电压、电流、电阻:电路分析的三要素

关键的外卖

• 电阻及其对电路分析的贡献。

• 电流的作用和电抗如何使标准电阻模型复杂化。

• 电压:它是什么，为什么它适用于电容器，为什么设计有这么多的帽。

电压、电流、电阻——所有这些都在炉子燃烧器的白炽光中漂亮地显示出来

电子学，至少在最初，是一个令人困惑的研究领域，即使对那些熟悉基本力学的人来说也是如此。掌握新主题最有力的技巧之一就是将已知的内容联系起来。学习者越能将新思想与已有的图式和关系结合起来，理解和综合材料的机会就越大。理解电压、电流、电阻和相关的主题通常从水的类比开始。想象一条流动的河流:电流是水流的速度，阻力是阻碍局部流动的岩石，电压是由垂直下降表示的能量势。从这里开始，就有可能对电路分析的核心相互作用有更深入的了解。

要了解电压、电流和电阻，请从结尾开始

电阻

在电压、电流和电阻中，电阻可能是概念上最容易掌握的三个基本特性。电阻可以被认为是动摩擦的电学等价物。当电流通过电阻元件时，一些能量以欧姆加热的形式损失掉。“阻力最小的路径”也是一个常见的短语，甚至在电路设计主题之外，这说明了它的直观性。流动的水的比喻再一次帮助解释了阻力的作用:当水在快速移动的水体中撞击岩石时，一些能量在碰撞过程中损失了。同样地，流过电阻元件的电流也会损失一些能量。

能量损失的质量是电阻的一个决定性方面。在三种标准无源元件中，电阻是唯一损耗能量的理想器件。在现实中，寄生会导致所有设备经历非保守和保守的能量损失，在一个更大的总体电路参数的实值和虚值元素之间分裂。这个属性被称为阻抗，代表了电路中电流流动的整体阻力。然而，将该主题作为电阻引入有两个主要原因:避免在发现电路分析开始时出现并发症，因为直流不需要考虑由于频率而导致的电路运行变化。

电阻是建筑材料的一种外在属性，这意味着它的值取决于材料的数量。电阻和电阻率之间的关系-本质上是材料对电流的固有电阻，而不考虑数量-定义为:

R、l、A分别代表材料的电阻、电阻率、长度和截表面积。在实践中，这意味着对于相同的材料，电阻在较长的导体上增加(由于电阻率的累积效应)，并随着压力表的增加而减小(因为电流密度随着更大的面积而减小)。

考虑温度和电阻之间的相互作用是很重要的。通常，随着温度的升高，材料的电阻也会升高;根据电阻率随温度的增长速率，这种关系可以线性建模。增加导体原子可用的热能会使它们振动得更快，这会导致“自由”电子和束缚电子之间发生更多碰撞，从而阻碍电流。虽然这种影响通常被认为是有害的，a电阻器系列称为热敏电阻利用这一特性来提供加热，保护，和电路诊断．

电路和设备级的电流

电流被定义为电路中正电荷的流动。在最初熟悉电路概念时，这是一个常见的绊脚石:电子是负电荷，那么为什么电子流表示正电荷呢?这一矛盾产生于发现电子的日期，也就是本·富兰克林(Ben Franklin)指出电流为正电的近150年之后。电流在电路中与电子方向相反;虽然电子的流动是重要的，特别是在讨论磁性元素时，努力区分传统电流和电子电流应该被劝阻。跟踪两个当前的术语很可能会产生混乱——学习标准约定和理解平行方向和反平行方向要简单得多。

电感器通过抵抗电路电流的变化而起作用。它的工作原理几乎与电容器相反——当电流开始在电路中流动时，电容器开始是短路的，而电感反对电流的这种变化，开始是开路的，随着时间的推移转变为短路。

有一种与抵抗类似的假想值，至少在最初阶段，要难以理解和见证。这种特性被称为电抗，导致通过电路的时变电压和电流信号之间的相移;电流和电压信号失相会导致电路的最大功率输出降低，以及其他变化。感应电抗，由感应元件产生的电抗，使电流波滞后于电压π/2弧度。

为了进一步说明发生了什么，需要考虑电感的操作。如上所述，电感反对电流相对于时间的变化;这是通过将电流携带的部分能量储存在电感线圈内的磁场中来实现的。当电流继续通过电感器时，它在磁场中达到能量存储的最大容量。电流中断，无论是通过电路中的开关还是交流，都会导致电场崩溃，并将能量转换为电压，以维持组件对恒定电流的偏好。

