电路的基本概念 (3).doc

电工基础 第三章 复杂直流电路 1．掌握基尔霍夫定律及其应用，学会运用支路电流法分析计算复杂直流电路。 2．掌握叠加定理及其应用。 3．掌握戴维宁定理及其应用。 4．掌握两种实际电源模型之间的等效变换方法并应 用于解决复杂电路问题。 1．应用支路电流法分析计算复杂直流电路。 2．运用戴维宁定理解决复杂直流电路问题。 序号 内 容 学 时 1 第一节 基尔霍夫定律 3 2 第二节 支路电流法 1 3 实验3.1 基尔霍夫定律的验证 2 4 第三节 叠加定理 2 5 实验3.2 叠加定理的验证 2 6 第四节 戴维宁定理 2 7 实验3.3 戴维宁定理的验证 2 8 第五节 实际电源模型之间的等效变换 2 9 本章小结与习题 2 10 本章总学时 18 第一节 基尔霍夫定律 一、常用电路名词 以图3-1所示电路为例说明常用电路名词。 1. 支路电路中具有两个端钮且通过同一电流的无分支电路。如图3-1电路中的ED、AB、FC均为支路，该电路的支路数目为b 3。 2. 节点电路中三条或三条以上支路的联接点。如图3-1电路的节点为A、B两点，该电路的节点数目为n 2。 3. 回路电路中任一闭合的路径。如图3-1电路中的CDEFC、AFCBA、EABDE路径均为回路，该电路的回路数目为l 3。 4. 网孔不含有分支的闭合回路。如图3-1电路中的AFCBA、EABDE回路均为网孔，该电路的网孔数目为m 2。 图3-1 常用电路名词的说明 5. 网络在电路分析范围内网络是指包含较多元件的电路。 二、基尔霍夫电流定律节点电流定律 1．电流定律KCL内容 电流定律的第一种表述在任何时刻，电路中流入任一节点中的电流之和，恒等于从该节点流出的电流之和，即 例如图3-2中，在节点A上I1 I3 I2 I4 I5 图3-2 电流定律的举例说明 电流定律的第二种表述在任何时刻，电路中任一节点上的各支路电流代数和恒等于零，即 一般可在流入节点的电流前面取“”号，在流出节点的电流前面取“-”号，反之亦可。例如图3-2中，在节点A上I1 - I2 I3 - I4 - I5 0。 在使用电流定律时，必须注意 1 对于含有n个节点的电路，只能列出n - 1个独立的电流方程。 2 列节点电流方程时，只需考虑电流的参考方向，然后再带入电流的数值。 为分析电路的方便，通常需要在所研究的一段电路中事先选定即假定电流流动的方向，叫做电流的参考方向，通常用“→”号表示。 电流的实际方向可根据数值的正、负来判断，当I 0时，表明电流的实际方向与所标定的参考方向一致；当I 0时，则表明电流的实际方向与所标定的参考方向相反。 2．KCL的应用举例 1 对于电路中任意假设的封闭面来说，电流定律仍然成立。如图3-3中，对于封闭面S来说，有I1 I2 I3。 2 对于网络 电路之间的电流关系，仍然可由电流定律判定。如图3-4中，流入电路B中的电流必等于从该电路中流出的电流。 3 若两个网络之间只有一根导线相连，那么这根导线中一定没有电流通过。 4 若一个网络只有一根导线与地相连，那么这根导线中一定没有电流通过。 图3-3 电流定律的应用举例1 图3-4 电流定律的应用举例2 【例3-1】如图3-5所示电桥电路，已知I1 25 mA，I3 16 mA，I4 12 A，试求其余电阻中的电流I2、I5、I6。 解在节点a上 I1 I2 I3，则I2 I1- I3 25 - 16 9 mA 在节点d上 I1 I4 I5，则I5 I1 - I4 25 - 12 13 mA 在节点b上 I2 I6 I5，则I6 I2 - I5 9 - 13 -4 mA 图3-6 电压定律的举例说明 电流I2与I5均为正数，表明它们的实际方向与图中所标定的参考方向相同，I6为负数，表明它的实际方向与图中所标定的参考方向相反。 图3-5 例题3-1 三、基夫尔霍电压定律回路电压定律 1. 电压定律KVL内容 在任何时刻，沿着电路中的任一回路绕行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零，即 以图3-6电路说明基夫尔霍电压定律。沿着回路abcdea绕行方向，有 Uac Uab Ubc R1I1 E1， Uce Ucd Ude -R2I2 - E2， Uea R3I3 则 Uac Uce Uea 0 即 R1I1 E1 - R2I2 - E2 R3I3 0 上式也可写成 R1I1 - R2I2 R3I3 - E1 E2 对于电阻电路来说，任何时刻，在任一闭合回路中，各段电阻上的电压降代数和等于各电源电动势的代数和，即。 