第二章 电阻等效电路替换

介绍

线性电路是指由时不变线性无源元件、线性受控制源和独立源组成的电路。若无源元件为电阻元件,则为线性电阻电路,简称电阻电路。

在分析计算电路的过程中,常常用到等效的概念。电路的等效变换原理是分析电路的一种重要方法。

电阻的串联和并联

电路中,电阻的连接形式多种多样,其中最简单的形式是串联和并联。通过等效变换的方法、可以将任一电阻连接电路等效为具有某个阻值的电阻。

电阻的串联及分压公式

如果电路中有两个或两个以上的电阻一个接一个地顺序相连,并且流过同一电流,则称这些电阻为串联。

                u= u1+u2+......+uk+......+un      u = R1i +  R2i +L+ Rki+L+ Rni  =(R1 + R2+L+Rn)i= Reqi  v

uk = Rki = Rk u/Req = Rk/Req u<u

电阻的并联及分流公式

如果电路中有两个或两个以上的电阻连接在两个公共节点之间,并且通过同一电压,则称为这些电阻为并联。若n个电阻并联,设电压、电流参考方向关联,根据KCL,电路的总电流等于流过各并联电流之和,即

i = i1+ i2+ ∧ +  ik+∧+in = G1u+G2u+^+Gku+^+Gnu = (G1+G2+Gk+L+Gn)u = Gequ式中,G1、G2、L、Gk、L、Gn为电阻R1、R2、L、Rk、L、Rn的电导。

电阻的的串并联

电路中既有电阻串联又有电阻并联的电路称为电阻的串并联电路,简称混联电路。电阻相串联的部分具有电阻串联电路的特点;电阻相并联的部分具有电阻并联电路的特点。混联电路要解决的问题仍然是要求电路的等效电阻,以及电路中各部分的电压、电流等问题。解决这类问题的方法之一就是运用线性电阻串联和并联的规律,围绕指定的端口逐步化简原电路。

求解串并联电路的一般步骤如下:

(1)求出等效电阻或等效电导。

(2)应用欧姆定律求出总电压和总电流。

(3)应用欧姆定律或分压、分流公式求各电阻上的电流和电压。

判断电路的串并联关系一般应掌握以下四点:

(1)看电路的结构特点。若电阻是首尾相连就是串联,若电阻是首首相连和尾尾相连就是并联。

(2)看电压电流关系。若流经电阻的电流是同一电流,那就是串联;若电阻上承受的是同一个电压,那就是并联。

(3)对电路作变形等效。如将左边的支路扭到右边,将上面的支路翻到下面,将弯曲的支路拉直,将短线路任意压缩或者伸长,将多点接地用短路线相连等。一般情况下,都可以判别出电路的串并联关系。

(4)找出等电位点。对于具有对称特地点的电路,若能判断某两点是等电位点,则根据电路等效的概念,一是可以用短接线把等电位点连起来,二是可以吧连接等电位点的支路断开(因支路中午电流),从而得到电阻的串并联关系。

利用等效变换分析电路时,应注意以下几点。

1.电路的等效变换属于多端子电路的等效,在应用中,除了正确使用电阻变换公式计算各电阻值外,还必须正确连接各对应端子。

2.等效是对外部(端钮以外)电路有效,对内不成立。

3.等效电路与外部电路无关。

4.等效变换用于简化电路,因此不要把本是串联的问题看作Y结构进行等效变换,那样会使问题的计算更复杂。

电源等效的替换

电源的串并联

电压源、电流源的串并联和并联问题的分析,是以电压源和电流源的定义及外特性为基础,结合电路等效的概念进行的。

理想电源串联和并联

理想电压源的串联

原电路可用一个电压源等效替代,等效电压源的电压为串联电压源的代数和。

理想电压源的并联

只有电压相等且极性一致的电压源才能并联。

常用两种电源模式的等效电路

事实上,一个实际电源(如一个电池)接入电路时,电源自身总会有损耗。因此,实际电源可以用两种不同的电路模型表示,一种是实际电压源模型;另一种是实际电流源模型。

实际电压源模式

实际电源可以用一个理想电压源us和一个表征电源损耗的电阻Rs的串联电路来模拟,称为实际电压源模型。

实际电流源模式

实际电源也可以用一个理想电流源is和内阻Rs的并联电路来模拟,称为实际电流源模型。

两种电源模式的等效替换

根据等效的概念,如果实际电压源与实际电流源两种模型的外特性完全相同,则它们可以进行等效变换。在等效变换过程中,应使两者端口的电压、电流保持不变。实际电源的等效变换课推广为含源支路的等效变换,把其中的电源内阻视为一般的电阻,及电压源于电阻串联等效为电流源与电阻并联。

利用实际电源的两种等效变换和电流源、电流源的串并联等效变换的方法,可以化简或计算多种复杂电路。

受控电压源、电阻的串联组合和受控电流源、电阻的并联组合也可以用上述方法进行变换。此时,可把受控源当做独立源处理,但需特别注意在转换过程中要保存控制量所在的支路,而不要消除掉。

输入点电阻和等效电阻

一端口(二端网络)

如果一个网络N具有两个引出端子与外电路相连,不管其内部结构如何复杂,这样的网络都称为一端口(网络)或二端网络,对于一端口网络来说,从它一个端子流入的电流一定等于从另一个端子流出的电流。若一端口网络含有独立源,称为有源一端口网络NS;否则,称为无源一端网络NO。

输入电阻

对于一个不含独立源的一端口电路NO,不论其内部如何复杂,其端口电压和端口电流成正比,定义这个比值为一端口电路的输入电阻Rin。

如果一个无源一端口内部仅含有电阻,则应用电阻的串并联和Y变换的方法,求得它的等效电阻,即为输入电阻。

如果无源一端口内部出电阻以外还包含有受控源,应用在端口加电源的方法求输入电阻。

外加电源法需指出以下两点:

(1)应用外加电源法时,端口电压、电流的参考方向对两端电路来说是关联的。

(2)对含有独立源的一端口电路NS,求输入电阻时,要先把独立源置零,即电压源电路、电流源断路。

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