电路基础3

山西财贸职业技术学院 应用电子系,第一章 电路的基本概念,第1章 电路的基本概念,第一节 电路和电路模型,电路 电路是为了某种需要而将某些电工设备或元件按一定方式组合起来的电流通路。 电路元件 理想电路元件有：电阻、电感、电容、电压源、电流源。,电路,电路的功能 实现电能与其他形式的能量的转换、传输和分配 实现信号的传输与处理 电路的组成 电路通常总是由电源、负载和中间环节（导线和开关）等基本部分组成,电路,将非电能转化为电能的装置,将电能转化为其他形式能的装置,用于传输和分配电能,理想电路元件,电阻,电流源,电压源,电感,电容,部分电工图形符号,电路,实际的电路是由一些按需要起不同作用的元件或器件所组成，如发电机、变压器、电动机、电池、电阻器等，它们的电磁性质是很复杂的。 为了便于分析与计算实际电路，在一定条件下常忽略实际部件的次要因素而突出其主要电磁性质，把它看成理想电路元件。,例：白炽灯在有电流通过时的情形,消耗电能 （电阻性）,产生磁场 储存磁场能量 （电感性）,忽略L,理想电路元件,电路,电路模型只能反映实际电路的作用及其连接方式，不反映实际电路的结构、位置。,第二节 电路模型,电路的基本物理量 电流、电压、电动势、电位、电功率 电流电压及其参考方向 关联、非关联 电路功率,电路的基本物理量,各物理量方向的表示方法,Eda,Ubc,Iab,电流:,电压:,电动势:,U,Uab,电流电压及其参考方向,电流及其参考方向 电流：带电粒子或电荷在电场力作用下的定向运动形成电流。带电质点的种类：（1）正离子（2）负离子,电流的单位,大小和方向都不随时间改变的称为直流电，用大写字母 I 表示。 大小和方向都随时间改变的称为交流电，用小写字母 i 表示， i 也是表示电流的一般符号。 电流的单位： A（安培）、kA（千安）、mA(毫安）、A（微安）,电流的方向,电流的实际方向：,正电荷运动的方向或负电 荷运动的反方向(客观存在）,电流的参考方向：,假设的电流方向，可以任意假定；但是一经规定，在计算过程中便不得随意改变。,在规定的参考方向下计算，如果求出的电流值为正，说明参考方向与实际方向一致，否则说明参考方向与实际方向相反。,例. 正弦交流电流i(t)=Asinwt,电压、电位和电动势,电压及其参考方向 电场力把单位正电荷从电场中a点移动到b点所做的功称为a、b两点的电压，用Uab表示。,参考方向也可以随意规定。但是一经规定，在计算过程中便不得随意改变。,电压的单位为伏特，用符号“ V ”表示，电压常用的单位还有kV、mV、V，其换算关系是：,电压的单位,1KV=103V 1V=103mV 1mV=103V,电压的方向,电压的实际方向规定由电位高处指向电位低处。与电流方向的处理方法类似，可任选一方向为电压的参考方向。 电压参考方向的表示。,1.标+、-极性,2.双下标,在规定的参考方向下，计算后若u0实际方向与参考方向一致u0实际方向与参考方向相反,电压方向的关联,电流参考方向和电压参考方向可以相互独立地任意确定。 通常将其取为一致，称关联方向，即顺电流方向电位降低。 如果不一致，称非关联方向，即顺电流方向电位升高。 如果采用关联方向，在标示时标出一种即可。如果采用非关联方向，则必须全部标示。,电位,电路中某点的电位定义为单位正电荷由该点移至参考点电场力所做的功。 电路中a、b点两点间的电压等于a、b两点的电位差。,电位的大小,参考点的电位等于零。参考点又称为零电位点。 高于参考点的电位是正电位。 低于参考点的电位是负电位。电位的单位与电压相同，也是“V”。,电动势,电动势是衡量外力即非静电力做功能力的物理量。外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功，称为电源的电动势。,电动势的实际方向与电压实际方向相反，规定为由负极指向正极。单位与电压单位相同，也是“V”。,结论,一：参考点改变，各点的电位随之改变，即各点的电位与参考点的选择有关。电路中某点的电位就等于该点与参考点之间的电压。参考点可任意选定，但同一电路中只允许选一个参考点。 二：不管参考点如何变化，两点间的电压（电位差）是不变的，即电位差与参考点的选择无关。 工程中，常取大地或许多元件汇集的公共点作为零电位点，即参考点。