第1章电路的基本概念和分析方法part

1、 第1章电路与电子技术北 京 理 工 大 学信息与电子学院谢民xiemin理64论总教学学：6时4：48理论4，8教实，学验实教验1学教6 学（次18）6（8总学时次）20成：分绩作：业作及业随及堂随分测堂，1验测实0 验101分0分。，10实验分。成绩：电路与电子技术（第二版）（上，下）李燕北京理工大学电工和电子技术学习指导编参考书：李燕民温照方温照方李郜燕志民峰编，北京理工大学电工与电子技术实验 （第二版）李燕民，温照方主编北京理工大学电路和电子技术实验安排周次周次内容内容地址地址6周实验1.1理学楼B-301/302电工测量7周实验1.3RC电路的暂态B理-4学04楼B（）理（）8周实验

2、1.5理学楼B-102单相交流电路11周实验2.130B理2-3学01楼/30B2 301/电压放大电路（）理学楼周2 2集成运算放大器的应用B-/1313周实整验2.、3流2 稳、压电整路流滤波稳压、电路、滤波理学楼B-301/3023.1 组合逻辑电路及其应用B-/周1515周实验3.23 触发器和移位寄存器的应用30B理2-3学01楼/30B2 301/理学楼3 3、实验前要写预习报告！ 第1章实验相关文档wB：实验课件实验课件电路和电子技术实验实验报告模板（实验前要写预习报告）电路和电子技术(上)电路的基本概念和分析方法（1章）电电路的暂态分析（2章）交流电路（3章）原理电路和电子技术

3、(下)半导体器件（1章）交流放大电路（2章） 集成运算放大器（3章）电源技术（4章）模拟电路数字电路组合逻辑电路（5章）时序逻辑电路（6章）第1章电路的基本概念和分析方法1.11.21.31.41.51.61.71.81.9电路的基本概念理想电路元件基尔霍夫定律电路的一般分析方法叠加原理无源二端网络的等效变换(部分)电阻星形联与三角形联接的等效变换电源模型的等效变换 戴维宁定理和诺顿定理含受控源电路的分析 非线性电阻电路的分析电器设备的额定值(自学)ÐÐ 1.10Ð 1.111.12第1章电路的基本概念和分析方法电路模型、电压、电流的参考方向分析电路本章主要内容电

4、路基本概念基本定律基尔霍夫定律的依据！支路电流法叠加原理电源模型的等效变换戴维宁定理分析计算电路的方法 第1章.电路的基本概念电路（英语：Electrical circuit）或称电子回路，是由电气设备和元器件, 按一定方式连接起来，为电荷流通提供了路径的总体，也叫电子线路或称电气回路，简称网络或回路。引自百科 第1章 1.1 1.1电路的基本概念1.1.1电路的作用与组成电能的传输与转换电灯输电线升压发电电 变压器 压器 ¬¬¬¬¬¬负载电源中间环节传递与处理信号扬声器话筒话筒把声音（信息）®电信号扬声器把电信号®

5、;声音（信息）信号源负载放大器降压 第1章 1.1 1.1.1电路的作用与组成电路中电源和信号源的电压或电流称为激励，它推动电路的工作。由激励在电路中产生的电压和电流称为响应。电路分析是在已知电路结构和参数的条件下，讨论激励与响应的关系。 第1章 1.1 电路1模.1.型2实际的电路成，如发电电路模型由一些按需要起不同作用的件或器件所组压器、电、电池、电阻器等，它们的电磁性质是很复杂的。例如：一个白炽灯在有电流通过时消耗电能（电阻性）R忽略L产生磁场储存磁场能量（电感性）RiL为了便于分析与计算实际电路，在一定条件下常忽略实际部件的次要因素而突出其主要电磁性质，把它看成理想电路元件。 第1章

