关于负载和驱动能力的问题总结

这两天重新接触到了驱动能力这个说法,之前也听过,但是一直不理解是怎么回事儿,也就没有深究,现在想来,这里面还是有点门道的。

驱动能力,说的是什么呢?应该就是带载能力,而带载能力,最直观的应该就是输出电流的能力。

在进一步理解驱动能力之前,我们很有必要先理解下负载这件事儿。

负载

负载(load),在物理学中指连接在电路中的两端具有一定电势差的电子元件,用于把电能转换成其他形式的能的装置;在电工学中指在电路中接收电能的设备,是各类用电器的总称。 常用的负载有电阻、引擎、灯泡、空调、电动机等可消耗功率的元件。

对负载最基本的要求是阻抗匹配和所能承受的功率。

关于阻抗匹配,可参考:一文掌握阻抗匹配

负载是电路的基本组成部分

负载一般分为阻性负载、感性负载和容性负载

负载和功率

网上讲解这块的内容很少,可能是比较简单吧,不过作为初学者,如果不弄清楚这个概念,对后续的电路学习,还是会有一些阻碍的。

负载,一般在家庭电路中,就是指各种家用电器,这些家用电器都是并联在市电的两端,使用的都是220V交流电。

回到电子电路中,电路板上使用的各个模块,其实也都是一端接入电源,一端接地,这样来看,各个功能模块也都是并联在电源的两端。

这样并联的各种各样的模块,应该就可以称之为一个一个的负载,加起来就是总的负载。

这样的负载有什么特点呢?

  • 因为负载都是并联的,所以负载两端的电压都是一样的;
  • 因为是并联的,所以总负载的总电阻会越并越小,即负载越多,负载总阻值越小;
  • 因为是并联的,而且并联两端电压恒定,所以每增加一个负载,就会多一个支路需要电流,从而导致负载的总线路电流增大,这也就能解释,为什么家用电器开得越多,越容易超负荷,从而发生电路问题。

我们再从电路的三种状态去理解负载的问题。

工程上的电路往往有三种状态。了解电路的状态对合理用电、节约电能以及安全用电都起着重要的作用。现我们用下图所示的照明电路为例,讨论电路在不同状态时电流、电压和功率的特点。

电路的三种状态

负载状态、额定值

在图a中,当开关S1、S2…Sn 合上时,电路工作于负载状态。设灯总的等效电阻为忽略导线开关电阻,电路中的电流为I=E/RL,I的数值取决于负载电阻RL,若并联在电路上的灯数越多,等效电阻RL越小,电流I就越大,负载消耗的功率也越大。在电力电路中把这种情况叫做负载增大。显然负载的大小指的是电流或功率的大小,而不是指负载电阻的大小。

电路负载工作时,如果电路各元件都能长期、可靠,而又以最佳状态(效率高、经济性好)工作,就称为额定工作状态,又叫做满载。此时,电路的电流称为额定电流,当电流大于额定电流时,叫做过载,而电流小于额定电流时叫做轻载或欠载。电路各元件长时间工作在过载状态时将会使电气设备发热,温度升高超过元件允许的最高温度会使元件损坏或发生事故,所以是不允许的。若过载时间较短,或在规定的条件下少量过载还是可以的。但电路长期工作在轻载状态则降低了设备的利用率,使电路效率降低。

电气设备额定工作时的电压、电流和功率称为额定电压、额定电流和额定功率,用符号UN、IN、PN表示。额定值是厂家在制造电气设备时,根据所用材料在正常寿命卞允许的耐压、温升而规定的数值。从可靠性、经济性、设备的寿命等多种因素考虑,应该让电路尽量工作在额定状态。

开路(空载状态)

如图a所示电路中,当所有开关S1、S2…Sn都断开时,电路就处于开路状态。此时电路中I=0,电源输出功率P=EI=0,电源两端电压叫做开路电压U0,它与电源电动势相等,即U0=E。

电源与电灯连接的总导线断掉时,电路也是开路状态,这属于不正常状态。

短路状态

如图b所示电路中,由电源两端引出的导线因绝缘损坏而直接接通时,电路就处于短路状态。此时,电灯中是没有电流流过的,即负载得不到电能。而电源输出电流的数值很大,叫做短路电流Isc。若短路点在电源两端点,图中a、b两点,则是最严重的短路,此时短路电流Isc=E/R0。R0为电源的内阻,其阻值是很小的,故短路电流的数值就很大,远远地超过电源的额定电流或导线允许通过的最大电流,如不及时断开电路,将因剧烈发热而使电源、导线和电流表等设备损坏。

短路是电路的一种故障,为了尽快切除短路故障,电路中常接入熔断器、自动开关等保护电器,一旦发生短路,它们能迅速断开电路,以保证设备的安全。

在电路中,有时需要将某件设备两端用导线直接连接,如图a中虚线处用导线将电流表两端直接连起来,使电流表不工作,这叫做短接,是允许的。

驱动能力

一般在电源设计时,就需要着重考虑系统负载的问题。

系统负载要求,这是对电源设计者提出的最大挑战,同时也是开始设计一个电源之前必须弄明白的事情。随着大量激增的用电系统,本质上是没有标准的用电需求。每个系统都是独一无二的,这也是电源设计很重要的原因。

负载用电需求可能包括如下因素( 但绝不是所有的):
需要不同电压的数量;
每种电压的额定值以及容差;
每个负载的最大、最小额定电流;
最大输出功率;
功率变化时的整体效率;
一些特殊的时序要求;
允许通过的最大过载电流;
过电压和过电流时的故障保护类型;
最大输出纹波和容许噪声;
对于负载突变和输人电压波动的响应;
系统其他任何至关重要的因素,当然这必然包括体积和成本 ;

……

这里面所考虑的,就有一个驱动能力的问题。

从整个系统来看,就是电源对后续所有负载的驱动能力,即能够输出足够的电流,来提供给每个负载正常工作。

从局部来看,就是前面的输出电路,能够为后续的电路提供足够的电流输入。

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