直流电路电工电子学.ppt

电工电子学（二）,主讲李宁llnn154560273256,Electrotechnics,绪论学习电工学的意义：电工学的发展及内容：1、电工学的发展：1785年库仑库仑力1820年安培磁现象的本质1826年欧姆欧姆定律1831年法拉第电磁感应现象1834年雅可比第一台电动机三相系统的创始人多里沃,1904年电子二极管1906年电子三极管1948年晶体管产生1958年集成电路问世2、电工学的内容学习的方法1、听；2、记；3、做：预习与复习；做作业；做实验；,1秦曾煌主编，电工学电工技术（上），电子技术（下），高等教育出版社2魏洪波，张淑之，刘廷文编，电工电子技术，清华大学电机系3阎石主编，电工电子技术基础，高等教育出版社，第三版,参考书,一）期末考试成绩（80%）+平时成绩（20%）二）平时成绩：1）随堂提问、出勤、测验、纪律2）平时作业,成绩,作业一律用16开作业纸，题头写清：班级、姓名、学号。写清作业页号、题号，扼要写明已知条件，详细解题过程，画出电路图（用尺子），标明参考方向。每班课代表按学号顺序收齐作业，交给任课教师。批改后的作业请学生及时查阅，如有不清楚问题，及时问教师。课代表随时反映学习状况，提出学习要求。答疑时间由教师和学生商定。任课教师办公地点：柳林16-226。,作业要求,第1章直流电路,1.1电路的作用与组成部分,1.2电路的基本物理量,1.3电压和电流的参考方向,1.4电路的工作状态,1.5基尔霍夫定律,1.6电压源和电流源,1.7支路电流法,1.8叠加定理,1.9等效电源定理,本章要求:1.理解电压与电流参考方向的意义；2.理解电路的基本定律并能正确应用；3.了解电路的有载工作、开路与短路状态；理解电功率和额定值的意义；4.会计算电路中各点的电位。,第1章直流电路,1.1电路的作用与组成部分,(1)实现电能的传输、分配与转换,(2)实现信号的传递、存储与处理,1.电路的作用,电路是电流的流通路径,它是为了完成某种功用而由一些电气设备和元器件按一定方式连接而成的电流的通路。复杂的电路呈网状,又称网络（电网）。,2.电路的组成部分,电源:提供电能的装置,负载:取用电能的装置,中间环节：传递、分配和控制电能的作用,Source,PowerSupply,信号处理：放大、调谐、检波等,负载,信号源:提供信息,2.电路的组成部分,电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。,把实际电路进行理想化。电源由电压源和电流源组成，中间环节由无阻器件组成，负载由电阻、电容、电感串并联组成。,3.电路模型(CircuitModel),电路图,理想电路元件,有某种确定的电磁性质的假想元件,电路模型,具有精确的数学定义。,手电筒的电路模型,电池,导线,灯泡,开关,内电路：电源本身的电流通路,外电路：电源以外的电流通路.,直流电路与交流电路；网络,今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。,1.2电路的基本物理量,电池,导线,灯泡,开关,电压（U）：电场力使单位正电荷由a点移动到b点所做的功。用Uab表示。,电动势（E）：非电场力将单位正电荷由电源的低电位移动到高电位所做的功。U和E单位：伏特（V）1kV=103V=106mV=109V,a,b,电流（I）：电荷的定向移动形成电流。单位：安培（A）1kA=103A=106mA=109A,电池,导线,灯泡,开关,a,b,功率（P）电能（W）,1.3电流和电压的参考方向(ReferenceDirection),电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。,1.电流的参考方向(CurrentReferenceDirection),电流,电流强度,带电粒子有规则的定向运动,单位时间内通过导体横截面的电荷量,方向,规定正电荷的运动方向为电流的实际方向,单位,1kA=103A1mA=10-3A1A=10-6A,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,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,i0,i0,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。,电压U,单位：V(伏)、kV、mV、V,2.电压的参考方向(voltagereferencedirection),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,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,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,假设的电压降方向,电压参考方向的三种表示方式：,(1)用箭头表示,(2)用正负极性表示,(3)用双下标表示,U,U,+,UAB,注意：在参考方向选定后，电流(或电压)值才有正负之分。,若I=5A，则实际方向从a流向b；,例：,若I=5A，则实际方向从b流向a。,若U=5V，则电压的实际方向从a指向b；,若U=5V，则电压的实际方向从b指向a。,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。,i,例,U,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。