[103电容器有正负]如何理解电容器、电感器产生的相位差

作者:初夏      发布时间:2021-04-23      浏览量:0
对于正弦信号,通过一个部件的电流和两端的

对于正弦信号,通过一个部件的电流和两端的电压,相位不一定相同。这种相位差是怎么产生的呢?这种知识非常重要,因为不仅要考虑功放、自激振荡器的反馈信号,还要在构造电路时充分理解、利用或避免这种相位差。让我们讨论一下这个问题。

首先,要了解部分部件是如何构建的,其次要了解电路部件的基本工作原理,第三,要了解相位差产生的原因,第四,利用部件的相位差特性构建基本电路。

一、电阻、电感、电容器的诞生过程

科学家经过长期观察、试验,明确了一些道理,伦琴发现x射线、居里夫人发现激光辐射现象等,偶然发现成为伟大的科学成果。电子学领域也是如此。

科学家在电流通过导线时,偶然发现导线发热、电磁感应现象,发明了电阻、电感。科学家也从摩擦起电的现象中得到了灵感,发明了电容器。发现整流现象做二极管也是偶然的。

二、部件的基本工作原理

电阻-电能→热能

电感-电能→磁场电能,&磁场电能→电能

电能→电能,&电能→电流

电阻、电感、电容是能源转换的部件。电阻、电感实现各种能源之间的转换,电容器实现电势能源和电场能源的转换。

1、电阻

电阻的原理是电势→电流→热能。

电源正负两端储存着电势能量(正负荷电荷),电势加入电阻两端时,电荷在电势差的作用下流动-形成电流,其流动速度远远快于没有电势差时的乱序自由运动,电阻和导体内碰撞产生的热量也多。

正电荷由电势高端进入电阻,负电荷由电势低端进入电阻,二者在电阻内部进行中和作用。中和作用使正电荷的数量在电阻内部表现出从高电力端到低电力端的梯度分布,负电荷的数量在电阻内部表现出从低电力端到高电力端的梯度分布,在电阻两端产生了电力差,这就是电阻的电压下降。在同一电流下,阻力对中和作用的阻力越大,其两端的电压降也越大。因此,用R=V/I测量线性电阻(电压降与通过的电流成正比)的电阻大小。

交流信号为R=v(t)/i(t)。

注意,也有非线性阻力的概念,其非线性有电压影响型、电流影响型等。

2、电感

电感原理:电感-电势→电流→磁场、&磁场→电势(负荷时→电流)。

电源的电势加在电感线圈的两端时,电荷在电势差的作用下流动-形成电流,电流变成磁场,被称为充磁过程。如果充磁电感线圈两端的电源电差被取消,电感线圈外部有负荷,磁场可以在衰减过程中转换为电能(如果负荷为电容器,则为电场能源;如果负荷为电阻,则为电流),则称为去磁过程。

测量电感线圈磁性的单位是磁链-σ。电流越大,电感线圈被冲压的磁链越多,即磁链与电流成正比,即⑥=L*I。指定的电感线圈,l是常量。

因此,L=σ/I表现电感线圈的电磁转换能力,称为电感量。电感量的微分表现式为L=dé(t)/di(t)。

根据电磁感应原理,磁链的变化产生感应电压,磁链的变化越大感应电压越高,即v(t)=d(t)/dt。

综合上述两种公式,v(t)=L*di(t)/dt,即感应电压与电流变化率(时间导数)成正比,电流变化越快感应电压越高。

3、电容

电容原理:电势→电流→电场、电场→电流。

电源电势加在电容器的两个金属极板上时,正负荷电荷在电势差的作用下分别聚集在电容器的两个极板上形成电场,被称为充电过程。如果充电容量两端的电源电差被取消,容量外部有负荷,容量两端的电荷在其电差下流出,称为放电过程。电荷在向电容器收集和从电容器两个极板向外流动的过程中,电荷的流动形成了电流。

请特别注意,电容器上的电流不是电容器两个极板之间的绝缘介质,而是充电中电容器从外部向电容器两个极板聚集而成的流动,而是放电中电容器两个极板从外部流动而成的流动。换句话说,电容器的电流实际上是外部电流,而不是内部电流,这与电阻和电感不同。

测量电容器充电量的单位是电荷数-Q。电容器极板之间的电差越大,电容器极板走的电荷越多,即电荷数与电差(电压)成正比,即Q=C*V。对于指定电容器,c是常量。

因此,用C=Q/V表达电容极板储存电荷的能力,称为电容。

电容的微分表达式为C=dQ(t)/dv(t)。

电流等于单位时间内电荷数的变化量,即i(t)=dQ(t)/dt,综合上述两种公式,i(t)=C*dv(t)/dt,即电容电流与上电压的变化率(时间导数)成正比,电压变化越快电流就越大。

