阻性容性感性交流RLC負載的三種電路

交流負載中出現(xiàn)三種基本電路——電阻性、電感性和電容性(以及三者的各種組合)。聽起來，電阻負載純粹由電阻組成。電阻只是對電流(電子)通過的阻力的測量。電阻與材料的內(nèi)電阻率及其長度成正比，與其橫截面積成反比。電阻電路的例子包括熱水器、熨斗、電爐甚至白熾燈——幾乎任何旨在產(chǎn)生熱量的東西。

另一方面，感性負載會產(chǎn)生與初級電流在電路中流動相反的感生電流。這種對電流變化的反對不同于電阻，稱為電抗。感應(yīng)電路的例子包括電動機、發(fā)電機、螺線管和變壓器。

容性負載的作用與感性負載完全相反，會阻礙電壓的流動。示例包括真正的電容器(冷凝器)、壓電器件和金屬氧化物半導體。這三種負載對交流電路中的電壓和電流的流動有非常不同的影響。

電阻電路

在電阻負載的情況下，交流電失去了它的大部分神秘感，表現(xiàn)得更像直流電。雖然沒有純電阻交流電路這樣的東西，但許多電路足夠接近，它們將遵循歐姆定律(I = E/R，其中 I 是以安培為單位的電流，E 是電壓，R 是以歐姆為單位的電阻)。圖 1 顯示了一個由 120VA 供電的具有 60 歐姆電阻的簡單電路。

圖1

使用歐姆定律，我們可以計算出電路中的電流為 2 安培。電路消耗的功率(作為熱量)只是伏特乘以安培或 240 瓦特的乘積。如果我們不知道電路中的電壓，我們可以通過測量電流來計算它。如果 I 為 2 安培，則 E = IR 或 120 V。這些計算如此簡單的原因可以通過圖 2 中電壓、電流和功率曲線的關(guān)系來解釋。

圖2

圖 2 顯示了簡單電阻電路(例如圖 1 所示的電路)中電壓(藍色)、電流(紅色)和功率(綠色)的流動。在純電阻電路中，電壓和電流同步上升和下降時尚。發(fā)生這種情況的原因是，無論電壓是直流電壓還是交流電壓，電阻都會不斷地阻止電路中的電流流動。由于這種持續(xù)的對立，電流與電壓同相流動。在 x 軸上方的每個點，電壓和電流都是正的，在 x 軸下方的每個點，都是負的。綠色曲線代表電路中作為熱量耗散的功率(以瓦為單位)，它是 x 軸上任意點的電壓和電流的乘積。

請注意，除了電壓和電流通過零的那些點外，功率曲線始終為正。即使電流和電壓都是負的，功率仍然是正的，因為兩個負量的乘積會產(chǎn)生一個正量。因此，除了波通過零的那些點之外，所有點都消耗功率。盡管波形仍然有點復(fù)雜，但它們的同步關(guān)系使電阻電路相對容易理解。

電感電路

感性負載非常不同。稱為電感的新維度和稱為電抗的新量使這種類型的電路以不同于簡單電阻負載的方式運行。這種不同的行為是由于交流正弦波的正負波動造成的。

圖 3 是一個簡單的電感電路示例，該電路由連接到電感器的交流電源組成。在這個例子中，電感器是一個由幾個回路組成的線圈。當交流電流過線圈時，會在線圈內(nèi)部和周圍產(chǎn)生磁場，磁場與流過電路的初級電流成正比增加和減少。這種變化的磁場會在線圈中感應(yīng)出次級電壓，從而產(chǎn)生與初級電流相反的次級電流。這個過程被稱為自感應(yīng)或自感。在直流電路中，只有當電壓打開或關(guān)閉時才會出現(xiàn)這種相反的情況。直流感應(yīng)電路一旦通電，電流就會穩(wěn)定地單向流動，不會產(chǎn)生二次電流。

圖 3

圖 4更清楚地說明了這是如何發(fā)生的。在這個例子中，初級電流(紅色)顯示為順時針流過線圈中的回路。它的流動在第一個回路中產(chǎn)生磁場(藍色)。磁場在第二個回路中感應(yīng)出一個逆時針流動的次級電流(綠色)。次級電流的逆時針流動(通常稱為反電動勢)與電流的正常流動相反，并導致電流滯后于電路中的電壓。這種對初級電流變化的反對稱為電抗。

圖 4

圖 5 顯示了純電感電路中電壓(藍色)、電流(紅色)和功率(綠色)的流動。感應(yīng)次級電流的反向流動會阻礙初級電流的流動，并使其滯后電壓 90 度或四分之一周期。功率曲線顯示了電抗的整體效果。請注意，它在每隔一個季度周期為正，在其間的季度周期為負。曲線正負部分的 RMS 值也相等。

圖5

在正四分之一周期內(nèi)，電路以磁場的形式儲存能量，而在負周期內(nèi)，磁場消散并將能量返回給電源。因此，純電感電路不消耗能量。次級電流或反電動勢阻礙初級電流流動的程度稱為感抗 ( XL )，與電阻一樣，它的單位是歐姆。很快，我們將展示如何使用感抗來幫助重新定義用于交流電路的歐姆定律。

電容電路

我們將通過對純電容電路的快速討論來結(jié)束這一部分。電容器是一種可以儲存電荷的裝置，儲存的能量等于對其充電所做的功。它由被稱為電介質(zhì)的絕緣片隔開的兩塊板組成。當連接到直流電壓時，一個板獲得負電荷，而另一個獲得正電荷，但是一旦電容器充滿電，就沒有電流流過它。如果同一個電容器連接到交流電壓，交流電將持續(xù)流動。

圖 6 是一個簡單的純電容交流電路。電荷不能在兩個板之間流動，因為它們彼此絕緣，因此電路中存在持續(xù)的交流電流似乎有點不尋常。施加交流電時電流在電容電路中流動的原因是，每次交流正弦波反轉(zhuǎn)方向時，這些帶電板都會改變極性。這導致電荷流入和流出兩個極板。因此，電容器的兩個極板不斷地充電和放電，電流不斷地流動。

圖 6

圖 7 顯示了純電容電路中電壓和電流的流動。流動關(guān)系與電感電路完全相反，電流被視為超前電壓 90 度。雖然沒有顯示功率，但它看起來像電感示例中的功率曲線，并且電路不消耗功率。充電阻礙電壓的程度稱為容抗 (X C )，它以歐姆為單位測量，如電阻和感抗。

圖 7

RLC 電路和阻抗

雖然有些電路由單一負載類型組成，但大多數(shù)是組合，稱為 RLC 電路。由于感性和容性負載的影響，歐姆定律 (E = IR) 不適用。相反，電阻 (R) 被阻抗 (Z) 取代，阻抗同時考慮了感抗和容抗。該方程采用 E = IZ 的形式，Z 等于 √R 2 +(X L -X C ) 2(其中 R 是電阻，X L是感抗，X C是容抗)。平方根符號包含整個方程。如您所見，從 X L 中減去X C因為它的電壓滯后效應(yīng)補償了 X L的電流滯后效應(yīng)。如果兩者相等，它們就會相互抵消，電路就是純電阻的。在 X C大于 X L 的電路中，負和被平方并產(chǎn)生一個與 R 平方相加的正數(shù)。該和的平方根為我們提供了電路的實際阻抗。