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1、第二章 线性电阻电路分析电阻电路：由电阻元件和独立电源组成的电路，称为电阻电路。独立电源在电阻电路中所起的作用与其它电阻元件完全不同，它是电路的输入或激励。独立电源所产生的电压和电流，称为电路的输出或响应。线性电阻电路：由线性电阻元件和独立电源组成的电路，称为线性电阻电路。其响应与激励之间存在线性关系，利用这种线性关系，可以简化电路的分析和计算。上一章介绍的2b法的缺点是需要联立求解的方程数目太多，给手算求解带来困难。本章通过两个途径来解决这个问题。1. 利用单口网络的等效电路来减小电路规模，从而减少方程数目。2. 减少方程变量的数目，用独立电流或独立电压作变量来建立电路方程。2l 电阻单口网
2、络N1N2VCR相同等效单口网络：只有两个端钮与其它电路相连接的网络，称为二端网络。当强调二端网络的端口特性，而不关心网络内部的情况时，称二端网络为单口网络，简称为单口(One-port)。电阻单口网络的特性由端口电压电流关系(简称为VCR)来表征(它是u-i平面上的一条曲线)。等效单口网络：当两个单口网络的VCR关系完全相同时，称这两个单口是互相等效的。单口的等效电路：根据单口VCR方程得到的电路，称为单口的等效电路。单口网络与其等效电路的端口特性完全相同。一般来说，等效单口内部的结构和参数并不相同，谈不上什么等效问题。利用单口的等效来简化电路分析：将电路中的某些单口用其等效电路代替时，不会
3、影响电路其余部分的支路电压和电流，但由于电路规模的减小，则可以简化电路的分析和计算。一、线性电阻的串联和并联1.线性电阻的串联两个二端电阻首尾相联，各电阻流过同一电流的连接方式，称为电阻的串联。图(a)表示n个线性电阻串联形成的单口网络。用2b方程求得端口的VCR方程为其中上式表明n个线性电阻串联的单口网络，就端口特性而言，等效于一个线性二端电阻，其电阻值由上式确定。2.线性电阻的并联两个二端电阻首尾分别相联，各电阻处于同一电压下的连接方式，称为电阻的并联。图(a)表示n个线性电阻的并联。求得端口的VCR方程为上式表明n个线性电阻并联的单口网络，就端口特性而言，等效于一个线性二端电阻，其电导值
4、由上式确定。两个线性电阻并联单口的等效电阻值，也可用以下公式计算3.线性电阻的串并联由若干个线性电阻的串联和并联所形成的单口网络，就端口特性而言，等效于一个线性二端电阻，其等效电阻值可以根据具体电路，多次利用电阻串联和并联单口的等效电阻公式(2l)和(22)计算出来。例2-l 电路如图2-3a)所示。已知R1=6, R2=15，R3=R4=5。试求ab两端和cd两端的等效电阻。图23为求Rab，在ab两端外加电压源，根据各电阻中的电流电压是否相同来判断电阻的串联或并联。55151066125515显然，cd两点间的等效电阻为二、独立电源的串联和并联根据独立电源的VCR方程和 KCL、KVL方程
5、可得到以下公式：图241.n个独立电压源的串联单口网络，如图2-4(a)所示，就端口特性而言，等效于一个独立电压源，其电压等于各电压源电压的代数和图24其中与uS参考方向相同的电压源uSk取正号，相反则取负号。2. n个独立电流源的并联单口网络，如图2-5(a)所示，就端口特性而言，等效于一独立电流源，其电流等于各电流源电流的代数和与iS参考方向相同的电流源iSk取正号，相反则取负号。图25图25就电路模型而言，两个电压完全相同的电压源才能并联；两个电流完全相同的电流源才能串联，否则将违反 KCL、KVL和独立电源的定义。发生这种情况的原因往往是模型设置不当，而需要修改电路模型。例2-2 图2
6、-6(a)电路中。已知uS1=10V, uS2=20V,uS3=5V,R1=2,R2=4, R3=6和RL=3。求电阻RL的电流和电压。图26图26解: 为求电阻RL的电压和电流，可将三个串联的电压源等效为一个电压源，其电压为将三个串联的电阻等效为一个电阻，其电阻为由图(b)电路可求得电阻RL的电流和电压分别为：例2-3 电路如图2-7(a)所示。已知iS1=10A, iS2=5A, iS3=1A,G1=1S, G2=2S和G3=3S，求电流i1和i3。图27图27解：为求电流i1和i3，可将三个并联的电流源等效为一个电流源，其电流为得到图(b)所示电路，用分流公式求得：三、含独立电源的电阻单
7、口网络一般来说，由一些独立电源和一些线性电阻元件组成的线性电阻单口网络，就端口特性而言，可以等效为一个线性电阻和电压源的串联，或者等效为一个线性电阻和电流源的并联。可以通过计算端口VCR方程，得到相应的等效电路例2-4 图2-8(a)单口网络中。已知uS=6V，iS=2A，R1=2W,R2=3W。求单口网络的VCR方程,并画出单口的等效电路。图28图28解：在端口外加电流源i，写出端口电压的表达式其中:根据上式所得到的单口等效电路是电阻Ro和电压源uOC的串联，如图(b)所示。例25 图2-9(a)单口网络中,已知uS=5V,iS=4A,G1=2S, G2=3S。求单口网络的VCR方程,并画出
