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)】能夠分析和計算簡單的串、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概念。在分析計算時，為了使計算得到簡化，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，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，這樣每個負(fù)載都形成一個獨(dú)立的控制回路，任何一個負(fù)載不能正常工作時都不影響其他負(fù)載。在電工測量中，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。對于混聯(lián)電路的計算，只需根據(jù)電阻的串、并聯(lián)規(guī)律逐步求解，但對于某些較為復(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所示由電動勢

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。其符號如圖2-18所示。它對外供電電流穩(wěn)定不變，對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，可以把用一個恒流源和內(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)分析方法簡化成一個簡單回路的電路。為了解決這個問題，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)雜電路有幾個基本概念。

a)

簡單電路

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。每個支路由一個或幾個相互串聯(lián)的電氣元件構(gòu)成，且每條支路中除了兩個端點(diǎn)外不會有其他任何節(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，若規(guī)定流入節(jié)點(diǎn)的電流前面取“

”號，則流出該節(jié)點(diǎn)的電流前面取“

”號，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個獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)電流方程。根據(jù)KVL列出m-(n-1)個獨(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)際方向時應(yīng)注意：如果計算結(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)用端口由一對端鈕組成，且能夠滿足端口條件：即從端口的一個端鈕流入的電流等于從該端口的另一個端鈕流出的電流，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線性含源二端網(wǎng)絡(luò)，對外電路而言，都可以用一個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；