(本文譯自The Electronics Club 的 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」垂直的向量相加,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
Reactance,X
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
reactance(X)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
的電感,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 impedance(ZIN),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
通常不等於供應電壓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(R1和R2)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 VSOURCE和 ROUT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=10kΩ,R2 是一個電阻值最大 1MΩ 的 LDR,ROUT
=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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