电路的基本概念和分析方法--第1讲.ppt

电子技术基础 参考教材：计算机电路基础（第二版） （张虹主编，电子工业出版社） 主讲：宁波工程学院电信学院包蕾 (QQ:178083516 ) 622774 1. 基本电路知识 2. 模拟电子电路知识 3. 数字电路知识 24% 26% 50% 这三部分是相互关联的，第一部分是分析电路的基本 知识和基础理论，只有在掌握了第一部分内容的基础 上，才能学好第二部分内容；第二部分的半导体器件 又是学习数字电路的基础，由于现在数字电路使用越 来越多，所以数字电路部分讲授时间较多。因此，学 习过程中，一定要学好每一部分内容，否则，会影响 到后面的学习。 我们要学习最现代的技术，必须掌握最基 本的知识，否则的话，我们很难掌握最先进的 技术。特别是现今社会，我们无时无刻地与电 打交道，电能是最主要的能源,如果不掌握有 关电路和器件的特性,我们根本无法很好的应 用它，也无法开发出更多适合我们要求的新装 置。学习计算机硬件的基础就是电路,随着计 算机技术飞速发展，电子技术的应用越来越广 泛，而这方面的人才越来越缺乏。 五方面 1. 上课 2. 练习 3. 实验 4. 提问 5. 阅读 由于课时少、内容多。要学好该门课程必须予以足够 重视，遇到学习困难不要放弃。尽力而为还不够。 在美国西雅图的一所著名教堂里，有一位德高望重的牧师戴尔泰勒。有一天，他向教会学 校一个班的学生们讲了下面这个故事。 有一年冬天，猎人带着猎狗去打猎。猎人一枪击中了一只兔子的后腿，受伤的兔子拼命逃生， 猎狗在其后穷追不舍。可是追了一阵子，兔子跑得越来越远了。猎狗知道实在追不上了，只好悻 悻地回到猎人的身边。猎人气急败坏地说：“你真没用，连一只受伤的兔子都追不到！” 猎狗听了很不服气地辩解道：“我已尽力而为了呀！” 兔子带着枪伤成功地逃生回家后，兄弟都围过来惊讶地问它：“那只猎狗很凶呀，你又带了伤 ，是怎么甩掉它的呢？” 兔子说：“它是尽力而为，我是竭尽全力呀！它没追上我，最多挨一顿骂，而我若不竭尽全力 地跑，可就没命了呀！” 泰勒牧师讲完故事后，又向全班郑重其事地承诺：谁要是能背出圣经马太福音中第五章 到第七章的全部内容，他就邀请谁去西雅图的“太空针”高塔餐厅参加免费聚餐会。 圣经马太福音中第五到第七章的全部内容有几万字，而且不压韵，要背诵其全文有相当 大的难度。尽管参加免费聚餐会是许多学生梦寐以求的事情，但几乎所有的人都望而却步了。 几天后，班上一个11岁的男孩，胸有成竹地站在泰勒牧师的面前，从头到尾按要求背了下来， 竟然一字不差，到了最后，简直成了声情并茂的朗诵。 泰勒牧师比别人更清楚，就是在成年信徒中，能背诵这些篇幅的人也是罕见的，何况是一个孩 子。泰勒牧师在赞叹男孩那惊人的记忆力的同时，不仅好奇地问：“你为什么能背下这么长的文字 呢？” 男孩不假思索地回答：“我竭尽全力。” 16年后，那个男孩成了世界著名软件公司的老板，他就是比尔盖茨。 泰勒牧师讲的故事和比尔盖茨成功背诵对人很有启示：每个人都有极大的潜能。正如心理学家 所指出的，一般人的潜能只开发了2%8%左右，像爱因斯坦那样伟大的科学家，也只开发了12% 左右。一个人如果开发了50%的潜能，就可以背诵400本教科书，可以学完十几所大学的课程，还 可以掌握二十来种不同国家的语言。这就是说，我们还有90%的潜能处于沉睡状态。谁要想创造 奇迹，仅仅做到尽力而为还不够，必须竭尽全力才行。 第1章 电电路的基本概念和基本定律 u 1.1 电电路和电电路模型 u 1.2 电电路的基本物理量 u 1.3 电电阻元件和电电源 u 1.4 基尔霍夫定律 u 1.5 支路电电流法 u 1.6 等效变换变换 法 u 1.7 节节点电压电压 法 u 1.8 网络络定理分析法 u 1.9 应应用惠斯登电桥测电电桥测电 阻 本章内容提要 重点： （1）电路模型的概念； （2）电压、电流的参考方向； （3）电路的各种分析方法； 难点： （1）关联参考方向的判断； （2）灵活、熟练选用最佳分析电路的方法。 u 1.1 电路和电路模型 u 1.2 电路的基本物理量 u 1.3 电阻元件和电源 u 1.4 基尔霍夫定律 u 1.5 支路电流法 第一讲 要求 1.理解理想电路元件和电路模型的概念； 2.深刻理解和掌握参考方向在电路分析中的 作用； 3. 理解和掌握基尔霍夫定律的内容及其应用 。 电路的概念 由实际电气设备和元器件按照一定的方式连接起来，为 电流的流通提供路径的总体，称为电路也称网络。 