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1、二章电阻电路分析Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望第一节电阻的联接电阻的串并联：电阻的Y变换：第二节电源的等效变换无伴电源的等效变换：有伴电源的等效变换：第三节含受控源的一端口网络的等效等效变换法独立变量法第四节支路法第五节回路法、网孔法第六节节点法串联并联电阻电导分压公或分流公式电阻的串联、并联功率形式YY其中其中一般形式电阻的Y变换例题1求图A电路的R ab；Raca4b38266c图Aa4b38266c图Ba4b3-c(2/8)62图C解解：求R ab时可画成右边
2、的图B此时左下角的2和8电阻被短路，6与6的电阻并联，再与3电阻串联故：R ab=43+(66)=43+(62)=(46)(4+6)=2.4求Rac时由于2与8电阻一端接b，另一端接c，它们为并联关系，故可画成图C于是R ac=43(62)+(28)=2.41.6=4判断电阻的联接关系一般从端口开始，从最远处向端口看起。例题2对图A示桥形电路，试求I、I1I11.4532+-10VI1图AI11.41+-10VI11.50.6图BI1.4+-10VI13178.53.4图C解1）将上方的Y,得图B2）节点所接Y电阻,得图C317=2.55,1.43.4=0.99167,(0.99167+2.5
3、5)8.5=2.5，I =102.5=4A，连接情况 等效结果或计算公式说明n个电压源的串联us为等效电压源，当usk与us的参考方向相同时，usk取“”，反之取“”n个电流源的并联is为等效电流源当isk与is的参考方向相同时，isk取“”，反之取“”电压源与非电压源支路并联对外电路可以等效为该电压源us与电压源并联的可以是电阻、电流源，也可以是较复杂的支路。仅是对外电路等效。电流源与非电流源支路串联对外电路可以等效为该电流源is与电流源串联的可以是电阻、电压源，也可以是较复杂的支路。仅是对外电路等效。无伴电源的等效变换例题1求图示电路的I1、I2、I3+-11VI122A2I3I+-5V+
4、-11VI122I+-5V1I122I+-4V解解：对原图作如右等效得：I1=-4/2=-2A,I2=I1-(4/1)=-6A;回到原图，有I3=I2+2=-4A由此例可见等效“对外”的含义，即对于求2A电流源以及5V电压源以外的I1与I2来说，题中三个电路是等效的，但原图中5V电压源中的电流已不再等于新图中5V电压源中的电流。例题2将上例图中的1V电压源换为6A的电流源（方向向上），再求I1、I2、I3此时电路可等效为右图， I2=6A ,I1=16/(1+2)=2A;回到新原图，有I3=I2+2=8A1I122I6A有伴电源的等效变换有伴电压源：有电阻与之串联理想电压源（实际电源的电压源模
5、型）有伴电流源：有电阻与之并联理想电流源（实际电源的电流源模型）IS+U-IRS+-USRS+U-I对外等效条件为：大小关系：Us=Rs Is方向关系：IS由US的“”指向“”有源二端网络最终可以化简为有伴电压源或有伴电流源。例题2求图A电路中的i1与i2i1i2ab2A8+6V-2276A2i2ab2A273A2i16A2解解：图A图B图C图D对已是单回路的D图列写KVL得：(1+2+7)i2=9-4i2 =0.5A；为了求i1 ，先求uab ：uab=1i2 9=8.5Vi1 =uab2=4.25A(B图)i2+4V217+9V-ab图Di2+4V9A217ab图C例例化简右图所示有源二端
6、网络ab+5V2A94410A3Aab21.5V+ab+5V2A44ab445-8Vab23/4A第三节含受控源一端口网络的等效电阻有关独立电源等效变换的结论对受控源也是成立的，但在变换过程中，要注意：控制量（或者控制支路）必须保持完整而不被改变，否则，控制量变没了或被改变了，受控源也就不成立了。等效变换后：1)当二端网络N内部只含电阻和线性受控源时，其端口可等效为电阻(u、i成正比)，在少数情形下，可能为一个负的电阻；2)当N内部还含有独立电源时，则其端口可等效为有伴电压源或有伴电流源（在少数情形下，有伴电阻可能为负值）。1）外施电源法）外施电源法：在端口人为作用独立电源（或标出端口变量u、