2．利用SRI SE 列回路电压方程的原则 1 标出各支路电流的参考方向并选择回路绕行方向既可沿着顺时针方向绕行，也可沿着反时针方向绕行； 2 电阻元件的端电压为RI，当电流I的参考方向与回路绕行方向一致时，选取“”号；反之，选取“-”号； 3 电源电动势为 E，当电源电动势的标定方向与回路绕行方向一致时，选取“”号，反之应选取“-”号。 第二节 支路电流法 以各支路电流为未知量，应用基尔霍夫定律列出节点电流方程和回路电压方程，解出各支路电流，从而可确定各支路或各元件的电压及功率，这种解决电路问题的方法叫做支路电流法。对于具有b条支路、n个节点的电路，可列出n - 1个独立的电流方程和b - n - 1个独立的电压方程。 【例3-2】 如图3-7所示电路，已知E1 42 V，E2 21 V，R1 12 W，R2 3 W，R3 6 W，试求各支路电流I1、I2、I3 。 解该电路支路数b 3、节点数n 2，所以应列出1 个节点电流方程和2个回路电压方程，并按照 SRI SE 列回路电压方程的方法 图3-7 例题3-2 1 I1 I2 I3 任一节点 2 R1I1 R2I2 E1 E2 网孔1 3 R3I3 -R2I2 -E2 网孔2 代入已知数据，解得I1 4 A，I2 5 A，I3 -1 A。 电流I1与I2均为正数，表明它们的实际方向与 图中所标定的参考方向相同，I3为负数，表明它们 的实际方向与图中所标定的参考方向相反。 第三节 叠加定理 一、叠加定理的内容 当线性电路中有几个电源共同作用时，各支路的电流或电压等于各个电源分别单独作用时在该支路产生的电流或电压的代数和叠加。 在使用叠加定理分析计算电路应注意以下几点 1 叠加定理只能用于计算线性电路即电路中的元件均为线性元件的支路电流或电压不能直接进行功率的叠加计算； 2 电压源不作用时应视为短路，电流源不作用时应视为开路； 3 叠加时要注意电流或电压的参考方向，正确选取各分量的正负号。 二、应用举例 【例3-3】如图3-8a所示电路，已知E1 17 V，E2 17 V，R1 2 W，R2 1 W，R3 5 W，试应用叠加定理求各支路电流I1、I2、I3 。 图3-8 例题3-3 解1 当电源E1单独作用时，将E2视为短路，设 R23 R2∥R3 0.83 W 则 2 当电源E2单独作用时，将E1视为短路，设 R13 R1∥R3 1.43 W 则 3 当电源E1、E2共同作用时叠加，若各电流分量与原电路电流参考方向相同时，在电流分量前面选取“”号，反之，则选取“-”号 I1 I1′- I1″ 1 A， I2 - I2′ I2″ 1 A， I3 I3′ I3″ 3 A 图3-9 二端网络 第四节 戴维宁定理 一、二端网络的有关概念 1. 二端网络具有两个引出端与外电路相联的网络。 又叫做一端口网络。 2. 无源二端网络内部不含有电源的二端网络。 3. 有源二端网络内部含有电源的二端网络。 二、戴维宁定理 任何一个线性有源二端电阻网络，对外电路来说，总可以用一个电压源E0与一个电阻r0相串联的模型来替代。电压源的电动势E0等于该二端网络的开路电压，电阻r0等于该二端网络中所有电源不作用时即令电压源短路、电流源开路的等效电阻叫做该二端网络的等效内阻。该定理又叫做等效电压源定理。 【例3-4】如图3-10所示电路，已知E1 7 V，E2 6.2 V，R1 R2 0.2 W，R 3.2 W，试应用戴维宁定理求电阻R中的电流I 。 图3-11 求开路电压Uab 图3-10 例题3-4 解1 将R所在支路开路去掉，如图3-11所示，求开路电压Uab ， Uab E2 R2I1 6.2 0.4 6.6 V E0 2 将电压源短路去掉，如图3-12所示，求等效电阻Rab 图3-12 求等效电阻Rab 图3-13 求电阻R中的电流I Rab R1∥R2 0.1 W r0 3画出戴维宁等效电路，如图3-13所示，求电阻R中的电流I 【例3-5】如图3-14所示的电路，已知E 8 V，R1 3 W，R2 5 W，R3 R4 4 W，R5 0.125 W，试应用戴维宁定理求电阻R5中的电流I 。 