东北大学电工学课件直流电路.ppt

东 北 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 吴 春 俐 教材： 东 北 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 吴 春 俐 实验教材： 课程简介课程简介 电工学是非电专业一门技术基础课。通过本电工学是非电专业一门技术基础课。通过本 课程的学习，获得电工技术、电子技术方面必要课程的学习，获得电工技术、电子技术方面必要 的基本知识、基本理论和基本实践技能，为学习的基本知识、基本理论和基本实践技能，为学习 后续专业课程及与从事有关的工程技术工作打下后续专业课程及与从事有关的工程技术工作打下 一定基础。一定基础。 通过电工学实验通过电工学实验, , 学会识别各种电子元器件以学会识别各种电子元器件以 及电路仿真分析方法；学习常用电工、电子仪器及电路仿真分析方法；学习常用电工、电子仪器 仪表的使用方法仪表的使用方法, , 锻炼电工方面的动手能力及实验锻炼电工方面的动手能力及实验 技能。技能。 总学时：总学时：7272学时学时 理论教学理论教学: 52: 52学时学时 实验教学实验教学: 20: 20学时学时 电子技术：电子技术： 第 1 章 半导体器件 4 4 4 4 第 2 章 基本放大电路 1010 2 2 第 3 章 运算放大器 4 4 2 2 第 5 章 数字电路 1212 4 4 第 6 章 整流电路和直流稳压电源 4 4 2 2 电工技术：电工技术： 理论学时(52) 实验学时(20) 第 1 章 直流电路 7 27 2 第 2 章 单相交流电路 7 27 2 第 3 章 三相交流电路 4 24 2 教学内容及学时安排（教学内容及学时安排（7272学时）学时） 成绩评定成绩评定: : 实验20分；平时考核(出勤.测验.作业)10分；期末考试70分。 教学要求教学要求: : 不旷课，不迟到；课上认真听，课后做作业。 东 北 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 吴 春 俐 第一章第一章 直流电路直流电路 1.1 电路和电路的主要物理量 1.2 电路的基本定律 1.3 电路中电位的计算 1.4 电路的几种状态和电气设备额定值 1.5 电压源、电流源及其等效变换 1.6 线性网络的分析方法 小结 本章要点 作业：教材作业：教材2929页习题页习题 4、11、12、13、22、23、31、35 I S R 3 U s R1 A R 2 R4 + - I3 I1 a b (1) 电流 I (2) 某点电位 UA (3) 电功率 PUs、 PIs ，并会判断是电源还是负载 电路电路 的分析方法：的分析方法： (1) 电源等效变换法 (2) 支路电流法 (3) 节点电压法 (4) 叠加原理 (5) 戴维南定理 主要知识点主要知识点 计算：计算： 电流定律(KCL)、电压定律(KVL) 电路的基本定律：电路的基本定律： I2 东 北 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 吴 春 俐 1.1电路和电路主要物理量 理想电路元件：电阻（R）、电感（L）、电容（C） 和理想电源（Us 、Is）等。 1.1.1电路和电路模型 1.1.2 电路的主要物理量 电流 电压 电功率 电动势 电能 1. 电流（I） 大小： I RUab E + _ a b + _ 方向: 正电荷运动的方向 单位:安培安培(A), (A), 毫安毫安( (mAmA), ),微安 微安(A)(A) US1 AB US2 IR + - - 15V 15V 5 5 5 5 电流IR方向？ U1 AB U2 IR (1) 先设定一个参考方向，作为电流的假想方向； (2) 根据参考方向和电路的基本定律，列出物理量间 相互关系的代数方程式； (3) 根据计算结果的正负，确定电流的实际方向。 即正方向，是任意设定的假想方向，电路中用箭头表示。 分析计算电路时，往往先设定电流的分析计算电路时，往往先设定电流的参考方向参考方向 求电流IR： 注意 ：参考方向是任意设定的。 根据结果的正负，确定实际方向： 若若I0 (I0 (见见a a图图) ) ，则实际方向与参考方向一致； ，则实际方向与参考方向一致； 若若I UN ， I IN ，P PN ( (设备易损坏设备易损坏) ) 额定工作状态：额定工作状态： U = UN ， I = IN ，P = PN ( (满载满载) ) ( (经济合理安全可靠经济合理安全可靠) ) (1) 额定值反映电气设备的使用安全性； (2) 额定值表示电气设备的工作能力。 例： 灯泡：UN = 220V ，PN = 40W 电阻： RN = 100 ，PN =1 W 电源外部端子被短接 3. 3.