直流電路及波形講解

電路理論中使用最多的交流波形是正弦波或正弦波。 電壓源形式的周期性 AC 波形產(chǎn)生 EMF，其極性定期反轉，完成一次完全反轉所需的時間稱為波形周期。

直流電或更常見的DC是一種電流或電壓形式，僅在一個方向上圍繞電路流動，使其成為“單向”電源。

通常，直流電流和電壓均由電源、電池、發(fā)電機和太陽能電池等產(chǎn)生。 直流電壓或電流具有固定的幅度（振幅）和與之相關的確定方向。 例如+12V代表正向12伏，-5V代表負向5伏。

我們還知道，直流電源不會隨時間改變其值，它們是在連續(xù)穩(wěn)態(tài)方向上流動的恒定值。 換句話說，DC 始終保持相同的值，并且恒定的單向 DC 電源永遠不會改變或變?yōu)樨撝?，除非其連接在物理上被反轉。 下面顯示了一個簡單的 DC 或直流電路的示例。

直流電路及波形

另一方面，交替函數(shù)或AC 波形被定義為在幅度和方向上以相對于時間或多或少均勻的方式變化的波形，使其成為“雙向”波形。 交流函數(shù)可以表示電源或信號源，其交流波形的形狀通常遵循數(shù)學正弦波的形狀，定義為：A(t) = A max *sin(2π?t)。

術語 AC 或?qū)ζ浣涣麟姷耐暾枋觯ǔＪ侵鸽S時間變化的波形，其中最常見的被稱為正弦波，更廣為人知的是。 正弦波形通常被簡稱為。 正弦波是迄今為止電氣工程中使用的最重要的交流波形類型之一。

通過繪制電壓或電流的瞬時縱坐標值隨時間變化而獲得的形狀稱為交流波形。 交流波形每半個周期不斷改變其極性，分別在時間上分別在正最大值和負最大值之間交替，一個常見的例子是我們在家中使用的家用電源電壓。

這意味著交流波形是一種“時間相關信號”，最常見的時間相關信號類型是周期波形。 周期性或交流波形是旋轉發(fā)電機的結果。 通常，任何周期波形的形狀都可以使用基頻生成，并將其與不同頻率和幅度的諧波信號疊加，但那是另一個教程的內(nèi)容。

交流電壓和電流不能像直流電 (DC) 那樣存儲在電池或電池中，在需要時使用交流發(fā)電機或波形發(fā)生器生成這些量更容易和更便宜。 交流波形的類型和形狀取決于產(chǎn)生它們的發(fā)生器或設備，但所有交流波形都包含一條零電壓線，它將波形分成對稱的兩半。 的主要特征定義為：

交流波形特性

周期(T)是波形從開始到結束重復自身所用的時間長度（以秒為單位）。 這也可以稱為正弦波波形的周期時間，或方波的脈沖寬度。

頻率(?)是波形在一秒內(nèi)重復的次數(shù)。 頻率是時間周期的倒數(shù) ( ? = 1/T )，頻率單位是赫茲(Hz)。

振幅(A)是以伏特或安培為單位測量的信號波形的幅值或強度。

在我們關于波形的教程中 ，我們查看了不同類型的波形并說“波形基本上是電壓或電流變化的可視化表示，繪制為時間基準”。 通常，對于 AC 波形，這條水平基線表示電壓或電流為零的情況。 位于水平零軸上方的 AC 型波形的任何部分都表示沿一個方向流動的電壓或電流。

同樣，位于水平零軸下方的波形的任何部分都表示沿與第一個方向相反的方向流動的電壓或電流。 通常對于正弦交流波形，零軸上方的波形形狀與其下方的形狀相同。 然而，對于包括音頻波形在內(nèi)的大多數(shù)非電源交流信號，情況并非總是如此。

電氣和電子工程中使用的最常見的周期信號波形是正弦波形。 然而，交流交流波形可能并不總是采用基于三角正弦或余弦函數(shù)的平滑形狀。 交流波形也可以采用復波、方波或三角波的形狀，如下所示。

周期波形的類型

從其正半部分到負半部分并再次回到其零基線完成一個完整模式所花費的時間稱為一個周期，一個完整的周期包含一個正半周期和一個負半周期。 波形完成一個完整周期所花費的時間稱為波形的周期時間，并用符號“T”表示。

一秒內(nèi)產(chǎn)生的完整周期數(shù)（周期/秒）稱為頻率 ，交變波形的符號?。 頻率的單位是赫茲，( Hz ) 是以德國物理學家海因里希·赫茲的名字命名的。

然后我們可以看到周期（振蕩）、周期時間和頻率（每秒周期數(shù)）之間存在關系，因此如果一秒內(nèi)有?個周期，則每個單獨的周期必須花費1/?秒才能完成。

頻率與周期時間的關系

交流波形示例 No1

50Hz 波形的周期時間是多少？ 2. 周期時間為 10mS 的交流波形的頻率是多少。

1).

