ค่าความเหนี่ยวนำของตัวต้านทานคืออะไร?

ความเหนี่ยวนำเป็นคุณสมบัติทางไฟฟ้าของตัวนำ ซึ่งกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำจะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าในตัวนำนั้นเอง (ความเหนี่ยวนำในตัวเอง) และในตัวนำอื่นๆ ที่อยู่ใกล้เคียง เนื่องจากตัวต้านทานทำจากวัสดุที่เป็นตัวนำ ตัวต้านทานจึงแสดงความเหนี่ยวนำเช่นกัน ซึ่งเป็นผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากตัวต้านทานทำจากลวดที่ดัดเป็นรูปขดลวด ขึ้นอยู่กับการใช้งาน ความเหนี่ยวนำของตัวต้านทานอาจถูกมองข้ามได้ง่าย โดยเฉพาะในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง อย่างไรก็ตาม ความเหนี่ยวนำของตัวต้านทานที่เป็นปรสิตอาจเป็นปัจจัยสำคัญในการใช้งานไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูง เหตุผลก็คือ อิมพีแดนซ์ของตัวต้านทานจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่จ่าย เนื่องจากค่ารีแอกแทนซ์ของตัวต้านทานเพิ่มขึ้น

ตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทาน

โหลดทางไฟฟ้าสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท คือ โหลดจริง (หรือโหลดต้านทาน) และโหลดรีแอคทีฟ โหลดจริงใช้ในการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นความร้อน ตัวต้านทานในอุดมคติเป็นโหลดต้านทานอย่างแท้จริง ซึ่งหมายความว่าพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดที่จ่ายให้กับตัวต้านทานจะถูกแปลงเป็นความร้อน ในทางกลับกัน โหลดรีแอคทีฟจะแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้า และเก็บสะสมไว้ชั่วคราวก่อนที่จะส่งกลับไปยังส่วนที่เหลือของวงจร โหลดรีแอคทีฟอาจเป็นแบบเหนี่ยวนำหรือแบบเก็บประจุ โหลดแบบเหนี่ยวนำจะเก็บพลังงานในรูปของสนามแม่เหล็ก ในขณะที่โหลดแบบเก็บประจุจะเก็บพลังงานในรูปของสนามไฟฟ้า

ความแตกต่างหลักระหว่างตัวต้านทานในอุดมคติและตัวเหนี่ยวนำในอุดมคติก็คือ ตัวต้านทานจะกระจายพลังงานไฟฟ้าในรูปของความร้อน ในขณะที่ตัวเหนี่ยวนำจะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นสนามแม่เหล็ก ตัวต้านทานในอุดมคติจะมีค่ารีแอกแทนซ์เป็นศูนย์ และส่งผลให้มีค่าเหนี่ยวนำเป็นศูนย์ด้วย แต่ในความเป็นจริง อุปกรณ์ไฟฟ้าไม่ได้สมบูรณ์แบบเสมอไป แม้แต่ตัวต้านทานที่ง่ายที่สุดก็ยังมีค่ารีแอกแทนซ์เหนี่ยวนำแฝงอยู่เล็กน้อย

ความเหนี่ยวนำปรสิต

ตัวต้านทานถูกใช้เมื่อต้องการโหลดที่เป็นความต้านทานล้วนๆ ดังนั้นค่าเหนี่ยวนำจึงมักเป็นผลข้างเคียงที่ไม่พึงประสงค์ และในบริบทนี้เรียกว่า "ค่าเหนี่ยวนำปรสิต" ตัวต้านทานจริงทุกตัวแสดงค่าเหนี่ยวนำปรสิตในระดับมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับการออกแบบและโครงสร้างของตัวต้านทาน ค่าเหนี่ยวนำปรสิตในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับสามารถทำให้เกิดการเชื่อมต่อที่ไม่พึงประสงค์ระหว่างบล็อกของระบบ หรืออาจเป็นสาเหตุของการตอบสนองของวงจรที่เปลี่ยนแปลงไปที่ความถี่สูง แหล่งที่มาของปัญหาค่าเหนี่ยวนำอาจเป็นค่าเหนี่ยวนำในตัวเอง ซึ่งเกิดขึ้นแม้ว่าตัวต้านทานจะอยู่ห่างจากตัวนำอื่นๆ หรือค่าเหนี่ยวนำร่วม ซึ่งสังเกตได้เมื่อมีอุปกรณ์ความถี่สูงอื่นๆ อยู่ใกล้เคียง ค่าเหนี่ยวนำในตัวเองอาจทำให้สัญญาณผิดเพี้ยนที่ความถี่สูง ในขณะที่ค่าเหนี่ยวนำร่วมอาจทำให้เกิดสัญญาณรบกวนในเส้นทางสัญญาณ

