电路阻抗大好还是小好_电路中的阻抗匹配详解

发表于 2018-03-13 10:31:09 收藏 已收藏
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电路阻抗大好还是小好_电路中的阻抗匹配详解

发表于 2018-03-13 10:31:09

  阻抗定义

  在具有电阻、电感和电容的电路里,对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由电阻、感抗和容抗三者组成,但不是三者简单相加。阻抗的单位是欧。在直流电中,物体对电流阻碍的作用叫做电阻,世界上所有的物质都有电阻,只是电阻值的大小差异而已。电阻很小的物质称作良导体,如金属等;电阻极大的物质称作绝缘体,如木头和塑料等。还有一种介于两者之间的导体叫做半导体,而超导体则是一种电阻值几近于零的物质。但是在交流电的领域中则除了电阻会阻碍电流以外,电容及电感也会阻碍电流的流动,这种作用就称之为电抗,意即抵抗电流的作用。

  电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗,简称容抗及感抗。它们的计量单位与电阻一样是欧姆,而其值的大小则和交流电的频率有关系,频率愈高则容抗愈小感抗愈大,频率愈低则容抗愈大而感抗愈小。此外电容抗和电感抗还有相位角度的问题,具有向量上的关系式,因此才会说:阻抗是电阻与电抗在向量上的和。对于一个具体电路,阻抗不是不变的,而是随着频率变化而变化。在电阻、电感和电容串联电路中,电路的阻抗一般来说比电阻大。也就是阻抗减小到最小值。在电感和电容并联电路中,谐振的时候阻抗增加到最大值,这和串联电路相反。

  电路阻抗大好还是小好_电路中的阻抗匹配详解

  阻抗在电路中什么作用

  阻抗是表示元件性能或一段电路电性能的物理量。交流电路中一段无源电路两端电压峰值(或有效值)Um与通过该电路电流峰值(或有效值)Im之比称为阻抗,用z表示,单位为欧姆(Ω)。在U一定的情况下,z越大则I越小,阻抗对电流有限制的作用。

  在电流中,物体对电流阻碍的作用叫做电阻。除了超导体外,世界上所有的物质都有电阻,只是电阻值的大小差异而已。电阻很小的物质称作良导体,如金属等;电阻极大的物质称作绝缘体,如木头和塑料等。还有一种介于两者之间的导体叫做半导体,而超导体则是一种电阻值等于零的物质,不过它要求在足够低的温度和足够弱的磁场下,其电阻率才为零。

  在直流电和交流电中,电阻对两种电流都有阻碍作用;作为常见元器件,除了电阻还有电容和电感,这两者对交流电和直流电的作用就不像电阻那样都有阻碍作用了。电容是“隔直通交”,就是对直流电有隔断作用,就是直流不能通过,而交流电可以通过,而且随着电容值的增大或者交流电的增大,电容对交流电的阻碍作用越小,这种阻碍作用可以理解为“电阻”,但是不等同于电阻,这是一种电抗,电抗和电阻单位一样,合称“阻抗”。当然,准确的说,“阻抗”应该有三个部分,除了这两个,就是“感抗”。感抗就是电感对电流的阻碍作用,和电容不同,电感对直流电无阻碍作用(如果严谨的研究的话,在通电达到饱和之前的那个短暂的几毫秒的暂态内,也是有阻碍的)对交流有阻碍作用,感抗的单位和容抗以及电阻的单位都一样是欧姆。

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  阻抗计算公式

  Z= R+i( ωL–1/(ωC))

  说明:负载是电阻、电感的感抗、电容的容抗三种类型的复物,复合后统称“阻抗”,写成数学公式即是:阻抗Z= R+i(ωL–1/(ωC))。其中R为电阻,ωL为感抗,1/(ωC)为容抗。

  (1)如果(ωL–1/ωC) 》 0,称为“感性负载”;

  (2)反之,如果(ωL–1/ωC) 《 0称为“容性负载”。

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  电路阻抗大好还是小好

  不同的电路环境对输入和输出阻抗的要求是不同的。不简单地用大小来说明。

  比如在弱信号放大电路的输入电路,就要求是输入电阻越大越好但是在功率承接转换电路中它的输入电路就不是这样了,它要示的是阻抗匹配,也就是尽量叫输入阻抗等于前接电路的输出阻抗!输出阻抗也不都是越小越好。大家都知道带动喇叭的输出电路它的输出阻抗也是等于喇叭的电阻是最好的。

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  电路中的阻抗匹配详解

  阻抗匹配是指负载阻抗与信号源内部阻抗互相适配,得到最大功率输出的一种工作状态,是无线电技术中常见的一种工作状态,它反映了输入电路与输出电路之间的功率传输关系。电路中的阳抗匹配可分为纯电阻电路匹配和电抗电路匹配,还可以分为低频匹配和高频匹配。下面对纯电阻电路和电抗电路的阻抗匹配问题分别进行简要的分析。

  1、纯电阻电路的阻抗匹配

  在电路基础中曾讲述这样一个问题:把一个电阻为R的用电器,接在一个电动势为E、内阻为r的电池组上,在什么条件下电源输出的功率最大呢?当外电阻等于内电阻时,电源对外电路输出的功率最大,这就是纯电阻电路的功率匹配。假如换成交流电路,同样也必须满足R=r这个条件电路才能匹配。对于纯电阻电路,此结论同样适用于低频电路及高频电路。

