理想电压源特点:
(1)内阻R0=0
(2)输出电压是一定值,恒等于电动势。
对直流电压源,有UE,其外特性曲线为平行于电流坐标轴的直线。
(3)理想电压源中的电流由外电路决定。
下图为理想电压源及其外特性曲线
理想电压源
例1:
设理想电压源的电动势E=10V,求接上RL后,求电压源对外输出的电流。
解:
当RL=1时,U=10V,I=10A
当RL=10时,U=10V,I=1A
由此可知:
理想电压源的端电压恒定,输出电流随负载变化
二.电流源模型
1.电流源
电流源是由电流IS和内阻R0并联的电源的电路模型,如下图(a)所示。
(a)(b)
由上图电路可得:
,该式表明了电流源端电压和输出电流的关系,称为电流源的外特性,用曲线表示如图(b)。
2.理想电流源(恒流源)
当R0=时,IIS,称为理想电流源(恒流源)。
实际上当电流源的R0>>RL,即电流源的内阻远大于负载电阻时,I≈IS,可近似认为是理想电流源。
理想电流源的特点:
(1)R0=
(2)输出电流是一恒定值,对直流电流源,有IIS,其外特性曲线为平行于电压坐标轴的直线。
(3)恒流源两端的电压U由外电路决定。
下图为理想电流源及其外特性曲线
例1:
设理想电流源的IS=10A,接上RL后,求恒流源对外输出的电流。
解:
当RL=1时,I=10A,U=10V
当RL=10时,I=10A,U=100V
由此可知,理想电流源的输出电流恒定,端电压随负载变化。
三.电压源与电流源的等效变换
在电路分析时,为了计算方便,有时需要将电压源转换为电流源,有时需要将电流源转换为电压源,下面我们来讨论两者之间的等效变换的条件。
(a)(b)
由图(a)可得:
U=E-IR0
由图(b)可得:
U=(IS–I)R0=ISR0–IR0
若图示电压源与电流源对外电路的作用等效,则接同一负载时,它们的端电压应该相等。
所以有:
E-IR0=ISR0–IR0
对照等式两边,可得:
E=ISR0
此即电压源与电流源的等效变换条件。
注意事项:
电压源和电流源的等效关系只对外电路而言,对电源内部则是不等效的。
例:
当RL=时,电压源的内阻R0中不损耗功率,而电流源的内阻R0中则损耗功率。
等效变换时,两电源的参考方向要一一对应。
也就是说:
等效前后IS的方向始终由E的“-”极指向“+”极。
理想电压源与理想电流源之间无等效关系。
推广:
任何一个电动势E和某个电阻R串联的电路,都可化为一个电流为IS和这个电阻并联的电路。
例1:
利用电压源和电流源的等效变换化简求下列各电路,即求各电路的等效电源。
解:
根据等效变换的方法可求出上面电路的等效电源见下图:
例2:
试用电压源与电流源等效变换的方法计算2电阻中的电流。
分析:
先用电压源与电流源等效变换的方法化简待求电路以外的电路,最后得到一个等效的单回路电路,然后直接用欧姆定律求电流I。
由图(d)可得:
I=1A
例3:
试用电压源与电流源等效变换的方法计算图示电路中1电阻中的电流。
解:
与例2类同,先用电压源与电流源等效变换的方法化简1电阻以外的电路,最后得到一个最简单的等效电路,然后直接求电流I。
例4:
电路如图(a)所示,U1=10V,IS=2A,R1=1Ω,R2=2Ω,R3=5Ω,R=1Ω。
(1)求电阻R中的电流I;
(2)计算理想电压源U1中的电流IU1和理想电流源IS两端的电压UIS;(3)分析功率平衡。
解:
(1)由电源的性质及电源的等效变换依次将电路(a)等效变换成得(b)、(c),由电路(c)可得R中的电流:
(2)由图(a)可得:
理想电压源中的电流
理想电流源两端的电压
