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困扰工程师41年!电容两端电压求解


品慧电子讯据说这是一道让很多工程师都绞尽脑汁却仍然无法理解的题目,困扰了TI工程师41年之久。电路方面的工程师都了解,一道题已知参数提供的越少,越难求解,那么这到底是个什么样题目呢,今天电子元件技术网就给大家来揭秘一下。题目很简单,如下所示:

一个1V的交流信号,连接着一个1Ω电阻和一个1Ω电抗的电容。在电容两端的交流电压是多少?

图1 电路图这道引发争议的题目,答案是惟一的,还是有多种呢,我们来看看电子元件技术网论坛的网友都是些什么样的观点:

网友yuanhaiys :0.5V交流电压;

网友wulinz :看交流点的频率,其实就是个R与1/jw的分压关系;

网友 累醉 :计算出来应该是0.75V吧;

网友 haitao0612 :0.707V,根据矢量图,1+1i,是矢量电抗;分压是1V。那么在电阻上和电容上的分压是0.707V,而且发生了90度的相移。

网友 lsjiang :这个输出电压的模值为0V,其交流输出电压也为:0V。交流信号在电容上就是短路。

网友 aleda303 :应该是1 * (-1) / |1+j| = √2/2 = - 0.707

网友 lsjiang :分3种情况讨论:

1.信号源的频率与回路的谐振频率一致,此时输出电压为零;

2.信号源的频率高于回路的谐振频率,这时的输出电压为0.707V左右;

3. 信号源的频率低于回路的谐振频率,此种情况下输出电压为1.0V。


网友 追逐:电阻与电容串联,二者流过的电流是同一个电流,二者的电压值分别等于该电流乘以其电阻R及容抗Zc:UR = I*R uc = I*Zc 但二者的电压相位不一样:电阻的电压相位与电流同相位,而电容的电压相位却滞后电流相位90度,即电阻的电压方向与电容的电压方向是互为垂直的,故信号电压(1V)与电阻的电压及电容的的电压三者成直角三角形的关系,由于电阻的阻值与电容的容抗相等,该电压三角形为等腰直角三角形。故:其信号电压(斜边)=1V时,电容二端电压(直角边)= 1*sin45(度)=√2/2=0.7V

那么到底是什么样的答案呢?且让我们来看看TI信号链工程师Michael Huang是怎么跟大家解释这道题的。

黄工说他以前跟很多工程师分享了这个问题,工程师们最常见的反应是,“频率是多少”。但是,为什么我们需要知道频率呢?我们已经知道电容的电抗值了,频率是多余的。或许还有人问,信号源是否可能直流,但是这道题可不是脑筋急转弯。在下面的图中已经标出AC(交流),且电容的电抗值有限,不可能是直流。

一些人掉进了0.5V的陷阱里,而在纯阻性的分压网络,1Ω-1Ω里,才能使得输出为0.5V。这里的情况并非如此。我做了一些简单的矢量计算,正确的回答了问题。

R/C电路产生了极点。阻值和抗值相等时的频率为“拐点”或称截至频率。这点的响应是-3dB(0.707V)的衰减,和45°的相位滞后。如图所示:不需要数学计算,波特图如下:

图2 波特图

另外,在电阻两端也有着和电容两端相同的幅度的电压,都是0.707V,当然,相位是不同的。

听了专家的解释,是不是觉得豁然开朗了好多,当然如果你还有其他的见解,可以在下面评论,欢迎广大网友能够大胆的说出自己的想法与见解,供大家共同讨论。

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