8、单口的等效电路。图2914A5S图29解:在端口外加电压源u，用2b 方程写出端口电流的表达式为其中: 根据上式所得到的单口等效电路是电导Go和电流源iSC的并联，如图(b)所示。例2-6 求图210(a)和(c)所示单口的VCR方程，并画出单口的等效电路。图2-10解：图(a)所示单口的VCR方程为根据电压源的定义，该单口网络的等效电路是一个电压为uS的电压源，如图(b)所示。图2-10图(c)所示单口VCR方程为 根据电流源的定义，该单口网络的等效电路是一个电流为iS的电流源，如图(d)所示。四、含源线性电阻单口两种等效电路的等效变换含源线性电阻单口可能存在两种形式的VCR方程，即相应的两
9、种等效电路，如图(a)和(c)所示。式(2-7)改写为令式(26)和(28)对应系数相等，可求得等效条件为单口网络两种等效电路的等效变换可用下图表示。例27 用电源等效变换求图2-12(a)单口网络的等效电路。将电压源与电阻的串联等效变换为电流源与电阻的并联。将电流源与电阻的并联变换为电压源与电阻的串联等效。图2-1236五、用单口等效电路简化电路分析假如图2-13(a)所示电路N能分解为图2-13(b)所示的两个单口网络的连接，就可以用单口的等效电路来代替单口Nl(或N2)，使电路的支路数和结点数减少，从而简化电路分析。图213图2-13由于单口与其等效电路的VCR方程完全相同，这种代替不会
10、改变电路其余部分N2(或 Nl)的电压和电流。当仅需求解电路某一部分的电压和电流时，常用这种方法来简化电路分析。现举例加以说明。例28 求图2-14(a)电路中电流i 。图214图2-14解：可用电阻串并联公式化简电路。具体计算步骤如下：先求出3和1电阻串联再与4电阻并联的等效电阻Rbd得到图(b)电路。再求出6和2电阻串联再与8并联的等效电阻Rad得到图(c)电路。由此求得电流例29 求图2-15(a)电路中电流i 。图215图2-15解：用电源等效变换公式，将电压源与电阻串联等效变换为电流源与电导并联，得到图(b)电路。用分流公式求得例210 求图2-16(a)电路中电压u。图216图2-
11、16解：(1)将1A电流源与5电阻的串联等效为1A电流源。20V电压源与10电阻并联等效为20V电压源，得到图(b)电路。(2) 再将电流源与电阻并联等效为一个电压源与电阻串联，得到图(c)所示单回路电路。由此求得2-2 电阻的星形联接与三角形联接电阻的星形联接:将三个电阻的一端连在一起，另一端分别与外电路的三个结点相连，就构成星形联接，又称为Y形联接，如图2-17(a)所示。电阻的三角形联接:将三个电阻首尾相连，形成一个三角形，三角形的三个顶点分别与外电路的三个结点相连，就构成三角形联接，又称为形联接，如图(b)所示。图2-17电阻的星形联接和电阻的三角形联接构成一个电阻三端网络。一般来说，
12、电阻三端网络的端口特性，可用联系这些电压和电流关系的两个代数方程来表征。对于电阻星形联接的三端网络，外加两个电流源i1和i2。用2b方程求出端口电压u1和u2的表达式为：整理得到对电阻三角形联接的三端网络，外加两个电流源i1和i2，将电流源与电阻的并联单口等效变换为一个电压源与电阻的串联单口，得到图(b)电路，由此得到将i12表达式代入上两式，得到式(211)和(212)分别表示电阻星形联接和三角形联接网络的 VCR方程。如果要求电阻星形联接和三角形联接等效，则要求以上两个VCR方程的对应系数分别相等，即：由此解得电阻三角形联接等效变换为电阻星形联接的公式为当R12= R23= R31= RD
13、时，有由式(214)可解得：电阻星形联接等效变换为电阻三角形联接的公式为当R1= R2= R3= RY时，有在复杂的电阻网络中，利用电阻星形联接与电阻三角形联接网络的等效变换，可以简化电路分析。例211 求图2-20(a)电路中电流 i。图2-20再用电阻串联和并联公式，求出连接到电压源两端单口的等效电阻最后求得23 网孔分析法及回路分析法 在支路电流法一节中已述及，由独立电压源和线性电阻构成的电路，可以b个支路电流变量来建立电路方程。在b个支路电流中，只有一部分电流是独立电流变量，另一部分电流则可由这些独立电流来确定。若用独立电流变量来建立电路方程，则可进一步减少电路方程数。对于具有b条支路
14、和n个结点的平面连通电路来说，它的(b-n+1)个网孔电流就是一组独立电流变量。用网孔电流作变量建立的电路方程，称为网孔方程。求解网孔方程得到网孔电流后，用KCL方程可求出全部支路电流，再用VCR方程可求出全部支路电压。一、网孔电流若将电压源和电阻串联作为一条支路时，该电路共有6条支路和4个结点。对、结点写出KCL方程。支路电流i4、i5和i6可以用另外三个支路电流i1、i2和i3的线性组合来表示。电流i4、i5和i6是非独立电流，它们由独立电流i1、i2和i3的线性组合确定。这种线性组合的关系，可以设想为电流i1、i2和i3沿每个网孔边界闭合流动而形成，如图中箭头所示。这种在网孔内闭合流动的电流，称为网孔电流。它是一组能确定全部支路电流的独立电流变量。对于具有b条支路和n个结点的平面连通电路来说，共有(b-n+1)个网孔电流。二、网孔方程以图示网孔电流方向为绕行方向，写出
