交流电功率因素
本帖最后由 能量海 于 2017-10-27 13:11 编辑
第十二章：基础电子学
更先进的材料：
如果你是刚着手本教程中已经描述过的类型的一些基本的开关电路，你不必被本节困扰，所以请随时跳过这一节，并转到“原型结构”部分，你会立即找到有用的东西。
这部分是对交流电路和脉冲直流电路的简单介绍。让我再次强调，我主要是自学的，因此这只是基于我当前理解力的一般性介绍。
交流电功率因素
交变电流，通常被称为“交流”（AC），是因为这种类型的电源的电压不是一个恒定的值。例如，汽车电池是直流电，它在充满电状态时有一个相当稳定的电压，通常约为12.8伏。如果你把一个电压表跨接在汽车电池上并观察它，电压读数是不变的。一分钟接着又一分钟，它的读数完全相同，因为它是一个直流源。
如果你把一个交流电压表跨接一个交流电源，也会得到一个稳定的读数，但它是在撒谎。尽管那个稳定的读数，电压其实是一直在变化着的。假设那个交流波形是一个像这样的正弦波，电表在做什么：
而基于这种假定，它显示的电压读数被称为“均方根”或“RMS”值（有效值）。用正弦波的主要困难在于低于零伏的电压与它高于零伏的时间长度完全相同，因为它是上述零伏，所以如果你把它平均起来，其结果是零伏，这不是令人满意的结果，因为你会受到它的冲击，因此它不能为零伏，不管算术平均值是什么。
为解决这个问题，每秒测量电压数千次，再把所有结果求平方（即，值乘以自身），然后求这些值的平均值。其优点是，当电压——比如说是，负的10伏，你将其平方，得数为正的100伏。实际上，所有得数将为正的，这意味着你可以把它们加在一起，求平均数，并得到一个合理的结果。然而，你最终得到一个远远太高的值，因为你乘方每次测量，所以你需要取那些平均值的平方根，而这就是那个花哨的名字“均方根”的来源——你正在取求平方的测量的平均值的（平方）根。
以像这样的正弦波，电压尖峰为大家谈论的高于均方根值的41.4%。而你需要记住，当选择电容器的额定电压时，这意味着，如果你通过四个二极管整流桥输送100伏交流电，并把它送入一个电容器，电容器电压将不会是100伏的直流，而它将会是141.4伏的直流。在那个实例中，我建议电容器的型号是能在高达200伏电压下运行的。
您大概已经知道所有这一切，但如果你在一个不是正弦波的波形上用标准的交流电压表，它可能不出现，表上的读数最不可能是正确的或多少是近乎正确的。 所以，请不要兴高采烈地在正产生急剧的电压尖峰的电路——例如，一个约翰·贝迪尼的电池脉冲电路两端连接交流电压表，并以为那个表的读数意味着什么（除非你不明白自己在做什么）。
你将有望学到，功率的瓦特是由电流的安培与电压的伏特相乘决定的。例如，10安培的电流由12伏的电源流出，代表120瓦的功率。不幸的是，那在只有电阻器的直流或交流电路才起有效作用。在非电阻元件的交流电路中情况是不同的。
你可能会遇到的这种类型的电路是有线圈的，当你处理这些类型的电路时，你需要考虑你在做什么。例如，看看这个电路：
这是你刚建成的原型的输出部分。输入到原型是直流，测量为12伏2安培（即24瓦）。你的输出上的交流电压表读数为15伏，而你的交流电流表读数为2.5安培，你很高兴，因为15×2.5=37.5，这看起来比输入功率的24瓦大得多。但是，在你抢着跑去在YouTube上宣布你已经做了一台COP=1.56或具有156％的效能的原型机之前，你要想想真实情况是否如此。
这是一个交流电路，而除非你的原型产生的是一个完美的正弦波，那么交流电压表的读数将变得毫无意义。只可能你的交流电流表是几种能够精确测量电流的类型中的一种——不管输送给它什么样的波形，但无疑可能那将是一个数字式表，它是通过测量与输出串联的电阻两端的交流电压评估电流的，而如果是这样的话，它可能会被假定为一个正弦波。可能两个读数都是错的，但让我们拿我们有一台很棒的仪表来说吧，它能完全正确地读值。那么输出将是37.5瓦，不是吗？好吧，实际上，并非如此。其原因是电路输送给变压器绕组，这是一个线圈，而线圈不喜欢那样运行。
