第1章 电路的基本知识.ppt

第1章电路的基本知识 1 2电路分析中的若干规定 1 3电阻 电感和电容 1 4电压源和电流源 1 5基尔霍夫定律 1 6电路中电位的计算 1 1电路及其模型 1 实现电能的传输 分配与转换 2 实现信号的传递与处理 1 电路的作用 电路是电流的通路 是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成 1 1电路及其模型 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 电力系统示意图 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 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 电路分析是在已知电路的结构和元件参数的条件下 讨论电路的激励与响应之间的关系 扩音机示意图 系统是由若干互相关联的单元或设备组成 并用来达到某种目的的有机整体 图1 2所示的电路可视为系统 图1 2半导体收音机电路的框图 图1 3电桥构成的温度检测系统 图1 4系统的框图表示 2 电路模型 电路模型是将实际电路中的各种元件按其主要物理性质分别用一些理想电路元件来表示时所构成的电路图 理想电路元件是指只进行某一种能量转换的元件 1 2电路分析中的若干规定 1 关于电路参数及变量的文字符号 基本物理量的实际方向 2 电流 电压的参考方向 实际方向 物理学中定义的电流 电压方向 参考方向 人为假设的电流 电压方向 2 电流 电压的参考方向 a b 图1 6U I E的实际方向与参考方向图 图1 6a 中电流 电压 电动势的方向可根据物理学中的定义直接标出 而在图1 6b 中则不能确定电流是否从电源的正极流出 必须做具体的计算 2 参考方向的表示方法 电流 电压 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 电流 电压的参考方向 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 实际方向与参考方向的关系 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 则电流从a流向b 例 若I 5A 则电流从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 4 关联参考方向 关联参考方向 电流 电压参考方向一致 U I参考方向相同 U I参考方向相反 U IR U IR 关联参考方向 非关联参考方向 2 电流 电压的参考方向 通常取U I参考方向相同 即关联参考方向 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 b U I参考方向不同 非关联参考方向 P UI p ui 3 功率计算的规范化方法 a U I参考方向相同 关联参考方向 P UI 平均功率 p ui 瞬时功率 1 元件功率计算表达式 2 电源和负载的判别 a 按上式计算 P 0 负载 P 0 电源 b 根据U I的实际方向判别 U I实际方向相反 电源 发出功率 U I实际方向相同 负载 吸收功率 解 1 选定各电流 电压参考方向标于图中 则 例1 已知蓄电池充电电路如图所示 Us 20V 求当蓄电池端电压U2 12V时的充电电流I和各元件功率 设电阻R 2 I 2 由图可知 电压源Us与电流I为非关联参考方向 其余元件为关联参考方向 电源功率Ps UsI 20V 4A 80W 0负载 电阻功率PR URI 8V 4A 32W 0负载 例2 电路如图所示 U1 14V I1 2A U2 10V I2 1A U3 4V I4 1A 求各方框电路中的功率 并说明是吸收功率还是发出功率 解 各方框电路的功率为 功率平衡 方框1发出功率 其余吸收功率 1 3电阻 电感和电容 伏 安特性 u Ri u i关联 线性电阻 非线性电阻 电路符号 伏 安特性曲线 1 电阻元件 无源电路元件 单位 欧 Ohm 欧姆 当数值过大或过小时 