7、i），对电路列写KCL、KVL方程（同时代入各元件的VAR），然后消去非端口变量，可得端口VAR。2）控制量为）控制量为“1”法法：令控制量为“1”，则得到受控源的值，进一步求解端口的VAR对于第一种电路（不含独立源）常用以下方法求解对于第二种电路（含独立源）待戴维南定理或诺顿定理介绍以后再讨论例例求图A电路的电流i.+9V-10.5ii412图A解解：利用有伴受控电源等效变换，可得图B、图C与图D（即化成关于所求i的单回路）：当电路中含有受控源时，由于受控源一方面与电阻不同，不能作串联等效，另一方面又与独立源不同，不是激励。所以仅通过等效变换还得不到最后结果，还必须列写KCL、KVL方程以及
8、元件的VAR关系式，才能最终解决问题。+9V-20.5ii24图B+9V-i/3i 10/3图D+9V-4/3i/4i2图C例题2求图示一端口网络的入端电阻Raba+ u-bii1iR1i2R2 Ro a+ u-biR1+R2RO-R1ia+ u-biRO(R1+R2) R1 i R1+R2a+ u-bi ROR1 iRO+R1+R2RO(R1+R2) RO+R1+R2解：先用等效变换法化简，再据KVL写出端口的VAR或者设控制量i=1则有得出Rab有相同的结果上题若不化简写端口的VAR则有下列过程a+ u-bii1iR1i2R2 Ro KCL：i1=i-i-(uRo)i2=i1+i=i-(u
9、Ro)(其它变量尽量用端口变量表示)KVL：u=R1i1+R2i2(消去非端口变量，从而解出端口VAR。)由此可见先等效化简再求解要简单方便些，化简时需要注意的地方不能忘记。例题3求ab以左的最简等效电路；求RL=2.5k及3.5k时的I1a+U1-b0.5I110mA1kI1RL1ka+U1-b+10V-1000I11000500I1a+U1-b+10V-RL1.5kI1先化简再由KVL得U1=101500I1当RL=2.5k时，由此例不难看出，若待求量集中在某一支路，尤其是该支路有几种变化情况，则先求出该支路以外二端网络的最简等效电路，就会避免重复的与计算。当RL=3.5k时，即有RLI1
10、=101500I1第四节支路法我们已经解决了本章的第一个内容电阻电路的等效变换，这种方法可用于：分析简单电路；使复杂电路的局部得到简化。而对于一般的复杂电路，要用“系统化”的“普遍性”的方法：系统化便于编制计算机程序；普遍性适用于任何线性电路。与等效变换法不同，系统化的普遍性方法不改变电路的结构，其步骤大致为：选择一组完备的独立变量（电压或电流）；由KCL、KVL及VAR建立独立变量的方程(必为线性方程组)；由方程解出独立变量，进而解出其它待求量。这类方法亦称为独立变量法，包括支路(电流)法、回路(电流)法、网孔(电流)法、节点(电压)法。其中：独立性各变量不能相互表示；完备性其它电压、电流可
11、由它们所表示。下面先研究支路法：一、支路法的基本思路a I2 I3+ US2-R3 R2b I1+ US1- R1支路(电流)法以支路电流为电路变量电路如图所示，支路数b=3；节点数n=2；回路数L=3.，图中I1，I2，I3为各支路电流，参考方向如图。它们彼此不同，求解之再由各支路VAR求出支路或元件的电压，因而支路电流可作为一组完备的独立变量。列写KCL：节点a：-I1-I2+I3=0节点b：I1+I2-I3=0显然，对所有n个节点列写KCL，每一支路电流将一次正、一次负地出现两次，所有KCL方程相加必等于0，故n个节点的电路至多只有(n-1)个独立的KCL方程；而且独立方程数恰好是(n-
12、1)个，这是由于去掉一个方程后，至少有一个支路电流在留下的(n-1)个方程中只出现一次，方程系数行列式必不等于0。故对上面的电路只要列写(2-1)=1个KCL方程(不妨取式)。列写KVL：回路的绕行方向如图，左回路：R1I1-R2I2=US1-US2右回路：R2I2+R3I3=US2外回路：R1I1+R3I3=US1接第四节易见，、中的任一式可由另二式导出，同样可以证明，对于b条支路、n个节点的电路，独立KVL方程的个数为(b-n+1)个，对平面电路，即等于网孔数m。独立方程总数=(n-1)+(b-n+1)=b,正好等于独立变量数(支路数)，因而所得的线性方程组是可解的。任选n-1个节点列写K