6、1.1 1.1.2电路模型S+开关UR负载连接导线R0电路模型电路实体用理想电路元件组成的电路，称为实际电路的电路模型。电池 第1章 1.1 1.1.3电压和电流的参考方向对电路进行分析计算时，不仅要算出电压、电流、功率值的大小，还要确定这些量在电路中的实际方向。但是，在电路中各处电位的高低、电流的方向等很难事先出来。因此电路内各处电压、电流的实际方向也就不能确定。为此引入参考方向的规定。1、电压、电流的实际方向习惯上规定正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向；由高电位端指向低电位端；电流的实际方向为：电压的实际方向为：电动势的实际方向为： 由低电位端指向高电位端。 第1章 1.1 1.1.3电

7、压和电流的参考方向1、电压、电流的实际方向电流（英文：Current）是指一群电荷的。电流的实际方向：与正电荷在电路中移动的方向相同。实际上并不是正电荷移动，而是负电 荷移动。电压（英语：Voltage），也称作电势差或电位差，是衡量电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。电压的实际方向：与电场力方向一致，从高电 位到低电位 第1章 1.1 1.1.3电压和电流的参考方向1、电压、电流的实际方向电动势定义：在电源内部推动电荷移动的力成为电源力，电源力使将移动到正极所做正电荷从电源的负极称为动势。实际方向：由低电位端指向高电位端。 第1章 1.1 1.1.3电压和电流的参考方向2、电压

8、、电流的参考方向电压、电流的参考方向：任意假定。电流的参考方向用箭头表示；电压的参考方向除用极性“+”、“”外，还下标或箭头表示。当电压、电流参考方向与实际方向相同时，其数值为正；相反时，则其数值为负。I例如：图中若I = 3A，则表明电流的实际方向与参 考方向相同;反之，+E若 I = 3A，则表明电流的实际方向与参考方向相反 。在电路图中所标电压、电流、电动势的方向，一般均为参考方向。RR0 第1章1.1.3电压和电流的参考方向I例如：图中若UAB =5V，则表明电压的实际方向与参 考方向相同 ；反之，若UBA = 5V，则表明电压的实际方向与参考方向相反 。+ EAURBA+R0B 第1

9、章1.1.3电压和电流的参考方向关联参考方向：电压、电流的参考方向一致在电路中通常选择为关联参考方向。+uui非关联参考方向i关联参考方向 第1章 1.1 3. 电源与负载的判别Ø 根据电压、电流的实际方向进行判别，若：U 和 I 的实际方向相反，则是电源，发出功率；U 和 I 的实际方向相同，是负载，取用功率。理解：P=UI<0,说明正电荷通过这段电路时,低电位向高电位移动,因此正电荷获得了能量,表明在这段电路中外力克服电场力做功,发出功率 (提供功率)P=UI>0,说明正电荷通过这段电路时,由高电位到低电位,即失去了电能, (或储存起来转化成其它形式的能量,吸收了电能

10、(取用功率)I+E+U RLR0- 第1章3. 电源与负载的判别Ø 根据电压、电流的参考方向判别若电压、电流的参考方向相同(关联参考方向）Ø P = UI 为负值，是电源，提供功率；Ø P = UI 为正值，是负载，消耗功率。A理解：P=UI >0 ，即UI的实际方向与参考方向相同，都为正值或相反都为负值，但无论哪种 情况，电压电流的实际方向是相同的，这说明 正电荷通过该段电路时由高电位到低电位，失 去了电能，所以消耗电能，当P=UI <0 ，说明这段电路电压和电流的实际方向相反，正电荷通过这段电路由低电位向高电位移动，获得电 能I+ U-NB若电压、

11、电流的参考方向相反(非关联参考方向） P= UI 第1章3.电3. 源与负载的判别AI+ U-例已知：图中U=3V， I = 2AAB求：N的功率，并说明它是电源还是负载。NB解P=UI = (2)×3= 6W因为此例中电压、电流的参考方向相同而P为负值，所以N发出功率,是电源。想，若据电压电流的实际方向应如何分析？ 第1章3. 电源与负载的判别方框N的电压和电流的参考方向如图所示，（1)求当U=4V,I=2A时N的功率，并指出是吸收功率还是提供功率?(2)当U=5V,I=-3A时，再求N的功率。解:（1）电压电流为非关联参考方向，可由P=-UI=- 4×2=-8W<

