Berjuang untuk teknologi dan pemimpin industri kapasitor terkemuka biaya

Bagaimana memahami perbedaan fase yang disebabkan oleh kapasitor dan induktor？

2025-07-16

Bagaimana memahami perbedaan fase yang disebabkan oleh kapasitor dan induktor
Untuk sinyal sinusoidal, fase arus yang mengalir melalui komponen dan fase tegangan di kedua ujungnya tidak selalu sama.

Bagaimana perbedaan fase seperti itu muncul? Pengetahuan ini sangat penting karena fase harus dipertimbangkan tidak hanya untuk sinyal umpan balik dari amplifier dan osilator mandiri, tetapi juga ketika membangun sirkuit, karena kita perlu memahami sepenuhnya, memanfaatkan atau menghindari perbedaan fase seperti itu. Mari kita bahas masalah ini di bawah ini.

Pertama, kita perlu memahami bagaimana beberapa komponen dibangun; kedua, pahami prinsip kerja dasar komponen sirkuit; Ketiga, cari tahu alasan untuk menghasilkan perbedaan fase berdasarkan ini; Keempat, membangun beberapa sirkuit dasar dengan menggunakan karakteristik perbedaan fase komponen.

I. Proses kelahiran resistor, induktor dan kapasitor

Setelah pengamatan dan percobaan jangka panjang, para ilmuwan telah menemukan beberapa prinsip, dan sering ada beberapa penemuan kecelakaan yang tidak terduga, seperti penemuan rontgen Roentgen dan penemuan radiasi radium Roentgen. Penemuan yang tidak disengaja ini bahkan telah menjadi pencapaian ilmiah yang hebat. Hal yang sama berlaku di bidang elektronik.
Ketika para ilmuwan melewati arus melalui kabel, mereka secara tidak sengaja menemukan pemanasan kawat dan induksi elektromagnetik, dan kemudian menemukan resistor dan induktor. Para ilmuwan juga mendapat inspirasi dari fenomena elektrifikasi gesekan dan kapasitor yang ditemukan. Penciptaan dioda karena penemuan perbaikan juga tidak disengaja.

II. Prinsip Komponen Kerja Dasar

Resistor - Energi Listrik → Energi Termal
Induktor - Energi Listrik → Energi Medan Magnet, & Energi medan magnet → energi listrik
Kapasitor - Energi potensial listrik → energi medan listrik, & Energi medan listrik → arus
Dapat dilihat bahwa resistor, induktor, dan kapasitor adalah komponen konversi energi. Resistor dan induktor menyadari konversi antara berbagai jenis energi, sementara kapasitor menyadari konversi antara energi potensial listrik dan energi medan listrik.

Penghambat
Prinsip resistor adalah: energi potensial listrik → arus → energi termal.

Ada energi potensial listrik (muatan positif dan negatif) yang disimpan pada ujung positif dan negatif dari catu daya. Ketika potensial listrik diterapkan di seluruh resistor, biaya mengalir di bawah aksi perbedaan potensial - membentuk arus. Kecepatan aliran mereka jauh lebih cepat daripada gerakan bebas yang tidak teratur tanpa perbedaan potensial, sehingga panas yang dihasilkan oleh tabrakan di resistor atau konduktor juga lebih.

Biaya positif memasuki resistor dari ujung dengan potensi tinggi, dan muatan negatif memasuki resistor dari ujung dengan potensi rendah. Keduanya menetralkan di dalam resistor. Netralisasi membuat jumlah muatan positif dalam resistor menunjukkan distribusi gradien dari ujung berpotensi tinggi ke ujung berpotensi rendah, dan jumlah muatan negatif dalam resistor menunjukkan distribusi gradien dari ujung berpotensi rendah ke ujung berpotensi tinggi, sehingga menghasilkan perbedaan potensial di seluruh resistor, yang merupakan penurunan tegangan resistor. Di bawah arus yang sama, semakin besar resistansi resistor terhadap netralisasi, semakin besar penurunan tegangan di atasnya.

Oleh karena itu, R = V/I digunakan untuk mengukur resistansi resistor linier (penurunan tegangan sebanding dengan arus yang melewatinya).
Untuk sinyal AC, ini dinyatakan sebagai r = v (t)/i (t).

