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Como entender as diferenças de fase causadas por capacitores e indutores？
2025-07-16
Como entender as diferenças de fase causadas por capacitores e indutores
Para os sinais sinusoidais, a fase da corrente que flui através de um componente e a fase da tensão nas duas extremidades não são necessariamente a mesma.
Para os sinais sinusoidais, a fase da corrente que flui através de um componente e a fase da tensão nas duas extremidades não são necessariamente a mesma.
Como essas diferenças de fase surgem? Esse conhecimento é muito importante porque a fase deve ser considerada não apenas para sinais de feedback de amplificadores e auto-osciladores, mas também ao construir um circuito, como precisamos entender, utilizar ou evitar completamente essas diferenças de fase. Vamos discutir esta questão abaixo.
Primeiro, precisamos entender como alguns componentes são construídos; Segundo, entenda os princípios básicos de trabalho dos componentes do circuito; Terceiro, descubra as razões para a geração de diferenças de fase com base nisso; Quarto, construa alguns circuitos básicos usando as características da diferença de fase dos componentes.
I. O processo de nascimento de resistores, indutores e capacitores
Após observação e experimentos de longo prazo, os cientistas descobriram alguns princípios, e muitas vezes existem algumas descobertas acidentais inesperadas, como a descoberta de raios-X de Roentgen e a descoberta de radiação de rádio de Madame Curie. Essas descobertas acidentais se tornaram grandes realizações científicas. O mesmo acontece no campo da eletrônica.
Quando os cientistas passaram por corrente através dos fios, eles descobriram acidentalmente aquecimento de arames e indução eletromagnética e, em seguida, inventaram resistores e indutores. Os cientistas também se inspiraram no fenômeno da eletrificação por atrito e dos capacitores inventados. A criação de diodos devido à descoberta de retificação também é acidental.
Quando os cientistas passaram por corrente através dos fios, eles descobriram acidentalmente aquecimento de arames e indução eletromagnética e, em seguida, inventaram resistores e indutores. Os cientistas também se inspiraram no fenômeno da eletrificação por atrito e dos capacitores inventados. A criação de diodos devido à descoberta de retificação também é acidental.
II. Princípios de trabalho básicos de componentes
Resistor - energia elétrica → energia térmica
Indutor - energia elétrica → energia de campo magnético, & Energia de campo magnético → energia elétrica
Capacitor - energia potencial elétrica → Energia de campo elétrico, & Energia de campo elétrico → Corrente
Pode -se observar que resistores, indutores e capacitores são componentes de conversão de energia. Resistores e indutores percebem a conversão entre diferentes tipos de energia, enquanto os capacitores percebem a conversão entre energia potencial elétrica e energia do campo elétrico.
Indutor - energia elétrica → energia de campo magnético, & Energia de campo magnético → energia elétrica
Capacitor - energia potencial elétrica → Energia de campo elétrico, & Energia de campo elétrico → Corrente
Pode -se observar que resistores, indutores e capacitores são componentes de conversão de energia. Resistores e indutores percebem a conversão entre diferentes tipos de energia, enquanto os capacitores percebem a conversão entre energia potencial elétrica e energia do campo elétrico.
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Resistor
O princípio de um resistor é: energia potencial elétrica → corrente → energia térmica.
Há energia potencial elétrica (cargas positivas e negativas) armazenadas nas extremidades positivas e negativas da fonte de alimentação. Quando um potencial elétrico é aplicado em um resistor, as cargas fluem sob a ação da diferença de potencial - formando uma corrente. Sua velocidade de fluxo é muito mais rápida que a livre movimentação desordenada sem uma diferença de potencial; portanto, o calor gerado por colisões no resistor ou condutor também é mais.
Cargas positivas entram no resistor do final com alto potencial, e cargas negativas entram no resistor do final com baixo potencial. Os dois neutralizam dentro do resistor. A neutralização faz com que o número de cargas positivas no resistor mostre uma distribuição de gradiente da extremidade de alto potencial até a extremidade potencial de baixa potência, e o número de cargas negativas no resistor mostra uma distribuição de gradiente da extremidade de baixa potência para a extremidade de alto potencial, gerando uma diferença de potencial entre o resistor, que é a queda de tensão do resistor. Sob a mesma corrente, quanto maior a resistência do resistor à neutralização, maior a queda de tensão.
Portanto, r = v/i é usado para medir a resistência de um resistor linear (a queda de tensão é proporcional à corrente que passa por ele).