问题是，不像电阻器那样，当你在线圈两端施加一个电压时，线圈开始吸收能量，并把它送入围绕着线圈的磁场中，所以在电流达到其最大值之前会有一个延宕。用直流，这通常关系不大，但对于交流电，其电压是不断变化的，这非常重要。这种情况可以在下图中看到所示的电压和电流：
起初，这不像是什么大不了的问题，但它对实际功率的瓦特有着一个非常显著的影响。要获得我们较早前谈到的37.5瓦的输出，我们把平均电流与平均电压相乘。但这两个值并不同时产生，而有着重大的影响。
由于这会有点难理解，让我们取峰值，而不是平均值，因为它们更容易理解。比方说，在我们的图示中，电压峰值为10伏，电流峰值为3安培。如果这是直流，我们会把它们相乘，并得到功率为30瓦。但对于交流，这无效——因为时差：
当电压在峰值时，电流尚远未及其3安培的峰值：
正因如此，没有得到我们预计的在电压顶端的峰值功率，实际功率瓦特要低得多——少于我们预计的一半。这可不妙，当你再仔细看看，还更糟糕。当电流过零线时，看看电压是多少，那就是，当其时，电流为零。当电流为零时，输出功率为零，而发生这种情况时，电压在一个很高的值上：
电压为零时也是这样。电压为零时，则功率也为零，而你会注意到，这发生在电流处于高值时：
功率不是平均电流乘以平均电压，如果在电路中有一个线圈——它将由于一个被称为“功率因数”的量而小于那个数，我会让你自己找到为什么这样称呼它的答案。
那么，你是怎样测定功率的？它是通过每秒多次取样电压和电流，并平均这些组合的结果而完成的：
在时间上电压和电流的采样由垂直的红线表示，而这些数字被用来计算实际的功率位准。在这个例子中，只显示了少数的采样，但实际上，要取得非常大量的采样数据。做这种工作的一台设备由于它测量功率瓦特而被称为瓦特计。采样可通过仪器内的绕组完成，导致在仪器里由于过载而被损坏——几乎没有指针的满偏转，或者可以通过数字采样和数学整合完成。这些仪表的大多数数字采样型号只在高频下运行，通常每秒超过400,000周。两种瓦特计都能处理所有波形，而不仅仅是正弦波形。
为你家庭供电的供电公司测量电流时，是假定所有时间电流被汲取时都是满电压的。如果你是从市电为一台强大的电机供电，那么这个电流滞后——由于电力公司没有把它考虑进去，它会耗费你的金钱。通过连接一个或多个合适的电容器在电机两端，以使功率损耗降到最低，则有可能纠正这种情况。
对于线圈（花哨名“感应器”，符号“L”），交流的运行与直流的运行有很大不同。线圈有一个直流电阻，可用万用表的欧姆量程测量，但在使用交流电时，那个电阻并不适用，因为交流电流的流动不是单独由线圈的直流电阻决定的。因此，线圈的电流控制因子必须用到第二个术语，而所选择的术语是“阻抗”。所有线圈的导线都有电阻，而那是反对电流流过线圈的，不管施加到线圈的电压是直流还是交流。线圈中导线的邻近线匝之间的电容导致了线圈的一个特点，即“阻碍”交流电流通过线圈，而那个阻抗的量取决于应用于线圈的交流电压的频率。
线圈的阻抗取决于它的大小、形状、绕制方法、匝数和芯材。如果线圈芯是铁或钢，（通常为彼此绝缘的铁的薄层），那么它只能处理低频。你可以忘掉试图每秒递送10,000周（“赫兹”）通过线圈，因为磁芯就是不能足够快地改变其磁化去应付那个频率。那个类型的磁芯对于极低的50赫兹或60赫兹的频率用于市电电力是没问题的，它保持那个低频，以使电动马达可以直接利用它。
对于较高的频率，可以用铁氧体作为磁芯，这就是为什么有些便携式收音机用铁氧体棒天线了——那是一根线圈缠绕其上的铁氧体棒。对于更高的频率（或更高的效能），用封装在环氧树脂里的铁粉。另一种方法是不用任何芯材，而那是作为一种空心线圈处理的。它们在频率上不受磁芯的限制，但它们对于任何给定的匝数都有一个低得多的电感。线圈的效能被称为它的“Q”值（意为“质量”），而Q因子越高则越好。导线的电阻降低了Q因子。
线圈有电感、和导线造成的电阻、以及彼此靠近的线匝导致的电容。不过，话虽如此，电感通常远远大于其它两个成分，以至于我们往往忽略其它两个。有些不一定立即显现的是，对于交流流过线圈的阻抗取决于电压变化的速度。如果施加到线圈的交流电压每十秒完成一周，那么阻抗将比每秒一百万次的电压周期要低得多。
如果叫你猜，你会认为随着交流频率的增加，阻抗将稳步增加。换言之，改变的一个直线图形类型。事实并非如此。由于一种功能叫做共振，在一个特定的频率上，线圈的阻抗大为增加。这是用于调幅无线电接收机的调谐方法。在很早期，电子元器件来之不易，可变线圈有时被用来调节。我们今天仍然有可变线圈，一般用于处理大电流，而不是无线电信号，而我们称之为“变阻器”，有的看起来像这样：
它们有着一个导线缠绕在空心的线圈架上的线圈和一个可以沿着杆推动的滑块，线圈里连接滑块到不同的绕组取决于其沿支撑杆的位置。线圈接点于是到滑块再到线圈的一端。滑块的位置有效地改变电路中的线圈部分的导线的圈数。改变线圈里的匝数，就改变了那个线圈的共振频率。交流电流发现它非常、非常难以通过与交流电流频率具有相同的共振频率的的一个线圈。正因为如此，它可以被用来作为无线电信号的调谐器：
如果通过沿线圈滑动触点改变线圈的共振频率去匹配本地无线电台，则那个无线电发射机的特定的交流信号频率发现它几乎不可能通过线圈，所以当它从天线流向接地线时，它（而且只有它）转而通过二极管和耳机，于是耳机听到了无线电台。如果天线下来其它的无线电信号，那么，疏于它们不在线圈的共振频率上，它们顺畅地流经线圈而不流向耳机。
当市面上有了可变电容器时，这种系统很快就变得更便宜和更紧凑了。因此，不是用可变线圈调谐无线电信号，而是用一个可变电容器连接在调谐线圈两端去做同样的工作：
第十二章：基础电子学
更先进的材料：
如果你是刚着手本教程中已经描述过的类型的一些基本的开关电路，你不必被本节困扰，所以请随时跳过这一节，并转到“原型结构”部分，你会立即找到有用的东西。
这部分是对交流电路和脉冲直流电路的简单介绍。让我再次强调，我主要是自学的，因此这只是基于我当前理解力的一般性介绍。
交流电功率因素
交变电流，通常被称为“交流”（AC），是因为这种类型的电源的电压不是一个恒定的值。例如，汽车电池是直流电，它在充满电状态时有一个相当稳定的电压，通常约为12.8伏。如果你把一个电压表跨接在汽车电池上并观察它，电压读数是不变的。一分钟接着又一分钟，它的读数完全相同，因为它是一个直流源。
如果你把一个交流电压表跨接一个交流电源，也会得到一个稳定的读数，但它是在撒谎。尽管那个稳定的读数，电压其实是一直在变化着的。假设那个交流波形是一个像这样的正弦波，电表在做什么：
而基于这种假定，它显示的电压读数被称为“均方根”或“RMS”值（有效值）。用正弦波的主要困难在于低于零伏的电压与它高于零伏的时间长度完全相同，因为它是上述零伏，所以如果你把它平均起来，其结果是零伏，这不是令人满意的结果，因为你会受到它的冲击，因此它不能为零伏，不管算术平均值是什么。
为解决这个问题，每秒测量电压数千次，再把所有结果求平方（即，值乘以自身），然后求这些值的平均值。其优点是，当电压——比如说是，负的10伏，你将其平方，得数为正的100伏。实际上，所有得数将为正的，这意味着你可以把它们加在一起，求平均数，并得到一个合理的结果。然而，你最终得到一个远远太高的值，因为你乘方每次测量，所以你需要取那些平均值的平方根，而这就是那个花哨的名字“均方根”的来源——你正在取求平方的测量的平均值的（平方）根。
