电工基础2-直流电阻电路的分析与仿真实验.ppt

情境二直流电阻电路的分析与仿真 实验,电工基础,电力系统中，在发电、输电、配电方面都采用三相制在工厂拖动生产机械工作需要大功率电机（对称三相负载）；日常生活中使用的都是单相电，而对于供电系统来说也可以组成三相负载在用电的过程中，要进行电度测量，因此需要了解功率表的使用和测量。,企业工作情境描述,电力系统中，我们采用的是交流电，但对于交流电的分析都是以直流电作为基础的。我们需要通过直流电路来学习基尔霍夫定律、叠加原理、戴维南定理等几大中心定律，通过这些定律来了解电路中电压和电流的特点。在用电的过程中，要进行电阻测量，因此需要了解功率表的使用和测量。,主要内容,3,基尔霍夫定律的仿真实验,2,简单电阻电路的分析与仿真实验,6,叠加定理的仿真实验,主要内容,4,戴维南定理的仿真实验,5,支路电流法与节点电位法的仿真,知识目标：（1）直流电路的分析及计算方法。（2）理解并熟练掌握基尔霍夫定律。（3）理解并掌握叠加原理、戴维南定理、电源等效变换 的内容及应用。（4）掌握电阻的电桥法测量。技能目标：（1）会进行电路的multisim仿真实验。（2）会分析各种直流电阻电路。（3）会完成电桥的测量与调试。素质目标：（1）培养良好的职业道德、安全生产意识、质量意识和效益意识。（2）培养学生认真严谨、一丝不苟的工作作风和谦虚好学的能力。,学习目标,学习任务,1、明确任务，理解直流电路中对于不同电路连接 时的要求。2、运用基尔霍夫、叠加原理、戴维南等基本定理 进行电路电流和电压的计算和测量。3、分析项目需求，分解工作任务，制定实施计划。4、完成工作任务，记录测量数据。5、将任务结果进行展示，同学间互相评价，教师点评。6、根据评价反馈信息进行检查，并进行修改、完善，最终提交书面总结文档。7、填写评价表，进行自我评价总结。,1,电路的三种工作状态,3,2,电源的外特性和负载伏安特性,4,电路中电流、负载两端电压及功率的测量,项目1：简单直流照明电路的安装、故障的检查与测试,灯泡照明电路的安装,做一做：一个灯泡的直流照明电路,由电源、开关、中间环节组成。,学一学：电路的结构及各部分作用,电源：将其他形式的能量转换成电能。负载：取用电能的装置。中间环节：传输、控制电能的装置。,学一学：电路工作状态：开路：开关断开，电源未与负载接通的状态称 为开路状态。短路：当电源两端被导线连接后，这时电流不 经过负载而是直接经过导线形成闭合回 路，这种情况称为短路。通路：开关闭合，电源与负载接通，电路中有 电流流过，此时电路处于通路状态。,一 通路1、负载端电压：2、内电阻上消耗功率：3、负载上的功率：,学一学：电路工作状态：,学一学：电路工作状态：,一 通路例：已知电源电压US=5V,串联阻值为25 的电阻和一个5V/1W的灯泡，求灯泡两端的电压。解：电路中的电流：,学一学：电路工作状态：,一 通路例：已知电源电压US=5V,串联阻值为25 的电阻和一个5V/1W的灯泡，求灯泡两端的电压。Multisim仿真结果：,二、短路,结论：电源内阻很小，短路电流 很大会损毁电气设备，应予以避免。,电路电流：,学一学：电路工作状态：,a b两点间开路,三、开路状态,1、电路中的电流I=02、负载的电压UL=0 功率P=03、电源的端电压U=US,学一学：电路工作状态：,图示电路中：当开关S闭合时，V，V；当开关S打开时，V，V。,练一练：电路中的电流、负载两端电压及功率的测量。,项目二 简单电阻电路的分析与仿真实验,电阻的串联,复习,电阻的并联,1、电阻混联,由串联和并联电阻组合而成的二端电阻网络称为电阻的混联网络。,分析混联电阻网络的一般步骤如下：（1）计算各串联电阻、并联电阻的等效电阻，再计算总的等效电阻。（2）由端口激励计算出端口响应。（3）根据串联电阻的分压关系、并联电阻的分流关系逐步计算各部分电压、电流。,混联电路,求 a、b两端口的等效电阻,a cb d,【例】,计算下图各电路的等效电阻,想一想 如何扩大电压表与电流表的量程,1、串联电阻有“分压”作用。