,例:在图中，已知UCO=3V， UCD =2V.试分别以D点和O点为参考点，求各点的电位及D、O两点的电压UDO 。,解： （1）以D点为参考点，即VD=0(V),（2）以O点为参考点，即VO=0(V),解：,假定I 的正方向如图所示。,则电路方程：,实际方向与假设方向相反！,已知：E =2V, R =1 问：当Uab为1V时，I = ?,在电路图中，参考点用符号“”表示。,选b点为参考点,选d点为参考点,选用不同的参考点，各点电位的数值不同，但任意两点之间的电压不随参考点的改变而变化。,电路功率,功率: 电场力在单位时间内所做的功称为电功率，简称功率。单位：W、mW、Kw。问题：如果假设方向不一致怎么办？功率有无正负？电能：1kWh（1千瓦小时称为1度）=3.6 MJ,（焦耳J）,若 P 0，电路实际吸收功率，元件为负载；,若 P 0，电路实际发出功率，元件为电源。,以元件电流和电压的参考方向是否关联，可以列出该元件的吸收的电功率为：,（U和I的实际方向相反，则是电源）,（U和I的实际方向相同，是负载）,非关联,关联,例：求图示各元件的功率. （a）关联方向， P=UI=52=10W， P0，吸收10W功率。 （b）关联方向， P=UI=5(2)=10W， P0，吸收10W功率。,解：元件A：非关联方向，P1=U1I=101=10W，P10，产生10W功率，电源。 元件B：关联方向，P2=U2I=61=6W，P20，吸收10W功率，负载。 P1+P2+P3=1=+6+4=0，功率平衡。,例： I=1A，U1=10V，U2=6V，U3=4V。求各元件功率，并分析电路的功率平衡关系。,小结,(1) P 的“+”或“-”表示了能量的流向。(2)在一个电路中，电源产生的总功率和负载消耗的总功率是平衡（相等）的。元件的瞬时功率,第三节 电阻、电感 和电容元件,电阻元件。符号：R 电容元件。符号：C 电感元件。符号： L,二端元件：,有两个端钮与外部相连的元件。,二端电阻元件的 u、i 关系可由 u i 平面的一条 曲线（伏安特性曲线）确定。,电阻元件,分 类,不变电阻,可变电阻,或,线性电阻（过原点的直线）,非线性电阻,一个二端元件，如其端电压u和端电流i之间的关系可用代数方程 f(u, i, t)0 表示，该二端元件称为电阻元件。,非线性时不变电阻,t1,t2,电阻的分类,非线性时变电阻,线性时不变电阻,t1,t2,线性时变电阻,线性不变电阻元件的u-i关系,u(t) = Ri(t),i(t) = Gu(t),u、i取一致的参考方向,R：电阻，衡量电阻元件阻碍电流流动的能力单位：欧姆，符号,G：电导，衡量电阻元件的导电能力 单位：西门子，符号S,RY型金属氧化膜电阻器广泛应用于彩色电视机，计算机显示器、新电源和其他家用电器等高温条件下要求稳定性高的电路中 特点：小型、优质、阻燃、低噪音、质量一致、长期稳定,RX27/RY27瓷壳型水泥固定电阻器,特点： 高可靠性、耐高温、耐电脉冲击、抗浪涌能力强、阻燃性好。,RX21涂覆型线绕固定电阻器,特点： 高可靠性、功率范围大、耐潮湿、绝缘性好、抗浪涌能力强、阻燃性好。,线性电阻,0,u,i,伏安特性,功率：,电阻元件是一种消耗电能的元件。,电容元件,电容元件是一种能够贮存电场能量的元件，是实际电容器的理想化模型。,电容元件的电压电流关系 （关联参考方向）,电容 C 在任一瞬间吸收的功率：,P 0 吸收能量,P 0 释放能量,只有电容上的电压变化时，电容两端才有电流。在直流电路中，电容上即使有电压，但，相当于开路，即 电容具有隔直作用。,C称为电容元件的电容，单位是法拉（F）。,存储能量：,薄膜电容器系列,瓷介电容器系列,独石电容器,多层片状陶瓷电容器（SMD贴片电容全系列） 片式钽电解电容,小型电解电容,金属化聚丙烯薄膜电容器,金属化聚丙烯电容器,适用于电动机起动和连续运行电路（如空调机）中，或作灯具的功率补偿,高原型并联电容器 （电力电容器）,可用于 1000米至5000米的高原地区进行无功补偿,电感元件,电感元件是一种能够贮存磁场能量的元件，是实际电感器的理想化模型。