直流电路篇 --- 分析方法

分析方法

  • 1. 节点分析法
    • 1.1 不包含电压源的节点分析法
    • 1.2 包含电压源的节点分析法
  • 2. 网孔分析法
    • 2.1 不包含电流源的平面电路网孔分析法
    • 2.2 含有电流源的平面电路网孔分析法
  • 3. 基于观察法的节点分析与网孔分析
    • 3.1 基于观察法的节点分析
    • 3.2 基于观察法的网孔分析
  • 4. 节点分析法与网孔分析法的比较
  • 5. 双极型晶体管电路

1. 节点分析法

回顾 — 什么是节点、支路

  • 节点是指两条或多条支路的连接点,如节点a、b、c;
  • 支路表示网络中的单个元件,如10V电压源、电阻R3、R1、R2、2A电流源
    直流电路篇 --- 分析方法_第1张图片

1.1 不包含电压源的节点分析法

例1-1:使用节点分析法(又称节点电压法)计算下图所示电路中各节点的电压。
直流电路篇 --- 分析方法_第2张图片
求解步骤:

  1. 选择一个节点作为参考节点(参考节点的电位为零),则需要求解的两个节点1、2的电压为 v 1 、 v 2 v_1、v_2 v1v2,这两个电压都是相对于参考节点的。如上图假定除电流源外的支路电流方向,方向可以是任意的。
  2. 应用KCL对节点1、2列出方程组,并应用欧姆定律用节点电压来表示各支路电流
    i 1 = i 2 + i 3 ⟹ 5 = v 1 − v 2 4 + v 1 − 0 2  ———— (1.1.1) i_1 = i_2 + i_3 \Longrightarrow 5 = \frac{v_1 - v_2}{4} + \frac{v_1 - 0}{2} \text{ ------------ (1.1.1)} i1=i2+i35=4v1v2+2v10 ———— (1.1.1)
    其中 ( v 1 − v 2 ) (v_1 - v_2) (v1v2)是电阻 R 3 R_3 R3两端的电压,由于电阻是无源元件,按照关联参考方向,通过电阻的电流总是由高电位向低电位流动 ( v 1 − 0 ) (v_1 - 0) (v10)表示电阻 R 1 R_1 R1两端的电压,参考节点0的电位为0。
    i 2 + i 4 = i 1 + i 5 ⟹ v 1 − v 2 4 + 10 = 5 + v 2 − 0 6  ———— (1.1.2) i_2 + i_4 = i_1 + i_5 \Longrightarrow \frac{v_1 - v_2}{4} + 10 = 5 + \frac{v_2 - 0}{6} \text{ ------------ (1.1.2)} i2+i4=i1+i54v1v2+10=5+6v20 ———— (1.1.2)
    式(1.1.1)乘以4,(1.1.2)乘以12,化简得:
    3 v 1 − v 2 = 20  ———— (1.1.3) 3v_1 - v_2 = 20 \text{ ------------ (1.1.3)} 3v1v2=20 ———— (1.1.3)
    − 3 v 1 + 5 v 2 = 60  ———— (1.1.4) -3v_1 + 5v_2 = 60 \text{ ------------ (1.1.4)} 3v1+5v2=60 ———— (1.1.4)
  3. 求解联立线性方程组,从而求得节点1、2的电压值。采用消元法,将式(1.1.3)(1.1.4)相加,得:
    4 v 2 = 80 ⟹ v 2 = 20 V 4v_2 = 80 \Longrightarrow v_2 = 20V 4v2=80v2=20V
    将求出的 v 2 v_2 v2代入式(1.1.3),得:
    3 v 1 − 20 = 20 ⟹ v 1 = 40 3 ≈ 13.33 V 3v_1 - 20 = 20 \Longrightarrow v_1 = \frac{40}{3} \approx 13.33V 3v120=20v1=34013.33V
    如果要求电流值,则根据欧姆定律由节点电压值可以很容易得到:
    i 2 = v 1 − v 2 4 ≈ − 1.67 A i_2 = \frac{v_1 - v_2}{4} \approx -1.67A i2=4v1v21.67A
    得到的 i 2 i_2 i2为负值,表明其方向与假定的参考方向相反,即电阻 R 3 R_3 R3的电流是流入节点1的。
    i 3 = v 1 − 0 2 ≈ 6.67 A i_3 = \frac{v_1 - 0}{2} \approx 6.67A i3=2v106.67A
    i 5 = v 2 − 0 6 ≈ 3.33 A i_5 = \frac{v_2 - 0}{6} \approx 3.33A i5=6v203.33A
    i 3 、 i 5 i_3、i_5 i3i5为正值,表明 i 3 、 i 5 i_3、i_5 i3i5的方向与假定的参考方向相同
    i 1 = 5 A , i 4 = 10 A i_1 = 5A,i_4 = 10A i1=5Ai4=10A
    i 1 、 i 4 i_1、i_4 i1i4为电流源电流值

