電工電子技術(shù)與技能課件：直流電路

直流電路分析

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】理解部分電路歐姆定律和全電路歐姆定律的概念，掌握串、并聯(lián)電路的概念和特點(diǎn)?！灸芰δ繕?biāo)】能夠分析和計(jì)算簡(jiǎn)單的串、并聯(lián)電路。模塊一分析歐姆定律及電阻連接應(yīng)用

一、部分電路歐姆定律

所謂全電路是指含有電源的閉合回路。如圖2-2所示電路為全電路，其中，r表示電源內(nèi)部的電阻，稱為內(nèi)電阻，簡(jiǎn)稱內(nèi)阻，與電源構(gòu)成內(nèi)電路，如圖2-2中虛線框內(nèi)所示。內(nèi)電阻也可以不單獨(dú)畫出，只需在電源旁邊予以注明。電源外部的電路稱為外電路，外電路中的電阻稱為外電阻。

圖2-2

全電路二、全電路歐姆定律

（一）電阻串聯(lián)電路的概念、特點(diǎn)假設(shè)有n個(gè)電阻R1、R2、R3、R4、…、Rn順序相連，如圖2-4所示的連接方式，稱為電阻的串聯(lián)。a）電阻的串聯(lián)電路

b）等效電路

圖2-4電阻的串聯(lián)三、電阻串聯(lián)

等效是電路理論中非常重要的一個(gè)概念。在分析計(jì)算時(shí)，為了使計(jì)算得到簡(jiǎn)化，通常用等效電路代替原電路。所謂等效，是指結(jié)構(gòu)、元件完全不同的兩個(gè)電路其端電壓、電流關(guān)系相同，則相互等效的兩部分電路可以相互代換，代換前的電路與代換后的電路與外電路相連時(shí)，外電路的電流、電壓等都是相等的。例如圖2-5所示電路圖中，由于負(fù)載A與負(fù)載B的端電壓和電流關(guān)系相同，因此，A與B可以相互代換，代換后對(duì)外電路不造成影響。

圖2-5

等效電路

（二）電阻串聯(lián)電路的應(yīng)用電阻串聯(lián)的應(yīng)用非常廣泛。在實(shí)際應(yīng)用中，可以將幾個(gè)電阻串聯(lián)構(gòu)成分壓器。也可以利用串聯(lián)電阻擴(kuò)大電壓表的量程。

（一）電阻并聯(lián)電路的概念、特點(diǎn)生活中，我們使用的電燈、電冰箱、電視機(jī)、空調(diào)、洗衣機(jī)等家用電器，可以通過開關(guān)獨(dú)自控制，互不影響（如圖2-7所示）。像這種把多個(gè)元件并列的連接起來，由同一電壓供電的電路稱為并聯(lián)電路。圖2-7

家用電器的并聯(lián)四、電阻并聯(lián)如圖2-8（a）所示電路圖即為由兩個(gè)電阻組成的并聯(lián)電路，圖2-8（b）所示為其等效電路。a）電阻的并聯(lián)電路

b）等效電路圖2-8電阻的并聯(lián)

（二）電阻并聯(lián)電路的應(yīng)用電阻并聯(lián)電路的應(yīng)用也十分廣泛。額定工作電壓相同的負(fù)載都采用并聯(lián)的工作方式，這樣每個(gè)負(fù)載都形成一個(gè)獨(dú)立的控制回路，任何一個(gè)負(fù)載不能正常工作時(shí)都不影響其他負(fù)載。在電工測(cè)量中，經(jīng)常在電流表兩端并聯(lián)分流電阻，從而擴(kuò)大電流表的量程。

五、電阻的混聯(lián)在一個(gè)電路中，既存在相互串聯(lián)的電阻，又存在相互并聯(lián)的電阻，這樣的電路稱為混聯(lián)電路。對(duì)于混聯(lián)電路的計(jì)算，只需根據(jù)電阻的串、并聯(lián)規(guī)律逐步求解，但對(duì)于某些較為復(fù)雜的電阻混聯(lián)電路，由于很難直接判斷電阻之間的連接關(guān)系，比較有效的方法就是畫出其等效電路圖，即把原電路整理成直觀的串、并聯(lián)關(guān)系的電路圖。例2-6