2).過去，頻率以縮寫為“cps”的“每秒周期數(shù)”表示，但現(xiàn)在更常用的單位是“赫茲”。 對于家用主電源，頻率為 50Hz 或 60Hz，具體取決于國家/地區(qū)，并由發(fā)電機的轉速決定。 但是一赫茲是一個非常小的單位，因此使用前綴表示波形在較高頻率（例如kHz、MHz甚至GHz ）下的數(shù)量級。

頻率前綴的定義

交流波形的幅度

除了了解交變量的周期時間或頻率外，交流波形的另一個重要參數(shù)是振幅 ，更廣為人知的是它的最大值或峰值，由項表示，V max表示電壓，I max表示電流。

峰值是波形在從零基線開始測量的每個半周期內(nèi)達到的電壓或電流的最大值。 與可以使用歐姆定律測量或計算的具有穩(wěn)定狀態(tài)的直流電壓或電流不同，交流量會隨時間不斷改變其值。

對于純正弦波形，兩個半周期 ( +Vm = -Vm )的峰值始終相同，但對于非正弦波形或復雜波形，每個半周期的最大峰值可能非常不同。 有時，交變波形被賦予一個峰峰值，V p-p值，這只是一個完整周期內(nèi)最大峰值+V max和最小峰值-V max之間的距離或電壓總和。

交流波形的平均值

由于直流電壓恒定，因此連續(xù)直流電壓的平均值或平均值將始終等于其最大峰值。 只有當直流電壓的占空比發(fā)生變化時，該平均值才會發(fā)生變化。 在純正弦波中，如果在整個周期內(nèi)計算平均值，則平均值將等于零，因為正半部分和負半部分將相互抵消。 因此，僅在半個周期內(nèi)計算或測量交流波形的平均值或平均值，如下所示。

非正弦波形的平均值

為了找到波形的平均值，我們需要使用數(shù)學中常見的中坐標規(guī)則、梯形規(guī)則或辛普森規(guī)則來計算波形下方的面積。 只需使用中坐標規(guī)則，就可以輕松找到任何不規(guī)則波形下的大致面積。

零軸基線被分成任意數(shù)量的相等部分，在我們上面的簡單示例中，該值為九（V 1到 V 9 ）。 繪制的縱坐標線越多，最終平均值或平均值就越準確。 平均值將是所有瞬時值相加后除以總數(shù)。 這是給出的。

其中：n等于實際使用的中坐標數(shù)。

對于純正弦波形，此平均值或均值將始終等于0.637*V max，并且此關系也適用于電流的平均值。

交流波形的有效值

我們上面計算的交流波形的平均值為：0.637*V max與我們用于直流電源的值不同。 這是因為與恒定且具有固定值的直流電源不同，交流波形會隨時間不斷變化并且沒有固定值。 因此，為負載提供與直流等效電路相同的電功率的交流系統(tǒng)的等效值稱為“有效值”。

正弦波的有效值在負載中產(chǎn)生相同的 I 2 *R 熱效應，就像我們期望看到的相同負載是否由恒定直流電源供電一樣。 正弦波的有效值通常稱為均方根或簡稱為RMS值，因為它計算為電壓或電流平方的均值（平均值）的平方根。

也就是說，V rms或 I rms是作為正弦波的所有平方中坐標值之和的平均值的平方根給出的。 任何 AC 波形的 RMS 值都可以從以下修改后的平均值公式中找到，如圖所示。

其中：n等于中坐標的數(shù)量。

對于純正弦波形，此有效值或 RMS 值也始終相等：1/ √ 2 V max等于0.707V max，此關系適用于電流的 RMS 值。 除矩形波外，正弦波的 RMS 值始終大于平均值。 在這種情況下，熱效應保持不變，因此平均值和 RMS 值將相同。

關于 RMS 值的最后評論。 除非另有說明，否則大多數(shù)萬用表，無論是數(shù)字式還是模擬式，都只測量電壓和電流的 RMS 值，而不是平均值。 因此，當在直流系統(tǒng)上使用萬用表時，讀數(shù)將等于I = V/R，對于交流系統(tǒng)，讀數(shù)將等于Irms = Vrms/R。

另外，除平均功率計算外，在計算 RMS 或峰值電壓時，僅使用 V RMS來計算 I RMS值，或使用峰值電壓 Vp 來計算峰值電流 Ip 值。 不要將它們混合在一起，因為正弦波的平均值、RMS 或峰值是完全不同的，您的結果肯定是不正確的。

外形和波峰因數(shù)

盡管目前很少使用，但形狀因數(shù)和波峰因數(shù)都可用于提供有關 AC 波形實際形狀的信息。 形狀因數(shù)是平均值與 RMS 值之間的比率，并給出為。

對于純正弦波形，F(xiàn)orm Factor 始終等于1.11。 波峰因數(shù)是 RMS 值與波形峰值之間的比率，給出為。

對于純正弦波形，波峰因數(shù)始終等于1.414。

交流波形示例 No2

6 安培的正弦交流電流流過 40Ω 的電阻。 計算電源的平均電壓和峰值電壓。

RMS 電壓值計算如下：

平均電壓值計算如下：

峰值電壓值計算如下：

平均值、RMS、形狀因數(shù)和波峰因數(shù)的使用和計算也可用于任何類型的周期波形，包括三角波、方波、鋸齒波或任何其他不規(guī)則或復雜的電壓/電流波形。 各種正弦波值之間的轉換有時會令人困惑，因此下表提供了一種將一個正弦波值轉換為另一個正弦波值的簡便方法。

正弦波轉換表

在下一個關于正弦波形的教程中，我們將了解生成正弦交流波形（正弦曲線）的原理及其角速度表示。