以像这样的正弦波，电压尖峰为大家谈论的高于均方根值的41.4%。而你需要记住，当选择电容器的额定电压时，这意味着，如果你通过四个二极管整流桥输送100伏交流电，并把它送入一个电容器，电容器电压将不会是100伏的直流，而它将会是141.4伏的直流。在那个实例中，我建议电容器的型号是能在高达200伏电压下运行的。
您大概已经知道所有这一切，但如果你在一个不是正弦波的波形上用标准的交流电压表，它可能不出现，表上的读数最不可能是正确的或多少是近乎正确的。 所以，请不要兴高采烈地在正产生急剧的电压尖峰的电路——例如，一个约翰·贝迪尼的电池脉冲电路两端连接交流电压表，并以为那个表的读数意味着什么（除非你不明白自己在做什么）。
你将有望学到，功率的瓦特是由电流的安培与电压的伏特相乘决定的。例如，10安培的电流由12伏的电源流出，代表120瓦的功率。不幸的是，那在只有电阻器的直流或交流电路才起有效作用。在非电阻元件的交流电路中情况是不同的。
你可能会遇到的这种类型的电路是有线圈的，当你处理这些类型的电路时，你需要考虑你在做什么。例如，看看这个电路：
这是你刚建成的原型的输出部分。输入到原型是直流，测量为12伏2安培（即24瓦）。你的输出上的交流电压表读数为15伏，而你的交流电流表读数为2.5安培，你很高兴，因为15×2.5=37.5，这看起来比输入功率的24瓦大得多。但是，在你抢着跑去在YouTube上宣布你已经做了一台COP=1.56或具有156％的效能的原型机之前，你要想想真实情况是否如此。
这是一个交流电路，而除非你的原型产生的是一个完美的正弦波，那么交流电压表的读数将变得毫无意义。只可能你的交流电流表是几种能够精确测量电流的类型中的一种——不管输送给它什么样的波形，但无疑可能那将是一个数字式表，它是通过测量与输出串联的电阻两端的交流电压评估电流的，而如果是这样的话，它可能会被假定为一个正弦波。可能两个读数都是错的，但让我们拿我们有一台很棒的仪表来说吧，它能完全正确地读值。那么输出将是37.5瓦，不是吗？好吧，实际上，并非如此。其原因是电路输送给变压器绕组，这是一个线圈，而线圈不喜欢那样运行。
问题是，不像电阻器那样，当你在线圈两端施加一个电压时，线圈开始吸收能量，并把它送入围绕着线圈的磁场中，所以在电流达到其最大值之前会有一个延宕。用直流，这通常关系不大，但对于交流电，其电压是不断变化的，这非常重要。这种情况可以在下图中看到所示的电压和电流：
起初，这不像是什么大不了的问题，但它对实际功率的瓦特有着一个非常显著的影响。要获得我们较早前谈到的37.5瓦的输出，我们把平均电流与平均电压相乘。但这两个值并不同时产生，而有着重大的影响。
由于这会有点难理解，让我们取峰值，而不是平均值，因为它们更容易理解。比方说，在我们的图示中，电压峰值为10伏，电流峰值为3安培。如果这是直流，我们会把它们相乘，并得到功率为30瓦。但对于交流，这无效——因为时差：
当电压在峰值时，电流尚远未及其3安培的峰值：
正因如此，没有得到我们预计的在电压顶端的峰值功率，实际功率瓦特要低得多——少于我们预计的一半。这可不妙，当你再仔细看看，还更糟糕。当电流过零线时，看看电压是多少，那就是，当其时，电流为零。当电流为零时，输出功率为零，而发生这种情况时，电压在一个很高的值上：
电压为零时也是这样。电压为零时，则功率也为零，而你会注意到，这发生在电流处于高值时：
功率不是平均电流乘以平均电压，如果在电路中有一个线圈——它将由于一个被称为“功率因数”的量而小于那个数，我会让你自己找到为什么这样称呼它的答案。
那么，你是怎样测定功率的？它是通过每秒多次取样电压和电流，并平均这些组合的结果而完成的：
在时间上电压和电流的采样由垂直的红线表示，而这些数字被用来计算实际的功率位准。在这个例子中，只显示了少数的采样，但实际上，要取得非常大量的采样数据。做这种工作的一台设备由于它测量功率瓦特而被称为瓦特计。采样可通过仪器内的绕组完成，导致在仪器里由于过载而被损坏——几乎没有指针的满偏转，或者可以通过数字采样和数学整合完成。这些仪表的大多数数字采样型号只在高频下运行，通常每秒超过400,000周。两种瓦特计都能处理所有波形，而不仅仅是正弦波形。
