浅谈在职业院校模拟电路分析教学中基尔霍夫定律的应用

郑州工业技师学院 赵宏业

浅谈在职业院校模拟电路分析教学中基尔霍夫定律的应用

郑州工业技师学院 赵宏业

由于电路具有图形复杂、参数繁多等特点,因而对电路进行分析,是一项抽象、繁琐的工作,错误率普遍较高。但是,在很多职业院校电路分析教学中,往往是采用结论是的抽象分析方法进行教学,学生难以真正了解和掌握这项知识,基于此,可在模拟电路分析教学中,对基尔霍夫定律进行应用,能够取得更为理想的教学效果。

职业院校;模拟电路教学;基尔霍夫定律

引言

在电路当中,基尔霍夫定律十分重要,其具有简单、易理解的内容。因此在模拟电路分析教学当中,对基尔霍夫定律加以运用,能够有效的简化知识内容,提升学习兴趣,从而取得更好的教学效果。

二、基尔霍夫定律的基本概述

在电路分析当中,基尔霍夫定律是一个十分重要的定律,在其分析过程中,基础是能量守恒,电流定律、电压定律是基尔霍夫定律中的两个重要内容,因此,下面对这两方面的内容进行简要介绍:

基尔霍夫电流定律:

基尔霍夫电流定律也叫做KCI,指的是在任意时间内,电路中的任一节点,该节点流进的电流总量与流出的电流总量始终相同,也就是ΣI进=ΣI出。除了某个节点之外,还可将基尔霍夫定律应用于任意假设的封闭面,也就是闭合曲面中流入的电流总量与流出的电流总量始终相同[1]。

基尔霍夫电压定律:

基尔霍夫电压定律也叫做KVI,指的是在任意时间内,在某个闭合回路当中,沿着任意回路绕行方向,各段电压代数之和永远为0,也就是ΣU=0.这一定律在不完全由实际元件组成的假想回路分析中,也能够得到有效的应用。

图1 二极管电路

三、模拟电路分析教学中基尔霍夫定律的应用

(一)二极管电路分析

二极管导通问题是职业院校模拟电路分析中的一项重要内容,但原有的教材对于这一问题的讲解都过于抽象,往往只给出了阳极电压高于阴极电压这一简单的结论,没有详细列举分析过程。这种方法通常会造成学生无法真正理解知识点,因而对于类似问题难以进行有效的解决[2]。另外,如果电路中具有较多的电源数目或二极管数目,其阴阳极电压之间的大小也是难以判断的。因此,可采用基尔霍夫定律对二极管导通问题进行分析,具有更加简单易懂的过程。如图1所示,为二极管电路,假设二极管VD1和VD2两端电压分别为U1和U2在不考虑电阻的情况下,取顺时针回路环绕方向,基于基尔霍夫电压定律,能够得出U1+9V-6V=0,U2-0V=0,U1=-3V,U2=9V。由于在二极管两端,具有阳极指向阴极的参考电压方向,也就是正向偏置方向。所以,如果得出正值结果,则实际与参考方向相同,二极管为导通状态;如果得出负值结果,则实际与参考方向相反,二极管为截至状态[3]。运用基尔霍夫定律,能够对二极管电路输出电压进行快速计算。在二极管电路中,AB两点之间电压为U0,如果AB两点和电路形成回路,在AB两点间形成回路共有3条。由于VD1为截至状态,电阻R中流经电流难以计算,因此,将二极管作为理想状态分析,基于基尔霍夫电压定律,对VD2、9V电源这条回路方程进行列举,能够得出U0=-9V。

(二)晶体管放大电路分析

晶体管放大电路是职业院校电路分析教学中的重要内容,采用基尔霍夫定律,能够有效的实现晶体管放大电路分析。例如,在放大区时,三极管电流分配的关系,对于三极管放大电路分析十分重要。在以往的教学中,通常是对公式进行直接给出,或根据实验数据直接给出总结性结论,也就是Ie=Ic+Ib。由于职业院校学生基础不足,因而对此难以有效理解,只能通过死记硬背的方式记忆,但在实际问题解决中往往难以正确运用。而运用基尔霍夫节点电流定律,能够对三极管电流分配问题进行清晰的解释[4]。如图2所示,将三极管视为闭合面,基于基尔霍夫定律能够得出,给闭合面中流入与流出的电流总量相等,因而就能够轻易得出Ie=Ic+Ib这一结论。另外,在放大电路中,放大倍数估算十分关键,对于衡量放大器的性能有着重要的作用。如图3所示,为三极管共射放大电路交流通路。在放大电路中,电压的放大倍数是输出电压和输入电压之间的比值,也就是A=u0/ui。从基尔霍夫电压定律中能够看出,在输入回路当中,有ibrbe-ui=0,而在输出回路当中,有R'Iic=u0=0,由于βib=ic,因此A=u0/ui=-R'Iic/ibrbe=-R'Iβ/rbe,其中,"-"标示的是输入和输出电压为反相。因此,通过运用基尔霍夫定律,不但能够对放大电路的放大倍数进行计算,同时也能够对输入和输出电压相位关系进行判断。

(三)理想集成运放电路分析

图2 三极管电流分配

图3 三极管三极管共射放大电路交流通路

在理想集成运放电路的分析当中,重点在于输入输出信号之间的关系。因此应通过线性区时电路运放工作的特点,也就是虚断、虚短进行分析[5]。例如,在同相放大器当中,如图4所示,中间结点中iF=iI+iN。基于电路虚短的特点,在运放两输入端,具有相似的电位,也就是ui=uP≈uN。基于基尔霍夫电压定律,iIRI-ui=0, iFRf+ui-u0=0,所以iF=(u0-ui)/Rf,iI=ui/RI。同时,基于电路虚断的特点,在两输入端,电流约等于0,但是并不是完全的断路,也就是iP≈iN≈0,因此iF=iI。在R2端并没有电流经过,因此R2两端的电压值为0,因此uP=ui。综上能够得出,(u0-ui)/Rf=ui/RI,则u0= (1+Rf/RI)ui。

图4 同相放大器电路原理

四、结论

在模拟电路分析当中,基尔霍夫定律具有十分重要的作用和意义,在职业院校模拟电路分析教学当中,应用基尔霍夫定律,能够快速、简单、清晰的实现二极管电路、晶体管放大电路、理想集成运放电路等常见电路的分析。在实际教学中,基尔霍夫定律的应用,能够极大的简化电路分析流程,调动学生积极性,从而取得更好的教学效果。

[1]吴平,李新辉。MuItisim10在电路教学中的典型应用[J]。电脑知识与技术,2012,03:649-651+656.

[2]王尔申,李轩,王相海,庞涛。基于MuItisim的电工及工业电子学课程仿真实验设计[J]。实验技术与管理,2014,10:128-131+140.

赵宏业(1987-),男,河南郑州人,大学本科,助理讲师,现从事电工电子,电气工程相关专业教学工作。