第2章电路的等效变换优秀PPT.ppt
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1、第2章电路的等效变换现在学习的是第1页,共111页2.1 电阻的串、并、混联电阻的串、并、混联2.1.1 电阻的串联电阻的串联 若电路中有两个或两个以上的电阻首尾相接、中间没有分支,在电源的作用下,通过各电阻的电流都相同,则称这种连接方式为电阻的串联。图2.1(a)为三个电阻串联的电路。设电压和电流的参考方向如图2.1(a)中所示,则根据KVL,有 UU1+U2+U3(2-1)现在学习的是第2页,共111页又由欧姆定律,可得 U1=R1IU2=R2IU3=R3I(2-2)由式(2-1)及式(2-2)可得 U(R+R+R)I(2-3)式(2-3)表明了图2.1(a)所示电路在端钮a、b上电压U与
2、电流I的关系,若用一个电阻 RR+R+R(2-4)现在学习的是第3页,共111页来替代图2.1(a)中三个电阻之和,如图2.1(b)所示,则在对外端钮a、b上 U与I的关系不变。换言之,它们对于外电路具有相同的效果,因此将这种替代称为等效替代或等效变换,电阻R称为R1、R、R串联的等效电阻。称图2.1(b)为图2.1(a)的等效电路。很显然,当有n个电阻串联时,其等效电阻等于n个电阻之和。现在学习的是第4页,共111页图 2.1 电阻串联及其等效电路 现在学习的是第5页,共111页 在串联电路中,若总电压U为已知,于是根据式(2-3)和式(2-4),各电阻上的电压可由下式求出:(2-5)式(2
3、-5)为串联电阻的分压公式;由此可得 UUU=RRR 上式说明:串联电阻上的电压分配与电阻大小成正比。现在学习的是第6页,共111页 顺便指出,使用分压公式时,应注意各电压的参考极性。若给式(2-1)两边各乘以电流I,则得 UI=UI+UI+UI P=P+P+P 即 上式表明,等效电阻所消耗的功率等于各串联电阻消耗的功率之和。各电阻消耗的功率可以写成如下形式:P1=I2R1,P2=I2R2,P3=I2R3故有 P P P=R R R 上式说明:电阻串联时,各电阻消耗的功率与电阻大小成正比。现在学习的是第7页,共111页 例例 2.1 有一量程为100mV,内阻为1k的电压表。如欲将其改装成量程
4、为U1=1V和U2=10V 的电压表,试问应采用什么措施?图 2.2 例2.1图 现在学习的是第8页,共111页 解解 根据串联电阻分压概念,用一个电阻与电压表相串联,可以分去所扩大部分的电压。由于要求扩大为两个量程,故应串入两个电阻(也可以说是将一个电阻一分为二),其原理如图2.2所示,各量程标注在相应的端钮上。图中Rg是电压表的内阻,Ug是其量程,R、R为分压电阻。当用U1量程时,U端钮断开,此时R相当于没有接入,分压电阻只有R;而当用U量程时,U端钮断开,分压电阻应为R+R2。现在学习的是第9页,共111页根据串联电阻分压关系可得 则 所以 R2=99-R1=90 k 现在学习的是第10
5、页,共111页2.1.2 电阻的并联电阻的并联 若电路中有两个或两个以上的电阻,其首尾两端分别连接于两个节点之间,每个电阻两端的电压都相同,则称这种连接方式为电阻的并联,如图2.3(a)为三个电阻并联的电路。图 2.3 电阻并联及其等效电路 现在学习的是第11页,共111页设电压和电流的参考方向如图2.3(a)中所示,则根据KCL,有 I=I+I+I(2-6)又由欧姆定律,可得(2-7)上式中G、G、G分别为各电阻的电导。由式(2-6)和式(2-7)可得 I=(G+G+G)U(2-8)现在学习的是第12页,共111页若用一个电导 G=G+G+G(2-9)来替代图2.3(a)中三个电导并联之和,