13、CL可保证其独立性。因每个网孔不可能由别的网孔来合成得到，所以(b-n+1)个网孔可以作为一组独立的回路。选择(b-n+1)个独立回路的另一方法是每选一个回路，至少增加一条新的支路。本例中可以取、两式选定各支路电流的参考方向；至此可见支路法的基本步骤为列出n-1个独立节点的KCL方程；选取(b-n+1)个独立回路及其绕行方向，列写KVL方程；联立求解这b个独立方程,得各支路电流，进而解出其它待求量；对所得的结果进行验算。可选一个未用过的回路，代入数据校验KVL，或用功率平衡进行验算。例：按以上步骤求电路中的Uab、PUS2产a I2 I3+ US2-R3 R2b I1+ US1- R1见右图；
14、KCL取节点a：I1I2+I3=0取两网孔：R1I1-R2 I2=US1-US2R1I1+R3I3=US2联立求解。可用消元法或克莱姆法则解之，结果为再由支路VAR可求出其它待求量验算：由于此题非数值题，故从略。二、支路法的特例情况特例特例：含电流源isi1+4V-1010200.1A2Vabi2i3处理方法一：含is的支路电流不再作变量(是已知量)；选取独立回路时绕过is即选择不包含is支路的回路，从而可少列与is关联的回路的KVL方程。处理方法二：增设is上电压uIs为变量，代入相应回路的KVL方程；该支路电流变量写为已知量is.处理方法三（为有伴电流源时）：先将有伴电流源等效成有伴电压源
15、，再按基本步骤列写支路法方程。例：求图示电路各支路电流，并校验功率平衡。解方法一解方法一：按图示选择的回路少一变量、少一方程(巧选回路)就无需再列写中间网孔回路的KVL方程，从而支路法方程为：i1+4V-1010200.1A2Vabi2i3例题方方法法二二：少一电流变量，多一电压变量（图中的u），方程数仍等于总变量数：i1+4V-1010200.1A2Vabi2i3u方方法法三三：将20电阻看成is的有伴电阻，并等效成有伴电压源，如下图(注意iK=i3 is)，此时支路法方程为：i1+4V-10102V202V再回到原电路，有：特例特例：含受控电源的处理方法：i125110100+5V-i2
16、50u1u1i3先将控制量用独立变量(支路电流)表示；将受控源看作独立电源，按上述方法列写支路法方程；将的表示式代入的方程，移项整理后即得独立变量(支路电流)的方程组。将式代入，消去控制量u1并整理得解：例题：求图示电路的各支路电流进一步求解方程组得到所需要的结果网络的线图和独立变量一、图的基本概念：将电路中的每个元件（支路）用一线段表示，则这些线段通过节点连接成一个几何结构图，称之为网络的线图或拓扑图，简称图，对图中的每一支路规定一个方向，则称为有向图。1.连连通通图图：任意两节点间至少存在一条通路(路径)，如GA即为连通图；而GB为非连通图。网络A*M *网络BGAGB2.子图子图：是图G
17、的一个子集。3.路径路径：由G的某点出发，沿某些支路连续移动，到达另一指定节点(或原来的节点)所形成的通路。二树、树支、连支、割集树树T：是连接所有节点但是不构成回路的支路的集合。即连通图G的一个子图，该子图满足是连通的；包含G的全部节点；不包含回路。13245树树支支(Tree branches)：构成某个树的支路。恒有：树支数t=n-1. 连连支支(Link branches)：某个树树支之外的支路为连支，对某一确定的树每增加一个连支，就和树支构成一个回路。l=bn+1.割割集集Q：是连通图G的某个支路的集合，它满足：i)若将这些支路全部移去，G就分离为两个连通子图（其中一个子图可以为孤立
18、节点）；ii)若少移去一条这样的支路，G就仍然连通。即某一闭合面切割到的支路的集合(注意每条支路只能切割一次)T1=1,2,3,T2=1,2,4,T3=1,2,5,T4=1,3,5,T5=1,4,5Q1=1,3,Q2=1,4,5,Q3=1,4,2,Q4=2,5T1123T21 24T31 25T4135T5154第五节回路法、网孔法+US1 -+US2 - R1 R2 R3 I1I2I3一、回路电流（网孔电流）一、回路电流（网孔电流） Il1 Il2在右图中假定有Il1、Il2两个电流沿各个独立回路的边界流动，则所有的支路电流均可用此电流线性表示，所有电压亦能由此电流线性表示。此电流称之为回路
