2013年9月8日 星期日

阻抗與電抗 Impedance and Reactance ( 搬家文 move from yahoo blog , Day 5 )

(本文譯自The Electronics Club Impedance and Reactance

阻抗 Impedance

阻抗(符號 Z)是一種電路對電流所有抵抗的度量,換句話說:電路阻礙電流流動的程度。有點像電阻,不過它把電容和電感的效應也含括進去。阻抗的單位以 ohm 表示,符號Ω

阻抗比電阻複雜,因為它包含「電容與電感會隨著流經電路的電流頻率而變化」的效應,也就是說阻抗會隨著頻率而改變!而電阻效應是固定不變的,與頻率無關。

「阻抗」這個名詞常常被用在沒有電容或電感的簡單電路上(還蠻正確的)- 例如討論到「輸入阻抗」或「輸出阻抗」時。如果你正在學習電子學,這似乎造成混淆,不過在簡單的電路上,你可以把它當作是「電阻」的另一個名詞。

電路的阻抗(Z)決定於四個電子計量:電阻(R),電容(C),電感(L),頻率(f)。


阻抗可以分成兩個部份:

l          電阻 Resistance R(與頻率變化無關的部份)

l          電抗 Reactance X(因為電容、電感而跟著頻率變化的部份)

更詳細請看下面的 Reactance 一節。

電容和電感會在電流與電壓之間引起相位偏移(phase shift),意思就是說「電阻」和「電抗」不能直接相加變成「阻抗」。他們必須以「電抗」與「電阻」垂直向量相加,如圖所示。

*相位偏移(phase shift)意思是電流與電壓不同步。想像一下電容充電。當跨在電容器上的電壓為零時,電流是最大值;當電容器充電,電壓達到最大時,電流是最小值。充電與放電隨著交流電源持續進行著,在電壓到達最大值前,電流會短暫地先達到最大值:所以我們說電流領先電壓。


電抗 ReactanceX
電抗(符號 X是一種電容和電感對電流抵抗的度量。電抗隨電氣信號的頻率而變化。電抗的單位以 ohm 表示,符號Ω

電抗有兩種:電容抗(Xc)與電感抗 (XL)

Total reactanceX為兩者之差:X = XL Xc

l          電容抗(capacitive reactance),Xc


Xc 在低頻時變大,高頻時變小。在穩定直流(DC)頻率為零時,Xc 無限大(完全抵抗),因此,電容器交流(AC)通行,直流(DC)阻隔。

例如:一個 1μF 的電容,信號 50 Hz 時電抗為 3.2 kΩ,可是當頻率提高至 10 kHz 時電抗則僅有 16Ω

l          電感抗(inductive reactance),XL


XL 在低頻時變小,高頻時變大。在穩定直流(DC)頻率為零時,XL 為零(無抵抗),因此,電感器直流(DC)通行,交流(AC)阻隔。

例如:一個 1 mH 的電,信號 50 Hz 時電抗為 0.3Ω,可是當頻率提高至 10 kHz 時電抗則為 63Ω


輸入阻抗  Input impedance ZIN

輸入阻抗  Input impedanceZIN),是任何東西連接到電路或裝置(例如擴大機)的輸入時所「看」到的阻抗。它是電路或裝置內部所有連到輸入端的電阻、電容、電感的綜合效應。


即便是在只有電阻的簡單案例中,也常使用「輸入阻抗」這個名詞,而「輸入電阻」在這裡是可以代用的。事實上,當輸入阻抗只是電阻時,會提供一個低頻(例如小於 1kHz)的輸入信號的假設通常是合理的

電容、電感的影響跟著頻率變化,所以如果這些存在,輸入阻抗也會跟隨頻率變化。電容和電感效應通常在高頻的時候最顯著。

通常輸入阻抗應該要高,至少是提供信號的電路(或裝置)輸出阻抗的十倍。這可以確保輸入不會「過載」訊源,同時也減少一次大量信號的強度(電壓)。


輸出阻抗  Output impedance ZOUT

任一電路或裝置的輸出,相當於一個輸出阻抗(ZOUT)串連一個完美的電壓源(VSOURCE)。這稱作「等效電路」,它代表電路或裝置內部,所有連到輸出的電壓源、電阻、電容和電感的綜合效應。注意VSOURCE 通常等於供應電壓Vs


即便是在只有電阻的簡單案例中,也常使用「輸出阻抗」這個名詞,而「輸出電阻」在這裡是可以代用的。事實上,當輸出阻抗只是電阻時,會提供一個低頻(例如小於 1kHz)的輸出信號的假設通常是合理的

電容、電感的影響跟著頻率變化,所以如果這些存在,輸出阻抗也會跟隨頻率變化。電容和電感效應通常在高頻的時候最顯著。

通常輸出阻抗應該要低,小於連接輸出的負載阻抗的十分之一。如果輸出阻抗過高,將無法提供夠強的信號給負載,因為大部分的信號電壓,將在電路中驅動電流流經輸出阻抗 ZOUT 時「損耗掉」。負載可以是單一元件或者另一個電路的輸入阻抗。


l          低輸出阻抗,  ZOUT << ZLOAD
大部分的VSOURCE 會跨在負載上,驅動電流經輸出阻抗時,電壓損耗很少。通常這是最佳的安排。

l          阻抗匹配,  ZOUT = ZLOAD
一半的VSOURCE 跨在負載上,另一半在驅動電流經輸出阻抗時損耗掉。這種安排在某些情況是有幫助的(像擴大機驅動喇叭),因為它傳遞最大功率到負載 注意有一半功率浪費在驅動輸出電流給輸出阻抗  ZOUT,效率 50%

l          高輸出阻抗,ZOUT >> ZLOAD
只有一小部份的跨在負載上,大部分在驅動電流經輸出阻抗時損耗掉。這種安排是不合人意的。
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分壓器的輸出阻抗  The output resistance of a voltage divider

分壓器(voltage divider)在電子學上應用很廣泛,例如在電路的輸入連接一個像 LDR 的輸入轉換器(input transducer)。

要能成功運用,分壓器的輸出阻抗,應該要遠小於所連接電路的輸入阻抗。輸出阻抗小於輸入阻抗的十分之一會比較理想。

在分壓器的等效電路中,輸出阻抗只是一個電阻,所以「輸出電阻」這個名詞是可以用的。ROUT 等於兩個電阻(R1R2)並聯。

等效電路中的電壓源VSOURCE,是當輸出端沒有連接任何東西時的輸出電壓Vo(因此也沒有輸出電流)。有時候稱作「開路」(open circuit)電壓。


大多數的分壓器中,其中一個電阻將會是輸入轉換器(input transducer),像是LDR。轉換器的電阻是變動的,這讓 VSOURCEROUT也跟著變動。為了確認 ROUT夠低,你應該知道它的最大值,將會發生在轉換器最大電阻值的時候(不管轉換器接在分壓器哪裡都適用)。


例如:如果 R1=10kΩR2 是一個電阻值最大 1MΩ LDRROUT =10k x 1M / (10k+ 1M ) = 9.9kΩ(算10kΩ)。 這表示它應該連接一個輸入電阻至少 100kΩ的負載。

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