总结:v(t)=L*di(t)/dt

表示电流变化形成电感的感应电压(电流不变则无感应电压)。

i(t)=C*dv(t)/dt表示电压变化形成电容器的外部电流(实际上是电荷变化。如果电压不变,则无电容器外部电流)。

三、部件对信号相位的变化

首先要注意相位的概念对正弦信号来说,直流信号、非周期变化信号等没有相位的概念。

1、阻力上的电压电流与相位

阻力上的电压v(t=R*i(t,i(t=sin(ωt)),v(t)=R*sin(ωt))。因此,电阻上的电压与电流相同。

2、电感电流落后电压90°相位

电感电压v(t)=L*di(t)/dt,如果i(t)=sin(ωt)=L*cos(ωt)。因此,电感电流落后感应电压90°相位,或感应电压先进电流90°相位。

直观理解:设想电感和电阻串联充磁。从充磁过程来看,充磁电流的变化引起了磁链的变化,磁链的变化产生了感应电动势和感应电流。根据楞次定律,感应电流的方向与充磁电流相反,延缓充磁电流的变化,使充磁电流的相位落后于感应电压。

3、电容器上的电流超前电压90°相位

电容器上的电流i(t)=C*dv(t)/dt,vt)=sinωt)=L*cos(ωt)。

因此,电容器上的电流超前电压为90°相位,或者电压落后电流为90°相位。

直观理解:设想电容器和电阻串联充电。从充电过程来看,只有积累流动电荷(即电流),电容器的电压才会发生变化。也就是说,电流总是超过电压,或者电压总是落后于电流。

下一个积分方程可以表现这种直观性:

v(t)=(1/C)*I(t)*dt=(1/C)*DQ(t),即电荷变化的积累形成电压,因此dQ(t)相位先进v(t)电荷积累的过程是电流同步变化的过程,即i(t)与dQ(t)相同。因此,i(t)相位超过v(t)。

四、元器件相位差的应用

-RC文氏桥、LC谐振过程的理解

无论是RC文氏桥还是LC的串联谐振、并联谐振,都是由电容器或/和电容器元器件的电压、电流相位差引起的,如机械共振的节拍。

当两个频率相同、相位正弦波叠加时,叠加波的幅度达到最大值,这就是共振现象,在电路上称为共振。

两个频率相同,相位相反的正弦波重叠,重叠波的幅度最低,甚至为零。这就是降噪设备等减少或吸收振动的原理。

在一个系统中混合多个频率信号时,如果两个同频率信号发生共振,则该系统中其他振动频率的能量被这两个同频率、同频率信号吸收,对其他频率发挥过滤作用。这就是电路中谐振过滤的原理。

共振需要同时满足频率相同和相位相同的两个条件。电路如何通过幅度-频率特性选择频率的方法以前在RC文氏桥上说过,LC串联的想法和RC一样,在此不再说明。

接下来,让我们来看看电路谐振中相位补偿的粗略估计(更正确的相位偏移必须计算)。

1、RC文氏桥的共振(图1)

如果没有C2,正弦信号Uo的电流是C1→R1→R2,通过R2的上压下降形成UF输出电压。由于支路电流被电容器C1移动,前Uo90°,前相位的电流通过R2(电阻不移动)。)输出电压UF电压超过Uo90°。

在R2中并联C2,C2从R2中获得电压,由于电容器对电压的滞后作用,R2中的电压也被强制滞后。(但是,不一定有90°。C1→R1→C2电流对C2的电压即Uf的影响,但是在RC的特征频率上,并联C2后的Uf输出相位与Uo相同。)的双曲馀弦值。的双曲馀弦值。的双曲馀弦值。

总结:并联电容器延迟电压信号相位,称为电压相位的并联补偿。

2、LC并联谐振(图2)

如果没有电容器c,正弦信号u通过l感应次级输出Uf,Uf电压在USB超过90°的l初级并联电容器c中,由于电容器对电压的滞后,L电压也被强制滞后90°。因此,并联C后Uf输出相位与U一样。

3、LC串联共振(图3)

输入正弦信号u,容量c在串联回路中负载r的电流相位超过u下90°,电感l在同一串联回路中的电流相位再次延迟90°所以输出Uf和输入U一样。

总结:

串联电容器提高串联支路电流相位,影响输出电压相位。

并联电容器延迟并联支路电压相位,影响输出电压相位。

串联电感使串联支路电流相位滞后,影响输出电压相位。

并联电感提高并联支路支路电压,影响输出电压相位。

更简洁的记忆:

电容器提高电流相位,电感器提高电压相位。(指部件的电流和电压)。

电容器-电流先进,电感器-电压先进。

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