ตัวต้านทาน แบบขดลวดขดเกลียวมีแนวโน้มที่จะมีค่าความเหนี่ยวนำแฝงสูงเป็นพิเศษ เนื่องจากรูปทรงของขดลวด ตัวต้านทานที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการใช้งานที่ความถี่สูงจะทำจากฟิล์มโลหะเพื่อหลีกเลี่ยงการสร้างรูปทรงขดลวดและลดค่าความเหนี่ยวนำแฝง

การคำนวณค่ารีแอกแทนซ์และค่าเหนี่ยวนำ

ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ อิมพีแดนซ์ทางไฟฟ้าคือการวัดค่าความต้านทานที่วงจรแสดงต่อการไหลของกระแสไฟฟ้าเมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าเข้าไป โดยคำนวณได้จากสูตร:

โดยที่Zคืออิมพีแดนซ์, Rคือความต้านทาน, Xคือรีแอกแทนซ์ของวงจร และjคือหน่วยจินตภาพ ในบทความนี้ จะถือว่ารีแอกแทนซ์แฝงของตัวต้านทานจริงเป็นแบบเหนี่ยวนำล้วนๆ และอิมพีแดนซ์ของตัวต้านทานดังกล่าวจะเป็นดังนี้:

โดยที่ωคือความถี่เชิงมุม และLคือค่าความเหนี่ยวนำแฝงของตัวต้านทาน

จากสมการข้างต้น จะเห็นได้ว่าค่าความต้านทานของตัวต้านทานจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากตัวต้านทานทำหน้าที่ทั้งเป็นตัวต้านทานและตัวเหนี่ยวนำแบบอนุกรม การเพิ่มขึ้นนี้โดยทั่วไปแล้วมีค่าเล็กน้อย แต่ในบางการใช้งานก็อาจมีนัยสำคัญมาก

การใช้งานที่ผลกระทบจากความเหนี่ยวนำปรสิตมีบทบาท

โดยทั่วไปแล้ว ค่าความเหนี่ยวนำปรสิตมักปรากฏให้เห็นในตัวต้านทานที่มีคุณสมบัติด้อยกว่า เช่น ตัวต้านทานแบบขดลวดเกลียว หรือในตัวต้านทานอื่นๆ ที่ความถี่สูงมาก เพื่อแสดงให้เห็นถึงปัญหาที่ความถี่สูง ลองพิจารณาตัวต้านทานแบบฟอยล์ทั่วไปขนาด 220 โอห์ม ที่มีค่าความเหนี่ยวนำ 0.05 ไมโครเฮนรี ทำงานที่ความถี่ 1 กิกะเฮิร์ตซ์

สามารถคำนวณขนาดของอิมพีแดนซ์ได้โดยใช้สมการต่อไปนี้:

เมื่อแทนค่าลงไป เราจะได้:

ค่าความต้านทานเชิงอิมพีแดนซ์มีขนาด 383.5 โอห์ม ที่ความถี่ 1 กิกะเฮิร์ตซ์ ซึ่งเพิ่มขึ้นเกือบ 75% จากค่ากระแสตรงปกติ วิศวกรจะไม่คาดหวังการเปลี่ยนแปลงนี้หากไม่ได้คำนึงถึงผลกระทบจากพารามิเตอร์แฝง การใช้งานในย่านไมโครเวฟและคลื่นวิทยุโดยทั่วไปมีความไวต่อผลกระทบจากพารามิเตอร์แฝงเป็นพิเศษ