第01章《实用电工电子技术教程(第二版)》-电子教案.ppt

实用电工电子技术教程 第二版 中国水利水电出版社 21世纪高职高专规划教材 艾建春主编 本教程的特点 理论与实践 二合一 是本书的精练之处 硬件和软件 结合 是本书的精华之处 一本书包括了二大技术精典 不需要另外配备实验指导书 用计算机仿真技术再现电路的实际情况 解决了学习的难 第1章直流电路分析技术 1 1电路分析的基础知识1 2电路中的基本物理量1 3欧姆定律及基尔霍夫定律1 4电压源和电流源1 5复杂电路分析基础1 6习题分析技术1 7实用培训技术 学习内容 1 1电路分析的基础知识 1 1 1电路的作用与组成 一 1 电路是电流的流通路径 它是由一些电气设备和元器件按一定方式连接而成的 复杂的电路呈网状 又称网络 电路和网络这两个术语是通用的 2 电路的一种作用是实现电能的传输和转换 另一种作用是实现信号的处理 1 1 1电路的作用与组成 二 图1 1电路的组成 负载的电路符号 电源 电路中提供电能或信号的器件 电源的电路符号 负载 电路中吸收电能或输出信号的器件 1 1 2电路及电路模型 1 实际电路 由一些根据需要具备不同作用的电路元件或器件所 组成 2 电路模型 由一些理想电路元件所组成的电路就是实际电路的电路模型 3 理想电路元件 是一种理想化的模型 简称为电路元件 电阻元件是一种只表示消耗电能的元件 电感元件是表示其周围空间存在着磁场而可以储存磁场能量的元件 电容元件是表示其周围空间存在着电场而可以储存电场能量的元件等 4 对具有两个引出端的元件 称为二端元件 对具有两个以上引出端的元件 称为多端元件 1 2电路中的基本物理量 1 2 1电流 一 1 电流的定义 带电粒子 电子 离子等 的定向运动 称为电流 2 电流强度 单位时间内通过导体横截面的电荷量 其数学表达式为 直流 I Q t交流 i q t3 电流的实际方向 正电荷运动方向 1 2 1电流 二 4 直流 当电流的量值和方向都不随时间变化时 称为直流电流 简称直流 直流电流常用英文大写字母I表示 5 交流 量值和方向随着时间按周期性变化的电流 称为交流电流 简称交流 常用英文小写字母i表示 1 2 1电流 三 6 单位 安培 符号为A 常用的单位有千安 kA 毫安 mA 微安 A 等 1KA 103A 106mA 1012uA 1 2 1电流 四 7 在分析与计算电路时 常可任意规定某一方向作为电流的参考方向或正方向 图1 2电流的参考方向 参考方向和实际方向相同 电流为正 参考方向和实际方向相反 电流为负 1 2 2电压 电位及电动势 一 电路中A B两点间的电压是单位正电荷在电场力的作用下由A点移动到B点所作的功 即Uab Wab Q 1 2 2电压 电位及电动势 二 电压的实际方向 是使正电荷电能减少的方向 电压的SI单位 是伏特 符号为V 常用的单位 千伏 kV 毫伏 mV 微伏 V 等 1 2 2电压 电位及电动势 三 3 量值和方向都不随时间变化的直流电压 用大写字母U表示 交流电压 用小写字母u表示 图1 3电压的参考方向 1 2 2电压 电位及电动势 四 4 若电压的参考方向与实际方向一致 电压为正 若电压的参考方向与实际方向相反 电压为负 5 分析电路时 首先应该规定电流电压的参考方向 1 2 2电压 电位及电动势 五 6 元件的电压参考方向与电流参考方向是一致的 称为关联参考方向 图1 4电流和电压的关联参考方向 1 2 2电压 电位及电动势 六 电位 在电路中任选一点 o点 并规定此点电位为0伏 叫做参考点 则某点的电位就是由该点到参考点的电压 单位为伏特 Va Uao 注意 参考点不同 电路中各点的电位不同 但两点间的电压与参考点的选择无关 电压与电位的关系 Uab Va Vb 1 2 2电压 电位及电动势 10 电动势 电源力将单位正电荷从电源负极经其内部移到正极所作的功 单位为伏特 V E Wba Q11 电源电压与电动势关系 U E