电路与模拟电子技术第一章殷瑞祥.ppt

电工电子学,(电路与模拟电子技术),课程介绍,课程性质：专业基础课课程要求：（1）掌握一定的理论知识，抓住基础知识和基本分析方法；（2）认真独立完成课后作业；（3）认真做好每一个实验，以加深 对理论知识的理解和掌握。,第1章 电路的基本概念与基本定律,本章教学内容,1 电路组成与功能2 电路模型3 电路中的基本物理量（电压、电流、电位、功率）4 基本电路元件模型5 电路的工作状态与元件额定值6 基尔霍夫定律,本章学习的重点和难点,基本电路元件及其特性，集中参数电路的拓扑约束关系基尔霍夫定律。这些内容是分析和计算电路的基础。要深刻理解电路中电压和电流的参考极性（方向）的意义，掌握集中参数电路的基本约束关系基尔霍夫定律和元件伏安特性。,1.1 电路的组成及其功能 电路是由各种电器件构成，并具有一定功能的连接整体。电器件种类繁多、性能各异。如电池、信号产生器、电阻器、电容器、电感器、开关、晶体管等。电池-提供电能 信号产生器-输出多种标准信号 电阻器-消耗电能（提供合适的电压、电流）电感器-存储磁场能等等。,1 电路的组成与功能,电路实例：图1.1(a)是一个简单的照明电路，由电池、开关、连接导线、灯泡组成。其作用是把由电池提供的电能传送给灯泡并转换成光能。,图1.1(b)是计算机电路组成的简化框图，它的基本功能是通过对输入信号的处理实现数值计算。人们在键盘上输入计算数据和步骤，编码器将输入信号表示成二进制数码，经运算、存储、控制部件处理得到计算结果，然后在显示器上输出。,电路的概念电路是由用电设备（负载）与供电设备（电源）通过导线连接而构成的提供给电荷流动的通路。电路的组成为电路工作提供能量的：电源；在电能作用下完成电路功能的：负载,如用电设备；连接、控制电源和用电设备的：中间环节，如导线、开关；例如我们常用的照明电路。,1-1 电路的组成与功能（续）,电路的功能客观上电路提供了电荷流动的通路，电荷携带着电能在电路中流动，从电源带走电能，而在用电元器件中又释放电能，因此电路的工作伴随着能量的运动。根据电路的工作场合和工作目的及我们的着眼点，电路主要有下列作用：能量传输 将电源的电能传输给用电设备(负载)。能量转换 将传输到负载的电能根据需要转换成其它形式 的能量，如光、声、热、机械能等信息传输信息处理,信息-(载体)-信号-电路-终端-(去载体)-信息(电流或电压),信号(接受)-电路-信号(已经放大、去噪、合成),1.2 电路模型,为什么要引入电路模型？构成实际电路的元器件种类繁多，形状各异，给分析和设计带来困难。只有对各种元器件的特性建立了数学模型，才可能对电路进行深入分析。例如，对于最简单的手电筒，这样一个电路，就包含了电池、电珠、开关、导体等部分。如果要把这个电路介绍给他人，一种方法是直接把实物展示给对方，另一种方法是十分逼真地将它画下来给对方看，尽管如此，我们仍然不能十分明了地将这个电路的工作情况表达出来（用语言或文字）。难以想象，如果每个电路都要如此处理，摆在我们面前的将是怎样的情形！,1.2 电路模型 电路理论主要研究电路中发生的各种电磁现象，包括电能的消耗现象和电磁能的存储现象。一般这些现象交织在一起，同时发生在整个电路中。为了简化分析，对实际电路采用“模型化”方法处理。首先，针对一些基本电磁现象(如电磁能消耗、电场能存储、磁场能存储等)建立相应的模型，称为理想元件或元件，并用统一符号标记。理想元件在物理上描述了基本电磁现象，在数学上也有严格的定义。,反映实际电路部件的主要电磁 性质的理想电路元件及其组合。,导线,电池,开关,灯泡,1.1.2 电路模型,电路图,理想电路元件,有某种确定的电磁性能的理想元件,电路模型,(a),(b),注：只有满足集总假设的电器件可以进行理想化抽象，成为电路模型。,集总假设：根据电磁场理论，电磁波的波长=v/fv：电磁波的传播速率v=3108m/sf：频率可见，频率越高，波长越短A情况：f=50KHz，=6Km-可用电路模型B情况:f=10GHz，=0.03m=30cm-不可用,1.3 电路中的基本物理量（电压、电流、电位、功率）,电流电流及其表示方式电流的概念电流是电路中电荷流动量的度量，它表示单位时间流过电路中某一截面的净电荷量。电荷流动不仅有数量，也有方向，因此电流是具有方向的。规定正电荷流动的方向为电流的方向（称为真实方向）。分析电路时用箭头或双下标来指定电流的方向。,负电荷流向,q+,q-,1.3 电路中的基本物理量（续1）,电流（续）电流的符号和单位电流的符号：电路中用 I 表示不随时间变化的电流 或 i 表示随时间变化的电流电流的单位是安培（A）,1.3 电路中的基本物理量（续2）,电流（续）电流的参考方向电流作为电路的基本物理量，是我们分析电路所需要确定的，因此在分析电路之前，电流的真实方向一般是未知的。在电路中，每条通路的电流方向只有两个可能的选择，因此，我们可以用代数量来表示有方向的电流。符号表示方向，绝对值表示大小。为了用代数量表示电流，我们必须事先规定一个参考（即符号为正时电流的方向），称为电流的参考方向。电路中用箭头标示。,1.3 电路中的基本物理量（续3）,电流（续）电流的参考方向电流的参考方向是人为定义的，而电流的真实方向则是受电路约束客观存在并确定的。当参考方向设的与真实方向一致时，电流的代数值符号为正；反之为负。若分析电路后确定的电流符号为正，则表明电流的真实方向就是参考方向；反之亦然。,1.3 电路中的基本物理量（续4）,电流（续）电流的测量实验和工程中采用电流表测量电流，电流表必须串接在被测电路中。电流的参考方向由电流表接线方式决定“+”接线柱指向“-”接线柱,电流单位为安培(A)。在电力系统中，通过设备的电流较大，采用安或千安(kA)作单位。而电子电路中的电流则较小，常用毫安(mA)或微安(A)作单位，其换算关系是 1kA=103A 1A=103mA=106A电流方向：规定为正电荷运动方向。实际应用时可任意指定一种方向作为参考方向。参考方向与实际方向区别?电流的正负：参考方向与实际方向一致为正，否则为负。电流表示：带箭头的符号标在电路中；也可以用双下标。如iab表示参考方向为由a指向b。,4,1A,1,2,3,4,10V,is,i,1.3 电路中的基本物理量（续5）,电压电压的概念电路是电场的一种特殊形式。电场是一种位场，类似引力场，电荷在电场中具有电位能。单位正电荷在电场中某点所具有的电位能称为该点的电位。它表示外力将单位正电荷从参考点（0电位）移动到该点所作的功。单位为伏特(V)=1 焦耳(J)/库仑(C)，用 v 或 V 表示,a 点电位,b 点电位,1.3 电路中的基本物理量（续6）,电压（续）电压的概念 电路（电场）中两点（如a与b）之间的电位差称为电压，用 u 或 U 表示，单位也是伏特(V),ab两点之间电压,电压 uab 表示单位正电荷从 a 点移动到 b点所失去的电位能，因此常也称为电压降。,失去电位能Wa-Wb,1.3 电路中的基本物理量（续7）,电压（续）电压的方向（极性）电路（电场）中，只有定义了参考点，电位才有意义。电压是一个相对量，与参考点的选取无关。电压表示的是电位下降，也存在方向（又称为极性），规定电位下降的方向为电压的真实方向。电位实际上是电路中某点到参考点之间的电压。,1.3 电路中的基本物理量（续8）,电压（续）电压的参考方向电压具有方向性，不能单用数值来表示，必须同时标定其方向。在对电路分析之前显然不能确定电压的真实方向。两点之间电压只可能有两个方向，可先假设电压的方向，数值的正、负表示真实方向与假设方向之间的关系。称此假设的方向为电压的参考方向。电压的参考方向用箭头（或+/号）在电路中标出。有了参考方向，带方向的电压变量就转变成了代数量。,u,+,-,u,或,1.3 电路中的基本物理量（续9）,电压（续）电压的测量实验和工程中采用电压表测量电压，电压表必须和被测支路并联。电压的参考方向由电压表接线方式决定“+”接线柱指向“”接线柱,1.3 电路中的基本物理量（续10）,在电路的分析与计算时，常常要用到电位的概念。电压是两点电位之差，它只能说明一点的电位高，另一点的电位低，并不能知道某一点的电位究竟为多少。在很多情况下，我们需要知道某点的电位。利用电位的概念，还可以简化电路图，也可使计算更为简单。在电子电路中，为简化电路，一般不画出直流电源，而只标出各点的电位值。例：求图示电路中A点的电位,I,1.3 电路中的基本物理量（续11）,关联参考方向同一电路元件上既有电流参考方向，也有电压参考方向。作为参考方向，都是人为假设出来的，两者之间没有实际联系。电路分析中，在一个元件上定义两个独立的参考方向是不合适的。为了分析方便，同一电路元件或电路部分，电压和电流的参考方向采用一致的方向，称为关联参考方向。如无特别需要，一般采用关联的参考方向。这样在电路中只需要标出一个参考方向。,电压的参考方向是可以任意选择的，有两种不同的选择方式，如图1.5所示。对于一个元件或一段电路，其电流、电压的参考方向一致时，称为关联参考方向或关联方向。两者的参考方向相反时，称为非关联参考方向或非关联方向。为使电路图简洁了，一般采用关联方向，并在电路图上只标明电流或电压的参考方向。,图1.5 电流、电压的关联与非关联参考方向,1A,1,2,3,4,10V,is,i,+-,+-,-+,第29页,1.3 电路中的基本物理量（续12）,电功率电功率的概念、符号与单位电功率是电路元件消耗电能快慢的度量，它表示单位时间内电路元件消耗的电场能量。电路中用 P 或 p 表示电功率，按照定义 p(或 P)=dW/dt功率的单位为瓦特（W）=焦耳(J)/秒(s)。功率的计算采用关联参考方向时,采用非关联参考方向,必须加上负号！,1.3 电路中的基本物理量（续13）,电源和负载的概念若某元件电功率大于零，在电路中消耗电能，表现为负载。若某元件电功率小于零，向电路提供电能，表现为电源。举例：由5个元件组成的电路如图，各元件上电压、电流参考方向采用关联参考方向，标在图上如下。,确定各元件的功率，指出哪些是电源、哪些是负载？,1.3 电路中的基本物理量（续14）,元件1,是负载,元件2,是负载,元件3,是电源,元件4,是负载,元件5,是电源,注意：,电路中所有元件的功率之和为 0！这一规则称为功率平衡原理。常用作对分析结果的检验准则。功率平衡实际上是能量守恒的体现，任意时刻，电源发出的电能恰为负载所消耗。,功率的单位是瓦(W)。工程上，常用千瓦小时(kWh)作为电能的单位。1kWh又称1度。比如某车间使用100只灯泡(功率均为100W)照明一小时，所消耗电能是10度。1kWh=103W3600s=3.6106J,式中当电流电压为关联参考方向时，取“+”号；电流电压为非关联参考方向时，取“-”号。计算结果表示元件的吸收功率。具体地说，若p0,表示元件吸收功率，其值为p;若p0，表示元件提供功率，其值为|p|。功率的单位是瓦(W)。工程上，常用千瓦小时(kWh)作为电能的单位。