主要内容
无源元件和源符号约定
在电阻、电容和电感上标明电流和电压的标准操作规程。电压和电流源标记。威利·麦卡利斯特著。
无源元件符号惯例
我们需要一种简单,能被广泛理解的方式来指代电路中的电压和电流。这里确定的符号约定的目的是定义正负电压和电流的含义。
为什么我们需要约定符号? 无源元件 (电阻,电容,电感) 有一个定义方程 (欧姆定律和其他)。这些等式建立了电压和电流之间的关系。我们不能只是分配电压极性和电流方向。电压极性和电流方向必须相互一致。双端子元件的电压极性和电流方向的通用约定如下所示:
我们称之为无源元件符号惯例。
电压极性:上图显示了电压极性,带有两种橙色符号:plus 和 minus 符号,以及一个箭头。电压箭头从 minus 指向 plus,同时标注符号和箭头是多余的,它们的意思完全相同。您可以在原理图中使用其中一个或两个。让表达更清晰永远是一个好事。电压箭头以略微的弧线绘制。这有助于将其识别为电压箭头,而不会误认为是直流箭头。
电流方向:蓝色箭头显示分配给正向电流的方向。电流箭头应该被绘制成从 minus 电压端流出,plus 电压端流入。
下图中的所有三个电流箭头均意味着同样的事情。
这种约定的原因是当我们对每个元件应用定义方程时,电流和电压的符号就会出现,就像电阻的欧姆定律一样。
例题1
这个250, \Omega 电阻已经使用无源元件的符号约定进行了标记。电压极性(橙色符号和箭头)标注在了电阻顶部。这个方向是一个随意的选择。蓝色电流箭头指向正极端子。这不是一个随意的选择,正电流必须流入plus符号。
某些因素(未显示,电压源或周围电路)导致电阻上出现 2, start text, v, o, l, t, s, end text
i是什么?
应用 欧姆定律计算电流:
电压箭头告诉我们电阻的上端电压高于下端 2, start text, V, end text。欧姆定律告诉我们电流是 plus, 8, start text, m, A, end text。电流上的plus符号表示它按箭头方向流动,从上面到下面。
示例 1X - 错误的方式
如果我们用错误的符号约定标记电阻会发生什么?下图显示了具有相同电压极性的相同电阻,但电流箭头从正极端子流出,因此未使用无源元件的符号约定。
应用欧姆定律,与例1 完全相同,
欧姆定律告诉我们电流是plus, 8, start text, m, A, end text。电流上的plus符号表示它按照箭头所示方向流动,从底部? 进入底部? 多少? 在真实的电阻情况下,电流应该以相反方向流动。我们得到了错误的解答。教训:使用无源元件的符号约定。
例题 2
这个10, start text, k, end text, \Omega 的电阻按照与第一个示例相同的符号约定来标识:在顶部标注有橙色plus电压极性,蓝色电流箭头指向下方。这次,电流被指定而不是电压。电流值为minus, 20, mu, start text, A, end text。这可能看起来有点奇怪,显示minus, 20, mu, start text, A, end text 的电流沿箭头方向流动。如果您愿意,可以将其视为plus, 20, mu, start text, A, end text 的电流反方向流动(在电阻中从下到上流动)。
v是多少?
我们使用欧姆定律来求解未知电压。由于我们一直在仔细遵循符号约定,我们所要做的就是代入原理图上显示的实际值。(在编写这些方程时,避免在头脑中改变符号。这通常会导致错误。)
答案是负值,表示电阻plus电压极性的端子(电阻顶端)电压比有minus电压极性的端子(电阻底端)的电压低 0, point, 2, start text, V, end text。运用标识规范使得计算得到正确的符号,即使电流值是一个不太常规的负值。
无源元件的标识规范不只是一个好的主意,这是分析电路时的唯一能够得到正确答案的方法。
理想电源的符号约定
电压源
理想的电压源两端电压独立于通过的电流。理想的电压源可以通过一个方程式定义:v, equals, start text, V, end text,例如: v, equals, 1, point, 5, start text, V, end text。方程式与电流 i无关。
如果你需要标识通过电压源的电流,有几个不同方法。一般选择是:
- 不用电流标签。通常你不需要标示通过电压源的电流。周围的电路环境决定电流方向(说明1)。
- 如果你要计算功率 v, dot, i,你会希望得到正确的功率符号:plus符号表示能量耗散,minus表示能量增加。使用和无源元件相同的标识惯例,电流流入电压源的端子的正极 (图2)。
- 如果需要电压源中的电流符号为正号(或者为了方便),则使用电流箭头从正电压端子 流出 的标识(图3)。
在大多数情况下,电流流出电压源的正极端子。如果将无源符号约定应用于电压源,则在大多数情况下电流最终会出现负号。这个电流箭头方向可能会感觉上“错误”,或者您可能觉得它很烦人。但从严格意义来讲这不是一个错误。这只是意味着电流有 minus 符号,这不是什么大问题。
我倾向于将电压源按照第一种方式标注:无电流标注。不同的教科书教授不同的方式,我们对此都要接受。每个人最终都会得到自己的答案。
符号不需要匹配实际的电压
电压源上的标签通常定向为极性箭头与电源(1a.)产生的实际电压方向相同,但没有规定必须这样做。符号圆圈内的黑色plus和minus符号显示电源电压的实际方向。可以在电压源上定义与其电源本身的极性相反的标签 (1b.)。它可能看起来很奇怪,但也是可以的。
具有两套可替代的标识的电压源,
对于电池符号,较长的黑线表示电池的正极。电池有两个替代标签,
什么时候你想将电压标签指向“反向”?当我们学习 基尔霍夫电压定律时,将所有电压箭头指向同一方向绕一个环路有时是有帮助的(以便方程式得到正确的符号)。如果回路中的一个元件是电池或电压源,则电压箭头可能指向实际电压极性。
请记住,电压标签只是标签; 它们用于在整个电路的环境中建立电压的参考方向。标签不确定电压源或电池的内部属性; 这是黑色符号的作用。
在某些方面,电压标签类似于力学中的力矢量。如果你指定上方为矢量正方向,进行计算并发现你的答案是负的,那就意味着它实际方向是朝下的。这样你就可以清楚地了解在完成所有事情的过程中实际发生了什么。
电流源
通过一个理想电流源的电流独立于其电压。描述当前电源的方程式是: i, equals, start text, I, end text,例如: i, equals, 1, start text, A, end text。电压 v 没有出现在这个公式中。
电流源通常标有与符号箭头方向匹配的电流箭头,并且没有电压指示。电流源上的实际电压将来自周围电路的分析。如果由于某种原因需要标记电压,通常按选项2所示完成,类似于无源元件的符号约定。