,U、I参考方向相同时，,U、I参考方向相反时，,表达式中有两套正负号：式前的正负号由U、I参考方向的关系确定；,U、I值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系。,U=IR,U=IR,4.欧姆定律OhmsLaw,解：对图(a)有,U=IR,例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。,对图(b)有,U=IR,电路端电压与电流的关系称为伏安特性。,遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。,线性电阻的概念：LinearResistance,线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。,(Constant),1.4电路的工作状态,（a)有载工作状态，电路中有电流流过。,a,b,(b)当a、b两点间用导线相连时，称电阻R被短路。,(c)开关S断开或电路中某处断开，切断的电路中没有电流流过，此时的电路称为开路。开路又叫断路，断开的两点间的电压称为开路电压。,S,开关闭合,接通电源与负载。,U=IR,特征:,1.4.1有载工作,P=PEP,负载取用功率,电源产生功率,内阻消耗功率,电气设备的额定值,额定值:电气设备在正常运行时的规定使用值,电气设备的三种运行状态,额定工作状态：(经济合理安全可靠),实际功率=额定功率fullloadP=PN,额定电压时，实际电流=额定电流I=IN,过载(超载)：(设备易损坏),欠载(轻载)：IPN,实际电流额定电流IIN,excessload,实际功率额定功率PPN,insufficientload,实际电流额定电流IIN,Example:人体电阻约800，,安全电压50mA800=40V,1mA不适,50mA危险,100mA死亡,取安全电压=36V,特征:,开关断开,1.4.2开路,1.开路处的电流等于零；I=02.开路处的电压U视电路情况而定。,电路中某处断开时的特征:,电源外部端子被短接,1.4.3短路,1.短路处的电压等于零；U=02.短路处的电流I视电路情况而定。,电路中某处短路时的特征:,1.4.4电源与负载的判别,U、I参考方向不同，P=UI0，电源；P=UI0，负载。,U、I参考方向相同，P=UI0，负载；P=UI0，电源。,1.根据U、I的实际方向判别,2.根据U、I的参考方向判别,电源：U、I实际方向相反，即电流从“+”端流出，（发出功率）；,负载：U、I实际方向相同，即电流从“-”端流出。（吸收功率）。,1.5基尔霍夫定律KirchhoffsLaw,基尔霍夫,结点(Node)：电路中3个或3个以上电路元件的连接点。,如图中，a点、b点都是结点。虚线框住的c点包含了点1和2，也是一个结点。,支路(Branch)：连接任何两个结点之间的一段电路叫支路。支路上至少包含一个二端元件。一条支路流过一个电流，称为支路电流。,+,+,-,-,E1,E2,R1,R2,R0,R3,IS,a,b,1,2,c,I0,I3,I1,I2,注意，在图中，点1及点2之间的一段电路不是支路，因为它不包含任何电阻、电源等电路元件，而只是一段导线，所以算一个结点。,该电路共包含3个结点和5条支路。,回路(Loop)：由支路组成的闭合路径。电路中任何一个闭合的路径叫回路。,一个电路至少应该包含一个回路，这种只包含一个回路的电路叫单回路电路。而上图所示的这种有多个电源和回路的电路称为多回路(复杂)电路。,在图示电路中，共有6各回路，如：a-R0-c-IS-a，a-R3-b-E1-R1-c-R0-a，b-E2-R2-c-R1-E1-b等。,网孔(Mesh)：网孔是回路的一种。内部不含支路的回路。,+,+,-,-,E1,E2,R1,R2,R0,R3,IS,a,b,1,2,c,I0,I3,I1,I2,例1：,ab、bc、ca、（共6条）,abda、abca、adbca（共7个）,a、b、c、d(共4个）,abd、abc、bcd（共3个）,支路：,结点：,回路：,网孔：,试判断下面两图电路中有多少结点？多少支路。,分析：,图中，因为a、b两点间没有元件，所以，不能算我们定义的支路。同理，a、b只能算一个结点。,而对于10V电压对应的两端，虽然看不见电路元件，但它对电路提供10V电压，相当于电压源的作用，我们可以用一个理想电压源来代替，所以，它是一条支路。同理，电源的两端应该是两个结点。,所以，该电路有3个结点。5条支路。,例2：,分析：,图中，因为a、b两点间接有2电阻元件并分别与一个回路相连，所以，2电阻元件是一条支路。,同理，a、b两点也都称为结点。,对于a点左边的电路，由于通过的是同一个电流，所以，是一条支路，该支路自己构成回路，称之为自回路，或单回路。同理，b点右边的回路也是单回路。,所以，该电路有2个结点。3条支路。,而且，该电路只有2个单回路。,1.5.1基尔霍夫电流定律(KCL定律),1定律KCLKirchhoffsCurrentLaw,1）内容一：对于任一电路中的任一节点，在任一时刻，流入（或流出）该节点的电流之和恒为零。I=0。该定律来源于电荷守恒定律。,2）内容二：对于任一电路中的任一节点，在任一时刻，流向某一结点的电流之和应该等于由该结点流出的电流之和。I入=I出,依据:电流的连续性。,对结点a：,I1+I2=I3,或I1+I2I3=0,基尔霍夫电流定律（KCL）反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系。,必须先标出各支路电流的参考方向；可假定流入结点的电流为正，流出节点的电流为负；也可以作相反的假定。