19、电流。式中隐含了KCL，沿回路绕行方向列写KVL得将回路电流代入得：解方程组求得回路电流，进一步求得支路电流，各元件电压。此例可知以回路电流为变量求解比支路法解的方程数要少二、回路法、网孔法回路电流可以表示出电路所有支路的电流和电压，所以具有完备性，所取的回路是相互独立的，回路电流不可以相互表示，因此又具有独立性。选择(bn+1)个独立回路（每选一个回路，至少增加一条新的支路）电流为变量列写方程求解的方法称为回路法，。选(bn+1)个网孔电流为变量列写方程求解的方法称为网孔法。+US1 -+US2 - R1 R2 R3 I1I2I3 Il1 Il2式中方程（1）Il1前的系数为回路l1的所有电
20、阻之和，Il2前的系数为两回路的公有电阻，方程（2）Il2前的系数为回路l2的所有电阻之和，Il1前的系数为两回路的公有电阻，右边为各回路沿绕行方向上的电压源电位升的代数和。（1）（2）三、回路法方程的一般形式其系数规律为：其系数规律为：有了这些规律，就可以由电路直接列写出回路方程，而不必象上面那样分好几步（2）R12、R21回路1、2的公有电阻之“代数和”，称为互电阻；仅当Il1、Il2在此互电阻上同方向时取正号；反之取负号。无受控源时有R12=R21，R13=R31，；（3）US11回路l1沿Il1方向上的电压源电位升的代数和(US22、USmm同理)。（1）R11回路l1的所有电阻之和，
21、称为该回路的自电阻(恒正)(R22、Rmm同理)；四、回路法(网孔法)的基本步骤1、选定一组(m=bn+1个)独立回路，假定其绕行方向(常常选网孔)；2、运用“自电阻,互电阻及回路电压源的电位升代数和”等概念直接列写回路电流方程；3、联立求解这m个独立方程，得各回路电流，进而解出其它待求量；Il1Il3Il26624+50V-+12V-+12V+36VI1I2I3I4I5I6124例例：用回路法求各支路电流。解解：方法一网孔法：选择网孔列写方程 Il3 Il1 Il2方法二：回路法选所示独立回路：五、回路法的特例情况1A2AIl特例特例：含电流源iS处理方法一，先选择一个树，将电压源支路放在树
22、支上，将电流源放连支上，选择树支和连支构成回路，从而iS仅与其中的一个回路关联，可少列写该回路的KVL方程(少1变量少1方程)。处理方法二：增设iS上电压uIS为变量，代入相应回路的KVL方程；补充该iS与有关回路电流的关系式(多一变量、多一方程)。处理方法三：为有伴电流源时，先将有伴电流源等效成有伴电压源，再按基本步骤列写回路法方程。例例：用回路法求U1解解：方法一方法一：“巧选回路”法，如图，1A回路不列写方程，2A回路不列写方程，l回路：1142+(5+3+1)Il=20得：Il=3AU1=3(2Il)=3(23)=3V；5+ 20V-131A2AU1UaUb方法二方法二：增设变量法，选
23、择网孔如右图5+ 20V-131A2AU1UaUbIl1Il2Il3补充可得：即电路中无伴电源等效要注意对外等效，对内不等效的问题。此例中若有电阻等元件与电压源并联，处理方法与上述过程完全相同，但要注意此时所求的Il1不是电压源上的电流。若有电阻等元件与电流源串联，要注意相类似的问题。特例特例：含受控电源的处理方法：先将控制量用独立变量(回路电流)表示先将控制量用独立变量(回路电流)表示（控制量最好放连支上）将受控源看着独立电源，按上述方法列写回路法方程；将中的表示式代入中的方程，移项整理后即得独立变量(回路电流)的方程组。 Il1 Il2例例1：试列写图示电路的回路方程u1=25Il1将式代
