這個計算器的功能
本工具用來計算當電阻(R)、電容(C)與電感(L)以並聯方式連接,並由頻率為 f 的正弦波電源驅動時,電路的阻抗大小 |Z|。並聯 RLC 網路是諧振槽路(tank circuit)、濾波器與調諧放大器的核心結構,其阻抗會在諧振點附近急遽攀升至最大值。
使用方式
分別輸入電阻、電容、電感與頻率,每個欄位都附有獨立的單位選單(例如 μF、mH、kHz)。系統會先依照所選單位,將你輸入的數值換算成 SI 基本單位再進行運算。計算結果會以千歐姆(kΩ)顯示,同時提供以歐姆(Ω)表示的數值,以及以度為單位的阻抗相位角。
公式解析
處理並聯元件時,最方便的做法是把導納(admittance)相加。設角頻率 \(\omega = 2\pi f\),則電導為 \(G = 1/R\),電容性電納為 \(B_C = \omega C\),電感性電納為 \(B_L = 1/(\omega L)\)。總導納為 \(Y = G + j(\omega C - 1/(\omega L))\),因此其大小為 $$|Y| = \sqrt{\left(\frac{1}{R}\right)^2 + \left(\omega C - \frac{1}{\omega L}\right)^2}$$而阻抗大小就是它的倒數:$$|Z| = \frac{1}{|Y|}$$
實際範例
假設 \(R = 10\ \Omega\)、\(C = 500\ \mu\text{F}\)、\(L = 2\ \text{mH}\)、\(f = 1\ \text{kHz}\)。則 \(\omega = 2\pi \cdot 1000 = 6283.19\ \text{rad/s}\),\(\omega C = 3.14159\ \text{S}\),\(1/(\omega L) = 0.079577\ \text{S}\)。虛部為 \(3.06202\ \text{S}\),而 \(1/R = 0.1\ \text{S}\)。因此 $$|Y| = \sqrt{0.01 + 9.37594} = 3.06365\ \text{S}$$得 \(|Z| = 1/|Y| \approx 0.32641\ \Omega\),約等於 \(3.264\times10^{-4}\ \text{k}\Omega\)。相位角約為 \(-88.1°\),可見此電路在 1 kHz 時呈現明顯的電容性。
常見問題
|Z| 在什麼時候最大?發生在諧振時,也就是 \(\omega C = 1/(\omega L)\),即 \(f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}\)。此時電抗項彼此抵消,|Z| 恰好等於 R,這正是並聯諧振槽路的阻抗最大值。
為什麼在直流(DC)時 |Z| 會趨近於零?理想電感在零頻率下相當於短路,因此整個並聯組合會塌縮為 0 Ω。當 f = 0、L = 0 或 R = 0 時,計算器都會回傳 0。
為什麼這裡的相位是負的?在諧振點以上,電容性電納佔主導地位,使電流相位超前電壓,因而產生負的阻抗相位角。