,注意:,电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。,2推广,I=?,例:,广义结点,I=0,IA+IB+IC=0,1.5.2基尔霍夫电压定律（KVL定律),1定律KVLKirchhoffsVoltageLaw,1)内容一：对任一电路的任一回路，沿该回路的所有支路电压升降之代数和恒等于零。U=0。,该定律来源于能量守恒原理。,对回路1：,对回路2：,I1R1+I3R3E1=0,I2R2+I3R3E2=0,2)内容二：对任一电路的任一回路，沿某一绕行方向，电压降之和等于电压升之和。,对回路1：,对回路2：,I1R1+I3R3=E1,I2R2+I3R3=E2,1列方程前标注参考方向；,电压升=电压降E2=UBE+I2R2,U=0I2R2E2+UBE=0,2如果流入节点的电流为正，则流出节点的电流为负；如果规定电位降取正号，则电位升就取负号。,3.开口电压可按回路处理。,注意：,对回路1：,例：,对网孔abda：,对网孔acba：,对网孔bcdb：,R6,I6R6I3R3+I1R1=0,I2R2I4R4I6R6=0,I4R4+I3R3E=0,对回路adbca，沿逆时针方向循行：,I1R1+I3R3+I4R4I2R2=0,应用U=0列方程,对回路cadc，沿逆时针方向循行：,I2R2I1R1+E=0,1.5.3电路中电位的概念及计算,电位：电路中某点至参考点的电压。通常设参考点的电位为零。,1.电位的概念,电位的计算步骤:(1)任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；(2)标出各电流参考方向并计算；(3)计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。,某点电位为正，说明该点电位比参考点高；某点电位为负，说明该点电位比参考点低。,2.举例,求图示电路中各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd。,解：设a为参考点，即Va=0V,Vb=Uba=106=60VVc=Uca=420=80VVd=Uda=65=30V,设b为参考点，即Vb=0V,Va=Uab=106=60VVc=Ucb=E1=140VVd=Udb=E2=90V,b,a,Uab=106=60VUcb=E1=140VUdb=E2=90V,Uab=106=60VUcb=E1=140VUdb=E2=90V,结论：,(1)电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中各点的电位也将随之改变；,(2)电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而变，即与零电位参考点的选取无关。,借助电位的概念可以简化电路作图,一个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。,1.6.1电压源,1.6电压源与电流源,1.电压源模型的引入,外特性曲线,IS=,O,U/V,电,压,源,U0=E,U=ER0I,电源的外特性方程U=ER0I,2.理想电压源电路（恒压源）,（）当R0=0时，U=E，是一定值（）I是任意的，由负载电阻RL和U确定,电压源不能短路！,外特性曲线,IS=,O,I/A,U/V,理想电压源,电,压,源,U0=E,3.V-A特性曲线,1.6.2电流源,电流源模型的引入将式U=ER0I两边同除以R0，则得,2.理想电流源或恒流源（1）R0=时,I恒等于IS,外特性曲线,U0=ISR0,IS,O,I/A,U/V,理想电流源,电,流,源,电流源不能开路！,3.V-A特性曲线,理想电流源电路,例判断图中电压源和电流源的工作状态负载（消耗功率）还是电源（发出功率）,US负载，IS电源,US电源，IS负载,电流从电压源的正端流出U和I的实际方向相反，而流进电流源U和I的实际方向相同，故电压源处于电源状态，发出功率，而电流源则处于负载状态，取用功率。,电流从电流源流出U和I的实际方向相反，而流进电压源的正端U和I的实际方向相同，故电流源发出功率，处于电源状态，而电压源取用功率，处于负载状态。,1.7支路电流法,支路电流法：以支路电流为未知量、应用基尔霍夫定律（KCL、KVL）列方程组求解。,对上图电路支路数：b=3结点数：n=2,回路数=3单孔回路（网孔）=2,对结点a：,I1+I2I3=0,对网孔1：,对网孔2：,I1R1+I3R3=E1,I2R2+I3R3=E2,1.在图中标出各支路电流的参考方向，对选定的回路标出回路循行方向。,2.应用KCL对结点列出(n1)个独立的结点电流方程。,3.应用KVL对回路列出b(n1)个独立的回路电压方程（通常可取网孔列出）。,4.联立求解b个方程，求出各支路电流。,支路电流法的解题步骤:,(1)应用KCL列(n-1)个结点电流方程,因支路数b=6，所以要列6个方程。,(2)应用KVL选网孔列回路电压方程,(3)联立解出IG,支路电流法是电路分析中最基本的方法之一，但当支路数较多时，所需方程的个数较多，求解不方便。,例：,对结点a：I1I2IG=0,对网孔abda：IGRGI3R3+I1R1=0,对结点b：I3I4+IG=0,对结点c：I2+I4I=0,对网孔acba：I2R2I4R4IGRG=0,对网孔bcdb：I4R4+I3R3=E,试求检流计中的电流IG。,RG,1.叠加定理,在线性电路中，任一支路的电流(或电压)可以看成是电路中每一个独立电源单独作用于电路时，在该支路产生的电流(或电压)的代数和。,1.8叠加定理(SuperpositionTheorem),2.几点说明,1