第三章 电路的一般分析方法与常用定理.docx

第三章 电路的一般分析方法与常用定理.docx

《第三章 电路的一般分析方法与常用定理.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章 电路的一般分析方法与常用定理.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第三章电路的一般分析方法与常用定理

第3章电路的一般分析方法与常用定理

重点

1．KCL和KVL独立方程数的概念；

2．支路法、网孔法、节点法等复杂电路的方程法；

3．叠加定理；

4．戴维宁定理和诺顿定理；

5．最大功率传输定理。

难点

1．独立回路的确定；

2．含独立电源的结点电压方程和回路电流方程的列写；

3．各电路定理的应用条件；

4、正确作出戴维南定理的等效电路。

3.1支路电流法

电路的一般分析方法是指在给定电路结构和元件参数的条件下，不需要改变电路结构，而是通过选择电路变量（未知量），根据KCL和KVL以及支路的VCR建立关于电路变量的方程组，从而求解电路的方法。

一、支路电流法

支路电流法是以支路电流为未知量，根据KCL建立独立节点电流方程，根据KVL建立独立回路电压方程，然后解联立方程组求出各支路电流。

上图中选定各支路电流参考方向，并设各支路电压与支路电流为关联参考方向。

根据KCL列出的节点电流方程分别为

在上图所示的平面电路中含有3个网孔，若选择网孔作为回路，并取顺时针为回路绕行方向，根据KVL列出含VCR的回路电压方程分别为

上面这3个回路电压方程也是相互独立的，对应于独立方程的回路称为独立回路。

由此可见，上图所示的电路共设有6条支路电流为未知量，分别列出了3个独立节点电流方程和3个独立回路电压方程，恰好等于6条未知的支路电流数，因此可以解出各支路电流。

二、支路电流法的应用

应用支路电流法分析电路的关键在于确定独立节点和独立回路。

可以证明，对于具有n个节点，b条支路的电路，其独立节点数为（n-1），独立回路数为L＝b-（n-1）。

对于平面电路，由于网孔数等于独立回路数，

综上所述，应用支路电流法求解电路的一般步骤是：

（1）选定支路电流的参考方向，确定独立节点、独立回路及其绕行方向。

（2）根据KCL列出（n-1）个独立节点电流方程。

（3）根据KVL列出L＝b-（n-1）个独立回路电压方程。

（4）解方程组求出各支路电流。

（5）根据题意要求计算支路电压和功率等。

3.2网孔电流法

一、网孔电流法

网孔电流法是以假想沿着网孔边界连续流动的网孔电流为未知量，根据KVL对全部网孔列出电路方程，从而求解网孔电流，进而求得支路电流和电压的方法。

下图中网孔电流分别为

，

和

，电路中各支路的电流都可以用网孔电流来表示，即

因此，只要求出各网孔电流，就可以根据上式求出各支路电流。

若选定回路绕行方向与网孔电流的参考方向一致，根据KVL,3个网孔的独立回路电压方程分别为

将代人并整理得

上式是以网孔电流

，

、

为未知量的方程组，故称为网孔电流方程组。

对于具有m个网孔的电路，方程的一般形式可由上式子推广而得

其中各网孔所有电阻之和，称为各网孔的自阻。

式中具有相同下标的

，

……为各网孔的自阻，当回路绕行方向与网孔电流方向一致时，自阻均为正值；

两个相邻网孔之间的公共电阻，称为相邻网孔的互阻。

式中具有不同下标的

，

……等为各网孔之间的互阻，互阻可为正值，也可为负值，它取决于相邻的两个网孔电流通过该互阻的方向是否一致，一致时取正，反之取负。

当假定网孔电流均为顺时针（或逆时针）方向时，互阻均为负值；

，

和

……分别是网孔中电压源电压的代数和。

如果网孔电流从电压源的参考“-”极流向“+”极，则在它前面取正号，反之则取负号。

二、网孔电流法的应用

1、应用网孔电流法分析计算电路的一般步骤是：

1）假设各网孔电流及其参考方向，并规定各回路绕行方向均与其对二扣网孔电流方向一致。

2）用观察法列出全部网孔电流方程，注意自阻均为正值，互阻可正可负。

3）解联立方程组，求出各网孔电流。

4）选定各支路电流及其参考方向，将支路电流用网孔电流表示，求出各支路电流

5）根据题意要求，计算支路电压和功率等。

例：

用网孔电流法求下图所示电路中各支路电流。

解：

1）用观察法可列出方程为

解方程组得

