RC、RL和RLC電路的基礎(chǔ)知識(shí)

眾所周知，整個(gè)電子元件可以分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是有源元件，另一類(lèi)是無(wú)源元件。無(wú)源元件包括電阻器 (R)、電容器 (C) 和電感器 (L)。這是電子電路中最常用的三個(gè)組件，幾乎可以在每個(gè)應(yīng)用電路中找到它們。

將這三個(gè)組件以不同的組合在一起將形成RC、RL和RLC電路，它們有許多應(yīng)用，如濾波電路、管燈扼流圈、多諧振蕩器等。在本文中，小編將簡(jiǎn)單介紹下這些電路的基礎(chǔ)知識(shí)以及電路原理差異。

在介紹這三種電路的原理之前，首先介紹下R、L和C在電路中的作用。

電阻器：電阻器用字母“R”表示。電阻器是一種主要以熱量形式耗散能量的元件。它將有一個(gè)電壓降，該電壓降對(duì)于流過(guò)它的固定電流值保持固定。

電容器：電容器用字母“C”表示。電容器是以電場(chǎng)的形式(暫時(shí))存儲(chǔ)能量的元件。電容器抵抗電壓的變化。電容器的種類(lèi)很多，其中以陶瓷電容器和電解電容器居多，它們沿一個(gè)方向充電并沿相反方向放電。

電感器： 電感器用字母“L”表示。電感器也類(lèi)似于電容器，它也存儲(chǔ)能量，但以磁場(chǎng)的形式存儲(chǔ)。電感器抵抗變化的電流。電感器通常是線圈繞線，與前兩種元件相比很少使用。

當(dāng)這些電阻器、電容器和電感器放在一起時(shí)，就可以形成像RC、RL和RLC這樣的電路，它們表現(xiàn)出與時(shí)間和頻率相關(guān)的響應(yīng)，這在許多交流電路應(yīng)用中是很有用的。此外，RC/RL/RLC電路可以用作濾波器、振蕩器等。

基本原理

首先需要知道電阻器、電容器和電感器在電子電路中的行為。為了便于理解，這里設(shè)計(jì)一個(gè)由電容器和電阻器與電源 (5V) 串聯(lián)組成的簡(jiǎn)單電路。在這種情況下，當(dāng)電源連接到RC電路時(shí)，電阻器 (Vr) 兩端的電壓增加到其最大值，而電容器 (Vc) 兩端的電壓保持為零，然后電容器開(kāi)始緩慢地建立電荷，因此電阻器兩端的電壓將降低，電容器兩端的電壓將增加，直到電阻器電壓 (Vr) 達(dá)到零且電容器電壓 (Vc) 達(dá)到其最大值。電路和波形可以在下面圖中看到：

這里簡(jiǎn)單分析上圖中的波形，以了解電路中實(shí)際發(fā)生的情況。下圖顯示了一個(gè)很好的波形。

當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電阻兩端的電壓(紅色波)達(dá)到最大值，電容器兩端的電壓(藍(lán)色波)保持為零。然后電容器充電，Vr變?yōu)榱?，Vc變?yōu)樽畲笾怠Ｍ瑯?，?dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，電容器放電，因此電阻器上出現(xiàn)負(fù)電壓，并且隨著電容器放電，電容器和電阻器電壓都變?yōu)榱?，如上圖所示。

其實(shí)，電感器也是如此。用電感器代替電容器，波形將被鏡像，即當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電阻器兩端的電壓 (Vr) 將為零，因?yàn)檎麄€(gè)電壓將出現(xiàn)在電感器 (Vl) 上。隨著電感器對(duì) (Vl) 兩端的電壓充電，它將達(dá)到零，電阻器兩端的電壓 (Vr) 將達(dá)到最大電壓。

RC電路

RC電路(電阻電容電路)將由一個(gè)電容器和一個(gè)電阻器串聯(lián)或并聯(lián)到電壓或電流源。這些類(lèi)型的電路也被稱(chēng)為RC濾波器或RC網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗鼈冏畛Ｓ糜跒V波應(yīng)用。RC電路可用于制作一些粗濾器，如低通、高通和帶通濾波器。一階RC電路將僅由一個(gè)電阻器和一個(gè)電容器組成，下面簡(jiǎn)單來(lái)分析下。

為了了解RC電路，這里在proteus上創(chuàng)建一個(gè)基本電路，并在示波器上連接負(fù)載以分析其行為方式。RC電路和波形如下所示：

將一個(gè)已知電阻為1k Ohms的負(fù)載(燈泡)與一個(gè)470uF的電容器串聯(lián)，形成一個(gè)RC電路。該電路由12V電池供電，開(kāi)關(guān)用于閉合和斷開(kāi)電路。波形是在負(fù)載燈泡上測(cè)量的，在上圖中以黃色顯示。

最初，當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電阻性燈泡負(fù)載 (Vr) 兩端出現(xiàn)最大電壓 (12V)，電容器兩端的電壓為零。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電阻兩端的電壓將降至零，然后隨著電容器充電，電壓將回到最大值。

