电子技术基础——电路与模拟电子(第1章).ppt

1、电工电子学,(电路与模拟电子部分),任课教师：渠丽岩 联系电话：60541832 办公地点：实验楼212,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； （4）遵守课堂纪律，不玩手机。,重点难点,重点：基尔堆夫定律、电源等效变换； 难点：电流与电压的参考方向、基尔霍夫定律,1.1 电路及电路模型,1.1.1 实际电路 1. 定义: 实际电路是由一些电气器件按一定的方式连接而构成的 。 组成实际电路的电气器件种类繁多、性能各异。常用的有电池、信号产生器、电阻器、电容器、电感器、开关、晶体管等。其中电池可以提供电能，信号产生器可以输出多种标准信号，电阻器可以消耗电能，电感器可以存储磁场能等等。,2. 电路的功能： （1）电能的传输、分配和转换，如电力系统中的输电线路 （2）实现电信号的传送和处理，如电话线路、放大器电路等 （3）测量电路，例如万用表电路 （4）存储信息，例如计算机的存储电路,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

2、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),电路组成: 电源： 提供电能量：如蓄电池、发电机、太阳能电池等电压源、电流源 负载： 消耗能量而做功：如电灯、电机、电磁铁、电磁炉等(能量转换:光、声、热、磁、机械能) 连接导线： 提供电的通路（导体） 开关： 对电路状态进行控制（通、断）,几种基本的电路元件：,电阻元件：表示消耗电能的元件,电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件,电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件,电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件,注,具有相同的主要电磁性能的实际电路部件， 在一定条件下可用同一模型表示； 同一实际电路部件在不同的应用条件下，其 模型可以有不同的形式。,1.2 电路的基本物理量,1.2.1 电流 电荷在电场力作用下的定向移动形成电流。计量电流大小的物理量是电流强度，简称电流，记为i(t)或i。电流强度的定义是：单位时间内通过路径中导体横截面的电荷量，即,电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。本章主要讨论的物理量是电流、电压和功率。,方向,规

3、定正电荷的运动方向为电流的实际方向,单位,1kA=103A 1mA=10-3A 1 A=10-6A 1nA=10-9A,A（安培）、kA、mA、A,元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:,实际方向,实际方向,A,A,B,B,问题,复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断,参考方向,i 参考方向,大小,方向,电流(代数量),任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。,A,B,i 参考方向,i 参考方向,i 0,i 0,实际方向,实际方向,电流的参考方向与实际方向的关系：,A,A,B,B,电流参考方向的两种表示：, 用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。,用双下标表示：如 iAB , 电流的参考方向由A指向B， iBA , 电流的参考方向由B指向A。 iAB = - i BA,1A,1,2,3,4,10V,is,i,电压U,单位：V (伏)、kV、mV、V,1.2.2 电压,单位正电荷q 从电路中一点移至另一点时电场力做功（W）的大小,电位,单位正电荷q 从电路中一点移至参考点（0）时电场力做功的大小,实际电压方向,电位真正降低的方向,电位与电压的

4、概念,电路中电位参考点可任意选择；参考点一经选定，电路中 各点的电位值就是唯一的；当选择不同的电位参考点时， 电路中各点电位值将改变，但任意两点间电压保持不变。,结论,问题,复杂电路或交变电路中，两点间电压的实际方向往往不易判别，给实际电路问题的分析计算带来困难。,电压(降)的参考方向,U, 0, 0,U,假设的电压降低方向,电压的参考方向 (voltage reference direction),元件或支路的u，i 采用相同的参考方向称之为关联参考 方向。反之，称为非关联参考方向。,关联参考方向,非关联参考方向,3. 关联参考方向,i,+,-,+,-,i,U,U,注,(1) 分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。,(2) 参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注 (包括方向和符号），在计算过程中不得任意改变。,（3）参考方向不同时，其表达式相差一负号，但实际 方向不变。,例,电压电流参考方向如图中所标，问：对A、B两部分电路电压电流参考方向关联否？,答： A 电压、电流参考方向非关联； B 电压、电流参考方向关联。,例1 电路如图1.2所示，图中矩形框表示电路元件。已知电流I1=

5、-1A,I2=2A,I3=-3A,其参考方向如图中所标；d为参考点，电位Ua=5V,Ub=-5V,Uc=-2V。求 (1)电流I1、I2、I3的实际方向和电压Uab、Ucd的实际极性。 (2)若欲测量电流I1和电压Ucd的数值，则电流表和电压表应如何接入电路?,图 1.2,+ -,- +,解(1) 在指定电流参考方向后，结合电流值的正负就可判定其实际方向。已知I2为正值，表明该电流的实际方向应与它的参考方向一致；而I1和I3为负值，表明它们的实际方向与指定的参考方向相反。同理，根据 Uab=Ua-Ub=5-(-5)=10V Ucd=Uc-Ud=(-2)-0=-2V 可知Uab0,电压实际方向由a指向b，或者a为高电位端，b为低电位端。Ucd0，表明电压实际方向与参考方向相反，即d为高电位端，c为低电位端。,(2)测量直流电流时，应将电流表串联接入被测支路，使实际电流从电流表的“+”极流入，“-”极流出。测量直流电压时，应把电压表并联接入被测电路，使电压表“+”极与被测电压的高电位端连接，“-”极与低电位端连接。图1.6中给出了具体连接方法。,1.2.3 电功率,（1） 电功率,功率的单

