等效電阻的三種求法

2020-12-25 電子發燒友

  等效電阻

  幾個連接起來的電阻所起的作用,可以用一個電阻來代替,這個電阻就是那些電阻的等效電阻。也就是說任何電迴路中的電阻,不論有多少只,都可等效為一個電阻來代替。而不影響原迴路兩端的電壓和迴路中電流強度的變化。這個等效電阻,是由多個電阻經過等效串並聯公式,計算出等效電阻的大小值。也可以說,將這一等效電阻代替原有的幾個電阻後,對於整個電路的電壓和電流量不會產生任何的影響,所以這個電阻就叫做迴路中的等效電阻。

  就是用一個電阻代替串聯電路中幾個電阻,比如一個串聯電路中有2個電阻,可以用另一個電阻來代替它們。首先把這兩個電阻串聯起來,然後移動滑動變阻器,移動到適當的地方就可以,然後記錄下這時的電壓與電流,分別假設為U和I。然後就另外把電阻箱接入電路中,滑動變阻器不要移動,保持原樣,調整變阻器的阻值,使得電壓和電流為I和U。

在電路分析中,最基本的電路就是電阻電路。而分析電阻電路常常要將電路化簡,求其等效電阻。由於實際電路形式多種多樣,電阻之間聯接方式也不盡相同,因此等效電阻計算方法也有所不同。本文就幾種常見的電阻聯接方式,談談等效電阻的計算方法和技巧。

一、電阻的串聯

以3個電阻聯接為例,電路如圖1所示。

根據電阻串聯特點可推得,等效電阻等於各串聯電阻之和,即

由此可見:

(1)串聯電阻越多,等效電阻也越大;

(2)如果各電阻阻值相同,則等效電阻為R=nR1

二、電阻的並聯

電路如圖2所示。

根據電阻並聯特點可推得,等效電阻的倒數等

於各並聯電阻倒數之和,即:

上述結論能否推廣使用呢?即如果一個電阻是另一個電阻的3倍、4倍,,n倍。

例如,128電阻分別與48、38、28、18電阻並聯(它們的倍數分別是3、4、6和12倍),等效電阻如何計算?

不難看出:當一電阻為另一電阻的n倍時,等效電阻的計算通式為

三、電阻的混聯

在實際電路中,單純的電阻串聯或並聯是不多見的,更常見的是既有串聯,又有並聯,即電阻的混聯電路。

對於混聯電路等效電阻計算,分別可從以下兩種情況考慮。

1.電阻之間聯接關係比較容易確定

求解方法是:先局部,後整體,即先確定局部電阻串聯、並聯關係,根據串、並聯等效電阻計算公式,分別求出局部等效電阻,然後逐步將電路化簡,最後求出總等效電阻。

例如圖3所示電路,從a、b兩端看進去,R1與R2並聯,R3與R4並聯,前者等效電阻與後者等效電阻串聯,R5的兩端處於同一點(b點)而被短接,計算時不須考慮,所以,等效電阻:

值得注意的是:等效電阻的計算與對應端點有關,也就是說不同的兩點看進去,等效電阻往往是不一樣的,因為對應點不同,電阻之間的聯接關係可能不同。

例如圖3,若從a、c兩點看進去,R1與R2並聯,R3與R4就不是並聯,而是串聯(但此時R3+R4被短接),這樣,等效電阻為:

Rac=R1MR2

同理,從b、c看進去,R1與R2串聯(被短接),R3與R4並聯,等效電阻:

Rbc=R3MR4

2.電阻之間聯接關係不太容易確定

例如圖4所示,各電阻的串、並聯關係不是很清晰,對初學者來說,直接求解比較困難。所以,可將原始電路進行改畫,使之成為電阻聯接關係比較明顯的電路,然後再進行計算。

具體方法步驟如下:

(1)找出電路各節點,並對其進行命名,如圖5所示。

在找節點時需注意:

等電位點屬於同一點,故不能重複命名,如上圖的c點,它是由三個等電位點構成的,命名時必須將它們看成一點。

(2)將各節點畫在一條水平線上,如圖6所示。

布局各節點時需注意:為方便計算,最好將兩端點分別畫在兩頭,如圖6的a、b兩點。

(3)對號入座各電阻,畫出新電路。即將各電阻分別畫在對應節點之間,這樣,就構成了一個與原始電路實質相同,而形式比較簡單明了的新電路了,如圖7所示。最後再求等效電阻。

此方法可稱為節點命名法。它是分析電阻聯接關係比較複雜電路的一種實用的方法。

四、電阻的星形(Y)與三角形(v)聯接電路

求解這類電路等效電阻的基本思路,就是將電路作星形與三角等效互換,使之變成電阻串、並聯電路。

例如圖8所示電路。

此題還可以將R3、R4、R5變成Y形,或者將R1、R3、R4變成v(也可將R2、R3、R5變成v)等方法化簡進行計算。

五、平衡電橋的等效電阻

1.電橋的概念

電橋電路的構成特點是:4個節點,5條支路。圖8所示電路就是一個電橋電路,其中,a-c、c-b、b-d和d-a節點間所接支路為橋臂電阻,c-d間所接支路為橋電阻。

對於一般電橋電路,只能按上述方法求等效電阻。而當電橋平衡時,計算則大為簡化。

2.電橋平衡及平衡條件

在電橋電路中,如圖10所示,如果橋支路兩端的電位值相等,即Vc=Vd,則電橋就處於平衡狀態。

那麼,在什麼情況下電橋可以達到平衡?根據電橋平衡概念,很容易推得電橋平衡條件是當相鄰電阻成比例,或對臂電阻乘積相等時,電橋達到平衡狀態。

由此可知,圖8所示電橋不滿足平衡條件。但是,如果將R4和R5分別改為258和208(如圖11所示),此時,R1@R5=R2@R4,或者R1/R4=R2/R5,該電橋達到平衡條件,就是平衡電橋。

3.平衡電橋電阻計算

電橋平衡時,可以不必用上述電阻星形三角形變換方法計算等效電阻,而是利用電橋平衡特點來計算,具體可以採用以下兩種方法:

(1)由於c、d等電位(即Ucd=0),因此可用一根導線將兩點直接短接,如圖12所示

說明:

如果電路中含有幾個平衡電橋,同樣可以根據平衡特點,將各等電位點短接或者斷開。例如,圖14所示電路,其中就含有四個平衡電橋,計算時可將等電位點全部短接,如圖15所示。

具有對稱結構的電路

觀察可知,圖14所示就是一個具有左右對稱、上下也對稱的電路。計算這種電路時,還可以利用電路對稱特點,使計算變得更簡便。

(1)如果只考慮左右對稱,則用一假想平面將電路沿對稱軸分成左右兩部分,如圖16所示,然後求出其中一半的等效電阻,即:

Rcabc=1+(1+1)M(1+1)+1=38最後,求得總等效電阻為:

Rab=Rcabc/2=1.58(2)

如果同時還考慮該電路上下也對稱的特點,那麼計算就更簡單了,計算時只需取四分之一部分即可,如圖17所示。

Rab=Rae=1+1M1=1.58

綜上所述,在實際等效電阻計算中,只有根據電路的具體形式及電阻之間的聯接關係,選擇正確、恰當的計算方法,掌握靈活、簡便的運算技巧,才能準確而又快速地進行分析和計算。當然熟練掌握和運用這些方法和技巧不是一蹴而就的,需要花一定的時間,下一番功夫,加強訓練,不斷總結,才能逐步積累經驗,真正掌握等效電阻的計算方法和技巧。

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