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直流電路和交流電路
一個(gè)緣由是電路課程中常常遇到直流和溝通的概念是分開處理的。實(shí)際上,在同一電子電路中,存在直流重量和溝通重量?jī)煞N狀態(tài)?,F(xiàn)在讓我們更為清晰了解與融合在電路中同時(shí)存在的兩種狀態(tài)。
圖7-9 是包括直流和溝通重量的電路的例子。電池組,即直流電源,與溝通源串聯(lián)在電路中。通過(guò)電阻的波形可以看出有直流重量和溝通重量存在。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重量,并且它的值與電池組的電壓值相等。沒有電池組,這個(gè)波形的平均值將會(huì)是0 V。
圖
2、7-10 表示的是一個(gè)既有直流源又有溝通源的RC (電阻- 電容)電路。這個(gè)電路同許多線性電子電路具有相像之處,這些線性電子電路一般由直流電源供電,如電池組,它們常常處理的又是溝通信號(hào)。這樣,在線性電子電路中的波形常常表示為直流重量和溝通重量的合成。
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把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)沒有任何溝通重量,由于在圖7-10 中的節(jié)點(diǎn)A是同電池組的正端相連接,得到的波
3、形就是直流波形。
圖7-11 節(jié)點(diǎn)B 處的波形為純溝通(無(wú)直流重量)。在圖7-10 中節(jié)點(diǎn)B 是表示溝通源的輸出端,因此,可以估計(jì)到該點(diǎn)是正弦波形。
圖7-11 中的其它波形需要深化思索。從節(jié)點(diǎn)C 開頭,我們看到振幅約為溝通源振幅一半的純溝通波形。振幅損失是由R3 的壓降引起的,稍后再作爭(zhēng)論。節(jié)點(diǎn)D 表示有5V 的直流重量的溝通波形圖,該直流重量是圖7-10 的R1 和R2 產(chǎn)生的,它們對(duì)10V 直流電源分壓。最終,節(jié)點(diǎn)E 在圖7-11 中表示為純溝通波形,直流部分通過(guò)圖7-10 中的電容C2 隔除。直流重量部分在節(jié)點(diǎn)D 消失,在節(jié)點(diǎn)E 處消逝,這是由于電容的隔直作用或消退信號(hào)
4、中的直流重量的作用。
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)于開路,所以在E 點(diǎn)沒有直流成分。
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,由于圖7-10 中電阻是特別大的。
這里,我們可以總結(jié)出兩點(diǎn):1 )對(duì)于直流,電容為開路;2 )當(dāng)信號(hào)頻率相當(dāng)高時(shí),對(duì)于溝通信號(hào),電容為短路。這兩個(gè)結(jié)論在電子放大器
5、電路分析中廣泛應(yīng)用,必需牢記。
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,并推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,其它電阻和溝通電源
6、到哪兒去了呢?由于電容的隔離,它們對(duì)于直流為開路,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 。溝通等效電路比較簡(jiǎn)單,電阻R1 和R2 及R4 的節(jié)點(diǎn)是并聯(lián)的,由于R2 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,在溝通等效電路中把R2 與R4 改成并聯(lián),電阻R1 也是并聯(lián)的。由于直流電源內(nèi)阻被看成0 Ω,在溝通等效電路中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,
7、在節(jié)點(diǎn)C 和D 及E 的溝通電壓將是溝通電源值的一半即5VP-P 。
當(dāng)直流和溝通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 的溝通電壓。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,就可以準(zhǔn)確地解釋圖7-11 所示的波形。
在電子電路中常用一種特別重要的概念,叫旁路。如圖7-13 所示,留意到C 2 的右端接地,就溝通信號(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,由于溝通信號(hào)被短路了。旁路使用在必需消退溝通信號(hào)的電路節(jié)點(diǎn)上。
電容有許多的使用方法。圖7-10 中的電容C 2 常常叫耦合電容。這個(gè)名字很好地表現(xiàn)
8、了它的特性,由于它能耦合從節(jié)點(diǎn)D 到節(jié)點(diǎn)E 的溝通信號(hào)。但是,當(dāng)它耦合溝通信號(hào)時(shí),它隔開直流部分,因此也稱作隔直電容。
圖7-14 表示這類概念的敏捷運(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)增加此微弱信號(hào)。最好將放大器與天線放在一塊,但是天線常常放置在屋頂。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)可從電纜分別。一根同軸電纜能夠供應(yīng)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(RFCV
9、s )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)扼流圈的感抗阻擋放大器溝通輸出信號(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 開頭,計(jì)算對(duì)電視信號(hào)的最小感抗
10、。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。
圖7-14 的電容C2 和C3 是耦合電容,它們把溝通信號(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)增加電視信號(hào)。在圖7-14 中的電阻RL 為溝通信號(hào)負(fù)載,用它代表電視接收機(jī)。
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