数控大专电工电子技术第一章ppt

制作：韦济全,电工电子技术,重庆市经贸中等专业学校,第一章,一、课程的特点,1、电工电子技术是理工科公共的技术基础课，是后续相关课程学习的基础。,2、电工电子技术范围广，内容多，是电学基础知识的大汇总。,电工电子技术,3、学科发展异常迅猛，它与计算机技术共同成为现代信息社会的基础支撑学科。,4、基础技能训练的地位突出。如果说，电工电子技术的基础知识是后续相关课程学习的基础，那么电工电子技术基础技能训练是账务专业技能的重要铺垫。,电工电子技术,1.1 电路的组成及作用,1.2 电路的主要物理量,1.3 电路的基本元件及其伏安特性,1.4 电路的等效变换,1.5 基尔霍夫定律,第1章 电路的基本概念、基本定律和分析方法,1.6 电路的基本分析方法,1.7 最大功率传输定理,1.8 受控源电路简介,第1章 电路的基本概念、基本定律和分析方法,1.1 电路的组成及作用,一、基本概念,1、电路的概念,电路又称网络，是各种电器设备按一定方式联接起来，构成的电流的通路。,2、电路的组成,电路由电源、负载、导线、控制装置等,电源 电源是电路中提供电能或产生信号的设备如干电池、发电机、信号发生器等。,负载 负载是电路中吸收电能或接收信号的器件。,导线和控制设备 导线和控制设备则是电路中电能或信号的传输和控制器件。电路通过传输和控制器件把电源和负载连接起来。,二、电路模型,1、电路模型,由理想元件及其组合近似地代替实际电路器件而组成的电路，称为实际电路的“电路模型”。,2、电路图,1.1 电路的组成及作用,1.2.1 电流及其参考方向,1.2 电路的主要物理量,1、电流,电荷的定向移动形成电流。,2、电流强度,单位时间内通过导体横截面的电荷量定义为电流强度。,电流强度是描述电流大小的物理量，简称为电流，用i表示,q表示电荷量，电荷量的单位为库仑，简称库（C）,t表示时间，时间的单位为秒（S）,电流强度的单位为安培，简称安（A），常用的单位还有千安（kA）、毫安（mA）、微安（A）等,1A=103 mA=106A1kA=103A,3、单位换算关系,4、电流方向,习惯上规定正电荷的移动方向为电流的方向,当电流的大小和方向不随时间变化时，dq/dt为定值，这种电流称为直流电流，简称直流（DC）。,5、电流参考方向,1.2 电路的主要物理量,在分析电路时采用标定“参考方向”的方法。参考方向是人们任意选定的一个方向。,如图（a）所示，电流的实际方向与参考方向一致，则电流为正值,如图（b）所示，若电流的实际方向与参考方向相反，则电流为负值,1.2.2 电压及其参考方向,1.2 电路的主要物理量,1、电压的定义,电压是衡量电场力对运动电荷做功大小的物理量。当导体中存在电场时，电荷在电场力的作用下运动，电场力对电荷做了功。电场力把单位正电荷从A点移动到B点所做的功称为A、B两点间的电压，用uAB表示。,2、电压的方向,电压的实际方向是电场力对正电荷做功的方向。,4、电压的参考方向,3、电压的单位,电压的单位为伏特，简称伏（V），常用的单位还有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（V）等。,若电压的实际方向与参考方向一致，则电压为正值，若电压的实际方向与参考方向相反，则电压为负值。,电路中电流、电压的参考方向，可以分别独立地规定，当它们一致时称为关联参考方向，简称关联方向,电路中电流、电压的参考方向，当它们相反时称为非关联参考方向，简称非关联方向。