电子电路基础第1章直流电路.ppt

主讲 冼立勤,电子技术基础,绪论,电子技术是一门研究电子器件及其应用的科学技术。,一、什么是电子技术?,以电子器件的更新换代为标志！ 电子学近百年发展史上三个重要里程碑： 1904年电子管发明（真正进入电子时代） 1948年晶体管问世 1958年集成电路出现(SSI、MSI、LSI、VLSI),二、发展历程：,1第一代电子器件电子管 1904年，弗莱明发明了电子管，是电子学发展史上第一个里程碑。用电子管可实现整流、稳压、检波、放大、振荡、变频、调制等多种功能电路。 电子管体积大、重量重、寿命短、耗电大。世界上第一台通用数字计算机用1.7万只电子管，占地170m2，重30吨。,2第二代电子器件晶体管 1947年，贝尔实验室的肖克利等发明了半导体三极管，其性能明显优于电子管，从而大大促进了电子技术的应用与发展。晶体管的发明是电子学历史上的第二个里程碑。 尽管晶体管在体积、重量等方面性能优于电子管，但由成百上千只晶体管和其他元件组成的分立电路体积大、焊点多，可靠性差。,3第三代电子器件集成电路 1958年，德州仪器公司的基尔比发明了第一个集成电路。 集成电路的发展促进了电子学、特别是数字电路和微型计算机的发展，人类社会开始迈进信息时代。 集成电路按集成度可分作 小规模集成电路（SSI）102 中规模集成电路（MSI）103 大规模集成电路（LSI）104 超大规模集成电路(VLSI)105 例如，CPU芯片P6内部就封装了550万只晶体管。,三、电子技术的应用： 渗透到社会生产和生活的一切领域。 例如：数字计算机、传真机、手机、卫星通讯设备、网络设备、家庭音响、数字相机、录象机、电视机 ,掌握基本概念、基本电路、基本分析方法。 具有能够继续深入学习和接收电子技术新发展的能力，将所学知识用于本专业的能力。,课程目的,怎样学好电子技术基础,努力学习，独立思考，善于提问 注重分析问题能力和解决问题能力的培养。,参 考 书： 1、李瀚荪简明电路分析基础高等教育出版社 2、童诗白、华成英模拟电子技术基础高等教育出版社 3 、康华光：电子技术基础-模拟部分高等教育出版社 4、James W.Nilsson,Susan A.Riedel电路电子工业出版社 5、Krenz J.H电子学原理电子工业出版社 答疑地点：主楼1018房间； 答疑时间：周二14:30-16:30； 交作业时间：单周周二上课铃响之前。,主要内容: 1 电路与电路模型; 2 电路变量; 3 电路基本元件; 4基尔霍夫定律; 5 电路的系统分析法：节点电压法； 6 叠加定理 7 等效电源定理,第一章 直流电路,1.1 电路和电路模型,1）电路：由某些电气设备或元器件按一定方式连接起来的电流通路称为电路。 简单电路如手电筒，包括电池、灯泡、开关及连线,电源：向电路提供电能或电信号的器件。 负载：吸收电能或接受电信号的器件。 传输控制器件：电路中的导线和开关等。,2）电路模型：为了对实际电路进行分析研究，把各种各样的实际电路元件根据其主要物理性质，抽象成理想化的电路模型元件，这些元件包括耗能元件：电阻；储能元件：电感、电容；电源元件：电压源、电流源；受控源等。,复杂的电路如超大规模集成电路、通信网络、自动控制系统等。,集总参数元件: 每一个具有两个端钮的元件中有确定的电流，端钮间有确定的电压。,集总参数电路: 由集总参数元件构成的电路。,一个实际电路要能用集总参数电路近似，要满足如下条件：即实际电路的尺寸必须远小于电路工作频率下的电磁波的波长。,在电场的作用下，电荷有规则的定向移动形成电流，我们把单位时间内通过导体横截面的电荷量定义为电流强度。,1.2.1电流和电流的参考方向,实际方向：规定正电荷的运动方向。,参考方向 ：在分析和计算电路时往往任意选定某一方向作为电流的正方向，也称参考方向。