1、第第2 2章章 电路电路分析电路电路分析2.1支路电流法支路电流法2.2网孔分析法网孔分析法2.3节点电位法节点电位法2.4叠加定理、叠加定理、齐次定理和替代定理齐次定理和替代定理2.5等效电源定理等效电源定理2.6最大功率传输定理最大功率传输定理2.7小结小结2.1 支支 路路 电电 流流 法法 在一个支路中的各元件上流经的只能是同一个电流，支路两端电压等于该支路上相串联各元件上电压的代数和，由元件约束关系(VAR)不难得到每个支路上的电流与支路两端电压的关系，即支路的VAR。如图2.1-1 所示，它的VAR 为 suRiu(2.1-1)图 2.1-1 电路中一条支路 2.1.1 支路电流法
2、支路电流法 如图 2.1-2 电路，它有 3 条支路，设各支路电流分别为 i1,i2,i3,其参考方向标示在图上。就本例而言，问题是如何找到包含未知量 i1,i2,i3 的 3个相互独立的方程组。图 2.1-2 支路电流法分析用图 根据KCL，对节点 a 和 b 分别建立电流方程。设流出节点的电流取正号，则有 00321321iiiiii节点 a 节点 b 根据KVL，按图中所标巡行方向(或称绕行方向)对回路、分别列写KVL方程(注意：在列写方程中，若遇到电阻，两端电压就应用欧姆定律表示为电阻与电流乘积)，得 13311suiRiR23322suiRiR212211ssuuiRiR回路 回路
3、回路 (2.1-2)(2.1-3)(2.1-4)(2.1-5)(2.1-6)当未知变量数目与独立方程数目相等时，未知变量才可能有唯一解。我们从上述 5 个方程中选取出 3 个相互独立的方程如下：2332213311321000ssuiRiRuiRiRiii(2.1-7)(2.1-7)式即是图2.1-2 所示电路以支路电流为未知量的足够的相互独立的方程组之一，它完整地描述了该电路中各支路电流和支路电压之间的相互约束关系。应用克莱姆法则求解(2.1-7)式。系数行列式和各未知量所对应的行列式j(j=1,2,3)分别为 313221323100111RRRRRRRRRR231312322321111
4、0sssssuRuRuRRRuRRu122132113231321323112000110101sssssssssuRuRuRuRuRuRuRRuRuR所以求得支路电流 3132211221333132212313212231322123131211RRRRRRuRuRiRRRRRRuRuRuRiRRRRRRuRuRuRissssssss解出支路电流之后，再要求解电路中任何两点之间的电压或任何元件上消耗功率那就是很容易的事了。例如，若再要求解图 2.1-2 电路中的 c 点与 d 点之间电压ucd 及电压源 us1所产生的功率 Ps1，可由解出的电流i1、i2、i3 方便地求得为 111221
5、1iupiRiRusscd2.1.2 独立方程的列写独立方程的列写 (1)从 n 个节点中任意择其n-1个节点，依KCL列节点电流方程，则 n-1个方程将是相互独立的。这一点是不难理解的，因为任一条支路一定与电路中两个节点相连，它上面的电流总是从一个节点流出，流向另一个节点。如果对所有n 个节点列KCL方程时，规定流出节点的电流取正号，流入节点的电流取负号，每一个支路电流在n个方程中一定出现两次，一次为正号(+ij),一次为负号(-ij),若把这n个方程相加，它一定是等于零的恒等式，即 0)()()(11jnkbjjkiii式中：n表示节点数；(i)k 表示第 k 个节点电流代数和；表示对 n
6、 个节点电流和再求和；表示 b 条支路一次取正号，一次取负号的电流和。nkki1)(bjjjii1)()(2.1-8)(2.1-8)式说明依KCL列出的n个KCL方程不是相互独立的。但从这n个方程中任意去掉一个节点电流方程，那么与该节点相连的各支路电流在余下的 n1个节点电流方程中只出现一次。如果将剩下的 n1个节点电流方程相加，其结果不可能恒为零，所以这 n1个节点电流方程是相互独立的。习惯上把电路中所列方程相互独立的节点称为独立节点。(2)n个节点 b 条支路的电路，用支路电流法分析时需 b 个相互独立的方程，由KCL已经列出了n1 个相互独立的KCL方程，那么剩下的b(n1)个独立方程当