1.2 包含电压源的节点分析法

直流电路篇 --- 分析方法_第3张图片
以上图所示电路,分两种情况进行讨论:

  1. 如果电压源接在参考节点与非参考节点之间,那么非参考节点的电压就等于电压源的电压,如上图中的节点1电压 v 1 = 10 V v_1 = 10V v1=10V
  2. 如果电压源(独立源或受控源)接在两个非参考节点之间,则这两个非参考节点构成一个广义节点超节点。可以将包含电压源及两个节点的超节点看成一个封闭曲面。如上图,节点2、3组成一个超节点;超节点也可以由两个以上节点组成,如下例1-2所示。

超节点具有如下三个属性:

  1. 超节点内的电压源提供了一个求解节点电压所需的约束方程。如上图, v 2 − v 3 = 5 v_2 - v_3 = 5 v2v3=5
  2. 超节点本身没有电压
  3. 超节点电路的求解要同时利用KCL和KVL。

例1-2:利用节点分析法求下图所示电路中的 v 1 、 v 2 、 v 3 v_1、v_2、v_3 v1v2v3电压。
直流电路篇 --- 分析方法_第4张图片

按照1.1节中的解题步骤:

  1. 选择一个节点0作为参考节点。如上图假定支路电流方向,方向可以是任意的。
  2. 对超节点应用KCL,由于 i 1 i_1 i1既流入超节点也流出超节点,所以可以抵消:
    i + i 3 + i 4 = 0 ⟹ v 1 − 0 2 + v 2 − 0 4 + v 3 − 0 3 i + i_3 + i_4 = 0 \Longrightarrow \frac{v_1 - 0}{2} + \frac{v_2 - 0}{4} + \frac{v_3 - 0}{3} i+i3+i4=02v10+4v20+3v30
    化简后得:
    6 v 1 + 3 v 2 + 4 v 3 = 0  ———— (1.2.1) 6v_1 + 3v_2 + 4v_3 = 0 \text{ ------------ (1.2.1)} 6v1+3v2+4v3=0 ———— (1.2.1)
    分别对两个电压源所在的回路应用KVL(如图顺时针方向),得:
    − v 1 + 25 + v 2 = 0 ⟹ v 1 = v 2 + 25  ———— (1.2.2) -v_1 + 25 +v_2 = 0 \Longrightarrow v_1 = v_2 + 25 \text{ ------------ (1.2.2)} v1+25+v2=0v1=v2+25 ———— (1.2.2)
    由于图中受控源为电流控制电压源, i = v 1 2 i = \frac{v_1}{2} i=2v1:
    − v 2 − 5 i + v 3 = 0 ⟹ − v 2 − 5 v 1 2 + v 3 = 0 -v_2 - 5i + v_3 = 0 \Longrightarrow -v_2 - 5\frac{v_1}{2} + v_3 = 0 v25i+v3=0v252v1+v3=0
    化简得:
    − 5 v 1 − 2 v 2 + 2 v 3 = 0  ———— (1.2.3) -5v_1-2v_2+2v_3 = 0 \text{ ------------ (1.2.3)} 5v12v2+2v3=0 ———— (1.2.3)
  3. 求解联立方程组式(1.2.1)(1.2.2)(1.2.3),得:
    v 1 = 175 23 ≈ 7.609 V , v 2 = − 400 23 ≈ − 17.391 V , v 3 = 75 46 ≈ 1.630 V v_1 = \frac{175}{23} \approx 7.609V,v_2 = -\frac{400}{23} \approx -17.391V,v_3 = \frac{75}{46} \approx 1.630V v1=231757.609Vv2=2340017.391Vv3=46751.630V