为你家庭供电的供电公司测量电流时，是假定所有时间电流被汲取时都是满电压的。如果你是从市电为一台强大的电机供电，那么这个电流滞后——由于电力公司没有把它考虑进去，它会耗费你的金钱。通过连接一个或多个合适的电容器在电机两端，以使功率损耗降到最低，则有可能纠正这种情况。
对于线圈（花哨名“感应器”，符号“L”），交流的运行与直流的运行有很大不同。线圈有一个直流电阻，可用万用表的欧姆量程测量，但在使用交流电时，那个电阻并不适用，因为交流电流的流动不是单独由线圈的直流电阻决定的。因此，线圈的电流控制因子必须用到第二个术语，而所选择的术语是“阻抗”。所有线圈的导线都有电阻，而那是反对电流流过线圈的，不管施加到线圈的电压是直流还是交流。线圈中导线的邻近线匝之间的电容导致了线圈的一个特点，即“阻碍”交流电流通过线圈，而那个阻抗的量取决于应用于线圈的交流电压的频率。
线圈的阻抗取决于它的大小、形状、绕制方法、匝数和芯材。如果线圈芯是铁或钢，（通常为彼此绝缘的铁的薄层），那么它只能处理低频。你可以忘掉试图每秒递送10,000周（“赫兹”）通过线圈，因为磁芯就是不能足够快地改变其磁化去应付那个频率。那个类型的磁芯对于极低的50赫兹或60赫兹的频率用于市电电力是没问题的，它保持那个低频，以使电动马达可以直接利用它。
对于较高的频率，可以用铁氧体作为磁芯，这就是为什么有些便携式收音机用铁氧体棒天线了——那是一根线圈缠绕其上的铁氧体棒。对于更高的频率（或更高的效能），用封装在环氧树脂里的铁粉。另一种方法是不用任何芯材，而那是作为一种空心线圈处理的。它们在频率上不受磁芯的限制，但它们对于任何给定的匝数都有一个低得多的电感。线圈的效能被称为它的“Q”值（意为“质量”），而Q因子越高则越好。导线的电阻降低了Q因子。
线圈有电感、和导线造成的电阻、以及彼此靠近的线匝导致的电容。不过，话虽如此，电感通常远远大于其它两个成分，以至于我们往往忽略其它两个。有些不一定立即显现的是，对于交流流过线圈的阻抗取决于电压变化的速度。如果施加到线圈的交流电压每十秒完成一周，那么阻抗将比每秒一百万次的电压周期要低得多。
如果叫你猜，你会认为随着交流频率的增加，阻抗将稳步增加。换言之，改变的一个直线图形类型。事实并非如此。由于一种功能叫做共振，在一个特定的频率上，线圈的阻抗大为增加。这是用于调幅无线电接收机的调谐方法。在很早期，电子元器件来之不易，可变线圈有时被用来调节。我们今天仍然有可变线圈，一般用于处理大电流，而不是无线电信号，而我们称之为“变阻器”，有的看起来像这样：
它们有着一个导线缠绕在空心的线圈架上的线圈和一个可以沿着杆推动的滑块，线圈里连接滑块到不同的绕组取决于其沿支撑杆的位置。线圈接点于是到滑块再到线圈的一端。滑块的位置有效地改变电路中的线圈部分的导线的圈数。改变线圈里的匝数，就改变了那个线圈的共振频率。交流电流发现它非常、非常难以通过与交流电流频率具有相同的共振频率的的一个线圈。正因为如此，它可以被用来作为无线电信号的调谐器：
如果通过沿线圈滑动触点改变线圈的共振频率去匹配本地无线电台，则那个无线电发射机的特定的交流信号频率发现它几乎不可能通过线圈，所以当它从天线流向接地线时，它（而且只有它）转而通过二极管和耳机，于是耳机听到了无线电台。如果天线下来其它的无线电信号，那么，疏于它们不在线圈的共振频率上，它们顺畅地流经线圈而不流向耳机。
当市面上有了可变电容器时，这种系统很快就变得更便宜和更紧凑了。因此，不是用可变线圈调谐无线电信号，而是用一个可变电容器连接在调谐线圈两端去做同样的工作：
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