【干货分享】交流电路中的无源元件分析

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无源组件是那些只能降低施加在其上的电功率而不能增加其功率的电路设备。电气和电子电路包括将许多不同的组件连接在一起以形成完整的闭合电路。任何电路中使用的三个主要无源元件是:电阻,电容器和电感器。

所有这三个无源元件都有一个共同点,它们限制通过电路的电流,但方式却非常不同。电流可以两种方式中的任何一种流过电路。如果仅沿一个稳定方向流动,则将其分类为直流(DC)。如果电流在两个方向上来回交流,则归为交流(AC)。尽管它们在电路中呈现出阻抗,但交流电路中的无源组件的行为与直流电路中的无源组件非常不同。

无源元件消耗电能,因此不能增加或放大施加到它们的任何电信号的功率,这仅仅是因为它们是无源的,因此其增益始终小于一个。电气和电子电路中使用的无源组件可以如下所示以无数种方式连接,这些电路的操作取决于它们不同电气特性之间的相互作用。

交流电路中的无源元件

交流电路中的无源元件

其中:R为电阻,C为电容,L为电感。

无论电源频率如何,用于直流或交流电路的电阻器始终具有相同的电阻值。这是因为电阻被归类为具有寄生特性的纯电阻,例如无限电容C =∞和零电感L = 0。同样对于电阻电路,电压和电流总是同相的,因此可以通过将电压乘以该瞬间的电流来求出任何瞬间消耗的功率。

另一方面,电容器和电感器具有不同类型的AC电阻,称为电抗(X L和X C)。电抗也阻碍了电流的流动,但是对于一个电感器或电容器,电抗的数量不是固定的,就像电阻器具有固定的电阻值一样。电感器或电容器的电抗值取决于电源电流的频率以及组件本身的直流值。

以下是交流电路中常用的无源组件及其对应的方程式列表,这些方程式可用于查找其值或电路电流。请注意,理论上完美的(纯)电容器或电感器没有任何电阻。但是,在现实世界中,无论大小如何,它们始终会具有一定的电阻值。

纯电阻电路

电阻器 –电阻器调节,阻止或设置通过特定路径的电流,或者由于该电流而在电路中施加电压降低的作用。电阻具有一种阻抗形式,简称为电阻(R),电阻的电阻值以欧姆(Ω)为单位。电阻可以是固定值,也可以是可变值(电位计)。

纯电阻电路

纯电容电路

电容器 –电容器是一种具有能力或“能力”以电荷形式存储能量的组件,例如小电池。电容器的电容值以法拉(F)为单位。在直流电下,电容器具有无限的(开路)阻抗(X C),而在非常高的频率下,电容器具有零阻抗(短路)。

纯电容电路

纯感应电路

电感器 –电感器是导线线圈,通过电流直接在线圈内部或中心磁芯中感应出磁场。电感器的电感值以Henries,H为单位测量。在直流下,电感的阻抗为零(短路),而在高频下,电感的阻抗为无限(开路)(X L)。

纯感应电路

串联交流电路

交流电路中的无源元件可以串联组合连接在一起,以形成RC,RL和LC电路,如图所示。

串联RC电路

串联RC电路

RL系列电路

RL系列电路

串联LC电路

RL系列电路

并联交流电路

如图所示,AC电路中的无源组件也可以并联组合在一起以形成RC,RL和LC电路。

并联RC电路

并联RC电路

并联RL电路

并联RL电路

并联LC电路

并联LC电路

无源RLC电路

交流电路中的所有三个无源组件也可以串联RLC和并联RLC组合连接在一起,如下所示。

串联RLC电路

并联RLC电路

并联RLC电路

上面我们已经看到,由于频率(ƒ)的影响,交流电路中的无源组件的行为与直流电路中的无源组件的行为大不相同 。在纯电阻电路中,电流与电压同相。在纯电容性电路中,电容器中的电流使电压领先90 o,而在纯电感性电路中,电流落后于电压90 o。

与流过交流电路中无源组件的电流的反作用称为:电阻,R为电阻器,电容电抗,X C为电容器,电感电抗,X L为电感器。电阻和电抗的组合称为阻抗。

在串联电路中,横跨电路的元件的电压的相量之和等于电源电压,V s。在一个并联电路中,在每个分支,并且因此通过每个电路元件中流动的电流的相量之和等于电源电流,I s。

对于这两个并联和串联连接的RLC电路,当所述供电电流是“同相”与电源电压的电路谐振产生如X L = X Ç。串联谐振电路称为接收器电路。并联谐振电路被称为抑制电路。

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