电路与电子技术绪论.ppt

一 电路与电子技术的课程性质 内容 研究对象及课程任务 二 电路与电子技术的发展与前景 三 学习方法 四 要求 绪论 电路理论不同于物理学 物理学多从场的角度研究问题 电路理论是从路的角度研究问题 电路理论研究问题的侧重点不在元件的内部机理而在于外部关系 即一个二端元件其端口上的电流电压的关系是什么 以及用诸多元件组成整体电路之后 如何求取响应的方法问题 这是电路理论的主要内容 电路理论是物理 数学 工程三者的结合点 这是电路理论的显著特点 局部规律 基本规律 整体规律 第一章电路的基本概念和基本定律 1 1电路与电路模型 1 定义 一 电路 由若干电气设备或器件按一定方式联接而成的电流通路 electriccircuit 2 组成 电路一般由电源 负载 中间环节组成 电源 供应电能的装置 可以把热能 水electricsource能等非电能转化为电能 负载 是用电设备 是吸收电能或接收信号的装load置器件 它们将电能转化为其它形式的能量 中间环节 连接电源和负载 用于传输电能和电信号 电池 电源灯泡 负载导线 中间环节 引入两个概念 激励和响应 激励 外界对电路的能量输入 即电源的作用响应 激励在电路中产生的电压或电流 即电源作用下在电路中产生的结果作用与结果的关系就是激励与响应的关系已知激励和电路参数求取电路中的响应是电路分析的主线 3 基本功能 1 传输分配和转换电能 2 信息的传输和处理 二 电路模型 把电路中的实际电路元件用抽象的理想电路元件及其组合近似代替 然后建立一个数学模型来描述电路中的物理过程 理想电路元件 消耗能量的元件如 电阻 储存能量的元件如 电感电容 提供能量的元件 电源 电压源电流源 无源元件 有源元件 虚构性 近似性 电路模型 1 2电压 电流及其参考方向 小写 大写 切记不要混淆大小写 一 电流current 1 定义带电粒子的定向移动2 大小用电流强度来衡量其大小3 形式ii注意区分大小写4 单位安培 a 还有千安 ka 毫安 ma 微安 a 纳安 na 等1ka 103a1ma 10 3a1 a 10 6a1na 10 9a5 方向电流的实际方向 正电荷的移动方向 电流的参考方向 箭头 双下标 iab ab 选定的参考方向与实际电流方向一致 那么电流为正值 选定的参考方向与实际电流方向相反 电流为负值 iba iab 二 电压 电位 电动势 一 电压和电位 1 电压voltage电压的大小等于电场力对单位正电荷从a点移到b点所作的功uab dw dq2 电位potential在电路中任选一点作为参考点 o 任意点 a 到参考点的电压仅由该点的位置决定 我们把此电压称为该点的电位 记为uauab ua ub 3 电压和电位的单位 伏特 v 还有毫伏 mv 千伏 kv 等4 电压的方向实际方向 高电位指向低电位参考方向 下一页 电压参考方向 箭头 双下标 uab a为高电位b为低电位 选定的参考方向与实际电压方向一致 那么电压为正值 反之 电压为负值 高低 强调 电位有相对性和单值性参考点选取的不同 电位不同 参考点确定后 电位仅有唯一值电压有绝对性两点间电压的大小与参考点的选取无关电压和电位的计算与所选路径无关参考点电位为零原则上参考点可任选 零电位参考点 电位的相对性和电压的单值性 二 电动势 定义 是衡量电源内局外力克服电场力移动电荷时做功的物理量 它在数值上等于局外力把单位正电荷在电源内部由低电位端移到高电位端所做的功单位 伏特实际方向 低电位到高电位大小 正负两极之间的开路电压注意区分电动势和源电压 三 关联参考方向 电压 电流同向 关联反向 非关联 非关联 关联 1 3电路的功和功率一 定义二 判断 功率的单位 瓦特简称瓦 w 千瓦 kw 例 求图示各元件的功率 a 关联方向 p ui 5 2 10w p 0 吸收10w功率 b 关联方向 p ui 5 2 10w p0 吸收10w功率 强调 实际电源不一定都发出电功率任何电路 任何瞬间满足功率平衡 电能的单位 焦耳 j 1度 1kw h 千瓦 小时 3 6 106j t0到t吸收的电能 直流情况下 1 4无源电路元件 一 电阻元件 1 基本模型 r 2 欧姆定律ol 它是个实验定律 它是德国物理学家欧姆在作了大量实验之后 写了一篇题为 伽伏尼电路的数学研究 的小册子 其中论述了导体中的电流 电压之间的关系 即大家熟知的欧姆定律 这本小册子是在欧姆死后别人替他发表的 当时遭到不应有的嘲笑和攻击 但是实践证明欧姆定律是一个很有价值的定律 欧姆定律的严格表述 一段导体 在温度一定的条件下 加在导体两端的电压与流过导体的电流的比值是一个常数 这个比值就称为导体的电阻 关联参考方向下 单位 欧姆 单位 西门子s 规定正方向的情况下欧姆定律的写法 i与u的参考方向一致 关联 u ir i与u的参考方向相反 非关联 u ir 线性电阻 我们应当注意到在定义中附加了温度的约束 因为一般的导体随温度变化其阻值或多或少是要变化的 是由不同材料的电阻温度和系数决定的 就是说把非线性电阻排除外 就线性电阻而言 也只有在温度不变才能保持上述线性伏安特性 对于一般的金属导体由于电流流过时要发热电阻增大 所以实际的伏安特性是非线性的 eg 一个40w的白炽灯 室温下的电阻只有100欧姆左右 而工作在额定状态时电阻达到一千几百欧姆 从工程观点来说 只要在一定的温度范围内还是可以把它当作线性电阻看待的 今后 一般就称作电阻 工程上还会遇到一种非线性电阻 它的伏安关系明显的是非线性的 如半导体二极管 非线性电阻 引入两个概念 开路和短路 开路当电阻值r 时此时不论端电压u为何值 电流i总为零 称其为 开路 或 断路 伏安特性曲线与u轴重合如右图所示短路当电阻值r 0时此时不论电流i为何值 端电压u总为零 称其为 短路 伏安特性曲线与i轴重合 如右图所示 欧姆定律只适用于线性电阻 不适用于非线性电阻 3 电阻消耗的功率归纳1 r只有在有限值的条件下 非0 非 u i同时存在 实际方向永远一致 2 电阻元件为耗能元件3 u i可以跃变 二 电感元件 1 基本模型 l 2 磁通 和磁链 当线圈流过电流il时 根据右手螺旋定则 在线圈中产生磁通 若线圈的匝数为n 且通过每匝的磁通量均为 则通过线圈的磁链 n 磁通与磁链的单位均为韦伯 wb i 3韦安特性 如果磁链 与电流il的特性曲线 又称韦 安特性 是过原点的一条直线 如下图a所示 则对应的电感元件称为线性电感 否则为非线性电感 线性电感的电路符号如下图所示 定义 l称为线性电感的电感量或电感值 为常数 单位 亨利简称亨 h 常用的还有毫亨 mh 注意l的双重含义 4 电感元件的电压电流关系在图示u i e假定参考方向 关联 的前提下 当通过线圈的磁通或i发生变化时 线圈中产生感应电动势为 i 电压电流关系即为 说明 1 某一时刻电感元件两端的电压取决于该时刻流过的电流的变化率当电流为直流时 电感两端电压为零 所以在直流电路中 电感元件相当于短路 当电流变化比较剧烈时 电感两端会出现高电压 故电感具有通直流阻交流的作用 2 t时刻的电感电流il不仅取决于0到t这个有限时间内的电感电压有关 而且还与整个过去的历史有关 所以电感元件具有记忆功能 因此电感元件是记忆元件 3 非关联时电压电流关系表述为 5磁场能量 关联参考方向下 电感吸收的功率即任何时刻电感吸收的功率不仅与该时刻的电流有关 而且还取决于该时刻电流的变化率 其数值有可能为正 也可能为负 当p 0时 表明电感在吸收能量 而p 0时 说明电感在释放能量 所以电感元件是一种储能元件 电感元件在0到t时间内吸收的能量为 电感元件在t时刻所具有的能量 三 电容元件 1 基本模型是存储电场能量的元件 c 1 库伏特性 式中c称作电容 单位有法拉 f 微法 f 皮法 pf 注意c也具有双重性质 两极板有1v的电压能储存1库仑的电荷的电容容量为1法拉 当加在电容两端的电压uc增加时 电容器极板上的电荷量q也增加 若二者成正比关系 特性曲线如下图所示 即为线性电容 否则为非线性电容 特性曲线如下图所示 反映电容特性的曲线又被称为库 伏特性曲线 2 电容器的损耗会有漏电流 产生能量损耗 如果可以忽略 可抽象为理想电容元件 只存储电场能 3电容元件的电压电流关系 当通过电容的电荷量或电压发生变化时 则在电容中引起电流 该电流以位移电流的形式通过介质 也只有介质中的电场强度发生变化时才能产生位移电流 当电压 电流取关联参考方向时 说明 流过电容的电流与电容两端的电压变化率成正比 当电压为直流时 电容电流为零 所以在直流电路中电容相当于开路 当电压变化时 电容电流才有值 故电容具有隔直流通交流的作用 任何时刻的电容电压uc t 与t时刻以前的整个过去有关 所以电容也是记忆元件 当电容电压uc与电流ic取非关联参考方向时 4 电场能量 关联参考方向下 电容吸收的功率 即任何时刻电容吸收的功率不仅与该时刻的电压有关 而且还取决于该时刻电压的变化率 其数值有可能为正 也可能为负 当p 0时 电容吸收能量 当p 0时 电容释放能量 所以电容也是一种储能元件 0到t时间内电容吸收的能量 电容t时刻具有的能量 1 5有源电路元件 独立源 独立电源是二端电路元件 它可以将非电磁能量 加热能 机械能 化学能 光能等 转化为电磁能量 并作为电路的激励信号 又称激励源 向电路提供能量 由此产生的支路电压 电流等称为响应 独立电源分为独立电压源和独立电流源两种类型 简称电压源和电流源 开路电压 短路电流 额定值 空载 一 电压源 电流可变 可大可小可正可负 取决于外电路 2 理想模型 us 理想电压源的性质 端电压为定值us或一定的时间函数us t 与流过的电流无关 若电流为零 其两端电压仍保持为us或us t 电压源两端的电压由其本身确定 流过的电流由与之相关联的外电路决定 而不是由其本身决定 3 工作点 二 电流源 1 特征电流稳定电压可变 取决于外电路 2 理想模型 is 3 工作点 理想电流源的性质 发出的电流为定值is或一定的时间函数is t 与两端的电压无关 若电压为零 其流过的电流仍保持为is或is t 流过的电流由电流源本身确定 两端的电压由与之相关联的外电路决定 而不是由其本身决定 1 5受控源 与独立电源的区别独立电压源的电压值和独立电流源的电流值与电路中其它支路的电压或电流无关 所以称为独立电源 受控源是一种非独立电源 电源数值的大小受电路中的某一个电流或电压控制 当控制量为零时 受控源输出也为零 受控电源是多端元件 对外有两个端口 一个端口为控制端口 另一个端口则为输出端口根据控制量是电压还是电流 被控制量是电压源还是电流源 受控源分为四种 分别是电压控制电压源 voltage controlledvoltagesource 缩写为vcvs 电流控制电压源 current controlledvoltagesource 缩写为ccvs 电压控制电流源 voltage controlledcurrentsource 缩写为vccs 和电流控制电流源 current controlledcurrentsource 编写为cccs a 对受控支路 其电流 或电压 与本支电压 或电流 无关 因而模型中该支相当于理想电流源 或电压源 b 对控制支路 其电流 电压变量中只有一种参与控制 另一种为零 因而模型中该支相当于短接 流控时 或开路 压控时 理想受控源的含义 注意 1 kvl kcl始终不变 2 没有激励源受控源为0 3 当作电源 注意非独立性 控制关系贯穿计算过程始终 为在表示上区别于独立电源 受控源采用菱形符号 图中的 r g 为控制系数 其中r具有电阻的量纲 g具有电导的量纲 和 没有量纲 当这些系数为常数时 控制量与被控制量为线性关系 该受控源称为线性受控源 否则称为非线性受控源 1 6基尔霍夫定律 一 集总参数电路的两类约束1 元件约束指元件特性对该元件的电压 电流所造成的约束2 结构约束指元件的相互连接对该元件的电压 电流所造成的约束 体现于两个方面 结点电流的约束和回路电压的约束 二 名词 1 支路 b 流过同一电流的路径为一条支路 3条支路 2 结点 n 三条或三条以上支路的汇聚点 短路线两端为一个结点 2个结点 4条支路 2个结点 3 回路 l 在电路中的任意一个闭合路径 6个回路 4 网孔 除组成回路本身的支路外 内部不包含其他支路的回路 3个网孔 三 kcl 结点上电流的约束关系适用于结点 1 引出 i1 i2 i3 对结点a可以写出 在任一瞬时 流入任一节点的电流之和必定等于从该节点流出的电流之和 在任一瞬时 通过任一节点电流的代数和恒等于零 表述一 表述二 可假定流入节点的电流为正 流出节点的电流为负 也可以作相反的假定 所有电流均为正 2 说明 1 注意表述二中的正负号是指流入结点或流出结点 一般取流入为正 2 当电路中有n个结点时 我们可写出 n 1 个独立方程 节点a 节点b 独立方程只有1个 3 推广到多端网络 在任一瞬间通过任一封闭面的电流的代数和也恒等于零 例1 1电路如下图 已知i1 3e t i2 2sint求i3 解 因为i1 i2 i3 0所以i3 i2 i1 2sint 3e t 例1 2已知 i2 2a i4 1a i5 6a求i3 解 因为i2 i3 i4 i5 0所以i3 i2 i4 i5 2 1 6 5a 四 kvl 沿回路各电压的约束关系适用于回路 1 kvl形式之一 u2 u1 u3 u c d kvl形式之一 在任一瞬时 沿任一回路电压的代数和恒等于零 数学表述为 注意1 先对各电压选取参考方向 然后选取回路绕向2 电压参考方向与回路绕行方向一致时取正号 相反时取负号 2 kvl形式之二 u2 u1 u c d u3 kvl形式之二 沿闭合回路所有电阻上电压降的代数和等于该回路所有源电压的代数和 数学表述为 注意1 标出各支路电流的参考方向和回路的绕行方向 2 将回路中所有电阻两端的电压降写在等式左边 其中电流参考方向和绕行方向一致者取正号 反之取负号 即沿绕行方向以电位降为正 3 将回路中全部源电压写在等式的右边 其中电动势的参考方向和绕行方向一致的取正号 反之取负号 4 绕行方向和支路电流的参考方向