电子电工基础知识

1、电工电子技术基础 制作:冯伟 2005-5-8 课程的目的和学习方法 目的获得电的基本理论知识，为 今后的学习和工程技术研究打下基础。 方法掌握好物理概念（多看书）； 多做习题。 学习要点 ? 电流、电压参考方向及功率计算 ? 常用电路元件的伏安特性 ? 基尔霍夫定律 ? 支路电流法与节点电压法 ? 叠加定理与戴维宁定理 ? 电路等效概念及其应用 ? 分析电路过渡过程的三要素法 第第 一一 章章 电路的基本概念与基本定律电路的基本概念与基本定律 1.1 电路基本物理量 为了某种需要而由电源、导线、开关和负载按 一定方式组合起来的电流的通路称为电路。 电路的主要功能：电路的主要功能： ? 一：进

2、行能量的转换、传输和分配。一：进行能量的转换、传输和分配。 ? 二：实现信号的传递、存储和处理。二：实现信号的传递、存储和处理。 电源：将非电能转换成电能的装置 (干电池,蓄电池,发电机)或信号源。 中间环结：把电源与负载连接起来的部分 (连接导线,开关) 负载：将电能转换成非电能的用电设备 (电灯,电炉,电动机) 一一. 电路的组成：电路的组成： 二二. 电路的作用电路的作用 1. 电能传输和转换电能传输和转换 发电机升压变压器 降压变压器电灯电炉 热能,水 能,核能 转电能 传输分配电能 电能转换 为光能,热 能和机械 能 2. 信号的传递和处理信号的传递和处理 放大器话筒 扬声器 将语音

3、转换 为电信号 (信号源) 信号转换、放 大、信号处理 (中间环节) 接受转换信 号的设备 (负载) 将实际元件理想化， 由理想化的电路 元件组成的电路。 E I RU + _ 例如： 理想化 导线 理想化 元件 今后我们分析的都是 电路模型，简称电路。 电路的模型 理想化 电源 电路分析的主要任务在于解得电路物理量， 其中最基本的电路物理量就是电流、电压和 功率。在已知电路结构与元件参数情况下研 究电路激励与响应之间的关系。 激励推动电路工作的电源的电压或电流。 响应由于电源或信号源的激励作用，在电 路中产生的电压与电流。 1.2 电流电压及参考方向电流电压及参考方向 电荷的定向移动形成电流

4、。 电流的大小用电流强度表示，简称电流。 电流强度：单位时间内通过导体截面的电荷量。 大写 I 表示直流电流 小写 i 表示电流的一般符号 dt dq i ? 正电荷运动方向规定为正电荷运动方向规定为电流的实际方向。 电流的方向用一个箭头表示。电流的方向用一个箭头表示。 任意假设的电流方向称为任意假设的电流方向称为电流的参考方向。 参考方向 实际方向 (a) i0 ab 参考方向 实际方向 (b) iR0时时UE 一、电压和电流 + _ I R U ab E S R0 a b 电源的外特性曲线 表示电源端电压与输出电流之间的关系 曲线，称为外特性曲线。 U = IR = E IR0 I U 0

5、 E IR0 功率与功率平衡 2 0 IREIUI? PPP E ? 电源的发出功率=负载的取用功率+电源内阻上的消耗功率 P- 电源输出的功率 P E - 电源产生的功率 ?P- 电源内阻上消耗的功率 I U E + _ R a b S R0 功率平衡方程式： 在 U、I 正方向选择一致的前提下： I RU a b 或 I RU a b “吸收功率”（负载） “发出功率”（电源） 若 P = UI ? 0 若 P = UI ? 0 根据能量守衡关系P（吸收）= P（发出） 电源与负载的判别 额定值与实际值 额定值: 制造厂为了使电子设备能在给定的 工作条件下正常运行而规定的正常允许值。 UN

6、 、IN 、PN 使用时，使用时，电压、电流、功率的实际值不一定 等于额定值。 I IN 过载 I IN 轻载 I = IN 额定工作状态 电器使用时的实际值不等于额定值的原因： a.电器受外界影响 如电压波动。 b.负载变化时，电流、功率通常不一定处于 额定工作状态。 开关S断开时，外电路的电阻无穷大 , 电流为零， 电源的端电压U0等于电源电动势E。 开路（断路或空载） 电路特征： I = 0 U = 0 U0 = E PE = P = 0 I=0 + _ R U E a b S U0 R0 （其中：PE = EI、P = UI ） 短路 U=0 I=0 0 S R E I? 2 0E I

7、RPP? S I 短路电流 P=0 电路特征： + - E + - 0 R U Is I=0 + _ R U E a b S R0 当R00时，Is （烧毁电源）。 注意：电压源不允许短路！ I S 1.5 基尔霍夫定律 电路中通过同一电流的每个分支称为电路中通过同一电流的每个分支称为支路支路。 3 条或3条以上支路的连接点称为条以上支路的连接点称为节点节点。 电路中任一闭合的路径称为回路回路。 + u s1 i1 R 1 i2 i3 R 2 R 3 + u s2 a b cd e 图示电路有3条 支路，支路，2个节点，个节点， 3 个回路。 1.5.1 基尔霍夫电流定律（KCL） 在任一瞬时

