电路组成及分析方法.ppt
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1、陈显毅 讲师 网络工程师1996天津大学毕业,2002年在天大计算机科学与技术专业深造,取得“双师”型教师资格通信与信息系统专业硕士研究生主讲课程:电子技术、局域网组网技术、网络工程师认证、网络管理与维护等 应用计算机系副主任 联系方式:电话:E-,电工 电 子 技 术 基 础 教 程,主 编:陈 新 龙,第1章 电路的组成及其分析方法,本章从电路的组成及其分类出发,介绍了电路模型的概念、求解电路模型的基本定律、电阻元件、电源元件的联接方式及其特点;在此基础上进一步介绍电路分析的常用方法:如等效变换、支路电流、结点电压、叠加原理、戴维宁定理与诺顿定理等。,一引言,本教材分两篇给大家介绍电工电子
2、技术方面的基础知识,以使读者对其有初步了解,二十一世纪是一个信息化、网络化、数字化的时代。,新时代的工科生应掌握必要的电工电子技术方面的知识,第 1 课,二电路的引入,将实际元件理想化,在一定条件下突出其主要电磁性质,忽略其次要性质,这样的元件所组成的电路称为实际电路的电路模型(简称电路),实际电气设备包括电工设备、联接设备两个部分。,手电筒便是一个电气设备;它包括电池、筒体、开关和小灯泡,电池、小灯泡为电工设备;筒体、开关为联接设备,将电池视为内阻为R0,电动势为E的电压源;忽略筒体,开关视为理想开关;小灯泡视为电阻。则手电筒模型如图,电路理论不是研究实际电路的理论,而是研究由理想元件构成的
3、电路模型的分析方法的理论。常见元件图形符号如下:,通过建立实际电路的模型,可利用电路理论求解电路各部分的电压和电流,从而求出待求问题。,三电压和电流的方向,电流I、电动势E、电压U是电路的基本物理量,是具有方向的物理量,必须首先理解电压、电流的方向(或称为极性)并在电路中标注,才能写出电路方程,电压、电流是客观存在的物理现象,有实际方向和参考方向之分。实际方向:电流的方向为正电荷运动的方向或负电荷运动的相反方向 端电压的方向规定为高电位端(即“+”极)指向低电位端(即“-”极),即为电位降低的方向。电源电动势的方向规定为在电源内部由低电位端(“-”极)指向高电位端(“+”极),即为电位升高的方
4、向,虽然电压电流的方向是客观存在的,然而,常常难以直接判断其方向,常可任意选定某一方向作为其参考方向(电路中所标的电压、电流、电动势的方向一般均为参考方向),电流的参考方向用箭头表示;电压的参考方向一般用极性“+”、“-”来表示,也可用双下标表示。如Uab表示其参考方向是a指向b,a点参考极性为“+”,b点参考极性为“-”。选定电压电流的参考方向是电路分析的第一步,只有参考方向选定以后,电压电流之值才有正负。当实际方向与参考方向一致时为正,反之,为负。关联参考方向:电流与电压的参考方向一致.实例:,电源端电压U与 电动势 E 的区别,电源端电压表示电场力在外电路将正电荷由高电位点(正极)移向低
5、电位点(负极)做功的能力。电动势表示电源力将电源内部的正电荷从低电位点(负极)移向高电位点(正极)做功的能力。若不考虑电源内损耗,则电源电动势在数值上与它的端电压相等,但实际方向相反。即:E=-U,参考方向,在复杂电路中,特别是交流电路中,会遇到如何确定电流或电压的方向问题,如下图电路。,参考方向是任意假定的电流或电压的方向,并不一定是它们的实际方向。参考方向仅仅是计算电流或电压值和确定其实际方向的依据:计算结果的绝对值表示电流或电压的大小,正值和负值可以判定它们的实际方向。电路中所标的电压、电流、电动势的方向一般均为参考方向,电流、电压参考方向的表示,规则:参考方向是任意假定的电流(或电压)
6、的方向。如下图(a)、(b)、(c)、(d)所示,电流或电压的方向,不是a到b,就是b到a,你可以任意选定一个方向。若电流(或电压)的计算值为正,表示实际方向与参考方向相同,见图(a)、(c)。若电流(或电压)的计算值为负,表示实际方向与参考方向相反,见图(b)、(d)。,标注方法电流参考方向用箭头实线表示,箭头方向即电流参考方向。电压参考极性用+-号表示,+号为高电位,-号为低电位,由高电位指向低电位的方向是电压的参考方向。文字叙述时,多用字母加双下标表示参考方向。例如,用Uab表示。,关联与非关联参考方向 当电压与电流参考方向一致时,称为关联参考方向;若不一致,称为非关联参考方向。一般选择