1.1.1 电路 1.1 电路和电路模型 电路通常由电源、负载和中间环节三部分组成。 电路的组成 火线火线 零线零线 电源电源 连接导线和其余连接导线和其余 设备为中间环节设备为中间环节 负载负载 电源又称激励(输入)，电路中的电压、电流又称响应( 输出)。 电路的功能 电路可以实现电能的传输、 分配和转换。 电力系统中 电子技术中 电路可以实现电信号的传递、 变换、存储和处理。 实体电路实体电路 负载 电源 开关 连接导线 S RL + U I US + _ R0 电路模型电路模型 电源电源 负载负载 中间环节中间环节 将实际电路器件理想化（或称模型化），用抽象的理想 电路元件及其组合，近似地代替实际的器件，从而构成 了与实际电路相对应的电路模型。 1.1.2 电路模型 电路模型 例：晶体管放大电路 l理想电路元件 在一定条件下，突出实际电路器件主要的电磁性质，忽 略其次要因素，将其近似地看做理想电路元件，并用规定 的图形符号表示。 理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似，其电特 性单一、精确。 R + US 电阻元件电阻元件 只具耗能只具耗能 的电特性的电特性 电容元件电容元件 只具有储只具有储 存电能的存电能的 电特性电特性 理想电压源理想电压源 输出电压恒输出电压恒 定，输出电定，输出电 流由它和负流由它和负 载共同决定载共同决定 理想电流源理想电流源 输出电流恒输出电流恒 定，两端电压定，两端电压 由它和负载共由它和负载共 同决定。同决定。 L 电感元件电感元件 只具有储只具有储 存磁能的存磁能的 电特性电特性 IS C 无源电路元件 有源电路元件 注意：电路模型与实际电路并不完全相同，它只是近似 反映实际电路 ；在不同的条件下，同一实际器件可能采 取不同模型。 实际电感元件在不同应用条件下之模型 1.2.1 电流 1.2 电路的基本物理量 电路分析的基本任务是计算电路中的电流、电压和功率。 电流的大小：称电流强度 1A=103mA=106A=109nA 单位换算 i 交流电流(AC) I 直流电电流(DC) 电流的方向 电荷的定向运动形成电流，习惯上规定以正电荷 移动的方向为电流的实际正方向。 分析电路时往往不能事先确定电流的实际方向，电路 图上标示的电流方向为参考方向，参考方向是为列写 方程式提供依据的，具有任意性，通常用实线箭头或 双字母下标表示；实际方向根据计算结果来定。 参考方向与实际方向的关系 在规定参考方向下：若计算结果 i0 电流的参考方向与实际方向一致 i0 电压的参考方向与实际方向一致 u0,说明元件实际在吸收功率，一定是负载 若求出p0，说明元件实际在发出功率，一定是电源 仔细理解下面的例题 图示电路，若已知元件吸收功率为20W，电 压U为5V，求电流I。 + U I 元 件 I = P U = 20 5 =4A 解解 图示电路，已知元件中通过的电流为100A，电 压U为10V，电功率P。并说明元件性质。 + U I 元 件 解解 P= UI = 10(-100) =1000W 元件吸收正功率，说明元件是负载。 1.3 电阻元件和电源 1.3.1 电阻元件 电阻元件是一种表示消耗电能（转换为热能或其它形式能量） 的理想电路元件 。 一、欧姆定律(Ohms Law) 对于线性电阻而言，其电压、电流成正比。若电压、电流 的参考方向为关联参考方向，则有 u = R i 或 i = G u 式中R和G是电阻的两个重要参数，分别叫电阻和电导，单位 分别是欧姆（）和西门子（S）。 注意：线性电阻元件可简称为电阻，这样，“电阻”一词及 其符号R既表示电阻元件也表示该元件的参数。 二、非线性电阻 如果电阻的伏安关系不是一条直线，则称为非线性电阻， 半导体二极管就是一个非线性电阻器件。 三、开路和短路 当一个二端元件（或电路）的端电压不论为何值时，流过它的 电流恒为零值，就把它称为开路。开路相当于R= 或G = 0。 当流过一个二端元件（或电路）的电流不论为何值时，它的端 电压恒为零值，就把它称为短路。短路相当于R= 0或G = 。 四、电阻元件的功率 对于线性电阻元件来说，在任何时刻，电阻元件的功率 五、电阻元件与电阻器 电阻元件是由实际电阻器抽象出来的理想化模型，常用来 模拟各种电阻器和其他电阻性器件。电阻和电阻器这两个概念 的明显区别在于： 理想化的电阻元件，其工作电压、电流和功率没有任何限制 。 