หากจะมีส่วนให้ความรู้ให้ประโยชน์ต่อท่านบ้าง ติชม เสนอแนะ ถามปัญหา ได้ที่ ice@icelectronic.com จะขอบคุณยิ่ง

อิมพีแดนซ์และรีแอคแตนซ์
(Impedance and Reactance)

อิมพีแดนซ์ | รีแอคแตนซ์ | อินพุทอิมพีแดนซ์ | เอาท์พุทอิมพีแดนซ์ | การแบ่งแรงดัน

หน้าต่อไป: วงจรเวลา555 และ 556
ควรดู: ความจุ | ความต้านทาน | กฎของโอห์ม | การแบ่งแรงดัน ด้วย

อิมพีแดนซ์ (Impedance)

อิมพีแดนซ์, Z =	V
	I

ความต้านทาน, R =	V
	I

V = แรงดัน หน่วยโวลท์ (V)
I = กระแส หน่วยแอมป์ (A)
Z = อิมพีแดนซ์ หน่วยโอห์ม (

)
R = ความต้านทาน หน่วยโอห์ม (

)

อิมพีแดนซ์ (สัญลักษณ์ Z) คือค่ารวมทั้งหมดที่ต้านกระแสในวงจร หรืออาจเรียกว่าเป็นสิ่งทั้งหมดในวงจรที่ขวาง (impedes)การไหลของกระแส มันคล้ายกับความต้านทานแต่กไม่เหมือน ทีเดียวเพราะต้องคำนึงถึงผลกระทบของความจุและการเหนี่ยวนำด้วย อิมพีแดนซ์มีหน่วยวัดเป็นโอห์ม สัญลักษณ์คือ

อิมพีแดนซ์มีความซับซ้อนมากกว่าความต้านทาน เพราะหากความถี่ของกระแสที่ไหลผ่านวงจรเปลี่ยนแปลง จะมีผลต่ออิมพีแดนซ์ของตัวความจุและตัวเหนี่ยวนำ หรืออาจกล่าวได้ว่า
ค่า อิมพีแดนซ์เปลี่ยนแปลงตามความถี่! แต่การเปลี่ยนแปลงความถี่จะไม่มีผลกระทบต่อตัวต้านทานแต่อย่างใด

คำว่า 'อิมพีแดนซ์'มักถูกใช้บ่อยกับวงจรง่ายๆซึ่งไม่มีตัวความจุหรือความเหนี่ยวนำ(ซึ่งก็ไม่ผิดอะไร) ตัวอย่างเช่น เมื่อกล่าวถึง 'อินพุทอิมพีแดนซ์' หรือ 'เอาท์พุทอิมพีแดนซ์' ของวงจร ซึ่งอาจจะทำให้เกิดความสับสนสำหรับผู้ที่เิ่ริ่มศึกษาอิเล็กทรอนิกส์ แต่ก็ให้นึกเสียว่าอิมพีแดนซ์เป็นเพียงอีกคำหนึ่งที่เรียกความต้านทาน

มีปริมาณทางไฟฟ้าสี่ตัวที่เป็นสิ่งกำหนดอิมพีแดนซ์ (Z) ของวงจรคือ:
ความต้านทาน (R), ความจุ (C), ความเหนี่ยวนำ (L) และ ความถี่ (f).

อิมพีแดนซ์สามารถแยกเป็นสองส่วนคือ:

ความต้านทาน R (เป็นส่วนที่คงที่โดยไม่คำนึงถึงความถี่)
รีแอคแตนซ์ X (เป็นส่วนที่เปลี่ยนแปลงตามความถี่ เนื่องจากความจุและความเหนี่ยวนำ)

สำหรับรายละเอียดโปรดดูในส่วน รีแอคแตนซ์ ด้านล่าง

impedance ความจุและความเหนี่ยวนำทำให้เกิดการเคลื่อนเฟส(phase shift)* ระหว่างกระแสและแรงดัน ทำให้ความต้านทานและรีแอคแตนซ์ไม่สามารถรวมกันเป็นอิมพีแดนซ์ด้วย วิธีง่ายๆ โดยต้องรวมกันทางเวคเตอร์ ซึ่งรีแอคแตนซ์จะตั้งฉากกับความต้านทานดังแสดงในรูป