7、关联参考方向,原因?,注意问题电流、电压的实际方向是客观存在的,与参考方向的设置无关。参考方向假定的电流、电压的方向,是计算的唯一依据,一经选定,在电路计算中就要以此为标准,不能随意变动。在不注明参考方向时,电流、电压的正负值均无意义。对同一电流或电压,若参考方向选择不同,计算结果应只差一个负号。,思考题,P6:1-2-1 1-2-2,四基尔霍夫电流定律,理解了电路模型以后,可以利用欧姆定律分析求解简单电路(实例P7:1-3-1),还应理解分析与计算电路最基本的定律:基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律,基尔霍夫电流定律表述如下:在任一瞬时,流向某一结点的电流之和等于由该结点流出的电流之和,即在
8、任一瞬时,一个结点上电流的代数和恒等于零,这便是基尔霍夫电流定律,几个概念 支路:电路中的每一分支称为支路,一条支路流过同一个电流,称为支路电流。图释 结点:电路中三条或三条以上的支路相联接的点称为结点,图示电路共有三个电流,因此有三条支路,分别由ab、acb、adb构成。,图示电路共有两个结点a和b,acb、adb两条支路中含有电源,称为有源支路;ab支路不含电源,称为无源支路,对图示结点,其流入该结点的电流之和应该等于由该结点流出的电流之和,即:I3=I1+I2,基尔霍夫电流定律通常应用于结点,但也可以应用于包围部分电路的任一假设的闭合面,可见,任一瞬时,通过任一闭合面的电流的代数和恒等于
9、0,在图示电路中,有:IA+IB+IC=0(请注意IA、IB、IC均为流入电流.验证?),实例:P9:1-3-2动笔:P11:1、2,五基尔霍夫电压定律,分析与计算电路最基本的定律还有:基尔霍夫电压定律,基尔霍夫电压定律表述如下:在任一瞬时,沿任一回路循行方向(顺时针方向或逆时针方向),回路中各段电压的代数和恒等于零,这便是基尔霍夫电压定律。,回路的概念:回路是一个闭合的电路,上图中,E1、R1、R3构成一个回路;R3、R2、E2也构成一个回路,回路可分为许多段,在左图中,E1、R1、R2、E2构成一个回路,可分为E1、R1、R2、E2四个电压段。,回路电压关系为:U1+U4-U2-U3=0(
10、正负号有何规律?)即:U=0(假定电位降为正),从b点出发,依照虚线所示方向循行一周,其电位升之和为U2+U3,电位降之和为U1+U4;,回路中各段电压的代数和为零,这便是基尔霍夫电压定律,基尔霍夫电压定律不仅可应用于回路,也可以推广应用于回路的部分电路,对想象回路应用基尔霍夫电压定律,有 UAB=UAUB,在左图示电路中,我们想象A、B两点存在一个如图示方向的电动势,其端电压为UAB,则UA、UB、UAB构成一个回路,这便是基尔霍夫电压定律的推广应用实例:P10:1-3-3动手:P11:3、4、5、6 P42:1、2、3、4,六小结 重点:电路模型、基尔霍夫定律,第2课,在本次课中,我们将在
11、本次课中,我们将介绍电阻元件的串联、并联,二电阻元件的联接概述,对于复杂电路,纯粹用基尔霍夫定律分析过于困难,需要根据电路的结构特点去寻找分析与计算的简便方法,电阻元件是构成电路的基本元件之一,采用不同的联接方法,电路的结构便不一样,其分析方法也就可能不同。在实际使用中,电阻元件的联接方式主要有:串联联接、并联联接、三角形联接、星形联接、桥式联接方式等。,三电阻元件的串联联接,如果电路中有两个或更多个电阻一个接一个地顺序相联,并且在这些电阻上通过同一电流,则这样的联接方法称为电阻串联(如右图),两个电阻R1、R2串联可用一个电阻R来等效代替,这个等效电阻R的阻值为R1+R2(即右上图可用右下图