6、位：W (瓦) (Watt，瓦特),能量的单位： J (焦) (Joule，焦耳),单位时间内电场力所做的功。,在p0时，表示电场力对电荷作功，这部分能量被元件吸收，所以p是元件的吸收功率；在p0时，表示元件吸收负功率，实际上是该元件向外电路提供功率或产生功率。 如果元件电流电压取非关联参考方向，如图下(b)所示，则p=-ui,(a),(b),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,综合上述两种情况，将元件吸收功率的计算公式统一表示为 p(t)=u(t)i(t),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，表示元件发出功率。,例2 在下图(a)中，已知U=-5V,I=2A，图 (b)中，U=3V，I=-5A，求图1.4(a)、(b)中元件吸收的功率各为多少？。 解：图(a)中元件A电压、电流为关联

7、参考方向，故吸收的功率为 PA0，表明元件B为吸收功率15W。,(a),(b),1- 3 电阻元件 (resistor),2. 线性定常电阻元件（线性时不变）,电路符号,电阻元件,对电流呈现阻力的元件。其伏安关系用ui平面的一条曲线来描述：,任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件。,1. 定义,伏安 特性,1.3.1 线性电阻,ui 关系,R 称为电阻，单位： (欧) (Ohm，欧姆),满足欧姆定律 (Ohms Law),单位,G 称为电导，单位： S(西门子) (Siemens，西门子),u、i 取关联参考方向,伏安特性为一条过原点的直线,(2) 如电阻上的电压与电流参考方向非关联 公式中应冠以负号,注,(3) 说明线性电阻是无记忆、双向性的元件,欧姆定律,(1) 只适用于线性电阻，( R 为常数）,则欧姆定律写为,u R i i G u,公式和参考方向必须配套使用！,非关联参考方向,1.3.2. 电阻元件的功率,上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。,p u i (R i) i i2 R u(u/ R) u2/ R,p u i i2R u2 / R,消耗的功率：,电阻的开路

8、与短路,短路,开路,额定值：额定值是为了保证元件、设备既安全可靠而又充分发挥性能的正常运行，由制造厂家给出的一些限定值。例如，电阻的使用功率，电容器的使用电压，电机的额定电流等。根据给出的额定值，有时还可推导出其它额定值。 例如，一个标有1/4W、10k的电阻，表示该电阻的阻值为10k、额定功率为1/4W，由p=I2R的关系，还可求得它的额定电流为5mA。,实际使用中，超过额定值运行，会使设备缩短使用寿命或遭致毁坏而造成事故。例如上述电阻在使用电流超过5mA时，将会使电阻因过热而损坏。而低于额定值运行也是不合适的，如220V、5kW电机在低于200V电压下使用，一方面设备资源没有充分利用，另一方面因电机输出功率降低，必然影响系统正常运行。额定值一般记载在设备的铭牌或说明书中，所以在使用设备前必须仔细阅读之。,例3 额定功率是40W，额定电压为220V的灯泡，其额定电流和电阻值是多少？,解: 由,，得,1.4 电阻电路的等效变换,1.4.1 电阻的串联 图1.5是三个电阻串联的电路。电阻串联电路的特点是： u=u1+u2+u3,图1.5 电阻串联电路,应用欧姆定律，有 u1=R1i,u2

9、=R2i,u3=R3i 代入上式可得 u=(R1+R2+R3)i=Ri 式中 R=R1+R2+R3 称为三个串联电阻的等效电阻。,图1.5 电阻串联电路,用等效电阻代替串联电阻是一种等效变换，一方面能简化总体电路，另一方面又能保证不影响外接电路中的电流电压。这样，会给分析计算外电路中的未知量带来方便。u1、u2、u3与电流的关系如下:,1.6.2 电阻的并联 图1.6(a)是三个电阻并联的电路。电阻并联电路的特点是：通过并联电路的总电流是各并联电阻中电流的代数和，即 i=i1+i2+i3,图1.28 电阻并联电路,应用欧姆定律，上式可表示为,上式中电阻R称为并联电阻的等效电阻，它的倒数等于各个并联电阻倒数的总和。图1.6(b)与图1.6(a)电路具有相同的伏安关系，对其相连的外部电路而言，它们是互为等效的电路。,i1、i2、i3与电压u的关系如下:,同时含有电阻串联和并联的电路称为混联电路，此种电路，可以根据电阻的实际连接方式，分别按串联或并联电路处理的方法来分析。 对于两个电阻并联，则其等效电阻为： 两条支路的电流分别为：,例8 如图1.7(a)电路，已知us=8V,R1=2,R2=1.6,R3=R4=4,R5=6。求电流i1。,图1.7 例8电路,解 :图1.7(a)是一个电阻混联电路，如果能求出虚框部分二端电路的等效电阻Rad,就可把原电路等效成如图1.29(d)所示的简单电路，这时计算i1是容易的。计算等效电阻时，假设在a、d端加上一个电源，观察电路中哪些电阻流过同一电流，,Rad=2 i1=2A,1-5 独立电源 (independent source)（P20）,其两端电压总能保持定值(直流)或一定的时间函数(交流)，其 值与流过它的电流 i 无关的元件叫理想电压源。,电路符号(注意方向),1. 理想电压源 (P20),定义,电源:电压源、电流源

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