Perhatikan bahwa ada juga konsep resistor nonlinier, yang nonliniernya mencakup jenis tegangan yang dipengaruhi, tipe yang dipengaruhi saat ini, dll.

Induktor
Prinsip induktor: induktor - energi potensial listrik → arus → energi medan magnet, & Energi medan magnet → energi potensial listrik (jika ada beban, maka → arus).

Ketika potensi catu daya diterapkan di seluruh kumparan induktor, biaya mengalir di bawah aksi perbedaan potensial - membentuk arus, dan arus dikonversi menjadi medan magnet, yang disebut proses "magnetisasi". Jika perbedaan potensial catu daya di seluruh kumparan induktor magnet dihilangkan dan koil induktor terhubung ke beban eksternal, energi medan magnet dikonversi menjadi energi listrik selama proses atenuasi (jika beban adalah kapasitor, itu adalah energi medan listrik; jika bebannya adalah resistor, saat ini), yang disebut proses "demagnetisasi".

Unit untuk mengukur magnetisasi kumparan induktor adalah hubungan fluks - ψ. Semakin besar arus, semakin banyak hubungan fluks koil induktor magnet, yaitu, hubungan fluks sebanding dengan arus, mis., Ψ = l*i. Untuk kumparan induktor tertentu, L adalah konstan.

Oleh karena itu, L = ψ/i digunakan untuk mengekspresikan kemampuan konversi elektromagnetik dari koil induktor, dan L disebut induktansi. Ekspresi diferensial induktansi adalah: l = dψ (t)/di (t).

Menurut prinsip induksi elektromagnetik, perubahan hubungan fluks menghasilkan tegangan yang diinduksi, dan semakin besar perubahan hubungan fluks, semakin tinggi tegangan yang diinduksi, mis., V (t) = dψ (t)/dt.

Menggabungkan dua rumus di atas, kita dapatkan: V (t) = L*di (t)/dt, yaitu, tegangan induksi induktor sebanding dengan laju perubahan arus (turunan sehubungan dengan waktu). Semakin cepat perubahan arus, semakin tinggi tegangan yang diinduksi.

Kapasitor
Prinsip kapasitor: energi potensial listrik → arus → energi medan listrik, energi medan listrik → arus.

Ketika potensi catu daya diterapkan pada dua pelat logam kapasitor, muatan positif dan negatif berkumpul di dua pelat kapasitor masing -masing di bawah aksi perbedaan potensial untuk membentuk medan listrik, yang disebut proses "pengisian daya". Jika perbedaan potensial catu daya di seluruh kapasitor yang dibebankan dilepas dan kapasitor terhubung ke beban eksternal, muatan melintasi kapasitor mengalir di bawah perbedaan potensial, yang disebut proses "pemakaian". Aliran muatan selama proses pengumpulan ke kapasitor dan mengalir keluar dari dua piring kapasitor membentuk arus.

Harus dicatat secara khusus bahwa arus pada kapasitor tidak berarti bahwa tuduhan benar -benar mengalir melalui media isolasi antara dua pelat kapasitor, tetapi hanya aliran yang dibentuk oleh pengumpulan tuduhan dari luar ke dua pelat kapasitor selama pengisian dan aliran yang dibentuk oleh aliran muatan dari dua lahan kapasitor ke luar selama pengisian dan aliran yang dibentuk oleh aliran tuduhan dari dua lahan kapasitor ke luar selama pengisian. Dengan kata lain, arus kapasitor sebenarnya adalah arus eksternal, bukan arus internal, yang berbeda dari resistor dan induktor.

Unit untuk mengukur jumlah pengisian kapasitor adalah jumlah biaya - Q. Semakin besar perbedaan potensial antara pelat kapasitor, semakin banyak muatan pelat kapasitor dibebankan, yaitu, jumlah muatan sebanding dengan perbedaan potensial (tegangan), mis., Q = C*V. Untuk kapasitor yang ditentukan, C adalah konstan.

Oleh karena itu, C = Q/V digunakan untuk mengekspresikan kapasitas penyimpanan muatan pelat kapasitor, dan C disebut kapasitansi.

Ekspresi diferensial kapasitansi adalah: c = dq (t)/dv (t).