常用十进制的倍数表示 SI制中 一些常用的十进制倍数的表示法 符号TGMkcm np中文太吉兆千厘毫微纳皮数量101210910610310 210 310 610 910 12 功率关系 说明电阻总是吸收功率 是负载 是耗能元件 即时性 电压电流都可以发生跃变 额定值 表示电气设备正常工作条件和工作能力的值额定状态 实际值 额定值 不要过载或欠载 电路符号 电感L的定义 单位电流产生的磁链 即为自感系数 简称自感或电感单位为H mH H 线性电感 韦安曲线为直线 L const 如空心线圈 非线性电感 韦安曲线非直线 L const 如铁心线圈 2 电感元件 电磁感应定律感应电动势阻碍电流变化 且其大小与电流变化快慢有关 对于线性电感 伏安关系 电压与电流的变化率成正比 电感是动态元件 说明1 伏 安关系 电压电流关系 u i关联参考方向下 在直流电路中 电感相当于短路 伏安关系的另一种形式 说明2 电感元件中t时刻电流与以往各时刻的电压都有关系 电感元件具有记忆功能 是记忆元件 电能磁场能 0时 吸收能量 电能 0时 发出能量 磁场能 磁场能 电能 能量关系 可逆 设电感无初始储能 即t 0时 i 0 则电感t时刻储存的磁场能量记为WL t 说明3 电感是储能元件 存储的能量与其电流的平方成正比 电感的连接与使用 串联 电感L1与L2顺序连接 电流相同 不考虑互感时 并联 电感L1与L2并行连接 电压相同 不考虑互感时 电容C的定义 单位电压下存储的电荷 单位 F F pF 电路符号 无极性 C const时 为线性电容 3 电容元件 在直流电路中 电容相当于断路 伏安关系 伏 安关系 电压 电流关系 u i关联参考方向下 伏安关系的另一种形式 说明2 电容元件中t时刻电压与以往各时刻的电流都有关 所以电容元件有记忆功能 是记忆元件 电能电场能 0时 吸收能量 电能 0时 发出能量 电场能 电场能 电能 能量关系 可逆 设电容无初始储能 即t 0时 u 0 则电容t时刻储存的电场能量记为WC t 说明3 电容也是储能元件 且存储的能量与电压的平方成正比 电容的连接与使用 串联 电容C1与C2顺序连接 电流相同 并联 电容C1与C2并行连接 电压相同 解 由电容的伏安关系得 本例目的 熟悉电容伏安关系 体会元件动态特性并学习如何定性地画波形图 则i 2 0 5A t 2s时 u 0V 解 由图可知 u为分段函数 求i应分段积分 0 t 1s时 u 1V 1 t 2s时 u 2V 则i 1 0 5A 本例目的 熟悉元件的伏安关系 体会元件的记忆功能 电感L 电容C 电阻R u i均可跃变 i不能跃变 u不能跃变 元件 电压电流关系 参数定义 能量 耗能元件 储能元件 储能元件 其他 电阻R 短路 u 0 开路 i 0 直流特性 无源元件特性小结 伏安特性 外特性 模型 电动势E串联内阻Rou 工作分析 RL 即空载 I 0 U E E 伏安特性曲线 0 RL U E 差值降在内阻上 RL 0 即短路 Ist Ist IN 不允许 1 4电压源和电流源一 电压源 为外电路提供电压 E 理想 特点 输出电压U不变 其值恒等于电动势 即U E 电源电流I由外电路决定 Rou越小 斜率越小 Rou 0 特性曲线与横轴I平行 此时的电压源为理想电压源或恒压源 模型为 实际电压源由恒压源与内阻串联而成 当R1R2同时接入时 I 10A 当IS 1A的电流源接入时 I 1A 本例目的 熟悉并体会恒压源的特点 模型 电激流IS并联内阻Roi 伏安特性 外特性 工作分析 RL 0 短路 I IS U 0 外特性曲线 RL 空载 0 RL I IS 差值分流在内阻上 Is Uoc ISRoi UN不允许 Uoc 二 电流源 为外电路提供稳定电流 特点 输出电流I不变 其值恒等于电激流即I Is 输出电压U由外电路决定 Roi越大 曲线越陡 Roi 特性曲线与纵轴平行 此时的电流源为理想电流源或恒流源 模型为 实际电流源由恒流源与内阻并联而成 理想 R 10 时 U 10V 当R 1 时 U 1V 当又有E 5V的电压源接入时 U E 5V 本例目的 熟悉并体会恒流源的特点 开关S闭合后图示各电压电流有无变化 如何变化 解 