7、然应该由KVL列出。可以证明，由KVL能列写且仅能列写的独立方程数为b(n1)个。习惯上把能列写独立方程的回路称为独立回路。独立回路可以这样选取：使所选各回路都包含一条其他回路所没有的新支路。对平面电路，如果它有 n 个节点、b 条支路，也可以证明它的网孔数恰为 b(n1)个，按网孔由KVL列出的电压方程相互独立。归纳、明确支路电流法分析电路的步骤。第一步：设出各支路电流，标明参考方向。任取n1个节点，依KCL列独立节点电流方程(n 为电路节点数)。第二步：选取独立回路(平面电路一般选网孔)，并选定巡行方向，依KVL列写出所选独立回路电压方程。第三步：如若电路中含有受控源，还应将控制量用未知电
8、流表示，多加一个辅助方程。第四步：求解一、二、三步列写的联立方程组，就得到各支路电流。第五步：如果需要，再根据元件约束关系等计算电路中任何处的电压、功率。例例 2.1-1 图示 2.1-3 电路中，已知R1=15，R2=1.5，R3=1,us1=15V，us2=4.5V,us3=9V。求电压uab及各电源产生的功率。图 2.1-3 例 2.1-1 用图 解解 设支路电流i1,i2,i3 参考方向如图中所标。依 KCL列写节点 a 的电流方程为 0321iii 选网孔作为独立回路，并设绕行方向于图上，由KVL列写网孔、的电压方程分别为网孔 5.45.1060153231iiii网孔 (2.1-9
9、)(2.1-10)(2.1-11)用克莱姆法则求解(2.1-9)、(2.1-10)、(2.1-11)三元一次方程组。与j分别为 3915.1010151115.1915.15.410611017815.40161510125.585.45.1000150113所以电流 i1,i2,i3 分别为 AiAiAi5.1395.58239785.0395.19332211电压 Vuiusab5.7915.1133设电源us1,us2,us3 产生的功率分别为ps1,ps2,ps3,由求得的支路电流，可算得 WiupWiupWiupssssss5.135.19925.45.75.015333221111
10、例2.1-2 如图2.1-4所示电路中含有一电流控制电压源，求电流i1、i2和电压u。图 2.1-4 例2.1-2用图解 本电路虽有3个支路，但有一个支路的电流是6 A的电流源，所以只有两个未知电流i1、i2。(二者的参考方向在图中已经标出，勿需自行再标)。另外，虽然本电路中含有受控电压源，但它的控制量是电路中的一个未知电流，不需要再另外增加辅助方程。对b点列写KCL方程，有i2=i1+6(2.1-12)对回路A列写KVL方程(注意把受控电压源视为独立电压源一样看待参与列写基本方程)，有1i1+3i2+2i1=12(2.1-13)联立(2.1-12)式和(2.1-13)式,解得i1=1 A，i
11、2=5 A再应用KVL求得电压为u=3i2+2i1=35+2(1)=13 V例2.1-3 如图2.1-5所示电路中包含有电压控制的电压源，试以支路电流作为求解变量，列写出求解本电路所必需的独立方程组。(对所列方程不必求解。)图 2.1-5 例2.1-3用图解 设各支路电流、各网孔绕向如图所示。应用KCL、KVL及元件VAR列写方程为对节点ai1+i2+i3=0对网孔R1i1+R2i2+0=us对网孔0R2i2+(R3+R4)i3=u1上述3个方程有i1、i2、i3及u14个未知量，无法求解，还必须寻求另一个独立方程。将控制量u1用支路电流表示,即u1=R1i12.2 网网 孔孔 分分 析析 法
12、法2.2.1 网孔电流网孔电流 欲使方程数目减少，必使求解的未知量数目减少。在一个平面电路里，因为网孔是由若干条支路构成的闭合回路，所以它的网孔个数必定少于支路个数。如果我们设想在电路的每个网孔里有一假想的电流沿着构成该网孔的各支路循环流动，如图 2.2-1中实线箭头所示，把这一假想的电流称作网孔电流。图 2.2-1 网孔法分析用图 网孔电流是完备的电路变量。例如图2.2-1电路中，i1=iA,i2=iB,i3=iC。如果某支路属于两个网孔所共有，则该支路上的电流就等于流经该支路二网孔电流的代数和。例如图 2.2-1 电路中支路电流i4,它等于流经该支路的 A、C 网孔电流的代数和。与支路电流
13、方向一致的网孔电流取正号，反之取负号，即有 CAiii4网孔电流是相互独立的变量。如图2.2-1 电路中的 3 个网孔电流iA,iB,iC,知其中任意两个求不出第三个。这是因为每个网孔电流在它流进某一节点的同时又流出该节点，它自身满足了KCL，所以不能通过节点 KCL方程建立各网孔电流之间的关系，也就说明了网孔电流是相互独立的变量。2.2.2 网孔电流法网孔电流法 对平面电路，以假想的网孔电流作未知量，依KVL列出网孔电压方程式(网孔内电阻上电压通过欧姆定律换算为电阻乘电流表示)，求解出网孔电流，进而求得各支路电流、电压、功率等，这种求解电路的方法称网孔电流法(简称网孔法)。应用网孔法分析电路
