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1.3 直流電路

1.3.1 電路的工作狀態(tài)

直流電路的工作狀態(tài)可分為有載工作狀態(tài)、開路狀態(tài)和短路狀態(tài)三種。

(1)有載工作狀態(tài)

如圖1-14所示,直流電路的有載狀態(tài)是指該電路可以構(gòu)成電流的通路,可為負(fù)載提供電源,使其能夠正常工作的一種狀態(tài)。

圖1-14 直流電路的有載狀態(tài)

(2)開路狀態(tài)

直流電路的開路狀態(tài)是指該電路中沒有閉合,電路處于斷開的一種狀態(tài),此時沒有電流流過,如圖1-15所示。

圖1-15 開關(guān)斷開后的開路狀態(tài)

(3)短路狀態(tài)

直流電路的短路狀態(tài)是指該電路中沒有任何負(fù)載,電源線直接相連,該情況通常會造成電器損壞或火災(zāi)的情況,如圖1-16所示。

圖1-16 電路中的短路狀態(tài)

1.3.2 電路的連接狀態(tài)

在實(shí)際應(yīng)用電路中,只接一個負(fù)載的情況很少。由于在實(shí)際的電路中不可能為每個晶體管和電子器件都配備一個電源,因此,在實(shí)際應(yīng)用中總是根據(jù)具體的情況把負(fù)載按適當(dāng)?shù)姆绞竭B接起來,達(dá)到合理利用電源或供電設(shè)備的目的。電路中常見的連接形式有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種。

(1)串聯(lián)電路

常見的串聯(lián)電路有電阻器的串聯(lián)、電容器的串聯(lián)、電感器的串聯(lián)。

① 電阻器的串聯(lián) 把兩個或兩個以上的電阻器依次首尾連接起來的方式稱為串聯(lián)。圖1-17為電阻器的串聯(lián)電路。

圖1-17 電阻器的串聯(lián)電路

提示說明

如果電阻器串聯(lián)到電源兩極,則電路中各處電流相等,有U1=I R1U2=I R2,…,Un=I Rn

U=U1+U2+…+Un,所以有U=IR1+R2+…Rn),因而串聯(lián)后的總電阻RR=U/I=R1+R2+…+Rn,即串聯(lián)后的總電阻為各電阻之和。

② 電容器的串聯(lián) 電容器是由兩片極板組成的,具有存儲電荷的功能。電容器所存的電荷量Q與電容器的容量和電容器兩極板上所加的電壓成正比。

圖1-18為電容器上電量與電壓的關(guān)系。

圖1-18 電容器上電量與電壓的關(guān)系

圖1-19為三個電容器串聯(lián)的電路示意圖及計(jì)算方法。串聯(lián)電容器的合成電容量的倒數(shù)等于各電容器電容量的倒數(shù)之和。

圖1-19 三個電容器串聯(lián)的電路示意圖及計(jì)算方法

提示說明

如果電容器上的電荷量都為同一值Q,則

將串聯(lián)的三個電容器視為1個電容器C,則

當(dāng)電容器串聯(lián)代用時,如果它們的電容量不相同,則電容量小的電容器分得的電壓高。所以,在串聯(lián)代用時,最好選用電容量與耐壓均相同的電容器,否則電容量小的電容器有可能由于分得的電壓過高而被擊穿。

③ 電感器的串聯(lián) 圖1-20為三個電感器串聯(lián)的電路示意圖及計(jì)算方法,串聯(lián)電路的電流都相等,電感量與線圈的匝數(shù)成正比。

圖1-20 三個電感器串聯(lián)的電路示意圖及計(jì)算方法

提示說明

電感器串聯(lián)電路中,總電感量的計(jì)算方法與電阻器串聯(lián)電路計(jì)算總電阻值的方法相同,即

L=L1+L2+L3

(2)并聯(lián)電路

根據(jù)電路元器件的類型不同,并聯(lián)電路又可以分為電阻器的并聯(lián)、電容器的并聯(lián)、電感器的并聯(lián)等幾種。

① 電阻器的并聯(lián) 把兩個或兩個以上的電阻器(或負(fù)載)按首首和尾尾連接起來的方式稱為電阻器的并聯(lián)。圖1-21為電阻器的并聯(lián)電路。在并聯(lián)電路中,各并聯(lián)電阻器兩端的電壓是相等的。

