《《电工电子技术》全套课件 第1章 电路的基本概念与基本定律.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《电工电子技术》全套课件 第1章 电路的基本概念与基本定律.ppt（124页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、刘华波 博远楼（西5教）512,电工电子技术,就要毕业了。 回头看自己所谓的大学生活，我想哭，不是因为离别，而是因为什么都没学到。 我不知，简历该怎么写，若是以往我会让它空白。 最大的收获也许是对什么都没有的忍耐和适应,大学应该学什么？,转载李开复给中国学生的第四封信：大学最重要的七项学习.doc,标 题：等你大学毕业之后再读会后悔一辈子的50条忠告(转载).doc,电工电子技术是一门专业技术基础课。,基础要求：,课程概述,教材包括5个模块，囊括了电路、模拟电子、数字电子、电气控制等诸多内容，其中第4模块 EDA技术将在实验课上进行学习。,课程要求,1. 课堂认真听讲,掌握要点,课后要复习巩
2、固; 2. 关键在课后练习,举一反三； 3. 作业要求认真独立完成。,1.1 电路的基本概念,1.2 电路的基本定律,1.3 电路的分析方法,电路的基本定律与分析方法,第1章,理解物理量的参考方向的概念。 掌握各种理想电路元件的伏安特性。 掌握基尔霍夫定律。 能够正确使用支路电流法、节点电压法列些电路方程。 掌握电源等效变换、叠加原理、等效电源定理。 理解电位的概念，掌握电位的计算。,本章学习目标,1.1 电路的基本概念,1.1.1 电路的组成及作用,电源（或信号源）：,提供电能（或信号）的部分；,负 载：,吸收或转换电能的部分；,中间环节：,连接和控制电源和负载的部分；,电路中各部分在正常工
3、作时，必须工作在额定状态！即电源、负载、导线等都有相应的额定值。,注意！,1.1.2 电流和电压的参考方向,电流和电压的正方向：,实际正方向：,物理中对电量规定的方向。,电流I,电动势E,电压U,正电荷移动的方向,电源驱动正电荷的方向,电位降落的方向,A, kA, mA, A,V, kV, mV, V,V, kV, mV, V,物理量正方向的表示方法,正负号,Uab（高电位在前， 低电位在后）,双下标,箭 头,1,2,3,假设正方向（参考方向）,在分析计算时，对电量人为规定的方向。,在复杂电路中难于判断元件中物理量的实际方向，电路如何求解？,问题的提出,电流方向 AB？,电流方向 BA？,(1
4、) 在解题前先任意设定一个正方向，作为参考方向；,若计算结果为正，则实际方向与参考方向一致； 若计算结果为负，则实际方向与参考方向相反； 若未标参考方向，则结果的正、负无意义！,(2) 根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关 系的代数表达式；,(3) 根据计算结果确定实际方向：,假设正方向（参考方向）的应用,注意！,已知：E=2V, R=1 求： 当U 分别为 3V 和 1V 时，求IR的大小和方向?,(3) 数值 计算,实际方向与参考方向一致,实际方向与参考方向相反,(4) 为了避免列方程时出错，习惯上把 I 与 U 的方向按相同方向假设。称为关联参考方向。,(1) 方程式U/I=R 仅适
5、用于U, I参考方向一致的情况。,(2) “实际方向”是物理中规定的，而“参考方向”则 是人们在进行电路分析计算时,任意假设的。,(3) 在以后的解题过程中，注意一定要先假定“正方向”(即在图中表明物理量的参考方向)，然后再列方程计算。缺少“参考方向”的物理量是无意义的。,（关联参考方向）,1.1.3 能量与 功 率,设电路任意两点间的电压为 U ,流入此 部分电路的电流为 I， 则这部分电路消耗的功率为:,P = U I,功率的概念,单位: W, kW, mW,负载,若元件上的电压为 U 和电流为 I的实际方向一致 ,则该元件吸收功率,为负载;,电源,若元件上的电压为 U 和电流为 I的实际