(3)由计算可知,本例中理想电压源与理想电流源都是电源。
各电源发出的功率分别是:
各个电阻所消耗的功率分别是:
两者平衡:
(60+20)W=(36+16+8+20)W80W=80W
§2.4支路电流法
引言:
凡能用电阻串并联等效变换化简为单回路电路的电路,称为简单电路,简单电路可以用欧姆定律直接计算。
凡不能用电阻串并联等效变换化简为单回路电路的电路,称为复杂电路,例如下图所示的双电源供电电路,就是复杂电路。
显然,复杂电路不能用欧姆定律直接计算,必须探讨系统的分析方法。
其中支路电流法是最基本的方法。
一.支路电流法:
以支路电流为未知量、应用
基尔霍夫定律(KCL、KVL)列
方程组求解的方法为支路电流法。
对右图电路:
支路数:
b=3结点数:
n=2,回路数=3,单孔回路(网孔)=2,用支路电流法时,需要列出b=3个程。
由KCL:
对结点a列出结点电流方程:
I1+I2–I3=0------------
(1)
对结点b列出结点电流方程:
-I1-I2+I3=0----------
(2)
显然,这两个方程不是相互独立的,只能使用其中任意一个。
还需要补充3-(2-1)=2个回路电压方程,一般来说,对于n个结点的电路,可以列出n-1个独立的结点电流方程,还需要补充b-(n-1)个回路电压方程。
由KVL:
对回路1列出回路电压方程:
I1R1+I3R3=E1------(3)
对回路2列出回路电压方程:
I2R2+I3R3=E2------(4)
对回路3列出回路电压方程:
I1R1-I2R2=E1-E2--(5)
显然,这三个方程不是相互独立的,只能使用其中的两个。
为了保证列出的回路电压方程相互独立,通常可选取网孔,正好等于两个。
将方程1(或2)与方程3、4连立求解,即可求出个支路电流。
一般来说,若选取网孔,可以列出b-(n-1)个独立的回路电压方程,加上n-1个独立的结点电流方程,正好是支路电流法需要的b个方程。
二.支路电流法的解题步骤:
1.在图中标出各支路电流的参考方向,对选定的回路标出回路循行方向。
2.应用KCL对结点列出(n-1)个独立的结点电流方程。
3.应用KVL对回路列出b-(n-1)个独立的回路电压方程(通常可取网孔列出)。
4.联立求解b个方程,求出各支路电流。
例1:
试求检流计中的电流IG。
解:
(1)应用KCL列(n-1)个结点电流方程
对结点a:
I1–I2–IG=0
对结点b:
I3–I4+IG=0
对结点c:
I2+I4–I=0
(2)应用KVL选网孔列回路电压方程
对网孔abda:
IGRG–I3R3+I1R1=0
对网孔acba:
I2R2–I4R4–IGRG=0
对网孔bcdb:
I4R4+I3R3=E
(3)联立解出IG
例2:
试求各支路电流。
解:
本电路含有一个恒流源。
恒流源的电流已知,但恒流源两端的电压未知。
应用支路电流法分析电路时,若遇到电路中含有恒流源的情况,有两种处理方法。
第一种方法:
设电路中有N条支路含有恒流源,就会少N个未知电流,所需的方程数量也可以减少N个。
如果在选取独立回路时,有意不包含恒流源支路,刚好就可以少列N个KVL方程。
第二种方法:
按正常方法选取回路,把恒流源两端的电压设为未知。
所以,有一个恒流源就少一个未知电流,但又多出一个未知电压,未知量的数目不变,方程数也不变。
方法1:
支路数b=4,但恒流源支路的电流已知,则未知电流只有3个,只需要列出3个方程。
(1)应用KCL列结点电流方程
对结点a:
I1+I2–I3=–7
(2)应用KVL列回路电压方程
对回路1:
12I1–6I2=42