图3-15 求开路电压Uab 图3-14 例题3-5 解1 将R5所在支路开路去掉，如图3-15所示，求开路电压Uab Uab R2I2 -R4I4 5 - 4 1 V E0 图3-17 求电阻R中的电流I 2 将电压源短路去掉，如图3-16所示，求等效电阻Rab 图3-16 求等效电阻Rab Rab R1∥R2 R3∥R4 1.875 2 3.875 W r0 3 根据戴维宁定理画出等效电路，如图3-17所示，求电阻R5中的电流 第五节 两种电源模型的等效变换 一、电压源 通常所说的电压源一般是指理想电压源，其基本特性是其电动势 或两端电压保持固定不变E或是一定的时间函数et，但电压源输出的电流却与外电路有关。 实际电压源是含有一定内阻r0的电压源。 图3-18 电压源模型 二、电流源 通常所说的电流源一般是指理想电流源，其基本特性是所发出的电流固定不变Is或是一定的时间函数ist，但电流源的两端电压却与外电路有关。 实际电流源是含有一定内阻rS的电流源。 图3-19 电流源模型 三、两种实际电源模型之间的等效变换 实际电源可用一个理想电压源E和一个电阻r0串联的电路模型表示，其输出电压U与输出电流I之间关系为 U E - r0I 实际电源也可用一个理想电流源IS和一个电阻rS并联的电路模型表示，其输出电压U与输出电流I之间关系为 U rSIS - rSI 对外电路来说，实际电压源和实际电流源是相互等效的，等效变换条件是 r0 rS ， E rSIS 或 IS E/r0 【例3-6】如图3-18所示的电路，已知电源电动势E 6 V，内阻r0 0.2 W，当接上R 5.8 W 负载时，分别用电压源模型和电流源模型计算负载消耗的功率和内阻消耗的功率。 图3-18 例题3-6 解1 用电压源模型计算 ，负载消耗的功率PL I2R 5.8 W，内阻的功率Pr I2r0 0.2 W 2 用电流源模型计算 电流源的电流IS E/r0 30 A，内阻rS r0 0.2 W 负载中的电流 ，负载消耗的功率 PL I2R 5.8 W， 内阻中的电流 ，内阻的功率 Pr Ir2r0 168.2 W 两种计算方法对负载是等效的，对电源内部是不等效的。 【例3-7】如图3-19所示的电路，已知E1 12 V，E2 6 V，R1 3 W，R2 6 W，R3 10 W，试应用电源等效变换法求电阻R3中的电流。 图3-19 例题3-7 图3-20 例题3-7的两个电压源等效成两个电流源 解1 先将两个电压源等效变换成两个电流源， 图3-21 例题3-7的最简等效电路 如图3-20所示，两个电流源的电流分别为 IS1 E1/R1 4 A， IS2 E2/R2 1 A 2 将两个电流源合并为一个电流源，得到最简等效 电路，如图3-21所示。等效电流源的电流 IS IS1 - IS2 3 A 其等效内阻为 R R1∥R2 2 W 3 求出R3中的电流为 本 章 小 结 本章学习了分析计算复杂直流电路的基本方法，内容包括 一、基夫尔霍定律 1．电流定律 电流定律的第一种表述在任何时刻，电路中流入任一节点中的电流之和，恒等于 从该节点流出的电流之和，即 SI流入 SI流出 。 电流定律的第二种表述在任何时刻，电路中任一节点上的各支路电流代数和恒等于 零，即 SI 0。 在使用电流定律时，必须注意 1 对于含有n个节点的电路，只能列出n - 1个独立的电流方程。 2 列节点电流方程时，只需考虑电流的参考方向，然后再带入电流的数值。 2．电压定律 在任何时刻，沿着电路中的任一回路绕行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零， 即 SU 0。 对于电阻电路来说，任何时刻，在任一闭合回路中，各段电阻上的电压降代数和等于 各电源电动势的代数和，即 SRI SE。 二、支路电流法 以各支路电流为未知量，应用基尔霍夫定律列出节点电流方程和回路电压方程，解出各支路电流，从而可确定各支路或各元件的电压及功率，这种解决电路问题的方法叫做支路电流法。 对于具有b条支路、n个节点的电路，可列出n - 1个独立的电流方程和b - n -1个独立的电压方程。 三、叠加定理 当线性电路中有几个电源共同作用时，各支路的电流或电压等于各个电源分别单独作用时在该支路产生的电流或电压的代数和叠加。 四、戴维宁定理 任何一个线性有源二端电阻网络，对外电路来说，总可以用一个电压源E0与一个电阻r0相串联的模型来替代。 电压源的电动势E0等于该二端网络的开路电压，电阻r0等于该二端网络中所有电源不作用时即令电压源短路、电流源开路的等效电阻。 五、两种实际电源模型的等效变换 实际电源可用一个理想电压源E和一个电阻r0串联的电路模型表示，也可用一个理想电流源IS和一个电阻rS并联的电路模型表示，对外电路来说，二者是相互等效的，等效变换条件是 r0 rS ， E rSIS 或 IS E/r0 32