Karena saat ini sama dengan jumlah perubahan muatan per satuan waktu, mis., I (t) = dq (t)/dt, menggabungkan dua formula di atas, kita dapatkan: i (t) = c DV (T)/DT, yaitu, arus kapasitor sebanding dengan laju perubahan tegangannya (turunan sehubungan dengan waktu). Semakin cepat tegangan berubah, semakin besar arus.
Ringkasan: v (t) = l Di (t)/dt
Ini menunjukkan bahwa perubahan arus membentuk tegangan induksi induktor (tidak ada tegangan yang diinduksi jika arus konstan).
i (t) = c*dv (t)/dt menunjukkan bahwa perubahan tegangan membentuk arus eksternal kapasitor (sebenarnya perubahan jumlah biaya. Tidak ada arus eksternal dari kapasitor yang terbentuk jika tegangan konstan).

III. Perubahan komponen menjadi fase sinyal

Pertama-tama, harus diingatkan bahwa konsep fase adalah untuk sinyal sinusoidal, dan tidak ada konsep fase untuk sinyal DC, sinyal perubahan non-periodik, dll.

Tegangan dan arus pada resistor berada pada fase yang sama
Karena tegangan pada resistor v (t) = r i (t), jika i (t) = sin (ωt + θ), lalu v (t) = r sin (ωt + θ). Oleh karena itu, tegangan dan arus pada resistor berada dalam fase yang sama.
Arus pada lag induktor di belakang tegangan sebesar 90 ° dalam fase
Karena tegangan yang diinduksi pada induktor V (t) = l di (t)/dt, jika i (t) = sin (ωt + θ), lalu v (t) = l cos (ωt + θ). Oleh karena itu, arus pada lag induktor di belakang tegangan yang diinduksi dengan fase 90 °, atau tegangan yang diinduksi mengarah pada arus dengan 90 ° pada fase.

Pemahaman intuitif: Bayangkan induktor secara seri dengan resistor untuk magnetisasi. Dari perspektif proses magnetisasi, perubahan arus magnetisasi menyebabkan perubahan hubungan fluks, dan perubahan hubungan fluks menghasilkan gaya elektromotif yang diinduksi dan arus yang diinduksi. Menurut hukum Lenz, arah arus yang diinduksi berlawanan dengan arus magnetisasi, yang menunda perubahan arus magnetisasi, membuat fase lag arus magnetisasi di belakang tegangan yang diinduksi.

Arus pada kapasitor mengarah ke tegangan sebesar 90 ° dalam fase
Karena arus pada kapasitor i (t) = c dv (t)/dt, jika v (t) = sin (ωt + θ), lalu i (t) = c cos (ωt + θ).
Oleh karena itu, arus pada kapasitor menyebabkan tegangan sebesar 90 ° dalam fase, atau lag tegangan di belakang arus sebesar 90 ° dalam fase.

Pemahaman intuitif: Bayangkan kapasitor secara seri dengan resistor untuk mengisi daya. Dari perspektif proses pengisian, akumulasi muatan yang mengalir (mis., Arus) selalu terjadi sebelum perubahan tegangan pada kapasitor, yaitu arus selalu mengarah tegangan, atau tegangan selalu tertinggal di balik arus.

Persamaan integral berikut dapat mencerminkan intuisi ini:
v (t) = (1/c)*∫i (t)*dt = (1/c)*∫dq (t), yaitu akumulasi perubahan muatan membentuk tegangan, sehingga dq (t) mengarah V (t) dalam fase; dan proses akumulasi muatan adalah proses perubahan sinkron arus, yaitu, i (t) berada dalam fase dengan dq (t). Oleh karena itu, saya (t) memimpin V (t) dalam fase.

IV. Penerapan perbedaan fase komponen

- Pemahaman tentang RC Wien Bridge dan proses resonansi LC
Baik RC Wien Bridge dan LC Series Resonance dan resonansi paralel disebabkan oleh perbedaan fase antara tegangan dan arus kapasitor dan/atau induktor, seperti ritme resonansi mekanis.

Ketika dua gelombang sinusoidal dengan frekuensi dan fase yang sama ditumpangkan, amplitudo gelombang yang ditumpangkan mencapai maksimum, yang disebut resonansi dalam sirkuit.