短路状态短路状态I U1 + 特征特征: : 电源端电压电源端电压 负载功率负载功率 电源产生的能量全被内阻消耗掉电源产生的能量全被内阻消耗掉 短路电流（很大）短路电流（很大） U1 = 0 PUs = P = IR0 P = 0 - 为避免短路，电路中要加入熔断器为避免短路，电路中要加入熔断器( (俗称保险丝俗称保险丝) )。 东 北 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 吴 春 俐 R0越小 斜率越小 1.1.电压源电压源 伏安特性 I U US U I R0 + - US RL U = US IR0 当当R R 0 0 = 0 = 0 时，时， U = UU = US S 电压源 电压源就变成了就变成了恒压源恒压源 由源电压串联一个电阻构成由源电压串联一个电阻构成 R0称为电源的内阻 1.5 1.5 电压源、电流源及其等效变换电压源、电流源及其等效变换 输出电压与电流的关系：输出电压与电流的关系： 东 北 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 吴 春 俐 理想电压源理想电压源 （恒压源）（恒压源） I US + _ a b Uab 伏安特性 I U US 特点特点：( (1 1）输出电）输出电 压不变压不变, ,其值恒等于源电压其值恒等于源电压 U U S S ； （2 2）输出电流输出电流 I I 由外电路决定由外电路决定 当R1 、R2 同时接入时： I=10A R2 2 设: US=10V 当R1接入时 ： I=5A则 2 R1 东 北 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 吴 春 俐 IS R0 a b Uab I I = IS (Uab / R0） 当当 内阻内阻R R 0 0 = = 时，时， I = II = IS S 电流源电流源就变成就变成了了恒流源恒流源 2. 2.电流源电流源由电激流并联一个电阻构成由电激流并联一个电阻构成 输出电流与电压的关系：输出电流与电压的关系： R0越大 斜率越小 外特性 Uab I IS 东 北 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 吴 春 俐 理想电流源理想电流源 （恒流源（恒流源) ) a b I Uab Is 设: IS=1 A R=10 时， U =10 V R=1 时， U =1 V则: R U + - 特点特点：( (1 1）输出电流）输出电流不变不变, ,其值恒等于源电流其值恒等于源电流 I I S S ； （2 2）输出电输出电压压 U U 由外电路决定由外电路决定 Uab I IS 外特性 东 北 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 吴 春 俐 等效互换的条件：当接有同样的负载时，等效互换的条件：当接有同样的负载时， 对外的电压电流相等。对外的电压电流相等。 I = I Uab = Uab 即： I R0 + -US b a Uab IS a b Uab I R0 3.3.电压源与电流源的等效互换电压源与电流源的等效互换 或US = ISR0 R0= R0 IS = US / R0 等效变换关系式: 等效互换公式推导过程等效互换公式推导过程 I R0 + -US b a Uab () RIRI RIIU 00s 0sab -= -= Uab = US IR0 则 US = ISR0 R0= R0 Uab IS a b I R0 或 IS = US / R0 为等效变换关系式 电压源与电流源的等效互换举例： I 2 + - 10V b a Uab 5A a b I 10V / 2 = 5A 2 5A 2 = 10V “ “等效等效” ”是指是指“ “对外电路对外电路” ”等效（等效互换前后对外伏安等效（等效互换前后对外伏安 特性一致），特性一致），对电源内部不等效。对电源内部不等效。 (1) Is a R0 b Uab I RL a US + - b I Uab R0 RL 等效变换的注意事项等效变换的注意事项 例如：当例如：当Us=10VUs=10V，R R 0 0 =2 =2 ，R R L L =3 =3 时，时， 内阻内阻R R 0 0 的功率在两种情况下是不同的。的功率在两种情况下是不同的。 又如：当又如：当R R L L = = 时，时，电压源的内阻电压源的内阻 R R 0 0 中不损耗功率，中不损耗功率， 而电流源的内阻而电流源的内阻 R R 0 0 则损耗功率。则损耗功率。 所以求电源的功率时，必须从原始电路求。所以求电源的功率时，必须从原始电路求。 