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一文極速理解電路分析

2024/05/16
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放心鐵子們,本文會從最基礎的講起,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!

對于很基礎的概念我會細說,對于一些進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都囊括到,旨在讓各位先見識電路分析的全貌,為以后的學習打基礎!

下圖是電路分析的所有基本概念,棕色的知識我會詳細說說,大家可以馬上掌握,藍色的知識我會盡量用語言講明白。希望對大家有幫助。

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學電子的童鞋們進入大學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?

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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,這就遠遠不夠了。

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基爾霍夫電流定律,KVL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,流入的電流等于流出的電流!

下面這個圖清晰地解釋了KCL。

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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)過它們的負極,所以電壓代數(shù)是負數(shù)!即 -U2+U4-U3+U1=0。

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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)點列一個KCL,對Ⅰ、Ⅱ回路列兩個KVL,搞定。

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節(jié)點電壓法、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,當一個電路變得復雜后,會有很多個節(jié)點,很多個回路,這時候你再用它的話就會非常復雜,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雜電路!

節(jié)點電壓法、網(wǎng)孔電流法 應運而生,其實實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)點少的時候建議用節(jié)點電壓法,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,條件反射就應該想到疊加定理。

先看看課本怎么說:

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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,等于把電源分開,單獨地在這個支路產(chǎn)生的響應之和。

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。(因為理想的電壓源內(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?I1? 這倆響應的代數(shù)和得出 I1? 這個總響應,I2? , I3? 同理啦。(I1? 方向相反,所以是負數(shù))

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再看練習一個電路:

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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!

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左上角的圖可以分解為右邊3個子圖,單獨分析3個電源的響應后再加起來,就是總響應!

電源等效變換

大家對電源的認識是不是身邊的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!即加在負載上面的電流恒定的,是不是很神奇,實現(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:

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下面為轉(zhuǎn)化的公式:

在這里插入圖片描述

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

對于一個多么復雜的電路,我們都可以看成一個黑箱子(不知道內(nèi)部構造,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為時間,就是大家日常的思考方式,看電路響應隨著時間會怎樣變化。

零輸入響應:把輸入看成0,只分析電路的狀態(tài)造成的響應。

零狀態(tài)響應:把電路的狀態(tài)看成0,只分析輸入造成的響應。

總的響應就等于零輸入響應 加上 零狀態(tài)響應!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),許多的正弦波進入我們的電路后怎么高效地去求響應?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

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,其實就是說當輸入達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,是我們看待世界的常規(guī)方式。但是試著將橫坐標變成頻率,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!

在這里插入圖片描述

如果學深一點,你會知道拉普拉斯變換Z變換,都可由傅里葉變換推導出,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

前面說的戴維南等效中的黑箱子,因為它引了兩個腳出來,所以就可以看成一個二端口網(wǎng)絡,我們可以研究這個網(wǎng)絡的輸出方程啊,各種參數(shù)啊。。。

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AD8421TRMZ-EP-R7 1 Analog Devices Inc 3 nV /√Hz, Low Power Instrumentation Amplifier

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