二端网络的等效概念.pdf

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1、.二端网络的等效概念二端网络的等效概念具有两个端钮的部分电路，就称为二端网络，如图2.1所示。如果电路的结构、元件参数完全不同的两个二端网络具有相同的电压、电流关系即相同的伏安关系时，则这两个二端网络称为等效网络。等效网络在电路中可以相互代换。内部有独立电源 （电压源的电压或电流源的电流不受外电路控制而独立存在的电源叫独立电源）的二端网络，称为有源二端网络；内部没有独立电源的二端网络，称为无源二端网络。无源二端网络可用一个电阻元件与之等效。这个电阻元件的电阻值称为该网络的等效电阻或输入电阻，也称为总电阻，用Ri表示。二、电源的等效变换二、电源的等效变换任何一个实际电源本身都具有内阻， 因而实际

2、电源的电路模型由理想电源元件与其内阻组合而成。理想电源元件有电压源和电流源，因此，实际电源的电路模型也相应的有电压源模型和电流源模型，如图1.29所示。在图1.29(a)电路中，由式(1.16)可知：U US IRi式中，US为电压源的电压。在图1.29(b)电路中，由式(1.17)可知：I IS.1URi.整理后得：U ISRi IRi由此可见， 实际电压源和实际电流源若要等效互换， 其伏安特性方程必相同，即电路参数必须满足条件：Ri Ri；US ISRi(1.18)当一个实际的电压源要等效变换成实际的电流源时，电流源的电流等于电压源的电压与其内阻的比值(IS内阻(Ri Ri)；当一个实际的

3、电流源要等效变换成实际的电压源时， 电压源的电压等于电流源的电流与其内阻的乘积(US ISRi)，电压源的内阻等于电流源的内阻(Ri Ri)。US)，电流源的内阻等于电压源的Ri在进行等效互换时，必须重视电压极性与电流方向之间的关系，即两者的参考方向要求一致，也就是说电压源的正极对应着电流源电流的流出端。也就是说电压源的正极对应着电流源电流的流出端。实际电源的两种模型的等效互换只能保证其外部电路的电压、 电流和功率相同，对其内部电路，并无等效而言。通俗地讲，当电路中某一部分用其等效电路替代后，未被替代部分的电压、电流应保持不变。应用电源等效转换分析电路时还应注意以下几点：（1）电源等效转换是电

4、路等效变换的一种方法。这种等效是对电源输出电流I 、端电压U的等效。（2）有内阻Ri的实际电源，它的电压源模型与电流源模型之间可以互换等效；理想的电压源与理想的电流源之间不便互换。（3）电源等效互换的方法可以推广运用，如果理想电压源与外接电阻串联，可把外接电阻看其作内阻，则可转换为电流源形式；如果理想电流源与外接电阻并联，可把外接电阻看作其内阻，则可转换为电压源形式。例5.1将下图电路进行等效变换。Ru uS S(a)(a)图图au ubau ubu uS Si iS S(b)(b)图图au ubau ui iS S.i iS SR(d)(d)图图u uS S(c)(c)图图b.解题思路解题思

5、路：解题前先要看清电路的连接形式， 因为并联电路电压相等，对于并联电路则要看电压源；而串联电路的电流相等，对于串联电路则要看电流源。在图(a)电路中，因为R和uS相并联，a,b两点间的端电压相等，所以对外电路而言则可等效成u uS uR；在图(b)电路中，因为iS和uS相并联，a,b两点间的端电压相等，所以对外电路而言则可等效成u uS uiS；在图(c)电路中，因为iS和uS相串联，a,b两点间流过同一电流，所以对外电路而言则可等效成iS；在图(d)电路中，因为iS和uS相串联，a,b两点间流过同一电流，所以对外电路而言则可等效成iS；u uS S(a)(a)图图Rau ubu uS Si

6、iS Su uu uS S(c)(c)图图aaau uS Si iS Si iu uu uS Su ubb(b)(b)图图bi iS SR(d)(d)图图au ub例例5.2已知US1 4V，IS2 2A，R21.2，试化简图1.30(a)电路。解题思路解题思路：在图1.30(a)中， 先把电流源IS2与电阻R2的并联变换为电压源US2与电阻R2的串联（注意：电压源的正极对应着电流源电流的流出端电压源的正极对应着电流源电流的流出端 ），如图1.30(b)，其中US2 R2 IS2122 24V.在图1.30(b)中，再将电压源US2与电压源US1的串联变换为电压源US，如图1.30(c)，其中

7、：USUS2US1 24 4 28V（若US1和US2方向不同则相减） 。例例5.3将下图电路等效化简为电压源和电阻的串联组合。解题思路解题思路：在第一条支路上2电阻和2V电压源相串联，应用等效变换公式USR Ri将其等效变换成1A电流源（电压源的正极对应着电流源电压源的正极对应着电流源和iRi电流的流出端电流的流出端）与2电阻的并联组合；在第二条支路上1电阻和3A电流源相IS串联，等效结果如图(b)所示。在(b)中， 三路电流源相并联， 其中3A电流方向向下， 则有IS135 3A，进一步等效为图(c)所示。在图(c)中，2电阻和3A电流源相并联，再应用等效变换公式US ISRi和Ri Ri

8、，将其等效为图(d)所示简化形式。2a22V3A5A1ba1A3A电流源25A进行合并a3A注意电流源电流的方向和电压6V2abb源的极性b.例例5.4电路如图1.31所示，已知US110V，IS115A，IS2 5A，R 30，R2 20，求电流I。解题思路解题思路：在图1.31(a)中，电压源US1与电流源IS1并联，可等效为该电压源US1；电流源IS2与电阻R2的并联可等效变换为电压源US2与电阻R2的串联，电路变换如图1.31(b)，其中：US2 IS2 R2 2520 100V。在图1.31(b)中，电压源US1与电压源US2的串联可等效变换电压源U，电路变换如图1.31(c)，其中

