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《电路基础》(查尔斯・K・亚历山大著) 第十章 正弦稳态分析

时间:2024-12-21 10:57:58浏览次数:7  
标签:相量 第十章 正弦 电路 电压 稳态 电流 dot

  1. 10.1引言
    • 内容概述
      • 这部分强调正弦稳态分析在电路分析中的关键地位。在交流电路中,当电路在正弦激励下经过足够长的时间后,电路中的电压和电流会达到稳定的正弦状态。正弦稳态分析提供了一套系统的方法来研究这种状态下电路的行为,包括电压、电流的计算和功率的分析等。它是基于前面章节介绍的正弦量与相量、电路元件的相量关系等知识进行的深入分析。
  2. 10.2节点分析
    • 内容概述
      • 方法原理:在正弦稳态下的节点分析是以节点电压相量为未知量,根据频域中的基尔霍夫电流定律(KCL)列方程求解电路的方法。对于一个具有 n n n个节点的电路,通常选择一个节点作为参考节点(其电位设为 0 0 0相量),其余 n − 1 n - 1 n−1个节点相对于参考节点的电压相量就是节点电压相量。
      • 步骤示例:首先确定参考节点,然后对其余节点列写KCL方程。例如,对于一个包含电阻、电感和电容的电路,在节点 k k k处,流入该节点的电流相量之和等于流出该节点的电流相量之和,电流相量可以通过元件的相量关系(如 I ˙ = V ˙ Z \dot{I}=\frac{\dot{V}}{Z} I˙=ZV˙​)来表示,其中 Z Z Z是元件的阻抗。通过求解这些方程,可以得到节点电压相量,进而求出各支路电流相量。
  3. 10.3网孔分析
    • 内容概述
      • 方法原理:网孔分析是以网孔电流相量为未知量,根据频域中的基尔霍夫电压定律(KVL)列方程求解电路的方法。网孔是电路中不包含其他支路的独立回路。
      • 步骤示例:先确定电路中的网孔,然后对每个网孔列写KVL方程。沿着网孔的绕行方向,各元件电压相量降的代数和为 0 0 0。例如,对于一个包含电阻、电感和电容的网孔,电压相量可以通过元件的相量关系(如电感电压相量 V ˙ L = j ω L I ˙ \dot{V}_L = j\omega L\dot{I} V˙L​=jωLI˙,电容电压相量 V ˙ C = 1 j ω C I ˙ \dot{V}_C=\frac{1}{j\omega C}\dot{I} V˙C​=jωC1​I˙)来表示。通过求解这些方程,可以得到网孔电流相量,从而求出各支路电压和电流相量。
  4. 10.4叠加定理
    • 内容概述
      • 定理内容:在含有多个独立正弦电源的线性交流电路中,任一支路的电流(或电压)相量等于每个独立电源单独作用时在该支路产生的电流(或电压)相量的代数和。在计算每个独立电源单独作用时,其他独立电源需要置零。对于电压源置零相当于短路,对于电流源置零相当于开路。
      • 应用步骤:例如,有一个电路包含两个正弦电压源 V ˙ s 1 \dot{V}_{s1} V˙s1​和 V ˙ s 2 \dot{V}_{s2} V˙s2​,要求支路电流相量 I ˙ \dot{I} I˙。先让 V ˙ s 1 \dot{V}_{s1} V˙s1​单独作用,将 V ˙ s 2 \dot{V}_{s2} V˙s2​短路,计算出此时支路电流相量 I ˙ 1 \dot{I}_1 I˙1​。然后让 V ˙ s 2 \dot{V}_{s2} V˙s2​单独作用,将 V ˙ s 1 \dot{V}_{s1} V˙s1​短路,计算出支路电流相量 I ˙ 2 \dot{I}_2 I˙2​。最后,根据叠加定理, I ˙ = I ˙ 1 + I ˙ 2 \dot{I}=\dot{I}_1+\dot{I}_2 I˙=I˙1​+I˙2​。
  5. 10.5电源变换
    • 内容概述
      • 电压源 - 电流源等效变换:在正弦稳态电路中,一个实际的电压源(由理想电压源 V ˙ s \dot{V}_s V˙s​和阻抗 Z s Z_s Zs​串联组成)可以等效变换为一个实际的电流源(由理想电流源 I ˙ s \dot{I}_s I˙s​和阻抗 Z s Z_s Zs​并联组成),反之亦然。等效变换的条件是 I ˙ s = V ˙ s Z s \dot{I}_s=\frac{\dot{V}_s}{Z_s} I˙s​=Zs​V˙s​​。这种变换可以简化电路结构,便于电路分析。
      • 示例应用:假设有一个正弦电压源 V ˙ s = 10 ∠ 3 0 ∘ V \dot{V}_s = 10\angle30^{\circ}V V˙s​=10∠30∘V,串联阻抗 Z s = 5 + j 3 Ω Z_s = 5 + j3\Omega Zs​=5+j3Ω,将其等效变换为电流源。首先计算 I ˙ s = V ˙ s Z s = 10 ∠ 3 0 ∘ 5 + j 3 \dot{I}_s=\frac{\dot{V}_s}{Z_s}=\frac{10\angle30^{\circ}}{5 + j3} I˙s​=Zs​V˙s​​=5+j310∠30∘​,通过复数运算求出 I ˙ s \dot{I}_s I˙s​的幅值和相位,得到等效电流源的参数。