,1.2 电路的主要物理量,5、关联参考方向与非关联参考方向,关联参考方向,非关联参考方向,为了分析方便，习惯上常选关联方向。,1.2.3 电位,在电路中任选一点作为参考点，则该电路中某一点到参考点的电压就叫做该点的电位。若选择o点为参考点，那么，电路中a点的电位表示。,电位的单位是伏特（V）。,两点间的电压等于两点的电位差，所以，电压又叫电位差。,如果已知a、b两点的电位分别为 、 ，那么a、b两点间的电压：,1、电位定义,2、电位的单位,3、电位差,1.2 电路的主要物理量,1.2.4 电动势,电动势是描述电源力做功大小的一个物理量，电源力在电源内部把单位正电荷从电源的负极移到正极所做的功称为电源的电动势。电动势用e表示。,电动势的方向是电源力克服电场力移动正电荷的方向，是从低电位到高电位的方向。对于一个电源设备，若其电动势e的方向和电压u的参考方向相反。,1、电动势的定义,w表示电源力所做的功,q表示电荷量,2、电动势的方向,电动势与电压的单位相同，也是伏特。,1.2 电路的主要物理量,1.2.5 电功率与电能,单位时间内电路吸收或释放的电能定义为电功率，它是描述电能转化速率的物理量，用p表示。,式中w表示电能，单位为焦耳，简称焦（J）；t表示时间， 单位为秒（S）。功率的单位为瓦特，简称瓦（W），常用的单位还有千瓦（kW）、毫瓦（mW）等。,任一支路或元件的功率等于其电压和电流的乘积。,1、电功率,1.2 电路的主要物理量,2、注意事项,在功率计算中，若电压、电流为关联方向，则P=UI；若电压、电流为关非联方向，则P=-UI。计算所得功率为正值时，表示电路实际吸收功率为电源元件；计算所得功率为负值时，表示电路实际发出功率为负载元件。,电能的单位焦耳（J），表示功率为1W的用电设备在1s时间内所消耗的电能。在实际生活中还采用千瓦时（kWh）作为电能的单位，它等于功率为1kW的用电设备在1小时内所消耗的电能，简称为1度电。,在一个电路中，每一瞬间，发出电能的各元件的功率总和等于吸收电能的各元件的功率总和。,3、电能,在直流时，则为,4、功率守恒,1.2 电路的主要物理量,例1.1 图示直流电路中， 求以o点为参考点时a、b、c各点的电位，并求出各元件发出或吸收的功率及电路的总功率。,解：根据电位的定义，当选o点为参考点时，元件1的电压、电流为关联方向 （吸收）元件2、3的电压、电流为非关联方向,1.2 电路的主要物理量,1.2 电路的主要物理量,P2=-U2I=-(-4) 2=8W（吸收）P3=-U3I=-6 2=-12W （发出）计算电路的总功率，总电压和电流为关联方向,则U=Va-Vc=12-6=6VP=UI=6 2=12W （吸收）而P=P1+P2=14+8=24W所以该电路还需从外界吸收功率12W，才能保证电路功率平衡。,1.3 电阻基本元件及其伏安特性,1、电阻,电阻元件是反映电路器件消耗电能的物理性能的一种理想的二端元件。,2、欧姆定律,流过电阻元件的电流与其两端的电压成正比，与电阻成反比，称为欧姆定律，简称VCR,电压和电流为关联方向时，欧姆定律的表达式为 u=iR； 电压和电流为非关联方向时，欧姆定律的表达式为 u=-iR。,1.3.1 电阻元件,若电阻元件的阻值与其工作电压或电流无关，是一个常数，这种元件称为线性电阻元件。反映元件的电流、电压关系的曲线叫做元件的伏安特性曲线。,3、线性电阻元件,如图所示：,1.3 电阻基本元件及其伏安特性,电阻的倒数称为电导，反应导体的导电能力，用G表示，即,在任何情况下，电阻值和电导值都是正实数值。在关联方向下，任何瞬时电阻元件吸收的功率为,电导的单位为西门子，简称西（S）。电阻元件既可以用电阻R表示，也可以用电导G表示。用电导表示时，欧姆定律可表达为,4、电导,1.3 电阻基本元件及其伏安特性,例1.2一个220V、40W的白炽灯泡，正常工作时的灯丝电压是多少？若该灯泡每天工作5小时，问一天消耗的电能是多少度？,1.3 电阻基本元件及其伏安特性,1.3.2 电压源,1、理想电压源,符号及伏安特性,电压源特点,(1) 电压源对外提供的电压u(t)是某种确定的时间函数，不会因外电路的不同而改变。(2) 通过电压源的电流i(t)的大小主要由外电路确定，随外接电路的不同而不同。(3)在任何时候，理想电压源都不允许短路。(4)理想电压源内部不消耗功率,1.3 电阻基本元件及其伏安特性,1.3 电阻基本元件及其伏安特性,2、实际电压源,要求RS越小越好，这样会获得更大的输出电压。 那么电压源一般不允许出现短路，否则损坏电源。,3、电压源的功率,电压源的功率为,P 0时，电压源实际上是吸收功率，电流实际方向是从电压源的高电位端流向低电位端，电压源是作为负载出现的。电压源中电流可以从0变到。,注意：理想的电压源是不存在的，实际的电压源总存在内阻，其端电压会随电流的变化而变化。,1.3 电阻基本元件及其伏安特性,1.3.3 电流源,1、理想电流源,符号及伏安特性,电流源特点,（1）电流源向外电路提供的电流i(t)是某种确定的时间函数，不会因外电路不同而改变。（2）电流源的端电压u（t）随外接的电路不同而不同。（3）在任何时候，理想电流源都不允许开路。（4）理想电流源内部不消耗功率,1.3 电阻基本元件及其伏安特性,1.3 电阻基本元件及其伏安特性,2、实际电流源,要求RS越大越好，这样会获得更大的输出电流。 那么电流源一般不允许出现开路，否则损坏电源。,3、电流源的功率,电流源的功率为,p 0时，电流源实际上是吸收功率，电流源是作为负载出现的。电流源中端电压可以从0变到。,1.3 电阻基本元件及其伏安特性,一、电阻,1、 工程中的电阻称为电阻器，是一种耗能元件，在电路中主要用于控制电压、电流的大小，或与其它元件一起构成具有特殊功能的电路,2、电阻器的主要参数有标称电阻值、允许误差和额定功率。电阻器的标称电阻值是按国家规定的电阻值系列标注的，体积较大的电阻其阻值一般都标注在电阻器的表面，而体积较小的则用色环或数字表示其阻值。,1.3.4 工程中的电阻、电源与电路状态,1.3 电阻基本元件及其伏安特性,3、电阻器的允许误差，是指实际电阻值与标称电阻值之间的差除以标称值所得的百分数。一般分为三级，5%、10%、20%，或用、表示。体积小的电阻器一般用色标法表式。电阻器的色环通常有四道，其中相距较近的三道为电阻值，另一道距前三道较远，表示误差，如图1.8所示。,图1.8色环电阻示意图,1.3 电阻基本元件及其伏安特性,表1.1 电阻器色环颜色与表示的数码对照表,表1.2 电阻器色环颜色与误差对照表,1.3 电阻基本元件及其伏安特性,电阻器的额定功率是指在规定的气压、温度条件下，电阻器长期工作所允许承受的最大电功率。一般情况下，所选用的电阻器的额定功率应大于其实际消耗的最大功率，否则，电阻器可能因温度过高而烧毁。,第一、第二道各代表一位数字，第三道代表零的个数。例如，某色环电阻第一道为蓝色，第二道为灰色，第三道为橙色，该电阻器的电阻值为 。,1.3 电阻基本元件及其伏安特性,二、 电源,1、 工程中的电源种类繁多，但一般可分为两大类，一类是发电机，它是利用电磁感应原理，把机械能转化为电能；另一类是电池，它是把化学能、光能等其它形式的能通过一定的方式转换为电能的装置。关于发电机，后续课程中将专门讲解，下面主要介绍电池。,2、 电池的主要性能有开路电压、工作电压、容量、使用温度、寿命和储存期等。开路电压是指电池在不接负载时，正、负极之间的电压。,3、 电池按使用特点分可分为原电池、蓄电池、贮备电池和燃料电池，工程中常用的是原电池和蓄电池。原电池是一种通过电极反应将其活性物质不断消耗、使化学能直接转变为电能的电源装置。它的活性物质一旦耗尽，不能通过用反向电流充电的方法使其恢复而再次放电，因此，也称为一次电池。,1.3 电阻基本元件及其伏安特性,4、 蓄电池又称为二次电池，是一种可以再次充电并反复使用的电池。其工作原理和原电池相同，但这种电池的电极反应有很好的可逆性，放电时消耗的活性物质在充电时可以恢复。蓄电池放电时把化学能转变为电能，充电时则把电能转变为化学能。它是一种化学能和电能相互转换的一种储能装置。,5、 蓄电池分为铅酸蓄电池和碱性蓄电池两大类，铅酸蓄电池历史最久、用途最广的蓄电池，按用途分又可分为起动用、牵引用、固定型等几种，分别用于车辆的起动、车辆的牵引和通信等领域。碱性蓄电池包括镉镍、锌银、铁镍、镉银、氢镍等几种，广泛应用于仪器、仪表、航空、航天、通信的领域。,1.3 电阻基本元件及其伏安特性,三、电路的状态,根据电源和负载连接的不同情况，可分为开路、短路、额定等几种状态。,开路状态又称断路状态，当电路处于开路状态时，电源和负载不构成回路，电路中的电流为零，电源的端电压等于电源的电动势，电源不输出功率。这时的电源电压称为空载电压或开路电压。,1、开路状态,2、短路,短路是指电源两端由于某种原因连接在一起的电路状态。这时相当于负载电阻为零，电源的端电压也为零，电源不对外输出功率。,3、额定状态,任何电气设备都有一定的电压、电流和功率的限额，这些限额称为额定值，电气设备工作在额定值的情况下称为额定工作状态。,1.3 电阻基本元件及其伏安特性,1.4 电路的等效变换,1.4.1 二端网络1、二端网络的概念 若一个电路不论其内部结构如何复杂，但最终只有两个端钮与外部相连，则称该电路为二端网络，又称为单口网络。,2、二端网络的等效变换 当两个二端网络的两个端钮之间接上任意的相同外电路时，端口上的电压和电流都对应相等，则说明这两个二端网络互为等效。,1.4 电路的等效变换,1.4 电路的等效变换,1.4.2 电阻的串联,1.4 电路的等效变换,1、等效的条件：两个电路端口的伏安特性相同。 2、串联电阻的分压原理： 3、利用分压特性，可以扩展电压表的量程。,1.4 电路的等效变换,1.4.3 电阻的并联,1.4 电路的等效变换,1、等效的条件：两个电路端口的伏安特性相同。 2、串联电阻的分压原理： 3、利用分压特性，可以扩展电压表的量程。,1.4 电路的等效变换,1.4.4 电阻的混联1、电阻以串联和并联混合连接的方式称为电阻的混联。2、求混联电阻的等效电阻。,1.4.5 电压源模型与电流源模型的等效变换,1.4 电路的等效变换,1.4 电路的等效变换,1、等效变换 电压源模型和电流源模型的输出电压和输出电流对应相等，即对于同一外部电路而言，二者的伏安特性相同，那么两种模型的可以等效的。2、等效变换的条件对应电压源模型，输出电压为 输出电流为对应电流源模型，输出电流为 输出电压为,等效变换的条件：,关于电压源模型和电流源模型等效变换的几点说明：1、二者的电流、电压方向必须一致。2、等效变换只是对外部电路而言，对电源内部是不等效的。3、理想电压源和理想电流源之间无等效关系。4、分析电路问题时，电压源作短路处理，电流源作开路处理。