电路与电子 第1章：电路的基本概念与定律ppt课件.ppt

电路与电子技术,(电工学I),第1章 电路的基本概念与定律,教 学 目 标,基本概念,基本定律,应 用,电路模型,参考方向,功率平衡,基尔霍夫定律,参考电位,自动控制电路,通信电路,计算机电路,电力传输电路,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第1章 电路的基本概念与定律,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,本章目录,第1章 电路的基本概念与定律,实际电路(由实际电器元件按一定方式连接而成的一个整体,以形成电流通路,从而实现某种特定的功能)都是由电源（或信号源）、负载以及连接电源和负载的中间环节组成。(实际电路举例电灯、电风扇、电磁炉、扩音机等）,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,一、实际电路的组成和作用,1.1 实际电路与电路模型,电路组成,第1章 电路的基本概念与定律实际电路与电路模型,用作电源和负载的连接体，包括导线、开关、控制电路等。,电源的作用,中间环节的作用,为电路提供电能或信号。,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,负载,中间环节,电源,照明电路,第1章 电路的基本概念与定律实际电路与电路模型,实现电能的传输，从干电池到灯泡。,照明电路的作用,实现电能转换为光能、热能、磁场能。,由扩音机的工作原理方框图，可以看出，话筒（麦克风）是电源（信号源），它将声音的振动信号转换为电信号，该电信号经过中间环节（放大电路）放大处理后，传递给扬声器，由扬声器将这放大处理后的电信号还原为比原来大很多的声音，达到扩大音量的作用。,扩音机的工作原理方框图,负载,中间环节,信号源,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第1章 电路的基本概念与定律实际电路与电路模型,实现电能的传输和转换。,电路的作用,实现信号的传递和处理。,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,二、电路模型,电路模型就是由理想化的电路元件组成的电路图。,理想电路元件包括理想电阻元件R、理想电感元件L、理想电容元件C、理想电压源US和理想电流源IS。,第1章 电路的基本概念与定律实际电路与电路模型,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第1章 电路的基本概念与定律实际电路与电路模型,下图电路的电路模型中，干电池属于直流电压源US，用E表示，开关用S 表示，电灯泡用电阻R表示。,?,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第1章 电路的基本概念与定律实际电路与电路模型,下图电路的电路模型中，干电池属于直流电压源US，用E表示，开关用S 表示，电灯泡用电阻R表示。,?,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,1.2 电路中常用的物理量,在电路分析中，基本的物理量主要是电流、电压、电动势和电功率。这些物理量是分析和设计电路的基本指标。,第1章 电路的基本概念与定律电路中常用的物理量,一、电路基本物理量的实际方向,第1章 电路的基本概念与定律电路中常用的物理量,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,电流的方向规定为正电荷的移动方向。但在分析较为复杂的电路时，往往难于事先判断某支路中电流的实际方向。,通常引入参考方向的概念。参考方向又叫假定正方向，简称正方向。参考方向可以任意选定，用“”表示。,电流参考方向的表示方法：,二、电流及其参考方向,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,1.若选定的参考方向与电流的实际方向一致，则电流 为正值，即I0；,2.若选定的参考方向与电流的实际方向相反，则电流为负值，即I0。,注意,第1章 电路的基本概念与定律电路中常用的物理量,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,三、电压和电动势及其参考方向,第1章 电路的基本概念与定律电路中常用的物理量,电压的实际方向规定为从高电位端指向低电位端。,3）双下标表示。如用Uab表示a、b两点间的电压。,电压的参考方向可用三种表示方法：,1）用箭头“”表示，从高电位端指向低电位端；,2）用“+”、“”极性表示。,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,参考方向可以任意选取。,与电流一样，在没标明参考方向时，电压值的正负也是没有意义的。,当参考方向与实际方向相同时，电压值为正值；,当参考方向与实际方向相反时，电压值为负值。,注意,第1章 电路的基本概念与定律电路中常用的物理量,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,电动势,它的实际方向在电源内部由负极指向正极，如下图所示。,电动势描述了电源中外力做功的能力，它的大小等于外力在电源内部克服电场力把单位正电荷从负极移到正极所做的功。,电动势的实际方向是电位升的方向，与电压的实际方向正好相反。电动势的单位也为伏特。,第1章 电路的基本概念与定律电路中常用的物理量,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,关联参考方向,一个元件或者一段电路上的电流和电压的参考方向是可以任意设定的，二者可以一致，也可以不一致。,当电流和电压的参考方向（箭头方向）一致时，称为关联参考方向。如图(a)。,当电流和电压的参考方向相反时，称为非关联参考方向，如图(b)。