,1.2 电路变量,图示电路表示电流参考方向为从a流向b。,电流代数值是在指定参考方向下的数值。,* 参考方向与实际方向的关系 在规定的参考方向下，若计算结果 I 0 参考方向与实际方向一致 I 0 参考方向与实际方向相反,电场力把单位正电荷从a点移到b点所 作的功定义为a、b两点间的电压。,实际方向：高电位指向低电位。,参考方向 ：任意选定某一方向作为电压的正方向，也称参考方向。,1.2.2、电压和电压的参考方向,2）电压参考方向可用+、符号表示，也可以用带箭头线表示，如图所示。,电路描述和计算时，首先要设定电压电流的参考方向，然后才能写出表达式，并进行计算。,* 参考方向与实际方向的关系 在规定的参考方向下，若计算结果 U 0 参考方向与实际方向一致 U 0 参考方向与实际方向相反,1.2.3 电功率,直流电路中某器件的功率是电 压(伏）和电流（安）的乘积,注意: 上式中U、I均需设定参考方向,P=UI 功率的单位是瓦(W),若器件电压电流参考方向一致（称作关联参考方向），如图所示,关联参考方向,P=UI,若器件电压电流参考方向不一致（称作非关联参考方向），如图所示,注意：式中U、I均为对应参考方向下的电压电流代数值。,非关联参考方向,P=UI,功率计算,例1. 电路及电压电流的参考方向如图，已知Us=10V, UI = 30V ，Is=2A, R=10, 求电压源、电流源和电阻的功率。,电阻功率： PR= URI=20(2)=40 W （消耗功率） 电压源功率： PU= USI=10(2)=20 W （消耗功率） 电流源功率： PI= UIIS=302=60 W （发出功率）,解：I=Is=2A UR =IR=210=20V,1.3、电路基本元件,1.电阻元件： 电阻是消耗电能的无源二端元件，用字母 R 来表示，单位为欧姆 （） 。实际器件如灯泡，电热丝，电阻器等均可表示为电阻元件。,伏安特性是用图形曲线来表示电阻端部电压和电流的关系，当电压电流成比例时（特性为直线），称为线性电阻，否则称为非线性电阻。,1.3.1 无源元件,线性电阻的电压电流特性符合欧姆定律 U=RI,1）电容元件是储存电场能量的无源二端元件，用字母 C 来表示，其单位为法拉 （F）。,2）电容上储存的电荷 与端电压 uc 之间关系,2. 电容元件,1）电感元件是储存磁场能量的无源二端元件，用字母 L 来表示，其单位为亨利 （H）。,2）电感的磁通链 与电流 i 之间有 = L i,3）当电压和电流取关联参考方向时，有,3. 电感元件,1.3.2、理想有源元件,1.理想电压源 电压源的端电压保持为特定的值，与流过电压源的电流无关。该电压可以是恒定的或随时间按一定规律变化。,右图是电压源的常用符号，Us 表示电压源从正到负有Us 伏压降。,非零电压源不能直接短路，两个不等值的电压源不能并联。 当电压源数值Us = 0 时，相当于一根短路线。,右图是电流源的常用符号，Is 表示电流源端部流出的电流值。,非零电流源不能开路 ，两个不等值的电流源不能串联。 当电流源数值Is = 0 时，相当于电路开路。,2.理想电流源 电流源端部流出一个特定的电流，与电流源端部电压无关，其电流可以是恒定的或随时间按一定规律变化。,3.理想电源的等效变换 等效变换是指，当电路中的某一部分用一个新的电路结构（称等效电路）代替后，电路中其它未被变换部分的电压、电流均保持不变。,理想电源的等效,U = US I R0,理想电压源,实际电压源,1.3.3、实际电源的模型,I= IS UR0,理想电流源,实际电流源,电压源和电流源的等效替换,对于任意变化的负载电阻R，若RS 和 US 电路时的电压电流与RS 和 IS 电路时完全一样，则在电路计算时， RS 和 US 电路（电压源电路）与RS 和 IS电路（电流源电路）可等效替换。