《大學電路原理》——電阻串、並聯(含星-三角連接)化簡技巧

2020-12-04 燦哥仔

電阻是表示對電流阻礙作用大小的元件,由線性電阻成的電路是電學中最常見的電路形式,在分析各種電路問題中經常選用。電阻的連接方式有串、並聯,星-三角連接,為求電路中某電壓/電流,需對電阻網絡進行化簡,即求其等效電阻。本文將介紹電阻電路的一些實用化簡技巧,幫你輕鬆對付電阻電路的求解。

1. 電阻電路中的重要公式

電阻電路化簡過程中,需要根據電路結構及電阻值特點,快速找到合適的方法。很多學生一看到密密麻麻的電阻網絡,一下子就驚呆了,感覺無從下手。其實如果熟悉一些方法、技巧後,也是有跡可循的。為此先把3組重要公式給記牢,包括2個電阻的並聯公式、串聯分壓公式和並聯分流公式。

(1)2電阻並聯公式:

電路如下圖所示:

根據電阻並聯的規律,整理可得並聯電阻為:

(2)2電阻串聯分壓公式:

電路如下圖所示,

電阻R1,R2串聯後對埠電壓u進行分壓,公式如下:

u2前面的「-」號表示R2兩端電壓的參考方向與埠電壓u的參考方向相反。

(3)2電阻並聯分流公式:

電路如下圖所示:

電阻並聯後可對流入埠的電流i進行分流,公式如下:

同樣,i2前面的「-」號表示流過R2電流的參考方向與流入埠i的參考方向相反。

可以發現,5條公式的分母都是R1+R2,只要記住分子的區別就可以了,並聯是兩電阻相乘,分壓是用本身的電阻,分流是用與本電阻並聯的另一個電阻。

2. 「等電位點」在化簡中的應用

在使用疊加定理分析電路時,需畫出各獨立源單獨作用時的分電路,再求出各分量進行疊加。當某電源單獨用時,要把其它的電源置零。對於電壓源置零是「短路」處理,電流源置零是「開路」處理,受控源一般保留在各分電路中。電流源置零後的電路一般比較簡單好求,因為電流源斷開,少了一條支路。而電壓源置零是短路,有時電路結構看起來很「怪」,這時需用「等電位點」概念來處理。如下圖電路,求電路中的電流I。

首先要畫出兩個電源單獨作用的分電路,如下圖所示:

左邊電壓源單獨作用的分電路,分電流很容易就可求出,較難求解的是右邊的電流源單獨作用電路,感覺真複雜!那些電阻到底是什麼連接?下面那條紅線又該怎麼處理?別慌,解題的突破口就是那條紅線!因為導線上任一點都是「等電位」的,所以可以將b,c間的4歐電阻的「c」點沿著紅色導線移動到「a」點,同樣將c,d間的2歐電阻的「c」點也沿著紅色導線移動到「a」點,馬上就可以畫出其簡化電路,如下圖所示:

接下來的求解就簡單了,用電阻的並聯分流就可以求出流過4歐的電流。是不是心情一下子舒暢了?那趕快把這個「等電位點」記下來吧。

3. 星-三角電阻快速化簡

對於一些更複雜的電阻網絡,用前面講到的方法也無法解答的話,就要使用「星-三角變換」來求解了。星-三角的變換公式較複雜,一般很難記清楚,考慮這一點,很多題目往往會給出3個電阻值均相等的網絡,這樣我們只需記住這條變換公式:R(三角)=3R(星)。看起來很簡單,其實也容易記反,到底哪個是3倍?哪個是1/3?還好,我們還有一句口訣:「外大內小」,如下圖,外是指三角形,內是指星形,這樣再也記不錯了。

在星-三角化簡中,應該是往哪個方向轉換呢?這需要根據實際電路的結構特點,如下圖所示電路:

電路中有1個星形和2個三角形(3個電阻構成閉合平面),一般不會考慮有個2K電阻那個三角形,因為3個電阻不等,要用一般公式,計算複雜。那剩下的2種連接,到底是將星形(紅色圈)轉換成三角形,還是將三角形(藍色圈)轉換成星形好?先把兩種情況的轉換都畫出來,如下圖所示:

很明顯,左邊的電路後續的計算更簡單,它只需要算1次並聯,而右邊的電路要算2次並聯。所以在星-三角轉換計算中,可優先選擇將三角形結構轉換為星形結構。

其實很多的電路分析方法、解題思路都是做題過程中體現出來的,捷徑要走,但基本功也要打紮實!

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