TI-RSLK 模块 2 – 电压、电流和功率

大家好， 我是 Jon Valvano。 在该模块中，我们将讨论电压、电流、能量 和功率。 我们将了解一下电阻、电容、 电感和发光二极管。 在实验中，您将学习如何使用 测试仪器，例如电压表、电流表 和示波器。 好的，让我们开始吧。 好，让我们从电流开始， 因为它是其中比较有趣的一个。 电流是因电子的运动而产生的。 因此，如果带单位负电荷的一个电子 从此处向右移动， 我们可以将此电子运动 定义为电流。 请注意，由于电流是正的，而电子 是负的，因此向右移动的 电子实际上将产生向左流动的电流。 现在，我们将使用符号 I。 安培的定义是 1 秒钟 在导线中移动 6 乘以10 的 18 次方个电子。 这会非常有趣，因为电子的 运动将对我们的世界 产生影响。 如果我们查看电流的行为， 我们会看到它确实具有方向性。 那么，如果我们在这里有一个 电阻，那么我们可以认为 电流在导线上， 沿着该方向流动。 它产生的影响取决于环境。 因此，如果您将电流引入人体， 您可以刺激您的肌肉和您的神经。 不过，在本次课中，我们 要做的是，利用电流 驱动机器人中的，直流电机旋转。 因此，电流的流动将产生该动作。 欧姆定律可以将某个电阻上的电压与 流过该电阻器的电流关联起来， 该电流与此设备的电阻成线性关系。 如果您想测量电流， 假设我们在这里有一个与那里的 另一个电阻器相连的电路， 我想测量该电流，那么我要做的 实际上是，断开这里的导线。 我将断开它。 这些通常已经连接在一起， 而我将拆开我的电路并将我的 电流表连接进电路。 我要将我的电流表上的一个端子连接到这一侧， 将另一个端子连接到这一侧， 然后将其连接到我的电流表，这样就可以测量电流了。 再说一次，它具有方向性，它沿着该路径，即我们的 导线流动。 另一方面，电压，大多数人都了解 电压，因为每天都会用到它。 但从技术角度而言，电压是导致某件事情 发生的电势。 那么，具体而言，在我们的机器人中， 我们将采用7.2 伏镍氢电池， 就在这里。 电压的单位是伏特，符号为大写的 V。 它具有产生影响的电势。 因此，我们要将它连接到我们的机器人。 如果我们的部署一切正常， 该机器人将沿着赛道飞驰。 因此，电势差导致电流的产生。 再说一次，欧姆定律表述了该关系。 某个电阻上的电压等于流过 该电阻器的电流乘以称为电阻的常量。 现在，对于您的MSP432 外部的电压， 如果我输出低电平，那么它将是 0， 如果我输出高电平，那么它将是 3.3 伏。 那么，我们将看到那里的电压。 再说一次，它始终作为电势差进行测量。 我们可以对电压采取的操作之一是， 我们通常采用一个点 -- 它始终具有方向性 -- 我们 将采用我们的系统中的某个点， 在本例中是电池的负端子， 然后将其定义为接地。 当我想测量电压时，接地点 通常会成为参考点。 因此，我要将我的电压表放在这里， 就像电流表一样，电压表也有两个探针。 我将采用电压表的接地探针，将其 连接到我的电路的接地端。 现在，我将采用另一个探针， 将其连接到我的系统内的任意位置， 从而能够测量该点的直流电压。 一个非常类似于 电压表的设备称为示波器。 它具有相同的连接，但我可以 将示波器的接地引脚连接到电池的 接地端，然后将另一个探针 连接到机器人中的任何位置。 示波器所做的是测量作为时间的 函数的电压。 具体而言，如果我将 示波器探针连接到电机本身， 那么我将看到以下行为。 我们将在整个课程中大量地讨论该行为， 但它将是随时间变化的行为， 其中电机上的电压将在 7.2 伏 和 0 伏之间振荡。 这是我们的设备的行为。 总之，电压能够提供能量。 我们将使用电压表或示波器来测量它。 它始终具有方向性， 就像电流一样。 如果我们有一个电阻， 那么我们可以通过这个简单的线性关系将电压 和电流关联在一起。 