  2、电抗电路的阻抗匹配

  电抗电路要比纯电阻电路复杂,电路中除了电阻外还有电容和电感元件,并工作于低频或高频交流电路。在电抗电路中,要做到匹配比纯电阻电路要复杂一些,除了输入和输出电路中的电阻成分要求相等外,还要求电抗成分大小相等符号相反(共轭匹配);或者电阻成分和电抗成分均分别相等(无反射匹配)。满足上述条件即称为阻抗匹配,负载即能得到最大的功率。在低频电路中,我们一般不考虑传输线的匹配问题,只考虑信号源跟负载之间的情况,因为低频信号的波长相对于传输线来说很长,传输线可以看成是“短线”,反射可以不考虑(可以这么理解:因为线短,即使反射回来,跟原信号还是一样的)。如果我们需要输出功率最大,则选择跟信号源内阻匹配的负载电阻。有时阻抗不匹配还有另外一层意思,例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的,如果负载条件改变了,则可能达不到原来的性能,这时我们也会叫做阻抗失配。

  在高频电路中,我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时,则信号的波长就很短,当波长短得跟传输线长度可以比拟时,反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等(即不匹配)时,在负载端就会产生反射,能量传递不过去,降低效率;会在传输线上形成驻波(简单的理解,就是有些地方信号强,有些地方信号弱),导致传输线的有效功率容量降低;功率发射不出去,甚至会损坏发射设备。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时,会产生震荡,辐射干扰等。为了不产生反射,负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等,这就是传输线的阻抗匹配。

  这里提到传输线的特征阻抗(也叫做特性阻抗),那什么是传输线的寺性阻抗呢?特性阻抗是在高频信号传输领域产生的,我们知道传输需要传输线,传输线由导线和介质组成。人们在实践和相关的理论研究中发现在高频区域里,由于分布参数的影响传输线已经等效成为一个由若干个基本网络单元组成的传输网络,传输线的长短只是这种基本网络单元的多少不同而已,对于同一个传输线而言,每一个网络输入输出阻抗都是相同的,我们称它为特性阻抗。在高频频段里这个特性阻抗是一个较氏的值,它是客观存在而不是人为规定的,由传输线的结构以及料决定的,而与传输线的长度,以及信号的幅度、频率等均无关。例如,常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Q,而一些射频设备上则常用特征阻抗为500的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300的扁平平行线,这在农村使用的电视天线架上比较常见,用来做八木天线的馈线。’

  3、电路中阻抗匹配的必要性

  阻抗匹配常见于各级放大电路之间、放大器与负载之间、测量仪器与被测电路之间、天线与接收机或发信机与天线之间等等。例如,扩音机的输出电路与扬声器之间必须做到阳抗匹配,不匹配时,扩音机的输出功率将不能全部送至扬声器。如果扬声器的阻抗远小于扩音机的输出阻抗,扩音机就处于过载状态,其末级功率放大管很容易损坏。反之,如果扬声器的阻抗高于扩音机的输出阻抗过多,会引起输出电压升高,同样不利于扩音机的工作,声音还会产生失真。因此扩音机电路的输出阻抗与扬声器的阻抗越接近越好。又例如,无线电发信机的输出阻抗与馈线的阻抗、馈线与天线的阻抗也应达到一致。如果阻抗值不一致,发信机输出的高频能量将不能全部由天线发射出去。这部分没有发射出去的能量会反射回来,产生驻波,严重时会引起馈线的绝缘层及发信机末级功放管的损坏。为了使信号和能量有效地传输,必须使电路工作在阻抗匹配状态,即信号源或功率源的内阻等于电路的输人阻抗,电路的输出阻抗等于负载的阻抗。

  那么是否什么时候都要考虑阻抗匹配?在普通的宽频带放大器中,因为输出阻抗为50日,所以需要考虑在功率传输电路中进行阻抗匹配。但是,在实际使用中当传输线的长度远远小于信号波长时可忽略传输线的阻抗匹配问题只需考虑信号源和负载的阻抗匹配问题。例如,信号频率为1MHz,其波长在空气中为300m,在同轴电缆中约为200m,在通常使用的长度为1m左右的同轴电缆中,是不必考虑传输线的阻抗匹配。

  4、实现阻抗匹配的方法

  当阻抗不匹配时,有哪些办法让它匹配呢?第一,可以考虑使用变压器来做阻抗转换。例如:晶体管放大器与扬声器之间通常接有输出变压器,放大器的输出阻抗与变压器的初级阻抗相匹配,变压器的次级阻抗与扬声器的阻抗相匹配。而变压器通过初次级绕组的匝数比来变換阻抗比。第二,可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法,这在调试射频电路时常使用。第三,可以考虑使用串联/并联电阻的办法。一些驱动器的阻抗比较低,可以串联一个合适的电阻来跟传输线匹配,例如高速信号线,有时会串联一个几十欧的电阻。而一些接必器的输入阻抗则比较高,可以使用并联电阻的方法,来跟传输线匹配。例如,485总线接收器,常在数据线终端并联120欧的匹配电阻。

  最后要说明一点,阻抗匹配仅适用于电子电路。因为电子电路中传输的信号功率本身较弱,需用匹配来提高输出功率。而在电工电路中一般不考虑匹配,否则会导致输出电流过大,损坏用电器。

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