อิมพีแดนซ์นั้น สำคัญไฉน?

อิมพีแดนซ์ (Impedance) เป็นการวัดความต้านทานที่วงจรไฟฟ้ามีการต่อต้านต่อกระแสไหล (Current-I) เมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้า (Voltage-V) ผ่านวงจร ซึ่งในทางวิศวกรรมไฟฟ้า “อิมพีแดนซ์” คือ การต่อต้านกระแสสลับ (AC) ที่เกิดจากผลรวมของความต้านทาน (Resistance) และรีแอคแตนซ์ (Reactance) ในวงจรไฟฟ้า ซึ่งในความหมายด้านปริมาณ “อิมพีแดนซ์” เป็นอัตราส่วนที่ซับซ้อนของแรงดันไฟฟ้าต่อกระแสในวงจรกระแสสลับ (AC) โดยที่ “อิมพีแดนซ์” เป็นการขยายแนวคิดของความต้านทานไปยังวงจร AC และครอบครองทั้งขนาดและเฟส ซึ่งแตกต่างจากความต้านทานกระแสตรง (DC) ซึ่งมีเพียงขนาดเท่านั้น เมื่อวงจรถูกขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้ากระแสตรง (DC) มันจะไม่มีความแตกต่างระหว่างอิมพีแดนซ์และความต้านทาน (Resistance) ทั้งนี้เท่ากับว่า “ความต้านทาน” จะเป็นอิมพีแดนซ์ที่มีมุมเฟส (Phase Angle) เป็นศูนย์นั่นเอง

สำหรับ “อิมพีแดนซ์” เป็นสิ่งจำเป็นที่จะต้องนำเสนอแนวคิดของอิมพีแดนซ์ในวงจร AC เพราะว่า มี 2 กลไกต้านทานเพิ่มเติมที่จะต้องนำมาพิจารณา นอกเหนือไปจากความต้านทานปกติของวงจรดีซี นั่นคือ 1.การเหนี่ยวนำของแรงดันไฟฟ้าในตัวนำที่เหนี่ยวนำด้วยตนเองจากสนามแม่เหล็กของกระแส (เรียกว่า การเหนี่ยวนำ หรือ Induction) และ 2.การเก็บสะสมไฟฟ้าสถิตของประจุที่เหนี่ยวนำโดยแรงดันไฟฟ้าระหว่างแผ่นตัวนำ 2 แผ่น (เรียกว่า ความจุ หรือ Capacity)

อิมพีแดนซ์ที่เกิดจากผลกระทบทั้งสองนี้จะรวมเรียกว่า รีแอคแตนซ์ (Reactance) และมีรูปเป็นส่วนจินตภาพของอิมพีแดนซ์ที่ซับซ้อน ในขณะที่ความต้านทานมีรูปเป็นส่วนจริง (ส่วนที่เป็นค่าจริงของอิมพีแดนซ์เป็นค่าความต้านทาน (R) และส่วนที่เป็นค่าจินตภาพเป็นรีแอคแตนซ์)

เครื่องมือที่ใช้ในการวัดอิมพีแดนซ์ไฟฟ้าเรียกว่า เครื่องวิเคราะห์อิมพีแดนซ์ (Impedance Analyzers) สัญลักษณ์สำหรับอิมพีแดนซ์ปกติจะเป็น Z และมีหน่วยวัดเป็น โอห์ม (Ohm สัญลักษณ์คือ Ω) คำว่า “อิมพีแดนซ์” ตั้งขึ้นโดย Oliver Heaviside ในเดือนกรกฎาคมปี 1886 และ Arthur Edwin Kennelly เป็นคนแรกที่แทนค่าอิมพีแดนซ์ด้วยตัวเลขที่ซับซ้อนในปี 1893 ดังนั้นจะเห็นได้ว่า “อิมพีแดนซ์” เกี่ยวโยงทั้งกับกระแสไฟฟ้า และแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่ไหลผ่านวงจรไฟฟ้า จึงแตกต่างจาก “ความต้านทาน” (Resistance) ที่เรา-ท่านทราบกันดี และมีหน่วยวัดเป็นโอห์มเช่นกัน ซึ่งเป็นการวัดค่าความต้านทานไฟฟ้าของวัตถุ เป็นหน่วยวัดความต้านทานต่อการไหลของกระแสไฟฟ้า ซึ่งตรงข้ามกับค่าการนำไฟฟ้า ที่วัดความง่ายในการที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัตถุ ความต้านทานไฟฟ้าจึงมีความคล้ายคลึงกับแรงเสียดทานเชิงกล