  6. 10.6戴维南和诺顿等效电路
    • 内容概述
      • 戴维南定理:任何一个线性有源二端网络(含有独立正弦电源的二端网络),对外电路来说,可以用一个电压源(其电压相量等于有源二端网络的开路电压相量 U ˙ o c \dot{U}_{oc} U˙oc​)和一个阻抗(等于有源二端网络中所有独立电源置零后的等效阻抗 Z e q Z_{eq} Zeq​)串联的支路来等效代替。
      • 诺顿定理:任何一个线性有源二端网络,对外电路来说,可以用一个电流源(其电流相量等于有源二端网络的短路电流相量 I ˙ s c \dot{I}_{sc} I˙sc​)和一个阻抗(等于有源二端网络中所有独立电源置零后的等效阻抗 Z e q Z_{eq} Zeq​)并联的支路来等效代替。
      • 应用步骤:例如,对于一个复杂的有源二端网络和一个外接负载阻抗 Z L Z_L ZL​组成的电路。求戴维南等效电路时,先求开路电压相量 U ˙ o c \dot{U}_{oc} U˙oc​,即将外接负载断开,通过节点分析或网孔分析等方法计算端口的开路电压相量。然后求等效阻抗 Z e q Z_{eq} Zeq​,将有源二端网络中的独立电源置零后,计算端口的等效阻抗。对于诺顿等效电路,先求短路电流相量 I ˙ s c \dot{I}_{sc} I˙sc​,再求等效阻抗 Z e q Z_{eq} Zeq​,最后可以方便地计算负载中的电流相量 I ˙ L = U ˙ o c Z e q + Z L \dot{I}_L=\frac{\dot{U}_{oc}}{Z_{eq}+Z_L} I˙L​=Zeq​+ZL​U˙oc​​(戴维南等效电路)或 U ˙ L = I ˙ s c × Z e q Z L Z e q + Z L \dot{U}_L=\dot{I}_{sc}\times\frac{Z_{eq}Z_L}{Z_{eq}+Z_L} U˙L​=I˙sc​×Zeq​+ZL​Zeq​ZL​​(诺顿等效电路)。
  7. 10.7运算放大器交流电路
    • 内容概述
      • 电路分析:在正弦稳态下分析运算放大器电路,需要考虑运算放大器的相量模型。利用运算放大器的理想特性(如虚短和虚断在频域仍然适用)以及电路元件的相量关系来分析电路。例如,对于反相放大器电路,其电压增益相量 A ˙ v = − Z f Z i n \dot{A}_v=-\frac{Z_f}{Z_{in}} A˙v​=−Zin​Zf​​,其中 Z f Z_f Zf​是反馈阻抗, Z i n Z_{in} Zin​是输入阻抗。
      • 应用示例:设有一个由运算放大器、电阻和电容组成的交流反相放大器,输入正弦电压相量 V ˙ i n \dot{V}_{in} V˙in​,通过分析反馈网络和输入网络的阻抗,计算出电压增益相量,从而得到输出电压相量 V ˙ o u t = A ˙ v V ˙ i n \dot{V}_{out}=\dot{A}_v\dot{V}_{in} V˙out​=A˙v​V˙in​。
  8. 10.8用PSpice进行交流分析
    • 内容概述
      • PSpice使用介绍:详细说明了如何在PSpice软件中构建交流电路模型进行正弦稳态分析。包括设置正弦电源的参数(幅值、频率、相位等),添加电路元件(电阻、电感、电容、运算放大器等)并设置其参数,连接电路等操作。
      • 分析类型和结果解读:介绍了PSpice中可以进行的交流分析类型,如交流扫描分析(可以得到电路的频率响应曲线,如电压增益 - 频率曲线、相位 - 频率曲线等)。讲解如何解读分析结果,例如通过查看幅频特性曲线来确定电路的带宽、增益等参数,以及通过相频特性曲线来分析电路的相位变化情况。
  9. 10.9应用
    • 10.9.1电容倍增器
      • 原理和实现:电容倍增器是一种利用运算放大器和电容组合来实现等效电容增大效果的电路。通过巧妙的电路设计,根据电容的相量关系和运算放大器的特性,使得在特定的电路连接下,从外部端口看,等效电容比实际使用的电容大很多倍。这种电路在一些需要较大电容但实际电容值有限的情况下很有用,例如在滤波电路等应用中。
    • 10.9.2振荡器
      • 原理和实现:振荡器是一种能够产生稳定正弦波输出的电路。在正弦稳态分析的基础上,利用正反馈和选频网络(通常由电感和电容组成)来实现振荡。例如,在LC振荡器中,通过满足一定的相位条件(反馈信号与输入信号同相)和幅值条件(环路增益等于 1 1 1),可以使电路产生持续的正弦振荡。这种电路在通信、信号源等领域有广泛应用。
  10. 10.10小结
  • 内容概述
    • 总结了本章的正弦稳态分析方法,包括节点分析、网孔分析、叠加定理、电源变换、戴维南和诺顿等效电路、运算放大器交流电路的分析,PSpice交流分析的要点,以及电容倍增器和振荡器等应用。强调了这些方法和应用在交流电路设计和分析中的重要性,为进一步学习交流电路的功率、谐振等高级内容奠定了基础。

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