电子电路基础第1章直流电路.ppt

主讲 冼立勤,电子技术基础,绪论,电子技术是一门研究电子器件及其应用的科学技术。,一、什么是电子技术?,以电子器件的更新换代为标志！电子学近百年发展史上三个重要里程碑：1904年电子管发明（真正进入电子时代）1948年晶体管问世1958年集成电路出现(SSI、MSI、LSI、VLSI),二、发展历程：,1第一代电子器件电子管 1904年，弗莱明发明了电子管，是电子学发展史上第一个里程碑。用电子管可实现整流、稳压、检波、放大、振荡、变频、调制等多种功能电路。电子管体积大、重量重、寿命短、耗电大。世界上第一台通用数字计算机用1.7万只电子管，占地170m2，重30吨。,2第二代电子器件晶体管 1947年，贝尔实验室的肖克利等发明了半导体三极管，其性能明显优于电子管，从而大大促进了电子技术的应用与发展。晶体管的发明是电子学历史上的第二个里程碑。尽管晶体管在体积、重量等方面性能优于电子管，但由成百上千只晶体管和其他元件组成的分立电路体积大、焊点多，可靠性差。,3第三代电子器件集成电路 1958年，德州仪器公司的基尔比发明了第一个集成电路。集成电路的发展促进了电子学、特别是数字电路和微型计算机的发展，人类社会开始迈进信息时代。集成电路按集成度可分作小规模集成电路（SSI）102 中规模集成电路（MSI）103大规模集成电路（LSI）104 超大规模集成电路(VLSI)105 例如，CPU芯片P6内部就封装了550万只晶体管。,三、电子技术的应用：渗透到社会生产和生活的一切领域。例如：数字计算机、传真机、手机、卫星通讯设备、网络设备、家庭音响、数字相机、录象机、电视机,掌握基本概念、基本电路、基本分析方法。具有能够继续深入学习和接收电子技术新发展的能力，将所学知识用于本专业的能力。,课程目的,怎样学好电子技术基础,努力学习，独立思考，善于提问注重分析问题能力和解决问题能力的培养。,参 考 书：1、李瀚荪简明电路分析基础高等教育出版社2、童诗白、华成英模拟电子技术基础高等教育出版社3、康华光：电子技术基础-模拟部分高等教育出版社4、James W.Nilsson,Susan A.Riedel电路电子工业出版社5、Krenz J.H电子学原理电子工业出版社答疑地点：主楼1018房间；答疑时间：周二14:30-16:30；交作业时间：单周周二上课铃响之前。,主要内容:1 电路与电路模型;2 电路变量;3 电路基本元件;4基尔霍夫定律;5 电路的系统分析法：节点电压法；6 叠加定理 7 等效电源定理,第一章 直流电路,1.1 电路和电路模型,1）电路：由某些电气设备或元器件按一定方式连接起来的电流通路称为电路。简单电路如手电筒，包括电池、灯泡、开关及连线,电源：向电路提供电能或电信号的器件。负载：吸收电能或接受电信号的器件。传输控制器件：电路中的导线和开关等。,2）电路模型：为了对实际电路进行分析研究，把各种各样的实际电路元件根据其主要物理性质，抽象成理想化的电路模型元件，这些元件包括耗能元件：电阻；储能元件：电感、电容；电源元件：电压源、电流源；受控源等。,复杂的电路如超大规模集成电路、通信网络、自动控制系统等。,集总参数元件:每一个具有两个端钮的元件中有确定的电流，端钮间有确定的电压。,集总参数电路:由集总参数元件构成的电路。,一个实际电路要能用集总参数电路近似，要满足如下条件：即实际电路的尺寸必须远小于电路工作频率下的电磁波的波长。,在电场的作用下，电荷有规则的定向移动形成电流，我们把单位时间内通过导体横截面的电荷量定义为电流强度。,电流和电流的参考方向,实际方向：规定正电荷的运动方向。,参考方向：在分析和计算电路时往往任意选定某一方向作为电流的正方向，也称参考方向。,1.2 电路变量,图示电路表示电流参考方向为从a流向b。,电流代数值是在指定参考方向下的数值。,*参考方向与实际方向的关系 在规定的参考方向下，若计算结果 I 0 参考方向与实际方向一致 I 0 参考方向与实际方向相反,电场力把单位正电荷从a点移到b点所作的功定义为a、b两点间的电压。,实际方向：高电位指向低电位。