電壓的有效值是多少？

最近遇到好多問(wèn)題，都與基本概念相關(guān)。忍不住，就想多說(shuō)幾句。

研究生面試，我出了一個(gè)問(wèn)題，一個(gè)100kHz的方波信號(hào)，幅度大約是幾伏的數(shù)量級(jí)，想測(cè)量其有效值，用什么儀器，怎么測(cè)？多數(shù)學(xué)生一臉茫然，搞的我不好意思，慚愧題目是不是太難了。我急了，問(wèn)學(xué)生，一個(gè)1.5V的電池，其電壓有效值是多少？學(xué)生問(wèn)我，直流量有有效值嗎？我忍。我不得不忍。

什么是有效值？一個(gè)變化電壓的有效值，是指把它加載到一個(gè)確定的阻性負(fù)載上，在一個(gè)周期內(nèi)的功，與電壓為A的直流量作用在相同的負(fù)載上，在等長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的功相同，那么該變化電壓的有效值就是A。廣義理解，一個(gè)電池的電壓有效值就是1.5V，一個(gè)幅度為A的方波，如果是單極性方波，占空比50%，有效值為幅值A(chǔ)的0.707倍。這時(shí)候，又有人問(wèn)我，什么是方波??？

以前的一個(gè)學(xué)生，參與的一個(gè)題目，用一個(gè)10歐姆電阻把一個(gè)待測(cè)的1uA左右的電流轉(zhuǎn)變成10uV左右的電壓，然后用AD620和多級(jí)直流放大進(jìn)入ADC，卻發(fā)現(xiàn)輸出總有很大的偏移量。于是就買了好些個(gè)放大器，挑選，想讓偏移量小些。查查資料就知道，AD620A級(jí)的輸入失調(diào)電壓典型值為30uV，最大值為125uV，已經(jīng)遠(yuǎn)大于被測(cè)信號(hào)10uV。至少應(yīng)該知道，此處使用被大家廣為推崇的AD620是不靠譜的。

但是，設(shè)計(jì)者就是不知道這個(gè)道理。

昨晚我的學(xué)生來(lái)聊天，問(wèn)我，學(xué)這些基礎(chǔ)有用嗎？其實(shí)，不用問(wèn)我，問(wèn)問(wèn)歌唱演員就可以了，問(wèn)他們，吊嗓子重要嗎？問(wèn)問(wèn)廚師，刀工重要嗎？

現(xiàn)階段，很多比賽都是些花里胡哨的作品，很吸引眼球，功能也很強(qiáng)悍。但是面對(duì)這些競(jìng)賽的孩子，你就是不能問(wèn)他們問(wèn)題，一問(wèn)就露餡了——底子很薄，但成果很強(qiáng)。就像以“滿漢全席”奪得廚師大賽冠軍一樣，回家后做不好一個(gè)炒土豆絲。

所以，我特別希望能多一些比賽，就賽那些基礎(chǔ)的東西。比如12V電源，誰(shuí)能做出動(dòng)態(tài)范圍最大的單管放大器，或者做一個(gè)最準(zhǔn)的電子秤，就比這些指標(biāo)。噪聲最小、頻帶最寬、帶內(nèi)最平坦、失真度最小、溫度穩(wěn)定性最好等等，可以研究的東西很多。

但很遺憾，誰(shuí)也不會(huì)對(duì)此感興趣。就比賽一個(gè)放大器，外行看起來(lái)一點(diǎn)都不拉風(fēng)，沒(méi)勁透頂了。

可是看看身邊現(xiàn)狀，看看某些日益墮落的教師和學(xué)生，好大喜功的媒體，誰(shuí)能救救我們的基礎(chǔ)教育，誰(shuí)能把孩子們拉回來(lái)，靜靜地在實(shí)驗(yàn)室做一些看似枯燥，卻蘊(yùn)含玄機(jī)的實(shí)驗(yàn)？

02

下面科普基本概念

一、基本概念：

交流電的有效值：

在相同的電阻上分別通以直流電流和交流電流，經(jīng)過(guò)一個(gè)交流周期的時(shí)間，如果它們?cè)陔娮枭纤鶕p失的電能相等的話，則把該直流電流（電壓）的大小作為交流電流（電壓）的有效值，正弦電流（電壓）的有效值等于其最大值(幅值)的0.707倍。

交流電的平均值：

對(duì)于交流電來(lái)說(shuō)，數(shù)學(xué)上的平均值是0（因?yàn)槭钦?fù)是對(duì)稱的）。但電工技術(shù)上我們關(guān)心的是其量值（絕對(duì)值）的大小。所以電工技術(shù)上的平均值指的是電流（電壓）的絕對(duì)值在一個(gè)周期內(nèi)的平均值。

二、例子：

1、10V的直流電壓加在10Ω電阻的兩端，電阻的發(fā)熱功率是多少？

這個(gè)答案很簡(jiǎn)單，壇里所有的朋友都會(huì)：P=U×U/R=10V×10V/10Ω=10W

2、如果把上面的10V直流電壓改成下圖±10V的方波呢，電阻的發(fā)熱功率又是多少？

答案是否也不難？因?yàn)樨?fù)半周時(shí)電壓的平方和正半周時(shí)是一樣的，所以功率也和上面一樣還是10W！(電壓是負(fù)的功率還是正的，也就是功率和電壓的正負(fù)無(wú)關(guān))

圖中紅色部分是正半周做的功，藍(lán)色部分是負(fù)半周作的功。

問(wèn)：這個(gè)±10V的方波電壓的平均值是多少？有效值是多少？峰值是多少？

根據(jù)上面的定義，很明顯:

①平均值是10V（其電壓的絕對(duì)值在一個(gè)周期內(nèi)的平均值是10V）;

②有效值是10V（發(fā)熱功率相同的等效直流電壓是10V）;

③峰值是10V

3、如果把上面的方波去掉負(fù)半周部分（也就是+10V方波），那電阻上的功率又會(huì)是多少呢？

很明顯，只有一半時(shí)間在做功，從宏觀上看其平均功率只有一半了，也就是5W！

同問(wèn)：這個(gè)+10V的方波電壓的平均值是多少？有效值是多少？峰值是多少？

根據(jù)上面的定義，很明顯：

①平均值是5V（其電壓的絕對(duì)值在一個(gè)周期內(nèi)的平均值是5V）;

②有效值是7.07V：（發(fā)熱功率相同的等效直流電壓是：U^2=PR=5W×10Ω，U=根號(hào)50≈7.07V）；

③峰值是10V

可見(jiàn)：去掉負(fù)半周后其電壓的平均值是原來(lái)的一半，而有效值并不是原來(lái)的一半，而是原來(lái)的0.707倍！峰值不變。

以上為了便于理解，用了方波做例子計(jì)算（如果用正弦波，那么就需要有高等數(shù)學(xué)的微積分知識(shí)，對(duì)于某些朋友可能理解困難。事實(shí)上為什么正弦交流電的峰值和有效值之間是根號(hào)2倍的關(guān)系，以及平均值之間的關(guān)系等都是通過(guò)積分計(jì)算得出的，對(duì)于非正弦波其關(guān)系就不一定相同了，所以千萬(wàn)別亂套用）。對(duì)于正弦波現(xiàn)在我們可以用有效值相同的方波去等效，那么也可以得出這樣的結(jié)論：半波整流后的電壓有效值是整流前的有效值的0.707倍（而并不是有些朋友理解的一半）

審核編輯：黃飛