,2、并联电阻有“分流”作用。,下图为C30-V型磁电系电压表，其表头的内阻,各档分压电阻分别为,这个电压表的最大量程为30V。试计算表头所允许通过的最大电流值，表头所能测量的最大电压值以及扩展后各量程电压,【例】,当开关在“4”档时，电压表的总电阻Ri为：,通过表头的最大电流值Igm为：,当开关在“1”档时，电压表的量程U1为：,当开关在“2”档时，电压表的量程U2为：,当开关在“3”档时，电压表的量程U3为：,表头所能测量的最大电压Ugm为：,由此可见，直接利用表头测量电压时，它只能测量87.84 mV以下的电压，而串联了分压电阻,后，它就有3V、7.5、15V、30V四个量程，实现了电压表的量程扩展,【例】,将内阻Rg=2 000，满偏电流Ig=100A的直流表头做成多量程的直流电流表，采用下图所示的环形分流器。现要求量程为1mA、10mA、100mA三档，试求分流电阻R1、R2和R3。,解：,S打在1 mA档，R1、R2、R3串联后与Rg并联，Ig=100A=0.1 mA，I=1 mA，根据分流关系，得,所以，R1+R2+R3=222.22,S打在100 mA档，Rg、R2、R3串联后与R1并联，Ig=100A=0.1mA，I=100 mA。,S打在10 mA档，Rg、R3串联，R1、R2串联，Ig=100A=0.1mA，I=10 mA。,读一读 电阻星形联接和三角形联接的等效变换,一、电阻的星形联接和三角形联接,1、电阻的星形联接,定义：,将三个电阻的一端连在一起，另一端分别接到三个不同的端钮上，就构成了电阻的星形联接，又称Y形联接。,电路图：,2、电阻的三角形连接,定义：,将三个电阻分别接到三个端钮的每两个之间，这样就构成了电阻的三角形联接，又称为形联接。,电路图：,二、电阻Y形联接与形联接的等效变换,电阻的Y形联接和形联接是无源电阻性三端网络，根据多端网络等效变换的条件，让其对应端口的电压、电流分别相等，利用KCL、KVL就可推导出两个网络之间等效变换的参数条件。它们是：,（1）将形联接等效为Y形联接：,（2）将Y形联接等效为形联接：,三、应用,在电路分析中，有时将形电阻网络与Y形电阻网络进行等效变换，就有可能把复杂的电路转变为简单电路，使分析计算大为简化。所谓简单电路是指利用电阻的串并联逐步化简，最后能化为一个等效电阻的电路。,【例】,求下图（a）所示电路中电流I。,解：,将3、5和2三个电阻构成的三角形网络等效变换为星形电阻网络，如图（b）所示，可以求得：,再用电阻串联和并联公式,求出连接到电压源两端的等效电阻为：,最后求得：,用EWB软件，按照下图连接电路。,项目3：基尔霍夫定律的仿真实验,学一学：基尔霍夫定律一 关于电路结构的几个术语 电路中至少有一个电路元件且通过同 一电流的路径。,支路,学一学：基尔霍夫定律一 关于电路结构的几个术语2：两条或两条以上支路的连接点称为 节点。,节点,学一学：基尔霍夫定律一 关于电路结构的几个术语3：电路中任一闭合的路径称为回路。,回路,学一学：基尔霍夫定律一 关于电路结构的几个术语4：内部不包含支路的回路称为网孔。,网孔,电路如图所示，共几条支路、几个节点、几个回路、几个网孔？,5条支路,4个节点,7个回路,3个网孔,学一学：基尔霍夫定律二 基尔霍夫电流定律（KCL)1 定义：在任一时刻，流入某一节点的电流 之和等于流出该节点的电流之和。或：在任一时刻，流经某一节点的所有电 流的代数和等于零。（流入为正，流 出为负）,2例题1：针对图中节点，列出电流方程。,节点a：,节点c：,1012I2-I1=0 I2=1A,I1+7 4=0 I1=3A,例题2：,求 i1、i2,学一学：基尔霍夫定律二 基尔霍夫电流定律（KCL)例题3：,O,KCL的推广的应用,两条支路电流大小相等，一个流入，一个流出。,只有一条支路相连，则 i=0。,做一做：用multisim仿真软件验证基尔霍夫电流 定律仿真图,三支电流的关系为I1+I2+I3=0.076结论：三条支路电流之和约等于零。