Widerstände analysieren: Elektrische Impedanz und was dahinter steckt

Schaltkreiselemente sind in der Praxis komplexer, als es das Ohmsche Gesetz vermittelt. Sie zeigen ohmsches, kapazitives und induktives Verhalten, was zusammen die Impedanz definiert. Indem man Impedanz über mehrere Frequenzen misst, kann man wertvolle Daten...

Schaltkreiselemente sind in der Praxis komplexer, als es das Ohmsche Gesetz vermittelt. Sie zeigen ohmsches, kapazitives und induktives Verhalten, was zusammen die Impedanz definiert. Indem man Impedanz über mehrere Frequenzen misst, kann man wertvolle Daten über ein Element gewinnen. Dies ist die Grundlage der Impedanz-Spektroskopie (IS) und das fundamentale Konzept für viele Industrie-, Messtechnikund Automotive-Sensoren.

Die Impedanz eines elektrischen Elements kann aus Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten oder, und das ist meist der Fall, aus einer Kombination von aller dreien bestehen. Dieser Effekt kann mit imaginären Impedanzwerten modelliert werden. Induktivitäten haben eine Impedanz von jωL und Kondensatoren eine Impedanz von 1/jωC, wobei j der Imaginärteil und ω die Kreisfrequenz des Signals ist. Die Impedanzen dieser Komponenten lassen sich mit komplexer Zahlenarithmetik zusammenfassen. Der Imaginärteil einer Impedanz wird als Reaktanz bezeichnet. Im Allgemeinen gilt Z = R + jX, wobei X die Reaktanz und Z die Impedanz ist. Bei einem Signal mit zunehmender Frequenz sinkt die kapazitive Reaktanz XC, während die induktive Reaktanz XL steigt. Dies führt zu Änderungen der Gesamtimpedanz als Funktion der Frequenz. Die Impedanz eines rein ohmschen Widerstandes ist von der Frequenz unabhängig.

Impedanzen analysieren

Zur Untersuchung der Impedanz eines Elements bei unterschiedlichen Frequenzen wird das Ausgangssignal entweder im Zeit- oder im Frequenzbereich untersucht. Analoge Signalanalysetechniken wie Brücken mit AC-Kopplung wurden normalerweise verwendet, um das Signal im Frequenzbereich zu untersuchen. Durch das Aufkommen sehr leistungsfähiger A/D-Wandler wurden Daten im Zeitbereich gesammelt und anschließend in den Frequenzbereich konvertiert.

Abschied von diskreten Lösungen

In der folgenden Beispielanwendung misst der AD5933 den Impedanzverlauf eines Lautsprechers (Bild 4). Zunächst muss das AD5933-System kalibriert werden, indem man einen Präzisionswiderstand gegen die zu messende Impedanz austauscht und für die nachfolgenden Messungen einen Skalierungs-/Verstärkungsfaktor berechnet.