电工电子第一章.ppt

武汉工程大学电工教研室,电工电子技术一 内容二 考核要求三 联系方式Tel:13971035996Email:,返回,武汉工程大学电工教研室,第 1 章 电路的基本基本定律与分析方法,返回,1.1 电路的组成及物理量1.2 电路的基本元件1.3 电路的基本定律 1.4 电路元件的串联与并联1.5 电路的基本工作状态1.6 电路的基本分析方法,目 录,电路的作用（1）电能的传输和转换（2）信号的传递和处理电路的组成（1）电源（2）负载（3）中间环节,1.1 电路的作用与组成部分,返回,中间环节,负载,扩音机电路示意图,信号源（电源）,返回,电路中的物理量,电路中物理量的正方向,物理量的正方向：,物理量的实际正方向,物理量正方向的表示方法,+,_,物理量正方向的表示方法,电压的正方向箭头和正负号是等价的,只用其中之一.,电路分析中的假设正方向（参考方向）,问题的提出：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？,电流方向AB？,电流方向BA？,U1,A,B,R,U2,IR,(1)在解题前先设定一个正方向，作为参考方向；,解决方法,(3)根据计算结果确定实际方向：若计算结果为正，则实际方向与假设方向一致；若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。,(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；,规定正方向的情况下欧姆定律的写法,I与U的方向一致,U=IR,I与U的方向相反,U=IR,规定正方向的情况下电功率的写法,功率的概念：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:,电压电流正方向一致,规定正方向的情况下电功率的写法,电压电流正方向相反,P=UI,吸收功率或消耗功率（起负载作用）,若 P 0,输出功率（起电源作用）,若 P 0,电阻消耗功率肯定为正,电源的功率可能为正（吸收功率），也可能为负（输出功率）,功率有正负,电源的功率,P=UI,P=UI,电压电流正方向不一致,电压电流正方向一致,电路元件的理想化,在一定条件下突出元件主要的电磁性质，忽略其次要因素，把它近似地看作理想电路元件。,为什么电路元件要理想化?,便于对实际电路进行分析和用数学描述，将实际元件理想化（或称模型化）。,1.2 电路的基本元件,返回,手电筒的电路模型,返回,伏-安 特性,线性电阻,非线性电阻,(一)无源元件,电路元件,2.电感 L：,（单位：H,mH,H）,单位电流产生的磁链,电感中电流、电压的关系,3.电容 C,单位电压下存储的电荷,（单位：F,F,pF）,电容符号,有极性,无极性,电容上电流、电压的关系,无源元件小结,理想元件的特性（u 与 i 的关系）,L,C,R,U为直流电压时,以上电路等效为,注意 L、C 在不同电路中的作用,1.电压源,(二)有源元件,主要讲有源元件中的两种电源：电压源和电流源。,理想电压源（恒压源）,特点：(1）无论负载电阻如何变化，输出电 压不变（2）电源中的电流由外电路决定，输出功率 可以无穷大,恒压源中的电流由外电路决定,设:U=10V,当R1、R2 同时接入时：I=10A,例,RS越大斜率越大,电压源模型,伏安特性,U=US IRS,当RS=0 时，电压源模型就变成恒压源模型,由理想电压源串联一个电阻组成,RS称为电源的内阻或输出电阻,理想电流源（恒流源),特点：（1）输出电流不变，其值恒等于电 流源电流 IS；,（2）输出电压由外电路决定。,2.电流源,恒流源两端电压由外电路决定,设:IS=1 A,电流源模型,I=IS Uab/RS,由理想电流源并联一个电阻组成,当 内阻RS=时，电流源模型就变成恒流源模型,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,欧姆定律：流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。,1.3 电路的基本定律,返回,伏安特性,线性电阻伏安特性,非线性电阻伏安特性,当电压和电流的参考方向一致时 U=RI当电压和电流的参考方向相反时 U=RI,注意:,返回,解,返回,解,a点电位比b点电位低12V,n点电位比b点电位低12-5=7V,m点电位比b点电位高3V,于是 n点电位比m点电位低7+3=10V,即 Unm=-10V,由欧姆定律得 RUnmI5,返回,用来描述电路中各部分电压或各部分电流的关系,包括基尔霍夫电流和基尔霍夫电压两个定律。,注,基尔霍夫电流定律应用于结点基尔霍夫电压定律应用于回路,1.3.2基尔霍夫定律,返回,支路：ab、ad、.（共6条）,回路：abda、bcdb、.（共7 个）,结点：a、b、.(共4个）,返回,1.6.1 基尔霍夫电流定律,如图 I1I2I3 或 I1I2I30 即 I0,在任一瞬时，流向某一结点的电流之和应该等于流出该结点的电流之和。即在任一瞬时，一个结点上电流的代数和恒等于零。,返回,解,由基尔霍夫电流定律可列出I1I2I3I402（3）（2）I40,可得 I43A,返回,1.6.2 基尔霍夫电压定律,从回路中任意一点出发，沿顺时针方向或逆时针方向循行一周，则在这个方向上的电位升之和等于电位降之和.或电压的代数和为 0。,U1U4U2U3U1U2U3U40即 U0,返回,上式可改写为 E1E2R1I1R2I20 或 E1E2R1I1R1I1 即 E（RI）,在电阻电路中，在任一回路循行方向上，回路中电动势的代数和等于电阻上电压降的代数和,在这里电动势的参考方向与所选回路循行方向相反者，取正号，一致者则取负号。电压与回路循行方向一致者，取正号，反之则取负号。,注,返回,基尔霍夫电压定律的推广：可应用于回路的部分电路,UUAUBUAB或 UABUAUB,EURI0或 UERI,注,列方程时，要先在电路图上标出电流、电压或电动势的参考方向。,返回,解,由基尔霍夫电压定律可得,（1）UABUBCUCDUDA=0 即 UCD2V,（2）UABUBCUCA0 即 UCA1V,返回,解,应用基尔霍夫电压定律列出 EBRBI2UBE0得 I20.315mA,EBRBI2R1I1US0得 I10.57mA,应用基尔霍夫电流定律列出 I2I1IB0 得 IB0.255mA,返回,1.5.1 电源有载工作,开关闭合,有载,开关断开,开路,cd短接,短路,1.5 电源有载工作、开路与短路,返回,1电压和电流,由欧姆定律可列上图的电流,负载电阻两端电压,电源的外特性曲线,当,R0R时,由上两式得,返回,2.功率与功率平衡,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:,功率平衡：由UER0I得 UIEIR0I2,PPE P,电源输出的功率,电源内阻上损耗功率,电源产生的功率,W为瓦特KW为千瓦,返回,解,例题1.3,返回,E2I1085W,R01I215W,R02I215W,负载取用功率,电源产生的功率,负载内阻损耗功率,电源内阻损耗功率,返回,3.电源与负载的判别,分析电路时，如何判别哪个元件是电源？哪个是负载？,U和I 的参考方向与实际方向一致,U和I的实际方向相反，电流从端流出，发出功率,电源,负载,U和I的实际方向相同，电流从端流入，吸收功率,当,返回,或当,U和I两者的参考方向选得一致,电源 PUI0 负载 PUI0,电源 PUI0 负载 PUI0,U和I两者的参考方向选得相反,4额定值与实际值,额定值是制造厂商为了使产品能在给定的条件下 正常运行而规定的正常允许值,注,在使用电气设备或元件时，电压、电流、功率的实际值不一定等于它们的额定值,返回,解,一个月的用电量 WPt60(W)30(h)5.4kWh,返回,解,在使用时电压不得超过 URI5000.150V,返回,1.5.2 电源开路,特征：I0 UU0E P0,1.5.3 电源短路,特征：U0 IISER0 PEPR0I2 P0,返回,Uab61060VUca20480VUda5630VUcb140VUdb90V,VbVaUba Vb60VVcVaUca Vc80VVdVaUda Vd30V,电路中电位的概念及计算,返回,E,1,=140V,4A,6A,5,20,6,a,b,c,d,E,2,90V,10A,Va=Uab=60VVc=Ucb=140VVd=Udb=90V,结论：（1）电路中某一点的电位等于该点与参考点（电位为零）之间的电压（2）参考点选得不同，电路中各点的电位值随着 改变，但是任意两点间的电位差是不变的。