基礎

【図解】インピーダンス入門

インピーダンスは、電子部品の特性の1つとして様々な場面で利用されています。

そこで今回は「インピーダンスとは何か」について解説します。

 

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インピーダンスとは

インピーダンス Z は交流における電流の流れにくさを表すもので、単位は Ω [オーム] で表されます。

直流回路では電流の流れにくさを「抵抗」で表しますが、インピーダンスはその交流バージョンといった理解でも問題ありません。

もちろんオームの法則にも当てはまりますので、「V=IR」の式を「V=IZ」として表すことができます。

 

交流回路と直流回路の違いとしては、時間軸で見たときにその大きさが変化することが挙げられます。

正弦波で考えるとわかるように、時間が進むにつれて大きさが変わっていますよね。

そのため交流回路では、振幅と位相によってこの波の性質を表します。

そして交流回路は位相を持つことによって、単純な大きさではなく向きを持った量、つまり「ベクトル」として表されます。

インピーダンスの場合は、横軸が「抵抗 R」、縦軸が「リアクタンス X」として表され、抵抗が損失の大きさ、リアクタンスが位相の変化量に相当します。

 

インピーダンスの詳細

では次に「Z=R+jX」という式をもう少し詳しく見ていきましょう。

上式において、リアクタンス X は「誘導性のリアクタンス」と「容量性のリアクタンス」の2つの種類に分かれます。

この誘導性と容量性は、それぞれコイルとコンデンサを意味しており「Z=R+jωL+1/jωC」に変形することができます。( ω は角周波数で ω=2πf )

リアクタンスのXの部分が「jωL」 と「 1/jωC 」に変わっていますね。

このうち誘導性のリアクタンスは、その大きさを jωL として縦軸のプラス方向に
プロットします。

一方、容量性リアクタンスは、1/jωC のままでは 虚数 j が分母にありグラフにプロットできないため -j/ωC と変形し、縦軸の負の方向にプロットします。

そして誘導性リアクタンスと容量性リアクタンスは、それぞれ180°向きが異なるため、それぞれの差分が全体としてのリアクタンスの大きさ X ということになり、更にはそのリアクタンス X と抵抗 R の交点を指すベクトルがインピーダンス Z ということになります。

 

インピーダンス特性

ここまで出てきた「抵抗」「コイル」「コンデンサ」のそれぞれの周波数特性を確認してみます。

抵抗

まず抵抗は、先程の Z=R+jωL+1/jωC で考えると R に相当しますが、Rには何も係数がかかっていないため、交流の周波数が変化しても抵抗のインピーダンスは常に一定の値を示します。

そのため縦軸をインピーダンス、横軸を周波数としてグラフを表すと、真横にまっすぐの直線が引かれた特性となります。

コイル


次にコイルは、インピーダンスの式において jωL の部分ですが、角周波数の ω が ω =2πf となるため、周波数に比例してインピーダンスが高くなります。

ちなみに直流の場合 f = 0 となるので、コイルのインピーダンスは 0 、つまり短絡・ショートとなります。

そしてこれをグラフで表すと、インピーダンス特性は右肩上がりのグラフとなります。

コンデンサ

コンデンサは、インピーダンスの式において 1/jωC の部分で、周波数に比例してインピーダンスが低くなります。

こちらは直流の場合、インピーダンスが ∞、つまり開放・オープンとなります。

 

この抵抗、コイル、コンデンサのそれぞれのインピーダンス特性は、電気・電子回路の特性を理解する上で非常に重要となります。

式をもとに理解するのが難しいという方でも、このインピーダンス特性のグラフの特徴だけは必ず覚えておくことをおすすめします。

 

おわりに

今回は電気回路の基本となる「インピーダンスとは」と「抵抗」「コイル」「コンデンサ」のインピーダンス特性について解説しました。

  • インピーダンスは交流の電流の流れにくさを表す
  • 抵抗のインピーダンスは一定
  • コイルのインピーダンスは周波数に比例
  • コンデンサのインピーダンスは周波数に反比例

 

今回は以上です。

最後までお読みいただき、ありがとうございました。

 

ABOUT ME
エンジャー
EMCやノイズ対策に関する情報発信を日々行っています。 ( iNarte EMC Engineer、第一級陸上無線技術士)

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