Ketika dua gelombang sinusoidal dengan frekuensi yang sama tetapi fase yang berlawanan ditumpangkan, amplitudo gelombang yang ditumpangkan akan dikurangi ke minimum, bahkan nol. Ini adalah prinsip pengurangan atau penyerap getaran, seperti peralatan pengurangan kebisingan.

Ketika ada beberapa sinyal frekuensi yang dicampur dalam suatu sistem, jika dua sinyal dengan frekuensi yang sama beresonansi, energi dari frekuensi getaran lain dalam sistem akan diserap oleh dua sinyal ini dengan frekuensi dan fase yang sama, sehingga menyaring frekuensi lain. Ini adalah prinsip penyaringan resonansi di sirkuit.

Resonansi perlu memenuhi dua kondisi: frekuensi yang sama dan fase yang sama. Metode bagaimana sirkuit memilih frekuensi melalui karakteristik frekuensi amplitudo telah dibahas dalam jembatan RC Wien sebelumnya. Gagasan seri LC dan paralel sama dengan RC, jadi tidak akan diulangi di sini.

Mari kita ambil perkiraan kasar kompensasi fase dalam resonansi sirkuit (pergeseran fase yang lebih akurat perlu dihitung)

Resonansi Jembatan RC Wien
Jika tidak ada C2, arus sinyal sinusoidal UO mengalir dari C1 → R1 → R2, dan tegangan output UF dibentuk melalui penurunan tegangan pada R2. Karena arus cabang bergeser fase 90 ° di depan UO oleh kapasitor C1, arus ini dengan fase terkemuka mengalir melalui R2 (resistor tidak menghasilkan pergeseran fase!), Membuat tegangan output UF UO UO sebesar 90 ° dalam fase.

Ketika C2 terhubung secara paralel dengan R2, C2 memperoleh tegangan dari R2. Karena efek tertinggal dari kapasitor pada tegangan, tegangan pada R2 juga dipaksa untuk tertinggal. (Tapi mungkin bukan 90 °, karena ada juga pengaruh C1 → R1 → C2 arus pada tegangan pada C2, yaitu, UF, tetapi pada frekuensi karakteristik RC, fase output UF sama dengan UO setelah menghubungkan C2 secara paralel.)
Ringkasan: Menghubungkan kapasitor secara paralel membuat fase lag sinyal tegangan, yang disebut kompensasi paralel dari fase tegangan.

Resonansi paralel LC
Jika tidak ada kapasitor C, sinyal sinusoidal U diinduksi ke sisi sekunder melalui L untuk output UF, dan tegangan UF mengarah U dengan 90 °; Ketika kapasitor C terhubung secara paralel dengan sisi primer L, karena efek lagging kapasitor pada tegangan, tegangan pada L juga dipaksa tertinggal 90 °. Oleh karena itu, fase output UF sama dengan yang dari U setelah menghubungkan C secara paralel.
Resonansi Seri LC
Untuk sinyal sinusoidal input u, kapasitor C membuat arus pada beban R dalam sirkuit seri memimpin U dengan fase 90 °, dan induktor L membuat arus dalam sirkuit seri yang sama lag sebesar 90 ° dalam fase. Pergeseran dua fase membatalkan satu sama lain dengan tepat. Oleh karena itu, output UF berada dalam fase dengan input u.

Ringkasan:

(Perhatikan bahwa pengaruh fase belum tentu 90 °, yang terkait dengan bagian lain, dan perlu dihitung)
Kapasitor seri membuat fase saat ini dari timah cabang seri, sehingga mempengaruhi fase tegangan output.
Kapasitor paralel membuat fase tegangan lag cabang paralel, sehingga mempengaruhi fase tegangan output.
Induktor seri membuat fase saat ini dari lag cabang seri, sehingga mempengaruhi fase tegangan output.
Induktor paralel membuat fase tegangan dari timbal cabang paralel, sehingga mempengaruhi fase tegangan output.

Memori yang lebih ringkas:
Kapasitor membuat fase saat ini memimpin, dan induktor membuat fase tegangan. (Keduanya merujuk pada arus atau tegangan pada komponen)
CAPACITOR - LEAD Arus, Induktor - Tegangan Tegangan.