Uad 4VUbc 2 8 10V 电位和电压的仿真实验 电压数值 取b点为参考点时 各点的电位值 电位和电压的仿真实验 b 重要结论 电路各点的电位可因参考点选择不同而不相同 但是 二个确定点的电压 电位差 却与参考点选择无关 1 2 3电功率 1 电功率的定义 传递转换电能的速率叫电功率 简称功率 用p或P表示 P W tP UIP U2 RP I2R计量单位 瓦特 w 2 功率的正负 如果电流 电压选用关联参考方向 则所得的p应看成支路接受的功率 计算所得功率为负值时 表示支路实际发出功率 如果电流 电压选择非关联参考方向 p应看成支路发出的功率 即计算所得功率为正值时 表示支路实际发出功率 计算所得功率为负值时 表示支路接受功率 3 直流功率 在直流情况下 P U I 功率的单位为瓦特 简称瓦 符号为W 常用的有千瓦 kW 兆瓦 MW 和毫瓦 mW 等 例1 1 一 图1 5所示为直流电路 U1 4V U2 8V U3 6V I 4A 求各元件接受或发出的功率P1 P2和P3 并求整个电路的功率P 图1 5例1 1图 P1 U1I 4 4 16W 接受16W P2 U2I 8 4 32W 接受32W P3 U3I 6 4 24W 发出24W 整个电路的功率P 16 32 24 24W 吸收功率 1 欧姆定律及基尔霍夫定律 1 3 1欧姆定律 1 式中 R是元件的电阻 它是一个反映电路中电能消耗的电路参数 是一个正实常数 式中电压单位用V 电流用A时 电阻的单位是 欧姆 符号为 电阻的十进倍数单位有千欧 k 兆欧 M 等 附 非线性电阻元件 电流和电压的大小不成正比的电阻元件叫非线性电阻元件 本书只讨论线性电阻电路 1 3 1欧姆定律 2 2 全电路欧姆定律 全电路 一个完整的闭合电路 数学表达式 I Us R0 R R0为电源内阻 1 3 2基尔霍夫定律 1 理解支路 节点 回路 网孔的定义2 掌握基尔霍夫电流定律 基尔霍夫电压定律1 理解支路 节点 回路 网孔的定义2 掌握基尔霍夫电流定律 基尔霍夫电压定律 基尔霍夫定律是集中参数电路的基本定律 它包括电流定律和电压定律 1 支路 电路中流过同一电流的一个分支称为一条支路 2 节点 三条或三条以上支路的联接点称为节点 3 回路 由若干支路组成的闭合路径 其中每个节点只经过一次 这条闭合路径称为回路 4 网孔 网孔是回路的一种 将电路画在平面上 在回路内部不另含有支路的回路称为网孔 基尔霍夫电流定律 KCL 相关名词 基尔霍夫电流定律 KCL 一 1 在集中参数电路中 任何时刻 流出 或流入 一个节点的所有支路电流的代数和恒等于零 这就是基尔霍夫电流定律 简写为KCL 即 I入 I出或 I 基尔霍夫电流定律 KCL 二 图1 11电路实例 Ia I1 I3 I4 0 Is I1 I I 0 在集中参数电路中 任何时刻 流入一个节点电流之和等于流出该节点电流之和 KCL原是适用于节点的 可以把它推广运用于电路的任一假设的封闭面 基尔霍夫电压定律 KVL 一 1 定义 在集中参数电路中 任何时刻 沿着任一个回路绕行一周 所有支路电压的代数和恒等于零 这就是基尔霍夫电压定律 简写为KVL 用数学表达式表示为 U 0 基尔霍夫电压定律 KVL 二 2 在列方程式时 先要任意规定回路绕行的方向 凡支路电压的参考方向与回路绕行方向一致者 此电压前面取 号 支路电压的参考方向与回路绕行方向相反者 则电压前面取 号 在图1 11中 对回路abcga应用KVL 有Ubc Ucg Uga Uab 0 基尔霍夫电压定律 KVL 三 3 如果一个闭合节点序列不构成回路 例如图1 11中的节点序列acga 在节点ac之间没有支路 但节点ac之间有开路电压Uac KVL同样适用于这样的闭合节点序列 即有Uac Ucg Uga 0 1 17 基尔霍夫电压定律 KVL 四 将式 1 17 改写为Uac Ucg Uga 电路中任意两点间的电压是与计算路径无关的 是单值的 所以 