Para sinais de AC, ele é expresso como r = v (t)/i (t).
Para sinais de AC, ele é expresso como r = v (t)/i (t).
Observe que há também o conceito de resistores não lineares, cuja não linearidade inclui tipo de influência de tensão, tipo de influência de corrente, etc.
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Indutor
O princípio de um indutor: Indutor - Energia potencial elétrica → Corrente → Energia de campo magnético, & Energia de campo magnético → energia potencial elétrica (se houver carga, então → corrente).
Quando o potencial da fonte de alimentação é aplicado na bobina do indutor, as cargas fluem sob a ação da diferença de potencial - formando uma corrente e a corrente é convertida em um campo magnético, que é chamado de processo de "magnetização". Se a diferença de potencial da fonte de alimentação através da bobina do indutor magnetizada for removida e a bobina do indutor é conectada a uma carga externa, a energia do campo magnético é convertida em energia elétrica durante o processo de atenuação (se a carga for um capacitor, é a energia do campo elétrico; se a carga for um resistor, é corrente), chamado "Demagnetização".
A unidade para medir a magnetização de uma bobina do indutor é a ligação de fluxo - ψ. Quanto maior a corrente, mais liga de fluxo a bobina do indutor é magnetizada, ou seja, a ligação de fluxo é proporcional à corrente, isto é, ψ = l*i. Para uma bobina indutora especificada, L é uma constante.
Portanto, L = ψ/I é usado para expressar a capacidade de conversão eletromagnética da bobina do indutor, e L é chamado de indutância. A expressão diferencial de indutância é: l = dψ (t)/di (t).
De acordo com o princípio da indução eletromagnética, a alteração da ligação do fluxo gera uma tensão induzida e, quanto maior a mudança da ligação do fluxo, maior a tensão induzida, isto é, v (t) = dψ (t)/dt.
Combinando as duas fórmulas acima, obtemos: v (t) = l*di (t)/dt, ou seja, a tensão induzida do indutor é proporcional à taxa de mudança de corrente (derivada em relação ao tempo). Quanto mais rápida a corrente muda, maior a tensão induzida.
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Capacitor
O princípio de um capacitor: energia potencial elétrica → Corrente → Energia do campo elétrico, energia do campo elétrico → Corrente.
Quando o potencial da fonte de alimentação é aplicado às duas placas metálicas do capacitor, cargas positivas e negativas se reúnem nas duas placas do capacitor, respectivamente, sob a ação da diferença de potencial para formar um campo elétrico, chamado de processo de "carregamento". Se a diferença de potencial da fonte de alimentação no capacitor carregada for removida e o capacitor estiver conectado a uma carga externa, as cargas no capacitor fluem sob sua diferença de potencial, que é chamada de processo de "descarregamento". O fluxo de cargas durante o processo de coleta para o capacitor e fluindo das duas placas do capacitor forma uma corrente.
Deve -se observar especialmente que a corrente do capacitor não significa que as cargas realmente fluam através do meio isolante entre as duas placas do capacitor, mas apenas o fluxo formado pela coleta de cargas de fora para as duas placas do capacitor durante o exterior durante o carregamento. Ou seja, a corrente do capacitor é na verdade uma corrente externa, não uma corrente interna, que é diferente dos resistores e indutores.
A unidade para medir a quantidade de carregamento de um capacitor é o número de cobranças - Q. Quanto maior a diferença de potencial entre as placas do capacitor, mais cobranças as placas do capacitor são cobradas, ou seja, o número de cargas é proporcional à diferença de potencial (tensão), isto é, q = c*v. Para um capacitor especificado, C é uma constante.
Portanto, C = Q/V é usado para expressar a capacidade de armazenamento de carga das placas do capacitor e C é chamado de capacitância.
A expressão diferencial de capacitância é: c = dq (t)/dv (t).
Como a corrente é igual à quantidade de mudança de carga por unidade de tempo, ou seja, i (t) = dq (t)/dt, combinando as duas fórmulas acima, obtemos: i (t) = c
DV (T)/DT, ou seja, a corrente do capacitor é proporcional à taxa de alteração de sua tensão (derivada em relação ao tempo). Quanto mais rápida a tensão muda, maior a corrente.