注意变换前后注意变换前后 U U s s 与与 I I s s 的对应方向的对应方向(2) a U S + - b R0 US + - b R0 a Is a R0 b a Is R0 b (3)(3) 与与恒压源并联恒压源并联的任何元件对外电路不起作用，的任何元件对外电路不起作用， 对外可等效为一个恒压源；对外可等效为一个恒压源； 与与恒流源串联恒流源串联的任何元件对外电路不起作用，的任何元件对外电路不起作用， 对外可等效为一个恒流源。对外可等效为一个恒流源。 (4)(4) 求恒压源和恒流源的功率时，必须从原始电路求。求恒压源和恒流源的功率时，必须从原始电路求。 对电激流Is： 对源电压Us： 利用电源等效变换可以将复杂电路简单化，以便求解。利用电源等效变换可以将复杂电路简单化，以便求解。 任何一个源任何一个源电流电流 I I S S 和电阻和电阻 R R并并联的电路，联的电路， 都可化为一个都可化为一个 源电压源电压U U S S 和这个电阻和这个电阻R R串串联的电路。联的电路。 1 1 1 R U I = 3 3 3 R U I = R1 R3 Is R2 R5 R4 I3I1 I - + Is R1 U1 + - R3 R2 R5 R4 I=？ U3 已知：U1=12V, U3=16V, R1=2,R2=4,R3=4， R4=4, R5=5, IS=3A，用电源等效变换的方法求用电源等效变换的方法求 电流电流I I ，并，并计算恒流源计算恒流源 I I S S 功率。功率。 例例3 3： (接上页) Is R5 R4 I R1/R2/R3 I1+I3 R1 R3 Is R2 R5 R4 I3I1 I 45 4 RRR UU I d d + - = + Rd Ud + R4 U4 R5 I - (接上页) IS R5 R4 I R1/R2/R3 I1+I3 ()() 44 321 32131 / / RIE RRRR RRRIIU S d d = = += 代入数值计算即可 - + Is R1 U1 + - R3 R2 R5 R4 I=？ U3 已知：U1=12V， U3=16V， R1=2， R2=4， R3=4， R4=4， R5=5， IS=3A 解得：I= 0.2A (负号表示实际方向与假设方向相反) 练习：练习：（1 1）求）求电流电流 I I （2 2）电位）电位 U UA A （3 3）功率）功率P PIsIs，并判断并判断是电源还是负载？是电源还是负载？ （1）I I = -0.5 A= -0.5 A 2 4V I 2A - + 2 2 - + A （2） U UA A = = （3） P P IsIs = =U U IsIs I Is s U UA A = -2= -22+U2+U I I s s = 9= 9 U U I Is s = 13 v= 13 v + - U U I Is s 10V 2 2.5A 2 2I I+10=9 V+10=9 V =26 w=26 w 或或-U-U I Is s +2+22+22+2(-0.5)(-0.5) +10=0+10=0 电源还是负载？电源还是负载？ 电流从高电位流出 低电位流入 为电源 东 北 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 吴 春 俐 解： A 节点A ： I1+I2=I3 回路1： -U1+ I1 R1 +I3 R3 =0 12 回路2： -I2R2 +U2 -I3 R3 =0 I1 = 1.75A I2 = - 0.5A I3= 1.25A U1=12V，U2=3V, R1=R2=R3=4, 用支路电流法求用支路电流法求电流电流I I1 1、 、 I I 2 2、 I I3 3 。 I2I1 I3 R1 U1 R2 U2 R3 + _ + _ 例1 1.6 1.6 线性线性网络网络的分析方法的分析方法 应用电路基本定律应用电路基本定律(KCL(KCL、KVL)KVL)列列 电流方程和电压方程，求各支路电流。电流方程和电压方程，求各支路电流。 1 1 支路电流法支路电流法 1 1 支路电流法支路电流法 2 2 叠加原理叠加原理 3 3 节点电压法节点电压法 4 4等效电源定理等效电源定理 例2 电流方程： 电路如图，用支路电流法求电流I1 ， I2 注意：注意：回路中含有恒流源时，回路中含有恒流源时，恒流源两端有电压恒流源两端有电压 电压方程： 2 4V I1 2A - + 2 2 - + A I2 10V 12 10I 2I 4=0+-2+ 所以 支路电流法是最基本的分析方法，适合支路数较少的电路支路电流法是最基本的分析方法，适合支路数较少的电路 东 北 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 吴 春 俐 内容: 2 2 叠加原理叠加原理 对于对于线性电路线性电路，任何一条支路的电流，都任何一条支路的电流，都 可以看成是由电路中各个电源（可以看成是由电路中各个电源（ U US S 或 或 I I S S ）单独）单独 作用时，在该支路中所产生电流的代数和。