8、，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。 出入 ii? 在任一瞬时，通过任一节点电流的代数和 恒等于零。 0? i 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。 KCL通常用于节点，但是对于包围 几个节点的闭合面也是适用的。 i4 i2 i6 i5 i3 i1 a b c + u s 例：列出下图中各节点的KCL方程 解：取流入为正 以上三式相加： i1 i2i3 0 节点a i1i4i60 节点b i2i4i50 节点c i3i5i60 1.5.2 基尔霍夫电压定律（KVL） 表述一 表述二 在任一瞬时，在任一回路上

9、的电位升 之和等于电位降之和。 在任一瞬时，沿任一回路电压的代数和 恒等于零。 降升 uu? 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。 所有电压均为正。 0? u 对于电阻电路，回路中电阻上电压降对于电阻电路，回路中电阻上电压降 的代数和等于回路中的电压源电压的代数的代数和等于回路中的电压源电压的代数 和。 s uiR? 在运用上式时，电流参考方向与回路在运用上式时，电流参考方向与回路 绕行方向一致时绕行方向一致时iR前取正号，相反时取负前取正号，相反时取负 号；电压源电压方向与回路绕行方向一致号；电压源电压方向与回路绕行方向一致 时u s前取负号，相反时取正号。 KVL通常用

10、于闭合回路，但也可推 通常用于闭合回路，但也可推 广应用到任一不闭合的电路上。广应用到任一不闭合的电路上。 + i5 + u ab + i3 i1 i2 R 3 R 1 R 2 u s1 u s3 + u s2 i4 b a 0 111222333 ? sssab uRiuRiRiuu 例：列出下图的KVL方程 电路中的电位该点与参考点（零电位点零电位点）之间的电压。 （参考点通常用“接地”符号表示，但该点没有和大地相连。） 参考点选的不同，则各点的电位不同。参考点选的不同，则各点的电位不同。 电流总是从高电位流向低电位。 1.6电路中电位的概念及计算 -7V 3K1KA S 1K +6V+8

11、V cb 求：A点电位。 设b点为参考点：Vb=0则：V A=0 设c点为参考点：Vc=0 则： S断开时： S闭合时： 则： -7V 3K1KA S 1K +6V +8V c b + + + - - 解：将原图电路改画成上图所示电路。 -7V 3K1KA S 1K +6V+8V cb 3V 113 78 V A ? ? ? ? 1V1 11 68 VA? ? ? ? 第二章 电路分析方法 2.1 电阻的串联及并联 具有相同电压电流关系（即伏安关系， 简写为VAR）的不同电路称为等效电路， 将某一电路用与其等效的电路替换的过程 称为等效变换。将电路进行适当的等效变 换，可以使电路的分析计算得到

12、简化。 1 电阻的串联电阻的串联 i R 1 + u R 2 R n R i + u + u 1 + u 2 + u n n RRRR? 21 n个电阻串联可等效为一个电阻 分压公式 u R R iRu k kk ? R 1 i+ u R 2 + u 1 + u 2 两个电阻串联时 u RR R u 21 1 1 ? ? u RR R u 21 2 2 ? ? 2 电阻的并联电阻的并联 n个电阻并联可等效为一个电阻 i1 i 2 in R 1 i + u R 2 R n R i + u n RRRR 1111 21 ? 分流公式 两个电阻并联时 i R R R u i kk k ? i RR

13、R i 21 2 1 ? ? i RR R i 21 1 2 ? ? i1 i 2 R 1 i + u R 2 2.2 电压源与电流源及其等效变换 电路元件主要分为两类：无源元件电阻、电容、电感。 有源元件有源元件独立源、受控源 。独立源主要有：电压源和电 流源。 定义：能够独立产生电压的电路元件。电压 源分为：理想电压源和实际电压源。 2.2.1电压源 1.理想电压源 （恒压源）: RO= 0 时的电压源. 特点： （3）电源中的电流由外电路决定。 I E + _ a b Uab 伏安特性 I Uab E （2）电源内阻为 “RO= 0” 。 （1）理想电压源的端电压恒定。 （4）理想电压源

14、不能短路，不能并联使用。 伏安特性 电压源模型 o IREU? Ro越大 斜率越大 2. 实际电压源 U I R O + - E I U E IR O 1.理想电流源 （恒流源): R O=? 时的电流源. 特点：（1）输出电流恒定。 a b I U ab I s I U ab I S 伏 安 特 性 （3）输出电压由外电路决定。 （2）理想电流源内阻为无穷大（ R O=? ）。 （4）理想电流源不能开路，不能串联使用。 2.2.2电流源 2. 2. 实际电流源实际电流源 I S RO a b Uab I o ab S R U II? I s Uab I 外 特 性 电 流 源 模 型 RO

