电工与电子技术A.ppt

电工与电子技术A1 主讲 孙立功电话教材 电工技术 电工学 田葳主编高教出版社 参考教材 电工技术 高福华主编 机械工业出版社 电工学 上册 秦曾煌主编 高教出版社 序言 电工学是研究电工技术和电子技术的理论和应用的技术基础课 电工和电子技术发展迅速 已经深入到人类社会生活的各个方面 现代一切新的科学技术无不与电有着密切的关系 非电专业学生学习电工学重在应用 学会分析问题 解决问题的方法 具有将电工和电子技术应用到本专业的能力 学习过程 课堂听讲 课下练习 实践检验 成绩 期终考试占70 平时 作业与考勤 占20 实验占10 本课程共计64学时 其中理论课时50学时 实验学时14学时 我们共做7个实验 答疑安排 每周周四 18 00 19 30 地点 开元校区工科2 301办公室 第一章电路的基本概念和基本定律 第一节电路和电路模型 第二节电路元件 第三节基尔霍夫定律 第四节电路中电位的概念及计算 第一节电路和电路模型 一 电路的作用和组成 电路就是电流流通的路径 是由某些电工设备或元 器件 称为电路元件 为完成一定功能 按一定方式组合后的总称 1 实现电能的传输 分配与转换 2 实现信号的传递与处理 电路的作用 电路的组成 电源 将非电形态的能量转换为电能 负载 将电能转换为非电形态的能量 中间环节 开关和导线等 将起传输 分配和控制电能的作用 电源 提供电能的装置非电能 电能 负载 取用电能的装置电能 非电能 中间环节 传递 分配和控制电能的作用 电路的组成 直流电源 提供能源 信号处理 放大 调谐 检波等 负载 信号源 提供信息 电路的组成 中间环节 几个概念 2 网络 电路有时也称为网络 3 激励与响应 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 1 系统 较复杂的 具有特定功能的电路有时也称为系统 二 电路模型 为了便于用数学方法分析电路 一般要将实际电路模型化 用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件 从而构成与实际电路相对应的电路模型 理想电路元件主要有电阻元件 电感元件 电容元件和电源元件 恒压源 恒流源 等 将实际元件理想化 即在一定条件下突出其主要电磁性质 忽略次要性质 将其看作理想元件 手电筒的电路模型 例 手电筒 电池电源 导线中间环节 灯泡负载 开关 手电筒由电池 灯泡 开关和筒体组成 手电筒的电路模型 电池 导线 灯泡 开关 电池是电源元件 其参数为电动势E和内阻Ro 灯泡主要具有消耗电能的性质 是电阻元件 其参数为电阻R 筒体用来连接电池和灯泡 其电阻忽略不计 认为是无电阻的理想导体 开关用来控制电路的通断 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 二 电流 电压的参考方向 物理中对基本物理量规定的方向 1 电路基本物理量的实际方向 K 103 M 106 m 10 3 10 6 2 参考方向的表示方法 1 参考方向 在分析与计算电路时 对电量任意假定的方向 2 电路基本物理量的参考方向 实际方向与参考方向一致 电流 或电压 值为正值 实际方向与参考方向相反 电流 或电压 值为负值 3 实际方向的表达 与参考方向的关系 若I 5A 则电流从a流向b 例 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 若I 5A 则电流从b流向a 电压 电流的参考方向选择一致时称之 否则为非关联 4 关联参考方向 注意 在参考方向选定后 电流 或电压 值才有正负之分的代数量 采用关联参考方向可仅标出一个参数的参考方向即可 电路分析时一般都采用关联参考方向 电路分析时 参考方向一旦选定不得改变 一般情况下 选用关联参考方向便于分析电路 三 元件的功率 电路分析及实际应用中常用电功率表示电能消耗 P UI参考方向非关联时 UI参考方向关联时 习惯上以消耗功率作为正值便于分析 即P 0为负载 P 0时为电源 单位 W KW MW mW 电能定义 在时间t内转换的电功率称为电能 W Pt基本单位 J 常用单位 千瓦时 kW h 1千瓦时为1度电 1kW h 3 6 106J 功率平衡方程 即电路中电源产生的电功率总是等于电路中消耗的电功率 总功率为零 称功率平衡 例 图示电路 U1 U2 R 10V 6V 4 I 练习与思考 1 1 2 U I E 2 U I E 2 U 3V E 5V U 5V E 3V 1 1 4 为什么白炽灯在深夜时比黄昏时亮一些 第二节电路元件 理想电路元件 理想有源元件 理想无源元件 理想电压源 理想电流源 电阻元件 电容元件 电感元件 受控源 一 电阻 电感和电容 电阻元件 当电路的某一部分只存在电能的消耗而没有电场能和磁场能的储存 这一部分电路可用电阻元件来代替 电阻图片 水泥电阻 线绕电阻 碳膜电阻 可变电阻 压敏电阻 功率电阻 欧姆定律 U I参考方向相同时 U I参考方向相反时 U IR U IR 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 通常取U I参考方向相同 关联参考方向 金属导体的电阻与导体的尺寸及导体材料的导电性能有关 表达式为 可变电阻器 电位器 伏安特性 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 即理想电阻 它表示该段电路电压与电流的比值为常数 线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线 线性电阻与非线性电阻 Q A B 实际电阻与理想电阻的关系 电工设备实际等效电阻与理想电阻总有差距 在电压电流变化时其u i比值不是常数 称非线性电阻 电路分析时可视为理想电阻的情况 设备工作状态不变 如Q点可用原点到Q点直线等效 设备工作区间一定 如A B点间可近似为直线 电阻消耗的功率 随时间增长电阻上的能量单调上升表明电能全部消耗在电阻上 转换为热能散发 电阻的能量关系 负载大小的概念 负载增加指负载取用的电流和功率增加 电压一定 负载大 重指得是电流大 在常用电压供电电路中R小 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 欠载 轻载 I IN P PN 不经济 过载 超载 I IN P PN 设备易损坏 额定工作状态 I IN P PN 经济合理安全可靠 电感是用来表征电路中磁场能量储存这一物理性质的理想元件 磁链 单位为韦 伯 Wb 电流 单位为安 培 A 电感 N 线圈的磁链 线圈是典型的电感元件 电感图片 磁棒电感线圈 双层空心电感线圈 工字形电感线圈 贴片电感 铁心电感线圈 磁珠电感 多层空心电感线圈 由基尔霍夫电压定律 图示 规定 e的方向与磁通的方向符合右手螺旋定则时 e为正 否则为负 u e 于是 线性电感 L为常数 非线性电感 L不为常数 电感上u eL与电流随时间变化量有关故称为动态元件 电感L 由于eL的作用 具有阻碍电流变化的性质 直流电路中由于I恒定不变 即di dt 0u 0 电感元件在直流电路中可视为短路 对于变动电流 非直流电路中 由于I不断变化即di dt 0 电感上产生电压u 感应电动势eL 根据电压u 电动势eL 电流关系及参考方向可见 绕制紧密 导线电阻很小的空心线圈可近似为理想电感 实际中使用的线圈都有非线性及导线电阻 电感的瞬时功率 把电能转换成了磁场能 磁场能又转换成了电能 电感元件储能 能量关系 t 0 t 电感中储存的磁场能 i 0 i I 从外部输入的电能 若外部不能向电感提供无穷大的功率 磁场能就不可能发生突变 因此 电感的电流i不可能发生突变 由于 电感元件消耗的能量与时间无关 和电流i2成比例 由于能量不能无故消失或增加 只能是不同形式转换 电容是用来表征电路中电场能量储存这一物理性质的理想元件 电容 电容器 两相互绝缘的极板构成 电容图片 陶瓷电容 云母电容 薄膜电容 复合介质电容 铝电解电容 钽电解电容 真空电容 电容中电流i与电压随时间变化量有关故称为动态元件 直流电路中由于U恒定不变 即du dt 0i 0 电容元件在直流电路中可视为断路 实际中所用的电容元件基本上可认为是理想电容 特殊电容器 电解电容器 为增加容量靠用高介电系数电解液做绝缘的电容器 使用时需加正确的极性 符号表示时在需高电位端标 号 电容的瞬时功率 把电能转换成了电场能 电场能又转换成了电能 电容元件储能 能量关系 t 0 t 电容中储存的电场能 u 0 u U 从外部输入的电能 若外部不能向电容提供无穷大的功率 电场能就不可能发生突变 因此 电容的电压u不可能发生突变 由于 电容元件消耗的能量与时间无关 和电压u2成比例 由于能量不能无故消失或增加 只能是不同形式转换 电感 电容的记忆作用 若电路中电容断路 i 0 时 由于电容上充有电荷 虽然电容未接电源 但两端将保持原有电压 称为记忆作用 二 理想电源元件 1 理想电压源 US 理想电压源的特点 输出电流I不是定值 与输出电压和外电路的情况有关 可提供一个固定的电压US 称为源电压 输出电压U等于源电压US 是由其本身所确定的定值 与输出电流和外电路的情况无关 实际电源的电路模型 理想电压源和电阻组合 实际电压源 由上图电路可得 U E IR0 若R0 0 电压源 U E U0 E 电压源的外特性 实际电源是由理想电压源E和内阻R0串联的电路模型 若R0 RL U E 可近似认为是理想电压源 理想电压源 O 实际电压源 2 理想电流源 IS 理想电流源的特点 输出电流I等于源电流IS 是由其本身所确定的定值 与输出电压和外电路的情况无关 输出电压U不是定值 与输出电流和外电路的情况有关 电激流 可提供一个固定的电流IS 称为源电流 实际电源的电路模型 电激流和电阻组合 U0 ISR0 电流源的外特性 理想电流源 O IS 实际电流源是由电流IS和内阻R0并联的电源的电路模型 由上图电路可得 若R0 理想电流源 I IS 若R0 RL I IS 可近似认为是理想电流源 实际电流源 实际电压源与实际电流源的等效变换 由图a U E IR0 由图b U IS I R0 ISR0 IR0 RL 等效变换条件 E ISR0 R0u R0i R0 E ISR0 电压源与电流源及其等效变换分析电路 利用电压源 电流源变换简化电路思路 若多个电源 或电路 串联可变换为电压源合并 若多个电源 或电路 并联可变换为电流源合并 与恒压源并联的电路可等效为恒压源 与恒流源串联的电路可等效为恒流源 求下列各电路的等效电源 解 例2 试用电压源与电流源等效变换的方法计算2 电阻中的电流 解 由图 d 可得 等效变换时 两电源的参考方向要一一对应 理想电压源与理想电流源之间无等效关系 电压源和电流源的等效关系只对外电路而言 对电源内部则是不等效的 注意事项 例 当RL 时 电压源的内阻R0中不损耗功率 而电流源的内阻R0中则损耗功率 任何一个电动势E和某个电阻R串联的电路 都可化为一个电流为IS和这个电阻并联的电路 不局限于电源内阻 受控源 独立电源 指电压源的电压或电流源的电流不受外电路的控制而独立存在的电源 前述电压 电流源 受控源的特点 当控制电压或电流消失或等于零时 受控源的电压或电流也将为零 受电流 电压控制 受控电源 指电压源的电压或电流源的电流受电路中其它部分的电流或电压控制的电源 非独立电源 以后我们所研究的电路 都是由前述六种理想电路元件及其组合而成的电路模型 或者说 实际使用的电工设备在一定条件下都可用前述的六种理想电路元件来构成电路模型以便于电路分析 思考 一个理想电压源向外电路供电时 若再并联一个电阻 这个电阻是否会影响原来外电路的响应情况 一个理想电流源向外电路供电时 若再串联一个电阻 这个电阻是否会影响原来外电路的响应情况 会影响理想电压源吗 会影响理想电流源吗 第三节基尔霍夫定律 支路 电路中的每一个分支 无分岔 一条支路流过一个电流 称为支路电流 结 节 点 三条或三条以上支路的联接点 回路 由支路组成的闭合路径 网孔 内部不含支路的回路 单孔回路 一 基尔霍夫电流定律 KCL 1 定律 即 入 出 在任一瞬间 流向任一结点的电流等于流出该结点的电流 实质 电流连续性的体现 或 0 对结点a I1 I2 I3 或I1 I2 I3 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 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 流入结点的电流前取正号 流出结点的电流前取负号 二 基尔霍夫电压定律 KVL 在任一瞬间 沿任一回路循行方向 回路中各段电压的代数和恒等于零 1 定律 即 U 0 在任一瞬间 从回路中任一点出发 沿回路循行一周 则在这个方向上电位升之和等于电位降之和 对回路1 对回路2 E1 I1R1 I3R3 I2R2 I3R3 E2 或I1R1 I3R3 E1 0 或I2R2 I3R3 E2 0 基尔霍夫电压定律 KVL 反映了电路中任一回路中各段电压间相互制约的关系 基尔霍夫电压定律不仅适用于电路中任一闭合的回路 而且还可以推广应用于任何一个假想闭合的一段电路 将a b两点间的电压作为电阻电压降一样考虑进去 RI U E 或RI U US 0 1 列方程前标注回路循行方向 电位升 电位降E2 UBE I2R2 U 0I2R2 E2 UBE 0 2 应用 U 0列方程时 项前符号的确定 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 解 由回路abcdefa Uab Ucd Ued Uef E1 E2 求得Ued Uab Ucd Uef E1 E2 4 6 5 20 10 V 7V 由假想的回路abcda Uab Ucd Uad E2 求得Uad Uab Ucd E2 4 6 10 V 8V 第四节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 记为 VX 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 10 6 60V 4 20 140 60VVc Uca 4 20 80V 140 6