,电感元件的电压电流关系 （关联参考方向）,线性电感（L为常数）,i,N,N 匝数, 磁通, 磁链,电感,（安）A,韦伯（Wb）,亨利（H）,电感 L 在任一瞬间吸收的功率：,P 0 吸收能量,P 0 释放能量,称为电感元件的电感，单位是亨利（）。,只有电感上的电流变化时，电感两端才有电压。在直流电路中，电感上即使有电流通过，但，相当于短路。,存储能量：,名称： RC、RCW型磁棒线圈 特性：输出电流大价格低结构坚实 用途：杂波消除、滤波、扼流，广泛用于各种电子电路及电子设备,名称： TC、TBC环型线圈 特性：价格低电流大损耗小 用途：扼流线圈，广泛用于各类开关电源，控制电路及电子设备。,名称： 空心线圈 特性：体积小高频特性好滤波效果好 用途：BB机、电话机、手提电脑等超薄型电器,第四节 独立电源元件,常用实际电源,干电池、蓄电池、直流发电机、直流稳压电源等。,交流发电机、电力系统提供的正弦交流电源、交流稳压电源等。,直流电源：,交流电源:,一个实际电源可以用两种模型来表示。用电压的形式表示称为电压源，用电流的形式表示称为电流源。,电压源,电源的输出电压与外界电路无关,即电压源输出电压的大小和方向与流经它的电流无关。,是由内部损耗很小,以至可以忽略的实际电源得到的理想化二端电路元件。,特 性,1. 理想电压源,独立电压源:,是指其外特性由电源本身的参数决定,而不受电源之外的其他参数控制。,理想电压源(交流),电路符号,理想电压源(直流),或,特点：电流及电源的功率由外电路确定，输出电 压不随外电路变化。,Us,伏安特性,I,U,理想电压源伏安特性,2. 实际电压源,理想电压源是不存在的,电源在对外提供功率时,不可避免的存在内部功率损耗.即实际电源存在内阻,带载后,端电压下降。,干电池在带 负载后,端电压将低于定值电压Us,负载电流越大,端电压越低。,(d)实际电源(i为负载电流,u 端电压),例:,实际电压源(交流),电路符号,实际电压源(直流),或,特点：输出电压随外电路变化。,伏安特性,I,U,U = US RS I,实际电压源伏安特性,U0 = US,实际电压源与理想电压源的本质区别在于其内阻RS。,注意,时，实际电压源就成为理想电压源。,当,实际电压源,理想电压源,实际工程中，当负载电阻远远大于电源内阻时，实际电源可用理想电压源表示。,近似,实际电压源的两种特殊情况:,开路:,实际电源不接负载时,端电压等于Us,内阻R s不消耗功率,电压降为零,称为开路状态.,开路时,端电压为Uoc = Us(可直接测得),电流I =0., 短路:,实际电源被短路时,端电压U=0 ,短路电流Isc = Us / Rs.(Rs一般很小,所以短路电流很大,以至损坏电源) .,测内阻Rs :将实际电源接上适当负载测出端电压U和电流I,可得:,Rs =(Us - U )/ I = ( Uoc - U ) / I,电流源,1. 理想电流源,电源的输出电流与外界电路无关,即电源输出电流的大小和方向与它两端的电压无关。,理想电流源是不存在的,电源在对外提供功率时,不可避免的存在内部功率损耗。即实际电源存在内阻,带载后,输出电流下降。,2. 实际电流源,理想电流源(交流),电路符号,理想电流源(直流),特点：电源的端电压及电源的功率由外电路确定， 输出电流不随外电路变化。,伏安特性,I,理想电流源伏安特性,Is,实际电流源(交流),电路符号,实际电流源(直流),特点：输出电流随外电路变化。,伏安特性,实际电流源伏安特性,实际电流源与理想电流源的本质区别在于其内阻RS。,注意,时，实际电流源就成为理想电流源。,当,实际电流源,理想电流源,实际工程中，当负载电阻远远小于电源内阻时，实际电源可用理想电流源表示。,近似,实际电源的模型,或,可见一个实际电源可用两种电路模型表示：一种为电压源Us和内阻Ro串联，另一种为电流源Is和内阻Ro并联。,实际使用电源应注意,（1）电压源常指相对负载而言具有较小内阻的电压源；电流源常指相对于负载而言具有较大内阻的电流源。 （2）实际电压源不允许短路。平时应开路放置。 （3）实际电流源不允许开路处于空载状态。平时应短路放置。,第五节 电气设备的额定值 及电路的工作状态（选）,电气设备的额定值 额定值是制造厂为了使产品能在给定的工作条件下正常运行而规定的正常容许值。 额定值有额定电压UN与额定电流IN或额定功率PN 。 