| 玩耳机的时候经常会遇到一些比较含糊的说法,说它有点道理吧,又说不清为什么;说它没有道理吧,又经常被烧友证实;说它本来如此吧,俺又没有机会亲身体会。百般发问,不得其解。俗话说,求人不如求己,俺索性买了电路理论的教材自己看。虽然只学到了只鳞片爪,大多数内容没看懂(到底是业余选手啊……),倒也有了一些自己的想法,写出来给大家看看。
1.1 电流和电压也可以有正负之分
俺上中学学电路的时候,电流和电压只有数值大小,没有正负之分。这是因为电路很简单,电流的流向很明确。然而,在比较复杂的电路中,电阻R上的电流流向该如何判断呢?为了解决这个问题,引入参考方向的概念。 假设某一个方向为电流的流向,称为参考方向,在此基础上进行计算。如果最终得到的结果是正数,说明电流的实际方向和参考方向一致;如果结果是负数,则说明电流的实际方向与参考方向相反。同理,也可以给电压设定参考方向。电压和电流的参考方向可以任意设定,但是为了方便起见,一般将电压和电流的参考方向关联起来,即规定电流的参考方向是从电压参考方向上的高电压流向低电压。
1.2 伏-安特性曲线
所谓伏-安特性曲线,就是根据元件两端的电压值和流经元件的电流值之间的对应关系画出的曲线。伏-安特性曲线可以直观地描述元件的性质。在接下来的讨论中使用的三种基本元件:线性电阻、电流源和电压源,都可以用伏-安特性曲线来描述。
电阻的伏-安特性曲线,是一条经过原点的直线,直线的斜率就是电阻的阻值R。 电流源和电压源是两种理想化的电源模型。 电流源的输出电流Io是恒定的,输出电压则由负载决定。电流源的伏-安特性曲线是平行于Y轴且经过Io的直线。 电压源的输出电压Vo是恒定的,输出电流则由负载决定。电压源的伏-安特性曲线是平行于X轴且经过Vo的直线。
1.3 复杂电路的简化
实际上,2楼的电路并不算复杂,结构更复杂的电路还有很多,例如立体连接的混联电路等等。再加上电路中还有电容、电感等其他元件,电路的分析就更加困难了。为了简化电路,便于分析,引入等效网络的概念。
最简单的网络是二端网络,它和电路的其他部分只有两个端点相连。假如从一端流入的电流和从另一端流出的电流数值相等的话,则称这个网络为单口网络。如果两个二端网络的伏-安特性曲线完全相同,则称这两个二端网络是等效的。尽管这两个网络的内部结构有可能不一样,但是它们对外部电路的作用是完全相同的。也就是说,如果我们能够在复杂的电路中分割出一个二端网络,不用关心它的具体结构,只要研究这个网络端口的伏-安特性曲线就可以了。
如果只考虑电阻的存在的话,无源网络一般可以等效成一个电阻(即使包含了电容和电感,在假设输入信号频率恒定的前提下,无源网络的输出阻抗仍然是一个定值)。然而,含有电源的网络就没这么简单了。在此引入两个定理:
戴维南定理指出:任何线性有源二端网络,对其外部特性,都可用一个电压源-串联电阻支路来代替; 诺登定理指出:任何线性有源二端网络,对其外部特性,都可用一个电流源-并联电阻支路来代替。
有了这两个定理,我们就可以计算一个典型的有源网络:实际电源的伏-安特性曲线。
实际的电源可以用一个电压源Vo和一个表示电源损耗的电阻Re来模拟。设这个网络的输出电压为u,关联参考方向下的输出电流为i,则有 u=Vo-iRe
实际电源的伏-安特性曲线是一条不经过原点,斜率为-Re的直线。根据上面的定理,也可以用电流源和电阻来模拟,分析方法是相同的。使用同样的方法,得到 i=Io-u/Re
注意伏-安特性曲线的斜率只和Re有关,这就意味着两个等式中的Re是相同的。由此得到一个换算式: Vo=IoRe
实际上,实际电源的伏-安特性曲线与X轴的交点就是Io,而与Y轴的交点就是Vo。
简单介绍一下受控电源。在电路理论中,放大器是一种电压控制电压源。它是一个四端网络,其中一个端口的输入电压和另外一个端口的输出电压成正比。(对于接下来的分析,这点东西基本够用了,实际上受控电源的分析远比这个复杂)
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