14、的关键是如何简便、正确地列写出网孔电压方程(在 2.1 中已经明确过网孔电压方程是相互独立的)。设图 2.2-1电路中网孔电流 iA,iB,iC,其参考方向即作为列写方程的巡行方向。按网孔列写KVL方程如下：网孔A R1iA+R5iA+R5iB+R4iA-R4iC+us4-us1=0网孔B R2iB+R5iA+R5iB+R6iB+R6iC-us2=0网孔C R3iC-R4iA+R4iC+R6iC+R6iB-us4-us3=0 为了便于应用克莱姆法则求解(或在计算机上应用MATLAB工具软件求解)上述3个方程，需要按未知量顺序排列并加以整理，同时将已知激励源也移至等式右端。这样，整理改写上述3个
15、式子得4145541)(ssCBAuuiRiRiRRR266525)(sCBAuiRiRRRiR4364364)(ssCBAuuiRRRiRiR(2.2-1)(2.2-2)(2.2-3)观察(2.2-1)式，可以看出：iA前的系数(R1+R4+R5)恰好是网孔A 内所有电阻之和，称它为网孔A的自电阻，以符号R11 表示；iB 前的系数(+R5)是网孔 A 和网孔 B 公共支路上的电阻，称它为网孔 A 与网孔 B 的互电阻，以符号R12表示。由于流过 R5 的网孔电流 iA、iB 方向相同，故R5 前为“+”号；iC 前系数(R4)是网孔 A 和网孔C 公共支路上的电阻，称它为网孔A 与网孔 C
16、 的互电阻，以符号 R13表示，由于流经 R4 的网孔电流iA、iC 方向相反，故 R4 前取“”号；等式右端 us1us4表示网孔 A 中电压源的代数和，以符号us11表示，计算 us11时遇到各电压源的取号法则是，在巡行中先遇到电压源正极性端取负号，反之取正号。用同样的方法可求出(2.2-2)、(2.2-3)式的自电阻、互电阻及网孔等效电压源，即 62365222521,RRRRRRRR222ssuu,632431RRRR64333RRRR4333sssuuu 归纳总结得到应用网孔法分析具有 3 个网孔电路的方程通式(一般式)，即 333332312223222111131211sCBAs
17、CBAsCBAuiRiRiRuiRiRiRuiRiRiR(2.2-4)如果电路有m 个网孔，也不难得到列写网孔方程的通式为 smmMmmBmAmsMmBAsMmBAuiRiRiRuiRiRiRuiRiRiR2122222211111211(2.2-5)有了方程通式，只需设出网孔电流，观察电路，求出自电阻、互电阻及等效电压源并代入(2.2-4)式或(2.2-5)式,即得到按未知量顺序排列的相互独立的方程组，这当然对求解电路是方便的。在应用方程通式列方程时要特别注意“取号”问题：因取网孔电流方向作为列写KVL方程的巡行方向，所以各网孔的自电阻恒为正；为了使方程通式形式整齐统一，故把公共支路电阻上电
18、压的正负号归纳在有关的互电阻中，使(2.2-4)式或(2.2-5)式的左端各项前都是“+”号，但求互电阻时就要注意取正号或取负号的问题。两网孔电流在流经公共支路时方向一致，互电阻等于公共支路上电阻相加取正号，反之，取负号；求等效电压源时遇电压源的取号法则表面上看起来与应用u=0列方程时遇电压源的取号法则相反，实际上二者是完全一致的，因为网孔方程的us11(或us22、us33)是直接放在等式右端的。下面通过具体例子说明应用网孔法分析电路的步骤。例2.2-1 如图2.2-2所示电路，求各支路电流。图 2.2-2 例 2.2-1 用图 解解 本问题有 6 个支路，3 个网孔，用上节讲的支路电流法需
19、解 6 元方程组，而用网孔法只需解 3 元方程，显然网孔法要比支路电流法简单得多，今后用手解算电路的话，一般用网孔法而不用支路电流法。第一步：设网孔电流iA,iB,iC 如图所示。一般网孔电流方向即认为是列KVL方程时的巡行方向。第二步：观察电路直接列写方程。观察电路心算求自电阻、互电阻、等效电压源数值，代入方程通式即写出所需要的方程组。就本例，把自电阻、互电阻、等效电压源写出如下：VuRRRVuRRRVuRRRsss6,11,2,612,2,5,119,6,1,10333332312223222111131211代入(2.2-4)式得 61126122519610CBACBACBAiiiii