作用时，在该支路中所产生电流的代数和。 2 4V I 2A - + 2 2 - + A 10V 4V单独作用时： 2A单独作用时： 根据叠加原理： 10V单独作用时： I = I+ I“- I“= -0.5A I I“ I“ 方向 方向 方向 “ “恒流源不起作用恒流源不起作用” ”时相当于开路时相当于开路 “ “恒压源不起作用恒压源不起作用” ”时相当于短路时相当于短路 1A 1A 2.5A 用叠加原理求电流I1 、I2 、 I3 B I2 R1 I1 U1 R2 A U2 I3 R3 + _ + _ + 已知：U1=12V， U2=3V， R1=4， R2=4， R3=4 AI2 I1 12V + _ B 4 4 4 I3 I2 4 4 A B 3V 4 + _ I1 I3 解： U1单独作用时： U2单独作用时： 根据叠加原理得： I1 = I1- I1=1.75A I2 = -I2+ I2=-0.5A I3 = I3+ I3=1.25A 例1 例2 + - 10 I 4A 20V 10 10 用叠加原理求：I= ? I=2AI“= 1A I = I- I“= 1A 10 I 4A 10 10 + 解： “ “恒流源不起作用恒流源不起作用” ”就是就是“ “令令IsIs等于等于0 0” ”，相当于开路。，相当于开路。 20V + - 10 I “ 10 10 注意：功率注意：功率P P不能用叠加原理计算。不能用叠加原理计算。 此叠加原理法适于电源数较少的电路。此叠加原理法适于电源数较少的电路。 东 北 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 吴 春 俐 R4 U1 I1 R1 R2 + +U 2 R3 I2 I4 IS1 IS2 若电路中只有两个节点a、b，则可先求出两个 节点之间的电压Uab ，然后再计算各支路的电流。 3 3 节点电压法节点电压法 R4 U1 I1 R1 R2 + +U 2 R3 I2 I4 IS1 IS2 a b Uab 的公式：节点电压 节点电压公式的推导 各支路电流分别用Uab 表示 ： 节点电流方程： a点： R4 U1 I1 R1 R2 + +U 2 R3 I2 I4 IS1 IS2 a b 将各支路电流代入节点a 电流方程，然后整理得 ：节点电压公式 节点电压公式: R4 U1 I1 R1 R2 + +U 2 R3 I2 I4 IS1 IS2 a b (1)分母(1/R) 为各支路等效电阻的倒数和， 但不含与 Is串联的电阻； (2)分子(U/R) 中， U与节点电压Uab极性相同时,取“+”； (3)分子(Is) 中，电流流入节点a时,取“+”，否则取“-”； 注意： 此法适于只有两个节点或可等效为两个节点的电路。此法适于只有两个节点或可等效为两个节点的电路。 a 例1 已知：U1=12V， U2=3V， R1=4， R2=4，R3=4 用节点电压法求电流I1 、I2 、 I3 b Uab = 2 2 1 1 R U R U + 3 21 111 RRR + = 5V 解： Uab =-I1R1+U1 Uab =-I2R2+U2 Uab =I3R3 I1 = 1.75A I2 = -0.5A I3 = 1.25A I2 R1 I1 U1 R2 U2 I3 R3 + _ + _ 用用节点电压法节点电压法求电流求电流I I。 练习 2 4V I 2A - + 2 2 - + 10V AI5 . 0-= Uab =2I+10 a b 东 北 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 吴 春 俐 二端网络：若一个电路只通过两个输出端与外电路 相联，则该电路称为“二端网络”。 无源二端网络：有源二端网络： A B A B 4 等效电源定理 有源二端网络用电源模型替代，称为等效电源定理。 用电压源模型替代 - 戴维南定理 用电流源模型替代 - 诺顿定理 戴维南定理戴维南定理 任何一个有源二端网络都可以用一个等效电压源来代替。任何一个有源二端网络都可以用一个等效电压源来代替。 有源有源 二端二端 网络网络 R RL L a a b b I I U US S R R0 0 + + _ _ R RL L a a b b I I 2. 2. 内阻内阻R R 0 0 就是就是无源无源二端网络二端网络 a a 、b b之间的等效电阻。之间的等效电阻。 （恒压源恒压源U U S S 短路，恒流源短路，恒流源 I I S S 开路开路） 1. 1. 源电压源电压U U S S 就是有源二端网络的开路电压就是有源二端网络的开路电压U U 0 0 ， 即将即将负载断开后负载断开后 a a 、b b两端之间的电压两端之间的电压 其中其中 此法适于求复杂电路中某一支路的电流。此法适于求复杂电路中某一支路的电流。 