直流電路和交流電路

發(fā)布時(shí)間:2024-02-28
一個(gè)原因是電路課程中經(jīng)常遇到直流和交流的概念是分開(kāi)處理的。實(shí)際上,在同一電子電路中,存在直流分量和交流分量?jī)煞N狀態(tài)?,F(xiàn)在讓我們更為清楚了解與融合在電路中同時(shí)存在的兩種狀態(tài)。
圖7-9 是包括直流和交流分量的電路的例子。電池組,即直流電源,與交流源串聯(lián)在電路中。通過(guò)電阻的波形可以看出有直流分量和交流分量存在。在圖7-9 中上圖的波形是正弦波加正的平均值;圖7-9 的下圖波形是正弦波加負(fù)的平均值。兩個(gè)波形中的平均值叫做波形的直流分量,并且它的值與電池組的電壓值相等。沒(méi)有電池組,這個(gè)波形的平均值將會(huì)是0 v。
圖7-10 表示的是一個(gè)既有直流源又有交流源的rc (電阻- 電容)電路。這個(gè)電路同很多線性電子電路具有相似之處,這些線性電子電路一般由直流電源供電,如電池組,它們經(jīng)常處理的又是交流信號(hào)。這樣,在線性電子電路中的波形經(jīng)常表示為直流分量和交流分量的合成。
圖7-11 表示的是不同節(jié)點(diǎn)處的波形,這些波形發(fā)生于圖7-10 中不同節(jié)的點(diǎn)處。節(jié)點(diǎn)是兩個(gè)和兩個(gè)以上電路元件(如電阻、電容等)的連接點(diǎn)。這兩個(gè)圖有助于理解我們需要掌握的線性電子電路的一些重要特性。
在節(jié)點(diǎn)a 處的波形,如圖7-11 ,表示的是純直流,該點(diǎn)沒(méi)有任何交流分量,因?yàn)樵趫D7-10 中的節(jié)點(diǎn)a是同電池組的正端相連接,得到的波形就是直流波形。
圖7-11 節(jié)點(diǎn)b 處的波形為純交流(無(wú)直流分量)。在圖7-10 中節(jié)點(diǎn)b 是表示交流源的輸出端,因此,可以預(yù)計(jì)到該點(diǎn)是正弦波形。
圖7-11 中的其它波形需要深入思考。從節(jié)點(diǎn)c 開(kāi)始,我們看到振幅約為交流源振幅一半的純交流波形。振幅損失是由r3 的壓降引起的,稍后再作討論。節(jié)點(diǎn)d 表示有5v 的直流分量的交流波形圖,該直流分量是圖7-10 的r1 和r2 產(chǎn)生的,它們對(duì)10v 直流電源分壓。最后,節(jié)點(diǎn)e 在圖7-11 中表示為純交流波形,直流部分通過(guò)圖7-10 中的電容c2 隔除。直流分量部分在節(jié)點(diǎn)d 出現(xiàn),在節(jié)點(diǎn)e 處消失,這是因?yàn)殡娙莸母糁弊饔没蛳盘?hào)中的直流分量的作用。
你可以回憶一下:電容阻抗公式是:
xc =
當(dāng)頻率f 接近直流(0hz )時(shí),即對(duì)直流電源,電容的阻抗為無(wú)窮大,相當(dāng)于開(kāi)路,所以在e 點(diǎn)沒(méi)有直流成分。
例7-2
計(jì)算頻率為10khz 時(shí)圖7-10 中的電容阻抗并比較它和電阻阻抗的大小。
xc= = =15.9 ω
阻抗為15.9 ω是較低的。實(shí)際上,我們可以認(rèn)為在10khz 時(shí)電容短路,因?yàn)閳D7-10 中電阻是非常大的。
這里,我們可以總結(jié)出兩點(diǎn):1 )對(duì)于直流,電容為開(kāi)路;2 )當(dāng)信號(hào)頻率相當(dāng)高時(shí),對(duì)于交流信號(hào),電容為短路。這兩個(gè)結(jié)論在電子放大器電路分析中廣泛應(yīng)用,必須牢記。
在其它頻率會(huì)怎樣呢?在高頻時(shí),電容阻抗很低,因此,電容被看成短路;在低頻時(shí),電容表現(xiàn)出大阻抗特性,短路的觀點(diǎn)不再正確。只要阻抗小于有效電阻的1/10 ,短路觀點(diǎn)通常是成立的。
例7-3
計(jì)算頻率為100hz 時(shí)圖7-10 中的電容阻抗,并判斷在此頻率條件下短路觀點(diǎn)是否正確?