1kWh又称1度。比如某车间使用100只灯泡(功率均为100W)照明一小时，所消耗电能是10度。,1.4 基本电路元件模型,常用理想元件种类,电荷 q,磁通,电压 u,电流 i,电阻元件:R=u/i,电容元件：C=q/u,电感元件:L=/i,忆阻元件:M=/q由美籍华人蔡超棠于1971年提出。,1.4 基本电路元件模型（续0）,电阻元件电阻元件的概念由代数关系联系端电压 u 和电流 i 的二端元件称为电阻元件，简称电阻。电阻元件的特性由 u-i 平面上的一条曲线表示，,当这条曲线是一条过原点的直线时，称为线性电阻。本课程中如无特别声明电阻元件均指线性电阻。,线性电阻元件,非线性电阻,如果电阻R不随时间变化，电阻元件称为时不变电阻。本课只讨论时不变元件。,1.4 基本电路元件模型（续1）,电阻元件（续）电阻元件的符号、参数电阻元件的参数为特性曲线的斜率，记作 R，称为电阻元件的电阻（值），单位欧姆（）,R,电阻元件的符号,电阻元件的特性欧姆定律在关联参考方向下，电阻两端电压与流过电阻的电流成正比，比例系数为电阻元件的参数电阻值,非关联方向：U=-IR u=-iR,1.4 基本电路元件模型（续2）,电容元件电容元件的概念电容元件的原型是平板电容器，基本特性是存储在极板上的电荷量 q 与两极板之间的电压 u 满足代数关系。用 q-u 平面上的一条曲线 fC(q,u)=0 描述。,非线性电容,线性电容元件,当这条曲线是一条过原点的直线时，称为线性电容。本课程中如无特别声明电容元件均指线性电容。,1.4 基本电路元件模型（续3）,电容元件（续）电容元件的符号、参数电容元件的参数为特性曲线的斜率，记作 C，称为电容元件的电容（量），单位法拉（F），法拉的单位很大，实用中常采用微法F(10-6F)和皮法 pF(10-12F)。,C,电容元件的符号,1.4 基本电路元件模型（续4）,电容元件（续）电容元件的电压-电流关系伏安特性,动态元件,记忆元件,1.4 基本电路元件模型（续5）,电容元件（续）电容元件的功率与储能,功率,储能,功率可正可负，有时吸收能量，有时放出能量，但本身不消耗能量（无损）。,与电流无关,储能元件,以电场方式储存,关联参考方向,1.4 基本电路元件模型（续6）,电感元件电感元件的概念电感元件的原型是空心线圈，基本特性是线圈中的磁通量 与流过线圈的电流 i 满足代数关系。用-i 平面上的一条曲线 fL(,i)=0 描述。,非线性电感,线性电感元件,当这条曲线是一条过原点的直线时，称为线性电感。本课程中如无特别声明电感元件均指线性电感。,1.4 基本电路元件模型（续7）,电感元件（续）电感元件的符号、参数电感元件的参数为特性曲线的斜率，记作 L，称为电感元件的电感（量），单位亨利（H），亨利的单位很大，实用中常采用毫亨mH(10-3H)和微亨H(10-6H)。,L,电感元件的符号,1.4 基本电路元件模型（续8）,电感元件（续）电感元件的电压-电流关系伏安特性,动态元件,记忆元件,1.4 基本电路元件模型（续9）,电感元件（续）电感元件的功率与储能,功率,储能,功率可正可负，有时吸收能量，有时放出能量，但本身不消耗能量（无损）。,储能元件,以磁场方式储存,关联参考方向,储能与电压无关,1.4 基本电路元件模型（续10）,理想（独立）电压源若二端元件两端电压不随流过它的电流变化，保持固定的数值（或变化规律），称此元件为理想（独立）电压源。理想电压源的伏安特性为一条平行于电流轴的直线。,u=uS,不随电流变化,一般电压源符号,直流电压源或恒压源,理想电压源两端的电压值不随电流变化，因此，理想电压源的两端不能被短路（电阻值为0），否则，将流过无穷大电流。常用的电池在正常工作范围内近似为理想电压源（恒压源）。使用中不能将其两个电极短路，否则将损坏。,1.4 基本电路元件模型（续11）,理想（独立）电流源若流过二端元件的电流不随它两端电压变化，保持固定的数值（或变化规律），称此元件为理想（独立）电流源。理想电流源的伏安特性为一条平行于电压轴的直线。,电流源符号,i=iS,不随电压变化,理想电流源的参数用流过它的电流值（iS）表示。如果理想电流源的参数不随时间变化（恒定），又称为直流电流源或恒流源。,流过理想电流源的电流值不随电压变化，因此，理想电流源的两端不能被开路（电阻值为），否则，将产生无穷大电压。现实世界中理想电压源和理想电流源都是不存在的，它们只是实际电源在一定条件下的近似（模型）。,1.4 基本电路元件模型（续12）,电源的模型1：电压源模型理想的电压源和电流源是不存在的，实际电源不能输出无穷大的功率。实际电压源（简称电压源）随着输出电流的增大，端电压将下降，可以用理想电压源和一个内阻Ro串联来等效。,实际电压源模型,1.4 基本电路元件模型（续13）,电源的模型2：电流源模型理想的电流源同样是不存在的。实际电流源（简称电流源）可以用理想电流源与内阻并联来表示，当电流源两端电压愈大，其输出的电流就愈小。当实际电流源的内阻比负载电阻大得多时，往往可以近似地将其看作是理想电流源。,实际电流源模型,1.4 基本电路元件模型（续14）,两种电源模型的转换电压源模型和电流源模型都是对实际电源的近似，两种电源模型之间可以互相转换。,电流源模型,电压源模型,1.5电路的工作状态与元件额定值,工作时，根据所接负载不同，电路的工作状态分为三种：开路、短路、负载状态。开路工作状态,电路外接端未接任何负载，端电流i=0（开路）。此时，端口电压由电路内部电源与结构决定，称为开路电压，记作 uOC 或 UOC,=UOC,1.5电路的工作状态与元件额定值（续1）,短路工作状态,电路外接端直接用导线连接，端口电压 u=0（短路）,此时，端电流由电路内部电源与结构决定，称为短路电流，记作 iSC 或 ISC,ISC,1.5电路的工作状态与元件额定值（续2）,电气设备的额定值：电气设备的安全使用值额定电流IN：电气设备在长期连续运行或规定工作制下允许通过的最大电流。额定电压UN：根据电气设备所用绝缘材料的耐压程度和容许温升等情况规定的正常工作电压。额定功率PN：电气设备在额定电压、额定电流下工作时的功率。额定值表明了电气设备的正常工作条件、状态和容量，使用电气设备时，要注意不要超出其额定值，避免出现不正常的情况和发生事故。注意：使用中，电气设备的实际电压、电流、功率不一定等于其额定值。,1.6 基尔霍夫定律,基尔霍夫定律是1845年德国物理学家提出的，定律阐述了集总参数电路各结点电压之间和各支路电流之间的约束关系，是电路理论的最基本定律。基尔霍夫定律包括两个：电流定律和电压定律。,1.6 基尔霍夫定律,几个电路基本术语支路：电路中的每一条分支都称为支路。结点：电路中三条或三条以上支路的联接点称为结点。回路：电路中由两条以上支路构成的任一闭合路径称为回路。网孔：内部不含有其他支路的回路称为网孔。,1.6 基尔霍夫定律（续1）,基尔霍夫电流定律（Kirchhoffs Current Law,KCL）KCL表述：任何集中参数电路中，任意时刻流进任意一个结点的所有支路电流的代数和总是为零。用数学式子表示为,注意：当支路 k 的电流参考方向指向结点 n，则在上述求和式中取“+”，当支路 k 的电流参考方向背向结点 n，则在上述求和式中取“”。