放心鐵子們,本文會從最基礎(chǔ)的講起,適合剛接觸電子的童鞋,就算躺在床上,花十幾分鐘看完本文你將無痛地對電路分析有個全面的了解!
對于很基礎(chǔ)的概念我會細(xì)說,對于一些進(jìn)階的概念我會盡量用語言解釋,所以我會把電路分析涉及的知識點(diǎn)都囊括到,旨在讓各位先見識電路分析的全貌,為以后的學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)!
下圖是電路分析的所有基本概念,棕色的知識我會詳細(xì)說說,大家可以馬上掌握,藍(lán)色的知識我會盡量用語言講明白。希望對大家有幫助。
學(xué)電子的童鞋們進(jìn)入大學(xué)逃不了的就是電路分析這一課,顧名思義,這門課就是講分析電路,說白了,就是給你一個再復(fù)雜的電路,你都能通過一些手段去求出它的電流、電壓、輸入輸出電阻、性能等等。那么為了達(dá)到這個目的,你就需要很多的手段,可以理解為很多的武器,現(xiàn)在你們的武器庫里面是不是就只有這么一個武器?
哈哈哈很正常,在高中他能解決幾乎所有問題,但是到了大學(xué),這就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。
電路分析這門課就是不斷地傳授你解決電路的方法,拓展你的武器庫。OK,下面的內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣,事不宜遲,我們開搞!
KCL、KVL
KCL是基爾霍夫電流定律,KVL是基爾霍夫電壓定律,這可能你們之后用的最多的兩個定律,非常非常重要!
所謂KCL就是說,在任意一個時刻,對于電路里面任意一個節(jié)點(diǎn),流入的電流等于流出的電流!
下面這個圖清晰地解釋了KCL。
所謂KVL就是說,對于電路里面任意一個回路,在你選定了一個方向后,在這個回路里電壓的代數(shù)和等于0!
看下圖,我選定了逆時針方向后,對于U2和U3是先經(jīng)過它們的負(fù)極,所以電壓代數(shù)是負(fù)數(shù)!即 -U2+U4-U3+U1=0。
KCL、KVL就是這么簡單!
支路電流法
但現(xiàn)在各位只是知道KCL、KVL這倆重要概念,如果我們馬上給你一個電路實(shí)際計算一下,你怎么去用這倆概念解決問題?
我們由此延伸出一個方法,支路電流法!
它是一個萬能的方法,就是給你一個電路,你就把它所有的節(jié)點(diǎn)都列KCL方程,所有的回路都列KVL方程,再把所有方程求解,那這個電路的所有電流電壓你都清晰了,所以說它是萬能的哈哈哈,非常的“暴力”,也非常的簡單。
有時你的目標(biāo)明確,就像求三個未知量,比如下面這個圖中的I1?、I2?、I3? ,那我們只需要列三個方程就ok,對a節(jié)點(diǎn)列一個KCL,對Ⅰ、Ⅱ回路列兩個KVL,搞定。
節(jié)點(diǎn)電壓法、網(wǎng)孔電流法
支路電流法是很簡單,但是代價就是要列很多方程,當(dāng)一個電路變得復(fù)雜后,會有很多個節(jié)點(diǎn),很多個回路,這時候你再用它的話就會非常復(fù)雜,但如果你的計算能力可以,考試也可以這樣用哈哈,也能解出來,就是很麻煩,所以肯定有更加高效的方法針對復(fù)雜電路!
節(jié)點(diǎn)電壓法、網(wǎng)孔電流法 應(yīng)運(yùn)而生,其實(shí)實(shí)際情況是我們用這倆方法頻率會很高,反而支路電流法用得很少。節(jié)點(diǎn)少的時候建議用節(jié)點(diǎn)電壓法,網(wǎng)孔回路少的時候建議用網(wǎng)孔電流法,這倆先有個印象就可以。
疊加定理
疊加定理是解決線性電路的一大利器,線性的意思大家可以先理解為電路里面沒有二極管、電容、電感這三個非線性元件,那就是線性電路。各位看到一個線性電路,條件反射就應(yīng)該想到疊加定理。
先看看課本怎么說:
說白了,就是多個電源共同作用于一個支路產(chǎn)生的總響應(yīng),等于把電源分開,單獨(dú)地在這個支路產(chǎn)生的響應(yīng)之和。
在用疊加定理時還有一條游戲規(guī)則,那就是我們在分析單個電源時,對于其他的電源,我們要電壓源短路,電流源斷路。(因?yàn)槔硐氲碾妷涸?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1516682.html">內(nèi)阻為0,理想的電流源內(nèi)阻無窮大,所以干脆看為短路和斷路。)
比如下面左邊的這個電路,可以分解為右邊兩個分身,左分身分析U1,右分身分析U2,利用疊加定理我們就可以由I1′?和I1′′? 這倆響應(yīng)的代數(shù)和得出 I1? 這個總響應(yīng),I2? , I3? 同理啦。(I1′′? 方向相反,所以是負(fù)數(shù))
再看練習(xí)一個電路:
你看著這個電路有三個電源,倆電流源一個電壓源,直接分析會很頭疼,試試用疊加定理!