,学一学：基尔霍夫定律三 基尔霍夫电压定律（KVL)1 定义：在任一时刻，沿电路中任一回路的 所有电压降的代数和为零。研究时往往选一回路的绕行方向（顺或逆 时针），可规定与绕行方向相同的电压为 正，与绕行方向相反的为负。,学一学：基尔霍夫定律三 基尔霍夫电压定律（KVL)2 例题1：,学一学：基尔霍夫定律三 基尔霍夫电压定律（KVL)2 例题2：电路图中的一个闭合回路如图所示，方框代表任意元件。已知 试求,做一做：用multisim仿真软件验证基尔霍夫电压 定律仿真图1,由仿真实验1可知 U1+U2+U3-V1=0,做一做：用multisim仿真软件验证基尔霍夫电压定律仿真图2,由仿真实验2可知：U4+U5+U6+V2=0,结论：电路中任一时刻，从回路中任一点出 发，按顺时针（或逆时针）方向沿回 路绕行一周，电压的代数和等于零。,做一做：在实验台上实现基尔霍夫定律的验证。,做一做：在实验台上实现基尔霍夫定律的验证。,想一想：如何用基尔霍夫定律求解支路电流。,对上图电路支路数：b=3 结点数：n=2,回路数=3 单孔回路（网孔）=2,求各支路电流应列出三个方程,1.在图中标出各支路电流的参考方向，对选定的回路 标出回路循行方向。,2.应用 KCL 对结点列出(n1)个独立的结点电流 方程。,3.应用 KVL 对回路列出 b(n1)个独立的回路 电压方程（通常可取网孔列出）。,4.联立求解 b 个方程，求出各支路电流。,支路电流法的解题步骤:,对结点 a：,例 1：求解各支路电流。,2,I1+I2I3=0,对网孔1：,对网孔2：,I1 R1+I3 R3=E1,I2 R2+I3 R3=E2,(1)应用KCL列(n-1)个结点电流方程,(2)应用KVL选网孔列回路电压方程,支路电流法是电路分析中最基本的方法之一，但当支路数较多时，所需方程的个数较多，求解不方便。,对结点 a：I1 I2 IG=0,对网孔abda：IG RG I3 R3+I1 R1=0,对结点 b：I3 I4+IG=0,对结点 c：I2+I4 I=0,对网孔acba：I2 R2 I4 R4 IG RG=0,对网孔bcdb：I4 R4+I3 R3=E,例 2：求解各支路电流,练习：求如图所示电路中，、和。,情境二直流电阻电路的分析与仿真实验 项目4 叠加定理的仿真实验,3,两个电源共同作用的实际电路的连接,4,测量独立电源作用时与两个电源共同作用时电路的电压、电流并做比较，验证叠加原理,项目4：叠加定理的仿真实验,主要内容,1,用EWB对叠加原理的内容进行仿真实验,知识目标：1、理解叠加原理的内容；2、会两个电源共同作用时电压、电流的叠加计算；3、了解叠加原理的适用范围。技能目标：1、会用EWB对叠加原理进行仿真实验；2、会对两个电源共同作用的实际电路进行接线；3、会测量独立电源作用和电源共同作用时电路的电压、电流，通过分析实验结果，验证叠加原理。素质目标：1、培养良好的职业素养；2、培养学生分析问题、解决问题的能力；3、培养学生的团队协作能力和竞争意识；4、提高学生的岗位适应能力。,学习目标,学习目标,I2,I2”,I2,应用支路电流法对图求电流，可得I2=0A,I2与I2、I2”之间有没有关系？,思考,？,Us1单独作用,做一做用multisim仿真软件验证叠加定理,Us2单独作用,做一做用multisim仿真软件验证叠加定理,Us1、Us2共同作用,做一做用multisim仿真软件验证叠加定理,做一做用multisim仿真软件验证叠加定理,表1 验证叠加原理的仿真数据,学一学叠加定理及其应用 一、叠加原理的内容,说明,1、线性电路：是指完全由线性元件、独立源或线性受控源构成的电路。,在线性电路中，如果有多个电源共同作用，任何一支路的电压（电流）等于每个电源单独作用时 在该支路上所产生的电压（电流）的代数和。,学一学叠加定理及其应用,2、当某独立电源单独作用于电路时，其他独立电源应该除去，称为“除源”。,对电压源来说，令其电压us=0，相当于“短路”。即是将此恒压源去掉，代之以导线连接。,对电流源来说，令其电压is=0，相当于“开路”。