RC、RL和RLC電路的基礎(chǔ)知識

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

將這三個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，小編將簡單介紹下這些電路的基礎(chǔ)知識以及電路原理差異。

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。它將有一個電壓降，該電壓降對于流過它的固定電流值保持固定。

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

電感器： 電感器用字母“L”表示。電感器也類似于電容器，它也存儲能量，但以磁場的形式存儲。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。

當這些電阻器、電容器和電感器放在一起時，就可以形成像RC、RL和RLC這樣的電路，它們表現(xiàn)出與時間和頻率相關(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)計一個由電容器和電阻器與電源 (5V) 串聯(lián)組成的簡單電路。在這種情況下，當電源連接到RC電路時，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) 達到零且電容器電壓 (Vc) 達到其最大值。電路和波形可以在下面圖中看到：

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

當開關(guān)打開時，電阻兩端的電壓(紅色波)達到最大值，電容器兩端的電壓(藍色波)保持為零。然后電容器充電，Vr變?yōu)榱悖琕c變?yōu)樽畲笾?。同樣，當開關(guān)關(guān)閉時，電容器放電，因此電阻器上出現(xiàn)負電壓，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，電感器也是如此。用電感器代替電容器，波形將被鏡像，即當開關(guān)打開時，電阻器兩端的電壓 (Vr) 將為零，因為整個電壓將出現(xiàn)在電感器 (Vl) 上。隨著電感器對 (Vl) 兩端的電壓充電，它將達到零，電阻器兩端的電壓 (Vr) 將達到最大電壓。

RC電路

RC電路(電阻電容電路)將由一個電容器和一個電阻器串聯(lián)或并聯(lián)到電壓或電流源。這些類型的電路也被稱為RC濾波器或RC網(wǎng)絡(luò)，因為它們最常用于濾波應(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電路將僅由一個電阻器和一個電容器組成，下面簡單來分析下。

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

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

最初，當開關(guān)打開時，電阻性燈泡負載 (Vr) 兩端出現(xiàn)最大電壓 (12V)，電容器兩端的電壓為零。當開關(guān)閉合時，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間由公式T = 5? 給出，其中“?”是時間常數(shù)。

現(xiàn)在計算一下電容器在電路中充電所需的時間：

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

T = 5? = (5 * 0.47) T = 2.35秒。

所以計算出電容充電所需的時間為2.35秒，從上圖也可以驗證。Vr從0V達到12V所需的時間等于電容器從0V充電到最大電壓所需的時間，這里使用下圖中的光標進行說明。

同樣，還可以使用以下公式計算任何給定時間電容器兩端的電壓和任何給定時間通過電容器的電流：

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的值是必須計算電容器的電壓或電流值的時間(以秒為單位)。

RL電路

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

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

當電路開路時，電阻負載上的電壓將最大，當開關(guān)閉合時，來自電池的電壓在電感器和電阻負載之間共享。電感器快速充電，因此電阻負載 R 將經(jīng)歷突然的電壓下降。

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

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

? = 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算任何給定時間電感兩端的電壓和任何給定時間通過電感的電流：

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的值是必須計算電感器的電壓或電流值的時間(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。該電路形成了一個振蕩器電路，該電路在無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，如下圖所示：

在這里，使用一個100u的電容器C1和一個10mH的電感器L1通過一個開關(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，將開關(guān)2保持打開，并關(guān)閉開關(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，開關(guān)1打開，然后開關(guān)2閉合。

一旦開關(guān)閉合，存儲在電容器中的電荷就會移向電感器并對其充電。一旦電容器完全放電，電感器將開始向電容器放電，這樣電荷將在電感器和電容器之間來回流動。但是由于在此過程中會出現(xiàn)一些電荷損失，總電荷將逐漸減少，直到達到零，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單的組件，但當它們組合在一起形成RC、RL和RLC電路等電路時，它們會表現(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列子，具體如下：

通訊系統(tǒng)

信號處理

電壓/電流放大倍率

無線電波發(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，它們實際上是由電阻器、電容器和電感器不同形式的組合而來，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)用電路當中，RC、RL及RLC電路可以說像神一樣的存在，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)計不同的電子電路。