Resumo: V (t) = L di (t)/dt
Ele mostra que a mudança de corrente forma a tensão induzida do indutor (nenhuma tensão induzida é formada se a corrente for constante).
i (t) = c*dv (t)/dt mostra que a alteração da tensão forma a corrente externa do capacitor (na verdade a mudança de alteração de carga. Nenhuma corrente externa do capacitor é formada se a tensão for constante).
Resumo: V (t) = L di (t)/dt
Ele mostra que a mudança de corrente forma a tensão induzida do indutor (nenhuma tensão induzida é formada se a corrente for constante).
i (t) = c*dv (t)/dt mostra que a alteração da tensão forma a corrente externa do capacitor (na verdade a mudança de alteração de carga. Nenhuma corrente externa do capacitor é formada se a tensão for constante).
III. A mudança dos componentes para a fase de sinalização
Primeiro de tudo, deve-se lembrar que o conceito de fase é para sinais sinusoidais, e não há conceito de fase para sinais de DC, sinais de mudança não periódicos, etc.
- A tensão e a corrente no resistor estão na mesma fase
Porque a tensão no resistor v (t) = r i (t), se eu (t) = sin (ωt + θ), então v (t) = r sin (ωt + θ). Portanto, a tensão e a corrente no resistor estão na mesma fase. - A corrente no indutor fica atrás da tensão em 90 ° em fase
Porque a tensão induzida no indutor v (t) = l di (t)/dt, se i (t) = sin (ωt + θ), então v (t) = l cos (ωt + θ). Portanto, a corrente no indutor fica atrás da tensão induzida em 90 ° na fase, ou a tensão induzida leva a corrente em 90 ° na fase.
Entendimento intuitivo: imagine um indutor em série com um resistor para magnetização. Do ponto de vista do processo de magnetização, a alteração da corrente de magnetização causa a alteração da ligação do fluxo e a mudança da ligação do fluxo gera força eletromotiva induzida e corrente induzida. De acordo com a lei de Lenz, a direção da corrente induzida é oposta à da corrente de magnetização, que atrasa a mudança da corrente de magnetização, tornando a fase do atraso da corrente magnetizante por trás da tensão induzida.
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A corrente do capacitor lidera a tensão em 90 ° na fase
Porque a corrente no capacitor i (t) = c dv (t)/dt, se v (t) = sin (ωt + θ), então i (t) = c cos (ωt + θ).
Portanto, a corrente no capacitor lidera a tensão em 90 ° em fase, ou as tensões atrasadas na corrente em 90 ° em fase.
Entendimento intuitivo: imagine um capacitor em série com um resistor para carregar. Da perspectiva do processo de carregamento, o acúmulo de cargas de fluxo (ou seja, corrente) sempre ocorre antes da mudança de tensão no capacitor, ou seja, a corrente sempre leva a tensão, ou a tensão sempre fica atrás da corrente.
A seguinte equação integral pode refletir esta intuição:
v (t) = (1/c)*∫i (t)*dt = (1/c)*∫dq (t), ou seja, o acúmulo de mudança de carga forma a tensão, então DQ (t) leva v (t) em fase; e o processo de acumulação de carga é o processo de mudança síncrona de corrente, ou seja, i (t) está em fase com DQ (t). Portanto, i (t) leva V (t) em fase.
v (t) = (1/c)*∫i (t)*dt = (1/c)*∫dq (t), ou seja, o acúmulo de mudança de carga forma a tensão, então DQ (t) leva v (t) em fase; e o processo de acumulação de carga é o processo de mudança síncrona de corrente, ou seja, i (t) está em fase com DQ (t). Portanto, i (t) leva V (t) em fase.
IV. Aplicação da diferença de fase do componente
- Compreensão do RC Wien Bridge e LC Resonância
Tanto a RC Wien Bridge quanto a ressonância da série LC e a ressonância paralela são causadas pela diferença de fase entre tensão e corrente dos capacitores e/ou indutores, assim como o ritmo da ressonância mecânica.
Tanto a RC Wien Bridge quanto a ressonância da série LC e a ressonância paralela são causadas pela diferença de fase entre tensão e corrente dos capacitores e/ou indutores, assim como o ritmo da ressonância mecânica.
Quando duas ondas sinusoidais com a mesma frequência e fase são sobrepostas, a amplitude da onda sobreposta atinge o máximo, que é chamado de ressonância no circuito.
Quando duas ondas sinusoidais com a mesma frequência, mas as fases opostas são sobrepostas, a amplitude da onda sobreposta será reduzida ao mínimo, até zero. Este é o princípio de reduzir ou absorver vibração, como equipamentos de redução de ruído.
