鄭州工業(yè)技師學(xué)院 趙宏業(yè)

淺談在職業(yè)院校模擬電路分析教學(xué)中基爾霍夫定律的應(yīng)用

鄭州工業(yè)技師學(xué)院 趙宏業(yè)

由于電路具有圖形復(fù)雜、參數(shù)繁多等特點(diǎn),因而對(duì)電路進(jìn)行分析,是一項(xiàng)抽象、繁瑣的工作,錯(cuò)誤率普遍較高。但是,在很多職業(yè)院校電路分析教學(xué)中,往往是采用結(jié)論是的抽象分析方法進(jìn)行教學(xué),學(xué)生難以真正了解和掌握這項(xiàng)知識(shí),基于此,可在模擬電路分析教學(xué)中,對(duì)基爾霍夫定律進(jìn)行應(yīng)用,能夠取得更為理想的教學(xué)效果。

職業(yè)院校;模擬電路教學(xué);基爾霍夫定律

引言

在電路當(dāng)中,基爾霍夫定律十分重要,其具有簡(jiǎn)單、易理解的內(nèi)容。因此在模擬電路分析教學(xué)當(dāng)中,對(duì)基爾霍夫定律加以運(yùn)用,能夠有效的簡(jiǎn)化知識(shí)內(nèi)容,提升學(xué)習(xí)興趣,從而取得更好的教學(xué)效果。

二、基爾霍夫定律的基本概述

在電路分析當(dāng)中,基爾霍夫定律是一個(gè)十分重要的定律,在其分析過程中,基礎(chǔ)是能量守恒,電流定律、電壓定律是基爾霍夫定律中的兩個(gè)重要內(nèi)容,因此,下面對(duì)這兩方面的內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹:

基爾霍夫電流定律:

基爾霍夫電流定律也叫做KCI,指的是在任意時(shí)間內(nèi),電路中的任一節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)流進(jìn)的電流總量與流出的電流總量始終相同,也就是ΣI進(jìn)=ΣI出。除了某個(gè)節(jié)點(diǎn)之外,還可將基爾霍夫定律應(yīng)用于任意假設(shè)的封閉面,也就是閉合曲面中流入的電流總量與流出的電流總量始終相同[1]。

基爾霍夫電壓定律:

基爾霍夫電壓定律也叫做KVI,指的是在任意時(shí)間內(nèi),在某個(gè)閉合回路當(dāng)中,沿著任意回路繞行方向,各段電壓代數(shù)之和永遠(yuǎn)為0,也就是ΣU=0.這一定律在不完全由實(shí)際元件組成的假想回路分析中,也能夠得到有效的應(yīng)用。

圖1 二極管電路

三、模擬電路分析教學(xué)中基爾霍夫定律的應(yīng)用

(一)二極管電路分析

二極管導(dǎo)通問題是職業(yè)院校模擬電路分析中的一項(xiàng)重要內(nèi)容,但原有的教材對(duì)于這一問題的講解都過于抽象,往往只給出了陽(yáng)極電壓高于陰極電壓這一簡(jiǎn)單的結(jié)論,沒有詳細(xì)列舉分析過程。這種方法通常會(huì)造成學(xué)生無法真正理解知識(shí)點(diǎn),因而對(duì)于類似問題難以進(jìn)行有效的解決[2]。另外,如果電路中具有較多的電源數(shù)目或二極管數(shù)目,其陰陽(yáng)極電壓之間的大小也是難以判斷的。因此,可采用基爾霍夫定律對(duì)二極管導(dǎo)通問題進(jìn)行分析,具有更加簡(jiǎn)單易懂的過程。如圖1所示,為二極管電路,假設(shè)二極管VD1和VD2兩端電壓分別為U1和U2在不考慮電阻的情況下,取順時(shí)針回路環(huán)繞方向,基于基爾霍夫電壓定律,能夠得出U1+9V-6V=0,U2-0V=0,U1=-3V,U2=9V。由于在二極管兩端,具有陽(yáng)極指向陰極的參考電壓方向,也就是正向偏置方向。所以,如果得出正值結(jié)果,則實(shí)際與參考方向相同,二極管為導(dǎo)通狀態(tài);如果得出負(fù)值結(jié)果,則實(shí)際與參考方向相反,二極管為截至狀態(tài)[3]。運(yùn)用基爾霍夫定律,能夠?qū)ΧO管電路輸出電壓進(jìn)行快速計(jì)算。在二極管電路中,AB兩點(diǎn)之間電壓為U0,如果AB兩點(diǎn)和電路形成回路,在AB兩點(diǎn)間形成回路共有3條。由于VD1為截至狀態(tài),電阻R中流經(jīng)電流難以計(jì)算,因此,將二極管作為理想狀態(tài)分析,基于基爾霍夫電壓定律,對(duì)VD2、9V電源這條回路方程進(jìn)行列舉,能夠得出U0=-9V。