,参考方向：任意选定某一方向作为电压的正方向，也称参考方向。,、电压和电压的参考方向,2）电压参考方向可用+、符号表示，也可以用带箭头线表示，如图所示。,电路描述和计算时，首先要设定电压电流的参考方向，然后才能写出表达式，并进行计算。,*参考方向与实际方向的关系 在规定的参考方向下，若计算结果 U 0 参考方向与实际方向一致 U 0 参考方向与实际方向相反,1.2.3 电功率,直流电路中某器件的功率是电压(伏）和电流（安）的乘积,注意:上式中U、I均需设定参考方向,P=UI 功率的单位是瓦(W),若器件电压电流参考方向一致（称作关联参考方向），如图所示,关联参考方向,P=UI,若器件电压电流参考方向不一致（称作非关联参考方向），如图所示,注意：式中U、I均为对应参考方向下的电压电流代数值。,非关联参考方向,P=UI,功率计算,例1.电路及电压电流的参考方向如图，已知Us=10V,UI=30V，Is=2A,R=10,求电压源、电流源和电阻的功率。,电阻功率：PR=URI=20(2)=40 W（消耗功率）电压源功率：PU=USI=10(2)=20 W（消耗功率）电流源功率：PI=UIIS=302=60 W（发出功率）,解：I=Is=2A UR=IR=210=20V,1.3、电路基本元件,1.电阻元件：电阻是消耗电能的无源二端元件，用字母 R 来表示，单位为欧姆（）。实际器件如灯泡，电热丝，电阻器等均可表示为电阻元件。,伏安特性是用图形曲线来表示电阻端部电压和电流的关系，当电压电流成比例时（特性为直线），称为线性电阻，否则称为非线性电阻。,1.3.1 无源元件,线性电阻的电压电流特性符合欧姆定律 U=RI,1）电容元件是储存电场能量的无源二端元件，用字母 C 来表示，其单位为法拉（F）。,2）电容上储存的电荷 与端电压 uc 之间关系,2.电容元件,1）电感元件是储存磁场能量的无源二端元件，用字母 L 来表示，其单位为亨利（H）。,2）电感的磁通链 与电流 i 之间有=L i,3）当电压和电流取关联参考方向时，有,3.电感元件,、理想有源元件,1.理想电压源 电压源的端电压保持为特定的值，与流过电压源的电流无关。该电压可以是恒定的或随时间按一定规律变化。,右图是电压源的常用符号，Us 表示电压源从正到负有Us 伏压降。,非零电压源不能直接短路，两个不等值的电压源不能并联。当电压源数值Us=0 时，相当于一根短路线。,右图是电流源的常用符号，Is 表示电流源端部流出的电流值。,非零电流源不能开路，两个不等值的电流源不能串联。当电流源数值Is=0 时，相当于电路开路。,2.理想电流源 电流源端部流出一个特定的电流，与电流源端部电压无关，其电流可以是恒定的或随时间按一定规律变化。,3.理想电源的等效变换 等效变换是指，当电路中的某一部分用一个新的电路结构（称等效电路）代替后，电路中其它未被变换部分的电压、电流均保持不变。,理想电源的等效,U=US I R0,理想电压源,实际电压源,、实际电源的模型,I=IS UR0,理想电流源,实际电流源,电压源和电流源的等效替换,对于任意变化的负载电阻R，若RS 和 US 电路时的电压电流与RS 和 IS 电路时完全一样，则在电路计算时，RS 和 US 电路（电压源电路）与RS 和 IS电路（电流源电路）可等效替换。,等效替换条件,左图：U=USIRS,右图：U=IS RS IRS等效的条件：US=IS RS 或 IS=US/RS,=,在电路计算时，与电阻RS串联的电压源US可等效为与电阻并联的电流源IS。等效替换同时适用于独立源和受控源。,例:求i的值.,答案：i=2.5/(5+5)/2=0.125A,受控电源是一些实际电路器件的理想化模型，它们的输出电压和电流受到电路中其它部分电压或电流的控制，故又称非独立电源。受控电源分受控电压源和受控电流源，它们为四端元件。,1.3.4 受控源元件,受控源类型,电流控制电流源(CCCS),含受控源电路计算,例1 图示电路，已知Us=10V,R1=R2=R3=10,=10，求R3上电压为多少？,解：控制变量 I=,R3上电压,受控电压源电压 I=101=10V,1.4 基尔霍夫定律,支路：单个或若干个二 端 元件所串联成的电路。