,5,1、支路：电路中流过同一电流无分支的电路称为一条支路。,1.5 基尔霍夫定律,基本概念介绍,2、节点：三条或三条以上支路的联接点称为节点。,3、回路：电路中由一条或多条支路组成的闭合路径称为回路。,4、网孔：网孔是回路的一种，画在平面上的电路中，在其内部不再含有其它支路的回路称为网孔。,找出下图中的支路、节点、回路、网孔,1.5 基尔霍夫定律,三条支路,baed、bd、bcd,二个节点,b、d,三个回路,baedb、bdcb、baedcb,二个网孔,baedb、bdcb、,1.5.1 基尔霍夫电流定律,内容：在任一时刻，通过电路中任一节点处各支路电流的代数和恒等于零。I=0。,1.5 基尔霍夫定律,1、基尔霍夫电流定律（简称KCL）,若流入取正号，则流出取负号。,即： I1+I2-I3=0,KCL也可以理解为：在任一时刻对任一节点流入的电流之和等于流出的电流之和。 即I入=I出。 如图，I1+I2=I3。,如图所示，封闭面S包围了a、b、c三个节点，分别写出这三个节点的KCL方程,1.5 基尔霍夫定律,2、基尔霍夫电流定律推广,KCL通常是用于节点，也可以把它推广应用于电路中任意假设的封闭面。,节点a：,节点b：,节点c：,以上三式相加得,结论：在任一瞬时，电路中流入任意封闭面的电流的代数和也恒等于零。,1.5.2 基尔霍夫电压定律,内容：在电路中，任一时刻，沿着任一回路绕行一周，回路中各段电压的代数和恒等于零。,1.5 基尔霍夫定律,1、基尔霍夫电压定律（简称KVL）,式中各项电压参考方向与回路绕行方向一致时（电位降）取正号，相反时（电位升）取负号。,如图网孔1，I1R1+I3R3-US1=0；,KVL也可以理解为：在任一时刻任一回路上，电位上升之和等于电位下降之和。即U升=U降。 如图网孔2，US2=I2R2+I3R3。,1.5 基尔霍夫定律,2、基尔霍夫定律应用,例1.3 图1.11所示电路中，A、D两点与外电路相连，部分支路电流及元件的参数已在图中标出，求电流I1、I2及未知参数R。,解：对节点A应用KCL，I2210，I23A对节点D应用KCL，I12I20，I12I2231A在回路ABCDEA中应用KVL，得UABBCUCDUDEUEA0代入数值，得31631102R0整理，得 R5,1.5 基尔霍夫定律,节点电流，也可以取流出为正，流入为负。,一、支路电流法1、支路电流法分析和计算的步骤如下：（1）确定支路数b，标出各支路电流和网孔回路的参考方向。（2）确定节点数n，依据基尔霍夫电流定律列出节点电流方程，共有n-1个独立的节点电流方程。（3）确定独立回路数，依据基尔霍夫电压定律列出各网孔的电压方程，共有b-(n-1)个网孔电压方程。（4）解联立方程组，得出各支路的电流。（5）根据各支路元件的性质和参数，求出电压、功率等其他待求量。,1.6 电流的基本分析方法,1.6 电流的基本分析方法,2、例题例一. 试用支路电流法求各支路电流。解：由KCL列a点：I1+I2-I3=0 （1）由KVL列回路1：I1R1+I3R3=US1（2）回路2：I2R2+I3R3=US2 （3）把数据代入（1）（2）（3），解得I1=4A，I2=-1A， I3=3A。,例二. 试用支路电流法求各支路电流。解：如图所示，I1=IS=5A，由KCL列，I1+I3=I2，即5+I3=I2 （1）由KVL列，回路1，-US+(-I2R2)+(-I3R3)=0（2）把数据代入（1）（2）得I2=2A，I3=-3A.,1.6 电流的基本分析方法,1.6 电路的基本分析方法,二、叠加定理1、内容： 在包含多个电源的线性电路中，电路 中任一元件上的电流或电压等于每一个电源单独作用在该元件上所产生的电流或电压的代数和。