如圖2-9所示電路中，已知R1=R2=R3=4Ω，R4=R5=8Ω，求A、B間的等效電阻RAB。（a）

(b)(c)圖2-9解:(1)為了方便分析各電阻間的連接關(guān)系，在原電路中標(biāo)出點(diǎn)C，如圖2-9（b）圖所示。(2)將A、B、C三點(diǎn)沿水平方向依次排列，根據(jù)各電阻之間的連接關(guān)系將R1-R5依次填入適當(dāng)?shù)奈恢?。如R1與R2串聯(lián)后接在A、C之間，R3在B、C之間，R4連在A、B之間，R5在A、C之間，根據(jù)各電阻間的連接關(guān)系可畫出等效電路圖，如圖2-16（c）所示。

學(xué)習(xí)目標(biāo)1）理解電壓源和電流源的概念。能力目標(biāo)1）能夠進(jìn)行電壓源和電流源之間的等效變換。模塊二探究電壓源和電流源的等效變換、電壓源實(shí)際電壓源如圖2-13所示由電動(dòng)勢(shì)

E和內(nèi)阻

r串聯(lián)的電源電路模型為實(shí)際電壓源。如圖2-14所示，電源接上負(fù)載后，輸出電壓的大小U=E-Ir，若輸出電流相同，則電源內(nèi)阻越小，輸出電源越大。即電壓源的內(nèi)阻越小，它對(duì)外供電就越穩(wěn)定。故電壓源的內(nèi)阻越小越好。

圖2-13

實(shí)際電壓源

圖2-14

連接負(fù)載的電壓源一、電壓源到電流源的等效變換2.理想電壓源如圖2-15所示電路中，若r=0，則輸出電壓U=E，與輸出電流的大小無關(guān)。通常把這種內(nèi)阻為零的電壓源成為理想電壓源，也成恒壓源。實(shí)際上，電壓源都會(huì)有內(nèi)阻，所以理想電壓源并不是實(shí)際存在的，并且理想電壓源不允許短路，否則電源的輸出電流將很大，容易造成電源的損壞。

2.理想電流源通常把內(nèi)阻無窮大的電流源稱為理想電流源，又稱恒流源。其符號(hào)如圖2-18所示。它對(duì)外供電電流穩(wěn)定不變，對(duì)外供電電流的大小取決于負(fù)載電阻的大小。實(shí)際上，理想電流源并不存在，在分析電路時(shí)，可以把用一個(gè)恒流源和內(nèi)阻并聯(lián)表示實(shí)際電源。

圖2-15理想電壓源

圖2-18

理想電流源

圖2-19

電壓源到電流源的等效變換

二、電流源到電壓源的等效變換圖2-20電流源到電壓源的等效變換例2-7將圖2-21（a）中的電壓源轉(zhuǎn)換為電流源，將2-21（b）中的電流源轉(zhuǎn)換成電壓源

（a）

（b）圖2-21

學(xué)習(xí)目標(biāo)1）理解節(jié)點(diǎn)、支路、回路、網(wǎng)孔的概念，熟練掌握基爾霍夫第一定律和第二定律。能力目標(biāo)1）能夠很好的運(yùn)用基爾霍夫定律，能夠熟練運(yùn)用支路電流法和節(jié)點(diǎn)電壓法分析較復(fù)雜的電路。模塊三分析基爾霍夫定律及其應(yīng)用復(fù)雜電路的基本術(shù)語所謂復(fù)雜電路，即兩個(gè)以上含有電源的支路組成的多回路電路，不能運(yùn)用電阻的串、并聯(lián)分析方法簡(jiǎn)化成一個(gè)簡(jiǎn)單回路的電路。為了解決這個(gè)問題，基爾霍夫給出了分析這類復(fù)雜電路的方法，稱為基爾霍夫定律。關(guān)于復(fù)雜電路有幾個(gè)基本概念。

a)

簡(jiǎn)單電路

b)

復(fù)雜電路圖2-25一、基爾霍夫定律節(jié)點(diǎn)：有3條及以上連接有電氣元件的導(dǎo)線的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。如圖2-25(b)所示電路中A、B都是節(jié)點(diǎn)。支路：電路中相鄰節(jié)點(diǎn)間的分支稱為支路。每個(gè)支路由一個(gè)或幾個(gè)相互串聯(lián)的電氣元件構(gòu)成，且每條支路中除了兩個(gè)端點(diǎn)外不會(huì)有其他任何節(jié)點(diǎn)。如圖3-1(b)所示電路中共有3條支路，即E1和R1串聯(lián)構(gòu)成一條支路，E2和R2串聯(lián)構(gòu)成一條支路，R3單獨(dú)構(gòu)成另一條支路。其中如E1-R1支路、E2-R2支路這種含有電源的支路稱為有源支路，如R3支路這種不含電源的支路稱為無源支路?；芈罚弘娐分袕娜我稽c(diǎn)出發(fā)，沿支路經(jīng)一定路徑又回到該點(diǎn)形成的閉合路徑。如圖2-25（a）中有3個(gè)回路：A—E1—R1—R2—E2—A，A—R3—R2—E2—A，A—R3—B—R1—E1—A。網(wǎng)孔：在電路圖中不被其他支路所分割的最簡(jiǎn)單的回路稱為網(wǎng)孔或者獨(dú)立回路。如圖2-25（b）中有2個(gè)網(wǎng)孔，分別是A—E1—R1—R2—E2—A，A—R3—R2—E2—A。