,各点电位的高低是相对的，而两点间电位的差值是绝对的。,注,返回,解,I（VAVC）（R1R2）6（9）（10050）103 0.1mA,UABVAVBR2IVBVAR2I 6（50 103)(0.1 10-3)1V,返回,解,I1I2E1（R1R2）6（42）1AI30VA R3I3E2R2I2 042 1 2V,或 VAR3I3E2R1I1E1 044 162V,返回,在电路中，电阻的联接形式是多种多样的，其中最简单和最常用的是串联与并联。具有串、并联关系的电阻电路总可以等效变化成一个电阻。,所谓等效是指两个电路的对外伏安关系相同,等效,返回,电阻串并联联接的等效变换,如果电路中有两个或两个以上的电阻串联，这些电阻的串联可以等效为一个电阻。,电阻的串联,伏安关系,两个串联电阻上的电压分别为：,式中G为电导，是电阻的倒数。在国际单位 制中，电导的单位是西门子（S）。,上式也可写成,两个或两个以上的电阻的并联也可以用一个电阻来等效。,电阻的并联,两个并联电阻上的电流分别为：,计算图中所示电阻电路的等效电阻R，并求电流 I 和I5。,例题,可以利用电阻串联与并联的特征对电路进行简化,(a),(b),(c),(d),解,由(d)图可知,(c),由(c)图可知,返回,1.6.1支路电流法,凡不能用电阻串并联化简的电路，一般称为复杂电路。在计算复杂电路的各种方法中，支路电流法是最基本的。它是应用基尔霍夫电流定律和电压定律分别对节点和回路列出方程，求出未知量。,返回,一般地说，若一个电路有b条支路，n个节点，可列n-1个独立的电流方程和b-(n-1)个电压方程。,五条支路三个节点,，,数一数：b=6,n=4,我们先来列3个节点电流方程，选a、b、c三个节点,对节点a,解,对节点b,对节点c,b,C,d,a,再来列三个电压方程，选图中的三个回路,对回路abda,a,b,C,d,对回路acba,对回路dbcd,解上面的六个方程得到 的值,我们发现当支路数较多而只求一条支路的电流时用支路电流法计算，极为繁复，下节我们将介绍节点电压法,返回,1.6.2结点电压法,当电路中支路较多，结点较少时可选其中一个结点作参考点，求出其他结点的相对于参考点的电压，进而求出各支路电流。这种方法称为结点电压法。,返回,以上图为例，共有三个结点，我们选取电源的公共端作为参考点，,b,a,通过a、b两点的结点电流方程，分别建立a、b两点的电压方程。,o,六条支路,先列结点的电流方程,a点,b点,b,再看各支路的伏安关系,a,a,b,将各支路电流值代入结点电流方程,得如下方程,令,两方程变为,节点a的自电导,节点b的自电导,节点a、b间的互电导,a,b,汇入a点的恒流源的代数和，流入为正，流出为负。,汇入b点的恒流源的代数和,用结点电压法计算图中各支路的 电流。,，,，,。,，,例题,对于 a 点,对于 b 点,对于 c 点,解得,再根据各支路伏安关系得,a,b,c,，,，,，,。,O,解,返回,1.6.3 叠加原理,对于线性电路，任何一条支路中的电流，都可以看成是由电路中各个电源（电压源或电流源）单独作用时，在此支路中所产生的电流的代数和。这就是叠加原理。,返回,*所谓电路中各个电源单独作用，就是将电路中其它电源置0，即电压源短路，电流源开路。,我们以下图为例来证明叠加原理的正确性。,=,+,同理,由(a)图,由(b)图,由(c)图,(a),(b),以 为例通过计算,(c),=,=,+,(a),(b),由(a)图,由(b)图,解,从数学上看，叠加原理就是线性关系的可加性。所以功率的计算不能用叠加原理。,注意,返回,1.6.4 电压源与电流源等效变换,一个电源可以用两种不同的电路模型来表示。