电路中“接地”的概念有时会导致混淆。诸如“信号接地”、“接地”、“机箱接地”、“安全接地”、“单端”、“差分”、“平衡”、“共模”、“接地回路”等术语被折腾,通常没有完全理解它们的含义。这里介绍了理想接地的基本概念,并且可以扩展到任何系统,并且可以通过使用集总和分布式电路元件对接地系统进行建模来理解和处理接地系统中的缺陷。
首先有必要强调所有电压都是差异在两个不同点之间的电势。因此,如果不将该点引用到另一点,就谈论某一点的电压是没有意义的。它类似于相对速度。以相同速度沿相同方向行驶的两辆车辆相对于彼此以零速度行驶,但相对于道路可能以 60 mph 的速度行驶。它们相对于太阳以不同的速度行进,依此类推。两个电池端子之间的电压标称可能为 9 伏,但其中一个电池端子与连接在另一个系统中的电池端子之间的电压是另一回事。在使用接地参考的系统中,有时会忽略相对于接地测量电压的事实。
系统中的理想接地相对于理想参考具有完全相同的电压,无论在接地的哪个位置测量该电压(这意味着接地是等电位的系统的一部分)。该系统内的所有电压都是相对于这一理想接地电位进行测量的。这种理想接地的一个明确要求是它具有零阻抗,这样在其中流动的任何电流都不会产生违反等电位要求的电压降。这种类型的理想接地是无法实现的,但可以使用高质量的导体来近似。在低频时,接地阻抗的电阻分量占主导地位,而在高频时,趋肤效应会增加电阻,阻抗的电感分量开始起作用。所有这些都会在地面上产生不希望的电压降。有许多方法可以实现针对特定应用和信号频率优化的接地,这些都远远超出了本实验室的范围以及可以为 M1K 开发的任何实验的范围。出于我们的目的,我们可以使用理想的接地近似值,因为由于遇到的信号频率较低,接地中的电感可以忽略不计,并且与实验室中遇到的电阻水平相比,接地互连的电阻可以忽略不计。
串联电路被定义为相同电流流过所有元件的电路。所有元件都承载相同的电流,但串联电路上的电压在其串联元件之间分配。出于这个原因,串联电路有时被称为分压器。我们经常需要知道特定电路元件上的电压,这可以使用分压器规则轻松计算,这只需要知道电路元件值和串联电路上的电压。我们将使用电阻电路来推导分压器规则。
如果我们在由电阻组成的串联电路上施加电压V T(T 代表Total),如下图所示,电流 I 在电路中流动,使用欧姆定律计算为
特定电阻器 R m两端 的电压V m计算为
如果我们将第一个等式中的电流代入第二个等式并求解V m,我们得到分压器规则:
因此,电阻器的分压器规则表明,串联连接中任何电阻器两端的电压等于串联电路两端的电压乘以相关电阻器的值与电路中所有电阻之和的比值. 该比率表示出现在感兴趣电阻器两端的串联电路总电压的百分比。我们可以将分压器规则应用于实验室分析的串联电路,如下所示:
请注意,1.5KΩ 电阻两端的电压是在两个电阻的结点和零电位接地之间测量的。
并联电路被定义为所有元件上出现相同电压的电路。虽然所有元件两端的电压相同,但流入并联电路的电流在其并联元件之间分配。出于这个原因,并联电路有时被称为分流器。我们经常需要知道流过特定电路元件的电流,这可以使用分流器规则轻松计算,这只需要知道电路元件值和流入串联电路的电流。常用的分流器规则至少有两种形式,我们将使用与分压器规则具有相同通用形式的一种,因为一旦学习了分压器规则,这种形式就很容易记住。我们将使用电阻电路来推导分流器规则。
如果我们在由电阻组成的并联电路上施加电流 I T(T 代表Total),如下图所示,则在电路上产生电压V。电流 I T是流过每个电阻器的电流之和,使用基尔霍夫电流定律计算如下:
现在是引入电导G 的好时机,G 定义为电阻的倒数,或 G = 1/R。我们可以用 G 代替上式中的 1/R 并将其重写为:
流经并联电路中电阻 R m 的电流 I m可以使用欧姆定律计算为:
如果我们将第一个方程中的V代入上述方程,我们可以将 I m求解为:
从这个结果可以看出,分流器规则与分压器规则具有相同的形式,用 I T代替V T,用电导代替电阻。电阻器的分流器规则表明,流过并联连接中任何电阻器的电流等于流入并联电路的总电流乘以相关电导值与所有电导之和的比值。电路。该比率表示流入并联电路的总电流在流经感兴趣的电阻器的百分比。我们可以将分流器规则应用于实验室分析的并联电路,如下所示:
分压器和分流器规则可以扩展到其他电路元件,只要这些元件分别是串联和并联电路。
观察和结论
1.理想接地是分布在整个系统中的等电位电压参考,阻抗为零。
2.理想的接地没有电压降。
3.串联电阻电路中各个元件上的电压是电路上总电压的一部分。
4.通过使用分压器规则可以确定串联电路中任何电阻器上的电压。
5.流经并联电阻电路中各个元件的电流是流向电路的总电流的一部分。
6.流经并联电路中任何电阻的电流可以通过使用分流器规则来确定。
7.分压器和分流器规则可以扩展到其他类型的电路元件,只要元件分别串联和并联。