2. 网孔分析法

网孔分析法又称回路分析法或网孔电流法
回路是指电路中的任一闭合路径

网孔分析法是将网孔电流作为电流变量进行电路分析的另一种重要方法,但它只适用于分析平面电路。

平面电路非平面电路
平面电路是指没有交叉支路相互连接的电路,其电路是平面的;否则称为非平面电路。
直流电路篇 --- 分析方法_第5张图片
直流电路篇 --- 分析方法_第6张图片

网孔是指不包含任何其它回路的一条回路。
直流电路篇 --- 分析方法_第7张图片
如图,红色部分的回路就是网孔,但蓝色部分中包含网孔1、2的回路,所以蓝色部分不是一个网孔;所以上图只有两个网孔。

2.1 不包含电流源的平面电路网孔分析法

例2-1,利用网孔分析法求下图所示电路的支路电流 I 1 、 I 2 、 I 3 I_1、I_2、I_3 I1I2I3
直流电路篇 --- 分析方法_第8张图片
解题步骤:

  1. 为网孔指定网孔电流,如上图中的 i 1 、 i 2 i_1、i_2 i1i2(方向一般为顺时针方向)
  2. 对网孔分别应用KVL,并根据欧姆定律用网孔电流来表示各个电压:
    对于网孔1有:
    − 15 + 5 i 1 + 10 ( i 1 − i 2 ) + 10 = 0 ⟹ 3 i 1 − 2 i 2 = 1  ———— (2.1.1) -15+5i_1+10(i_1-i_2)+10=0 \Longrightarrow 3i_1-2i_2=1\text{ ------------ (2.1.1)} 15+5i1+10(i1i2)+10=03i12i2=1 ———— (2.1.1)
    对于网孔2有:
    6 i 2 + 4 i 2 + 10 ( i 2 − i 1 ) − 10 = 0 ⟹ − i 1 + 2 i 2 = 1  ———— (2.1.2) 6i_2+4i_2+10(i_2-i_1)-10=0 \Longrightarrow -i_1+2i_2=1 \text{ ------------ (2.1.2)} 6i2+4i2+10(i2i1)10=0i1+2i2=1 ———— (2.1.2)
  3. 求解式(2.1.1)(2.1.2),得:
    i 1 = 1 A , i 2 = 1 A i_1 = 1A,i_2 = 1A i1=1A,i2=1A
    即:
    I 1 = i 1 = 1 A , I 2 = i 2 = 1 A , I 3 = i 1 − i 2 = 0 A I_1=i_1=1A,I_2=i_2=1A,I_3=i_1-i_2=0A I1=i1=1A,I2=i2=1A,I3=i1i2=0A

2.2 含有电流源的平面电路网孔分析法

如含有电压源的节点分析法一样,分两种情况考虑:

  1. 电流源仅存在于一个网孔中,如下图, i 2 = − 5 A i_2=-5A i2=5A
    直流电路篇 --- 分析方法_第9张图片
  2. 电流源存在于两个网孔之间,如下图,将电流源和与之相串联的元件去除后,得到一个超网孔
    直流电路篇 --- 分析方法_第10张图片
    如果一个电路包含两个或两个以上超网孔,应将其合并为一个更大的超网孔

超网孔具有如下三个属性:

  1. 超网孔中的电流源提供了求解网孔电流所需的约束方程
  2. 超网孔本身没有电流
  3. 对超网孔要同时应用KVL和KCL

例2-2,利用网孔分析法求下图所示电路中的 i 1 、 i 2 、 i 3 、 i 4 i_1、i_2、i_3、i_4 i1i2i3i4
直流电路篇 --- 分析方法_第11张图片
解题步骤:

  1. 为网孔指定网孔电流,如上图中的 i 1 、 i 2 、 i 3 、 i 4 i_1、i_2、i_3、i_4 i1i2i3i4(方向一般为顺时针方向)。网孔1、2共有一个独立电流源,网孔2、3共有一个电流控制电流源,所以他们构成一个超网孔,如红色虚线框。
  2. 对超网孔应用KVL,有:
    2 i 1 + 4 i 3 + 8 ( i 3 − i 4 ) + 6 i 2 = 0 ⟹ i 1 + 3 i 2 + 6 i 3 − 4 i 4 = 0  ———— (2.2.1) 2i_1+4i_3+8(i_3-i_4)+6i_2=0 \Longrightarrow i_1+3i_2+6i_3-4i_4=0 \text{ ------------ (2.2.1)} 2i1+4i3+8(i3i4)+6i2=0i1+3i2+6i34i4=0 ———— (2.2.1)
    对网孔1、2共有的电流源应用KCL,即对节点P应用KCL:
    i 1 − i 2 + 5 = 0  ———– (2.2.2) i_1-i_2+5=0 \text{ ----------- (2.2.2)} i1i2+5=0 ———– (2.2.2)
    对网孔2、3共有的受控源应用KCL,即对节点Q应用KCL:
    i 2 − i 3 − 3 I 0 = 0 i_2-i_3-3I_0=0 i2i33I0=0
    又,由于 I 0 = − i 4 I_0=-i_4 I0=i4,所以:
    i 2 − i 3 + 3 i 4 = 0 ———— (2.2.3) i_2-i_3+3i_4=0 \text{------------ (2.2.3)} i2i3+3i4=0———— (2.2.3)
    对网孔4应用KVL,有:
    2 i 4 + 8 ( i 4 − i 3 ) + 10 = 0 ⟹ − 4 i 3 + 5 i 4 + 5 = 0  ———— (2.2.4) 2i_4+8(i_4-i_3)+10=0 \Longrightarrow -4i_3+5i_4+5=0 \text{ ------------ (2.2.4)} 2i4+8(i4i3)+10=04i3+5i4+5=0 ———— (2.2.4)
    3.解方程组(2.2.1)(2.2.2)(2.2.3)(2.2.4),得:
    i 1 = − 15 2 A = − 7.5 A i_1=-\frac{15}{2}A=-7.5A i1=215A=7.5A
    i 2 = − 5 2 A = − 2.5 A i_2=-\frac{5}{2}A=-2.5A i2=25A=2.5A
    i 3 = 55 14 A ≈ 3.929 A i_3=\frac{55}{14}A\approx 3.929A i3=1455A3.929A
    i 4 = 15 7 A ≈ 2.143 A i_4=\frac{15}{7}A\approx 2.143A i4=715A2.143A

3. 基于观察法的节点分析与网孔分析

3.1 基于观察法的节点分析

如果电路中的所有电源均为独立电流源,则可以通过对电路的观察写出方程组。

一般而言,如果包含独立电流源的一个电路中具有N个非参考节点,则节点电压方程可以用电导表示为如下形式:
[ G 11 G 12 ⋯ G 1 N G 21 G 22 ⋯ G 2 N ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ G N 1 G N 2 ⋯ G N N ] [ v 1 v 2 ⋮ v N ] = [ i 1 i 2 ⋮ i N ] {\begin{bmatrix} {G_{11}}&{G_{12}}&{\cdots}&{G_{1N}}\\ {G_{21}}&{G_{22}}&{\cdots}&{G_{2N}}\\ {\vdots}&{\vdots}&{\ddots}&{\vdots}\\ {G_{N1}}&{G_{N2}}&{\cdots}&{G_{NN}}\\ \end{bmatrix}} {\begin{bmatrix} v_1\\ v_2\\ \vdots\\ v_N \end{bmatrix}}= {{\begin{bmatrix} i_1\\ i_2\\ \vdots\\ i_N \end{bmatrix}}} G11G21GN1G12G22GN2G1NG2NGNNv1v2vN=i1i2iN
其中:

  1. G k k = G_{kk}= Gkk=与节点 k k k相连接的各电导之和;
  2. G k j = G j k = G_{kj}=G_{jk}= Gkj=Gjk=直接与节点 k 、 j k、j kj相连接的电导之和的相反数,其中 k ≠ j k \ne j k=j;
  3. v k = v_k= vk=节点 k k k处的未知电压;
  4. i k = i_k= ik=直接与节点 k k k相连接的所有独立电流源的代数和,且认为流入该节点的电流为正;

注意:该方程仅对具有独立电流源和线性电阻的电路有效

如下图
直流电路篇 --- 分析方法_第12张图片
解题步骤:

  1. 列出 G k k G_{kk} Gkk等式,即:(图中电阻单位欧姆,Ohm;电导单位西门子,S)
    G 11 = 1 10 + 1 5 = 0.3 , G 22 = 1 5 + 1 1 + 1 8 = 1.325 G_{11}=\frac{1}{10}+\frac{1}{5}=0.3,G_{22}=\frac{1}{5}+\frac{1}{1}+\frac{1}{8}=1.325 G11=101+51=0.3G22=51+11+81=1.325
    G 33 = 1 8 + 1 8 + 1 4 = 0.5 , G 44 = 1 8 + 1 1 + 1 2 = 1.625 G_{33}=\frac{1}{8}+\frac{1}{8}+\frac{1}{4}=0.5,G_{44}=\frac{1}{8}+\frac{1}{1}+\frac{1}{2}=1.625 G33=81+81+41=0.5G44=81+11+21=1.625
  2. 列出 G k j 和 G j k G_{kj}和G_{jk} GkjGjk等式(节点1、3和节点1、4没有直接相连,所以电导为0),即:
    G 12 = − 1 5 = − 0.2 , G 13 = G 14 = 0 G_{12}=-\frac{1}{5}=-0.2,G_{13}=G_{14}=0 G12=51=0.2G13=G14=0
    G 21 = G 12 = − 0.2 , G 23 = − 1 8 = − 0.125 , G 24 = − 1 1 = − 1 G_{21}=G_{12}=-0.2,G_{23}=-\frac{1}{8}=-0.125,G_{24}=-\frac{1}{1}=-1 G21=G12=0.2,G23=81=0.125,G24=11=1
    G 31 = G 13 = 0 , G 32 = G 23 = − 0.125 , G 34 = − 1 8 = − 0.125 G_{31}=G_{13}=0,G_{32}=G_{23}=-0.125,G_{34}=-\frac{1}{8}=-0.125 G31=G13=0,G32=G23=0.125,G34=81=0.125
    G 41 = G 14 = 0 , G 42 = G 24 = − 1 , G 43 = G 34 = − 0.125 G_{41}=G_{14}=0,G_{42}=G_{24}=-1,G_{43}=G_{34}=-0.125 G41=G14=0,G42=G24=1,G43=G34=0.125
  3. 列出 i k i_k ik等式:
    i 1 = 3 , i 2 = − 1 − 2 = − 3 , i 3 = 0 , i 4 = 2 + 4 = 6 i_1=3,i_2=-1-2=-3,i_3=0,i_4=2+4=6 i1=3,i2=12=3,i3=0,i4=2+4=6
  4. 写出节点电压方程为:
    [ 0.3 − 0.2 0 0 − 0.2 1.325 − 0.125 − 1 0 − 0.125 0.5 − 0.125 0 − 1 − 0.125 1.625 ] [ v 1 v 2 v 3 v 4 ] = [ 3 − 3 0 6 ] {\begin{bmatrix} 0.3&-0.2&0&0\\ -0.2&1.325&-0.125&-1\\ 0&-0.125&0.5&-0.125\\ 0&-1&-0.125&1.625\\ \end{bmatrix}} {\begin{bmatrix} v_1\\ v_2\\ v_3\\ v_4\\ \end{bmatrix}}= {\begin{bmatrix} 3\\ -3\\ 0\\ 6\\ \end{bmatrix}} 0.30.2000.21.3250.125100.1250.50.125010.1251.625v1v2v3v4=3306
  5. 利用scilab软件求解上式:
    1.定义矩阵A
    定义矩阵A
    2. 定义矩阵B
    定义矩阵B
    3. 求解未知节点电压(反斜杠是左矩阵除法:X=A\B是A*X=B的解。)
    求解未知节点电压
    结果为:(保留两位小数)
    直流电路篇 --- 分析方法_第13张图片
    求得的结果与仿真软件Tina-Ti分析的结果相同。