基尔霍夫电压定律实质是两点间电压与计算路径无关这一性质的具体表现 不论元件是线性的还是非线性的 电流 电压是直流的还是交流的 只要是集中参数电路 KCL和KVL总是成立的 例1 4 一 试计算图1 12所示电路中各元件的功率 图 例 图 元件1与元件2串联 P1 10 10 100W元件1发出功率 P2 2 10 20W元件2吸收功率 P3 5 5 25W元件3吸收功率 I5 10 5 5A 据KVL有 U5 10 2 0U5 8VP5 5 8 40W吸收功率 P4用功率平衡可以求得 P4 15W元件4吸收功率 思考题 一 1 在下图电路中 每条线段表示一个二端元件 试求各电路中的未知电流i a b 思考题 二 2 应用KVL列出下图各网孔的回路电压方程 1 4电压源与电流源 一 1 4 1电压源与电流源的定义 1 电压源 用一个恒定电压源Us与内阻Rs串联表示的电源系统称为电压源 电压源是一个理想二端元件 端电压U与输出电流I之间的关系 U Us IR0 上式称为电压源的外特性方程 它具有两个特点 外特性图形是一条下斜的直线 直线下垂倾斜程度越大 电源的外特性就越差 电源内阻R0 0的理想情况下 无论电源输出电流I如何变化 电源端电压U将恒等于Us 1 4电压源与电流源 二 2 电流源 用一个恒定电流Is与内阻Rs并联表示的电源系统称为电流源 电流源的端电压U与输出电流I的关系为 I Is U Rs 上式称为电流源的外特性方程 它具有两个特点 外特性图形是一条下斜的直线 直线下垂倾斜程度越大 电源的外特性就越差 电源内阻Rs 的理想情况下 电源的输出电流I将恒等于Is 1 4电压源与电流源 三 4 2电压源与电流源的等效变换 1 注意点 等效变换仅对外电路而言 对电源内部并不等效 在变换过程中 电压源的电压Us和电流源的电流Is的参考方向必须保持一致 2 变换公式 对电压源模型有 Us IsRs 对电流源模型有 Is Us Rs 例题1 5 求如图1 13中的电流I 图1 13例题1 5图 方法一 等效变换法 思路 化简电源电路是本题的关键 步骤 并联二个电源化为电流源 再合并为一个电压源 串联在干路中的电流源先化为电压源 再和上一个电压源合并为一个电压源即可 由等效图可求出 I 1 10 0 1A 100mA 仿真 方法二 戴维南法 5 R0 Us I 5 R0 Us Us 步骤1 求二端含源网络的等效电阻R0 方法 除源后 电流源开路 电压源短路 R0 2 2 4 5 5 步骤2 求电压源的恒压值Us 节点电压法 a Ua 6 2 2 1 2 1 2 5VUs 5 4 1V Ua 1V 在等效图中求解 I 1 5 5 0 1A 仿真记录 1 5复杂电路分析基础 一 5 1电阻的串联 概念 把两个或两个以上的电阻器 一个接一个地连成一串 使电路只有一条通路的连接方式叫电阻的串联 特点 I I1 I2 I3 2 U U1 U2 U3 3 R R1 R2 R3 4 分压公式 Un Rn R U 1 5复杂电路分析基础 二 1 5 2电阻的并联 概念 把两个或两个以上的电阻并列地接在两点之间 使每一电阻两端都承受同一电压的连接方式 特点 1 U U1 U2 U3 2 I I1 I2 I3 3 1 R 1 R1 1 R2 1 R3 4 分流公式 In R Rn I 1 5复杂电路分析基础 三 1 5 3电阻的混联 既有电阻串联又有电阻并联的电路 解法一 独立支路法 1 5 3电阻的混联 在不剩余无阻导线的前提下让支路包含尽可能多的电阻 而使独立支路数量少 未包含在独立支路中的剩余电阻 由其二端在电路位置决定 例1 9 如图1 21 a 所示 已知R1 6 R2 R3 10 R4 4 R5 40 R6 15 R7 12 求a b端口处的等效电阻Rab 第一支路 R1 R5 R4 第一支路 R1 R5 R4 第二支路 R7 R6 第二支路 R7 R6 剩下R2 R3根据其在电路中的位置连入 a b C 得出等效图 