電路中“接地”的概念有時會導致混淆。諸如“信號接地”、“接地”、“機箱接地”、“安全接地”、“單端”、“差分”、“平衡”、“共模”、“接地回路”等術語被折騰,通常沒有完全理解它們的含義。這里介紹了理想接地的基本概念,并且可以擴展到任何系統,并且可以通過使用集總和分布式電路元件對接地系統進行建模來理解和處理接地系統中的缺陷。
首先有必要強調所有電壓都是差異在兩個不同點之間的電勢。因此,如果不將該點引用到另一點,就談論某一點的電壓是沒有意義的。它類似于相對速度。以相同速度沿相同方向行駛的兩輛車輛相對于彼此以零速度行駛,但相對于道路可能以 60 mph 的速度行駛。它們相對于太陽以不同的速度行進,依此類推。兩個電池端子之間的電壓標稱可能為 9 伏,但其中一個電池端子與連接在另一個系統中的電池端子之間的電壓是另一回事。在使用接地參考的系統中,有時會忽略相對于接地測量電壓的事實。
系統中的理想接地相對于理想參考具有完全相同的電壓,無論在接地的哪個位置測量該電壓(這意味著接地是等電位的系統的一部分)。該系統內的所有電壓都是相對于這一理想接地電位進行測量的。這種理想接地的一個明確要求是它具有零阻抗,這樣在其中流動的任何電流都不會產生違反等電位要求的電壓降。這種類型的理想接地是無法實現的,但可以使用高質量的導體來近似。在低頻時,接地阻抗的電阻分量占主導地位,而在高頻時,趨膚效應會增加電阻,阻抗的電感分量開始起作用。所有這些都會在地面上產生不希望的電壓降。有許多方法可以實現針對特定應用和信號頻率優化的接地,這些都遠遠超出了本實驗室的范圍以及可以為 M1K 開發的任何實驗的范圍。出于我們的目的,我們可以使用理想的接地近似值,因為由于遇到的信號頻率較低,接地中的電感可以忽略不計,并且與實驗室中遇到的電阻水平相比,接地互連的電阻可以忽略不計。
串聯電路被定義為相同電流流過所有元件的電路。所有元件都承載相同的電流,但串聯電路上的電壓在其串聯元件之間分配。出于這個原因,串聯電路有時被稱為分壓器。我們經常需要知道特定電路元件上的電壓,這可以使用分壓器規則輕松計算,這只需要知道電路元件值和串聯電路上的電壓。我們將使用電阻電路來推導分壓器規則。
如果我們在由電阻組成的串聯電路上施加電壓V T(T 代表Total),如下圖所示,電流 I 在電路中流動,使用歐姆定律計算為
特定電阻器 R m兩端 的電壓V m計算為
如果我們將第一個等式中的電流代入第二個等式并求解V m,我們得到分壓器規則:
因此,電阻器的分壓器規則表明,串聯連接中任何電阻器兩端的電壓等于串聯電路兩端的電壓乘以相關電阻器的值與電路中所有電阻之和的比值. 該比率表示出現在感興趣電阻器兩端的串聯電路總電壓的百分比。我們可以將分壓器規則應用于實驗室分析的串聯電路,如下所示:
請注意,1.5KΩ 電阻兩端的電壓是在兩個電阻的結點和零電位接地之間測量的。
并聯電路被定義為所有元件上出現相同電壓的電路。雖然所有元件兩端的電壓相同,但流入并聯電路的電流在其并聯元件之間分配。出于這個原因,并聯電路有時被稱為分流器。我們經常需要知道流過特定電路元件的電流,這可以使用分流器規則輕松計算,這只需要知道電路元件值和流入串聯電路的電流。常用的分流器規則至少有兩種形式,我們將使用與分壓器規則具有相同通用形式的一種,因為一旦學習了分壓器規則,這種形式就很容易記住。我們將使用電阻電路來推導分流器規則。
如果我們在由電阻組成的并聯電路上施加電流 I T(T 代表Total),如下圖所示,則在電路上產生電壓V。電流 I T是流過每個電阻器的電流之和,使用基爾霍夫電流定律計算如下:
現在是引入電導G 的好時機,G 定義為電阻的倒數,或 G = 1/R。我們可以用 G 代替上式中的 1/R 并將其重寫為:
流經并聯電路中電阻 R m 的電流 I m可以使用歐姆定律計算為:
如果我們將第一個方程中的V代入上述方程,我們可以將 I m求解為:
從這個結果可以看出,分流器規則與分壓器規則具有相同的形式,用 I T代替V T,用電導代替電阻。電阻器的分流器規則表明,流過并聯連接中任何電阻器的電流等于流入并聯電路的總電流乘以相關電導值與所有電導之和的比值。電路。該比率表示流入并聯電路的總電流在流經感興趣的電阻器的百分比。我們可以將分流器規則應用于實驗室分析的并聯電路,如下所示:
分壓器和分流器規則可以擴展到其他電路元件,只要這些元件分別是串聯和并聯電路。
觀察和結論
1.理想接地是分布在整個系統中的等電位電壓參考,阻抗為零。
2.理想的接地沒有電壓降。
3.串聯電阻電路中各個元件上的電壓是電路上總電壓的一部分。
4.通過使用分壓器規則可以確定串聯電路中任何電阻器上的電壓。
5.流經并聯電阻電路中各個元件的電流是流向電路的總電流的一部分。
6.流經并聯電路中任何電阻的電流可以通過使用分流器規則來確定。
7.分壓器和分流器規則可以擴展到其他類型的電路元件,只要元件分別串聯和并聯。