กฎของโอห์ม

ในวงจรไฟฟ้าที่มีขดลวด (L) และตัวเก็บประจุ (C) เมื่อป้อนไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current) ซึ่งกระแสไฟฟ้าจะมีทิศทางการไหลกลับไปและกลับมาตลอดเวลา พูดง่ายๆ ว่า มีการสลับขั้วบวกและลบกันอยู่ตลอดเวลา ไม่เหมือนกระแสตรง หรือ DC (Direct Current) ที่ไฟฟ้าจะไหลไปในทิศทางเดียว (ไม่กลับไป-กลับมา) ในขณะที่ไฟฟ้าเกิดการกลับขั้วไป-มา ขดลวด (L) ก็จะเกิดการยุบตัว-พองตัวสลับไปมา เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าต้านกันเอง จากที่ไฟฟ้าเคยไหลผ่านสะดวก เลยเสมือนมีความต้านทานซ้อนขึ้นมา ส่วนคาปาซิเตอร์ (C) เมื่อจ่ายไฟตอนแรกก็จะเกิดการเก็บประจุ แต่พอไฟสลับกลับขั้ว ก็จะเกิดการคายประจุไปหาโหลด จึงเสมือนว่า ไฟฟ้า AC ทะลุผ่านไปได้บ้าง เป็นไปตามขนาดตัวเก็บประจุ มีความต้านทานทางไฟฟ้าสลับ แต่ต่างจากไฟฟ้ากระแสตรงเลยเรียก Impedance ไม่ใช่ Resistance ทว่าถ้ามองให้ลึกจะพบว่า การกลับขั้วกันทางไฟฟ้ากระแสสลับ จะมีมุมค่าเฟสที่ต่างกัน เพราะไฟฟ้าเกิดการเปลี่ยนแปลง 1 รอบ หรือ 1 Cycle ก็คือ 360 องศา เข้ามาเกี่ยวข้องด้วย ส่วนวงจร DC ค่ามุมของ Impedance จะเป็นศูนย์

สรุปได้ว่า Impedance (Z) เป็นค่าความต้านทานในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ แต่อย่าลืมว่า Impedance แม้จะคล้ายกับความต้านทาน (Resistance-R) แต่ก็ไม่เหมือนทีเดียว เพราะต้องคำนึงถึงผลกระทบของความจุ (C) และการเหนี่ยวนำ (L) ด้วย “อิมพีแดนซ์” จึงมีความซับซ้อนมากกว่าความต้านทาน เพราะหากความถี่ของกระแสที่ไหลผ่านวงจรเปลี่ยนแปลง จะมีผลต่ออิมพีแดนซ์ของตัวความจุและตัวเหนี่ยวนำ หรืออาจกล่าวได้ว่า ค่า ‘อิมพีแดนซ์เปลี่ยนแปลงตามความถี่’ ในขณะที่การเปลี่ยนแปลงความถี่จะไม่มีผลกระทบต่อตัวต้านทานแต่อย่างใด