左上角的圖可以分解為右邊3個子圖,單獨(dú)分析3個電源的響應(yīng)后再加起來,就是總響應(yīng)!
電源等效變換
大家對電源的認(rèn)識是不是身邊的5號,7號電池?這種一般為電壓源,就是加在負(fù)載上面的電壓是恒定的。電路里面還有一個重要分支是電流源!即加在負(fù)載上面的電流恒定的,是不是很神奇,實(shí)現(xiàn)的方法有很多,大家先有個概念。
電壓源與電流源還可以相互轉(zhuǎn)化!可以用于電路化簡。
一個電壓源和電阻串聯(lián),可以等效于一個電流源和電阻并聯(lián)。
如下圖所示:
下面為轉(zhuǎn)化的公式:
對于一些電路,用上電源等效變換這一工具后會簡便很多。
戴維南、諾頓定理
對于一個多么復(fù)雜的電路,我們都可以看成一個黑箱子(不知道內(nèi)部構(gòu)造,只有兩條線引出來)。
戴維南說,我們可以直接把這個黑箱子等效為一個電壓源和一個電阻的串聯(lián);
諾頓說,我們可以直接把這個黑箱子等效為一個電流源和一個電阻的并聯(lián)。
至于如何求解這個電源和電阻的值,有一套游戲規(guī)則,這里不啰嗦,先有個印象。
星三角變換
推薦一個很直接的博客,會用公式就行,這個變換非常實(shí)用。星三角變換
一階、二階電路時域分析
前面我們都沒有接觸二極管、電容和電感這三個元件,但實(shí)際的家用電路99%都少不了它們仨。只用到一個電容或電感我們叫它一階電路,用到了電容和電感我們就叫它二階電路。 這里推薦兩個b站視頻 BV1ax411q7rG ,BV1sx411B7Hf,不了解電容和電感的童鞋可以去看看先。
對于這些非線性電路的分析會有一套完整的方法,時域分析是指橫坐標(biāo)為時間,就是大家日常的思考方式,看電路響應(yīng)隨著時間會怎樣變化。
零輸入響應(yīng):把輸入看成0,只分析電路的狀態(tài)造成的響應(yīng)。
零狀態(tài)響應(yīng):把電路的狀態(tài)看成0,只分析輸入造成的響應(yīng)。
總的響應(yīng)就等于零輸入響應(yīng) 加上 零狀態(tài)響應(yīng)!這跟疊加定理的思想很想。
相量法
在自然界中,很多的輸入都可以寫成一堆正弦波的疊加(傅里葉變換),許多的正弦波進(jìn)入我們的電路后怎么高效地去求響應(yīng)?這時候就引入了相量法,研究輸入是正弦余弦時如何系統(tǒng)地求解電路。
三相電路
我們國家電力的發(fā)電和輸電都是三相的,即相當(dāng)于三個電源,通過三條線來傳輸,這個的效率會比單相和雙相高很多。
頻率響應(yīng)
這里主要研究不同頻率的輸入會對電路有怎樣的影響。這里引入一個概念:諧振。第一次聽這個詞時肯定會不知所云,其實(shí)就是說當(dāng)輸入達(dá)到電路的諧振頻率后,電路里面的容抗和感抗會相互抵消,電容和電感的等效電阻為0,整個電路的總電阻會大大下降!所以達(dá)到諧振頻率后電路的電流會突然增加,這是什么?這是濾波!不同頻率的輸入進(jìn)來,電流高的,即選擇出來的是諧振頻率。
濾波器有什么用?在收音機(jī)里,為什么能調(diào)到一個頻道就只收到這個頻道的聲音?其實(shí)所有電臺的信號它都收到了,只是由于濾波器,它把想要的信號選擇了出來。所以電路很有意思吧。
頻域分析
前面我們說的時域分析,以時間為橫坐標(biāo),是我們看待世界的常規(guī)方式。但是試著將橫坐標(biāo)變成頻率,那么我們看待世界的整個角度都會不一樣,是一片新世界,一些復(fù)雜至極的輸入轉(zhuǎn)換為頻域后簡單得讓人驚嘆,比如頻率為2HZ,幅值為1的正弦波,時域里是連續(xù)的曲線,但是在頻域里是在橫坐標(biāo)為2處的一個離散值1!這也教會我們用另一個角度看待信號,看待世界。
下面這個圖來自百度,是把黑色的曲線曲線分解為紅綠粉三個正弦波(傅里葉變換,任何信號都能等效為若干個正弦波相加),然后在頻域里就是三個離散值,easy!
如果學(xué)深一點(diǎn),你會知道拉普拉斯變換和Z變換,都可由傅里葉變換推導(dǎo)出,是頻域中的兩大殺器。不過這些都是信號與系統(tǒng)這門課的知識了。
二端口網(wǎng)絡(luò)
前面說的戴維南等效中的黑箱子,因?yàn)樗藘蓚€腳出來,所以就可以看成一個二端口網(wǎng)絡(luò),我們可以研究這個網(wǎng)絡(luò)的輸出方程啊,各種參數(shù)啊。。。