用电压的形式表示的称为电压源；用电流形式表示的称为电流源。两种形式是可以相互转化的。,返回,任何一个实际的电源，例如发电机电池或各种信号源，都含有电动势E和内阻,可以看作一个理想电压源和一个电阻的串联。,电压源,等效电压源,根据电压方程,作出电压源的外特性曲线,电源除用电动势 E 和内阻 串联的电路模型表示以外，还可以用另一种电路模型来表示。,电流源,图中负载两端电压和电流的关系为,将上式两端同除以 可得出,令,则有,我们可以用下面的图来表示这一伏安关系,负载两端的电压 和电流没有发生改变。,等效电流源,当 时，这样的电源被称为理想电流源也称恒流源。理想电流源的特点是无论负载或外电路如何变化，电流源输出的电流不变。,一般不限于内阻，只要一个电动势为E的理想电压源和某个电阻R串联的电路，都可以化为一个电流为 的理想电流源和这个电阻并联的电路。,具体步骤如下,解,下页,返回,1.6.5 等效电源定理,计算复杂电路中的某一支路时，为使计算简便些，常常应用等效电源的方法。其中包括戴维宁定理和诺顿定理。,返回,先说说有源二端网络的概念,有源二端网络，就是具有两个出线端的部分电路,其中含有电源。,有源二端网络,任何一个线性有源二端网络都可以用一个电动势为 的理想电压源和一个电阻 的串联来等效。电压源的电压等于有源二端网络的开路电压，即将负载断开后a、b两端之间的电压。所串电阻 等于该有源二端网络除源后所得到的无源网络a、b两端之间的等效电阻。,等效电压源,戴维南定理,戴维南定理的证明,=,+,电流源置0,最后得到,再利用叠加原理,用戴维南定理计算例2.3.1中的电流。,例题,a,b,解,/,/,任何一个有源二端线性网络都可以用一个电流为 的理想电流源和内阻为 并联的电源来代替。理想电流源的电流就是有源二端网络的短路电流，即将a、b 两端短接后其中的电流。等效电源的内阻 等于有源二端网络中所有电源均除去后所得无源网络a、b之间的等效电阻。,诺顿定理,诺顿定理的证明,a、b两端短接后，,为其中的短路电流,用诺顿定理计算例 2.6.1中电阻 上的电流。,例题,(a),(b),由(a)图计算得到短路电流,由(b)图得到,解,返回,1.6.6非线性电阻电路的分析,如果电阻是一个常数，即不随电压或电流变动，那么这种电阻就称为。,线性电阻,非线性电阻,如果电阻不是一个常数而是随着电压或电流变动，那么这种电阻就称为。,返回,线性电阻两端的电压和电流遵循欧姆定律，即,线性电阻的伏安特性曲线,白炽灯丝的伏安特性曲线,半导体二极管的伏安特性曲线,我们通过实验作出伏安特性曲线来表示非线性电阻两端的电压与电流的关系。,非线性电阻有两种表示方式,静态电阻,动态电阻,工作点,Q,I,U,分析与计算非线性电阻电路时一般采用图解法。,非线性电阻的电路符号,先列出电压方程,作出直线,Q,电路的工作情况由上式表示的直线与非线性电阻元件R的伏安特性曲线I（U）的交点Q确定,I,U,在图所示的电路中，D是半导体二极管，其伏安特性曲线如图所示。用图解法求出二极管中的电 流 I 极其两端电压 U，并计算其他两个支路中的电流 和。,I(mA),U(V),例题,利用戴维南定理将二极管以外的电路化为一个等效电源,解,/,作出直线,其与二极管伏安特性曲线的交点即为Q点,I(mA),U(V),Q,I=1.4mA,U=0.6V,I,U,*1.6.7受控电源电路的分析,我们以前用到的电源属于这一类。如果电压源的电压和电流源的电流受其他部分的电流或电压控制，这种电源称为受控电源。,受控电源,返回,下面是四种理想受控电源的模型,压控压源（VCVS）,流控压源（CCVS）,压控流源（CCCS）,流控流源（CCCS）,下面我们将用学过的几种方法解含有受控源的电路问题,受控电流源,控制量,解,1,支路电流法,按基尔霍夫定律列出方程,解得,求图示电路中的电压,例题,解,2,节点电压法,选O点为零参考电位，,a,因,解得,O,列出 a 点的电压方程,求所示电路中的电压U。,例题,+,3,叠加原理（简述方法）,解,受控源需保留,=,4 用戴维南定理解例2.7.3,解,I=4mA,例题,外加电压源,返回,结 束,第 1 章,返回,