C d二点是相连的注意加上这段线 注意 1 复杂网络等效电阻的求法思路 引入电流 2 运用独立支路法将复杂网络画成规范电路再行计算 3 独立支路是从正极出发 在不重复经过同一电阻的原则下 电流流回负极所形成的支路 4 画法 在不剩余无阻导线的前提下让支路包含尽可能多的电阻 使独立支路减少 余下的电阻 由其两端在电路中的位置决定它在新电路中的关系 1 5 4支路电流法 支路电流法 是以电路中每条支路的电流为未知量 对独立结点 独立回路分别应用基尔霍夫电流 电压定律列出相应的方程 从而解得支路电流 支路电流法分析计算电路的一般步骤 1 在电路图中选定各支路 b个 电流的参考方向 设出各支路电流 2 对独立节点列出 n 1 个KCL方程 3 通常取网孔列写KVL方程 设定各网孔绕行方向 列出b n 1 个KVL方程 4 联立求解上述b个独立方程 便得出待求的各支路电流 1 5 5戴维南定理 戴维南定理指出 含独立源的线性二端电阻网络 对其外部而言 都可以用电压源和电阻串联组合等效代替 1 该电压源的电压等于网络的开路电压 2 该电阻等于网络内部所有独立源作用为零情况下的网络的等效电阻 戴维南定理 任何有源二端线性网络 都可以用一条含源支路即电压源和电阻的串联组合来等效替代 对外电路 其中电阻等于二端网络化成无源网络 电压源短路 电流源开路 后 从二端口看进去的等效电阻 电压源的电压等于二端网络两端口间的开路电压 E UocRo Rab 例1 10 图1 25 a 所示电路 已知 求运用戴维南定理计算支路的电流 图1 25 方法点拨 运用戴维南定理计算的关键是作出等效电路 本题求的是流过R3的电流 所以将R3支路隔离出来 如 d 隔离支路AB1 剩余下来的有源二端网络可以等效为一个电压源 并作出戴维南等效电路图 继而只要计算电压源的内电阻和恒压源E即可求出I3 解法 求解步骤如下 第一步 把待求支路断开得到图 C 第二步 计算图 b 所示有源二端网络的开路电压Uoc A V 第三步 将电压源短路 求等效电阻RAB 第四步 在 d 中求I3 A 例题1图 a 所示为一不平衡电桥电路 试求检流计的电流I R1 5 5 10 5 35 6 Uoc Ua Ub 6V 12 1 3 2V I 2 10 35 6 12 95 0 126A 仿真 例题仿真结果 1 6实训 1 6 1实训一习题分析 例1 11 在图1 26中 已知R1 6 R2 4 E1 10V I2 5A 求各支路电流 图1 26 解法一 用支路电流法求各支路电流 根据如图所示各支路电流的参考方向及KCL 对结点A有 在回路ABCDA中 假设电流源两端电压U2为 方向如图 根据KVL为 代入数据得方程组 解得 I1 1AI2 5AI3 4AU2 16V 解法二 用戴维南定理求解 R0 RAB R1 6 A 所以将I3代入图1电路中求得 A a R1 6 R2 4 E1 10VI2 5A 1 6 2实训二 1 电阻器的识别 第一部分 用字母表示产品的名称 R 电阻器W 电位器 第二部分 用字母表示产品的材料 I 玻璃釉膜N 无机实芯S 有机实芯T 碳膜Y 氧化膜H 合成膜J 金属膜X 线绕 电阻器的识别 第三部分 一般用数字表示分类 个别类型也用字母表示 1 2 普通3 超高频4 高阻5 高温7 精密8 高压9 特特G 大功耗T 可调D 多圈W 微调第四部分 用数字表示序号 以区别产品外形尺寸和性能指标 标志方法 色环表示法 用不同颜色的色环涂在电阻器上来表示电阻器的阻值和偏差 各种颜色所代表的具体意义 色环标志表 颜色 代表意义 有效数字 乘数 数量级 允许偏差 银 金 黑 棕 红 橙 黄 绿 蓝 紫 灰 白 无 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 10 1 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 10 5 1 2 0