這個計算器的功能
本工具可計算理想電感(L)與電容(C)串聯、並由頻率為 \(f\) 的正弦波電源驅動時的阻抗大小 \(|Z|\) 與相位角。由於理想的 LC 串聯電路不含電阻,因此阻抗是純電抗性的:計算結果即為感抗與容抗的差值。
使用方式
輸入電感、電容與頻率,並從各下拉選單中選擇對應的單位(電感可用 H/mH/uH/nH,電容可用 F/mF/uF/nF/pF/fF,頻率可用 Hz/kHz/MHz/GHz)。計算器會先將所有數值換算為 SI 基本單位,再輸出以歐姆為單位的 \(|Z|\) 以及以度為單位的相位角。
公式說明
角頻率為 \(\omega = 2\pi f\)。感抗為 \(X_L = \omega L\),容抗為 \(X_C = \dfrac{1}{\omega C}\)。串聯阻抗為純虛數,\(Z = j\left(\omega L - \dfrac{1}{\omega C}\right)\),因此其大小為 $$|Z| = \left| \omega L - \frac{1}{\omega C} \right|$$ 當電感佔主導時相位為 \(+90^{\circ}\),電容佔主導時為 \(-90^{\circ}\);而在串聯共振點(\(\omega L = \dfrac{1}{\omega C}\))時相位為 \(0^{\circ}\)。 $$\varphi = \begin{cases} +90^{\circ} & \omega L > \dfrac{1}{\omega C} \\[0.6em] -90^{\circ} & \omega L < \dfrac{1}{\omega C} \\[0.6em] 0^{\circ} & \omega L = \dfrac{1}{\omega C} \end{cases}$$
實例演算
假設 \(L = 10\ \text{mH} = 0.01\ \text{H}\),\(C = 1\ \text{uF} = 1\times 10^{-6}\ \text{F}\),\(f = 5\ \text{kHz}\): $$\omega = 2\pi \cdot 5000 = 31415.93\ \text{rad/s}$$ \(X_L = 314.159\) 歐姆,\(X_C = 31.831\) 歐姆,所以 $$|Z| = |314.159 - 31.831| = 282.328\ \text{歐姆}$$ 由於 \(X_L > X_C\),整個電路呈電感性,因此相位為 \(+90^{\circ}\)。
常見問題
為什麼相位總是 \(\pm 90^{\circ}\)?理想 LC 電路的電阻為零,因此阻抗是純電抗性的,相位只可能是 \(+90^{\circ}\)、\(-90^{\circ}\),或在共振時為 \(0^{\circ}\)。
共振時會發生什麼事?當 \(\omega L\) 等於 \(\dfrac{1}{\omega C}\) 時,感抗與容抗互相抵消,\(|Z|\) 降為零,形成理想的串聯共振短路。
為什麼在直流(DC)時 \(|Z|\) 會趨於無限大?頻率為零時,電容完全阻斷電流(等同開路),因此阻抗為無限大。