直流电路与交流电路的区别和特点

　　　一个原因是电路课程中经常遇到直流和交流的概念是分开处理的。实际上，在同一电子电路中，存在直流分量和交流分量两种状态。现在让我们更为清楚了解与融合在电路中同时存在的两种状态。

　　

　　图7-9 是包括直流和交流分量的电路的例子。电池组，即直流电源，与交流源串联在电路中。通过电阻的波形可以看出有直流分量和交流分量存在。在图7-9 中上图的波形是正弦波加正的平均值；图7-9 的下图波形是正弦波加负的平均值。两个波形中的平均值叫做波形的直流分量，并且它的值与电池组的电压值相等。没有电池组，这个波形的平均值将会是0 Ｖ。

　　

　　图7-10 表示的是一个既有直流源又有交流源的RC （电阻- 电容）电路。这个电路同很多线性电子电路具有相似之处，这些线性电子电路一般由直流电源供电，如电池组，它们经常处理的又是交流信号。这样，在线性电子电路中的波形经常表示为直流分量和交流分量的合成。

　　图7-11 表示的是不同节点处的波形，这些波形发生于图7-10 中不同节的点处。节点是两个和两个以上电路元件（如电阻、电容等）的连接点。这两个图有助于理解我们需要掌握的线性电子电路的一些重要特性。

　　在节点A 处的波形，如图7-11 ，表示的是纯直流，该点没有任何交流分量，因为在图7-10 中的节点Ａ是同电池组的正端相连接，得到的波形就是直流波形。

　　图7-11 节点B 处的波形为纯交流（无直流分量）。在图7-10 中节点B 是表示交流源的输出端，因此，可以预计到该点是正弦波形。

　　图7-11 中的其它波形需要深入思考。从节点C 开始，我们看到振幅约为交流源振幅一半的纯交流波形。振幅损失是由R3 的压降引起的，稍后再作讨论。节点D 表示有5V 的直流分量的交流波形图，该直流分量是图7-10 的R1 和R2 产生的，它们对10V 直流电源分压。最后，节点E 在图7-11 中表示为纯交流波形，直流部分通过图7-10 中的电容C2 隔除。直流分量部分在节点D 出现，在节点E 处消失，这是因为电容的隔直作用或消除信号中的直流分量的作用。

　　你可以回忆一下：电容阻抗公式是：

　　XC =

　　 当频率f 接近直流（0Hz ）时，即对直流电源，电容的阻抗为无穷大，相当于开路，所以在E 点没有直流成分。

　　例7-2

　　计算频率为10kHz 时图7-10 中的电容阻抗并比较它和电阻阻抗的大小。

　　XC= = =15.9 Ω

　　阻抗为15.9 Ω是较低的。实际上，我们可以认为在10kHz 时电容短路，因为图7-10 中电阻是非常大的。

　　这里，我们可以总结出两点：1 ）对于直流，电容为开路；2 ）当信号频率相当高时，对于交流信号，电容为短路。这两个结论在电子放大器电路分析中广泛应用，必须牢记。

　　

　　在其它频率会怎样呢？在高频时，电容阻抗很低，因此，电容被看成短路；在低频时，电容表现出大阻抗特性，短路的观点不再正确。只要阻抗小于有效电阻的1/10 ，短路观点通常是成立的。

　　例7-3

　　计算频率为100Hz 时图7-10 中的电容阻抗，并判断在此频率条件下短路观点是否正确？

　　XC= = =1.59k Ω

　　由于阻抗为1.59k Ω在1000 Ω的范围，故在该频率时，电容不能看成短路。

　　

　　图7-12 是图7-10 的等效电路图，直流等效电路表示为由电源，R1 和R2 组成部分。那么，其它电阻和交流电源到哪儿去了呢？由于电容的隔离，它们对于直流为开路，而R1 和R2 值相等，在节点D 的直流电压为电源的一半，即5V 。交流等效电路比较复杂，电阻R1 和R2 及R4 的节点是并联的，因为R2 和R4 是通过图7-10 的C2 连接，例二已说明，对于10kHz 的信号，电容C2 可以看成短路，所以，在交流等效电路中把R2 与R4 改成并联，电阻R1 也是并联的。因为直流电源内阻被看成0 Ω，在交流等效电路中R1 接在电源端被看成接地，而另一端接在节点D 。这样在D 点，3 个10k Ω并联电阻的等效电阻值是3.33k Ω，几乎等于R3 的值。电阻R3 和3.33k Ω的等效电阻形成分压器，因此，在节点C 和D 及E 的交流电压将是交流电源值的一半即5VP-P 。

　　当直流和交流的等效电路合在一起时，结果节点D 有5V 的直流电压和5VP-P 的交流电压。节点D 的波形已示于图7-11 。用我们已经学过的迭加定理，就可以确切地解释图7-11 所示的波形。

　　在电子电路中常用一种非常重要的概念，叫旁路。如图7-13 所示，注意到C 2 的右端接地，就交流信号而言，有效地短路节点D 。波形显示，节点D 只有5V 的直流电压，因为交流信号被短路了。旁路使用在必须消除交流信号的电路节点上。

　　电容有很多的使用方法。图7-10 中的电容C 2 经常叫耦合电容。这个名字很好地表现了它的特性，因为它能耦合从节点D 到节点E 的交流信号。但是，当它耦合交流信号时，它隔开直流部分，因此也称作隔直电容。

　　图7-14 表示这类概念的灵活运用。设想有一个从电视台发出的微弱信号，放大器可以用来增强此微弱信号。最好将放大器与天线放在一块，但是天线经常放置在屋顶。放大器需要电源，这样，用的方法之一是用一根电线通到屋顶，而电视信号可从电缆分离。一根同轴电缆能够提供两种服务（直流电源和信号传输）。

　　

　　图7-14 中电池给位于同轴电缆另一端的放大器供电，同轴电缆的外层导体作为电池和远程放大器的公共地。同轴电缆的内芯作为电池和远程放大器的正极连接线。射频扼流圈（RFCVs ）用来隔离信号和电源电路，射频扼流圈是用铜丝绕成的电感，在高频有较高电抗。

　　你可以回忆一下：电感阻抗随着频率的增大而增大：

　　XL=2 πfL

　　线圈的阻抗和频率成正比，当一个增大，另一个也增大。

　　在直流（f=0Hz ）时的感应阻抗为零，直流电源通过扼流圈无损失；当频率增大时，感抗也增大，右边的扼流圈的感抗防止电源将高频信号短路到地（如图7-14 中所示）。另一个扼流圈的感抗阻止放大器交流输出信号回到放大器电源端。

　　例7-4

　　假设图7-14 中的射频扼流圈电感量为10 μH ，电视信号下限频率从54MHz 开始，计算对电视信号的最小感抗。把最小扼流圈感抗与同轴电缆阻抗比较，已知同轴电缆阻抗为75 Ω。

　　XL=2 πfL =6.28 ×54 ×106 ×10 ×10-6=3.39 k Ω

　　

　　扼流圈阻抗几乎为同轴电缆阻抗的50 倍，这表示扼流圈有效地把电缆上的信号与放大器的电源电路和电池隔离开。

　　图7-14 的电容C2 和C3 是耦合电容，它们把交流信号送入和输出同轴电缆，这些电容在信号频率下是短路，对电源的直流信号则形成隔离，电容C1 为旁路电容，它保证放大器通过纯直流电压驱动其工作来增强电视信号。在图7-14 中的电阻RL 为交流信号负载，用它代表电视接收机。