例例1 1： 电路如图，已知电路如图，已知U U 1 1 =4V=4V，U U 2 2 =2V=2V，R R 1 1 = =R R 2 2 =2=2， R R 3 3 =3 =3 ，用戴维南定理求电流，用戴维南定理求电流I I 3 3 。 U U1 1 I I1 1 U U2 2 I I2 2 R R2 2 I I3 3 R R3 3 + + R R1 1 + + U US S R R0 0 + + _ _ R R3 3 a a b b I I3 3 a a b b 有源二端网络有源二端网络 等效电压源等效电压源 例1 解：解：(1) (1) 求等效电压源的求等效电压源的源电压源电压U U S S ( (二端网络开路电压二端网络开路电压U U 0 0 ) ) U U S S = = U U 0 0 = = U U 2 2 + I + I R R2 2 = 2 +0.5 = 2 +0.5 2 2 = 3V= 3V 或：或：U U S S = = U U 0 0 = = U U 1 1 I I R R1 1 = 4 0.5 = 4 0.5 2 2 = 3V= 3V R R2 2 U U1 1 I I U U2 2 + + R R1 1 + + a a b b + + U U0 0 I 解：解：(2) (2) 求等效电压源的内阻求等效电压源的内阻R R 0 0 去掉所有电源去掉所有电源（恒压源短路，恒流源开路）（恒压源短路，恒流源开路） U U1 1 I I1 1 U U2 2 I I2 2 R R2 2 I I3 3 R R3 3 + + R R1 1 + + a a b b R R2 2 R R1 1 a a b b R R0 0 从从a a、b b两端两端看进去，看进去， R R 1 1 和和 R R 2 2 并联并联 电路如图，已知电路如图，已知U U 1 1 =4V=4V，U U 2 2 =2V=2V，R R 1 1 = =R R 2 2 =2=2， R R 3 3 =3 =3 ，用戴维南定理求电流，用戴维南定理求电流I I 3 3 。 例1 解：解：(3) (3) 画出等效电路求电流画出等效电路求电流I I 3 3 U U1 1 I I1 1 U U2 2 I I2 2 R R2 2 I I3 3 R R3 3 + + R R1 1 + + a a b b 电路如图，已知电路如图，已知U U 1 1 =4V=4V，U U 2 2 =2V=2V，R R 1 1 = =R R 2 2 =2=2， R R 3 3 =3 =3 ，用戴维南定理求电流，用戴维南定理求电流I I 3 3 。 U US S R R0 0 + + _ _ R R3 3 a a b b I I3 3 3V3V 1 1 3 3 例1 电路如图，电路如图，用戴维南定理求电流用戴维南定理求电流I I。 练习 2 4V I 2A - + 2 2 - + (3) (3) 画出等效电路画出等效电路, , 求电流求电流I I (2) (2) 求等效电阻求等效电阻R R 0 0 解：解：(1) (1) 求求二端网络开路电压二端网络开路电压U U0 0 ( (源电压 源电压U U S S ) ) 10V U US S R R0 0 + + _ _ R R3 3 I I 2 2 _ _ 10V10V + + 8V8V 2 2 (2)(2)诺顿定理诺顿定理 任何一个有源二端网络都可以用用一个等效电流源来代替。任何一个有源二端网络都可以用用一个等效电流源来代替。 1 1、 源电流源电流 I I S S 就是有源二端网络的短路电流，就是有源二端网络的短路电流， 即将即将 a a 、b b两端短接后其中的电流两端短接后其中的电流。 等效电流源等效电流源 R R0 0 R RL L a a b b I I I I S S 有源有源 二端二端 网络网络 R RL L a a b b I I 2 2、内阻内阻R R 0 0 就是就是无源无源二端网络二端网络 a a 、b b之间的等效电阻。之间的等效电阻。 （恒压源短路，恒流源开路恒压源短路，恒流源开路） 例例1 1： 电路如图，已知电路如图，已知U U 1 1 =4V=4V，U U 2 2 =2V=2V，R R 1 1 = =R R 2 2 =2=2， R R 3 3 =3 =3 ，用诺顿定理求电流，用诺顿定理求电流I I 3 3 。 U U1 1 I I1 1 U U2 2 I I2 2 R R2 2 I I3 3 R R3 3 + + R R1 1 + + a a b b 有源二端网络有源二端网络 等效电流源等效电流源 R R3 3 I I3 3 R R0 0 a a b b I I S S 例 解：解：(1) (1) 求等效电流源的求等效电流源的源电流源电流 ISC U U1 1 U U2 2 R R2 2 + + R R1 1 + + a a b b (2)(2)求等效电流