9、：USUS2US110010 110V在图1.31(c)中，根据欧姆定律求得：I US110 2.2AR R230 20三、电阻的串联三、电阻的串联两个或两个以上的电阻元件依次相连， 且中间无分支的连接方式叫串联，如图2.3(a)所示。串联电路有以下特点：.串联电路中流过每个电阻的电流都相等，即：I I1 I2 In；串联电路两端的总电压等于各个电阻两端的电压之和。即：U U1U2Un；串联电路两端的总电阻（等效电阻）等于各串联电阻之和。即：Ri R1 R2 Rn。图2.3(b)是图2.3(a)的等效网络，根据等效的概念，在图2.3(b)中有：U RiI。串联电阻有“分压”作用。在两个电阻的串

10、联电路中，若已知电路的总电压U和R1、R2的阻值时，则这两个电阻上的电压分配关系为：U1R1R2UU2UR1 R2R1 R2在电工测量仪表中，用串联电阻来扩大测量仪表的电压量程。例例5.5一个额定值为 5W、100的电阻，在使用时最高能加多少伏特电压？能允许通过多少安培的电流？UU2解题思路解题思路：本题中已知功率和电阻值，由功率公式P UI U得RRU PR 5100 22.5V；由功率公式PUIIRII2R得I P5 0.225A。R100四、电阻的并联四、电阻的并联两个或两个以上电阻元件接在电路中相同的两点之间的连接方式叫电阻的并联，如图2.5(a)所示。.并联电路有以下特点：并联电路中

11、各电阻两端的电压均相等，且等于电路两端的电压，即U U1U2 Un；并联电路中总电流等于各电阻中的电流之和，即I I1 I2 In；并联电路总电阻的倒数等于各并联电阻的倒数之和，即1111RnR1R2Rn并联电阻有“分流”作用。在两个电阻的并联电路中，若只有 R1、R2两个电阻并联，如图 26 所示，可得等效电阻 Ri为：RnR1R2R1 R2当已知电路的总电流I和R1、R2的阻值，则流过两个电阻上的电流分别为：I1I2R IR2UnIR1R1R1 R2R IR1UnIR2R1R1 R2在电工测量仪表中，用并联电阻来扩大测量仪表的电流量程。例例3.3在图2.6所示的电路中， 已知I 500mA

12、，R1 5.1K，R2 310， 求I1，和I2。解题思路解题思路：根据分流公式得：I1I2R20.31I 500 28.65mAR1 R25.1 0.31R15.1I 500 471.35mAR1 R25.10.31例例3.4求图2.1所示电路中6电阻上的功率。解题思路解题思路：该题是一个既有串联电阻又有并联电阻的混合电路。首先，利用电阻的串联、并联关系简化电路，求出相关电流。图2.1中4和6电阻是并联关系，其并联等效电阻又和1.6电阻是串联关系，依据电阻串、并联公式将图2.1所示电路简化为图2.2所示的形式。.用分流公式求电流i：i 1610 8A16 4i是图2.1中1.6电阻上的电流，

13、这个电流又是4和6电阻的总电流。再根据分流公式，进一步求出6和4电阻上的分流，在6电阻上的电流i1是：i144i 8 3.2A6 46 4消耗在6电阻上的功率是：p 6i12 63.22 61.44W五、电阻的混联五、电阻的混联由串联和并联电阻组合而成的二端电阻网络称为电阻的混联网络， 分析混联电阻网络的一般步骤如下：（1）计算各串联电阻、并联电阻的等效电阻，再计算总的等效电阻。（2）由端口激励计算出端口响应。（3）根据串联电阻的分压关系、并联电阻的分流关系逐步计算各部分电压和电流。例例3.6图2.7所示的是一个利用滑线变阻器组成的简单分压器电路。 电阻分压器的固定端a、b接到直流电压源上。固

14、定端b与活动端c接到负载上。利用分压器上滑动触头c的滑动，可在负载电阻上输出0 U的可变电压。已知直流理想电压源电压US 9V，负载电阻RL 800，滑线变阻器的总电阻R 1000，滑动触头c的位置使R1 200，R2 800。.求输出电压U2及滑线变阻器两段电阻中的电流I1和I2；若用内阻为RV11200的电压表去测量此电压，求电压表的读数；若用内阻为RV 2 3600的电压表再测量此电压，求这时电压表的读数。解题思路：(1)在图2.7(a)中，电阻R2与RL并联后再与R1串联。得总电阻为R总 R1R2RL800800 200 600R2 RL800800由欧姆定律求得总电流为I1US9 0

15、.015AR总600再由分流公式求得电流I2为I2RL800I10.015 0.0075AR2 RL800 800U2 R2I2 8000.0075 6V(2)在图2.7(b)中，电阻R2、RL与电压表内阻RV1并联后再与R1串联，得总电阻为R总 R111 200 500111111R2RLRV18008001200由分压公式求得电压UV1为UV1US191 5.79V1111R总15001R2RLRV18008003600(3)在图2.7(b)中，电阻R2、RL与电压表内阻RV 2并联后再与R1串联，得总电阻为R总 R111 200 560111111R2RLRV 28008003600由分压公式求得电压UV 2为UV 2US191 5.79V1111Ri215001R2RLRV18008003600.由此可见，由于实际电压表都有一定的内阻，将电压表并联在电路中测量电压时， 对被测试电路都有一定的影响。 电压表内阻越大， 对测试电路的影响越小。理想电压表的内阻为无穷大，对测试电路才无影响，但实际中并不存在。.