15、RO越大 特性越陡 1 、理想电源串联、并联的化简 电压源串联： n21 E.EEE? 电流源并联： n21 I.III? （电压源不能并联） （电流源不能串联） 2.2.3电压源与电流源的等效变换电压源与电流源的等效变换 等效互换公式 oab RIEU? I R O + - E b a U ab ? RIRI RIIU oos osab ? ? I S a b U ab I R O 则? o RIERIRI oos ? RIE os ?RR oo ? I = I U ab = U ab 若 注意转换前后E与与Is的方向相同 a E + - b I RO E + - b I R O a I s

16、 a RO b I a I s R O b I 结论： 1.恒流源与恒压源串联，恒压源无用。 2.恒流源与恒压源并联，恒流源无用。 3.电阻与恒流源串联，等效时电阻无用。 4.电阻与恒压源并联，等效时电阻无用。 例：用电源模型等效变换的方法求图（ a）电路 的电流i1和i2。 解：将原电路变换为图（c）电路，由此可得： (a) 电路 2A i1 i2 + 5V 10 5 (b) (a)的等效电路 2A i2 10 5 1A 3A i2 10 5 (c) (b)的等效电路 A13 510 5 2 ? ? ?i A1212 21 ? ii 2.3 支路电流法支路电流法 支路电流法是以支路电流为未知

17、量， 直接应用KCL和KVL，分别对节点和回 路列出所需的方程式，然后联立求解出 各未知电流。 一个具有b条支路、n个节点的电路， 根据KCL可列出（n1）个独立的节点电 流方程式，根据KVL可列出b(n1)个独 立的回路电压方程式。 + u s1 i1 R 1 i2 i3 R 2 R 3+ u s2 a b 图示电路 （2）节点数n=2， 可列出21=1个独 立的KCL方程。 （1）电路的支路 数b=3，支路电流 有i1 、i2、 i3三个。 （3）独立的KVL方程数为3(21)=2个。 13311s uRiRi? 回路I 23322s uRiRi?回路 0 321 ?iii 节点a 解得：

18、i1=1A i2=1A i10 说明其实际方向与图示方向相反。 对节点a列KCL方程： i2=2+ i1 例：如图所示电路，用支路电流法求各支路 电流及各元件功率。 2A i1 i2 + 5V a b 10 5 解：2个电流变量i1和i2， 只需列2个方程。 对图示回路列KVL方程： 5 i1+10 i2=5 各元件的功率： 5 电阻的功率：p 1 =5 i1 2 =5 (1) 2 =5W 10 电阻的功率： p 2 =10 i2 2 =5 1 2 =10W 5V 电压源的功率： p 3 =5 i1=5 (1)=5W 因为2A电流源与10 电阻并联，故其两端的 电压为：u=10 i2=101=

19、10V，功率为： p 4 =2 u=2 10=20W 由以上的计算可知，2A电流源发出20W功率 ，其余3个元件总共吸收的功率也是 20W ，可见 电路功率平衡。 例：如图所示电路，用支路电流法求u、i。 解：该电路含有一个电压为4 i的受控源，在求 解含有受控源的电路时，可将受控源当作独立 电源处理。 5A i1 i2 + 10V a b 1 5 + 4i 1 + u 对节点a列KCL方程： i2=5+ i1 对图示回路列KVL方程： 5 i1+i2=4 i1+10 由以上两式解得： i1=0.5A i2=5.5A 电压：u=i2+4 i1=5.5+40.5=7.5V 2.4 结点电压法结点

20、电压法 ? ? ? ? R i R u u s s 1 ab 式中分母的各项总为正， 分子中各项的正负符号为： 电压源us的参考方向与节点 电压uab的参考方向相同时 取正号，反之取负号；电 流源is的参考方向与节点电 压uab的参考方向相反时取 正号，反之取负号。 + u s1 i1 R 1 i2 is1 R 2 R 3 u s2 + a b i3 is2 如图电路，根据KCL有： i1+i2- i3- is1+is2=0 设节点ab间电压为uab， 则有： 3 ab 3 2 ab2 2 1 ab1 1 R u i R uu i R uu i s s ? ? ? ? ? 321 21 2 2 1 1 ab 111 RRR ii R u R u u ss ss ? ? ? 因此可得： 例：用节点电压法求图示电路中节点a的电位ua。 + 15V 3 4 + 8V a a +15V +8V 6V 6 6V + (a) 电路(b) 图(a)还原后的电路 3 4 6 4 4 V6 4 1 6 1 4 1 3 1 6 6 4 8 3 15 a ? ? ? ?u解： 求出ua后，可用 欧姆定律求各支 路电流。 2.5 叠加定理叠加定理 在任何由线性电阻、线性受控源及独立源 组成的电路中，每一元件的电流或电压等于每 一个独立源单独作用于电路时在该元件上所产 生的电流或电