,(a)关联参考方向,(b)非关联参考方向,第1章 电路的基本概念与定律电路中常用的物理量,U、I 参考方向相同时，,U、I 参考方向相反时，,表达式中有两套正负号：式前的正负号由U、I 参考方向的关系确定；,U、I 值本身的正负则说明实际方向与参考 方向之间的关系。,通常取 U、I 参考方向相同。,U=I R,U=IR,欧姆定律,解：对图（a）有，U=IR,例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。,（a）,（b）,对图（b）有，U=IR,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,四、电功率,电功率可简称为功率。它是单位时间内电路元件所吸收或发出的电能，其值等于该元件上的电压与电流的乘积。,直流电功率用大写字母P 表示，交流电功率用小写字母p 表示，,在国际单位制中，电压的单位为伏，电流的单位为安，功率的单位为瓦特，简称瓦，用字母W表示。,第1章 电路的基本概念与定律电路中常用的物理量,有的元件从电路吸收电能，有的元件向电路发出（提供）电能。,在电压和电流的关联参考方向下，计算出的功率为正值，表示该元件吸收功率；若功率为负值，表示该元件发出功率。若在非关联参考方向下，则正好相反。,第1章 电路的基本概念与定律电路中常用的物理量,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,注意,U、I 参考方向不同，P=UI 0，负载；P=UI 0，电源。,U、I 参考方向相同，P=UI 0，负载；P=UI 0，电源。,根据 U、I 的参考方向之间的关系来判别元件在电路中起电源作用还是负载作用。,已知：U220V,I=1A此元器件是电源还是负载？,解:U、I 参考方向相同，P=UI 220W 0，此元器件是电源。,例1:,已知:若U220V,I=1A,此元器件是电源还是负载？,解:U、I 参考方向相同，P=UI 220W 0，此元器件是负载。,例2:,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,1.3 电阻、电容和电感元件,电阻、电感和电容是三种常用的无源电路元件，它们具有不同的物理性质。当只考虑它们的主要物理性质时，电阻、电感和电容又是三种单一参数的理想化电路元件。,第1章 电路的基本概念与定律电阻、电容和电感元件,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第1章 电路的基本概念与定律电阻、电容和电感元件,一、电阻、电容、电感的串并联,(1)电阻的串并联,电阻串联的特点:1)各电阻一个接一个地顺序相联；,两电阻串联时的分压公式：,R=R1+R2,3)等效电阻等于各电阻之和；,4)串联电阻上电压的分配与电阻成正比。,2)各电阻中通过同一电流；,应用：降压、限流、调节电压等。,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第1章 电路的基本概念与定律电阻、电容和电感元件,两电阻并联时的分流公式：,3)等效电阻的倒数等于各电阻倒数之和；,4)并联电阻上电流的分配与电阻成反比。,电阻并联的特点:1)各电阻联接在两个公共的结点之间；,2)各电阻两端的电压相同；,应用：分流、调节电流等。,(1)电阻的串并联,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第1章 电路的基本概念与定律电阻、电容和电感元件,缩短无元件的导线,化简1,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第1章 电路的基本概念与定律电阻、电容和电感元件,判断题,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第1章 电路的基本概念与定律电阻、电容和电感元件,化简2,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第1章 电路的基本概念与定律电阻、电容和电感元件,第1章 电路的基本概念与定律电阻、电容和电感元件,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,化简3,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第1章 电路的基本概念与定律电阻、电容和电感元件,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第1章 电路的基本概念与定律电阻、电容和电感元件,化简4,缩短无元件的导线,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第1章 电路的基本概念与定律电阻、电容和电感元件,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,(2)电容的串并联,电压与电流为关联参考方向，如图所示。,第1章 电路的基本概念与定律电阻、电容和电感元件,类似地，n个电容并联，其等效电容为:,n个电容串联,其等效电容为:,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,(3)电感的串并联,如果有n个电感串联，如图所示。其等效电感为:,第1章 电路的基本概念与定律电阻、电容和电感元件,类似地，若n个电感并联，等效电感为:,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,1.4 电 源,电源是提供能量或信息的元件或装置。根据电源是以电压还是电流的形式向电路或负载提供能量或信号，可以分为电压源和电流源。,如干电池、稳压电源和信号源等，当接上适当的负载后，电源两端的电压基本保持为额定值，这类电源常称为电压源；,又如光电池等，当接上适当的负载后，电源的输出电流基本保持为额定值，这类电源称为电流源。,第1章 电路的基本概念与定律电 源,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,一、电压源,实际电压源的模型可表示为一个理想电压源US 和一个内部电阻(简称内阻)RO 的串联组合。