第1节 什么是网络分析?(修订中)
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一般而言,_网络分析_是用于对电路(互连组件的“网络”)进行数学分析的任何结构化技术。技术人员或工程师经常会遇到包含多个电源或组件配置的电路,这些电路无法通过串联 (opens new window)/并联 (opens new window)分析技术进行简化。在这些情况下,他或她将被迫使用其他手段。本章介绍了一些有助于分析此类复杂电路的技术。
# 1. 分析一个简单的电路
为了说明即使是简单的电路也可以通过分解为串联和并联部分来对抗分析,请从这个串并联 (opens new window)电路开始:

要分析上述电路,首先要找到R 2和R 3并联的等效值,然后将R 1串联起来得到总电阻。然后,将电池 B 1的电压与该总电路电阻相结合,可以通过使用欧姆定律 (opens new window)(I=E/R) 计算总电流,然后该电流值用于计算电路中的电压降。总而言之,一个相当简单的程序。
# 2. 反抗串联/并联分析的电路
# 2.1. 两节电池电路
然而,多加一块电池就可以改变这一切:

电阻器R 2和R 3不再相互并联,因为B 2已插入R 3的电路分支。经过仔细检查,该电路中似乎_没有_两个电阻器直接串联或并联。这是主要问题:在串并联分析中,我们首先识别直接串联或并联的电阻器组,将它们减少为单个等效电阻_。_如果在简单的串联或并联配置中没有电阻器,我们该怎么办?
应该清楚的是,这个看似简单的电路,只有三个电阻,不可能作为简单串联和简单并联部分的组合来减少:它是完全不同的东西。然而,这并不是唯一一种对抗串联/并联分析的电路类型:
# 2.2. 不平衡桥式电路

这里我们有一个桥式电路 (opens new window),为了举例,我们假设它是_不平衡_的(比率 R 1 /R 4不等于比率 R 2 /R 5)。如果它是平衡的,则通过 R 3的电流为零,并且可以将其视为串联/并联组合电路(R 1 -R 4 // R 2 -R 5)。然而,任何通过 R 3的电流都无法进行串联/并联分析。R 1不与 R 4串联,因为电流有另一条路径流动,即通过 R 3. 出于同样的原因,R 2也不与 R 5串联。同样,R 1不与 R 2平行,因为 R 3将其底部引线分开。R 4也不与R 5平行。啊啊啊啊!
尽管此时可能并不明显,但主要问题是存在多个未知量。至少在串联/并联组合电路中,有一种方法可以找到总电阻和总电压,将总电流作为单个未知值进行计算(然后在还原过程中使用该电流来满足先前未知的变量,直到可以分析整个电路)。对于这些问题,在最基本的电路简化级别上,不止一个参数(变量)是未知的。
对于两节电池电路,无法得出“总电阻”的值,因为有_两个_电源来提供电压和电流(我们需要_两个_“总”电阻才能进行任何欧姆法律计算)。对于不平衡电桥电路,一个电池的总电阻是这样的(为计算总电流铺平了道路),但总电流在电桥的每一端立即分裂成未知的比例,所以没有进一步的可以进行电压 (E=IR) 的欧姆定律计算。
那么当我们在电路中面临多个未知数时,我们能做些什么呢?答案最初是在称为_联立方程_或_方程_组的数学过程中找到的,其中通过在多个方程中将它们相互关联来求解多个未知变量。在只有一个未知数的场景中(例如我们迄今为止处理的每个欧姆定律方程),只需要一个方程来求解单个未知数:

但是,当我们求解多个未知值时,我们需要拥有与未知数相同数量的方程才能得出解。有几种求解联立方程的方法,这些方法都相当吓人,而且对于本章的解释来说都太复杂了。然而,许多科学和可编程计算器能够解决同时未知数,因此建议在第一次学习如何分析这些电路时使用这样的计算器。
这并不像起初看起来那么可怕。相信我!
稍后,我们将看到一些聪明人找到了避免在这些类型的电路上使用联立方程的技巧。我们将这些技巧称为_网络定理_,本章稍后将探讨其中的一些。
# 3. 总结
- 由于存在多个未知值,某些电路配置(“网络”)无法通过根据串联/并联电路规则进行归约来解决。
- 求解多个未知数的数学技术(称为“联立方程”或“系统”)可以应用于电路的基本定律来求解网络。
相关练习: