基础知识《电工电子技术基础》.ppt

,第一章 电路的基础知识,第一节 电路的组成及其基本物理量第二节 电路的基本元件第三节 基尔霍夫定律及其应用第四节 二端网络的等效第五节 叠加定理与戴维南定理,返回主目录,第一节 电路的组成及其基本物理量,一、电路的组成,电路是各种电气元器件按一定的方式连接起来的总体。,电路的组成：1.提供电能的部分称为电源；2.消耗或转换电能的部分称为负载；3.联接及控制电源和负载的部分如导线、开关等称为中间环节。,图1-1,电阻、电感、电容的特征,电阻特征:有电流通过时，对电流呈现阻碍作用;电感特征:有电流通过时,在导线的周围产生磁场；电容特征:有电流通过时,在各电极间存在电场。,理想元件,为了便于对电路进行分析和计算，我们常把实际元件加以近似化、理想化，在一定条件下忽略其次要性质，用足以表征其主要特征的“模型”来表示，即用理想元件来表示。,例,“电阻元件”是电阻器、电烙铁、电炉等实际电路元器件的理想元件，即模型。因为在低频电路中，这些实际元器件所表现的主要特征是把电能转化为热能。用“电阻元件”这样一个理想元件来反映消耗电能的特征。,“电感元件”是线圈的理想元件；“电容元件”是电容器的理想元件。,电路模型,由理想元件构成的电路，称为实际电路的“电路模型”。图1-2是图1-1所示实际电路的电路模型。,电路的组成和功能,（1）电路的组成,电路一般由电源、负载和中间环节组成。,电源：,如发电机、电池等，电源可将其它形式的能量转换成电能，是向电路提供能量的装置。,负载：,指电动机、电灯等各类用电器，在电路中是接收 电能的装置，可将其它形式的能量转换成电能。,中间环节：,将电源和负载连成通路的输电导线、控制电路通断的开关设备和保护电路的设备等。,第四页,电路可以实现电能的传输、分配和转换。,（2）电路的主要功能：,电力系统中：,电子技术中：,电路可以实现电信号的传递、存储和处理。,第四页,电路模型和电路元件,电源,负载,负载,实体电路,S,中间环节,电路模型,与实体电路相对应的电路图称为实体电路的电路模型。,第四页,电路模型中的所有元件均为理想电路元件。,实际电路元件的电特性是多元的、复杂的。,R,L,消耗电能的电特性可用电阻元件表征,产生磁场的电特性可用电感元件表征,由于白炽灯中耗能的因素大大于产生磁场的因素，因此L 可以忽略,白炽灯的电路模型可表示为：,理想电路元件的电特性是精确的、惟一的。,第四页,理想电路元件又分有有源和无源两大类,电阻元件,电容元件,理想电压源,理想电流源,无源二端元件,有源二端元件,电感元件,第四页,二、电路中的基本物理量,直流（DC）：大小和方向均不随时间变化的电流。,直流,交流,交流（AC）：大小和方向均随时间变化，且一个周期内的平均值为零的电流。,电流的分类,电流的定义和实际方向,对于直流，若在时间t 内通过导体横界面的电荷量为Q，则电流为,对于交流，若在时间dt 内通过导体横界面的电荷量为dq，则电流瞬时值为,电流的实际方向规定为正电荷运动的方向。,电流的单位：安培（A），千安（kA）和毫安（mA）。,电流的参考方向的引入,参考方向的引入：对复杂电路由于无法确定电流的实际方向，或电流的实际方向在不断的变化，所以我们引入了“参考方向”的概念。,?,电流参考方向的含义,1.参考方向是一个假想的电流方向。,3.i 0，则电流的实际方向与电流的参考方向一致；i 0，则电流的实际方向和电流的参考方向相反。,电压的定义和实际方向,对于直流，电路中A、B两点间电压的大小等于电场力将单位正电荷Q从A点移动到B点所做的功W。即,对于交流，电路中A、B两点间电压的大小等于电场力将单位正电荷dq从A点移动到B点所做的功dw。即,若电场力做正功，则电压u 的实际方向从A到B。,电压的单位：伏特（V），千伏（kV）和毫伏（mV）。,电位,在电路中任选一点为电位参考点，则某点到参考点的电压就叫做这一点（相对于参考点）的电位。当选择O点为参考电位点时，,（1-1）,电压是针对电路中某两点而言的，与路径无关。所以有,（1-2）,电压的实际方向是由高电位点指向低电位点,电压参考方向的标注及含义,参考方向是由A点指向B点,参考高电位端,当u0时，该电压的实际极性与所标的参考极性相同，当u0时，该电压的实际极性与所标的参考极性相反。,建议采用：参考极性标注法,在图1-6所示的电路中，方框泛指电路中的一般元件，试分别指出图中各电压的实际极性,（1）a图，a点为高电位，因u=24V0,所标实际极性与参考极性相同。,各电压的实际极性,例1-1,解,（2）b图，b点为高电位，因u=12V0,所标实际极性与参考极性相反。,（3）c图，不能确定，虽然u=15V0,但图中没有标出参考极性。,关联参考方向,电流参考方向是从电压的参考高电位指向参考低电位,关联,非关联,方向一致,方向不一致,电功率,电功率是指单位时间内，电路元件上能量的变化量。即,在电路中，电功率简称功率。它反映了电流通过电路时所传输或转换电能的速率。,功率的单位：瓦特（W），千瓦（kW）和毫瓦（mW）,功率有大小和正负值,元件吸收的功率,p0，则该元件吸收（或消耗）功率,p0，则该元件发出（或供给）功率,试求如图1-8所示电路中元件吸收的功率。,（1）a图，所选u、i为关联参考方向，元件吸收的功率 P=U I=4（3）W=12 W此时元件吸收功率12W，即发出的功率为12 W。(2)b图，所选u、i为非关联参考方向，元件吸收的功率 P=U I=（5）3W=15 W此时元件吸收的功率为15 W。,例1-2,解,(3)c图，u、i为非关联参考方向，P=U I=42 W=8 W即元件发出的功率为8 W。,(4)d图，u、i 为关联参考方向，P=U I=（6）（5）W=30 W即元件吸收的功率为30 W。,例：求图示各元件的功率.（a）关联方向，P=UI=52=10W，P0，吸收10W功率。（b）关联方向，P=UI=5(2)=10W，P0，吸收10W功率。,一、电阻和电阻元件,物体对电流的阻碍作用，称为该物体的电阻。用符号R 表示。电阻的单位是欧姆（）。,电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件的总称。如电炉、白炽灯、电阻器等。,1-2 电路的基本元件,电导,电阻的倒数称为电导，是表征材料的导电能力的一个参数，用符号G 表示。,电导的单位是西门子（S），简称西。,（1-5）,电阻元件上电压与电流关系,1827年德国科学家欧姆总结出：施加于电阻元件上的电压与通过它的电流成正比。,u=R i(1-6),u=R i(1-7),电阻元件的伏安特性,线性电阻,非线性电阻,电阻元件上的功率,若u、i为关联参考方向，则电阻R上消耗的功率为,若u、i为非关联参考方向，则,p=u i=(R i)i=R,可见，p0，说明电阻总是消耗（吸收）功率，而与其上的电流、电压极性无关。,如图1-9所示电路中，已知电阻R 吸收功率为3W，i=1A。求电压u及电阻R的值。,p=u i=u(1)A=3 W,u=3 V,u的实际方向与参考方向相反,由于u、i为关联参考方向，由式（1-11）,图1-9,例1-3,解,二、电压源,电压源是实际电源（如干电池、蓄电池等）的一种抽象，是理想电压源的简称。,符号,伏安特性,图1-12,电压源的两个特点,无论电源是否有电流输出，U=，与 无关；,开路,接外电路,由 及外电路共同决定。,例,电路如图，已知U s=10 V,求电压源输出的电流。外电路R有两种情况（1）R=5（2）R=10,解,（1）R=5,由电压源特性知，,（2）R=10,三、电流源,电流源也是实际电源（如光电池）的一种抽象，是理想电流源的简称。,符号,伏安特性,电流源的两个特点,电流恒定，即，与输出电压 U 无关；,U 由 及外电路共同决定。,一、几个有关的电路名词,（1）支路：电路中具有两个端钮且通过同一电流的每个分支（至少含一个元件）。,（2）节点：三条或三条以上支路的联接点。,（3）回路：电路中由若干条支路组成的闭合路径。,（4）网孔：内部不含有支路的回路。,1-3 基尔霍夫定律,二、基尔霍夫电流定律（简称KCL）,KCL指出：任一时刻，流入电路中任意一个节点的各支路电流代数和恒等于零，即,KCL源于电荷守恒。列方程时，以参考方向为依据，若电流参考方向为“流入”节点的电流前取“”号，则“流出”节点的电流前取“”号。,在如图1-16所示电路的节点a处，已知=3A，=2A，=4A，=5A，求。,将电流本身的实际数值代入上式，得,3A（2）A（4）A5A=0,据KCL列方程,=14A,例1-4,解,广义节点,广义节点：任一假设的闭合面,=0,由KCL得,两套“、”符号,在公式i=0 中，以各电流的参考方向决定的“、”号；电流本身的“、”值。这就是KCL定义式中电流代数和的真正含义。,三、基尔霍夫电压定律（简称KVL）,KVL指出：任一时刻，沿电路中的任何一个回路，所有支路的电压代数和恒等于零，即,KVL源于能量守恒原理。列方程时，先任意选择回路的绕行方向，当回路中的电压参考方向与回路绕行方向一致时，该电压前取“”号，否则取“”号。,在图1-18所示电路中，已知=3V，=4V，=2V。试应用KVL求电压 和。,方法一,步骤一：任意选择回路的绕行方向，并标注于图中,步骤二：据KVL列方程。当回路中的电压参考方向与回路绕行方向一致时，该电压前取“”号，否则取“”号。,回路：,回路：,例1-5,解,步骤三：将各已知电压值代入KVL方程，得,回路：,回路：,两套“、”符号：在公式u=0 中，各电压的参考方向与回路的绕行方向是否一致决定的“、”号；电压本身的“、”值。这就是KVL定义式中电压代数和的真正含义。,方法二,利用KVL的另一种形式，用“箭头首尾衔接法”，直接求回路中惟一的未知电压，其方法如图1-19所示。,回路：,回路：,将已知电压与未知电压的参考方向箭头首尾衔接,电路如图1-20所示，试求 的表达式。,例1-6,解,电路如图1-21a所示，试求开关S断开和闭合两种情况下a点的电位。,图1-21a图是电子电路中的一种习惯画法，图1-21a可改画为图1-21b。,例1-7,解,（1）开关S断开时,据KVL,（2+15+3）k=（5+15）V,由“箭头首尾衔接法”得,o,或,2）开关S闭合时,四、支路电流法,支 路电流法是以支路电流为未知数，根据KCL和KVL列方程的一种方法。,具有b条支路、n个节点的电路，应用KCL只能列（n1）个节点方程，应用KVL只能列l=b(n1)个回路方程。,支路电流法的一般步骤,1）在电路图上标出所求支路电流参考方向，再选定回路绕行方向。2）根据KCL和KVL列方程组。3）联立方程组，求解未知量。,如图1-22所示电路，已知=10，=5，=5，=13V，=6V，试求各支路电流及各元件上的功率。,（1）先任意选定各支路电流的参考方向和回路的绕行方向，并标于图上。,（2）根据KCL列方程,节点a,（3）根据KVL列方程,回路:,回路:,例1-8,解,（4）将已知数据代入方程，整理得,（5）联立求解得,（6）各元件上的功率计算,即电压源 发出功率10.4W；,即电压源 发出功率1.2W；,即电阻 上消耗的功率为6.4W；,即电阻 上消耗的功率为0.2W；,即电阻 上消耗的功率为5W。,电路功率平衡验证：,可见，功率平衡。,2）=（10.41.26.40.25）W=0,即 P=0（1-12）,可见，功率平衡。,（1-11）,网络是指复杂的电路。网络A通过两个端钮与外电路联接，A叫二端网络，如图1-23a所示。,图1-23,一、二端网络等效的概念,1-4 二端网络的等效,二端网络,等效的概念,当二端网络A与二端网络A1 的端钮的伏安特性相同时，即,则称A与A1 是两个对外电路等效的网络，如图1-23b所示。,图1-23,二、电阻的串并联及分压、分流公式,据KVL得,串联电路的等效电阻,当有n个电阻串联时，其等效电阻为,（1-13）,分压公式,同理,电阻的并联,据KCL得,或,R称为并联电路的等效电阻,当有n个电阻并联时，其等效电阻的为：,（1-15）,用电导表示，即,分流公式,同理,如图1-26所示，有一满偏电流，内阻=1600的表头，若要改变成能测量1mA的电流表，问需并联的分流电阻为多大。,要改装成1mA的电流表，应使1mA的电流通过电流表时，表头指针刚好满偏。,例1-9,解,多量程电流表如图1-27所示。,1 mA挡：,当分流器S在位置“3”时，量程为1 mA，分流电阻为，由例1-9可知，分流电阻,例1-10,，今欲扩大量程 为1 mA，10 mA，,1A三挡，试求电阻、和 的值。,解,1A挡：当分流器S在位置“1”时，量程为1 A，即，此时，与（）并联分流，有,10 mA挡：当分流器S在位置“2”时，量程为1 0mA，即 mA，此时，与（）并联分流，有,电路如图1-28所示，试求开关S断开和闭合两种情况下b点的电位。,（1）开关S闭合前,（2）开关S闭合后,由于,所以,例1-11,解,三、实际电压源和实际电流源的等效变换,和内阻,实际电源都有内阻。理想电源实际上是不存在的。,实际电压源，可以用理想电压源和内阻 串联来建立模型。,实际电流源模型,实际电源都有内阻。理想电源实际上是不存在的。,实际电流源，可以用理想电流源和内阻 并联来建立模型。,等效变换原则,等效原则：对外电路等效，即,等效变换公式,根据等效原则得,试完成如图1-30所示电路的等效变换。,已知 A，=2，则=22 V=4V=2,已知=6V，=3，则=3,例1-12,解,1.电压源从负极到正极的方向与电流源的方向在变换前后应一致。2.实际电源的等效变换仅对外电路等效，即对计算外电路的电流、电压等效，而对计算电源内部的电流、电压不等效。3.理想电流源与理想电压源不能等效，因为它们的伏安特性完全不同。,实际电源等效变换的注意事项,电路化简方法小结,对含源混联二端网络的化简，可根据电路的结构，灵活运用上述方法。,其原则是：先各个局部化简，后整体化简；先从二端网络端钮的里侧，逐步向端钮侧化简。,试用电源变换的方法求如图1-31所示电路中，通过电阻 上的电流。,1.电源转换,例1-13,解,3.分流,2.合并,1-5 叠加定理与戴维南定理,一、叠加定理,当线性电路中有几个独立电源共同作用（激励）时，各支路的响应（电流或电压）等于各个独立电源单独作用时在该支路产生的响应（电流或电压）的代数和（叠加）。这个结论称为线性电路的叠加定理。,叠加定理使用注意事项,1.某一电源单独作用时，对其他电源的处理是：理想电压源处用短路线代替，理想电流源处开路。2.在计算代数和时，凡独立电源单独作用时所取电流（电压）参考方向与原电路图中所标参考方向一致时取正号，不一致取负号。3叠加定理只能用来求线性电路中的电流或电压，而不能直接用于计算功率。对非线性电路，叠加定理不适用。,叠加定理是分析线性电路的一个重要定理。,US单独作用,IS单独作用,叠加定理图解,试用叠加定理求图1-32a所示电路中的电压U。,（1）设电压源单独作用(暂不考虑电流源的影响),（2）设电流源单独作用(暂不考虑电压源的影响),（3）叠加,例1-14,解,二、戴维南定理,任何一个线性有源的二端网络，都可以用一个电压源 和一个电阻 相串联的电路模型来等效。电压源的电压 等于该有源二端网络的开路电压，电阻 等于该有源二端网络化为无源二端网络（将网络中的所有独立电源去掉，即电压源以短路代替，电流源以开路代替）后，从a、b两端看过去的等效电阻。称为戴维南等效电阻。,戴维南定理图解,用戴维南定理计算如图1-33所示电路中的电流。,（1）求开路电压,+10V-20V=0,例1-15,解,（2）求等效电阻,（3）画等效电路图，并求电流,用戴维南定理计算如图1-34a所示电路中的电压U。,（1）求开路电压,图1-34,例1-16,解,（2）求等效电阻,（3）画等效电路图，并求电压,