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电路思路/如何可视化工作点

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电压条 - 电压图 - 电流环路 - IV 曲线 - 阶段 100% developed


需要可视化工作点

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除了 电压条电压图电流环路,我们还可以使用叠加的 IV 曲线来可视化电路操作。这种图形表示的思路如下。

通过等效变换,我们可以将任何电路简化为两个连接在一起的 2 端部分 - 电源负载。每个部分都以其 IV 曲线图形表示,该曲线表示该部分所有可能的电压 V 跨过和电流 I 流过对。然而,在某个特定时间点,只有一个可能的对 (V,I) 在起作用,它决定了图上只有一个点 A 的位置 - 电路的工作点。由于电压和电流对这两个元件都相同,因此工作点是通过在同一个坐标系中绘制的两个元件的 IV 曲线的交点获得的。连接到地线的元件的 IV 曲线从坐标系的原点开始,向右倾斜;另一个元件的 IV 曲线向右偏移并向左倾斜。这种表示允许说明电路的工作模式(点)。

电压到电流转换器(电阻器)由电压源驱动。 我们以这种方式图形表示的最简单的例子可以是只有由电压源驱动的电阻器组成的基本欧姆电路 - 图 1。 

图 1. 通过叠加的 IV 曲线可视化的 V 到 I 转换器

在这里,第一个电路部分只包含连接到地的电阻器 R。它的 IV 曲线是一条直线,它穿过坐标系的原点,并且向右倾斜。第二部分只包含电压源;它的 IV 曲线是一条垂直线,沿着横坐标向右移动,其值等于其电压 VIN。

由恒定输入电压驱动的分压器。 另一个更复杂的例子可以是由电阻器 R1 和 R2 组成的分压器,由恒定的输入电压 VIN 驱动 - 图 2。

图 2. 通过叠加的 IV 曲线可视化的分压器,由恒定的 VIN 驱动

第一个电路部分只包含连接到地的电阻器 R2。它的 IV 曲线是一条直线,它穿过坐标系的原点,并且向右倾斜。第二部分包含两个串联的元件 - 电阻器 R1 和电压源 VIN(我们可以将该网络视为一个具有电压 VIN 和内部电阻 R1 的真实电压源)。它的复合 IV 曲线是一条直线,它沿着横坐标向右移动 VIN,并且向左倾斜(我们可以将其表示为 VINR1)。我们叠加两个元件的 IV 曲线;交点 A 确定流过分压器的电流 IA 及其输出电压 VA。

由变化的输入电压驱动的分压器。 在电路工作期间,一些电路量的幅度会发生变化(例如,对于分压器,可能是输入电压或其中一个电阻)。结果,其 IV 曲线开始移动,工作点沿着另一个 IV 曲线滑动。因此,移动的曲线扫描静止的曲线(移动的曲线是扫描的,静止的曲线是被扫描的)。在分压器示例中,如果源电压改变 - 图 3,其 IV 曲线 VINR1 沿自身平行移动(执行平移)。如果电阻 R1 发生变化,其 IV 曲线绕坐标系的原点旋转;如果电阻 R2 发生变化,其 IV 曲线绕横坐标上的点 VIN 旋转。

图 3. 通过叠加的 IV 曲线可视化的分压器,由变化的 VIN 驱动

复杂的 IV 曲线

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一个更复杂的例子 - 运算放大器反相放大器的经典电路,在图 3 中以三种情况显示:R1 变化,R2 变化,两者同时变化且方向相同。在这三种情况下,运算放大器(直到它达到电源轨)成功地完成了其主要任务 - 在其反相输入端保持零电压(虚拟地)。为此,它会改变其输出电压,使其朝相应的方向移动,并移动电阻器 R2 的 IV 曲线。

图 3. 通过叠加的 IV 曲线可视化的反相放大器

"实时" IV 曲线

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我们甚至可以制作 动画电路教程(例如,使用 Flash 动画师)带有移动的 IV 曲线(你需要 Ruffle Flash 模拟器 来查看 Flash 电影,因为 Adobe Flash Player 不再受支持)。

图 4. 由 IV 曲线动画的 V 到 I 转换器

让我们将这种电路操作图形表示方法与其他方法(电压条电压图电流环路)进行比较。虽然它们只可视化一个电量 - 局部电压、电阻器内的电压分布或局部电流,但 IV 曲线的交点(“工作点”)给出了电路的解。因此,这种方法有时被称为“图解分析法”。

它最常用于计算非线性电路。但在这里,为了这种启发式方法的目的,我们更多地使用它来可视化电路操作。

另请参阅

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如何在电路中可视化电压(通过高度成比例的电压条)
如何在电阻器内可视化电压(通过电压图)
如何可视化电路中的电流(通过电流回路的比例厚度)

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