即是将此恒流源去掉，使电路开路。,例1 用叠加原理求图所示电路中流过4电阻的电流。,二、叠加原理的应用,例2 用叠加定理求图中电压u。,解,(1)10V电压源单独作用，4A电流源开路,u=4V,(2)4A电流源单独作用，10V电压源短路,u=-42.4=-9.6V,共同作用：u=u+u=4+(-9.6)=-5.6V,1.该定理只用于线性电路。,2.功率不可叠加。(功率为电源的二次函数，非线性关系),3.不作用电源的处理方法:,电压源短路（Us=0）,电流源开路（Is=0）,4.叠加时，应注意电源单独作用时电路各处电压、电流的参考方向与各电源共同作用时的参考方向是否一致。,三、叠加定理应用过程中注意问题,想一想何种电路适合用叠加定理分析 叠加原理可以将一个复杂电路转变为较为简单电路进行分析计算，但是电路的性质必须是（），而且只能用于叠加计算电路中的（）和（），而不能叠加计算（）。在实际应用中，通常对含有电源个数（）（较多或较少）的复杂电路采用叠加原理。在电压源零值（不作用）时应将其作（）处理，电流源零值应将其作（）处理，但是他们的内阻应（）。在各个电源单独作用时的电压或电流分量进行叠加时，若其参考方向和原来 参考方向一致，该分量取（）（正或负）号，若其参考方向和原来 参考方向一致，该分量取（）（正或负）号。,练一练叠加定理实验,一、实验设备：RXDG-1型电工技术实验台装置1、两台0-30V直流稳压电源2、1块0-15V直流电压表3、1块0-50mA直流电压表4、5个碳膜电阻（3个510,1个1K，1个330）注意：电压源不起作用时，应该调零或是将电压源从电路中断开，再把电路中电压源的位置用导线短接。,Us1单独作用,练一练叠加定理实验,Us2单独作用,练一练叠加定理实验,Us1、Us2共同作用,练一练叠加定理实验,练一练叠加定理实验二、记录和分析数据,表2 验证叠加原理的实验数据,练一练叠加定理实验,分析数据1、I1、I2、I3在电源单独作用时和共同作用时代数和为多少？2、I1、I2、I3在电源单独作用时的代数和与电源共同作用时的关系？3、UFB、UBD、UDF在电源单独作用时和共同作用时代数和为多少？4、UFB、UBD、UDF在电源单独作用时的代数和与电源共同作用时的关系？,三、总结思考 1、测量结果中的负值说明什么？2、验证叠加原理时，Us1 或Us1单独作用可否直接把两个电源直接短路？3、改变电流或电压的参考方向，对验证定律有影响吗？,练一练叠加定理实验,学习情境二 直流电阻电路的分析与仿真实验,项目五 戴维南定理的仿真实验,学一学 戴维南定理及其应用,二端网络,在电路分析中，任何具有两个引出端钮的部分电路都可称为二端网络。其中，含有电源的二端网络称为有源二端网络，不含电源的称为无源二端网络，如图(a)、(b)所示。,做一做 用EWB验证戴维南定理,一、用EWB确定戴维南等效电路的参数,a、b间开路电压为（）a、b间等效电阻为（）,a、b间开路电压为5Va、b间等效电阻为20.833,二、用EWB验证戴维南定理,定理：任一线性含源的二端网络 N，对外而言，可以等效为一理想电压源与电阻串联的电压源支路。理想电压源的电压等于原二端网络的开路电压，其串联电阻（内阻）等于原二端网络化成无源（电压源短路，电流源开路）后，从端口看进去的等效电阻。,即：,+Uoc,+U,I,+U,Ri,I,开路电压,电压源短路，电流源开路。,戴维南定理的内容,一、U oc的求法,1.测量:,将ab端开路，测量开路处的电压U oc,2.计算:,去掉外电路，ab端开路，计算开路电压U oc,二、Ro的求法,1.,2.,利用串、并联关系直接计算。,3.用伏安法计算或测量。,戴维南定理应用,用万用表测量。,去掉电源（电压源短路，电流源开路），求Ri,Ri,3、将待求支路接 入 等效电路,2、求等效电阻,1、求开路电压,例求 R 分别为3、8、18 时R支路的电流。,解,a,b,R=3,R=8,R=18,总结：解题步骤：1.断开待求支路2.计算开路电压U oc3.