电阻器在一定电压、电流和功率范围内才能正常工作。电子 设备中常用的碳膜电阻器、金属电阻器和线绕电阻器在生产制 造时，除注明标称电阻值（如100 、1 k、10 k等），还 要规定额定功率值（如1/8 W、1/4 W、1/2 W、1 W、2 W、 5 W等）。根据电阻R和额定功率PN，可用以下公式计算电阻 器的额定电压UN和额定电流IN： 例如，R = 100，PN = 1/4 W的电阻器的额定电压为 其额定电流为 1.3.2 独立电电源 一、电压电压 源 1、理想电压源 端电压为 恒定值（直流电压源）或固定的时间函数（交流电 压源），与所接外电路无关； 通过电压 源的电流则随外电路的不同而变化。 其端电压一般用Us（直流电压源）和us（t）（交流电压源） 表示。 电路符号 2、实际电压实际电压 源 实际电压 源可以用一个理想直流电压源US和内阻Ri相串联 的模型来表示，内阻Ri有时也称输出电阻。 实际电压 源的端电压（即输出电压）U为： U =USI Ri 1、理想电电流源 输出电流不变； 端电压要随负载的不同而不同。 其输出电流一般用IS（直流电流源）和iS（t）（交流电流源 ）表示。 电路符号 图中箭头所指的 方向为电流源电 流的参考方向 二、电流源 2、实际电实际电 流源 产生：稳流电子设备，如光电池，晶体三极管 实际的电流源，输出电流则要随端电压的变化而变化，这 是因为实际电 流源存在内阻。实际电 流源可以用一个理想电 流源IS和内阻 相并联的模型来表示。由图可以看出，实际 电流源的输出电流I 为： 独立电源：独立电压源，其电压不受外电路影响和控制 独立电流源，其电流不受外电路影响和控制 1.3.3 受控源(了解) 一、受控源的特点 输出电压或电流受电路其他部分电压或电流的控制，属有 源器件，是非独立源。 例如，在电子电路中，晶体三极管的集电极电流受基极电 流的控制；运算放大器的输出电压受到输入电压的控制。这类 电路器件的工作性能可用受控源元件来描述。 二、受控源的分类 受控源一般有两对端钮，一对是输出端（受控端），一对 是输入端（控制端），输入端是用来控制输出端的。根据控制 量是电压还是电流，受控的是电压源还是电流源，理想受控源 有四种基本形式。它们是：电压控制电压源（VCVS），电压控 制电流源（VCCS），电流控制电压源（CCVS），电流控制电流 源（CCCS）。用菱形符号表示。 注意： 当受控源的控制量为零时，受控源的输出电压 或电流也为零。 电路中只有加上独立电源，受控源才能正常工 作。 1.4 基尔霍夫定律 定律的引入： 用规定的电路符号表示各种理想电路元件、并用理想导 线把各种理想电路元件相互连接起来的电路模型图称为电路 原理图，简称为电路图。在这个整体当中，元件除了要遵循 自身的电压电 流关系（即元件自身的VCRVoltage Current Relation）外，同时还必须要服从电路整体上的电压电 流关 系，即电路的互联规律。基尔霍夫定律就是研究这一规律的 。它是任何集总参数电路都适用的基本定律。 电路结构中的几个名词： （1）支路（Branch） ：电路中具有两个端钮且通过同一电 流的每个分支（至少包含一个元件）叫做支路。 （b） （2）结点（Node） ：三条或三条以上支路的连接点叫结点 。 （n） （3）回路（Loop） ：电路中任一条闭合路径叫做回路。（l ） （4）网孔（Mesh） ：内部不含支路的回路叫网孔。（m） a b 1 3 2 + _ R1 US1 + _ US2 R2 R3 b=3l=3n=2 1 2 3 m=2 例： 基尔霍夫定律描述集总参数电路中 支路电流之间的关系和支路电压之 间的关系，分别为基尔霍夫电流定 律（KCL， Kirchhoffs Current Law ）和基尔霍夫电压定律 (KVL， Kirchhoffs Voltage Law)。 KCL定律的内容 任一时刻，流入电路中任一结点上电流的代数和恒等 于零。数学表达式为： I1 I2 I3 I4 a I I1 1 + + I I 2 2 I I3 3 I I4 4 = 0= 0 通常规定以指向结点的电流取正， 背离结点的电流取负。