6、方向相反 ,则该元件发出功率,为电源。,在 U、 I 为关联参考方向的前提下：,则吸收功率为负载,若 P = UI 0,若 P = UI 0,根据能量守衡关系,P（吸收）= P（发出）,则发出功率为电源,根据 电压和电流的实际方向判断器件的性质，或是电源，或是负载。,当元件上的U、I 的实际方向一致，则此元件消耗电功率，为负载。,当元件上的U、I 的实际方向相反，则此元件发出电功率，为电源。,实际方向根据参考方向和计算结果的正、负得到。,结 论,根据 P 的 + 或 - 可以区分器件的性质，或是电源，或是负载。,在进行功率计算时，如果假设 U、I 正方向一致。,当P 0 时, 说明 U、I 实
7、际方向相反，电路发出电功率，为电源。,当P 0 时, 说明 U，I 实际方向一致，电路消耗电功率，为负载。,负载电阻,1.1.4 电源的工作状态,1.有载工作状态,电源电动势,电源内阻,电路电流:,电源端电压:,电路功率:,电源外特性:,功率平衡,2.开路状态,I = 0,U=U0=E,P = 0,3.短路状态,U = 0,1.理想电压源 （恒压源）,特点：(1）输出电 压不变，其值恒等于电动势。 即 Uab E；,（2）电源中的电流由外电路决定。,1.1.5 电路模型与理想电路元件,恒压源中的电流由外电路决定,设: E=10V,当R1 R2 同时接入时： I=10A,2、理想电流源 （恒流源
8、）,特点：（1）输出电流不变，其值恒等于电 流源电流 IS；,IS,伏 安 特 性,（2）输出电压由外电路决定。,恒流源两端电压由外电路决定,设: IS=1 A,恒压源与恒流源特性比较,Uab的大小、方向均为恒定， 外电路负载对 Uab 无影响。,I 的大小、方向均为恒定， 外电路负载对 I 无影响。,输出电流 I 可变 - I 的大小、方向均 由外电路决定,端电压Uab 可变 - Uab 的大小、方向 均由外电路决定,原则：Is不能变，E 不能变。,恒压源中的电流 I= IS,恒流源两端的电压,伏 - 安 特性,3. 电阻 R,（常用单位：、k、M ）,线性电阻,非线性电阻,消耗能量,吸收功
9、率,电阻元件是耗能元件,（W）,单位：P（W）， t（s） ，W（J） P（kW），t（h）， W（kWh）,4.电感 L,（单位：H, mH, H）,单位电流产生的磁链,线圈 匝数,理想电感元件：,即：L i = N ,线圈 面积,线圈 长度,导磁率,电感和结构参数的关系,线圈 匝数,电感中的感应电动势e,e 的方向：,e 的大小：,电感中电流、电压的关系,所以,在直流电路中电感相当于短路。,直流电路中，电感中的电流是否为0？,电感是一种储能元件, 储存的磁场能量为：,电感的储能,？,电感中的电流是直流时, 储存的磁场能量是否为0？,否！,5.电容 C,单位电压下存储的电荷,（单位：F, F
10、, pF）,电容符号,有极性,无极性,q = Cu,极板 面积,板间 距离,介电 常数,电容和结构参数的关系,电容上电流、电压的关系,所以,在直流电路中电容相当于开路。,q = Cu,直流电路中，电容两端的电压是否为0？,电容是一种储能元件, 储存的电场能量为：,电容的储能,？,电容两端的电压是直流时, 储存的电场能量是否为0？,否！,无源元件小结,当U为直流电压时，计算电感和电容的电压、电流和储能。,，,，,，,，,实际元件的特性可以用若干理想元件来表示,参数的影响和电路的工作条件有关。在一定条件下可忽略次要参数的影响。,6、理想受控源,在电路中起电源作用，但其电压或电流受电路其他部分控制的
11、电源。,受控源,压控电压源：VCVS,流控电压源：CCVS,压控电流源：VCCS,流控电流源：CCCS,理想受控源的分类,独立源和受控源的异同,相同点：两者性质都属电源，均可向电路 提供电压或电流。,不同点：独立电源的电动势或电流是由非电 能量提供的，其大小、方向和电路 中的电压、电流无关； 受控源的电动势或输出电流，受电 路中某个电压或电流的控制。它不 能独立存在，其大小、方向由控制 量决定。,欧姆定律 基尔霍夫定律 基尔霍夫电流定律（KCL） 基尔霍夫电压定律（KVL）,1.2 电路的基本定律,注意：用欧姆定律列方程时，一定要在 图中标明正方向。,1.2.1 欧姆定律,1.2.2 基尔霍夫
12、定律,名词解释：,节点：三个或三个以上支路的联节点,支路：电路中每一个分支,回路：电路中任一闭合路径,网孔：回路中无支路时称网孔,描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系,其中包括电流和电压两个定律。,支路：ab、ad、 . （共6条）,回路：abda、 bcdb、 . （共7 个）,节点：a、 b、 . (共4个）,网孔：abda、 bcdb adca （共3 个）,1. 基尔霍夫电流定律(KCL),对任何节点，在任一瞬间，流入节点的电流等于由节点流出的电流。或者说，在任一瞬间，一个节点上电流的代数和为 0。, I = 0,即：,对a节点：,或：,设流入节点取“+”，流出节点取“-”。,KC
13、L还适用于电路的任意封闭面。,I1+I2 + I3=0,基尔霍夫电流定律的扩展,证明：,a:,b:,c:,I=0,I=?,计算图示电路中的未知电流 I 。,I,解：,2 - 3 - 4 - I=0,I= 2 - 3 - 4=-5A,利用扩展的KCL列方程：,2. 基尔霍夫电压定律(KVL),对电路中的任一回路，沿任意方向循行一周，其电位升等于电位降。或，电压的代数和为 0。,回路 a-d-b-c-a,即：,或：,列写KVL方程的步骤：,标出回路中各段电压和电流的参考方向；选定一个回路方向；,沿回路巡行一周，若电压（电流）与回路方向一致，取正； 相反，取负；,回路 a-b-c-a,回路 a-b-
14、d-a,KVL也适合于开口电路。,基尔霍夫电压定律的扩展,1.3 电路的分析方法,电路分析通常是已知电路的结构和参数，电路中的基本物理量。分析的依据是电路的基本定律。,对于简单电路，通过串、并联关系即可求解。如,对于复杂电路（如下图）仅通过串、并联无法求解， 必须经过一定的解题方法，才能算出结果。,如：,未知：各支路电流,解题思路：根据电路的基本定律，列节点 电流和回路电压方程，然后联立求解。,1.3.1 支路电流法,已知：电路结构和参数,关于独立方程式的讨论,问题：在用基尔霍夫电流定律或电压定律列方程时，可以列出多少个独立的KCL、KVL方程？,3条支路；2个节点；3个回路，2个网孔,KCL
15、方程：,节点a：,节点b：,KVL方程：,独立方程只有 1 个,#1：,#2：,#3：,独立方程只有 2 个,设：电路中有N个节点，B个支路,N=2、B=3,小 结,用支路电流法解题步骤,1. 对每一支路假设一未知电流（I1IB）；,4. 解联立方程组，得 I1IB 。,2. 列N-1个节点电流方程；,3. 列 B -（N-1）个回路（取网孔）电压方程；,设：电路中有N个节点，B个支路,节点a：,列3个独立KCL方程,节点c：,节点b：,节点数 N=4 支路数 B=6,列3个独立KVL方程（网孔）,电压、电流方程联立求得：I1I6,是否能少列 一个方程?,N=2 B=3,支路电流未知数少一个：
16、,支路中含有恒流源的情况,I1+6=I,解得： I = 4A I1 = -2A,2I1+4 I =12,支路电流法的优缺点,优点：支路电流法是电路分析中最基本的 方法之一。只要根据KCL、KVL、 欧姆定律列方程，就能得出结果。,缺点：电路中支路数多时，所需方程的个 数较多，求解不方便。,手算时，适用于支路数较少的电路。,未知：各节点电压,已知：电路结构和参数,节点电压：任意选择电路中的某个节点为参考节点，其他节点与此参考节点之间的电压称为节点电压。,1.3.2 节点电压法,解题思路：,（1）指定支路电流的参考方向,（2）除参考节点外，对其余节点列 KCL方程。,（3）用节点电压来表示支路电流
17、， 代入KCL方程中，求解。,（4）根据节点电压求解电路中其他 的参数。,用节点电压法求解Uab,以b点为参考节点，对a点列KCL,I1+I2+I3 =0,用节点电压Uab表示支路电流：,代入KCL方程中：,节点电压：,结论：,（1）分母各项总为正，等于与该节点相连的各支 路的电阻的倒数和。,（2）分子各项可为正，也可为负。当与该节点相连的支路包含电压源，电压源的电压与节点电压一致时，为正，反之，为负。若该支路包含电流源，电流源的电流流入节点给正，相反为负。,以b为参考节点：,1.电压源与电流源的等效变换,伏安特性,实际电压源模型,E,1.3.3 电源等效变换法,内阻,串！,E/RO,开路点,
18、短路点,I U ,实际电流源模型,并！,伏安特性,IS,ISRO,开路点,短路点,I U ,内阻,两种电源的等效互换,等效互换的条件：对外的电压电流相等。,I = I Uab = Uab,即：外特性一致,等效变换的注意事项,（1）“等效”是指“对外”等效（等效互换前后对外伏-安特性一致），对内不等效。,例如： 时,RO中不消耗能量,RO中则消耗能量,对内不等效,对外等效,(2) 注意转换前后 E 与 Is 的方向,E与IS方向一致！,(3) 恒压源和恒流源不能等效互换,恒压源和恒流源伏安特性不同！,(4) 在进行等效变换时，与恒压源串联的电阻和与恒流源并联的电阻可以作为其内阻处理。,(5) 串
19、联的恒压源可以合并，并联的恒流源可以合并。,利用电源的等效变换分析电路,变换,合并,简化电路,1、所求支路不得参与变换；,2、与恒压源并联的元件、与恒流源串联的元件对外电路不起作用。,求 I=？,R1,R3,Is,R2,R5,R4,I3,I1,I,IS,R5,R4,I,R1/R2/R3,I1+I3,试求I，I1，Us；并判断20V的理想电压源和5A的理想电流源是电源还是负载？,解：,先求I,将8 的电阻看作外电路，两个10的电阻对求I 没有影响，先将其除去，简化电路图。,而后将电流源（5A，2 )等效为电压源（10V，2 )。,由此求得：,应用电源等效变换来求I：,求I1，Us 时，两个10的
20、电阻应保留。,I1=I+I2=1+20/10=3A,理想电压源的电压和电流的实际方向相反，所以是电源。,Us=8I-20-105=-62V,理想电流源的电压和电流的实际方向相反，所以是电源。,1.3.4 叠加原理,在多个电源同时作用的线性电路中，任何支路的电流或任意两点间的电压，都是各个电源单独作用时所得结果的代数和。,+,概念,+,I1 =,I1 =,证明：,利用支路电流法求解,解得：,I=2A,I“= -1A,I = I+ I“= 1A,电路如图所示，用叠加原理求I=？,应用叠加定理要注意的问题,1. 迭加定理只适用于线性电路中电压电流的计算，不能计算功率；,如图所示电路，已知：,E=12
21、V，IS=10A,R1= R2 = R3 = R4 =1,用叠加原理计算U =？,解：,原图化为：,+,U=101/21=5V,U=12/4=3V,U = U+ U=8V,名词解释,无源二端网络： 二端网络中没有电源,有源二端网络： 二端网络中含有电源,1.3.5 等效电源定理,等效电源定理,有源二端网络用电源模型替代，便为等效 电源定理。,戴维南定理,注意：“等效”是指对端口外（R）等效,有源二端网络用电压源模型等效。,等效电压源的内阻等于有源 二端网络相应无源二端网络 的输入电阻。（有源网络变 无源网络的原则是：恒压源 短路，恒流源开路）,等效电压源的电动势 （E）等于有源二端 网络的开端
22、电压U0,戴维南定理的证明,=,原图（ a ）用叠加原理计算，得,从（ a ）图的戴维南等效电路（ b ）中计算，得,等效！,戴维南定理的应用,应用戴维南定理分析电路的步骤：,1,将待求支路画出，其余部分就是一个有源二端网络；,2,求有源二端网络的开路电压；,3,求有源二端网络的等效内阻；,4,画出有源二端网络的等效电路；,5,将（1）中画出的支路接入有源二端网络，由此电路计算待求量；,等效电源定理中等效电阻的求解方法,求简单二端网络的等效内阻时，用串、并联的方法即可求出。如前例：,不能用简单 串/并联 方法 求解， 怎么办？,求某些二端网络的等效内阻时，用串、并联的方法则不行。如下图：,A,
23、Ro,C,R1,R3,R2,R4,B,D,R0,求 开端电压 Uo 与 短路电流 Is,开路、短路法,已知：R1=20 、 R2=30 R3=30 、 R4=20 E=10V 求：当 R5=10 时，I5=?,等效电路,1）求开端电压UO,2）求输入电阻 RO,3）画等效电路,4）求未知电流 I5,R5=10 ,求：U=?,1）求开路电压Uo,此值是所求结果吗？,2）求输入电阻 Ro,3）画等效电路,4）求解未知电压,诺顿定理：,定义：对外电路来说，任一线性有源二端网络 都可以用一个等效的电流源来替代。,电位的概念：,1.3.6 电位的计算,电位值是相对的,参考点选得不同，电路中其它各点的电位
24、也将随之改变； 电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而改变。,电位和电压的区别,注意,电路如图示：,1、若选A为参考点，则各点电位如下,2、若选B为参考点，则各点电位如下,3、不论A或B为参考点，则各两点间的电压是不改变的。,VA=0,VB = UBA = -60V， VC = UCA = 80V， VD = UDA = 30V,VB=0,VA = UAB = 60V， VC = UCB =140V， VD = UDB = 90V,UAB = VA - VB = 60V,UCB = VC - VB = 140V,UDB = VD - VB = 60V,电位的计算,1、选定参考点；,
25、电位在电路中的表示法,参考电位在哪里？,例：,计算图示电路中的VA。,解：,A,将用电位表示的电路还原为原电路形式；,A点为开路点，不能与参考点连接！,计算A点电位，即计算A=B点到参考点的电压。,B,=2V,小结,一、电流电压的参考方向,在作电路分析之前，必须指明各物理量的参考方向,关联参考方向:,二、电源与负载的判定,1、电压和电流的实际方向,2、功率P的正负（注意参考方向的取向）,功率的平衡方程：P发= P吸,三、理想电路元件,电阻R：,电感L：,在直流电路中，电感元件相当于短路,电容C：,在直流电路中，电容元件相当于断路,理想电压源：U=E I取决于外电路,理想电压源的置零相当于短路,
26、理想电流源：I=IS U取决于外电路,理想电流源的置零相当于断路,四、电路基本定律,欧姆定律：U=IR,基尔霍夫定律：,KCL: I=0（应用于节点或封闭面）,KVL: U=0（应用于回路或部分回路）,五、电路的分析方法,1、支路电流法,解题思路：对电路中的N个节点，B条支路，列出(N-1)独立的KCL方程，B-(N-1)独立KVL方程，联立求解支路电流I1IB 。,理想电流源的电流方向与电压源电动势的方向一致,2、电源等效变换法,1、等效对外电路而言，对电源内部不等效；,2、理想电源之间不能进行等效变换；,所求的支路不能参与变换；,注意,3、叠加原理,1、电源的单独作用： 理想电源置零，保留电源的内阻,2、分量叠加求总量，注意分量的代数值: 分量与总量参考方向一致，为正；相反，为负,4、戴维南定理,等效电压源的参数：,E,大小：有源二端网络的开路电压U0,方向：与开路电压U0的实际方向一致,R0 有源二端网络中的电源置零后，从两个 出线端(A、B)看进去的电阻。,六、电位的概念：,要确定电路中各点的电位必须首先设定参考点。,用电位表示电路图,电路图的还原,电位的大小与参考点的选择有关,电压的大小与参考点的选择无关,小结,