2）选定各支路电流及其参考方向，如上图所示，将支路电流的网孔电流表示，故各支路电流为

2、当电路中含有无伴理想电流源支路或含受控源时，应用网孔电流法应作如下处理：

1）若无伴理想电流源处在电路的边界支路上，这时网孔电流就等于该电流源的电流，因此就不必列写该回路的网孔电流方程。

2）若无伴理想电流源处在两个网孔的公共支路上，可以将该电流源的端电压设为未知量，并将其视为电压源的电压，按上式的规律列写网孔电流方程。

由于增加了这个未知量，故必须补充一个方程，该补充方程即为此电流源与相关网孔电流关系的方程，使方程数与未知量数相等。

3）若电路中含有受控源，则先将受控源作为独立电源对待，列写网孔电流方程，然后将受控源的控制量用网孔电流表示，代人网孔电流方程中，使方程中的未知量只含有网孔电流。

3.3节点电压法

一、节点电压法

若以非独立节点作为电路的参考节点，则其余各个独立节点的电位就称为该节点的节点电压。

以节点电压为未知量，根据KCL列出对应于独立节点的节点电流方程，然后联立求解出各节点电压，从而求出各支路电压和电流的方法称为节点电压法（或称为节点电位法）。

左图所示电路有4个节点，选O点为

参考节点，则其余3个独立节点的节点电

压为

，

，

；各支路电流及其参

考方向如图中所示。

则各支路电流与节点

电压的关系为

对电路中独立节点①、②、③分别列写KCL方程有

代入上式得

经整理得

上式就是以节点电压

，

，

为未知量的节点电压方程，联立求解出节点电压后，根据式可求出各支路电流和电压。

对于具有n个节点的电路，其（n-1）各独立节点方程的一般形式可由上式推广而得，即

式中具有相同下标的电导分别为各独立节点所联接的所有支路的电导之和，称为各独立节点的自导，自导总取正值；

具有不同下标的电导分别为两个相关节点间的各支路电导之和，称为两节点之间的互导。

当假设各独立节点的电位为正时，互导总取负值。

当两节点间没有支路直接相联接时，对应的互导为零；

，

……分别表示流人对应节点的电流源电流和等效电流源电流的代数和，当电流源电流的方向指向对应节点时取正号，反之取负号；当电压源与电阻串联的支路中，电压源的“+”极靠近对应节点时其等效电流源电流取正号，反之取负号。

二、节点电压法的应用

1、应用节点电压法求解电路的一般步骤

1）选定参考节点，并给独立节点标定编号。

设各独立节点的节点电压为未知量，其参考极性均规定独立节点为“+"，参考节点为“-。

2）根据节点电压方程的一般形式及其规定用观察法列出全部独立节点的节点电压方程。

3）解联立方程组，求出各节点电压。

4）选定各支路电流及其参考方向，根据支路的VCR求出各支路电流。

5）根据题意要求，计算功率和其他电量等。

2、当电路中含有无伴理想电压源或受控源时，应用节点电压法分析电路

1）对含无伴理想电压源支路的电路，处理方法有两种。

一种方法是选取理想电压源支路的一个端点作为参考点，则另一端点的节点电压就等于该理想电压源的电压，从而不必再列出该节点的节点电压方程。

另一方法是将理想电压源支路的电流设为未知量，计人相应的节点电压方程中。

每增加一个这样的未知量，必须同时补充一个表示该电压源电压与相应节点电压关系的约束方程，这样就能保证方程数目与未知量数目相等。

2）对含有受控源的电路，可先把受控源作为独立电源对待，列写节点电压方程，然后将受控源的控制量用节点电压表示，代人节点电压方程中，使方程中的未知量只有节点电压。

例：

电路如下图所示，试用节点电压法求支路电流i。

解：

选定参考节点并给其他节点标定编号，如下图所示，列出各节点电压方程为

整理并解之得

所以支路电流为

3.4叠加定理及其应用

线性网络的叠加性可以用叠加定理来表述，即在线性网络中，由几个独立电源共同作用所形成的各支路电流或电压，是各个独立电源分别单独作用时在各相应支路中形成的电流或电压的叠加（代数和）。

所谓电压源不作用，是把电压源的电压置零，即电压源用短路代替；所谓电流源不作用，是把电流源的电流置零，即电流源用开路代替。

说明：

1）叠加定理只适用于线性电路，不适用于非线性电路。

2）叠加时，电路的联接方式以及电路中所有电阻和受控源都不能变动。

3）叠加时要注意电流和电压的参考方向，即各个电源单独作用产生的分电流或分电压的参考方向，与电路中全部电源共同作用产生的对应电流或电压的参考方向相同时取正号，反之取负号。

