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线性电路

2023-04-15

简介

由线性元件和独立源组成的电路。线性元件具有以下性质:①齐次性,即激励乘以常数施加于线性元件所产生的响应,为单纯施加该激励所得的响应乘上同一常数;②可加性,即激励之和的响应,为各激励分别作用时所得响应之和。线性元件的上述性质表现在其参数值(如电阻元件的电阻R,电感元件的电感L和电容元件的电容C等),为与元件上电压和电流无关的常量。在线性电路中,元件的性质是线性的,反映各支路(元件)间电压、电流关系的基尔荷夫定律亦是线性的,于是使线性电路中的响应和激励具有线性关系。如果电路中的某种器件,在正常工作范围内,其电流与电压的变化关系以足够的准确度遵守线性规律,这种器件就可抽象为线性元件;或者,如果线性规律以一定的精确度反映了电路中电压和电流变化的物理实况,即可将该电路作为线性电路来处理。为便于问题的求解,常忽略使实际器件失去线性性质的条件,认为电路在无限区域内都是线性的。

对于含B条支路和N个节点的任意网络,由基尔荷夫定律和元件特性可列出求解全部支路电流和电压所需的2B个基本方程(见电路)。在上述基础上,利用电路的线性性质,从不同角度对2B个基本方程进行合并或简化,导出下列分析方法。

支路电流法 以支路电流为未知量,利用基尔荷夫电流定理,对N-1个节点列出独立的节点电流方程;再利用基尔荷夫电压定理,对B-N+1个独立回路列出回路电压方程,并将其中包含的B个支路的元件电压(U),利用元件的线性性质,表示为元件电流(I)与元件阻抗(Z)的乘积: U= ZI(Z为广义阻抗)。从而获得只包含支路(或元件)电流的B个独立方程。求解这组方程可得全部支路电流。

回路电流法 在支路电流法的基础上,为减少联立方程的元数而提出的。设想每个独立回路中有一个未知的回路电流,通过构成该回路的各条支路,而将支路电流视为各回路电流的叠加结果,则未知电流数将从支路数B减少至独立回路数L(L=B-N+1)。由于回路电流对任何节点都是一次流入、一次流出,自然满足基尔荷夫电流定律。只要由基尔荷夫电压定律对L个独立回路列出独立回路电压方程,并利用线性元件性质,将方程中的元件电压用回路电流与元件阻抗的乘积表示,从L个独立的回路方程中解出回路电流,进行叠加即可获得全部支路电流。

节点电压法 通过用未知的节点电压表示未知的支路电流,以减少联立方程的元数。对于含N个节点的网络,选其中任一个作为参考节点,其他N-1个节点相对于参考节点都有一个确定的电压。选取这些节点电压作为未知量,任何支路电压以其两端节点电压之差表示,自然地满足基尔荷夫电压定律。因此,只需要对N-1独立节点,由基尔荷夫电流定律列出节点电流方程。如网络中的所有独立电压源都化成电流源,则节点电流方程中的全部支路电流,可利用线性元件的特性表示元件导纳与节点电压差的乘积:

Iij=Yij(Ui-Uj)

式中 Iij为节点i、j间的支路电流; Ui-Uj分别为i、j两节点的电压; Yij为i、j两节点间的广义元件导纳。于是, N-1个节点电流方程便成了以节点电压为未知量的节点电压方程。求出N-1个节点电压后,也就可求得全部支路电流。当网络的独立节点数(N-1)小于独立回路数L(L=B-N+1)时,采用节点法显然较合理。

对于线性电路,用以上分析方法建立的电路方程是一组线性代数方程或线性微分方程。

叠加定理 表征线性电路特性的叠加定理,提供了一种求解电路的方法:在含有多个激励的线性电路中,所有激励共同作用时,在任一支路产生的零状态响应,等于各激励分别在该支路产生的零状态响应的代数和(零状态响应是指电路中电感、电容等储能元件无初始储能时的响应)。如果分别考虑单个电源作用时的网络计算,远比所有电源同时作用时简单,且网络中独立电源数不多,采用叠加定理是有益的。叠加定理的重要性主要表现在能由它导出许多其他网络定理,如戴维南定理、诺顿定理等。叠加定理是利用傅里叶级数和傅里叶变换分析非正弦线性电路,及采用拉普拉斯变换分析线性定常电路暂态过程的基础。

英文

linear circuit