如图所示。,由图可知，电压源的输出电压U与输出电流I之间的关系为,第1章 电路的基本概念与定律电 源,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第1章 电路的基本概念与定律电 源,由式 可见，电压源的输出电压U 将随输出电流I 的增大而减小，其伏安特性如图所示。,Us,这种输出电压为恒定值的电压源称为恒定电压源，简称恒压源。又称为理想电压源。,理想电压源两个重要特点：,第1章 电路的基本概念与定律电 源,1、理想电压源两端的电压恒定不变，且与流过电源的电流无关（恒压不恒流）。,2、理想电压源输出电流的大小由与其联接的外电路决定。,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,二、电流源,实际的电流源的模型可表示为一个理想电流源IS 和一个内部电阻(简称内阻)RO 的并联组合。如图所示。实际的电流源简称电流源。,由图可知，电流源的输出电流I与输出电压U之间的关系为,第1章 电路的基本概念与定律电 源,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,由上式可见，电流源的输出电流I将随输出电压U的增大而减小，其伏安特性如图所示。,第1章 电路的基本概念与定律电 源,输出电流为恒定值的电流源称为恒定电流源，简称恒流源。又称为理想电流源。,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,理想电流源两个重要特点：,第1章 电路的基本概念与定律电 源,1、理想电流源的输出电流恒定不变，它与电源两端的电压无关（恒流不恒压）。,2、理想电流源两端的电压的大小由与其联接的外电路决定。,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,三、受控电源,前面讨论的电压源和电流源，其电动势和电激流不受电路中其它部分电压或电流的影响，故称这种电源为独立电源。,电路中还有另一类电源，即电压源的电动势和电流源的电激流是受电路中其它部分的电压或电流控制的，这种电源称为受控电源。,受控电源,受控电压源,受控电流源,受电压控制,受电流控制,受电流控制,受电压控制,VCVS,CCVS,VCCS,CCCS,模型如下页图所示。,第1章 电路的基本概念与定律电 源,电压控制电压源(Voltage Controlled Voltage Source),电流控制电压源(Current Controlled Voltage Source),第1章 电路的基本概念与定律电 源,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,VCCS,CCCS,电压控制电流源(Voltage Controlled Current Source),电流控制电流源(Current Controlled Current Source),第1章 电路的基本概念与定律电 源,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,1.6 基尔霍夫定律,对于简单电路，我们可以用欧姆定律来对它们进行分析。对于除简单电路以外的复杂电路，就得运用基尔霍夫定律。基尔霍夫定律揭示了回路中各部分电压之间和结点上各个电流之间的规律。,以下图为例，介绍几个名词术语。,电路中通过同一电流的分支电路称为支路。acb、ab、adb都是支路。对支路来说，含有电源的叫有源支路，不含电源的叫无源支路。,第1章 电路的基本概念与定律基尔霍夫定律,(1)支路：,一个的元器件，或者是几个元器件的串联。（数值不等方向不同的两个电流源不可以串联）,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第1章 电路的基本概念与定律基尔霍夫定律,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,电路中由支路构成的任何闭合路径称为回路。图中acba、adba、acbda都是回路。,电路中不再含有分支电路的回路称为网孔。acbda和adba都是网孔。,通常把包含回路较多的电路称为网络。实际上有时电路和网络两个名词经常通用。,第1章 电路的基本概念与定律基尔霍夫定律,三条或三条以上支路的联接点称为结点。图所示的电路中只有两个结点，即结点a和结点b。,(2)结点：,(3)回路：,(4)网孔：,(5)网络：,支路：电路中的每一个分支。一条支路流过一个电流，称为支路电流。,结点：三条或三条以上支路的联接点。,回路：由支路组成的闭合路径。,网孔：内部不含支路的回路。,例1:,支路图,例2:,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,基尔霍夫电流定律（Kirchoffs Current Law），英文缩写为KCL，它描述了一个结点上各个电流的约束关系。,一、基尔霍夫电流定律,任一瞬时，对电路中的任一结点，流入结点的电流之和等于流出该结点的电流之和。其数学表达式为：I入=I出,电流定律体现的是电流的连续性。电路中任何一点（包括结点在内）均不能堆积电荷。I入-I出=0,这就是说，如果规定流入结点的电流为正，流出结点的电流为负，那么，对电路中的任一结点而言，电流的代数和恒等于零。即,I=0,第1章 电路的基本概念与定律基尔霍夫定律,定律内容：,第1章 电路的基本概念与定律基尔霍夫定律,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,运用KCL时，首先应标定每一支路电流的参考方向。根据各支路电流的参考方向，确定各电流变量前面的正、负号。按上述规定，流入结点的电流取正号，那么流出结点的电流就取负号。,注意,对结点 a：I1+I2I3=0,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,结点C：,上式表明，通过封闭面的电流代数和确实等于零，即KCL适用于广义结点。