* การเคลื่อนเฟส(Phase shift) หมายถึงกระแสและแรงดันไม่ก้าวไปพร้อมกัน ให้ลองนึกถึงการประจุของตัวเก็บประจุ เมื่อแรงดันคร่อมตัวเก็บประจุเป็นศูนย์ กระแสจะสูงสุด แต่เมื่อตัวเก็บประจุได้ประจุและได้ค่าแรงดันสูงสุด กระแสก็จะต่ำสุด การประจุและคลายประจุเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องสลับกันโดยกระแสจะถึงค่าสูงสุดก่อนแรงดันถึงค่าสูงสุด เราจึงเรียกว่ากระแสนำหน้าแรงดัน

รีแอคแตนซ์ X

รีแอคแตนซ์ (สัญลักษณ์ X) เป็นค่าตัวที่ต้านกระแสของความจุและความเหนี่ยวนำ ค่ารีแอคแตนซ์เปลี่ยนแปลงตามความถี่ของสัญญาณไฟฟ้า และมีหน่วยการวัดเป็นโอห์ม สัญลักษณ์

รีแอคแตนซ์มีสองชนิดคือ: รีแอคแตนซ์ความจุ (Xc) และรีแอคแตนซ์ความเหนี่ยวนำ (X_L).

รีแอคแตนซ์ทั้งหมด (X) คือผลต่างระหว่างรีแอคแตนซ์ทั้งสองคือ: X = X_L - Xc

รีแอคแตนซ์ความจุ Xc

Xc =	1	ในเมื่อ:	Xc = รีแอคแตนซ์มีหน่วยเป็นโอห์ม () f = ความถี่มีหน่วยเป็นเฮิรทซ์(Hz) C = ความจุมีหน่วยเป็นฟารัด (F)
	2fC

Xc มีค่ามากที่ความถี่ต่ำและค่าน้อยที่ความถี่สูง
สำหรับดีซีคงที่ซึ่งความถี่เป็นศูนย์ Xc มีค่าเป็นอนันต์ (ความต้านทั้งหมด)
เป็นที่มาของกฎที่ว่า ตัวเก็บประจุยอมให้เอซี(AC)ผ่านแต่ปิดกั้นดีซี(DC)

ตัวอย่างเช่น: ตัวเก็บประจุขนาด 1µF มีค่ารีแอคแตนซ์ 3.2k ที่สัญญาณความถี่ 50Hz
แต่เมื่อสัญญาณมีความถี่สูงขึ้นเป็น 10kHz รีแอคแตนซ์จะเหลือเพียง 16

รีแอคแตนซ์ความเหนี่ยวนำ X_L

X_L = 2fL

ในเมื่อ:

X_L = รีแอคแตนซ์มีหน่วยเป็นโอห์ม (

)
f = ความถี่มีหน่วยเป็นเฮิรทซ์(Hz)
L = ความเหนี่ยวนำมีหน่วยเป็นเฮนรี่ (H)

X_L มีค่าน้อยที่ความถี่ต่ำและค่ามากที่ความถี่สูง
สำหรับดีซีคงที่ซึ่งความถี่เป็นศูนย์ X_L มีค่าเป็นศูนย์ (ไม่มีความต้าน)
เป็นที่มาของกฎที่ว่า ตัวเหนี่ยวนำยอมให้ดีซี(DC)ผ่านแต่ปิดกั้นเอซี(AC) ความถี่สูง

ตัวอย่างเช่น: ตัวเหนี่ยวนำค่า1mH มีรีแอคแตนซ์เพียง 0.3 ที่สัญญาณความถี่ 50Hz
แต่เมื่อสัญญาณมีความถี่สูงขึ้นเป็น 10kHz รีแอคแตนซ์จะเป็น 63

อินพุทอิมพีแดนซ์ Z_IN

อินพุทอิมพีแดนซ์ (Z_IN) เป็นอิมพีแดนซ์ที่มองเข้าไปโดยสิ่งที่ต่อกับอินพุทของวงจรหรืออุปกรณ์ (เช่นเครื่องขยาย) อินพุทอิมพีแดนซ์เป็นผลรวมทั้งหมดของความต้านทาน ความจุและความเหนียวนำ ซึ่งต่อกับอินพุทด้านในของวงจร หรืออุปกรณ์

โดยปกติเราจะใช้คำว่า 'อินพุทอิมพีแดนซ์' เป็นกรณีทั่วไปแม้ว่าจะมีแต่ความต้านทานในวงจร และก็สามารถใช้คำว่า 'ความต้านทานอินพุท' แทนได้ ซึ่งความจริงก็สมเหตุสมผลถ้าที่จะเข้าใจว่า อินพุทอิมพีแดนซ์ก็เป็นเพียงความต้านทานที่สัญญาณอินพุทมีความถี่ต่ำ (ต่ำกว่า 1kHz)