電容器充電所需的時(shí)間由公式T = 5? 給出，其中“?”是時(shí)間常數(shù)。

現(xiàn)在計(jì)算一下電容器在電路中充電所需的時(shí)間：

? = RC = (1000 * (470*10^-6)) = 0.47 秒

T = 5? = (5 * 0.47) T = 2.35秒。

所以計(jì)算出電容充電所需的時(shí)間為2.35秒，從上圖也可以驗(yàn)證。Vr從0V達(dá)到12V所需的時(shí)間等于電容器從0V充電到最大電壓所需的時(shí)間，這里使用下圖中的光標(biāo)進(jìn)行說(shuō)明。

同樣，還可以使用以下公式計(jì)算任何給定時(shí)間電容器兩端的電壓和任何給定時(shí)間通過(guò)電容器的電流：

V(t) = V B (1 – e -t/RC )

I(t) =I o (1 – e -t/RC )

其中，V B是電池電壓，I o是電路的輸出電流。t的值是必須計(jì)算電容器的電壓或電流值的時(shí)間(以秒為單位)。

RL電路

RL電路(電阻電感電路)將由一個(gè)電感器和一個(gè)電阻器再次串聯(lián)或并聯(lián)組成。串聯(lián)RL電路將由電壓源驅(qū)動(dòng)，并聯(lián)RL電路將由電流源驅(qū)動(dòng)。RL電路通常用作無(wú)源濾波器，只有一個(gè)電感和一個(gè)電容器的一階RL電路如下所示：

類(lèi)似地，在RL電路中，必須用電感器代替電容器。假設(shè)燈泡充當(dāng)純電阻負(fù)載，并且燈泡的電阻設(shè)置為100歐姆的已知值。

當(dāng)電路開(kāi)路時(shí)，電阻負(fù)載上的電壓將最大，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，來(lái)自電池的電壓在電感器和電阻負(fù)載之間共享。電感器快速充電，因此電阻負(fù)載 R 將經(jīng)歷突然的電壓下降。

電感充電所需的時(shí)間可以使用公式T = 5? 計(jì)算，其中“?”是時(shí)間常數(shù)。

現(xiàn)在計(jì)算一下電感器在電路中充電所需的時(shí)間，這里使用了一個(gè)值為1mH的電感器和一個(gè)值為100歐姆的電阻器，計(jì)算值如下：

? = L/R = (1 * 10^-3) / (100) = 10^-5秒

T = 5? = (5 * 10^-5) = 50 * 10 ^-6T = 50u秒。

同樣，也可以使用以下公式計(jì)算任何給定時(shí)間電感兩端的電壓和任何給定時(shí)間通過(guò)電感的電流：

V(t) = V B (1 – e -tR/L )

I(t) =I o (1 – e -tR/L )

其中，V B是電池電壓，I o是電路的輸出電流。t的值是必須計(jì)算電感器的電壓或電流值的時(shí)間(以秒為單位).

RLC電路

顧名思義，RLC電路由串聯(lián)或并聯(lián)的電阻、電容和電感組成。該電路形成了一個(gè)振蕩器電路，該電路在無(wú)線電接收器和電視中非常常用。它也非常常用作模擬應(yīng)用中的阻尼電路。下面介紹一階RLC電路的諧振特性，電路圖如下所示：

RLC電路也稱(chēng)為串聯(lián)諧振電路、振蕩電路或調(diào)諧電路。這些電路能夠提供諧振頻率信號(hào)，如下圖所示：

在這里，使用一個(gè)100u的電容器C1和一個(gè)10mH的電感器L1通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)串聯(lián)。由于連接C和L的導(dǎo)線將具有一些內(nèi)部電阻，因此假設(shè)是由于導(dǎo)線而存在少量電阻。最初，將開(kāi)關(guān)2保持打開(kāi)，并關(guān)閉開(kāi)關(guān)1以從電池電源 (9V) 為電容器充電。然后一旦電容器被充電，開(kāi)關(guān)1打開(kāi)，然后開(kāi)關(guān)2閉合。

一旦開(kāi)關(guān)閉合，存儲(chǔ)在電容器中的電荷就會(huì)移向電感器并對(duì)其充電。一旦電容器完全放電，電感器將開(kāi)始向電容器放電，這樣電荷將在電感器和電容器之間來(lái)回流動(dòng)。但是由于在此過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些電荷損失，總電荷將逐漸減少，直到達(dá)到零，如上圖所示。

主要應(yīng)用

電阻器、電感器和電容器可能是普通且簡(jiǎn)單的組件，但當(dāng)它們組合在一起形成RC、RL和RLC電路等電路時(shí)，它們會(huì)表現(xiàn)出復(fù)雜的行為，使其適用于廣泛的電路應(yīng)用。下面列出了其中的幾個(gè)列子，具體如下：

通訊系統(tǒng)

信號(hào)處理

電壓/電流放大倍率

無(wú)線電波發(fā)射器

射頻放大器

諧振LC電路

可變曲調(diào)電路

振蕩器電路

濾波電路

總結(jié)

以上就是關(guān)于RC、RL及RLC電路原理差異內(nèi)容介紹，不難看出，它們實(shí)際上是由電阻器、電容器和電感器不同形式的組合而來(lái)，雖然表現(xiàn)形式和應(yīng)用電路不一樣，但本質(zhì)原理都是相似的。

在如今眾多典型應(yīng)用電路當(dāng)中，RC、RL及RLC電路可以說(shuō)像神一樣的存在，其重要性不言而喻。因此，掌握RC、RL及RLC電路原理差異，可以更好的幫助你分析和設(shè)計(jì)不同的電子電路。