4）由于功率不是电流或电压的一次函数，所以不能用叠加定理来计算功率。

例：

应用叠加定理计算下图（a）所示电路中的电压U。

解：

1）电压源单独作用时，分电路如图（b）所示，由图可得

解之得

2）电流源单独作用时，分电路如图（c）所示。

由图（c）根据KVL可得

解之得

3）两个独立电源共同作用时，有

3.5效电源定理及其应用

一、戴维南定理

任何一个线性含源二端网络，对外电路而言，可以用一个电压源与一个电阻的串联组合等效代替。

此电压源的电压等于含源二端网络的开路电压

，串联电阻等于含源二端网络的全部独立电源置零后的等效电阻

。

需要指出，上图中所示的外电路可以是无源二端网络，也可以是含源二端网络；可以是线性电路，也可以是非线性电路。

1、开路电压

的计算

只要根据题目要求将二端网络的两个与外电路相联的端子开路，然后应用等效化简法、网孔电流法、节点电压法或其他电路分析方法求得

。

2、无源二端网络等效电阻

的计算

通常采用以下三种方法：

1）若二端网络只含有独立电源和电阻时，一般采用电阻的串、并联和星形―三角形等效变换的方法求得等效电阻

。

2）若二端网络不仅含有独立电源和电阻，而且含有受控源，则应采用外加电源法。

3）对于某些内部结构或元件参数未知的含源二端网络，可采用开路―短路法求解。

二、诺顿定理及其应用

根据两种实际电源的等效互换，得：

一个线性含源二端网络

也可以简化为一个电流源和一个电导（或电阻）的并联组合。

诺顿定理指出：

任何一个线性含源二端网络

，对外电路而言，可以用一个电流源与一个电导（或电阻）的并联组合等效替代。

3.6最大功率传输定理及其应用

当含源二端网络的开路电压

和等效电阻

为常数时，若负载电阻

与等效电阻

相等，负载就能从给定的电源获得最大功率，为

显然，当负载获得最大功率时，功率的传输效率为

例：

电路如下图（a）所示，试问当负载电阻

为何值时，负载能从网络中吸收最大功率？

并求此最大功率值。

解：

先将

从原电路中移去，如图（b）所示，求a、b两端戴维南等效电路

l）求开路电压

。

采用网孔电流法有

所以

2）求等效电阻

。

将独立电源置零，如图（c）所示，则

3）画出等效电路并求最大功率值。

将

接人戴维南等效电路，如图（C）所示，当

=

时，负载能从电源获得最大功率。

﹡3.7简单非线性电阻电路的分析

非线性电阻与线性电阻的区别在于其阻值不是常数，它随电阻两端电压或流过电阻的电流的变化而改变，其伏安特性不是一条通过u—i平面原点的直线，即非线性电阻的电压电流关系VCR不服从欧姆定律，它只能用u=F（i）或i=F（u）的关系曲线来描述，非线性电阻元件的电路符号如下图，分别为白炽灯丝和半导体二极管的伏安特性曲线。

由于非线性电阻的阻值是随电压或电流而变化的。

因此，计算其电阻值时就必须指明它的工作电压或工作电流。

非线性电阻元件的电阻值有两种表示方法，如下图所示。

一种称为静态电阻（或称为直流电阻），用大写字母R表示，它是指在特性曲线工作点Q处的电压U与电流I的比值。

另一种称为动态电阻（又称为交流电阻），用小写字母r表示，它是指在特性曲线上工作点Q附近的电压微变量

U与电流微变量

I之比的极限。

非线性电阻电路的分析方法很多，其中图解法是最常用的方法之一。

下面就通过例题来说明图解法及其应用。

例：

下图所示的是线性电阻

和非线性电阻R相串联的电路，已知非线性电阻元件的伏安特性曲线下图所示，试用图解法分析当电源电压为

时电路中的工作电流I和非线性电阻两端的电压U

解：

对于图中a、b端左侧的线性电路部分，根据KVL有。

或

上式是一直线方程，因此可在上图中画出一条直线，它与u轴和i轴的交点分别为M和N，与特性曲线i=F（u）的交点为Q。

由此可见，与Q点对应的电压和电流满足非线性电阻元件的特性曲线i=F（u）又满足电路的KVL方程。

所以，Q点对应的电压即为非线性电阻R两端的电压U，对应的电流即为电路的工作电流I。