现在，让我们讨论能量和功率。 “Energy”（能量）一词与“English”一词看起来相似。 我们知道，我们通过吃食物来为身体提供能量。 我们向汽车中加注汽油来为汽车提供能量。 我们要将能量输入到我们的 镍氢电池中。 我们将对电池进行充电，这 在本质上就是将能量输入到这些电池中。 再说一次，它是一节 7.2 伏的电池。 该能量现在可用于驱动机器人。 在这里，能量的定义是，电压 乘以电流乘以我在 该电压下生成此电流的时长。 例如，如果我的机器人沿着赛道飞驰一圈， 它将使用 7.2 伏的电池。 假设它使用 0.5 安的电流以不会撞到 墙的速度转动两个电机，并且 它沿着赛道行驶一圈所需的时长为 100 秒。 我们可以将电压乘以电流乘以时间， 这样可以得出它将消耗 36 焦耳的能量 -- 焦耳是能量的单位。 焦耳是伏安秒 -- 才能沿着赛道行驶一圈。 我们可以执行 --当我们查看电池时， 通常，电池的规格不是以焦耳为单位，而是以安时为单位。 我们要将这称为储电量。 因此，我们将电池的储电量 定义为电流乘以它将驱动 该电流的时长。 这是因为电池大体上具有 恒定的电压。 那么，具体而言，让我们来执行另一个示例。 我们的 MSP432 芯片的工作电压大约为 3 伏，工作电流大约为 5 毫安。 现在，它全速运行该处理器，没有 任何特殊的低功耗特性，从而需要大约 5 毫安的电流。 一节碱性电池，一节AA 碱性电池的额定 储电量为 2 安时。 请注意，它的电压实际上是 0.5 伏， 为了驱动 MSP432，它将在 3 伏的电压下运行， 我要使用两节碱性电池， 将其以串联方式相互连接在一起。 因此您此时具有1.5 伏的电池，正， 负，正，负 --请记住，每节 电池都是有极性的 --这将产生 3 伏的电压。 如果我连接到一个 MSP432，然后我打开该 MSP432-- 这是我的接地端 --它将以5毫安的电流驱动。 现在，我感兴趣的问题之一是，它 可以持续多长时间？ 那么，我可以使用我的功率预算。 如果我希望知道这个系统可以运行多长时间， 功率预算可以告诉我答案， 我可以使用储电量除以电流。 具体而言，这里的电池 是 200 毫安时的电池，我需要 5 毫安的工作电流。 我可以看到，这将持续16 天，或 400 个小时。 功率是能量的变化速率。 因此它是能量的导数。 它的单位是瓦，瓦定义为每秒的 焦耳数，它还会出现在电气 术语中，表示为 电流乘以电压。 因此，我们可以查看 -- 如果我们的机器人实际上正在沿着赛道行驶，那么 我们可以在这里看到它将消耗 0.5 安的工作电流。 因此，这意味着，当它行驶时，它将消耗能量， 或者，我们使用 3.6 瓦的功率沿着赛道飞驰。 本节课中功率的有趣之处在于 这样一个事实，即我们要对它进行转换。 那么，如果我们使用一个电阻，就像这个， 然后我们以瓦为单位输入电能， 那么我们将获得表现为热量形式的热能。 如果我们使用我们的发光二极管， 我们将在几张幻灯片中看到它， 我们将通过电能， 来转化成光能。 如果我们查看机器人， 我们将输入电能 然后我们将获得热能，它是表现为 热量形式的能量浪费，以及机械能，它可以 导致机器人移动。 因此，我将看到存在于嵌入式 系统中的该能量转换，它获取一种能量并将其 转换为另一种能量。 好的，您将在整个课程中看到这些术语。 让我们看看具体的设备。 我们已经讨论了电阻和欧姆定律， V 等于 I 乘以 R。电阻器上的电压 与该电阻中的电流之间具有 线性关系。 因此，如果我施加 2 伏的电压 -- 到该电阻上，而该电阻恰好 是 1,000 欧姆，那么我们可以 看到，根据欧姆定律，它将产生 2 毫安的电流。 廉价电阻的容差可能是 5%。 当我去买一个这种电阻并将 其取出来时，这意味着什么呢， 它可能是介于 950 欧姆与 1050 欧姆之间的任何值， 这是没有问题的。 