节点：两条以上支路的交 汇点。回路：若干条支路组成的 闭合路径。,6条支路 4个节点？条回路 注意：该电路除上述3条回路外，还可选择多条不同的回路。,支路、节点、回路的概念,KIRCHHOFFS LAW,1.4.1 基尔霍夫电流定律,电路中任一节点电流的代数和为零,其中流出节点的电流取正号，流入节点的电流取负号。,节点1：I1I2I3=0节点2：I3I4I5=0,节点3：I2I4I6=0节点4：I1I5I6=0,Kirchhoffs Current Law(KCL),1.4.2 基尔霍夫电压定律,Kirchhoffs Voltage Law(KVL),回路1：I3 R3 I4 R4Us2=0回路2：Us1I5 R5 I3 R3=0回路3：I4R4 I6 R6 I5 R5=0,把支路电压用支路元件电压来表示，得：,讨论:电路中电压电流的变化遵循两类约束条件:,第二类是元件连接关系(拓扑约束)基尔霍夫定律,第一类是元件特性关系(电压电流关系VCR),利用两类约束条件解复杂电路,右图电路，若电阻和电压源的数值均已知，则由KCL和KVL得方程：,回路1：I3 R3 I4 R4=Us2回路2：I5 R5 I3 R3=Us1回路3：I4 R4 I6 R6 I5 R5=0,由上面6个方程可解出6个支路电流变量。,电阻的串联、并联和串并联,一、电阻串联(Series Connection of Resistors),串联电路的总电阻等于各分电阻之和。,2.电压的分配公式,例 两个电阻分压,二、电阻并联(Parallel Connection),2.并联电阻的分流公式,对于两电阻并联,三、电阻的串并联,R=4(2+(36)=2,1.5 节点电压法,以节点电压作为独立变量，建立节点电压方程，求解节点电压再确定支路电流，称为节点电压法。,电压:两点之间电位差。,电位:电路中某点的电位等于该点到参考点之间的电压，参考点就是零电位点。,电路中某点的电位与参考点的选择有关，而任意两点之间的电压与参考点的选择无关。,1）设电路有n个节点，以其中任一节点作为参考节点，令参考节点的电位为零，则其余各节点相对于该参考点的电位就是节点电压。,节点电压法概述,如图，节点的电压 是U1，节点的电压是 U2。,3）以节点电压作为独立变量，建立节点电压方程，求解节点电压后再确定支路电流，这种方法称为节点电压法。,4）在用节点电压法解题时，对于n个节点，因为已选定一个节点为参考点，则有n-1个独立节点电压变量，必须建立n-1个独立方程才可求解。,2、列出节点电压方程,节点电压方程的形式可由KCL方程导出，对于节点列写KCL方程-I1+I2+I3=0对于节点 列写KCL方程-I3+I4-Is=0,步骤：1、指定参考点，标出各节点位置和有关电压电流的参考方向,对于 I1，该支路电压为：U1=US-R1I1 得 I1=-(U1 Us)/R1=-G1(U1 Us),同理，可写出其余各支路电流 I2=G2U1 I3=G3(U1 U2)I4=G4U2,上式即为节点电压方程。(节点电压方程的实质是KCL表示式)!,3、解节点电压方程 由2个节点电压方程，即可解出2个节点电压，然后根据节点电压和支路电流的关系求出支路电流。,节点法例1（包含纯电压源支路）,例1 如图电路，已知US1=4V，US2=4V，US4=10V，IS3=1A，R1=R4=R5=2，试求支路电流I4。,解：该电路包含一条纯电压源支路，,取纯电压源支路的任一节点为参考节点。设节点3为参考节点，,则节点1的电压可直接得到：U=US2=4V,列出节点2的电压方程为U/R5+(U U US4)/R4+IS3=0,注意：包含一条纯电压源支路的电路，在用节点电压法解题时，参考节点应选为纯电压源支路的任一节点上。,代入数据解得 U=4V I4=(U U US4)/R4=1A,对于节点 列写KCL方程：I5+I4+Is3=0I5=U/R5，I4=(U U US4)/R4,节点法例2,例2 已知R3=2，R4=4，R5=1，R6=6，US1=8V，US2=4V，用节点电压法求支路电流I1和I2。