直流电路与交流电路的区别和特点
一个原因是电路课程中经常遇到直流和交流的概念是分开处理的。实际上,在同一电子电路中,存在直流分量和交流分量两种状态。现在让我们更为清楚了解与融合在电路中同时存在的两种状态。
图7-9 是包括直流和交流分量的电路的例子。电池组,即直流电源,与交流源串联在电路中。通过电阻的波形可以看出有直流分量和交流分量存在。在图7-9 中上图的波形是正弦波加正的平均值;图7-9 的下图波形是正弦波加负的平均值。两个波形中的平均值叫做波形的直流分量,并且它的值与电池组的电压值相等。没有电池组,这个波形的平均值将会是0 V。
图7-10 表示的是一个既有直流源又有交流源的RC (电阻- 电容)电路。这个电路同很多线性电子电路具有相似之处,这些线性电子电路一般由直流电源供电,如电池组,它们经常处理的又是交流信号。这样,在线性电子电路中的波形经常表示为直流分量和交流分量的合成。
图7-11 表示的是不同节点处的波形,这些波形发生于图7-10 中不同节的点处。节点是两个和两个以上电路元件(如电阻、电容等)的连接点。这两个图有助于理解我们需要掌握的线性电子电路的一些重要特性。
在节点A 处的波形,如图7-11 ,表示的是纯直流,该点没有任何交流分量,因为在图7-10 中的节点A是同电池组的正端相连接,得到的波形就是直流波形。
图7-11 节点B 处的波形为纯交流(无直流分量)。在图7-10 中节点B 是表示交流源的输出端,因此,可以预计到该点是正弦波形。
图7-11 中的其它波形需要深入思考。从节点C 开始,我们看到振幅约为交流源振幅一半的纯交流波形。振幅损失是由R3 的压降引起的,稍后再作讨论。节点D 表示有5V 的直流分量的交流波形图,该直流分量是图7-10 的R1 和R2 产生的,它们对10V 直流电源分压。最后,节点E 在图7-11 中表示为纯交流波形,直流部分通过图7-10 中的电容C2 隔除。直流分量部分在节点D 出现,在节点E 处消失,这是因为电容的隔直作用或消除信号中的直流分量的作用。
你可以回忆一下:电容阻抗公式是:
XC =
当频率f 接近直流(0Hz )时,即对直流电源,电容的阻抗为无穷大,相当于开路,所以在E 点没有直流成分。
例7-2
计算频率为10kHz 时图7-10 中的电容阻抗并比较它和电阻阻抗的大小。
XC= =
=15.9 Ω
阻抗为15.9 Ω是较低的。实际上,我们可以认为在10kHz 时电容短路,因为图7-10 中电阻是非常大的。
这里,我们可以总结出两点:1 )对于直流,电容为开路;2 )当信号频率相当高时,对于交流信号,电容为短路。这两个结论在电子放大器电路分析中广泛应用,必须牢记。
在其它频率会怎样呢?在高频时,电容阻抗很低,因此,电容被看成短路;在低频时,电容表现出大阻抗特性,短路的观点不再正确。只要阻抗小于有效电阻的1/10 ,短路观点通常是成立的。
例7-3
计算频率为100Hz 时图7-10 中的电容阻抗,并判断在此频率条件下短路观点是否正确?
XC= =
=1.59k Ω
由于阻抗为1.59k Ω在1000 Ω的范围,故在该频率时,电容不能看成短路。
图7-12 是图7-10 的等效电路图,直流等效电路表示为由电源,R1 和R2 组成部分。那么,其它电阻和交流电源到哪儿去了呢?由于电容的隔离,它们对于直流为开路,而R1 和R2 值相等,在节点D 的直流电压为电源的一半,即5V 。交流等效电路比较复杂,电阻R1 和R2 及R4 的节点是并联的,因为R2 和R4 是通过图7-10 的C2 连接,例二已说明,对于10kHz 的信号,电容C2 可以看成短路,所以,在交流等效电路中把R2 与R4 改成并联,电阻R1 也是并联的。因为直流电源内阻被看成0 Ω,在交流等效电路中R1 接在电源端被看成接地,而另一端接在节点D 。这样在D 点,3 个10k Ω并联电阻的等效电阻值是3.33k Ω,几乎等于R3 的值。电阻R3 和3.33k Ω的等效电阻形成分压器,因此,在节点C 和D 及E 的交流电压将是交流电源值的一半即5VP-P 。
当直流和交流的等效电路合在一起时,结果节点D 有5V 的直流电压和5VP-P 的交流电压。节点D 的波形已示于图7-11 。用我们已经学过的迭加定理,就可以确切地解释图7-11 所示的波形。
在电子电路中常用一种非常重要的概念,叫旁路。如图7-13 所示,注意到C 2 的右端接地,就交流信号而言,有效地短路节点D 。波形显示,节点D 只有5V 的直流电压,因为交流信号被短路了。旁路使用在必须消除交流信
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