ซึ่งในแง่ของงานระบบเสียง “Impedance” นั้นเกี่ยวข้องกับค่าความต้านทานภายในของลำโพง หรือ หูฟัง ที่มีผลต่อความดัง และคุณภาพของเสียง รวมถึงการทำงานของเครื่องขยายเสียงด้วยเช่นกัน โดยระดับความดัง-ค่อยของเสียง เกี่ยวกับ Impedance ในด้านกำลังขับของวงจรอุปกรณ์เสียง เช่น หูฟังที่มีค่าความต้านทานมาก เสียงก็จะเบา เป็นต้น/คุณภาพของสัญญาณเสียง สำหรับคุณภาพเสียง เกี่ยวข้องกับ Impedance ในด้านการส่งสัญญาณเสียงขาออก (Output Impedance) เช่น ไมโครโฟนที่มีความต้านทานเสียงต่ำ จะส่งสัญญาณเสียงได้ดี การควบคุมภาพเสียงก็จะง่ายมากยิ่งขึ้น เป็นต้น

ส่วนในแง่ของลำโพงกับแอมป์ทำงานร่วมกันนั้น สมมุติว่า อิมพีแดนซ์ลำโพงมากกว่าสเปกแอมป์ เสียงจะดังลดลงกว่าปกติ  อิมพีแดนซ์ลำโพงน้อยกว่าสเปกแอมป์ เสียงจะดังมากกว่าปกติ แต่หากว่าแอมป์ที่มีอิมพีแดนซ์ 8 โอห์ม (ตามสเปก) ต่อกับลำโพงที่มีค่าอิมพีแดนซ์น้อยกว่า 8 โอห์มมากๆ (อย่างเช่น 4 โอห์ม หรือ 2 โอห์ม ส่วนใหญ่เป็นการต่อระบบลำโพงแบบขนานกัน) ภาคขยายในแอมป์ จะทำงานหนักขึ้นมาก จนอาจจะถึงขั้นไหม้ได้ ถ้าเปิดเร่งเสียงดังมากๆ

อินพุตอิมพีแดนซ์ Z IN

อินพุตอิมพีแดนซ์ (Z IN) เป็นอิมพีแดนซ์ที่มองเข้าไป โดยสิ่งที่ต่อกับอินพุตของวงจร หรือ อุปกรณ์ (เช่น เครื่องขยายเสียง) อินพุตอิมพีแดนซ์เป็นผลรวมทั้งหมดของความต้านทาน ความจุและความเหนียวนำ ซึ่งต่อกับอินพุตด้านในของวงจร หรือ อุปกรณ์

โดยปกติเราจะใช้คำว่า ‘อินพุตอิมพีแดนซ์’ เป็นกรณีทั่วไป แม้ว่าจะมีแต่ความต้านทานในวงจร และก็สามารถใช้คำว่า ‘ความต้านทานอินพุต’ แทนได้  ซึ่งความจริงก็สมเหตุสมผลถ้าที่จะเข้าใจว่า อินพุตอิมพีแดนซ์ก็เป็นเพียงความต้านทานที่สัญญาณอินพุตมีความถี่ต่ำ (ต่ำกว่า 1 kHz)

การที่ความถี่มีผลต่อความจุและความเหนี่ยวนำ จึงทำให้อินพุตอิมพีแดนซ์มีค่าเปลี่ยนแปลงไปตามความถี่ โดยทั่วไป ผลต่อความจุและความเหนี่ยวนำจะมีความสำคัญที่สุด ณ ความถี่สูงๆ

ปกติ “อินพุตอิมพีแดนซ์จะต้องสูง” อย่างน้อยเป็น10 เท่าของเอาต์พุตอิมพีแดนซ์ของวงจร (หรือ อุปกรณ์) ที่ป้อนสัญญาณเข้าอินพุต ทั้งนี้เพื่อให้แน่ใจว่า อินพุตไม่โอเว่อร์โหลดต่อแหล่งกำเนิดสัญญาณ ซึ่งจะทำให้ขนาดสัญญาณถูกลดลง

