淺談在職業院校模擬電路分析教學中基爾霍夫定律的應用

鄭州工業技師學院 趙宏業

淺談在職業院校模擬電路分析教學中基爾霍夫定律的應用

鄭州工業技師學院 趙宏業

由于電路具有圖形復雜、參數繁多等特點,因而對電路進行分析,是一項抽象、繁瑣的工作,錯誤率普遍較高。但是,在很多職業院校電路分析教學中,往往是采用結論是的抽象分析方法進行教學,學生難以真正了解和掌握這項知識,基于此,可在模擬電路分析教學中,對基爾霍夫定律進行應用,能夠取得更為理想的教學效果。

職業院校;模擬電路教學;基爾霍夫定律

引言

在電路當中,基爾霍夫定律十分重要,其具有簡單、易理解的內容。因此在模擬電路分析教學當中,對基爾霍夫定律加以運用,能夠有效的簡化知識內容,提升學習興趣,從而取得更好的教學效果。

二、基爾霍夫定律的基本概述

在電路分析當中,基爾霍夫定律是一個十分重要的定律,在其分析過程中,基礎是能量守恒,電流定律、電壓定律是基爾霍夫定律中的兩個重要內容,因此,下面對這兩方面的內容進行簡要介紹:

基爾霍夫電流定律:

基爾霍夫電流定律也叫做KCI,指的是在任意時間內,電路中的任一節點,該節點流進的電流總量與流出的電流總量始終相同,也就是ΣI進=ΣI出。除了某個節點之外,還可將基爾霍夫定律應用于任意假設的封閉面,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,指的是在任意時間內,在某個閉合回路當中,沿著任意回路繞行方向,各段電壓代數之和永遠為0,也就是ΣU=0.這一定律在不完全由實際元件組成的假想回路分析中,也能夠得到有效的應用。

圖1 二極管電路

三、模擬電路分析教學中基爾霍夫定律的應用

(一)二極管電路分析

二極管導通問題是職業院校模擬電路分析中的一項重要內容,但原有的教材對于這一問題的講解都過于抽象,往往只給出了陽極電壓高于陰極電壓這一簡單的結論,沒有詳細列舉分析過程。這種方法通常會造成學生無法真正理解知識點,因而對于類似問題難以進行有效的解決[2]。另外,如果電路中具有較多的電源數目或二極管數目,其陰陽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二極管導通問題進行分析,具有更加簡單易懂的過程。如圖1所示,為二極管電路,假設二極管VD1和VD2兩端電壓分別為U1和U2在不考慮電阻的情況下,取順時針回路環繞方向,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,如果得出正值結果,則實際與參考方向相同,二極管為導通狀態;如果得出負值結果,則實際與參考方向相反,二極管為截至狀態[3]。運用基爾霍夫定律,能夠對二極管電路輸出電壓進行快速計算。在二極管電路中,AB兩點之間電壓為U0,如果AB兩點和電路形成回路,在AB兩點間形成回路共有3條。由于VD1為截至狀態,電阻R中流經電流難以計算,因此,將二極管作為理想狀態分析,基于基爾霍夫電壓定律,對VD2、9V電源這條回路方程進行列舉,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院校電路分析教學中的重要內容,采用基爾霍夫定律,能夠有效的實現晶體管放大電路分析。例如,在放大區時,三極管電流分配的關系,對于三極管放大電路分析十分重要。在以往的教學中,通常是對公式進行直接給出,或根據實驗數據直接給出總結性結論,也就是Ie=Ic+Ib。由于職業院校學生基礎不足,因而對此難以有效理解,只能通過死記硬背的方式記憶,但在實際問題解決中往往難以正確運用。而運用基爾霍夫節點電流定律,能夠對三極管電流分配問題進行清晰的解釋[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這一結論。另外,在放大電路中,放大倍數估算十分關鍵,對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,在輸入回路當中,有ibrbe-ui=0,而在輸出回路當中,有R'Iic=u0=0,由于βib=ic,因此A=u0/ui=-R'Iic/ibrbe=-R'Iβ/rbe,其中,"-"標示的是輸入和輸出電壓為反相。因此,通過運用基爾霍夫定律,不但能夠對放大電路的放大倍數進行計算,同時也能夠對輸入和輸出電壓相位關系進行判斷。

(三)理想集成運放電路分析

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

在理想集成運放電路的分析當中,重點在于輸入輸出信號之間的關系。因此應通過線性區時電路運放工作的特點,也就是虛斷、虛短進行分析[5]。例如,在同相放大器當中,如圖4所示,中間結點中iF=iI+iN。基于電路虛短的特點,在運放兩輸入端,具有相似的電位,也就是ui=uP≈uN?；诨鶢柣舴螂妷憾?iIRI-ui=0, iFRf+ui-u0=0,所以iF=(u0-ui)/Rf,iI=ui/RI。同時,基于電路虛斷的特點,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、結論

在模擬電路分析當中,基爾霍夫定律具有十分重要的作用和意義,在職業院校模擬電路分析教學當中,應用基爾霍夫定律,能夠快速、簡單、清晰的實現二極管電路、晶體管放大電路、理想集成運放電路等常見電路的分析。在實際教學中,基爾霍夫定律的應用,能夠極大的簡化電路分析流程,調動學生積極性,從而取得更好的教學效果。

[1]吳平,李新輝。MuItisim10在電路教學中的典型應用[J]。電腦知識與技術,2012,03:649-651+656.

[2]王爾申,李軒,王相海,龐濤。基于MuItisim的電工及工業電子學課程仿真實驗設計[J]。實驗技術與管理,2014,10:128-131+140.

趙宏業(1987-),男,河南鄭州人,大學本科,助理講師,現從事電工電子,電氣工程相關專業教學工作。