrac{1}{j} = -j \right) \$ .
Para calcular la corriente \$ I = \dfrac{U}{Z} \$ observamos que al dividir por una impedancia con ángulo \$\theta\$ restamos el ángulo de nuestra referencia, de modo que el signo del ángulo se invierte.
El resultado muestra cómo, para una carga capacitiva, la corriente aventaja a la tensión en un ángulo \$ \theta\$ , donde \$ 0 \le \theta \le 90°\$ .
Para las cargas inductivas se puede dibujar un diagrama similar, sólo que \$ j \omega L\$ apunta en la dirección opuesta a \$\dfrac{1}{j \omega C} \$ y la corriente seguirá a la tensión.

editar (tras la edición de la pregunta)
Así, la resistencia hará que la corriente esté en fase con la tensión. Si hay un término imaginario (el \$j\$ ) entonces ese término representa la reactancia, ya sea capacitiva o inductiva, y

Resistencia + Reactancia = Impedancia

En un mundo ideal, si no tienes condensadores ni bobinas tampoco tendrías reactancia. Pero un circuito puede tener impedancia parásita: la longitud de una traza de PCB provocará una reactancia inductiva (se comporta como una bobina), y dos trazas adyacentes tendrán una reactancia capacitiva (se comportan como un condensador). Las impedancias parásitas no son intencionadas, y la mayoría de las veces son una molestia, aunque a veces un diseñador puede hacer un buen uso de ellas.
Puede medir las impedancias de los componentes con un RLC-metro que le dará una resistencia en serie o en paralelo con una reactancia (inductiva o capacitiva).
La reactancia se mostrará como un cambio de fase en la tensión o la corriente. Este cambio de fase se puede mostrar en un osciloscopio en modo X-Y; un cambio de fase cero mostrará una línea recta, un cambio de fase de 90° mostrará un círculo, cualquier cosa entre ellos le dará una elipse.