(二)晶體管放大電路分析

晶體管放大電路是職業(yè)院校電路分析教學(xué)中的重要內(nèi)容,采用基爾霍夫定律,能夠有效的實(shí)現(xiàn)晶體管放大電路分析。例如,在放大區(qū)時(shí),三極管電流分配的關(guān)系,對(duì)于三極管放大電路分析十分重要。在以往的教學(xué)中,通常是對(duì)公式進(jìn)行直接給出,或根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接給出總結(jié)性結(jié)論,也就是Ie=Ic+Ib。由于職業(yè)院校學(xué)生基礎(chǔ)不足,因而對(duì)此難以有效理解,只能通過死記硬背的方式記憶,但在實(shí)際問題解決中往往難以正確運(yùn)用。而運(yùn)用基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流定律,能夠?qū)θ龢O管電流分配問題進(jìn)行清晰的解釋[4]。如圖2所示,將三極管視為閉合面,基于基爾霍夫定律能夠得出,給閉合面中流入與流出的電流總量相等,因而就能夠輕易得出Ie=Ic+Ib這一結(jié)論。另外,在放大電路中,放大倍數(shù)估算十分關(guān)鍵,對(duì)于衡量放大器的性能有著重要的作用。如圖3所示,為三極管共射放大電路交流通路。在放大電路中,電壓的放大倍數(shù)是輸出電壓和輸入電壓之間的比值,也就是A=u0/ui。從基爾霍夫電壓定律中能夠看出,在輸入回路當(dāng)中,有ibrbe-ui=0,而在輸出回路當(dāng)中,有R'Iic=u0=0,由于βib=ic,因此A=u0/ui=-R'Iic/ibrbe=-R'Iβ/rbe,其中,"-"標(biāo)示的是輸入和輸出電壓為反相。因此,通過運(yùn)用基爾霍夫定律,不但能夠?qū)Ψ糯箅娐返姆糯蟊稊?shù)進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)也能夠?qū)斎牒洼敵鲭妷合辔魂P(guān)系進(jìn)行判斷。

(三)理想集成運(yùn)放電路分析

圖2 三極管電流分配

圖3 三極管三極管共射放大電路交流通路

在理想集成運(yùn)放電路的分析當(dāng)中,重點(diǎn)在于輸入輸出信號(hào)之間的關(guān)系。因此應(yīng)通過線性區(qū)時(shí)電路運(yùn)放工作的特點(diǎn),也就是虛斷、虛短進(jìn)行分析[5]。例如,在同相放大器當(dāng)中,如圖4所示,中間結(jié)點(diǎn)中iF=iI+iN?；陔娐诽摱痰奶攸c(diǎn),在運(yùn)放兩輸入端,具有相似的電位,也就是ui=uP≈uN。基于基爾霍夫電壓定律,iIRI-ui=0, iFRf+ui-u0=0,所以iF=(u0-ui)/Rf,iI=ui/RI。同時(shí),基于電路虛斷的特點(diǎn),在兩輸入端,電流約等于0,但是并不是完全的斷路,也就是iP≈iN≈0,因此iF=iI。在R2端并沒有電流經(jīng)過,因此R2兩端的電壓值為0,因此uP=ui。綜上能夠得出,(u0-ui)/Rf=ui/RI,則u0= (1+Rf/RI)ui。

圖4 同相放大器電路原理

四、結(jié)論

在模擬電路分析當(dāng)中,基爾霍夫定律具有十分重要的作用和意義,在職業(yè)院校模擬電路分析教學(xué)當(dāng)中,應(yīng)用基爾霍夫定律,能夠快速、簡(jiǎn)單、清晰的實(shí)現(xiàn)二極管電路、晶體管放大電路、理想集成運(yùn)放電路等常見電路的分析。在實(shí)際教學(xué)中,基爾霍夫定律的應(yīng)用,能夠極大的簡(jiǎn)化電路分析流程,調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性,從而取得更好的教學(xué)效果。

[1]吳平,李新輝。MuItisim10在電路教學(xué)中的典型應(yīng)用[J]。電腦知識(shí)與技術(shù),2012,03:649-651+656.

[2]王爾申,李軒,王相海,龐濤?；贛uItisim的電工及工業(yè)電子學(xué)課程仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]。實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,10:128-131+140.

趙宏業(yè)(1987-),男,河南鄭州人,大學(xué)本科,助理講師,現(xiàn)從事電工電子,電氣工程相關(guān)專業(yè)教學(xué)工作。