20、iiii(2.2-6)第三步：解方程得各网孔电流。用克莱姆法则解(2.2-6)式方程组，各相应行列式为 885112625126119,29511262516110A59062625119110,2951166212161910CB于是各网孔电流分别为 AiAiAiCCBBAA229559012952953295885 第四步：由网孔电流求各支路电流。设各支路电流参考方向如图所示，根据支路电流与网孔电流之间的关系，得,321,2,3531AiiiAiiAiiCBcAAiiiAiiiAiiBAcAB4)1(31231642 第五步：如果需要，可由支路电流求电路中任何处的电压、功率。例例 2.2-
21、2 对图 2.2-3 所示电路，求电阻 R 上消耗的功率 pR。图 2.2-3 例 2.2-2 用图 解 本题并不需要求出所有支路电流，为求得R上消耗的功率，只需求出R上的电流即可。如果按图2.2-3(a)设网孔电流，需解出iA、iC两个网孔电流才能求得R上的电流，即iR=iAiC。若对电路做伸缩扭动变形，由图2.2-3(a)变换为图2.2-3(b)(注意节点2、4的变化),按图2.2-3(b)设网孔电流iA、iB、iC，使所求支路电流iR恰为网孔C的网孔电流。按(2.2-4)式列写方程:56393931936CBACBACBAiiiiiiiii(2.2-7)化简(2.2-7)式(第二个方程可
22、两端相约化简)得 563331936CBACBACBAiiiiiiiii由化简的方程组求得 1265313311936,63631131136C进而可求得 WRipAiiRRCCR82226312622 (1)网孔法是回路法的特殊情况。网孔只是平面电路的一组独立回路，不过许多实际电路都属于平面电路，选取网孔作独立回路方便易行，所以把这种特殊条件下的回路法归纳为网孔法。(2)回路法更具有一般性，它不仅适用于分析平面电路，而且也适用于分析非平面电路，在使用中还具有一定的灵活性。例例 2.2-3 求图 2.2-4 所示电路中的电压 uab。图 2.2-4 例 2.2-3 用图 解解 设网孔电流 iA
23、,iB 如图中所标，观察电路，应用方程通式列基本方程为 426226212xBAxBAuiiuii由图可以看出控制量 ux 仅与回路电流 iB 有关，故有辅助方程 Bxiu4（2.2-8）（2.2-9）将(2.2-9)式代入(2.2-8)式并经化简整理，得 212BABAiiii（2.2-10）解(2.2-10)方程组，得 ViUAiAiBxBA123443,1所以 VUiuxAab14122)1(10210例例 2.2-4 对图 2.2-5 所示电路，求各支路电流。图 2.2-5 例 2.2-4 用图 解 本题图2.2-5(a)所示的两个网孔的公共支路上有一理想电流源。如果按图2.2-5(a
24、)所示电路设出网孔电流，如何列写网孔方程呢？这里需注意，网孔方程实际上是依KVL列写的回路电压方程，即网孔内各元件上电压代数和等于零，那么在巡行中遇到理想电流源(或受控电流源)，它两端电压取多大呢？根据电流源特性，它的端电压与外电路有关，在电路未求解出之前是未知的。这时可先假设该电流源两端电压为ux，把ux当做理想电压源一样看待列写基本方程。因为引入了电流源两端电压ux这个未知量，所以列出的基本方程就少于未知量数，必须再找一个与之相互独立的方程才可求解。这个方程也是不难找到的，因为理想电流源所在支路的支路电流i3等于is，i3又等于二网孔电流代数和，这样就可写辅助方程，即iBiA=is用网孔法
25、求解图(a)电路所需的方程为 sBAsxBAsxBAiiiuuiRRiRuuiRiRR23231331)()(2.2-11)将图2.2-5(a)电路伸缩扭动变形，使理想电流源所在支路单独属于某一网孔，如图2.2-5(b)电路所示。理想电流源支路单独属于网孔 B，设 B 网孔电流 iB 与 is方向一致，则 sBii 所以只需列出网孔 A 一个方程即可求解。网孔 A 的方程为 21221)(sssAuuiRiRR21221RRiRuuisssA所以 进一步可求得电流 21121123212211RRiRuuiiiiiRRiRuuiissssssssA(2.2-12)2.3 节节 点点 电电 位位
26、 法法 图 2.3-1 节点法分析用图 2.3.1 节点电位节点电位在电路中，任选一节点作参考点，其余各节点到参考点之间的电压称为相应各节点的电位。如图2.3-1所示电路，选节点4作参考点(亦可选其他节点作参考点)，设节点1、2、3的电位分别为v1、v2、v3。图 2.3-1 节点法分析用图显然，这个电路中任何两点间的电压，任何一支路上的电流，都可应用已知的节点电位求出。例如，支路电流3442111)(vGivvGi电导 G5 吸收的功率 23155)(vvGp这就说明了节点电位是完备的变量。观察图 2.3-1 可见，对电路中任何一个回路列写KVL方程，回路中的节点，其电位一定出现一次正号一次
27、负号。例如图中 A 回路，由KVL 列写方程为 0312312uuu将上式中各电压写为电位差表示，即有 0133221vvvvvv节点电位变量是相互独立的变量。2.3.2 节点电位法节点电位法 以各节点电位为未知量，将各支路电流通过支路VAR 用未知节点电位表示，依KCL 列节点电流方程(简称节点方程)，求解出各节点电位变量，进而求得电路中需要求的电流、电压、功率等，这种分析法称为节点电位法。下面我们以图 2.3-1 电路为例来看方程的列写过程，并从中归纳总结出简便列写方程的方法。参考点与各节点电位如图中所标，设出各支路电流，由支路VAR将各支路电流用节点电位表示，即)()()(3155344
28、32332222111vvGivGivvGivGivvGi(2.3-2)现在依KCL列出节点1，2，3的KCL方程，设流出节点的电流取正号，流入节点的电流取负号，可得 00053421322151iiiiiiiiiiisss节点 1 节点 2 节点 3(2.3-3)将(2.3-2)式代入(2.3-3)式，得 0)()(0)()(0)()(3153233422113232221315211vvGvvGvGivvGvvGvGiivvGvvGsss(2.3-4)为了方便应用克莱姆法则求解，将(2.3-4)式按未知量顺序重新排列，已知的电流源移至等式右端并加以整理，得 0)()()(354323152
29、33232111213521151vGGGvGvGivGvGGGvGiivGvGvGGsss(2.3-5)(2.3-6)(2.3-7)观察整理后的方程，以(2.3-5)式为例，变量v1前的系数(G1+G5)恰是与第一个节点相连各支路的电导之和，称为节点 1 的自电导，以符号 G11表示。变量v2前系数(-G1),它是 1 与 2 节点间的互电导，以符号 G12表示，它等于与该两节点相连的公共支路上电导之和，并取负号。v3 前系数(G5)是节点 1 与节点 3 之间的互电导，以G13表示，它等于与节点 1、3 相连的公共支路上电导之和，并取负号。等式右端is1is2 是流入节点 1 的电流源的代
30、数和，以符号is11 表示，称为等效电流源。计算is11 时是以流入节点 1 的电流源为正，流出节点 1 的电流源为负。同理可找出(2.3-6)、(2.3-7)式的自电导、互电导、等效电流源，即 0,332225433333253132332122121sssiiiGGGGGGGGGGGGGGGG 归纳总结得到应用节点法分析具有 3 个独立节点电路的方程通式(一般式)，即 333332321312232322212111313212111sssivGvGvGivGvGvGivGvGvG(2.3-8)如果电路有 n 个独立节点，我们也不难得到列写节点方程的通式为 snnnnnnnsnnsnniv
31、GvGvGivGvGvGivGvGvG2211222222121111212111(2.3-9)例例 2.3-1 如图 2.3-2 所示电路，求电导G1、G2、G3 中的电流及图中 3 个电流源分别产生的功率。图 2.3-2 例 2.3-1 用图 解解 采用节点电位法求解。第一步：选参考点，设节点电位。对本问题，选节点 4 为参考点，设节点 1、2、3 的电位分别为 v1、v2,v3。若电路接地点已给出，就不需要再选参考点，只需设出节点电位就算完成了这一步。第二步：观察电路，应用(2.3-8)或(2.3-9)式直接列写方程。一般心算求出各节点的自电导、互电导和等效电流源数值，代入通式写出方程。