3.2 基于观察法的网孔分析

当线性电阻电路中仅包含独立电压源时,可以用观察法得到网孔电流方程。

一般而言,如果电路包含N个网孔,则其网孔电流方程可以用电阻表示为如下形式:
[ R 11 R 12 ⋯ R 1 N R 21 R 22 ⋯ R 2 N ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ R N 1 R N 2 ⋯ R N N ] [ i 1 i 2 ⋮ i N ] = [ v 1 v 2 ⋮ v N ] {\begin{bmatrix} {R_{11}}&{R_{12}}&{\cdots}&{R_{1N}}\\ {R_{21}}&{R_{22}}&{\cdots}&{R_{2N}}\\ {\vdots}&{\vdots}&{\ddots}&{\vdots}\\ {R_{N1}}&{R_{N2}}&{\cdots}&{R_{NN}}\\ \end{bmatrix}} {\begin{bmatrix} i_1\\ i_2\\ \vdots\\ i_N \end{bmatrix}}= {{\begin{bmatrix} v_1\\ v_2\\ \vdots\\ v_N \end{bmatrix}}} R11R21RN1R12R22RN2R1NR2NRNNi1i2iN=v1v2vN
其中:

  1. R k k = R_{kk}= Rkk=网孔 k k k中各电阻之和;
  2. R k j = R j k = R_{kj}=R_{jk}= Rkj=Rjk=网孔 k k k与网孔 j j j的共有电阻之和的相反数,其中 k ≠ j k \ne j k=j;
  3. i k = i_k= ik=网孔 k k k中顺时针方向的未知网孔电流;
  4. v k = v_k= vk=网孔 k k k中沿顺时针方向的所有独立电压源的代数和,其中电压升为正值(网孔电流顺时针方向从电压源负极指向正极为电压升);

例3-2,利用观察法写出下图所示电路的网孔电流方程。
直流电路篇 --- 分析方法_第14张图片
解题步骤:

  1. 列出所有 R k k R_{kk} Rkk,即网孔 k k k中各电阻之和:
    R 11 = 5 + 2 + 2 = 9 , R 22 = 2 + 4 + 1 + 1 + 2 = 10 R_{11}=5+2+2=9,R_{22}=2+4+1+1+2=10 R11=5+2+2=9,R22=2+4+1+1+2=10
    R 33 = 2 + 3 + 4 = 9 , R 44 = 1 + 3 + 4 = 8 , R 55 = 1 + 3 = 4 R_{33}=2+3+4=9,R_{44}=1+3+4=8,R_{55}=1+3=4 R33=2+3+4=9,R44=1+3+4=8,R55=1+3=4
  2. 列出所有 R k j 、 R j k R_{kj}、R_{jk} RkjRjk,即网孔 k k k与网孔 j j j的共有电阻之和的相反数,其中 k ≠ j k \ne j k=j
    R 12 = − 2 , R 13 = − 2 , R 14 = 0 , R 15 = 0 R_{12}=-2,R_{13}=-2,R_{14}=0,R_{15}=0 R12=2,R13=2,R14=0,R15=0
    R 21 = − 2 , R 23 = − 4 , R 24 = − 1 , R 25 = − 1 R_{21}=-2,R_{23}=-4,R_{24}=-1,R_{25}=-1 R21=2,R23=4,R24=1,R25=1
    R 31 = − 2 , R 32 = − 4 , R 34 = 0 , R 35 = 0 R_{31}=-2,R_{32}=-4,R_{34}=0,R_{35}=0 R31=2,R32=4,R34=0,R35=0
    R 41 = 0 , R 42 = − 1 , R 43 = 0 , R 45 = − 3 R_{41}=0,R_{42}=-1,R_{43}=0,R_{45}=-3 R41=0,R42=1,R43=0,R45=3
    R 51 = 0 , R 52 = − 1 , R 53 = 0 , R 54 = − 3 R_{51}=0,R_{52}=-1,R_{53}=0,R_{54}=-3 R51=0,R52=1,R53=0,R54=3
  3. 列出所有 v k v_k vk,即网孔 k k k中沿顺时针方向的所有独立电压源的代数和,其中电压升为正值:
    v 1 = 4 , v 2 = 10 − 4 = 6 , v 3 = − 12 + 6 = − 6 , v 4 = 0 , v 5 = − 6 v_1=4,v_2=10-4=6,v_3=-12+6=-6,v_4=0,v_5=-6 v1=4,v2=104=6,v3=12+6=6,v4=0,v5=6
  4. 列网孔电流方程:
    [ 9 − 2 − 2 0 0 − 2 10 − 4 − 1 − 1 − 2 − 4 9 0 0 0 − 1 0 8 − 3 0 − 1 0 − 3 4 ] [ i 1 i 2 i 3 i 4 i 5 ] = [ 4 6 − 6 0 − 6 ] {\begin{bmatrix} 9&-2&-2&0&0\\ -2&10&-4&-1&-1\\ -2&-4&9&0&0\\ 0&-1&0&8&-3\\ 0&-1&0&-3&4\\ \end{bmatrix}} {\begin{bmatrix} i_1\\ i_2\\ i_3\\ i_4\\ i_5\\ \end{bmatrix}}= {\begin{bmatrix} 4\\ 6\\ -6\\ 0\\ -6\\ \end{bmatrix}} 92200210411249000108301034i1i2i3i4i5=46606
  5. 利用scilab软件求解上式,得到的结果与上图仿真结果相同:
    直流电路篇 --- 分析方法_第15张图片