计算等效电阻Ri4.接入待求支路求解,例 求 R 为何值时，电阻R从电路中吸取的功率最大？该最大功率是多少？,解：,开路电压,入端电阻,当R 等于电源内阻时，R 获得最大功率。,R 吸收的功率：,算一算,例：如图所示：RL=3，(1)利用戴维南定理求RL中的电流。(2)若RL可变，当取RL多大时，可以从电路中获得最大功率。,解：（1）用戴维南定理求RL中电流的步骤：,第一步：断RL。先将待求元件从a、b处断开，如图(b)所示，则电路变成了有源二端网络,根据戴维南定理可以将它等效成电压源。,第二步：求有源二端网络的开路电压UOC。在图(b)中,第三步：求内电阻Ri。将恒压源短路、恒流源断路，得图(c)所示无源二端网络。,则有源二端网络等效成电压源的模型，如图(d)。,第四步：接RL。将RL接到戴维南等效电路中，求出I，如图(e)。注意求出的I的方向要与原图的方向一致。,(2)求RL多大时可以获得最大功率。,当RL=Ri，即当RL=4/3时电阻获得最大功率。其最大功率是:,练一练 实验 戴维南定理,记录数据,项目6：支路电流法与节点电位法的仿真,学一学：节点电压法一 概念,节点电压法是以电路中的节点电压作为未知量，运用KCL来求解未知电流和电压的分析方法。所谓节点电压是指两个节点之间的电压。为了分析方便，通常选其中的一个节点作为参考点，则节点电压就等于该节点对参考点的电位。,学一学：节点电压法,假设选B点作为参考点，则节点电压UAB=VA。如果各支路电流的参考方向如图所示，那么各支路电流可以用节点电压VA表示如下：,列出节点A的KCL方程：,整理可得：,分析步骤,(1)指定参考节点，参考节点可任意选定。,(2)列出节点电压方程式，应注意自电导为正，互电导为负。,(4)求解联立方程式得到各节点电压，然后再根据欧姆定律 求出各支流电流。,学一学：节点电压法,(3)连接本节点的电流源，当其电流方向指向该节点时电流值取正号，反之取负号。,注意的问题：,(1)公式的分母是指各支路电阻的倒数之和，其中不包括恒流源支路的电阻。,(2)公式的分子是指各支路等效为电流源时各恒流源（包括原有的恒流源IS）的代数和，其中方向规定为：恒流源的电流与节点电压方向相反时取“+”，相同时取“-”。,学一学：节点电压法,学一学：节点电压法,例3：用节点电压法求图中各支路中的电流。已知：,解：根据公式,各支路电流为：,其中I2=-1A 表示电流的实际方向与参考方向相反。,例3：用节点电压法求图中各支路中的电流。已知：,做一做：用multisim进行节点电压法的仿真,学一学：网孔电流法用支路电流法求解电路时，若支路数目较多，所需方程数目就较多，不便求解，由此引入网孔电流法。一 概念1 网孔电流：绕电路各网孔环行的假想电流就叫做网孔电流。,学一学：网孔电流法一 概念2 网孔电流法：以网孔电流作为未知量，运用基尔霍夫定律和欧姆定律列出网孔的电压方程，联立解出各网孔电流，进而求得各支流电流，这一分析方法称为网孔电流法。,网孔电流的参考方向作为列写电压方程时的绕行方向。,+,_,+,_,网孔1,网孔2,学一学：网孔电流法,网孔电流法的步骤：1 选定m个网孔电流。网孔电流的参考方向可任意选取。一般取网孔的绕行方向与网孔电流参考方向一致。2 应用基尔霍夫电压定律列出m个网孔KVL方程，并解出各网孔电流。注意：自电阻总为正，互电阻的正负取决于通过公共支路的有关网孔电流的参考方向，二者一致时取正，否则就取负。3 选定支路电流的参考方向，找出支路电流与相关网孔电流的关系，求出各支路电流。,学一学：网孔电流法,例题：电路图中，试用网孔电流法求各支路的电流。,解：（1）图中共有三个网孔，网孔电流分别为，参考方向如图所示。右边支路是一个电流源，其电流是1A。由于 是唯一流过电流源支路的网孔电流，且其参考方向与电流源电流的方向一致，故,（2）左边网孔的方程是,（3）选定各支路电流的参考方向如图所示，则,中间网孔的方程是,解方程得：,例题：电路图中，试用网孔电流法求各支路的电流。,做一做：用multisim进行网孔电流法的仿真,