32、当然写出求自电导、互电导、等效电流源的过程亦可以。对本例电路，有 AiAiAiSGSGSGSGSGSGSGSGSGsss25,3,118311425,2,42,6321,34,3,743332211333231232221131211将求得的自电导、互电导、等效电流源代入式(2.3-8)，得 251124326311437321321321vvvvvvvvv(2.3-10)第三步：解方程，求得各节点电位。用克莱姆法则解(2.3-10)方程组 第四步：由求得的各节点电位，求题目中需要求的各量。我们先求 3 个电导上的电流。设通过电导 G1、G2、G3 的电流分别为 i1、i2、i3,参考方向如图
33、中所标，由欧姆定律电导形式可算得 3 个电流分别为 AvGiAvvuGiAvvuGi15358)13(4)(43)12(3)(3333133122122111 再求电流源产生功率。设ps1、ps2、ps3分别代表电流源is1、is2、is3产生的功率。由计算一段电路产生功率的公式，算得 W75325W3)1(3)(W8183332122111vipvvipvipssssss 例例 2.3-2 如图 2.3-3(a)所示电路中，各电压源、电阻的数值如图上所标，求各支路上的电流。图 2.3-3 例 2.3-2 用图 解解 在一些电路里，常给出电阻参数和电压源形式的激励。在这种情况下应用节点法分析时
34、，可先应用电源互换将电压源形式变换为电流源形式，各电阻参数换算为电导参数，如图(2.3-3)(b)所示。在(b)图中，设节点 3 为参考点，并设节点 1、2 的电位分别为 v1,v2,可得方程组为 41010420110141214121410341214121201512121vvvv102110943211432121vvvv化简上方程组，得(2.3-11)解(2.3-11)方程组，得 8016210214321118027010910214321180271094343121所以，节点电位 V682780162V108027802702211vv图2.3.3(b)所求的各节点电位数值也就
35、是(a)图相应节点的电位值。在图2.3-3(a)中设出各支路电流，由支路VAR,得 A2.01064104,A4.020620A5.144104)(10,A226102A5.0201020,A15101551526251242131211vivivvivvivivi在熟练掌握节点法之后，可不画如图2.3-3(b)所示的等效电路，而由图2.3-3(a)所示电路就可直接列写出方程。但要注意，列写方程时电阻要换算为电导；计算节点等效电流源时，该电流源的数值等于电压源电压除以该支路的电阻，其符号这样确定：若电压源正极性端向着该节点,则电流源电流方向指向该节点，取正号；反之，则电流源电流方向背向该节点，
36、取负号。例例 2.3-3 对图 2.3-4 所示电路，求 u 与 i。图 2.3-4 例 2.3-3 用图 解解 (1)若原电路没有指定参考点，可选择其理想电压源支路所连的两个节点之一作参考点，譬如本问题，选节点 4 作为参考点，这时节点 1 的电位v1=2V，可作为已知量，这样可少列一个方程。设节点 2、3 的电位分别为v2、v3,由电路可写方程组 421111114221212132vv(2.3-12)写(2.3-12)方程组时，把v1=2V当作已知量直接代入了方程组。因为对求电路的节点电位来说，可以把电路中1电阻与 4A电流源相串联的支路等效为一个 4A电流源支路，所以与 4A电流源串联
37、的 1电阻不能计入节点 2、节点 3 自电导里，也不能计入节点 2、3 之间的互电导里。解(2.3-12)式方程组，得VvVv1,532由欧姆定律，求得 V6)1(541A31)1(21132233113vvuuvvuiV1046u因为电压 所以电压 以节点 3 作参考点，设节点 4 的电位为 v4,对这个电路列写的方程组为 2112121421212121211121414242121vvivvvvvivvxx(辅助方程)V10,A3V1,V6,V3421uivvv例例 2.3-4 对图 2.3-5 所示电路，求v1,i1。图 2.3-5 例 2.3-4 用图 解 本问题电路的1、4节点间有
38、一理想电压源支路，用节点法分析时可按下列步骤处理。(1)若原电路没有指定参考点，可选择其理想电压源支路所连的两个节点之一作参考点。譬如本问题，选节点4作为参考点，这时节点1的电位v1=2 V，可作为已知量，这样可少列一个方程。设节点2、3 的电位分别为v2、v3，由电路可写方程组:221218.0888.22682)42(vivvivv(辅助方程)08.084.143322121ivvvivv8.1618.0004.18314,6.518.0004.113131A12344V36.58.161111viv2.4 叠加定理、叠加定理、齐次定理和替代定理齐次定理和替代定理2.4.1 叠加定理叠加定