4. 节点分析法与网孔分析法的比较

问:在分析电路网络时,怎样才能知道采用哪一种方法更好、更有效呢?
答:最佳方法的选取受到两个因素的制约:

  • 第一个因素是特定网络本身的特征。
    • 包含大量串联元件、电压源或超网孔的电路网络,更适用网孔分析法;
    • 包含较多并联元件、电流源或超节点的电路网络,更适用节点分析法;
    • 节点数少于网孔数的电路网络,适用节点分析法;
    • 网孔数少于节点数的电路网络,适用网孔分析法;
      选用哪种分析方法的关键在于采用所选定方法得到的联立方程的个数更少。
  • 第二个因素是所求电路参数信息。
    • 如果求节点电压,可能用节点分析法更好;
    • 如果求支路电流或网孔电流,可能用网孔分析法更好。

5. 双极型晶体管电路

双极型晶体管分为两种类型:npn型和pnp型;有三种工作模式:放大、截止、饱和。电路符号如下图:
直流电路篇 --- 分析方法_第16张图片
对于npn型晶体管,如下图给出电流方向和电压极性,其中 I E 、 I C 、 I B I_E、I_C、I_B IEICIB分别为晶体管得发射极电流、集电极电流、基极电流; V C E 、 V B E 、 V C B V_{CE}、V_{BE}、V_{CB} VCEVBEVCB分别为集电极-发射极电压、基极-发射极电压、集电极-基极电压。
直流电路篇 --- 分析方法_第17张图片
对上图应用KCL,得:
I E = I B + I C  ———— (5.1) I_{E} = I_{B}+I_{C}\text{ ------------ (5.1)} IE=IB+IC ———— (5.1)
对上图应用KVL,得:
V C E − V B E − V C B = 0  ———— (5.2) V_{CE}-V_{BE}-V_{CB}=0\text{ ------------ (5.2)} VCEVBEVCB=0 ———— (5.2)
当晶体管工作在放大工作模式时, V E B = 0.7 V V_{EB}=0.7V VEB=0.7V,并且:
I C = α I E ( α 称 为 共 基 极 电 流 增 益 )  ———— (5.3) I_C=\alpha{I_{E}}(\alpha 称为共基极电流增益)\text{ ------------ (5.3)} IC=αIE(α) ———— (5.3)
I C = β I B ( β 称 为 共 发 射 极 电 流 增 益 )  ———— (5.4) I_{C}=\beta I_{B}(\beta 称为共发射极电流增益)\text{ ------------ (5.4)} IC=βIB(β) ———— (5.4)
α 和 β \alpha和\beta αβ是给定晶体管的特性参数,通常为常数; α 的 典 型 取 值 范 围 0.98 ∼ 0.999 之 间 , β 的 典 型 取 值 范 围 在 50 ∼ 1000 之 间 \alpha的典型取值范围0.98 \sim 0.999之间,\beta 的典型取值范围在50\sim 1000之间 α0.980.999,β501000。由式(5.1)(5.4)得:
I E = ( 1 + β ) I B  ———— (5.5) I_{E}=(1+\beta)I_{B}\text{ ------------ (5.5)} IE=(1+β)IB ———— (5.5)
由式(5.1)(5.3)(5.4)得:
β = α 1 − α \beta=\frac{\alpha}{1-\alpha} β=1αα