注意：元件的电压、电流和功率的实际值不一定等于它们的额定值。,电路的工作状态,1、负载状态,P=UI：电源输出的功率 PS=USI：电源产生的功率 P=I2R0：内阻消耗的功率,2、空载状态,3、短路状态,（1）电源的额定电流IN； （2）电源开路电压U0C； （3）电源在额定工作情况下的负载电阻RN； （4）负载发生短路时的短路电流ISC。,例：设图示电路中的电源额定功率PN=22kW ，额定电压UN=220V，内阻R0=0.2，R为可调节的负载电阻。求：,例题,解：(1)电源的额定电流为：,(2)电源开路电压为：,(3)电源在额定状态时的负载电阻为：,(4)短路电流为：,例题,求解下图电路中的电流、电压,注意：电路变换将影响 流过电压源的电流,例题,注意：电路变换将影响 电流源两端的电压,例题,求解下图电路中的电流、电压，并验证功率平衡,电压源发出的功率：,电流源发出的功率：,电阻吸收的功率：,例题,电压源发出的功率：,电流源发出的功率：,电阻吸收的功率：,例题,在图示电路中, Uab = 5V ，求:(1) I及各个元件的功率; (2) 这段电路上的总功率.,A,B,1,4,+ ,+,5V,10V,解: 依照欧姆定律,I,R1,R2,E1,E2,例题,A,B,1,4,+ ,+,5V,10V,(吸收）,(吸收）,(吸收）,(吸收）,（发出）,I,R1,R2,E1,E2,例题,例题,A,B,1,4,+ ,5V,10V,I,R1,R2,E1,E2,图中五个元件代表电源或负载。参考方向如图所示。已知：I1=4A、I2=6A、U1=140V、U2=90V、U3=60V、U4=80V、U5=30V。,U,I,例题,（1）试标出各电流和电压的实际方向； （2）判断哪些元件是电源，哪些是负载； （3）计算各元件功率。,U,I,电流、电压同相 负载 电流、电压反相 电源,元件1、2 电源 元件3、4、5 负载,例题,U,I,P1=1404=560W P2=906=540W P4=804=320W P5=306=180W P3=560+540320180=590W,例题,电路如图.求理想电压源和理想电流源的功率,US 1V,R1,IS 1A,解: 该电路为串联电路 各元件的电流均为IS.,UR = IS R = 1V,P US = US IS=1W PR = ISUR = 1W P IS = 0PUS PR = 2W,此时电压源吸收功率(负载),例题,已知E1=7V，E2=16V，E3=14V，R1=16R2=3，R3=9。求：K打开时，Uab=？K闭合时，I3=？,1、K打开，I3=0UR3=0,E1+Uab+E3E2= 0 Uab=714+16=9V,2、K闭合，Uab=0 E1+E3E2 + I3R3= 0 I3=(E1E3 + E2) R3 =99=1A,例题,求图中的U2,I1,U1 10V,U2,R2 2,E2,E1,R1,R1,R3 5,4,4V,2V,I1=(104)/(R1+R2)=1A,U2=E2+ I1 R1 +E1=6V,I3 = 0（开路） I2 = 0,I2,I3,U1=I1(R1+R2)+E1,例题,5K,+12V,5K,S,10K,B,A,求S闭合和断开时A B点的电位,S打开时 UA=UB=12V S闭合时 UA=UB=(12/15)5=4V,解：,例题,求图中S闭合和打开两种情况下a点的电位,a, 12v,+ 12v,S,4K,26K,2K,S打开: I=(12+12)/32=0.75mAUa=I26+12=7.5VS闭合: I=12/30=0.4mAUa=4I=1.6V,解：,例题,13 试求图中线性电阻两端电压； 各电源及线性电阻的功率，并判断其性质。,（a） 解：,+ ,+ ,3V,u,2,1A,u=3V IR=u / R=3 / 2=1.5A PR=1.53=4.5W PIs=13=3W PUs=(1.51) 3=1.5W,（b） 解：,u=12=2V PR=(1)(2)=2W PUs=13=3W PIs=(3+2)=5W,例题,u1 IRIUsPUs、PR1、PR2PIs,u1、u2 PR PIs PUs,IS PUs 、 US PIs u1 PR,IS u1 PR PUs 、 PIs,请选择求解顺序：,u2,例题,（c）