,将上述3个结点电流方程相加，即得广义结点(圆圈围拢的封闭面)的电流方程,第1章 电路的基本概念与定律基尔霍夫定律,结点A：,结点B：,基尔霍夫电流定律不仅适用于电路中任一结点，也适用于电路中任一假想的封闭面。这个封闭面称为广义结点。,2,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,【例1.6.1】电路如图所示。试求电流表A的读数。,【解】我们可以设想用一个假想封闭面来包围电路的 左边部分，这时进出广义结点的支路只有一条，即 电流表支路，根据基尔霍夫电流定律可知，流过 电流表的电流为零。即电流表A的读数为零。,第1章 电路的基本概念与定律基尔霍夫定律,2A,b,a,+,-,9V,A,1,c,d,0.5,6,1,1.5,亦可以假设右边部分被假象封闭面包围，结论一样。,例1:求Uab,例2:求Uab,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,二、基尔霍夫电压定律,基尔霍夫电压定律（Kirchoffs Voltage Law）,英文缩写为KVL，它描述了一个回路中各支路电压之间的约束关系。,在任一时刻，对于电路中的任一回路，按一定方向沿着回路绕行一周，回路中所有支路电压或元件电压的代数和为零。,其表达式为：U=0,运用KVL列回路方程时，应首先设定回路的绕行方向，并标出各支路或元件上电流、电压的参考方向。当回路内某个电压的参考方向与回路的绕行方向一致时取正号，相反时取负号。,第1章 电路的基本概念与定律基尔霍夫定律,定律内容：,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第1章 电路的基本概念与定律基尔霍夫定律,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,图中，abcd回路以顺时针方向为绕行方向，运用KVL，可以得出,第1章 电路的基本概念与定律基尔霍夫定律,代入 得,第1章 电路的基本概念与定律基尔霍夫定律,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,对于电压源（恒压源），当回路绕行时，先遇到电压源（恒压源）的“”极，E前面为正号，如果先遇到的是电压源（恒压源）的“”极，E前面为负号。当电阻上的电流参考方向与绕行方向相同时，IR前面符号为正号，相反时，IR前面为负号。,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,KVL可应用于任一闭合回路，但也可以推广应用于不闭合回路或某一条支路。,电源的端电压可求得：,第1章 电路的基本概念与定律基尔霍夫定律,例如:对上图所示电路,由KVL，,Uab,+,此时,由KVL得到:,KVL的推广:,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,1.7 电路中电位的计算,在电路分析中，特别是电子电路分析中，除了用电压来讨论问题之外，还经常使用电位的概念来分析电路。因为运用电位的概念来分析和处理，一方面可使电路简化；另一方面可以直接知道电子电路中各点的电位高低，以便了解电子器件的工作状态。,第1章 电路的基本概念与定律电路中电位的计算,电位用符号V表示，如a点的电位表示为Va。任意两点间的电压可以用电位差来表示，如a、b两点间的电压可表示为,第1章 电路的基本概念与定律电路中电位的计算,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,在电路中任选一点为参考点，且设参考点的电位为零，则电路中任一点的电位就等于该点到参考点之间的电压。,注意,电位的计算步骤:1.任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；2.标出各电流参考方向并计算；3.计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。,某点电位为正，说明该点电位比参考点高；某点电位为负，说明该点电位比参考点低。,电压是绝对的，电位是相对的。,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,引入电位概念后，为了简化电路，我们通常不画出电源，只标出各点相对于参考点的电位值。,第1章 电路的基本概念与定律电路中电位的计算,遇到类似这样简便画法的电路，在还不熟悉这种画法时，分析电路前可把电路改画为它的完整画法。,在标着电位的悬空端与参考点(地)之间画一理想电压源，理想电压源的极性和数值应和原来标的电位值一致。,如图所示电路中开关打开时的电路就可画成右图所示的电路，然后再分析计算。,第1章 电路的基本概念与定律电路中电位的计算,具体方法：,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,电路中开关闭合时的电路就可画成右图所示的电路，然后再分析计算。,第1章 电路的基本概念与定律电路中电位的计算,【例1.7.1】如图，分别求开关S断开和闭合时a点的电位。,当开关S断开时，完整的电路如右图所示。,解：,第1章 电路的基本概念与定律电路中电位的计算,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,当开关S闭合时，完整的电路如上图所示，该电路中，两个回路相互独立，互不影响。因此，从右边回路看,第1章 电路的基本概念与定律电路中电位的计算,也可以通过另一条路径求得：,可见，求电位与路径无关。这说明一旦参考点选定，电路中电位具有单值性。如果参考点改变，电路中各点的电位也会改变。即电位是相对于参考点而言的，与参考点有关。但是，电路中任意两点的电压（电位差）是不变的。,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第1章 电路的基本概念与定律电路中电位的计算,思考题:图示电路，计算开关S 断开和闭合时A点的电位VA,解:（1）当开关 S 断开时,（2）当开关闭合时，电路如图（b）,电流 I2=0，电位 VA=0V。,电流 I1=I2=0，电位 VA=6V。,电流在闭合路径中流通,本章结束,