39、理我们先看一个例子。对于图2.4-1(a)所示电路，如求电流i1，我们可采用网孔法。设网孔电流为iA、iB。由图可知iB=is，对网孔A列出的KVL方程为(R1+R2)iA+R2is=us所以ssAiRRRRRui21221于是1112121ABssRiiiuiRRRR(2.4-1)(2.4-1)式告诉我们，第一项只与us有关，第二项只与is有关。如令i1=us/(R1+R2)，i1=R1is/(R1+R2)，则可将电流i1写为 i1=i1+i1式中:i1可看做仅有us作用而is不作用(is=0，视为开路)时R2上的电流，如图2.4-1(b)所示;i1可看做仅有is作用而us不作用(us=0，
40、视为短路)时R2上的电流,如图2.4-1(c)所示。图 2.4-1 说明叠加定理的一个例子叠加定理的正确性，可通过一任意的具有m个网孔的线性电路加以论述。设该电路的网孔方程为(若含有电流源，可仿(2.2-11)式列方程)(2.4-2)根据克莱姆法则，解(2.4-2)式求i1：(2.4-3)(2.4-3)式中：j1为中第一列第j行元素对应的代数余子式，j=1，2，m，例如:usjj为第j个网孔独立电压源的代数和，所以(2.4-4)若令k11=11/，k21=21/，km1=m1/，代入(2.4-4)式中，得式中，k11，k21，km1是与电路结构、元件参数及线性受控源有关的常数。(2.4-5)图
41、 2.4-2 例2.4-1用图例2.4-1 如图2.4-2(a)所示电路，求电压uab和电流i1。解 本题独立源数目较多，每一个独立源单独作用一次，需作4个分解图，分别计算4次，比较麻烦。这里我们采用独立源“分组”作用，即3 A独立电流源单独作用一次，其余独立源共同作用一次，作两个分解图，如图2.4-2(b)、(c)所示。由图2.4-2(b)，得由图2.4-2(c)，得所以，由叠加定理得图 2.4-3 例2.4-2用图例2.4-2 如图2.4-3(a)所示电路，含有一受控源，求电流i和电压u。解 根据应用叠加定理分析含有受控源的电路问题时受控源不要单独作用的劝告，作分解图如图2.4-3(b)、
42、(c)所示。由图2.4-3(b)，得所以 i=2 A，u=3i=32=6 V由图2.4-3(c)，根据KVL，有2i+1(5+i)+2i=0可解得i=1 A，u=2i=2(1)=2 V故得i=i+i=2+(1)=1 Au=u+u=6+2=8 V2.4.2 齐次定理齐次定理线性电路另一个重要特性就是齐次性(又称比例性或均匀性)，把该性质总结为线性电路中另一重要的定理齐次定理。齐次定理表述为：当一个激励源(独立电压源或独立电流源)作用于线性电路时，其任意支路的响应(电压或电流)与该激励源成正比。由(2.4-5)式联想，不难看出齐次定理的正确性。设只有一个电压激励源us且处在第一个网孔内，对照(2.
43、4-5)式，应有us11=us，us22=0，usmm=0所以电流 i1=k11us (2.4-6)由(2.4-6)式很容易看出响应i1与激励us的正比例关系。例2.4-3 图2.4-4为一线性纯电阻网络NR，其内部结构不详。已知两激励源us、is是下列数值时的实验数据为当us=1 V，is=1 A时，响应u2=0；当us=10 V，is=0时，响应u2=1 V。问当us=30 V，is=10 A时，响应u2为多少?图 2.4-4 例2.4-3用图解 本例介绍应用叠加定理与齐次定理研究一个线性网络激励与响应关系的实验方法。由于us和is为两个独立的激励源，根据叠加定理、齐次定理，设响应u2=k
44、1us+k2is (2.4-7)式中：k1、k2为未知的比例常数，其中k1无量纲，k2的单位为。将已知的实验数据代入(2.4-7)式，得k11+k21=0k110+k20=1(2.4-8)解(2.4-8)式，得k1=0.1，k2=0.1 将k1、k2的数值及us=30 V、is=10 A代入(2.4-7)式，即得u2=0.130+(0.1)10=2 V替代定理可表述为：具有唯一解的电路中，若知某支路k的电压为uk，电流为ik，且该支路与电路中其他支路无耦合，则无论该支路是由什么元件组成的，都可用下列任何一个元件去替代：(1)电压等于uk的理想电压源；(2)电流等于ik的理想电流源；(3)阻值为