การที่ความถี่มีผลต่อความจุและความเหนี่ยวนำ จึงทำให้อินพุทอิมพีแดนซ์มีค่าเปลี่ยนแปลงไปตามความถี่ โดยทั่วไป ผลต่อความจุและความเหนี่ยวนำจะมีความสำคัญที่สุด ที่ความถี่สูงๆ

ปกติ อินพุทอิมพีแดนซ์จะต้องสูง อย่างน้อยเป็นสิบเท่าของเอาท์พุทอิมพีแดนซ์ของวงจร (หรืออุปกรณ์)ที่ป้อนสัญญาณเข้าอินพุท ทั้งนี้เพื่อให้แน่ใจว่าอินพุทไม่โอเว่อร์โหลดแหล่ง กำเนิดสัญญาณซึ่งจะทำให้ขนาดสัญญาณถูกลดลง

เอาท์พุทอิมพีแดนซ์ Z_OUT

วงจรสมมูลของเอาท์พุทใดๆ

เอาท์พุทของวงจรหรืออุปกรณ์เทียบได้กับเอาท์พุทอิมพีแดนซ์(Z_OUT)อนุกรมกับแหล่งจ่ายแรงดัน(V_SOURCE) ซึ่งเรา เรียกว่าวงจรสมมูล(equivalent circuit) และมันแสดงแทน ผลรวมทั้งหมดของ แหล่งกำเนิดแรงดัน ความต้านทาน ความจุ และความเหนี่ยวนำ ที่ต่อกับเอาท์พุทภายในวงจรหรืออุปกรณ์ และพึงรู้ว่า V_SOURCE ไม่ใช่แหล่งจ่ายไฟ Vs

โดยปกติเราจะใช้คำว่า 'เอาท์พุทอิมพีแดนซ์' เป็นกรณีทั่วไปแม้ว่าจะมีแต่ความต้านทานในวงจร และก็สามารถใช้คำว่า 'ความต้านทานเอาท์พุท' แทนได้ ซึ่งความจริงก็สมเหตุสมผลที่จะเข้าใจว่า เอาท์พุทอิมพีแดนซ์ก็เป็นเพียงความต้านทานที่สัญญาณเอาท์พุทมีความถี่ต่ำ (ต่ำกว่า1kHz)

การที่ความถี่มีผลต่อความจุและความเหนี่ยวนำ จึงทำให้เอาท์พุทอิมพีแดนซ์มีค่าเปลี่ยนแปลงไปตามความถี่ โดยทั่วไป ผลต่อความจุและความเหนี่ยวนำจะมีความสำคัญที่สุด ที่ความถี่สูงๆ

ปกติ เอาท์พุทอิมพีแดนซ์จะต้องมีค่าต่ำ คือน้อยกว่าอิมพีแดนซ์ของโหลดที่ต่อกับเอาท์พุทเป็นสิบเท่า หากเอาท์พุทอิมพีแดนซ์ค่อนข้างสูงมันจะไม่สามารถป้อน สัญญาณที่
แรงเพียงพอให้โหลด เพราะแรงดันของสัญญาณจะสูญเสียมากภายในวงจรขับกระแสผ่านเอาท์พุทอิมพีแดนซ์ Z_OUT ตัวโหลดสามารถเป็นอุปกรณ์เดี่ยว หรืออินพุทอิมพีแดนซ์
ของวงจรอื่นก็ได้ ลักษณะของเอาท์พุทอิมพีแดนซ์และโหลดสามารถเกิดขึ้นได้ 3 กรณีคือ

output impedance and load

โหลดอาจเป็นอุปกรณ์ชิ้นเดียวหรือ
อินพุทอิมพีแดนซ์ของวงจรอื่น

- เอาท์พุทอิมพีแดนซ์ต่ำกว่า Z_OUT << Z_LOAD
V_SOURCE ส่วนใหญ่จะปรากฎคร่อมโหลด จะมีการสูญเสียแรงดันขับกระแสผ่านเอาท์พุทอิมพีแดนซ์น้อยมาก ปกติวิธีนี้เป็นวิธีที่ดีที่สุด

- อิมพีแดนซ์เข้าคู่กัน Z_OUT = Z_LOAD
ครึ่งหนึ่งของ V_SOURCE ปรากฎตกคร่อมโหลด และอีกครึ่งหนึ่งสูญเสียในการขับกระแสผ่านเอาท์พุทอิมพีแดนซ์ วิธีนี้มีประโยชน์ในบางสถานการณ์ (เช่นอย่างเครื่องขยายเสียงขับลำโพง) เพราะมันสามารถส่งกำลังงานสูงสุด ไปยังโหลด แต่พึงระลึกว่ากำลังงานอีกครึ่งหนึ่งต้องสูญเสียไปกับการขับกระแสผ่านZ_OUT ทำให้มีประสิทธิภาพ เพียง 50%.