Quando houver vários sinais de frequência misturados em um sistema, se dois sinais com a mesma frequência ressoam, a energia de outras frequências de vibração no sistema será absorvida por esses dois sinais com a mesma frequência e fase, filtrando outras frequências. Este é o princípio da filtragem ressonante no circuito.
A ressonância precisa atender a duas condições: a mesma frequência e a mesma fase. O método de como o circuito seleciona a frequência através da característica de amplitude-frequência já foi discutida na ponte RC Wien antes. A idéia da série LC e paralela é a mesma do RC, por isso não será repetida aqui.
Vamos fazer uma estimativa aproximada da compensação de fase na ressonância do circuito (a mudança de fase mais precisa precisa ser calculada)
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Ressonância da ponte RC Wien
Se não houver C2, a corrente do sinal sinusoidal UO flui de C1 → R1 → R2 e a tensão de saída UF é formada através da queda de tensão em R2. Como a corrente da ramificação é com muda de fase 90 ° à frente do UO pelo capacitor C1, essa corrente com a fase principal flui através de R2 (o resistor não produz deslocamento de fase!), Fazendo a tensão de saída UF Lead UO em 90 ° em fase.
Quando C2 é conectado em paralelo ao R2, C2 obtém tensão de R2. Devido ao efeito atrasado do capacitor na tensão, a tensão no R2 também é forçada a atrasar. (Mas pode não ser de 90 °, porque também existe a influência da corrente C1 → R1 → C2 na tensão em C2, isto é, UF, mas na frequência característica de RC, a fase de saída do UF é a mesma que a UO após a conexão C2 em paralelo.)
Resumo: A conexão de um capacitor em paralelo faz a fase do atraso do sinal de tensão, que é chamado de compensação paralela da fase de tensão.
Resumo: A conexão de um capacitor em paralelo faz a fase do atraso do sinal de tensão, que é chamado de compensação paralela da fase de tensão.
- Ressonância paralela de LC
Se não houver capacitor C, o sinal sinusoidal u será induzido ao lado secundário através de L para a saída de UF, e a tensão da UF leva U a 90 °; Quando o capacitor C é conectado em paralelo ao lado primário de L, devido ao efeito atrasado do capacitor na tensão, a tensão em L também é forçada a atrasar 90 °. Portanto, a fase de saída do UF é a mesma que a de U após conectar C em paralelo. - Ressonância da série LC
Para o sinal sinusoidal de entrada U, o capacitor C fabrica a corrente na carga R no chumbo do circuito em série U em 90 ° em fase, e o indutor L faz com que a corrente no mesmo circuito em série lag em 90 ° em fase. As duas mudanças de fase se cancelam exatamente. Portanto, a saída UF está em fase com a entrada u.
Resumo:
(Observe que a influência da fase não é necessariamente 90 °, que está relacionada a outras partes, e as necessidades específicas para serem calculadas)
Um capacitor da série produz a fase atual do chumbo da ramificação em série, afetando assim a fase de tensão de saída.
Um capacitor paralelo produz a fase de tensão do atraso do ramo paralelo, afetando assim a fase de tensão de saída.
Um indutor de série faz com que a fase atual do ramo da série seja, afetando assim a fase de tensão de saída.
Um indutor paralelo produz a fase de tensão do chumbo do ramo paralelo, afetando assim a fase de tensão de saída.
Um capacitor da série produz a fase atual do chumbo da ramificação em série, afetando assim a fase de tensão de saída.
Um capacitor paralelo produz a fase de tensão do atraso do ramo paralelo, afetando assim a fase de tensão de saída.
Um indutor de série faz com que a fase atual do ramo da série seja, afetando assim a fase de tensão de saída.
Um indutor paralelo produz a fase de tensão do chumbo do ramo paralelo, afetando assim a fase de tensão de saída.
Uma memória mais concisa:
Os capacitores produzem o chumbo de fase atual, e os indutores produzem o chumbo da fase de tensão. (Ambos se referem à corrente ou tensão no componente)
CAPACITOR - CAIXOS CAIXOS, INDUTOR - CEADOS DE TENSÃO.
Os capacitores produzem o chumbo de fase atual, e os indutores produzem o chumbo da fase de tensão. (Ambos se referem à corrente ou tensão no componente)
CAPACITOR - CAIXOS CAIXOS, INDUTOR - CEADOS DE TENSÃO.
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