在此规定下， 根据KCL可对结点 a列出KCL方程： i i = 0 = 0 （任意波形的电流） I I = 0 = 0 （稳恒不变的电流） 1.4.1 基尔霍夫电流定律（KCL） 指定参考方向 KCL的讨论 举例 i1 i4 i2 i3 整理为 i1+ i3= i2+ i4 可列出KCL：i1 i2+i3 i4= 0 根据 i（t）= 0 可得KCL的另一种形式：i入= i出 KCL的推广应用 对图示电路的三个结点分别列KCL 即即 I I = 0 = 0 I I A A + + I IB B + + I IC C = 0 = 0 可见，在任一瞬间通过任一封闭面的电流的代数和 也恒等于零。 IA IB IAB IBC ICA IC A B C IA = IAB ICA IB = IBC IAB IC = ICA IBC 把上述三式相加可得 KCL的推广应用 二端网络的两个对外引出 端子，电流由一端流入、 从另一端流出，因此两个 端子上的电流数值相等。 只有一条支路相连时： i=i=0 0 A B i1 i2 i3 A B i1 i2 A B i 图示B封闭曲面均可视为 广义结点， i1+i2+i3=0 i1=i2 KCL应用举例 1.6.2 基尔霍夫电压电压 定律（KVL) lKVL的基本内容 对于任何集总参数电路中的任一闭合回路，在 任一时刻，沿该回路内各段电压的代数和恒等于零 。其一般表达式为： U= 0 或u = 0 I1 + US1 R1 I4 US4 R4 I3 R3 R2I2 _ U3 U1 U2 U4 先标绕行方向 根据：根据： U U = 0 = 0 得得： -U1-US1+U2+U3+U4+US4=0 lKVL方程的列写方法 列写时，首先在回路内选定一个绕行方向 （顺时针 或逆时针），然后将回路内各段电压 的参考方向与回路绕行方向比较，若两个方向 一致，则该电压 前取正号，否则取负号。 三、KVL的推广应用 KVL不仅适用于电路中任一闭合回路，还可推广应用于任 一不闭合回路。但要注意将开口处的电压考虑在内，就可按有 关规定，列出不闭合回路的KVL方程。图1-18所示是某网络中 的部分电路，a、b两结点之间没有闭合，按图中所选绕行方 向，据KVL可得 Uab - R3 I3+ R2 I2 - Us2 - R1 I1 + Us1 = 0 所以 Uab = -Us1 + R1 I1 + Us2 -R2 I2+ R3 I3 这表明：电路中任意两点间的电压Uab等于从a点到b点的 任一路径上各段电压的代数和。此即求解电路中任意两点间电 压的方法。 KVL定律的推广应用：推广应用于任一不闭合回 路(假想回路 )。要注意将开口处的电压考虑在内， 就可按有关规定，列出不闭合回路的KVL方程。 或写作或写作 对假想回路列对假想回路列 KVLKVL ： US I U R + _ + _ U US S IR IR U U = 0= 0 U U = = U U S S IR IR Uab - R3 I3+ R2 I2 - Us2 - R1 I1 + Us1 = 0 或写作： Uab = -Us1 + R1 I1 + Us2 -R2 I2+ R3 I3 例1 例2 A BC UA + _UAB + _ UB + _ U UA A U U B B U UAB AB = 0 = 0 U U AB AB = = U UA A U UB B 对假想回路列对假想回路列 KVLKVL： 或写作或写作 电电路中任意两点间间的电压电压 UAB等于从A点到B点的任一路 径上各段电压电压 的代数和。此即求解电电路中任意两点间电间电 压压的方法。 基尔霍夫定律应用举例 ？ 举例1：求图中电压U和电流I。 U I KCL：-3-1+2-I=0 I= -2A U1=3I=3(-2)= -6V KVL：U+U1+3-2=0 U=5V 3A 3V 2V 3W U1 1A 2A 解解 基尔霍夫定律应用举例 ？ 解解 举例2：求图中电位Va。 1 4A 2 3V - I=0 a Va=U1+3V=(4) 1+3=1V U1 1.6 支路电流分析法 理论依据： 基尔霍夫定律 分析方法： 以支路电流为未知量，分别应用KCL、KVL列方程，解 方程，得到各支路电流，继而求出电压、功率等其他物理 量。 特点： 适用范围广，思路简单。 支路电流法求解电路的步骤 确定已知电路的结点数n及支路数b，并在电路图上 标示出各支路电流的参考方向； 应用KCL列写n-1个独立结点独立结点的电流的电流方程式。 应用KVL列写b-n+1个独立回路独立回路的电压的电压方程式(先要 选择回路的参考绕行方向)。 联立求解方程式组(b个方程)，求出b个支路电流支路电流。 【例1】 单回路电路（串联电路）如图所示，已知Us1 =15 V，Us2 = 5 V，