【技术专辑】用液压技术理解电力

想更好地了解电力的来龙去脉?继续阅读!

 

概述

 

对于某人(即使那些获得大量电力和磁力学学位的人,例如物理学和电气工程学)来说,了解整个电路及其各个组件的功能是如何的,这种情况并不少见。巩固理解的一种常用技术是学习电力的水力学类比,这可以说比电力本身更容易可视化。首先,我们将介绍与实际系统的组件比较,然后介绍电力和水流本身之间的一般类比,最后是类比分解的几个地方。在大多数情况下,类比仅适用于直流电路。

 

那么这个类比实际上有多接近?那么,说表面价值比较没有一些陷阱是天真的。例如,当电压是类似的液压系统压力(和电流类似于水流),有一个下限压力范围内,并且一个水贮存器(其类似于电接地)的要求,以避免创建在操作中的气泡和空隙(空化)。以下是两个故障之间的其他一些例子:

 

•AC作为这个类比的一部分分解到一定程度。虽然在低频率下它可以通过管道系统中的水反转方向充分地表示,但是不能实现与高频电信号相比更高的流量反转速率。

 

•液压系统中的流速比电气系统快得多。虽然这一开始可能看起来有点违反直觉,但请记住,电荷载体通常在金属导体中移动得相当缓慢,金属导体在任何地方都具有阻力(水管通过其内壁提供阻力),并且所产生的电荷载流子以水的速率移动通常的液压系统会是巨大的。您可以使用欧姆定律来了解导体中的当前流速,但是与此处的等式进行比较,以了解“电”阻力(阻力)如何对流体流动起作用。

 

•关于组件本身的一些约定将是倒退的。一个例子是打开或关闭的阀门,并指示流体是否可以在该部分中流动。虽然液压系统中的“开放”阀门允许流动,但在电路中,打开意味着连续性中断。 

 

基本元件 - 电线,电阻器,电容器,电感器

 

注意:假设存在液压泵以下每个描述(它对应于直流电路中的理想电压或电流源)。

 

电线及其与泵的关系非常简单,因为(带电)铜线或电缆直接类似于充水管。电线本身的电阻类似于流过管道的水的阻力。从这个意义上讲,节点(当使用基尔霍夫定律分析电路时)将是T形管段。

 

电阻可与管网中管径缩窄的部分相比,限制该区域的流体流动速度,就像电阻限制电流一样。电阻器也可以与某种滤波器进行比较,只要它能阻止管道中的水通过即可。

 

电容器就像阻塞管道部分中的流体流动的膜。当系统中的泵开始推水时,膜将响应来自所述水的压力而伸展。拉伸的重要性与沉积在电容器上的带电量相当。从该描述中应该相当容易看出,该膜的拉伸表示电路中的电压降,并且电容器的放电同样与膜返回其原始程度相当。

 

一个电感器也很容易进行比较,如果你见过一个水磨操作它会更容易。感应器就像被移动的水推动的轮子; 一旦它已经以稳定的速度转动,它将抵抗初始流动或流动的任何变化。

 

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二极管,晶体管和其他位

 

二极管在液压类似于比较都有很好的球形止回阀; 如果你进行快速谷歌图像搜索,你会看到各种图表和产品图片,但下面是一个这样的例子:

 

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球形止回阀的工作原理是将球安装在弹簧系统上,弹簧系统通过入口处的压力积聚而压缩。这压缩了弹簧,允许水向前流动,但是如果水在另一个方向流动,则间隙将再次关闭。这与二极管需要一定的正向电位才能运行的想法相当。

 

该晶体管是,在我看来,整个比喻的最酷的一部分,因为起初以为你可能会认为,这将是一个更为复杂的组件或流部分。事实并非如此!它可以通过垂直移入和移出流路的阀门有效地表示,增加或减少可以通过的水量(尽管这可能需要由其自身的泵系统控制,或者手动控制) ,完全捕捉BJT或FET晶体管处理输入和输出的方式)。

 

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作为最后一个例子,我们将看看运算放大器。我承认,虽然我熟悉这篇文章的基础知识,但我之前没有考虑任何高级组件。虽然至少有几个这些漂浮(你可以找到一个液压等效诚然特定运算放大器积分器电路的图纸在这里),这似乎是(的东西,如运算放大器实例你可能已经在你自己的经历中看到相当多的东西)很难找到并且很难解释。我找到的最好的是在Bryn Mawr College 网站上的教科书部分,但由于它模糊和冗长,我将尝试在此解释它并提供快速草图。

 

运算放大器可以用液压装置代表一个连接在杠杆臂上的旋转阀,杠杆臂的两侧两侧有两个橡胶气囊(这些橡胶气囊代表同相和反相输入端子)。一侧是真空管,另一侧是压缩机管,分别代表负极和正极供电端子。两个“输入”气球提供压力平衡,该压力平衡决定了杠杆是否被向上或向下推动,因此哪个供应被供给到系统的输出管。就像在[理想]运算放大器中一样,您具有无限的输入阻抗和零输出阻抗。由此可以很容易地理解这样的系统如何与运算放大器相关以及它如何对一个输入端的反应比另一个更正(或负)。

 

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最后的话

 

因此,您可以通过类似于管道系统中的水流来了解电力和电子元件的运行情况。虽然如果你在理解电路如何工作方面遇到困难,我完全鼓励掌握这一点,但一定要不要依赖它 - 就像任何事情一样,练习是掌握一门学科的关键。有了时间和耐心,您将在绘制或将它们组合在一起时,对电路子部分的工作方式做出合理的估计。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计