6、如图2.3(b)所示,则在对外端钮a、b上U与I的关系不变。换言之,它们对于外电路具有相同的效果,则电导G称为G、G、G相并联的等效电导。称图2.3(b)为图2.3(a)的等效电路,很显然:当有n个电导并联时,其等效电导等于n个电导之和。现在学习的是第13页,共111页若将式(2-9)用电阻形式表示,则有(2-10)其中,为R、R、R并联后的等效电阻。在并联电路中,若总电流I为已知,于是根据式(2-8)和式(2-9),各电导支路的电流由下式求出:(2-11)现在学习的是第14页,共111页式(2-11)为并联电导的分流公式,由此可得 III=GGG 上式说明,并联电导中电流的分配与电导大小成正
7、比,即与电阻成反比。若给式(2-6)两边各乘以电压U,则得 UI=UI+UI+UIP=P+P+P 即 上式表明,等效电导中所消耗的功率等于各并联电导消耗的功率之和。现在学习的是第15页,共111页各电导所消耗的功率可以写成如下形式:故有 PPP=GGG 上式说明,各并联电导所消耗的功率与该电导的大小成正比,即与电阻成反比。由以上讨论可知,在串联电路中用电阻方便,而在并联电路中用电导比较方便。但由于电阻元件习惯于用电阻表示,因此式(2-10)也经常应用,特别是两个电阻并联的情况更经常遇到。通常两个电阻并联时记作RR。其等效电阻可用下式求出:现在学习的是第16页,共111页(2-12)此时的分流公
8、式为(2-13)顺便指出,使用分流公式时,应注意各电流的参考方向。现在学习的是第17页,共111页 例例 2.2 有一量程为100 A,内阻为1.6 k的电流表,如欲将其改装成量程I1=500A和I2=5mA的电流表。试问应采取什么措施?解解 根据并联电阻分流的概念,用一个电阻与电流表并联,可以分去所扩大部分的电流,而使流过电流表的电流始终不超过100A。由于要扩大为两个量程,故应将并入的电阻分成两个部分(即由两个电阻串联而成),其原理如图2.4所示,各量程标注在相应的端钮上。现在学习的是第18页,共111页图2.4 例2.2图现在学习的是第19页,共111页 图中Rg为电流表内阻,Ig为其量
9、程,R1、R2为分流电阻。先求出量程I1的分流电阻,此时,I2端钮断开,分流电阻为R1+R2,根据并联电阻分流关系,有所以 当量程I2=5mA时,分流电阻为R2,而R1与Rg相串联,根据并联电阻分流关系,有 现在学习的是第20页,共111页故 R1=400-40=360。现在学习的是第21页,共111页2.1.3 电阻的混联电阻的混联 既有电阻串联又有电阻并联的电路称为电阻混联电路。对于电阻混联电路,可以应用等效的概念,逐次求出各串、并联部分的等效电路,从而最终将其简化成一个无分支的等效电路,通常称这类电路为简单电路;若不能用串、并联的方法简化的电路,则称为复杂电路。现在学习的是第22页,共1
10、11页例例 2.3 求图2.5(a)所示电路中的电流I和电压Uab。图 2.5 例2.3图 现在学习的是第23页,共111页 解解 对此种电路的分析方法可归纳为三步:设电位点;画直观图;利用串、并联方法求等效电阻。据此可将原电路改画成如图2.5(b)所示,则 由分流关系,有 或 现在学习的是第24页,共111页现在学习的是第25页,共111页例例 2.4 求图2.6(a)所示电路中a、b两端的等效电阻。解解 按三步处理法逐步化简,可得图2.6(b)、(c)、(d),由此可得 Rab=2+3=5 现在学习的是第26页,共111页图 2.6 例2.4的电路现在学习的是第27页,共111页 例例2.
11、5 求图2.7所示电路中R4上的功率P。解解ab端口的等效电阻 由分流关系可知 现在学习的是第28页,共111页图2.7 例2.5图现在学习的是第29页,共111页练练 习习 与与 思思 考考 2.1-1 求图2.8所示各电路中的等效电阻Rab。图 2.8 题2.1-1图 现在学习的是第30页,共111页 2.1-2 有一个120 V电源与100 电阻串联的电路,为了使电阻上的功率不超过100W,问至少应再串入多大的电阻R?电阻R上所消耗的功率为多少?2.1-3 3A电流源通过2电阻和一未知电阻R相并联的电路,要使流过电阻R的电流为2/3A,试问R取值应为多少?本节内容对应习题为2.12.7。
12、现在学习的是第31页,共111页.形和形和Y形电阻电路的等效变换形电阻电路的等效变换 在复杂电路中有一种无源三端电路,如图2.9所示,其中图(a)为形连接,称为形电路,图(b)为Y形连接,称为Y形电路。形或Y形电路通常是复杂电路中的一部分,例如对角线上接有电阻的电桥电路(见图2.10(a))。对这种电路直接进行求解是比较麻烦的。而在一定条件下,它们之间可以相互进行等效变换,经过变换之后,并不影响电路中未经变换部分的电压和电流,但可以用串、并联的方法求其等效电阻,从而大大简化了电路的计算。现在学习的是第32页,共111页图 2.9 无源三端电路现在学习的是第33页,共111页 形和Y形电路都是通
13、过三个端钮与外部相连,它们之间的等效变换则应满足外部特性不变的原则,即必须使两种电路的任意对应端加相同的电压时,流经任一对应端的电流也相同,也就是必须使任意两对应端钮间的电阻相等。对上述原则具体地说,就是当第三端钮断开时,两种电路中每一对相对应的端钮间的总电阻应当相等。例如图2.9(a)和(b)中,当端钮3断开时,两种电路中端钮1、2间的总电阻应相等,即(2-14)现在学习的是第34页,共111页同理有(2-15)(2-16)将形电路变换成Y形电路,就是已知 形电路中的三个电阻R12、R23、R31,待求量为等效Y形电路中的三个电阻R1、R2、R3。为此,只需将式(2-14)、(2-15)和式
14、(2-16)相加后除以2,可得(2-17)现在学习的是第35页,共111页从式(2-17)中分别减去式(2-15)、(2-16)和式(2-14),可得(2-18)(2-19)(2-20)以上三式就是形电路变换为等效Y形电路的公式。三个公式可概括为 现在学习的是第36页,共111页当形电路的三个电阻相等时,即 R12=R23=R31=R 则 (2-21)将Y形电路变换成形电路,就是已知Y形电路中的三个电阻R、R、R,待求量为等效形电路中的三个电阻R、R、R。为此,只需将式(2-18)、(2-19)和式(2-20)两两相乘后再相加,经化简后可得(2-22)现在学习的是第37页,共111页将式(2-
15、22)分别除以式(2-20)、(2-18)和式(2-19),可得(2-23)(2-24)(2-25)以上三式就是Y形电路变换为等效形电路的公式。三个公式可概括为 现在学习的是第38页,共111页 当Y形电路的三个电阻相等时,即 R=R=R=RY(2-26)则 R12=R23=R31=3RY 。应当指出,上述等效变换公式仅适用于无源三端电路。现在学习的是第39页,共111页 例例 2.6 在图2.10(a)所示电路中,已知R=10,R=30,R=22,R=4,R=60,U=22V,求电流I。图 2.10 例2.6图 现在学习的是第40页,共111页 解解 这是一个电桥电路,既含有形电路又含有Y形
16、电路,因此等效变换方案有多种,现仅选一种,如图2.10(b)所示。根据式(2-18)、(2-19)和式(2-20)可得 再用串、并联的方法求出等效电阻Rbd 则电流 现在学习的是第41页,共111页例例 2.7 求图2.11(a)所示电路中a、b两端的等效电阻。图2.11 例2.7图 现在学习的是第42页,共111页 解解 将三个1 电阻组成的Y形连接等效变换成形连接,如图(b)所示,故可得 现在学习的是第43页,共111页练练 习习 与与 思思 考考 2.2-1 求图2.12所示电路中的等效电阻Rab。图2.12 题2.2-1图 现在学习的是第44页,共111页2.2-2 利用电路的对称性求
17、图2.13所示电路中的等效电阻Rab。图2.13 题2.2-2图 现在学习的是第45页,共111页 2.2-3 如果要将图2.14(a)所示电路,利用Y形等效变换成图2.14(b)所示电路,从何处着手比较方便?为什么?图2.14 题2.2-3图 现在学习的是第46页,共111页.两种电源模型的等效变换两种电源模型的等效变换 第1章已经介绍了电压源和电流源,我们知道,电压源模型是电压源和电阻串联,而电流源模型是电流源和电阻并联。如图2.15所示。图 2.15 两种电源模型(a)电压源模型;(b)电流源模型 现在学习的是第47页,共111页 为了方便电路的分析和计算,往往需要将电压源模型与电流源模
18、型进行等效互换。所谓等效互换是指在两种电源模型的外部特性完全相同的原则下进行的相互变换。对于图2.15(a),根据KVL,有 U=USRI(2-27)对于图2.15(b),根据KCL,有 即 U=RSIIS-RSII(2-28)现在学习的是第48页,共111页比较式(2-27)和式(2-28),若(2-29)则这两种电源模型的外部电压、电流关系完全相同,因此,对外电路而言,它们是等效的。式(2-29)也可以写成另一种形式,即(2-30)现在学习的是第49页,共111页 式(2-29)和式(2-30)是两种电源模型等效的条件。在满足上述条件的情况下,两种电源模型可以相互变换,而对外电路不会产生任
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