这是一个误差在正负5% 的电阻。 我们讨论了能量转换 那么，我们说过，任何电气设备，包括电阻 中的功率是电压乘以电流。 那么，在这里的特定情形下， 此案例中的功率是 2 伏 乘以 2 毫安，即4 毫瓦的功率。 这将是热功率，它以设备中的 热量或温度升高的形式存在。 但是，电阻具有称为瓦特数的规格， 它指定了为了避免爆炸而不能超过的 最大功率。 它 可能消耗 250 毫瓦。 您可以看到，我实际上在这里 施加的 4 毫瓦远小于它的承受能力。 因此不会有问题。 我们将在整个课程中使用电阻。 具体而言，我们将使用它来限制 和控制电流，使特定的电路 以正确的方式工作。 那么，再说一次，我们确保您 在尝试应用欧姆定律之前具有一个电阻。 为了理解欧姆定律， 让我们做两个类比。 好的，那么让我画一下 -- 正如您知道的，欧姆定律指出， 流过某个电阻的 电流等于施加在该电阻器上的电压， 即电势除以一个常量，我们将其称为电阻。 那么，电阻中的电荷流动称为电流。 导致电流流动的电势称为电压。 我们要将电压除以电阻，从而 得到电流。 那么，让我们看看两种情形。 我使用一个水箱，我有一个大桶， 我将它注满水。 然后我放入一根软管，一根管子， 然后我在底部有一个旋塞。 现在，这是流体动力学。 事实是，水的这个高度高于 旋塞，从而产生压力。 该压力是导致液体流动的潜能。 那么，该情形中的流动是水流， 其单位是毫升/秒。 压力是在它上面所施加的压力。 但该旋塞中将存在阻力。 因此，如果我关闭该旋塞，它将具有无穷大的阻力。 如果我打开该旋塞，水将按照该关系 进行流动。 液体的流量将等于水压 除以该旋塞中的阻力， 这与欧姆定律中的电路情况类似。 让我们再做一个类比。 这是处于夏季的德克萨斯州，外面很热。 外面有 35 摄氏度。 大楼内非常舒适凉爽， 温度是 20 摄氏度。 该固体，即我的 窗户上存在的此温度差将 产生热流。 因此，温度差是导致热量 流动的潜在原因。 如果我想确切地知道流动的热量是多少， 我可以使用相同的公式。 我需要弄清楚该窗户的属性， 即热阻，从而计算 将流过我的设备的 热流的瓦数。 那么，在这里的情形中，我们 看到潜能和影响之间的这种非常简单的关系。 这是阻力。 好的，让我们做一个更加复杂的类比，一个电容器。 我们将使用这些组件来降低我们的 电路中的噪声。 那么，为了构建我们的电阻， 我们将采用一个金属板以及一定的面积。 尽管它是一个非常小的设备，但这将是 一个非常大的面积。 我们要将一根铜导线连接到一端。 我们将采用第二个具有相同面积的板， 然后我们将分隔这两个板。 这两个板通过电介质进行分隔。 这是一个绝缘体。 电介质是这两个板 之间的绝缘材料。 然后施加稳态的直流电。 那么我在电容器上施加稳态电压， 将要发生的是，会改变电荷的分布。 那么，正电荷将聚集在该端子， 该电极上。 您在这里有另一根导线。 负电荷将聚集在这里。 因此，正电荷将聚集在这里， 负电荷将聚集在这里。 在直流电下没有电流流动。 那么，它是一个可以存储电荷的无源器件。 但它不会这么无聊。 如果我施加交流电，会发生什么情况呢， 我知道频率，F -- 嗯，1/F 是周期 -- 如果我知道该波形的频率， 那么电流将流动。 电压与电流之间的关系 是阻抗的函数。 现在，如果您了解微积分， 您知道 j，即虚数， 是负 1 的平方根。 您可以查看复数域中电压 与电流之间的关系，即 1/j 2π f -- f 是该波形的频率，C 是该电容的电容值， 以法拉为单位。 现在，如果您不了解微积分， 那么您可以使用称为电抗的术语 来感受此处发生的情况， 其中我们采用电压的幅度， 即它有多大，该电压的幅度， 以及电流的幅度。 然后，对于电压大小与电流大小 之比，通过使用电抗，不使用 微积分，我们可以得出一个 简单得多的关系。 这之所以会很有趣， 是因为我们将使用它来降低噪声。 