,1.6 基尔霍夫定律（续2）,例如：下图电路中连接到结点 n 的支路共有 5 条，各支路电流参考方向如图所示。,按照基尔霍夫定律，各支路电流满足,值得注意的是，只有定义了电流的参考方向，才能列写基尔霍夫电流定律方程。,流进,流出,流出,流进,流出,基尔霍夫电流定律是电荷守恒定律的具体表现。,1.6 基尔霍夫定律（续3）,广义KCL：任何电路中，任意时刻流进任意一个封闭曲面的所有支路电流的代数和总是为零。,当支路 k 的电流参考方向流进曲面 S，上述求和式中取“+”，如果支路 k 的电流参考方向离开曲面 S，求和式中取“”。电路理论中也把穿过该闭合曲面的所有支路集合称为一个割集。,1.6 基尔霍夫定律（续4）,例如：下图电路中穿过曲面 S 的支路共有 3 条，各支路电流参考方向如图所示。,则三支路电流满足：,再如，电子技术中的基本器件双极型半导体三极管有三个管脚 B,E,C。,三个极电流的关系为,对于图1.23(b)中的闭曲面S2,应用KCL，则有 i=0 表明在两部分电路之间，如果只有一条支路相连接，则该支路上的电流必为零。该导线的作用是使两点等电位。,+E1-,+E2-,A,B,C,已知：E1=6V，E2=10V，R1=4，R2=10，R3=4，R4=2，R5=1。求A、B、C三点电位各是多少？,1.6 基尔霍夫定律（续5）,基尔霍夫电压定律（Kirchhoffs Voltage Law,KVL）KVL表述：任何集中参数电路中，任意时刻绕任意一个回路一周所有支路电压的代数和总是为零。用数学式子表示为,注意：若支路 k 的电压参考方向与回路 L 的绕行方向一致，求和式中取“+”；若支路 k 的电压参考方向与回路 L 的绕行方向相反，求和式中取“”。,1.6 基尔霍夫定律（续6）,例如：下图电路中回路L由6条支路组成，回路绕行方向和各支路电压参考方向如图所示。,各支路电压满足回路L的KVL方程,值得注意的是，只有定义了电压的参考方向和回路的绕行方向，才能列写基尔霍夫电压定律方程。,同向,反向,反向,同向,反向,基尔霍夫电压定律是能量守恒定律的具体表现。,同向,1.6 基尔霍夫定律（续7）,广义KVL：任何电路中，任意两结点之间的电压，可通过任意一条连接两结点路径进行计算，所得结果与计算时所取的路径无关。例如：下图电路中结点 a 和 d 之间存在 3 条路径，计算a 和 d 结点之间时可采用其中任意一条路经。,广义KVL为我们进行电路分析的电压计算提出了一个重要原则：若我们经某条路径计算电压出现困难时，可尝试通过另外一条路径进行计算，所得结果不变。,例7 如图电路，列出KCL和KVL方程。,KCL对节点1：I1+I2+I3=0对节点2：Is+I2=I3对节点3：I3+I1=I5对节点4：I4+I5=IS,对网孔列KVL方程，按顺时针方向：US+U3+U2=U1U4+U2+U=0U3+U5=U,回路绕行方向参考方向关联参考方向（同一元件上电压电流方向一致）：P=UI U=IR非关联参考方向:P=-UI U=-IR,二者方向一致，电压、电流信号为正；否则为负。,基尔霍夫定律：KCL：任一时间，流出一个节点的支路电流总和等于流入该节点的支路电流总和。任一时刻，流入任一节点的支路电流的代数和恒为零。（流入为正，流出为负）,KVL：对电路中的任一回路，在任一时刻，电位降的和等于电位升的和。任一回路，在任一时刻，沿该回路的所有支路电压的代数和恒为零。（电位降为正，电位升为负）,例 如右图电路，求各支路电流。,解：电流与电压 的参考方向如图。则：,解方程得:i1=3A i2=2A i3=1A,例 如右图电路，求各支路电流。,i1=1.5Ai2=2Ai3=2.75A,