24、入，消去控制量u1并整理得：这里由于有受控源，100=R12R21=1350！所以有受控源的电路不可以用互电阻概念直接写回路方程2510010+ 5V-50u1+i3i1+ u1-100例例2求uA、iB3462+20V-6A6iB2uAiB+uA-abcdoabcdo解：选择树与连支，回路取为lbodb(2uA)、labdoa(iB)、lbcd(uA6)，lacdoa(6A)、对不是电流源的回路写方程：labdoa7iB+366iB-20Lbcd8(uA6)+26=20iB=-38AuA=6V解得：第六节节点法一、节点电压的独立性与完备性节点电压节点与零电位参考点间的电压。数目为(n-1)个
25、。如图：un1，un2，数目为(3-1)个。各支路电压分别为：u1=un1 ，Au2=un1-un2，u3=un2支路电压与节点电压之间的关系隐含了KVL，故上写方程时只要列写KCL。所有电流亦能由节点电压线性表示i1=G1un1，i2=G2(un1- un2 )，i3=G3(un2uS3 )（*）从某一节点到参考节点的路径不同于其它节点到参考节点的路径，其又具有独立性。节点电压可线性表示所有支路电压和电流，其具有完备性;将（*）式代入+u2-iS1iS2G1G2G3+uS3 -+u1-+u3-i1i2i3二、节点法方程的规律+u2-iS1iS2G1G2G3+uS3 -+u1-+u3-i1i2
26、i3G11节点的所有电导之和，称为该节点的自电导(恒正)(G22、G33同理)； G12、G21节点、的公有电导之和的负值，称为互电阻(恒负)；无受控源时有G12=G21，G23=G32，iS11注入节点的电流源(含由有伴电压源等效来的电流源)的代数和(iS22、iS33同理)。系数规律：三、节点法的基本步骤选定参考节点，并标出其余(n-1)个节点的节点序号；运用“自电导,互电导及注入节点电流源（含由有伴电压源等效来的电流源）的代数和”等概念直接列写节点法方程；联立求解这(n-1)个独立方程,得各节点电压，进而解出其它待求量。(注意与电流源串联的电阻不得计入自电导,互电导)四、节点法的特例情况
27、I1IS3US1US2R1R2R3特特例例节节点点数数n=2独立节点数=1）如右图：可先将有伴电压源等效成有伴电流源（熟练之后这一步就不需要了）,按节点法的基本步骤，有：即对n=2的电路有此式称为弥尔曼定理特例：含无伴电压源uS处理方法一：将uS的一个极选作参考节点，则另一个极所在节点的电位就已知了，从而少了一个节点电压变量，可少列写该节点的KCL方程(少1变量少1方程)。处理方法二（改进节点法）：增设uS上电流iUs为变量，代入相应节点的KCL方程（好比电流源iUs）；补充该uS与两端节点电压的关系式(多一变量、多一方程)。2121+ 7V-+ 4V-I1.5A例例：求右图的Un2、Un3及
28、I解解：显然，对7V电压源可用方法一，而对4V电压源则要用方法二：特例特例3：含受控电源的处理方法：先将控制量用独立变量(节点电压)表示；将中的表示式代入中的方程，移项整理后即得独立变量(节点电压)的方程组。将受控源看着独立电源，按上述方法列写节点法方程；3462+20V-6A6iB2uAiB+uA-1324o例例求uA 、iB 解解：节点、的电位分别为(20-6iB)和-6iB，因此，只要对节点、列写方程：所得节点方程由于有受控源，同样会造成G12G21特例特例4具有运算放大器的电阻电路一、利用运放特性及KCL、KVL分析分析时用理想运算放大器代替实际运算放大器，带来的计算误差很小，所以通常
29、可利用理想运放的“虚断”、“虚短”以及KCL、KVL来分析含运放的电路例例1：倒向比例运算电路如图，解解：由虚短由虚断-+R1R2i1i2ii”ui_uoab倒向比例运算电路+-uiuoi1i2ii”R1R2非倒向比例运算电路例例2：倒向比例运算电路如图，解解:例例3已知试求uo的表达式式解出ub，因虚短ua=ub代入式得可见输出与两输入之差成正比，因而被称作差动运算电路。解：i2-+i1i3i4R1R3R2R4u1u2uobaii差动运算电路二、含理想运放的节点法二、含理想运放的节点法1列写运放两输入端节点方程时考虑到“虚断”特性；2不列写其输出端节点方程；既是输入端又是输出端，按输出端处理3补充“虚短”方程。例例4.（P.49例2-17）试求uoui.解解：节点和的方程分别为：节点和：不列写！由虚短得于是可得：uiuo-+-R1R4R2R3R5
