【电赛公开课】电力电子基础知识讲座_第03课_阻抗与滤波器

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《电子电路基础知识讲座》由TI邀请青岛大学傅强老师录制，深入浅出的介绍了与电源技术相关的基础性知识，帮助大家由浅入深地了解产品，更轻松的进行产品的选型和设计。

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阻抗与滤波器（点击前往观看）

在上一节【电阻、电容与电感】（超链接）中我们通过电阻、电容、电感的特性方程分析了电路的动态特性，即任何一瞬间电路的电压电流情况。本节我们将用阻抗的观点来看待电阻、电容和电感三种电子元件，这将有助于我们分析电路中滤波器是如何产生的。

1 元件的阻抗

       电路中如果只有电阻元件，我们可以很容易的通过欧姆定律的分压关系，得到各个电阻上的电压是多少。电容电感在电路中的作用可以看成是容抗和感抗在起作用，它们统称为阻抗，与电阻一样具有相同的量纲“欧姆”。表1所示为元件的阻抗列表。

表1元件的阻抗

（1）电阻的阻抗就是R本身，与电信号的频率无关，并且电阻上的电流电压是同相位的。

（2）电容的阻抗与电信号的频率成反比，频率越高阻抗越小，我们可以理解电容的静态特性为“隔直通交”。与电阻不同的是，使用容抗的时候要考虑电容上电压电流的相位差，电流超前电压90°。关于到底是电流超前还是电压超前，不要死记硬背，而是理解。我们这么想就可以了，电容是阻碍电压变化的元件，所以当然是电压落后电流，也就是电流超前电压90°。

（3）电感的阻抗与电信号的频率成正比，频率越高阻抗越大。由于电感是阻碍电流变化的元件，所以电感上电流是滞后电压90°的。

有一个经典的考察对阻抗认识程度的题如图1所示，问中点处电压值。电容阻抗与电阻阻抗相等都为1Ω，这意味着不需要指明信号的频率。多数人都会不假思索的回答是0.5V，但正确答案是0.707V。

图1 考察阻抗知识点的经典问题

2 滤波器原理

正是由于电容和电感的阻抗与频率有关，才使得电路中有了滤波器。搭配电阻、电容和电感三种元件，可以实现低通、高通、带通等滤波功能。根据数学表达式，电容和电感的特性是对称的，但是真实世界中电感元件的成本远高于电阻和电容，所以多数情况下只用电阻和电容来制作滤波器，本书也只讨论RC滤波器的情况。

如图2所示，一个电阻和一个电容对输入信号进行分压，取电容上的电压作为输出，即构成了低通滤波器。（由于电阻上的电压相位与电流相位相同，所以图2中使用R两端电压仿真代替电流）

图2 低通滤波电路

根据阻抗分压原理，输出电压uO的表达式为：

（1）

式1说明，输出电压幅值随频率增加而减少，所以图2电路为低通滤波器。

1）由向量图3可以得输出电压落后输入电压，电角度为：

（2）

图3 低通滤波器的向量图

2）图4为低通滤波电路的瞬时现象仿真图，可观察到输出电压uO落后于输入电压uI。输出电压（电容电压）上的电压相位落后电流相位90°。

图4 低通滤波器的输入输出电流电压波形

如图5所示，一个电阻和一个电容对输入信号进行分压，取电阻上的电压作为输出，即构成了高通滤波器。

图5 高通滤波电路

根据阻抗分压原理，输出电压uO的表达式为：

（3）

式3说明，输出电压幅值随频率增加而增加，所以图5电路为高通滤波器。

3）由向量图6可以得到输出电压超前输入电压，电角度为：

（4）

图6 高通滤波器的向量图

4）图7为高通滤波电路的瞬时现象仿真图，可观察到输出电压uO超前于输入电压uI。输出电压（电阻电压）上的电压相位与电流相位相同。

图7 高通滤波器的输入输出电流电压波形

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【占位，题目1待编辑】

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【第02课时_电阻、电容与电感】一课的课后问题解答如下：

【占位，题目1及答案待编辑】

【占位，题目2及答案待编辑】

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