เอาต์พุตอิมพีแดนซ์ Z OUT

เอาต์พุตของวงจร หรือ อุปกรณ์ เทียบได้กับเอาท์พุทอิมพีแดนซ์ (Z OUT) อนุกรมกับแหล่งจ่ายแรงดัน (V SOURCE) ซึ่งเรา เรียกว่า วงจรสมมูล (Equivalent Circuit) และมันแสดงแทน ผลรวมทั้งหมดของแหล่งกำเนิดแรงดัน ความต้านทาน ความจุ และความเหนี่ยวนำ ที่ต่อกับเอาต์พุตภายในวงจรหรืออุปกรณ์ และควรทราบว่า V SOURCE ไม่ใช่แหล่งจ่ายไฟ Vs

โดยปกติเราจะใช้คำว่า ‘เอาต์พุตอิมพีแดนซ์’ เป็นกรณีทั่วไป แม้ว่าจะมีแต่ความต้านทานในวงจร และก็สามารถใช้คำว่า ‘ความต้านทานเอาต์พุต’ แทนได้ ซึ่งความจริงก็สมเหตุสมผลที่จะเข้าใจว่า เอาต์พุตอิมพีแดนซ์ก็เป็นเพียงความต้านทานที่สัญญาณเอาต์พุตมีความถี่ต่ำ (ต่ำกว่า1kHz)

การที่ความถี่มีผลต่อความจุและความเหนี่ยวนำ จึงทำให้เอาต์พุตอิมพีแดนซ์มีค่าเปลี่ยนแปลงไปตามความถี่ โดยทั่วไป ผลต่อความจุและความเหนี่ยวนำจะมีความสำคัญที่สุด ณ ความถี่สูงๆ

ปกติ “เอาต์พุตอิมพีแดนซ์จะต้องมีค่าต่ำ” คือ น้อยกว่าอิมพีแดนซ์ของโหลดที่ต่อกับเอาต์พุตเป็นสิบเท่า หากเอาต์พุตอิมพีแดนซ์ค่อนข้างสูงมันจะไม่สามารถป้อนสัญญาณที่แรงเพียงพอให้โหลด เพราะแรงดันของสัญญาณจะสูญเสียมากภายในวงจรขับกระแสผ่านเอาท์พุทอิมพีแดนซ์ (Z OUT) ตัวโหลดสามารถเป็นอุปกรณ์เดี่ยว หรือ อินพุตอิมพีแดนซ์
ของวงจรอื่นก็ได้ 

ลักษณะของเอาต์พุตอิมพีแดนซ์และโหลดสามารถเกิดขึ้นได้ 3 กรณี คือ

•  เอาต์พุตอิมพีแดนซ์ต่ำกว่า Z OUT << Z LOAD
 V SOURCE ส่วนใหญ่จะปรากฎคร่อมโหลด  จะมีการสูญเสียแรงดันขับกระแสผ่านเอาต์พุตอิมพีแดนซ์น้อยมาก-ปกติวิธีนี้เป็นวิธีที่ดีที่สุด

•  อิมพีแดนซ์เข้าคู่กัน Z OUT = Z LOAD
ครึ่งหนึ่งของ V SOURCE ปรากฎตกคร่อมโหลด และอีกครึ่งหนึ่งสูญเสียในการขับกระแสผ่านเอาต์พุตอิมพีแดนซ์ วิธีนี้มีประโยชน์ในบางสถานการณ์ (อย่างเช่น เครื่องขยายเสียงขับลำโพง) เพราะมันสามารถส่งกำลังงานสูงสุด ไปยังโหลด แต่พึงระลึกว่า กำลังงานอีกครึ่งหนึ่งต้องสูญเสียไปกับการขับกระแสผ่าน Z OUT ทำให้มีประสิทธิภาพ เพียง 50%

• เอาต์พุตอิมพีแดนซ์สูงกว่า Z OUT >> Z LOAD
มีเพียงส่วนน้อยที่ปรากฎตกคร่อมโหลด แทบทั้งหมดจะสูญเสียในการขับกระแสผ่านเอาต์พุตอิมพีแดนซ์-วิธีนี้ไม่เป็นที่น่าพอใจ

____________________