电路课组(一)电路原理 Part 1电路分析概述:分析思想与描述电路的基本量
电路分析概述
- 1. 电路分析的背景和基本思想
- 1.1. 电路研究对象
- 1.2. 电路抽象与电路抽象的三原则
- 1.2.1. Maxwell方程中的对应抽象
- 1.2.2. 抽象原则
- 离散化原则
- 极致化原则
- 限定性原则
- 1.3. 电路分析模型的建立
- 电源
- 电阻、电感和电容
- 端口
- 1.4. 电路分析的基本思想
- 2. 电路的基本描述方法
- 2.1. 电流
- 2.2. 电压和电动势
- 2.3. 能量描述:功率
1. 电路分析的背景和基本思想
1.1. 电路研究对象
实际电路系统是由电路元件组成的电流通路装置。
电路系统遵从一般电学规律,即符合Maxwell方程的约束。
但是我们很容易发现,微分方程的复杂性,使得电学问题的求解非常困难。
这也正是电路分析的精妙和简洁之处。
所以我们在符合工程误差的情况下,对Maxwell方程中的部分进行理论抽象,形成一类理想模型,这些理想元件分别可以对应Maxwell方程中的一项,或由某个特定的方程表出。
我们的电路分析,就是对这类的电路抽象模型的研究。
1.2. 电路抽象与电路抽象的三原则
1.2.1. Maxwell方程中的对应抽象
前面已经说到,电路的理论本质仍是Maxwell方程。
比如在这张图中我们可以看出:
- Ampere全电流定律中各项可以对应表示为电源产生电流、电阻抵抗电流,电场(D可以表征电场强度)的变化产生电流,也就是电容效应;
- Gauss定律对应的含义是电源电动势可以带动产生电流;
- 法拉第电磁感应定律对应的含义是电流变化引发电压变化,这也就是电感的实质。
这里特别要注意,在建立这种抽象的时候,Maxwell方程中B、H、I在描述磁场,E、D、U在描述电场,在思考这种对应的时候,脑子要灵光一点~
1.2.2. 抽象原则
离散化原则
所谓离散就是可数。核心本质是等效。
这和算法当中的离散化是一致的,我们不需要考察本有的数据特征,只需要让它们获得可数的性质,问题得到解决的同时,解决过程大大简化。换句话说,我们损失了一部分信息,但是那一部分信息对解决问题是没有意义的。
我们不需要考虑元件当中的构造特征以及其中连续的场的性质,只需要考察端口处的行为。从而使得对场的微分方程,转化成离散的元件之间的参量代数问题。
这就是所谓的离散化原则。
离散化的应用除了将场视作路以外,还有可数分区的想法。比如MOSFET的特性呈现线性区、饱和区和击穿区,而不是整体使用一条复杂的曲线进行拟合。
另外广义KCL和KVL也是一种离散化思想的体现。
极致化原则
所谓极致就是走极端,追求简单的完美,忽略繁杂的细枝末节。代表着有意义的工程近似。
在数学上的简单描述就是:
∣ a ∣ ≫ ∣ b ∣ ⇒ { a + b = a 1 a + 1 b = 1 b |a|\gg|b|\Rightarrow \begin{cases}a+b=a\\\frac{1}{a}+\frac{1}{b}=\frac{1}{b}\end{cases} ∣a∣≫∣b∣⇒{a+b=aa1+b1=b1
在科学史中,往往是先出现了实际元件才抽象成新的电路模型。
如果我们抽象出的模型的电气关系通实际元件性能相当接近,则称建立了该实际元件的电路模型。这就是一种极致化的思路。
实际系统由大量元件组成,如果所有都进行写实的刻画、精确的描述,会使得分析过程相当繁杂,不能适应工程实际的需要。
因此我们通过极致化的想法,对电路模型的精度和求解的难度上综合考虑。这也叫工程近似。这样可以使我们在简洁的情形下得到简单的原理性结论,从而快速有效地进行原理性设计。
没有极致化的想法,就会淹没在复杂混乱的思路和混乱的公式推导之中。
极致化主要的应用有:
- 忽略分布特性,仅考虑集总电路特性。
- 导线、理想电流表、独立电压源视为短接,理想电压表、独立电流源视为断路。
- 运放中的虚短虚断。
限定性原则
在前述的简化当中,我们都有一些限定性的条件;这种主次要的限定关系,虽然使得问题得到简化,但也要求我们注意其使用条件,超过适用范围,就不能进行原理性的抽象。
比如频率增大时,导线中的趋肤效应越发显著,不能再使用集总电路的分析方法。
继续增大时,感生磁场的电感效应,以及导线之间的寄生电容,都会使得问题进一步复杂化,最终脱离典型电路的分析范围之后就只能使用电动力学方法求解了。所以说第三点是在使用简化的时候,时刻要牢记的。
1.3. 电路分析模型的建立
经过以上的分析,我们已经对电路分析的观点有了相对深刻的理解。现在我们总结一下主要的电路模型:
电源
电路的基本功能有两大类,为能量处理和信号处理。但不管是电能还是电信号,都需要一个来源。这个来源处电压和电流为非关联参考方向,能量放出,因而这种方向也称为有源符号规定。
其他部件称为负载。在在电路中电源的效应称为激励,负载称为响应。负载中的电压电流方向为关联参考方向,即由电压被动产生电流的方向。
这个参考方向不与因其是电源或是负载直接决定,重要的是判断方向。
电阻、电感和电容
如果不关心元件内部结构和能量转化的物理过程,那么很简单地可以表示成:
- 电阻消耗能量。
- 电感存储磁场能
- 电容存储电场能。
端口
如果不关心元件内部的电磁场性质,可以将其封装起来,使其与外界仅有交互的通道进行交流。这是我们进行进行元件抽象时的离散化思路。
如果对一个子网络都不感兴趣,只关心其外部特性,可以继续增大离散的程度(将子网络封装起来,进一步减少元件数量,减少电路系统中的信息量),简化计算。MOSFET就是这样的典型例子。
一个子电路上一个接线端称为一个端钮,或端,如果两个端一进一出、电流相等,那么这两个端就组成这个子电路的一个端口。
tips:
- 电流大小相等称为两个端的端口条件。这也体现了抽象原则当中的限定性原则。
- 结合先前在电源部分中提到的参考方向,端口可以分为有源、和无源两种端口。
二端口网络是重要的。一方面它可以用来对很多电路网络进行建模,另一方面它是最简单的多端口网络。
二端口网络有时可以简称为二端口。
1.4. 电路分析的基本思想
基本思想蕴含在以上的阐述中,总结如下:
- 抽象的思想。我们通过抽象描述主要的分析问题,并通过合理的建模对待求值进行相对精确的预测。
- 工程近似。与抽象紧密相关,抽象建模的精度和电路求解的方便程度不能兼得,所以要进行符合精度的近似,这和抽象的极致化原则是一致的。
- 等效思想。通过等效,可以简化繁杂的运算,这和数学中寻找代数系统的想法是一致的。
关于等效,在电路中等效网络的结论可以迁移,比如独立电流源具有和断路类似的性质,在列KVL的时候,要尽量避免使用其所在的支路。
2. 电路的基本描述方法
由前述,电路理论是由电磁场理论抽象而来。电磁场理论有4个基本量: E , D , B , H \bm{E},\bm{D},\bm{B},\bm{H} E,D,B,H
对应在电路中,有4个相对应的基本量
u , q , Ψ , i u,q,\varPsi,i u,q,Ψ,i
其中 u , i u,i u,i容易测量,多用之分别表征电场和磁场特性。
这里讨论电流、电压以及其相乘可得的功率。
2.1. 电流
它通过Ampere全电流定律表征磁场性质。
与中学不同的是,这里电流要考虑方向。类似力学中的假设法思路。
表示电流方向的三种方法:
- 箭头标注
- 双下标法
- 正负号
电位降和电流方向相同称为关联参考方向。这在1.3电源中已经讨论过。
恒定电流用大写 I I I表示,变化电流用 i i i表示,也可写作 i ( t ) i(t) i(t)
2.2. 电压和电动势
电压是两点之间的关系。
为了表征一点电压的特性,可以选定一个参考点。使得:
φ A = u A P \varphi_A=u_{\scriptscriptstyle AP} φA=uAP
同于电流,大写表示恒定,小写表变化。
电动势是描述电源内部性质的物理量,表示电源负极到正极的电位升。在数值上可以用电压表示。永远是正值
e B A = u A B e_{\scriptscriptstyle BA} = u_{\scriptscriptstyle AB} eBA=uAB
而电压是电路元件上的电位降,因方向不同可正可负。
2.3. 能量描述:功率
对一个电路元件,选定其电压和电流方向使之为关联参考方向:
P a = u i { > 0 , 吸 收 能 量 < 0 , 放 出 能 量 P_a=ui\begin{cases}>0, & 吸收能量\\ <0, & 放出能量\end{cases} Pa=ui{>0,<0,吸收能量放出能量
吸收的能量在三种基本元件上分别转化为热能、磁场能和电场能。
另外可以在非关联参考方向上,计算放出功率,其在数值上有:
P d = − P a { > 0 , 放 出 能 量 < 0 , 吸 收 能 量 P_d=-P_a\begin{cases}>0, & 放出能量\\ <0, & 吸收能量\end{cases} Pd=−Pa{>0,<0,放出能量吸收能量
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