由于可以存储电荷， 因此电容将在本课程中 用于提高我们的传感器的信噪比。 好的，这些是电容器。 当我们构建电机时，我们将使用电感。 电感器是什么，它是另一种无源器件。 它是使用这里的线圈构建而成的。 由于电机的电磁铁，这些 电感器将存在、源自于电机的内部。 再说一次，它是无源器件。 当我们绘制电路时，它看起来是这样的。 我们将其称为L，它的单位是亨利。 它与电容器恰好相反， 也就是说，在直流电下，由于它是一根导线，因此相当于短路。 换话句话说，它会传递所有电流。 但在交流电下，它将具有阻碍作用。 它将阻碍电流的流动。 我们可以做与电容器相同的事情。 我们可以查看阻抗，它是电压 与电流之比，j，即负 1 的 平方根，2π fL， 其中 L 是该电感的 感值，以安为单位。 可以这么说，一旦我们连接电机， 电感就会开始起作用。 随着我们继续学习，我们将看到电机内的 这些电感。 我们将在两个位置看到发光二极管。 我们的线传感器。 在您的机器人的底部，将有一个 线传感器，它用于指示 您是否位于道路的中间。 它的内部将有一个 LED。 另一个位置是在您的 Launchpad 上。 您的 Launchpad 上具有一组 LED， 您将使这些灯闪烁，以便您可以看到 正在发生的情况。 在实验 8 中，您将连接一个外部 LED。 因此，在本节课中，我们将在多个位置看到 LED。 它是一个半导体设备。 它不是电阻。 因此，每当您尝试这么做时，我都要冲你大叫。 您无法对 LED使用欧姆定律。 它们是高度非线性的。 它们仅沿一个方向导电。 我喜欢把它看作一个漏斗。 我可以看到，电流可以进入漏斗。 它无法通过漏斗返回。 例如，如果我尝试对它施加负 2 伏的电压， 我不会得到任何电流。 负 1 伏不会产生任何电流。 一直到 -- 对于该特定的LED，1.5 伏不会 产生任何电流，但是，嘣，1.8 伏 将产生 3 毫安的电流。 您应该记得，功率等于 电压乘以电流。 在本例中，1.8伏乘以 3 毫安 是功率大小，然后该功率 将转换为光功率，从而 导致这个灯点亮。 关于 LED 的另一条警告是它们 -- 这是指数函数， 这意味着它变化得很快。 因此，如果您尝试将 3.3 伏的电压施加到您的 LED 上，嘣， 它将爆炸，不再工作。 因此，我们将在传感器中将它们 用作机器的输出。 它们还用于光纤等设备。 那么，再说一次，LED是我们将在本节课中 研究的组件。 现在，我不想过多地讨论电机， 因为我们使用整个模块 12 来讨论它。 但可以这么说，如果我们看看电机内部， 我们将看到我们已经在本讲座中 看到的三样东西。 这里存在的导线事实将导致产生， 或者在电机的引线上产生电阻。 导线采用线圈形式的事实 将导致电感。 它是一个电机的事实意味着我 可以在这里获取电功率，并将其 转换为机械功率。 但该运行的有趣之处在于它具有 两个方面。 那么，摩擦等因素将导致机械功率， 实际上会以不利的形式出现，将在 系统上生成相反的电压。 那么，EMF表示电动势， 它是在电功率与机械功率 之间实现转换的 元素。 总之，我们讨论了电阻器。 您应该记得欧姆定律。 我们讨论了电压、电流、功率、能量。 我们讨论了电容为何在直流电下基本 相当于开路。 它们将在交流电下传导电流。 我们使用它来消除或移除 电路中的噪声。 电感恰好相反。 它们在直流电下相当于短路，它们在交流电下具有阻碍作用。 它们构建在电机内部。 LED 具有很高的非线性，因此电压与电流之间 具有指数关系。 我们将查看运行点并对 功率感兴趣，功率等于 电压乘以电流。 这将告诉我们LED 有多亮。 好的，那么这是对部分电气 工程术语的简短介绍，您将 在整个课程中看到这些术语。 祝您本次实验愉快，因为在实验中，我 希望您了解如何使用电压表， 如何使用电流表，以及 如何使用示波器。 好的，下次再见。