12、等效)(N个R呢?),串联是电阻元件联接的基本方式之一,也是其它元件联接的基本方式之一,电阻串联的物理连接特征为电阻一个接一个地顺序相联,电阻串联的应用很多。例如在负载额定电压低于电源电压的情况下,可根据需要与负载串联一个电阻以分压,串联电阻上电压的分配与电阻成正比,电阻R 1、R 2上的电压如右,电阻串联的几点结论,两个电阻R1、R2串联可用一个电阻R来等效代替,等效电阻R的阻值为R1+R2,四电阻元件的并联联接,如果电路中有两个或更多个电阻联接在两个公共的结点之间,则这样的联接方法称为电阻并联(如右图),两个电阻R 1、R 2并联可用一个电阻R来等效代替(这个等效电阻R的阻值的倒数为(1/
13、R1+1/R 2),即右上图可用右下图等效(N个R呢?),电阻并联的物理连接特征为两个或更多个电阻联接在两个公共的结点之间,一般负载都是并联使用的。各个不同的负载并联时,它们处于同一电压下,任何一个负载的工作情况基本不受其它负载的影响,并联电阻上电流的分配与电阻成反比,电阻R1、R2上的电流如右,电阻并联的几点结论,两个电阻R 1、R 2并联可用一个电阻R来等效代替(其阻值的倒数为(1/R1+1/R 2),通过合并串并联电阻简化电路是分析电路的基本方法之一,下面我们通过几个例题来理解其应用,用电阻R 23 等效替换R 2、R 3(这种变换对电阻R 1而言是等效的,对R 2、R 3而言是不等效的
14、);再用电阻R等效替换R 1、R 23,可求I。,例1 电路如右图,已知R 1=4、R 2=R 3=8,U=4V请求I、I 1、I 2、I 3,几个例题,R=2、I=U/R=2A、I1=1A、I2=I3=0.5A,1/R=1/R1+1/R2+1/R3?(可验证前面的结论),可通过合并串、并联电阻求出总等效电阻从而求出电流I 并根据分流公式求出I7(。,例2 电路如下图,请求I、I7?,I=2A、I7=1A,实战:P18:1、3 P42:6,五电阻元件的三角形、星形与桥式联接,不要求,第3课,在本次课中,我们将介绍电源元件的使用及其模型,一电源元件的 概念,如果一个二端元件对外输出的端电压或电流
15、能保持为一个恒定值或确定的时间函数,我们就把这个二端元件称为电源。依照电源的输出类型是电压还是电流可分为电压源、电流源。依照电源的输出是否恒定可分为直流电源、交流电源。,二电压源模型的引入,电压源是使用非常广泛的一种电源模型,如电池便可用电压源来表示,电源是电路的基本部件之一,它负责给电路提供能量,是电路工作的源动力,一个电源可以用两种不同的电路模型来表示,用电压形式来表示的模型为电压源模型;用电流形式来表示的模型为电流源模型,电压源是用电动势E和内阻R0串联来表示电源的电路模型(如左图),下面以电压源模型为例介绍电源元件的使用,三有载工作分析,所谓电源有载工作是指电源开关闭合,电源与负载接通
16、构成电流回路的电路状态,可通过左图示手电筒模型来理解,电路的伏安关系如右,表征电源的外部特性常用功率,将上式各项乘以I,则得到功率平衡式,式(1-3-4)表明,在一个电路中,电源产生的功率等于负载取用的功率与电源内阻消耗的功率的和,我们称之为功率平衡(实例P20:1-5-2),用功率表示为:P=PE P式中,P=UI,为电源输出功率;PE=EI,为电源产生功率;P=R0 I 2,为电源内阻消耗功率,手电筒电路的伏安关系如右,当RO=0时,也就是说,电源的内阻等于零时,电源端电压U恒等于电源电动势E,是一定值,而其中的电流I由负载电阻确定。我们把这样的电压源称为理想电压源或恒压源,电压源是用电动
17、势E和内阻R0串联来表示电源的电路模型,其数学描述为,四理想电压源,理想电压源具有以下两个基本性质:其端电压U是一定值,与流过的电流I的大小无关;流过的电流是任意的,其数值由与电压源相联接的外电路决定,实际上,理想的电压源是不存在的 Why?,五电流源模型,一个实际电源除可以用电压源的模型来表示外,还可以用电流源的模型来表示,电压源是用电动势E和内阻R0串联来表示,电流源是用IS 和U/R0 两条支路的并联来表示。电流源的模型可直接从电压源模型中导出,电压源是用电动势E和内阻R0串联来表示电源的电路模型,其数学描述为,上式两边除以R0,有:U/RO=E/RO-I引入电源的短路电流IS,显然,I
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