电感器的作用

像任何基本的电路元件一样，电感的用途包括广度和深度。然而，通常情况下，它的角色可以被分解为几个基本功能:

• 力量- - - - - -发电和存储的作用就是电感的代名词。变压器可以被粗略地认为是两个耦合的电感器，能够根据磁芯内的磁通量守恒将电能从一个线圈传输到另一个线圈。电压可以根据从输入到输出的匝数比(绕组数)进行放大或缩小。找到了电感器整个开关模式电源，其中它们作为能量存储设备，并允许由于其放电周期与输入源的有功周期对齐而增加电压输出。

• 过滤,单独，电感器能够提供高通滤波作为高频信号的重要障碍，同时允许低频信号通过，几乎没有减弱。这对于从由多个频率组成的信号中过滤出直流波形是一个巨大的好处。这只是其过滤功能的开始，因为它们可以与电容器、电阻和其他元素组合成无限的网络配置，以设计任何可以想象到的过滤器风格。

• 射频通信-滤波可以进一步集中到LC电路中，称为调谐器，能够从一些复合材料中分离出所需的信号进行放大。

从概念上讲，回路是理解电流的基础，电流只能在闭合电路中流动。

用电压把这一切结合在一起

电压由它与其他基本电路参数的关系来定义，它是通过某些终端的电流和电阻的乘积，通常被称为欧姆定律。在水的类比中，它可以被认为是在瀑布的顶部和底部遇到的电位差。如果它的作用听起来与重力相似，那就没有错:电压或电势表示电场中两点之间移动电荷所需的功差。电压越大，每个电荷在电场中两点之间移动时获得或损失的功就越大，由公式表示:

W = q V

W、q、V分别表示功、基本电荷、电压。再一次，像重力一样，时不变电场是保守的，这意味着它们与路径无关;电荷可以从场内的理论点a和理论点B走任何路线，得到的功和失去的功是一样的。这种性质并不一定适用于电动力学，因为电场会随着时间的推移而演变。

电压与电容器有关。电容器是一种电荷存储元件(实际上是现场存储)，其功能与水箱有关。随着电荷的积累，电容器工作到一个被认为充满电的状态(实际上，储存的电荷接近一个渐近极限)。当电流中断时，无论是由开关还是电流方向的改变，电容器源电流来维持电压-电容器抵抗电压的变化。

在稳态条件下，电容器可以开路或短路，这取决于储存在里面的电荷。一个耗尽的电容器将根据介电的强度、大小和板间的间隙在其板内存储电荷;换句话说，就是元件的电容。完全耗尽时，电容器在电荷开始积聚时起短路作用，但一旦完全饱和，电容器就会切换到开路。充放电循环速度与时间常数有关(对于简单的RC电路，是电阻和电容的乘积);较小的电容元件将能够比较大的电容元件更快地充电/放电，缺点是前者的整体存储容量降低了。

电容器在电路中扮演各种角色;通常，这个组件族代表设计中数量最多的元素。与电感器一样，电容器也从电力存储和滤波开始，但只是从那里开始发挥作用:

• 存储,电容器的功能就像遍布电路板的分布式电池网络。当电源主动流出时，电容器就会产生电荷。当源电源暂时中断时，例如在SMPS期间或在源上有特别大的消耗时，电容器在缺席期间填补。通过放电其存储的电能，他们能够提供直接和即时的电力相关的组件;通常，每个IC都至少有一个与较大引脚组件相关联的电容，特别是bga，有多个电容来执行此功能。单板的整体稳定性保持，无论任何微小的瞬变或其他中断的权力。
• 信号调理——当信号下降到可接受的操作水平以下时，电容器提供了“填充”的能力，要么引起过度纹波，要么无法满足最低电压阈值。以半波整流器为例:整流电路在其自身上将正弦信号的电压降至零以下。数字门需要一个最小的电压来识别为逻辑高或真，整流信号的跨度将随时间而变化。然而，平滑电容器将能够提供整流波形峰值之间的缺失电压，确保其运行期间的逻辑状态。
• 解耦,在能量存储的基础上，去耦保护局部电路不受功率平面波动的影响。可能到达敏感电子器件的瞬态电流被分流到通过旁路电容器接地．特别是在敏感数字组件(如逻辑集成电路)的情况下，这可以防止难以诊断的不确定逻辑状态和运行时错误。
• 过滤,电容器通常与低通滤波应用相关联，基于这一事实容抗随频率增加而增加。

简要总结了三个电路参数的一些定义特征。

为了提高效率，大型变压器在传输前先转换为高电压。

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