,等效替换条件,左图：U= USIRS, 右图： U= IS RS IRS 等效的条件： US= IS RS 或 IS= US/ RS,=,在电路计算时，与电阻RS串联的电压源US可等效为与电阻并联的电流源IS 。 等效替换同时适用于独立源和受控源。,例:求i的值.,答案： i=2.5/(5+5)/2=0.125A,受控电源是一些实际电路器件的理想化模型，它们的输出电压和电流受到电路中其它部分电压或电流的控制，故又称非独立电源。受控电源分受控电压源和受控电流源，它们为四端元件。,1.3.4 受控源元件,受控源类型,电流控制电流源(CCCS),含受控源电路计算,例1 图示电路，已知Us=10V, R1=R2=R3=10, =10， 求R3上电压为多少？,解：控制变量 I=,R3上电压,受控电压源电压 I=101=10V,1.4 基尔霍夫定律,支路：单个或若干个二 端 元件所串联成的电路。 节点：两条以上支路的交 汇点。 回路：若干条支路组成的 闭合路径。,6条支路 4个节点 ？条回路 注意：该电路除上述3条回路外，还可选择多条不同的回路。,支路、节点、回路的概念,KIRCHHOFFS LAW,1.4.1 基尔霍夫电流定律,电路中任一节点电流的代数和为零,其中流出节点的电流取正号，流入节点的电流取负号。,节点1： I1I2I3=0 节点2： I3I4I5=0,节点3： I2I4I6=0 节点4： I1I5I6 =0,Kirchhoffs Current Law (KCL),1.4.2 基尔霍夫电压定律,Kirchhoffs Voltage Law (KVL),回路1： I3 R3 I4 R4Us2=0 回路2： Us1I5 R5 I3 R3 =0 回路3： I4R4 I6 R6 I5 R5=0,把支路电压用支路元件电压来表示，得：,讨论: 电路中电压电流的变化遵循两类约束条件:,第二类是元件连接关系(拓扑约束) 基尔霍夫定律,第一类是元件特性关系(电压电流关系VCR),利用两类约束条件解复杂电路,右图电路，若电阻和电压源的数值均已知，则由KCL和KVL得方程：,回路1： I3 R3 I4 R4= Us2 回路2： I5 R5 I3 R3 =Us1 回路3： I4 R4 I6 R6 I5 R5=0,由上面6个方程可解出6个支路电流变量。,电阻的串联、并联和串并联,一、 电阻串联 ( Series Connection of Resistors ),串联电路的总电阻 等于各分电阻之和。,2. 电压的分配公式,例 两个电阻分压,二、电阻并联 (Parallel Connection),2. 并联电阻的分流公式,对于两电阻并联,三、电阻的串并联,R = 4(2+(36) )= 2 ,1.5 节点电压法,以节点电压作为独立变量，建立节点电压方程，求解节点电压再确定支路电流，称为节点电压法。,电压: 两点之间电位差。,电位:电路中某点的电位等于该点到参考点之间的电压，参考点就是零电位点。,电路中某点的电位与参考点的选择有关，而任意两点之间的电压与参考点的选择无关。,1）设电路有n个节点，以其中任一节点作为参考节点，令参考节点的电位为零，则其余各节点相对于该参考点的电位就是节点电压。,节点电压法概述,如图，节点的电压 是U1 ， 节点的电压是 U2 。,3）以节点电压作为独立变量，建立节点电压方程，求解节点电压后再确定支路电流，这种方法称为节点电压法。,4）在用节点电压法解题时，对于n个节点，因为已选定一个节点为参考点，则有n -1个独立节点电压变量，必须建立n -1个独立方程才可求解。,2、列出节点电压方程,节点电压方程的形式可由KCL方程导出， 对于节点列写KCL方程 - I1+I2+I3=0 对于节点 列写KCL方程 - I3+I4 - Is=0,步骤： 1、指定参考点，标出各节点位置和有关电压电流的参考方向,对于 I1，该支路电压为： U1 = US - R1I1 得 I1= -(U1 Us)/R1= -G1(U1 Us),同理，可写出其余各支路电流 I2= G2U1 I3= G3 (U1 U2) I4= G4U2,上式即为节点电压方程。 (节点电压方程的实质是KCL表示式)!,3、解节点电压方程 由2个节点电压方程，即可解出2个节点电压，然后根据节点电压和支路电流的关系求出支路电流。,节点法例1 （包含纯电压源支路）,例1 如图电路，已知US1=4V，US2=4V，US4=10V，IS3=1A，R1=R4=R5=2 ，试求支路电流I4。,解：该电路包含一条纯电压源支路，,取纯电压源支路的任一节点为参考节点。 设节点3为参考节点，,则节点1的电压可直接得到： U = US2 = 4V,列出节点2的电压方程为 U /R5 +( U U US4 ) /R4 + IS3 = 0,注意：包含一条纯电压源支路的电路，在用节点电压法解题时，参考节点应选为纯电压源支路的任一节点上。,代入数据解得 U = 4V I4 = ( U U US4 ) /R4 = 1A,对于节点 列写KCL方程：I5+I4+Is3=0 I5 = U /R5， I4 = ( U U US4 ) /R4,节点法例2,例2 已知R3=2，R4=4 ，R5=1 ，R6=6 ，US1=8V，US2=4V，用节点电压法求支路电流I1和I2 。,解：取节点4为参考节点，则有 U = US1， U = US1US2,节点2：,U = 8V， U = 12V U = 4V,I5 = U / R5 = 4A I6 = U / R6 = 2A I4 = （ U U ）/ R4 = 2A I1 = I5I6 = 6A I2 = I6 I4 = 4A,代入数据解得:,节点法例3,例3 已知R3=R4=4，=3，g=1S，IS2=0.5A，用节点电压法求I4的电流。,（包含受控源支路）,1）对于受控源，在用节点法计算时，先把受控源当作独立电源来处理，按一般方法列节点电压方程。,令节点2为参考节点，则节点1的电压为,R4,解得 U1=8V， I4 = U1/R4 = 2A,1.6 叠加定理,线性电路中任一支路电流（电压）等于各个独立源分别单独作用情况下所产生电流（电压）之代数和。,概念,这里分别单独作用是指： 电路中其余电压源短路，其余电流源开路。,线性电路：由线性元件和独立源组成的电路。,I2=I21I22 U2=U21U22,支路电压和支路电流的叠加,讨论： 1、叠加定理中，不起作用的电压源元件短路，不起作用的电流源元件开路：,2、叠加定理计算时，独立电源可分成一个一个源分别作用， 也可把电源分为一组一组源分别作用。,3、叠加定理只适合于线性电路，非线性电路的电压电流不可 叠加 。,4、无论线性、非线性电路，功率 P 均不可叠加。,设:,显然:,5、电路包含受控源时，每次叠加受控源元件均存在（受控源与电阻器件一样处理)。,求电压U。,例,电路如图所示，已知R1=2 ,R2=R3=4 ，R4=8 ，Is6=1A，为使U1=0V，Us5应为多少？,解：应用叠加定理，当Is6起作用时，R1上电压为,当Us5起作用时，R1上电压为,1.7 等效电源定理,1.7.1一端口网络 一端口网络：具有两个连接端子与外电路相连的部分电路。,无源网络：一端口网络内无独立电源，常用方框加No来表示 一个无源网络。,有源网络：一端口网络内有独立电源，常用方框加Ns来表示 一个有源网络。,无源一端口网络可简化为一等值电阻。,Ro=R1,例：利用串并联方法简化无源网络。,1.7.2 戴维南定理,戴维南定理: 任一线性有源一端口网络，对外部特性而言，可以等效为一个电压源Uo和一个电阻Ro 相串联的电路, 其中： Uo :等于该一端口网络的开路电压，且电源的正极和开路端口高电位点对应； Ro :等于令该有源一端口网络内所有独立源均为零时所构成的无源