Is不变 则I1不变 U1不变 S闭合后 R2与R3并联 其等效电阻减小 故U2减小 U3 U1 U2也减小 各量如何变化 常用电源 基尔霍夫定律是电路分析的基本定律 包括基尔霍夫电流定律 KCL 反映电路中支路电流间的约束关系 基尔霍夫电压定律 KVL 反映电路中某回路中电压间的约束关系 1 5基尔霍夫定律 1 5基尔霍夫定律 支路 电路中的每一个分支 一条支路流过一个电流 称为支路电流 结点 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 例1 支路 ab bc ca bd da cd 共6条 回路 abda abca adbca bcdb acda acdba adcba 共7条 结点 a b c d 共4个 网孔 abd abc bcd 共3个 KCL应用于结点 KVL应用于回路 1 5 1基尔霍夫电流定律 KCL定律 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 KCL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 若以流向结点的电流为负 背向结点的电流为正 则根据KCL 结点a可以写出 I1 I2 I3 I4 0 例 下图中若I1 9A I2 2A I4 8A 求I3 9 2 I3 8 0 解 把已知数据代入结点a的KCL方程式 有 式中的正负号由KCL根据电流方向确定 由电流的参考方向与实际方向是否相同确定 I3电流为负值 是由于电流参考方向与实际方向相反所致 I3 19A 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 5 2基尔霍夫电压定律 KVL定律 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 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 如果规定与回路循行方向一致为正号 相反取负号 3 开口电压可按回路处理 注意 对回路1 例1 对网孔abda 对网孔acba 对网孔bcdb R6 I6R6 I3R3 I1R1 0 I2R2 I4R4 I6R6 0 I4R4 I3R3 E 0 对回路adbca 沿逆时针方向循行 I1R1 I3R3 I4R4 I2R2 0 应用 U 0列方程 对回路cadc 沿逆时针方向循行 I2R2 I1R1 E 0 U1 U2 U3 U4 U5 0 例2 图中若U1 2V U2 8V U3 5V U5 3V R4 2 求电阻R4两端的电压及流过它的电流 解 设电阻R4两端电压的极性及流过它的电流I的参考方向如图示 2 8 5 U4 3 0 U4 2V I 0 5A 沿顺时针方向列写回路的KVL方程式 有 代入数据 有 U4 IR4 1 6电路中电位的概念及计算 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 60VVc Uca 4 20 80VVd Uda 6 5 30V 设b为参考点 即Vb 0V Va Uab 10 6 60VVc Ucb E1 140VVd Udb E2 90V b a Uab 10 6 60VUcb E1 140VUdb E2 90V Uab 10 6 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 例1 图示电路 计算开关S断开和闭合时A点的电位VA 解 1 当开关S断开时 2 当开关闭合时 电路如图 b 电流I2 0 电位VA 0V 电流I1 I2 0 电位VA 6V 电流在闭合路径中流通 例2 电路如下图所示 1 零电位参考点在哪里 画电路图表示出来 2 当电位器RP的滑动触点向下滑动时 A B两点的电位增高了还是降低了 解 1 电路如左图 零电位参考点为 12V电源的 端与 12V电源的 端的联接处 当电位器RP的滑动触点向下滑动时 回路中的电流I减小 所以A电位增高 B点电位降低 2 VA IR1 12VB IR2 12 本章小结 电路的模型 电路的作用 符号规定电流和电压的参考方向功率的计算电阻 电感 电容 电压源 电流源的基本特性基尔霍夫电压 电流定律的内容及应用电位的计算 固定电阻器 碳膜电阻 金属膜电阻 金属氧化膜电阻 实芯碳质电阻 线绕电阻 敏感电阻器 热敏电阻 光敏电阻 压敏电阻 排电阻 数码电阻 A型电阻排 B型电阻排 金属玻璃釉电阻 电阻器的分类 碳膜电阻 结构 以小瓷棒或瓷管作骨架 通过真空和高温 热分解出的结晶碳沉积生成碳膜 导电膜 瓷管两端装上金属帽盖和引线 外涂保护漆 改变碳膜的厚度和长度 获得不同阻值 优点 稳定性好 噪声低 价格低 阻值范围宽 几欧 几兆欧 金属膜电阻 结构 以小瓷棒或瓷管作骨架 由合金粉蒸发而成的金属膜形成导电膜 瓷管两端装上金属帽盖和引线 外涂保护漆 优点 各项指标均优于碳膜电阻 稳定性好 噪声低 价格低 阻值范围宽 10 10M 金属氧化膜电阻 结构 用锑或锡等金属盐溶液喷雾到炽热的陶瓷骨架表面 沉积形成导电膜 瓷管两端装上金属帽盖和引线 外涂保护漆 优点 性能可靠 过载能力强 额定功率大 最大达15kW 缺点 阻值范围小 1 200k 实芯碳质电阻 结构 用碳质颗粒导电物质 碳黑 石墨 作导电材料 用云母粉 石英粉 玻璃粉 二氧化钛作填料 另加黏合剂经加热压制而成 按照黏合剂的不同 分为有机实芯和无机实芯电阻器 优点 无机实芯电阻器温度系数较大 可靠性较高 有机实芯电阻器过负荷能力强 金属玻璃釉电阻 结构 金属氧化物 如钌 银 钯 锡 锑等 和玻璃釉黏合剂混合后 涂覆在陶瓷骨架上 经高温烧结而成 属厚膜电阻 优点 耐高温 耐潮湿 温度系数小 负荷稳定性好 噪声小 阻值范围大 4 7 200M 绕线电阻 结构 用金属电阻丝绕制在陶瓷或其它绝缘材料的骨架上 表面涂以保护漆或玻璃釉 优点 阻值精确 5 56k 功率范围大 工作稳定可靠 噪声小 耐热性能好 主要用于精密和大功率场合 缺点 体积较大 自身电感大 使高频性能差 时间常数大 只适用于频率在50kHz以下的电路 A型电阻排 结构 一种将按一安规律排列的分立电阻器集成在一起的组合型电阻器 也称集成电阻器或电阻器网络 a型排阻的引脚总是奇数的 它的左端有一个公共端 用白色的圆点表示 内部电路 B型电阻排 b型排阻的引脚总是偶数的 它没有公共端 常见的排阻有4个电阻 所以引脚共有8个 内部电路 热敏电阻 特性 电阻值随温度显著变化 优点 对温度灵敏 热惰性小 寿命长 体积小 结构简单 用途 测温 控温 报警 气象探测 微波和激光功率测量等 内部电路 光敏电阻 特性 电阻值随外界光照强度大小而变化 优点 对光敏感 无光照时呈高阻 光照时阻值随光强度变小 用途 照明控制 报警 相机自动曝光控制及测量仪器等 压敏电阻 特性 电阻值随电压非线性变化 当两端电压低于标称额定值时 电阻值接近无穷大 当两端电压略高于标称额定值时 压敏电阻被击穿导通 由高阻态变低阻态 用途 过压保护 防雷 抑制浪涌电流 吸收尖峰脉冲 限幅 高压灭弧 消噪和保护半导体元器件等 数码电阻 数码电阻与数字电位器内部结构相同 只是在封装上没有把RH端引出 数字电位器是采用半导体技术制作的集成电路 其电阻变化由电阻阵列与多路模拟开关的选通组合来实现 模拟开关由二进制代码控制 其中RH为电位器高端 RL为电位器低端 RW为电位器滑臂 其阻值为RWL D R 式中D为控制输入的数据 R为组成电阻阵列的基本电阻单元 改变D的数值就可以改变数字电位器电阻值 绕线功率电感 色环电感 磁珠电感 叠层电感 按结构分 变压器 平面电感 电感器的分类 绕线功率电感 环型 棒型 贴片 色环电感 磁珠电感 磁珠由氧磁体组成 磁珠有很高的电阻率和磁导率 他等效于电阻和电感串联 但电阻值和电感值都随频率变化 他比普通的电感有更好的高频滤波特性 在高频时呈现阻性 所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗 从而提高调频滤波效果 变压器 变压器的功能主要有 电压变换 阻抗变换 隔离 稳压 磁饱和变压器 等 叠层电感 片式叠层电感器则不用绕线 是用铁氧体浆料和导体浆料交替印刷 叠层 烧结 形成闭合磁路 它采用先进的厚膜多层钝化技术和叠层生产工艺 实现了