45、uk/ik的电阻Rk。替代以后该电路中其余部分的电压、电流、功率均保持不变。图2.4-5所示是替代定理示意图。图 2.4-5 替代定理示意图图 2.4-6 例2.4-4用图例2.4-4 如图2.4-6(a)所示电路，求电流i1。解 这个电路看起来比较复杂，但如果将短路线压缩，ab合并为一点，3 与6 电阻并联等效为一个2 的电阻，如图2.4-6(b)所示。再把图2.4-6(b)中虚线框起来的部分看做一个支路k，且知这个支路的电流为4 A(由图2.4-6(b)中下方4 A理想电流源限定)，应用替代定理把支路k用4 A理想电流源替代，如图2.4-6(c)所示。再应用电源互换将图2.4-6(c)等效
46、为图2.4-6(d),即可解得就本例来说，可由图2.4-6(a)直接画出最简等效图2.4-6(d)。类似这样的问题，应用替代定理等效比直接用网孔法、节点法列方程求解要简便得多。图 2.4-7 例2.4-5用图例2.4-5 如图2.4-7所示电路，巳知uab=0，求电阻R。解 本电路中有一个未知电阻R，直接应用网孔法或节点法求解比较麻烦。这是因为未知电阻R在所列方程的系数里，整理化简方程的工作量比较大。如果根据已知的uab=0条件求得ab支路电流i，即uab=3i+3=0i=1 A先用1 A理想电流源替代ab支路，如图2.4-7(b)所示。在图2.4-7(b)里，选节点d作参考点，并设节点电位v
47、a、vb、vc。由图可知,vc=20 V。对节点a列方程,有解之，得va=8 V因uab=0，所以vb=va=8 V。在图2.4-7(a)中设出支路电流i1、iR及电压uR。由欧姆定律及KCL，得2.5 等效电源定理等效电源定理2.5.1 戴维宁定理戴维宁定理以上的表述可用图2.5-1来表示。图中：uoc串联R0的模型称为戴维宁等效电源；负载可以是任意的线性或非线性支路。图 2.5-1 戴维宁定理示意图开路电压uoc可以这样求取：先将负载支路断开，设出uoc的参考方向，如图2.5-2所示，然后计算该电路的端电压uoc，其计算方法视具体电路形式而定。前面讲过的串、并联等效，分流分压关系，电源互换
48、，叠加定理，网孔法，节点法等都可应用，亦可用戴维宁定理，总之什么方法能简便地求得uoc，就选用什么方法。图 2.5-2 求开路电压电路(1)开路、短路法。即在求得电路N两端子间开路电压uoc后，将两端子短路，并设端子短路电流isc参考方向(注意：若uoc参考方向是a为高电位端，则isc的参考方向设成从a流向b)，应用所学的任何方法求出isc，如图2.5-3所示，则等效内阻(2.5-1)还应注意，求uoc、isc时N内所有的独立源、受控源均保留。图 2.5-3 求短路电流电路(2)外加电源法。令N内所有的独立源为0(理想电压源短路，理想电流源开路)，若含有受控源，受控源要保留，这时的二端电路用N
49、0表示，在N0两端子间外加电源。若加电压源u，就求端子上电流i(i与u对N0二端电路来说参考方向关联)，如图2.5-4(a)所示；若加电流源i，就求端子间电压u，如图2.5-4(b)所示。N0两端子间等效电阻(2.5-2)图 2.5-4 外加电源法求内阻R0图2.5-5为线性有源二端电路N与负载相连，设负载上电流为i，电压为u。根据替代定理将负载用理想电流源i替代，如图2.5-6(a)所示，替代后应不影响N中各处的电压、电流。由叠加定理，电压u可分成两部分，写为u=u+u(2.5-3)其中：u是由N内所有独立源共同作用时在端子间产生的电压(即端子间的开路电压)，如图2.5-6(b)所示。图 2
50、.5-5 二端电路N接负载电路图 2.5-6 证明戴维宁定理用图由图可见:u=uoc(2.5-4)u是N内所有独立源为零，仅由电流源i作用在端子间产生的电压，如图2.5-6(c)所示。对N0二端电路来说，将其看成一个等效电阻R0，且u与i对R0参考方向非关联，由欧姆定律可得u=R0i (2.5-5)将u、u代入(2.5-3)式，得 u=uocR0i (2.5-6)图 2.5-7 戴维宁等效源模型图根据(2.5-6)式可画出电路模型如图2.5-7所示。这就证明了戴维宁定理是正确的。2.5.2 诺顿定理诺顿定理图2.5-8为表述诺顿定理的示意图。isc电流源并联R0模型称二端电路N的诺顿等效源。i