因此可得到基爾霍夫第一定律的第二種表述：在任何時(shí)刻，電路中流過任一節(jié)點(diǎn)的電流的代數(shù)和恒等于零。需要注意列方程時(shí)，若規(guī)定流入節(jié)點(diǎn)的電流前面取“

”號(hào)，則流出該節(jié)點(diǎn)的電流前面取“

”號(hào)，反之亦可。

二、基爾霍夫定律的應(yīng)用（一）支路電流法定義：支路電流法就是以各支路電流為未知量，根據(jù)基爾霍夫定律列出聯(lián)立方程組以求解各支路電流的方法。支路電流法求解支路電流的一般步驟為：首先找出復(fù)雜電路的支路數(shù)m、節(jié)點(diǎn)數(shù)n和網(wǎng)孔數(shù)，然后任意假設(shè)各支路電流的參考方向和網(wǎng)孔的繞行方向。根據(jù)KCL列出n-1個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)電流方程。根據(jù)KVL列出m-(n-1)個(gè)獨(dú)立的回路電壓方程。代入數(shù)據(jù)，聯(lián)立方程組求各支路電流。在確定各支路電流的實(shí)際方向時(shí)應(yīng)注意：如果計(jì)算結(jié)果為正，則電流的實(shí)際方向和參考方向相同；如果計(jì)算結(jié)果為負(fù)，則電流的實(shí)際方向和參考方向相反。例2-9

如圖2-29所示電路中，E1=E2=20V，R1=2Ω，R2=2Ω，R3=4Ω，求各支路電流。圖2-29

節(jié)點(diǎn)電壓法求解復(fù)雜直流電路的一般步驟為：選定節(jié)點(diǎn)電壓的參考方向。根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓計(jì)算公式求出節(jié)點(diǎn)電壓。標(biāo)定各支路電流的參考方向，應(yīng)用一段含源電路的歐姆定律求得各支路電流。例2-10

如圖2-30所示電路中，R1=2Ω，R2=2Ω，R3=4Ω，E1=20V，E2=20V用節(jié)點(diǎn)電壓法求各支路的電流I1、I2、I3。圖2-30

學(xué)習(xí)目標(biāo)理解二端網(wǎng)絡(luò)的概念，掌握戴維南定理的定義及解題步驟。能力目標(biāo)能夠運(yùn)用戴維南定理分析電路。模塊四分析戴維南定律及應(yīng)用端口由一對(duì)端鈕組成，且能夠滿足端口條件：即從端口的一個(gè)端鈕流入的電流等于從該端口的另一個(gè)端鈕流出的電流，這樣的網(wǎng)絡(luò)稱為二端網(wǎng)絡(luò)。其中，內(nèi)有獨(dú)立電源的二端網(wǎng)絡(luò)稱為有源二端網(wǎng)絡(luò)。內(nèi)部沒有獨(dú)立電源的二端網(wǎng)絡(luò)稱為無源二端網(wǎng)絡(luò)。

（a）有源二端網(wǎng)絡(luò)

（b）無源二端網(wǎng)絡(luò)圖2-34

二端網(wǎng)絡(luò)一、二端網(wǎng)絡(luò)二、戴維南定理任意一個(gè)線性含源二端網(wǎng)絡(luò)，對(duì)外電路而言，都可以用一個(gè)電壓源與電阻相串聯(lián)的等效電源代替。其電壓源的電壓等于該有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓UOC，串聯(lián)電阻Ro等于該有源二端網(wǎng)絡(luò)中所有獨(dú)立源為零（電壓源短路，電流源開路）時(shí)的等效電阻。戴維南定理的解題步驟為：將待求解支路移開，形成有源二端網(wǎng)絡(luò)。求出有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓Uoc；