电工与电子技术基础 第2章直流电路电子教案ppt课件.ppt

电工与电子技术基础（第2版）电子教案,主 编 刘莲青 王连起,中等职业学校教学用书（电子技术专业）,第2章 直流电路,2.1 电路及工作状态2.2 欧姆定律2.3 基尔霍夫定律2.4 电阻的串联与并联2.5 电路的功率与电能2.6 电路中各点电位的计算2.7 戴维南定理2.8 戴维南等效电源参数测定实验,2.1电路及工作状态,2.1.1 电路和电路图 2.1.2 电路的工作状态,2.1.1 电路和电路图,电路是电流所流经的路径，它由电路元件组成。在电路中可以实现能量的传输和转换，信号的传递和处理。组成电路的元件种类很多，但大体分为三类基本元件，即电源、负载和导线。,为了便于分析、研究电路，通常将电路的实际元件用图形符号表示，在电路图中画出与实际电路相对应的电路图。,表2-1 常用电路元件符号,在电路中，只有两个端点与电路其它部分相连的无分支电路叫做支路；3条支路以上的连接点称为节点；由支路组成的闭合路径叫回路。如图示电路中共有3条支路，2个节点和3个回路。,2.1.2 电路的工作状态,电路在不同的工作条件下其状态也不同，并具有不同的特点，通常研究如下三种状态。1 额定工作状态各种电气设备的电压、电流及功率都有一个使用规定值，它表示设备正常工作条件和工作能力，通常将这些电压、电流及功率值称为“额定值”。按额定值来使用设备可以保证设备的安全和一定的使用寿命，如果在使用中超过设备的额定值将降低设备的使用寿命，甚至会导致设备的损坏。当设备在额定值范围工作时称为额定工作状态，例如常用的白炽灯220V、40W即为电灯的额定电压和额定功率。设备的额定值是由设计、制造部门考虑其使用的经济性、可靠性以及寿命等因素制定。,2 开路状态在图示电路中，当开关S打开时，灯泡与电源断开，电路中没有电流，这时称电路处于开路状态。电路开路时的特点是电路开路点处电流为零。开路有时是由电路故障引起，象实际电路中的断线和脱焊等。,3 短路状态在电路中当一部分电路的两端用电阻可以忽略不计的导线连接起来，称这部分电路被短路。电路短路时的特点是短路点的电压为零。电路短路一般是由故障引起，当电源发生短路时，电流比正常工作电流大得多，时间稍长，便会使设备损坏和引起火灾。所以电源短路是一种严重的事故，应避免发生短路，在电路中可以接入熔断器等短路保护装置，以便在电源被短路时能迅速将电源与短路点切断，使之不酿成灾害。,2.2.1 欧姆定律 2.2.2 欧姆定律的应用,22 欧姆定律,221 欧姆定律 欧姆定律：电阻中的电流与电阻两端电压成正比，而与电阻的阻值成反比。欧姆定律是确定电阻元件两端电压与电流和电阻三者之间的关系，是电路的重要定律。欧姆定律可以用下式表示,I=U/R 式中 I 电流（A）U 电压（V）R 电阻（）,应用欧姆定律时要注意电压与电流参考方向应相同，即关联参考方向；如电压与电流方向相反，电流取负号。,222 欧姆定律的应用,对于任一电阻支路，只要知道电路中电压、电流和电阻这三个量中的任意两个量，就可以由欧姆定律求得第三个量。举以下几例说明欧姆定律的应用。例1 一盏220伏100瓦的电灯，灯泡的电阻是484欧姆，当电源电压为220伏时，求通过灯泡的电流。解：已知电灯的电阻和使用电压，通过灯泡的电流可以由欧姆定律确定，即 I=U/R=220/484=0.455A,例2 手电筒的电池电压为3伏，通过电珠的电流为150毫安，求电珠的电阻。解 已知电压和电流，利用欧姆定律可以求得电珠的电阻为 R=U/I=3/0.15=20,例3 如果人体电阻的最小值为800欧姆，通过人体的电流达到50毫安时，会引起呼吸器官的麻痹，不能自主摆脱电源，试求人体的安全工作电压。解:由欧姆定律可知 U=IR=5010-3800=40V所以人体的安全工作电压应在40伏以下，如24伏、12伏等。,例4 图示电路，已知电源电压为12伏，电阻为2千欧姆，求在图（a）和图（b）指定的参考方向下的电流。,解 在图（a）电路中，电流与电压的参考方向相同，由欧姆定律可知电流 I=US/R=0.006A=6mA在图（b）电路中，电流与电压的参考方向相反，电流表达式应加负号，即 I=US/R=0.006A=6mA电流为负说明电流与电压的方向相反，正负在电路中只代表方向，不代表大小。,2.3 基尔霍夫定律,2.3.1 基尔霍夫电流定律2.3.2 基尔霍夫电压定律,基尔霍夫定律是电路中电压和电流所遵循的基本规律，也是分析和计算电路的基础。2.3.1 基尔霍夫电流定律1.基尔霍夫电流定律任意时刻，流入电路中任一节点的电流之和恒等于流出该节点的电流之和。,对于图中的节点a，在图示各电流的参考方向下，依KCL,有 I1+I3+I5=I2+I4或 I1+I3+I5I2I4=0即 I=0,流入电路中任一节点的电流代数和恒等于零。流入节点的电流前取正号，流出节点的电流前取负号。基尔霍夫电流定律是根据电荷守恒法则得到,也是电流连续性原理的集中表现。,2.基尔霍夫电流定律的应用,用于确定各支路电流的关系。基尔霍夫电流定律不仅适用于电路的任一节点，而且还可以推广应用于电路中任何一个闭合面。例1 如图示的晶体三极管中，对于虚线所示的闭合面，三个电极电流的代数和等于零，即 IB+IC-IE=0,例2 在图示电路中，已知I1=1A，I2=2A，I6=3A，求支路电流I3、I4和I5。,解：首先设定各支路电流的参考方向如图中所示，由于部分支路电流已知，根据KCL，有 I4=I1+I6=1+3=4A I5=I4I2=42=2A I3=I6I5=32=1A,2.3.2 基尔霍夫电压定律(1)基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律可以确定电路任一回路中各部分电压之间的相互关系。基尔霍夫电压定律指出：对于电路的任一回路，沿任一方向饶行一周，各元件电压的代数和等于零，即 U=0,应用基尔霍夫电压定律时，首先选定回路的饶行方向，回路中元件电压方向与饶行方向相同者取正号，反之取负号。例如图示电路，共有三个回路，如果选择顺时针方向为各回路的方向，由基尔霍夫电压定律可以列出各回路电压方程如下回路1 U1U3US1=0回路2 U2US2U3=0回路3 U1U2US2US1=0,根据欧姆定律，式中的电阻电压可以用电阻与电流的乘积表示，即 U1=I1R1 U2=I2R2 U3=I3R3 基尔霍夫电压定律是能量守恒定律在电路中的体现，因为电压为电位之差，电位的升高使电荷获得能量，而电位的降低使电荷失去能量；根据能量守恒定律可知，在一个回路中，电荷得到的能量应与失去的能量相等，在电路中则体现为基尔霍夫电压定律的形式。,2.KVL的应用,用于确定各支路电压的关系。,例1 图示电路，部分电压与电流已知，求UR4、I2、I3、R4及US的值。,解：设左边网孔绕行方向为顺时针方向，依KVL,有 US+2I1+10=0即 US=8+10=18V UR4=US246=4V I3=6/3=2A R4=UR4/I3=2由KCL I2=I1I3=2A,例2 图示电路，A、B端开路，已知电源US1=24V、US2=12V，电阻R1=10 k、R2=20k、R3=5k、R4=5k，求开路电压UAB。解 利用基尔霍夫电压定律也可以求出电路开路处的电压，取中间回路方向为顺时针方向，列出回路电压方程 UABI2R4I1R2=0而电流 I1=US1/(R1+R2)=0.8mA I2=US 2/(R3+R4)=1.2mA开路电压 UAB=I1R2I2R4=0.8201.25=10V,2.4 电阻的串联与并联,2.4.1 电阻的串联与分压 2.4.2 电阻的并联与分流 2.4.3 电阻的混联,2.4.1 电阻的串联与分压,1.电阻的串联在电路中,把几个电阻元件依次首尾连接起来,中间没有分支,在电源的作用下流过各电阻的是同一电流。这种连接方式叫做电阻的串联。,2.串联电阻电压电流关系及等效电阻(1)电路电压电流关系由KVL可知 U=U1+U2+U3=(R1+R2+R3)I=R I(2)等效电阻 RR1+R2+R33.串联电阻分压关系 U1=R1I=R1(U/R)U2=R2I=R2(U/R)U3=R3I=R3(U/R),电压之比等于电阻之比。,分压公式,两个电阻串联时,例1 图示分压器电路，已知Ui=12V，R1=350，R2=550，Rw=270，调节可变电阻Rw的滑动端C由A到B，求输出电压UO的变化范围。解 由串联分压原理可知，当可变电阻的滑动端C到达A时，输出电压为最大值，即,当滑动端C到达B时，输出电压为最小值，即,所以分压器的输出电压UO的变化范围在5.6V8.4V之间。,例2 有一块量程为250V的电压表，其内阻是250k。现用其测量450V左右的电压，应如何扩大该电压表的量程。,由此可得分压电阻 RF=,=,解 根据串联电阻分压原理，可以给电压表串联一个电阻，让串联电阻分得一部分电压，从而使电压表所承受的电压不大于它的量程250V。为了能够测量450V的电压，可以将电压表的量程扩大到500V，分压电阻所承受的最大电压为250V。设电压表的内阻为RV，串联分压电阻为RF，其电路如图示。,根据分压关系可知 UF/UV=RF/RV=250k所以，此电压表串联一个250 k的电阻，就可以测量500V以下的电压。在测量时，实际加在电压表上的电压，只是被测电压的一半，所以应将电压表的读数乘以2，才是被测量电压的实际值。,2.4.2 电阻的并联与分流,1.并联 将几个电阻元件连接在两个节点之间称为并联，并联特点是各电阻的电压相同。图示为三个电阻并联。,2.并联等效电阻及分流关系(1)并联等效电阻,并联电阻的等效电导等于各并联电导之和。,并联等效电阻的倒数等于各并联电阻的倒数之和。,(2)分流关系,电流之比等于电导之比。,分流公式,两个电阻并联时,例 用一个满刻度偏转电流为50A,，内电阻Rg为2k的表头制成量程为 50mA的直流电流表,应并联多大的分流电阻Rf?解:由分流关系可知 Ig=50A，Rg=2000，I=50mA,Rf=2.002,1.混联既有电阻串联又有电阻并联的电路称为电阻混联电路。对于电阻混联电路，可以应用等效的概念，逐次求出各串、并联部分的等效电路，从而最终将其简化成一个无分支的等效电路，通常称这类电路为简单电路；若不能用串、并联的方法简化的电路，则称为复杂电路。,2.化简方法混联电路的花简方法可以归纳为三步设电位点；(2)画直观图；(3)利用串、并联方法求等效电阻。,2.4.3 电阻的混联,例 图示电路，已知电源电压US=8V，内阻R0=0.5，R1=3.5，R2=12，R3=6，求电路的总电流I及支路电流I1、I2。解 因为R0与R1串联，R2与R3并联，可以先分别求出其等效电阻。R0与R1串联的等效电阻 R01=R0+R1=0.5+3.5=4R2与R3并联的等效电阻 R23=R2R3/（R2+R3）=4电路的总等效电阻 R=R01+R23=4+4=8电路的总电流 I=US/R=1A 由分流公式可得 I1=IR3/（R2+R3）=1/3A I2=IR2/（R2+R3）=2/3A,2.5 电路的功率与电能,2.5.1 电功率2.5.2 电能,2.5.1 电功率,电功率是单位时间内电场做的功，简称功率。电路中电阻两端的电压为U，通过的电流是I，由电压、电流的定义可知：电压是电场力移动单位正电荷所做的功，电流是单位时间内通过电阻的总电量。因此，单位时间内电场在电阻上做的功应为电压与电流的乘积，即 P=UI式中 P为电功率,当电压U的单位为伏特，电流I的单位是安培时，电功率的基本单位是瓦特（W）。,大功率的设备常用千瓦作单位，小功率的用毫瓦作单位，其换算关系如下 1kW=103W 1mW=103W由欧姆定律可知电阻的功率还可以用下式表示 P=UI=I2R=U2G 电阻中消耗的功率与电阻的大小及电阻的电压或电流有关。,例:一只220V、100W的灯泡，当接到电压为220V的电源时，通过的电流为多大？灯泡的电阻少？如果将此灯泡接到110V的电源时，灯泡的功率为是多大？解（1）灯泡的电流及电阻为 I=P/U=100/220=0.455A R=U/I=220/0.455=484(2)将灯泡接到110V电源时，灯泡的电阻不变，其功率为 P=U2/R=25W 电压减小一半，功率降至四分之一。,2.5.2 电能,电灯、电动机及各种电器的功率只表示其工作能力，而完成的工作量，不仅取决于功率，而且还与工作时间的长短有关。因此，电能是表示电场在一段时间内所做的功。即 W=Pt 式中 P功率，以千瓦为单位；t时间，以小时为单位；W电能，其单位是千瓦时（kWh）1千瓦时就是平常所说的1度电。象40W的电灯，工作25小时，消耗1度的电能。,例:一台10kW电动机，每天工作8小时，求一个月30天的用电量。解:电动机每天的用电量为 W1=Pt1=108=80kWh 电动机30天的用电量为 W=W130=8030=2400kWh,2.6 电路中各点电位的计算,1.电位及参考点电路中每一个点都有一定的电位，就如同空间每一处都有一定的高度一样。在电路中要求得某点的电位值，必须在电路中选择一个参考点，这个参考点叫零电位点。参考点可以任意选择,但一经选定,各点电位的计算即以参考点为准。在电工技术中，为了工作安全，通常把电路的某一点与大地连接，称为接地，接地点即为电路的参考点。参考点的电位为零,参考点处用符号“”表示，电路的接地点就是电位等于零的参考点，它是分析电路中各点电位高低的比较标准。,2.电位的计算,(1)电位计算电路各点的电位就是该点到参考点的电压；所以计算电位的方法与计算电压的方法完全相同。而电路任意两点间的电压等于这两点的电位的差。,(2)电位计算举例,例 图示电路，已知US1=14V、US2=12V、R1=2、R2=3，求以接地点为参考点时a、b、c、d各点的电位。,解 以d 点为参考点，所以 Vd=0V Va=Uad=US1=14V Vc=Ucd=US2=12V由基尔霍夫电压定律可以求得电流 I=（US1-US2）/（R1+R2)=0.4Ab点的电位为 Vb=Ubd=IR2+US2=0.43+12=13.2V,2.7 戴维南定理,2.7.1 二端网络 2.7.2 戴维南定理,在电路分析中，有时只需要计算某一支路的电压或电流，此时若把这一支路以外的电路用一个等效电源代替，电路将化简为单回路的电路，使电路计算变的简化。这就是戴维南定理要解决的问题。,271 二端网络 凡是只有一个输入端口或输出端口的电路叫做二端网络。二端网络内不含电源的称为无源二端网络，如图1（a）所示，在电路分析中无源二端网络常用图1（b）表示，电阻元件可视为无源二端网络的特例；二端网络内含有电源的叫做有源二端网络，如图2（a）所示，一般用图2（b）表示，电源就是最简单的有源二端网络。,图1,图2,2.7.2 戴维南定理 戴维南定理指出：任何一个如图（a）所示线性有源二端网络，对外部电路而言，都可以用图(b)所示一个电压源与电阻串联的电路等效代替。其中等效电源的电压为有源二端网络的开路电压UOC；电压源的内阻等于原有源二端网络内所有电源等于零，即电压源短路时无源二端网络的等效电阻R0。,利用戴维南定理可以将一个复杂电路简化为一个简单电路，尤其是只需要计算复杂电路中某一支路的电流或电压时，应用此定理更为简便，而待求支路既可以是无源支路也可以是有源支路。现举例说明戴维南定理的应用。,例 图(a)所示电路，求10电阻支路的电流。,解 此电路是一个复杂电路，求一条支路的电流，用戴维南定理方便。首先将10电阻支路摘除，原电路变为图（b）所示有源二端网络，由基尔霍夫电压定律可知有源二端网络的开路电压 UOC=12V令网络中所有的电源等于零，电路变为图（c）所示无源二端网络，求出等效电阻 R0=2,用等效电源代替有源二端网络，接入10电阻支路，电路化简为单回路电路，运用基尔霍夫电压定律可得10电阻支路电流 I=UOC/R0=1A,在实际电路中，等效电源的电压和内阻，也可以通过实验的方法求得，其步骤如下（1）用高内阻的电压表测量有源二端网络的开路电压UOC，作为等效电源的电压，如图（a）所示。（2）用低内阻的电流表测量有源二端网络的短路电流ISC，如图（b）所示。（3）由测得的UOC和ISC计算等效电源的内阻 R0=UOC/ISC,如果等效电源的内阻较小，则短路电流较大，此时应将一个已知电阻R与电流表串联后再接入电路进行测量，如图示。这时等效电源的内阻 R0=UOC/ISCR,2.8戴维南等效电源参数测定实验,2.8.1 实验目的2.8.2 预习要求2.8.3 实验仪器及设备2.8.4 实验内容与步骤2.8.5 注意事项,2.8.1 实验目的,1通过实验验证以加深理解戴维南定理。2学习戴维南等效电源参数的测量方法。3进一步学习正确使用常用电工仪器和仪表。,2.8.2 预习要求,1.理解戴维南定理的具体内容。2.据实验电路图示的给定参数，用戴 维南定理计算出电路A、B点之间的开路电压Uo、等效电阻Ro 和短路电流Is，填入表中。,2.8.3 实验仪表及仪器,2.8.4 实验内容与步骤,1测量有源二端网络的外特性（1）在戴维南定理实验板上，按图示实验电路接入稳压电源ES、恒流源IS 及可变负载电阻RL。将ES 调至12V，IS 调至10mA。注意稳压源的输出不允许短路，恒流源的输出不允许开路。,（2）按下表的要求调节电位器RL，用万用表的电阻档以及直流数字电压表、直流数字毫安表，分别读取5组电阻值及相应的电压值与电流值，填入表中。,根据伏安测量法，利用外特性关系曲线，计算出有源二端网络（AB端左侧）的开路电压Uo、效电阻Ro 及短路电流IS（IS=Uo/Ro）之值，将结果填入表中,2测定戴维南等效电源的外特性（1）利用表的等效参数，构造戴维南等效电路，如图示，其中Uo由稳压电源提供，Ro 由一只470的电位器调节。图示为戴维南等效电路。,（2）调节电位器RL，测出与表中阻值相同的5组电压UAB及电流I 的数据填入表中。,由实验数据按一定比例尺作出戴维南等效电源的外特性曲线。,1.5.5 注意事项,1.要正确使用万用表。为了安全，每次测完，均应将其关掉或将其旋钮置于高压档，以免不慎误用电阻档或电流档去测电压，发生损坏仪表的事故。2.接入仪表时，注意极性。,本章小结,1.电流流经的路径叫电路，电路由电源、负载和连接导线构成。电路有三种工作状态，即额定工作状态、开路状态和短路状态，开路的特点是开路点的电流为零，短路的特点是短路点的电压为零。2.欧姆定律说明了电阻中电压和电流关系的客观规律，基尔霍夫电流定律确定了节点上各支路电流的关系，基尔霍夫电压定律确定了回路中各支路电压的关系。欧姆定律和基尔霍夫定律是分析电路的基础。3.电阻的串联与并联是电路的基本联接形式，串联的特点是各电阻中的电流相同，具有分压的作用；并联的特点是各电阻上的电压相同，具有分流的作用。,4.电路的功率为单位时间内电场做的功，电能是电场在一段时间内所做的功，其大小等于电压与电流的乘积，电阻是消耗电能的元件。5.电位是电子电路中常用的概念，计算某点的电位就是计算该点到参考点的电压。在电路中各点的电位随参考点选择不同而变化，但任意两点之间的电压是不变的。6.在分析复杂电路中某一条支路的电压、电流时，可以将该支路以外的有源二端网络用一个等效电源代替，其等效电源的电压为有源二端网络的开路电压，内阻为有源二端网络中所有电源等于零时无源二端网络的输入电阻。,