- เอาท์พุทอิมพีแดนซ์สูงกว่า Z_OUT >> Z_LOAD
มีเพียงส่วนน้อยที่ปรากฎตกคร่อมโหลด แทบทั้งหมดจะสูญเสียในการขับกระแสผ่านเอาท์พุทอิมพีแดนซ์ วิธีนี้ไม่เป็นที่น่าพอใจ

ความต้านทานเอาท์พุทของตัวแบ่งแรงดัน

ตัวแปลงแรงดัน

วงจรสมมูลของตัวแปลงแรงดัน

ตัวแปลงแรงดัน LDR

การแบ่งแรงดัน มีใช้อย่างกว้างขวางในอิเล็กทรอนิกส์ เช่น การต่อตัวแปลงอย่าง LDR เข้าทางอินพุท

เพื่อให้ประสบผลสำเร็จ เอาท์พุทอิมพีแดนซ์ของตัวแบ่งแรงดันจะต้องน้อยกว่าอินพุทอิมพีแดนซ์ของวงจรที่ต่อเข้า ในทางอุดมคติเอาท์พุทอิมพีแดนซ์ต้องน้อยกว่าอินพุทอิมพีแดนซ์ เป็นสิบเท่า

ในวงจรสมมูลของตัวแบ่งแรงดัน เอาท์พุทอิมพีแดนซ์เป็นเพียงความต้านทานเราจึงสามารถใช้คำว่า'ความต้านทานเอาท์พุท' โดย R_OUT มีค่าเท่ากับความต้านทานสองตัว(R1 และ R2)
ต่อกัน แบบขนาน:

เอาท์พุทอิมพีแดนซ์, R_OUT = R1 × R2

R1 + R2

แหล่งจ่ายแรงดัน V_SOURCE ในวงจรสมมูลคือค่าแรงดันเอาท์พุท Vo เมื่อไม่มีอะไรต่อกับเอาท์พุท(และจึงไม่มีกระแสเอาท์พุท) ลักษณะนี้เราเรียกว่าแรงดัน'วงจรเปิด'

แหล่งแรงดัน, V_SOURCE = Vs × R2

R1 + R2

ในตัวแบ่งแรงดัน ตัวต้านทานตัวหนึ่งก็คือ อินพุทของตัวแปลง เช่นตัว LDR ดังนั้นเมื่อความต้านทานของตัวแปลง เปลี่ยนแปลงจะทำให้ทั้ง V_SOURCE และ R_OUT เปลี่ยนไปด้วย เพื่อ
ตรวจสอบ R_OUT ต่ำพอหรือไม่เราจะต้องลองหาค่าสูงสุดที่เกิดขึ้นเมื่อตัวแปลงมีความต้านทานสูงสุด(มันจะมีผลเมื่อไหร่ก็ตามที่ตัวแปลงถูกต่อเข้ากับตัวแบ่งแรงดัน)

ตัวอย่าง : หาก R1 = 10k และ R2 คือตัว LDR มีความต้านทานสูงสุด 1M, R_OUT = 10k × 1M / (10k + 1M) = 9.9k (ประมาณ 10k) นั่นคือโหลดหรือความต้านทานอินพุทที่จะมาต่ออย่างน้อยต้อง 100k.

หน้าต่อไป: วงจรเวลา555 และ 556| เรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์

ไอซีอีแปลและเรียบเรียง เพื่อเผยแพร่สำหรับคนไทย ผู้ที่มีอิเล็กทรอนิกส์ในหัวใจ ขอขอบคุณ Mr. James Hewes

เอาท์พุทอิมพีแดนซ์, R_OUT =	R1 × R2
	R1 + R2

แหล่งแรงดัน, V_SOURCE =	Vs × R2
	R1 + R2

อิมพีแดนซ์และรีแอคแตนซ์ (Impedance and Reactance)