阻性容性感性交流RLC负载的三种电路

交流负载中出现三种基本电路——电阻性、电感性和电容性(以及三者的各种组合)。听起来，电阻负载纯粹由电阻组成。电阻只是对电流(电子)通过的阻力的测量。电阻与材料的内电阻率及其长度成正比，与其横截面积成反比。电阻电路的例子包括热水器、熨斗、电炉甚至白炽灯——几乎任何旨在产生热量的东西。

　　另一方面，感性负载会产生与初级电流在电路中流动相反的感生电流。这种对电流变化的反对不同于电阻，称为电抗。感应电路的例子包括电动机、发电机、螺线管和变压器。

　　容性负载的作用与感性负载完全相反，会阻碍电压的流动。示例包括真正的电容器(冷凝器)、压电器件和金属氧化物半导体。这三种负载对交流电路中的电压和电流的流动有非常不同的影响。

　　电阻电路

　　在电阻负载的情况下，交流电失去了它的大部分神秘感，表现得更像直流电。虽然没有纯电阻交流电路这样的东西，但许多电路足够接近，它们将遵循欧姆定律(I = E/R，其中 I 是以安培为单位的电流，E 是电压，R 是以欧姆为单位的电阻)。图 1 显示了一个由 120VA 供电的具有 60 欧姆电阻的简单电路。

　　图1

　　使用欧姆定律，我们可以计算出电路中的电流为 2 安培。电路消耗的功率(作为热量)只是伏特乘以安培或 240 瓦特的乘积。如果我们不知道电路中的电压，我们可以通过测量电流来计算它。如果 I 为 2 安培，则 E = IR 或 120 V。这些计算如此简单的原因可以通过图 2 中电压、电流和功率曲线的关系来解释。

　　图2

　　图 2 显示了简单电阻电路(例如图 1 所示的电路)中电压(蓝色)、电流(红色)和功率(绿色)的流动。在纯电阻电路中，电压和电流同步上升和下降时尚。发生这种情况的原因是，无论电压是直流电压还是交流电压，电阻都会不断地阻止电路中的电流流动。由于这种持续的对立，电流与电压同相流动。在 x 轴上方的每个点，电压和电流都是正的，在 x 轴下方的每个点，都是负的。绿色曲线代表电路中作为热量耗散的功率(以瓦为单位)，它是 x 轴上任意点的电压和电流的乘积。

　　请注意，除了电压和电流通过零的那些点外，功率曲线始终为正。即使电流和电压都是负的，功率仍然是正的，因为两个负量的乘积会产生一个正量。因此，除了波通过零的那些点之外，所有点都消耗功率。尽管波形仍然有点复杂，但它们的同步关系使电阻电路相对容易理解。

　　电感电路

　　感性负载非常不同。称为电感的新维度和称为电抗的新量使这种类型的电路以不同于简单电阻负载的方式运行。这种不同的行为是由于交流正弦波的正负波动造成的。

　　图 3 是一个简单的电感电路示例，该电路由连接到电感器的交流电源组成。在这个例子中，电感器是一个由几个回路组成的线圈。当交流电流过线圈时，会在线圈内部和周围产生磁场，磁场与流过电路的初级电流成正比增加和减少。这种变化的磁场会在线圈中感应出次级电压，从而产生与初级电流相反的次级电流。这个过程被称为自感应或自感。在直流电路中，只有当电压打开或关闭时才会出现这种相反的情况。直流感应电路一旦通电，电流就会稳定地单向流动，不会产生二次电流。

　　图 3

　　图 4更清楚地说明了这是如何发生的。在这个例子中，初级电流(红色)显示为顺时针流过线圈中的回路。它的流动在第一个回路中产生磁场(蓝色)。磁场在第二个回路中感应出一个逆时针流动的次级电流(绿色)。次级电流的逆时针流动(通常称为反电动势)与电流的正常流动相反，并导致电流滞后于电路中的电压。这种对初级电流变化的反对称为电抗。

　　图 4

　　图 5 显示了纯电感电路中电压(蓝色)、电流(红色)和功率(绿色)的流动。感应次级电流的反向流动会阻碍初级电流的流动，并使其滞后电压 90 度或四分之一周期。功率曲线显示了电抗的整体效果。请注意，它在每隔一个季度周期为正，在其间的季度周期为负。曲线正负部分的 RMS 值也相等。

　　图5

　　在正四分之一周期内，电路以磁场的形式储存能量，而在负周期内，磁场消散并将能量返回给电源。因此，纯电感电路不消耗能量。次级电流或反电动势阻碍初级电流流动的程度称为感抗 ( XL )，与电阻一样，它的单位是欧姆。很快，我们将展示如何使用感抗来帮助重新定义用于交流电路的欧姆定律。

　　电容电路

　　我们将通过对纯电容电路的快速讨论来结束这一部分。电容器是一种可以储存电荷的装置，储存的能量等于对其充电所做的功。它由被称为电介质的绝缘片隔开的两块板组成。当连接到直流电压时，一个板获得负电荷，而另一个获得正电荷，但是一旦电容器充满电，就没有电流流过它。如果同一个电容器连接到交流电压，交流电将持续流动。

　　图 6 是一个简单的纯电容交流电路。电荷不能在两个板之间流动，因为它们彼此绝缘，因此电路中存在持续的交流电流似乎有点不寻常。施加交流电时电流在电容电路中流动的原因是，每次交流正弦波反转方向时，这些带电板都会改变极性。这导致电荷流入和流出两个极板。因此，电容器的两个极板不断地充电和放电，电流不断地流动。

　　图 6

　　图 7 显示了纯电容电路中电压和电流的流动。流动关系与电感电路完全相反，电流被视为超前电压 90 度。虽然没有显示功率，但它看起来像电感示例中的功率曲线，并且电路不消耗功率。充电阻碍电压的程度称为容抗 (X C )，它以欧姆为单位测量，如电阻和感抗。

　　图 7

　　RLC 电路和阻抗

　　虽然有些电路由单一负载类型组成，但大多数是组合，称为 RLC 电路。由于感性和容性负载的影响，欧姆定律 (E = IR) 不适用。相反，电阻 (R) 被阻抗 (Z) 取代，阻抗同时考虑了感抗和容抗。该方程采用 E = IZ 的形式，Z 等于 √R 2 +(X L -X C ) 2(其中 R 是电阻，X L是感抗，X C是容抗)。平方根符号包含整个方程。如您所见，从 X L 中减去X C因为它的电压滞后效应补偿了 X L的电流滞后效应。如果两者相等，它们就会相互抵消，电路就是纯电阻的。在 X C大于 X L 的电路中，负和被平方并产生一个与 R 平方相加的正数。该和的平方根为我们提供了电路的实际阻抗。