,解：取节点4为参考节点，则有 U=US1，U=US1US2,节点2：,U=8V，U=12VU=4V,I5=U/R5=4AI6=U/R6=2AI4=（U U）/R4=2AI1=I5I6=6AI2=I6 I4=4A,代入数据解得:,节点法例3,例3 已知R3=R4=4，=3，g=1S，IS2=0.5A，用节点电压法求I4的电流。,（包含受控源支路）,1）对于受控源，在用节点法计算时，先把受控源当作独立电源来处理，按一般方法列节点电压方程。,令节点2为参考节点，则节点1的电压为,R4,解得 U1=8V，I4=U1/R4=2A,1.6 叠加定理,线性电路中任一支路电流（电压）等于各个独立源分别单独作用情况下所产生电流（电压）之代数和。,概念,这里分别单独作用是指：电路中其余电压源短路，其余电流源开路。,线性电路：由线性元件和独立源组成的电路。,I2=I21I22U2=U21U22,支路电压和支路电流的叠加,讨论：1、叠加定理中，不起作用的电压源元件短路，不起作用的电流源元件开路：,2、叠加定理计算时，独立电源可分成一个一个源分别作用，也可把电源分为一组一组源分别作用。,3、叠加定理只适合于线性电路，非线性电路的电压电流不可 叠加。,4、无论线性、非线性电路，功率 P 均不可叠加。,设:,显然:,5、电路包含受控源时，每次叠加受控源元件均存在（受控源与电阻器件一样处理)。,求电压U。,例,电路如图所示，已知R1=2,R2=R3=4，R4=8，Is6=1A，为使U1=0V，Us5应为多少？,解：应用叠加定理，当Is6起作用时，R1上电压为,当Us5起作用时，R1上电压为,1.7 等效电源定理,一端口网络一端口网络：具有两个连接端子与外电路相连的部分电路。,无源网络：一端口网络内无独立电源，常用方框加No来表示 一个无源网络。,有源网络：一端口网络内有独立电源，常用方框加Ns来表示 一个有源网络。,无源一端口网络可简化为一等值电阻。,Ro=R1,例：利用串并联方法简化无源网络。,1.7.2 戴维南定理,戴维南定理:任一线性有源一端口网络，对外部特性而言，可以等效为一个电压源Uo和一个电阻Ro 相串联的电路,其中：Uo:等于该一端口网络的开路电压，且电源的正极和开路端口高电位点对应；Ro:等于令该有源一端口网络内所有独立源均为零时所构成的无源一端口网络的等效电阻。,等效电路的开路电压Uo和入端电阻Ro的求解：,1、开路电压Uo：输出端开路，求开路电压；,1）加压法：电路中独立电源拿掉，即电压源短路，电流源开路，外加电压U求输入电流I，,2、入端电阻的求法：,也可对电路加一个电流源I，求输入端电压U，来求入端电阻！,入端电阻为,2）开路短路法,先求开路电压和短路电流，得,例1:,电路及参数如图，求电流I,解1：求开路电压：,例2,求入端电阻，加压法,设外加电压US为3V：,短路电流,1.7.3 诺顿定理,诺顿定理:任一线性有源一端口网络A,对其余部分而言，可以等效为一个电流源Id 和一个电阻 Ro(电导GO)相并联的电路,其中：,如图电路，R0 和U0 已知，负载 R 可变，问当R为多大时它吸收的功率最大？,当R变化时，为求P的最大值，对P求导，并令,解：电阻R 吸收的功率为,1.7.4 最大功率传输,讨论:最大功率传输时,负载能获得最大功率,但系统效率为50%.对于能量传输系统(电力系统),考虑的是系统效率,最大功率传输方式要根据具体情况而定.,基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff,1824-1887）：德国物理学家，1847年提出了两个电路网络中电压和电流约束关系的基本定律。基尔霍夫和欧姆定律构成了电路分析理论的基础。,基尔霍夫,基尔霍夫生于东普鲁士Konigsberg一个律师家庭。18岁就读于Konigsberg大学。他与德国化学家罗伯特本生（Robert Bunsen)在光谱学方面合作，发现了元素铯（1860年）和元素铷（1861年）。基尔霍夫辐射定律也为他增添了荣誉。基尔霍夫在工程界、化学界和物理界都是著名人物。,