上述等式表明,当双极型晶体管工作在放大模式时,可以建模为一个受控源-电流控制电流源。在分析电路时,可以如下图所示用直流等效模型来代替npn型晶体管。由于 β \beta β通常比较大,所以用一个很小的基极电流就可以控制输出电路中很大的电流,即双极型晶体管可以用作放大器。
直流电路篇 --- 分析方法_第18张图片
例5-1,求解下图所示双极型晶体管电路中的 v 0 v_0 v0,设 β = 150 且 V B E = 0.7 V \beta=150且V_{BE}=0.7V β=150VBE=0.7V
直流电路篇 --- 分析方法_第19张图片
方法1:如下图,使用网孔电流分析法:
直流电路篇 --- 分析方法_第20张图片
对网孔1、2列方程:
{ − 2 + 100 k i 1 + 200 k ( i 1 − i 2 ) = 0 200 k ( i 2 − i 1 ) + V B E = 0 \begin{cases} -2+100ki_1+200k(i_1-i_2)=0\\ 200k(i_2-i_1)+V_{BE}=0\\ \end{cases} {2+100ki1+200k(i1i2)=0200k(i2i1)+VBE=0
解得:
{ i 1 = 1.3 × 1 0 − 5 A i 2 = 0.95 × 1 0 − 5 A \begin{cases} i_1=1.3\times{10^{-5}}A\\ i_2=0.95\times{10^{-5}}A\\ \end{cases} {i1=1.3×105Ai2=0.95×105A
根据 I C = β I B I_C=\beta{I_B} IC=βIB,得: i 3 = − 150 × i 2 = − 142.5 × 1 0 − 5 A i_3=-150\times{i_2}=-142.5\times{10^{-5}}A i3=150×i2=142.5×105A
对网孔3列方程,得:
− v 0 + 1 k i 3 + 16 = 0 -v_0+1ki_3+16=0 v0+1ki3+16=0
代入 i 3 i_3 i3的值,求得: v 0 = 14.575 V v_0=14.575V v0=14.575V

方法2:使用等效电路(如下图)代替后,利用节点分析法求解。
直流电路篇 --- 分析方法_第21张图片
对节点 v 1 、 v 2 v_1、v_2 v1v2列方程:( v 1 = 0.7 V v_1=0.7V v1=0.7V
{ I B + 0.7 − 2 100 k + 0.7 200 k = 0 150 I B + v 0 − 16 1 k = 0 \begin{cases} I_B+\frac{0.7-2}{100k}+\frac{0.7}{200k}=0\\ 150I_B+\frac{v_0-16}{1k}=0\\ \end{cases} {IB+100k0.72+200k0.7=0150IB+1kv016=0
解方程得:
{ I B = 9.5 u A v 0 = 14.575 V \begin{cases} I_B=9.5uA\\ v_0=14.575V \end{cases} {IB=9.5uAv0=14.575V
方法3:使用仿真软件求解例题,使用的是Tina-Ti的免费仿真软件:
直流电路篇 --- 分析方法_第22张图片
通过仿真软件可以验证上面两个计算方法是正确的。

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