,1.6 电路的基本分析方法,1.6 电路的基本分析方法,如图所示，图（a）相当于图（b）和（c）的叠加，I1=I1/+I1/即2、应用叠加定理时必须注意以下要点。（1）分析电路时，当其中一个电源单独作用时，其他电源应置零，即电压源短路，电流源开路，但必须保留电源的内阻。,1.6 电路的基本分析方法,（2）以原电路中的电流、电压参考方向为准，电源单独作用时，在各支路上产生的电流、电压方向与之相同的取正号，与之相反的取负号。（3）叠加定理只能用来分析计算线性电路中的电压和电流，不能用来计算功率。,3、例题例一、电路如图所示，已知US=24v，IS=1.5A，R1=100 ，R2=200 ，试求： （1）用叠加定理计算支路电流I1。 （2）计算电阻R2吸收的电功率。,1.6 电路的基本分析方法,1.6 电路的基本分析方法,+,解：（1）I2的参考方向如（a）图所示。 电压源US单独作用时，电流源作开路处理，如（b）图所示，得 电流源IS单独作用时，电压源作短路处理，如（c）图所示，得 运用叠加定理，得 I2=I2/-I2/=0.08-0.5=0.42（A）,1.6 电路的基本分析方法,(2)P2=I22R2=（-0.42）2200=35.28（W）若按叠加定理计算电功率，则P2/=( I2/)2R2+（ I2/）2R2 =0.082200+0.52200 =51.28（W） P2 P2/叠加定理不适合非线性电路的计算,即不能用来计算功率。,1.6 电路的基本分析方法,三、戴维南定理1、内容：对于任何一个线性有源二端网络，都可以用一个电压源和一个电阻串联的电路来等效代替（对外电路），如图（a）、(b)所示。 其中电压源的电压等于二端网络的两个端钮之间的开路电压，如图（c）所示。 电阻等于二端网络的电源置零（电压源短路，电流源开路）后，从二端网络两个端钮看进去的电阻，如图（d）所示。,1.6 电路的基本分析方法,1.6 电路的基本分析方法,1.6 电路的基本分析方法,2、例题例一如图所示电路，已知US1 = 2V， US2 = 8V，IS = 4A，R1 = 2 ， R2 =R3 = 6 ，R4 = 3 ，R5 = 2 ， 用戴维南定理计算流过电阻R4支路的电流I4。,解：（1）断开电路R4支路，计算有源二端网络的开路电压UOC。,1.6 电路的基本分析方法,1.6 电路的基本分析方法,如图（a）所示，左、右两个网孔形成了各自独立的单回路，电压源US1和电阻R1串联支路的电流为零。 左边回路的电流为I5=IS=4A。 右边回路的电流为 开路电压为,（2）计算戴维南等效电阻R0 将图（a）中的有源二端网络中的电源置零（电压源短路，电流源开路），则对应的电路如图（b）所示。,1.6 电路的基本分析方法,（3）计算R4支路电流I4 戴维南等效电路如图（c）所示。 所求支路电流为,1.6 电路的基本分析方法,四、诺顿定理 1、内容：含独立源的线性电阻单口网络N，就端口特性而言，可以等效为一个电流源和电阻并联的单口网络.图 (a)。 电流源的电流等于单口网络从外部短路时的端口电流iSC；电阻Ro是单口网络内全部独立源为零值时所得网络No的等效电阻,1.6 电路的基本分析方法,1.6 电路的基本分析方法,isc称为短路电流。Ro称为诺顿等效电阻。isc和电阻Ro并联的电源模型，称为诺顿等效电路。,2、诺顿定理分析复杂电路的步骤（1）把待求支路开路（形