圖1-21 電阻器的并聯(lián)電路

提示說明

由圖1-21可見,假定將并聯(lián)電路接到電源上,由于并聯(lián)電路各并聯(lián)電阻器兩端的電壓相同,因而根據(jù)歐姆定律有I1=U/R1I2=U/R2,…,In=U/Rn,而I=I1+I2+…+In,所以有

電路的總電阻R與電壓U和總電流I也應(yīng)滿足歐姆定律,即I=U/R,因而可得

說明并聯(lián)電路總電阻的倒數(shù)等于各并聯(lián)支路各電阻的倒數(shù)之和。通常把電阻的倒數(shù)定義為電導(dǎo),用字母G表示。電導(dǎo)的單位是西門子,用S表示。

規(guī)定

因而電導(dǎo)式就可改寫成

G= G1+ G2+…+Gn

式中

可見,并聯(lián)電阻器的總電導(dǎo)等于各并聯(lián)支路電導(dǎo)之和。

電阻器并聯(lián)電路的主要作用是分流。當(dāng)幾個電阻器并聯(lián)到一個電源電壓兩端時,通過每個電阻器的電流與其電阻值成反比。在同一個并聯(lián)電路中,電阻值越小,流過的電流越大;相同值的電阻,流過的電流相等。

② 電容器的并聯(lián) 圖1-22為三個電容器并聯(lián)的電路示意圖及計(jì)算方法,總電流等于各分支電流之和。給三個電容器加上電壓U,各電容器上所儲存的電荷量分別為Q1=C1 UQ2=C2 UQ3=C3 U

圖1-22 三個電容器并聯(lián)的電路示意圖及計(jì)算方法

提示說明

如果將C1C2C3三個電容器視為一個電容器C,則合成電容的電荷量Q=CU,合成電容器的電荷量等于每個電容器的電荷量之和,即

CU=C1 U+C2 U+C3 U=(C1+C2+C3U

C=C1+C2+C3

并聯(lián)電容器的合成電容等于三個電容之和。

③ 電感器的并聯(lián) 圖1-23為三個電感器并聯(lián)的電路示意圖及計(jì)算方法,并聯(lián)電感的倒數(shù)等于三個電感的倒數(shù)之和。即

圖1-23 三個電感器并聯(lián)的電路示意圖及計(jì)算方法

(3)混聯(lián)電路

在一個電路中,把既有電阻器串聯(lián)又有電阻器并聯(lián)的電路稱為混聯(lián)電路,圖1-24是簡單的電阻器混聯(lián)電路。

圖1-24 簡單的電阻器混聯(lián)電路

電路中,電阻器R2R3并聯(lián)連接,R1R2R3并聯(lián)后的電路串聯(lián)連接,該電路中總電阻值為三只電阻器混聯(lián)計(jì)算后的電阻值。

分析混聯(lián)電路可采用下面的兩種方法。

① 利用電流的流向及電流的分合將電路分解成局部串聯(lián)和并聯(lián)的方法。圖1-25為電阻器的混聯(lián)電路,分析電路,計(jì)算出A、B兩端的等效電阻值。

圖1-25 混聯(lián)電路

提示說明

首先假設(shè)有一電源接在A、B兩端,A端為“+”,B端為“-”,則電流流向如圖1-25中箭頭所示。在I3流向支路中,R3R4R5是串聯(lián)的,因而該支路總電阻RCD為:R'CD=R3+R4+R5=6Ω。

由于I3所在支路與I2所在支路是并聯(lián)的,所以

R1RCDR6又是串聯(lián)的,因而電路的總電阻為RAB=R1+RCD+R6=10Ω。

② 利用電路中等電位點(diǎn)分析混聯(lián)電路。圖1-26為利用電路中等電位點(diǎn)分析混聯(lián)電路。

圖1-26 利用電路中等電位點(diǎn)分析混聯(lián)電路

提示說明

圖1-26(b)為根據(jù)等電位點(diǎn)畫出的圖1-26(a)的等效電路。由圖可見,R2R3R4并聯(lián)再與R1串聯(lián),因而總電阻RAB

Ω

電路總電流為:

I=E/R=2/2=1(A)

由歐姆定律可知R1兩端的電壓為

U1=I R1=1×1=1(V)

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