xc= = =1.59k ω
由于阻抗為1.59k ω在1000 ω的范圍,故在該頻率時(shí),電容不能看成短路。
圖7-12 是圖7-10 的等效電路圖,直流等效電路表示為由電源,r1 和r2 組成部分。那么,其它電阻和交流電源到哪兒去了呢?由于電容的隔離,它們對(duì)于直流為開(kāi)路,而r1 和r2 值相等,在節(jié)點(diǎn)d 的直流電壓為電源的一半,即5v 。交流等效電路比較復(fù)雜,電阻r1 和r2 及r4 的節(jié)點(diǎn)是并聯(lián)的,因?yàn)閞2 和r4 是通過(guò)圖7-10 的c2 連接,例二已說(shuō)明,對(duì)于10khz 的信號(hào),電容c2 可以看成短路,所以,在交流等效電路中把r2 與r4 改成并聯(lián),電阻r1 也是并聯(lián)的。因?yàn)橹绷麟娫磧?nèi)阻被看成0 ω,在交流等效電路中r1 接在電源端被看成接地,而另一端接在節(jié)點(diǎn)d 。這樣在d 點(diǎn),3 個(gè)10k ω并聯(lián)電阻的等效電阻值是3.33k ω,幾乎等于r3 的值。電阻r3 和3.33k ω的等效電阻形成分壓器,因此,在節(jié)點(diǎn)c 和d 及e 的交流電壓將是交流電源值的一半即5vp-p 。
當(dāng)直流和交流的等效電路合在一起時(shí),結(jié)果節(jié)點(diǎn)d 有5v 的直流電壓和5vp-p 的交流電壓。節(jié)點(diǎn)d 的波形已示于圖7-11 。用我們已經(jīng)學(xué)過(guò)的迭加定理,就可以確切地解釋圖7-11 所示的波形。
在電子電路中常用一種非常重要的概念,叫旁路。如圖7-13 所示,注意到c 2 的右端接地,就交流信號(hào)而言,有效地短路節(jié)點(diǎn)d 。波形顯示,節(jié)點(diǎn)d 只有5v 的直流電壓,因?yàn)榻涣餍盘?hào)被短路了。旁路使用在必須消除交流信號(hào)的電路節(jié)點(diǎn)上。
電容有很多的使用方法。圖7-10 中的電容c 2 經(jīng)常叫耦合電容。這個(gè)名字很好地表現(xiàn)了它的特性,因?yàn)樗荞詈蠌墓?jié)點(diǎn)d 到節(jié)點(diǎn)e 的交流信號(hào)。但是,當(dāng)它耦合交流信號(hào)時(shí),它隔開(kāi)直流部分,因此也稱(chēng)作隔直電容。
圖7-14 表示這類(lèi)概念的靈活運(yùn)用。設(shè)想有一個(gè)從電視臺(tái)發(fā)出的微弱信號(hào),放大器可以用來(lái)增強(qiáng)此微弱信號(hào)。最好將放大器與天線放在一塊,但是天線經(jīng)常放置在屋頂。放大器需要電源,這樣,用的方法之一是用一根電線通到屋頂,而電視信號(hào)可從電纜分離。一根同軸電纜能夠提供兩種服務(wù)(直流電源和信號(hào)傳輸)。
圖7-14 中電池給位于同軸電纜另一端的放大器供電,同軸電纜的外層導(dǎo)體作為電池和遠(yuǎn)程放大器的公共地。同軸電纜的內(nèi)芯作為電池和遠(yuǎn)程放大器的正極連接線。射頻扼流圈(rfcvs )用來(lái)隔離信號(hào)和電源電路,射頻扼流圈是用銅絲繞成的電感,在高頻有較高電抗。
你可以回憶一下:電感阻抗隨著頻率的增大而增大:
xl=2 πfl
線圈的阻抗和頻率成正比,當(dāng)一個(gè)增大,另一個(gè)也增大。
在直流(f=0hz )時(shí)的感應(yīng)阻抗為零,直流電源通過(guò)扼流圈無(wú)損失;當(dāng)頻率增大時(shí),感抗也增大,右邊的扼流圈的感抗防止電源將高頻信號(hào)短路到地(如圖7-14 中所示)。另一個(gè)扼流圈的感抗阻止放大器交流輸出信號(hào)回到放大器電源端。
例7-4
假設(shè)圖7-14 中的射頻扼流圈電感量為10 μh ,電視信號(hào)下限頻率從54mhz 開(kāi)始,計(jì)算對(duì)電視信號(hào)的最小感抗。把最小扼流圈感抗與同軸電纜阻抗比較,已知同軸電纜阻抗為75 ω。
xl=2 πfl =6.28 ×54 ×106 ×10 ×10-6=3.39 k ω
扼流圈阻抗幾乎為同軸電纜阻抗的50 倍,這表示扼流圈有效地把電纜上的信號(hào)與放大器的電源電路和電池隔離開(kāi)。
圖7-14 的電容c2 和c3 是耦合電容,它們把交流信號(hào)送入和輸出同軸電纜,這些電容在信號(hào)頻率下是短路,對(duì)電源的直流信號(hào)則形成隔離,電容c1 為旁路電容,它保證放大器通過(guò)純直流電壓驅(qū)動(dòng)其工作來(lái)增強(qiáng)電視信號(hào)。在圖7-14 中的電阻rl 為交流信號(hào)負(fù)載,用它代表電視接收機(jī)。
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