12、0所以N是电源，提供功率。例AI -U+NB(2) P=-UI=- 5×(-3)=15W>0所以N是负载，吸收功率。 第1章3. 电源与负载的判别练习;方框代表电源或负载，U=220VI=-1A，试问哪些方框是电源，哪些是负载？IIII+ U-+ U- U+- U+(d)(c)(a)(b)电源电源负载负载 第1章 1.2 1.2电路元件理想电路元件理想电压源理想电流源电阻R电感L电容C理想无源元件理想电源元件 第1章 第1章 1.2 电路元1.件2电路元件Lumped Parameter集总参数是相对于分布参数提出的一个概念，在元件d<<工作波长Lamda或元件的分

13、布参数在特定问题中可以忽略时，那么就可以用几个特定参数来表示该元件（Component）的特性。波长(l) = 光速( v )频率( f ) 第1章例1我国电力用电的频率是50Hz，则该频率对应的波长l = c / f= (3´108 / 50)km = 6000km可见，对以此为工作频率的设备来说，其远小于这一波长，因此它能满足集中化条件。而对于数量级为103km的远距离输电线来说，则不满足集中化条件，不能按集中参数电路处理。例2对无线电的天线来说如果所接收到信号频率为400MHz，则对应的波长为l = c / f= 3´108 /(400 ´106 )m =

14、0.75m因此，即使天线的长度只有0.1m，也不能把天线视为集中参数元件。 第1章 1.2 电1路.2 元件1.2电路元件1.2.1凡是对电流有阻碍作用，并把电能转换为其它形式的能量的二端元件称为电阻。i地+线性线性Ru_I/AI伏/安A伏安00欧u姆=定R律ii = uG姆定律1G =为西门子（S）S ）R电导电导 第1章 1.2 +IIIRRR或UUU+图A图B图C欧姆定律：通过电阻的电流与电压成正比。U 、I参考方向相同U、 I参考方向相反U= IR U = R表达式I图B中若I = 2A，R = 3W，则 U = (2)×3 = 6V电压与电流参考方向相反电流的参考方向与实际

15、方向相反 第1章 1.2 1.2电路元件1.2.1i电阻元件瞬时功率：p = ui = R·i2= u2/ R+0 到 t 时间内电阻消耗的电能Ru_2ttòòui dt =R × i dt00上式表明电阻将全部电能消耗掉，转换成热能。R是耗能元件 第1章1.2电路元件 第1章 1.2 1.2.21电.2.2元N电感（Wb）iiL= N F+ui+ueL+L安（A）亨利（H）L称为电感或自感。线圈的匝数越多，其电感越大；线圈电流中产生的磁通越大，电感也越大。在图示u、i 、e 假定参考方向的前提下，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

16、为N dFL d i e=dtdtL 第1章 1.2 1.2.2电感元件电压电流关系i+= L diu = -eLeL+dtuL在直流稳态时，电感相当于短路。若用电感两端电压表示电流，则i = 1t 1L 1Lt 1Ltudt0òòòòudt =udt +udt = i(0) +L-¥-¥00 第1章 1.2 电感1元.2.件2电压电流关系电感元件i+udi=uLeL+Ldt瞬pdi时功=u率i=Li瞬时功率dtP > 0,P < 0,L把电能转换为磁场能，吸收功率。L把磁场能转换为电能，放出功率。储存的磁场能12t0t0

17、òòw =uidt =Lidt =2LiL是储能元件：焦耳（J） 第1章环形电感各种电感节能灯电感镇流器 第1章 1.2 1.2电.3容元件1.2.3电容元件的参数i+电容元件库仑(C)C = qu伏 (V)法拉(F)uC-1012时，Fm1- 016=FFpF1当通过电容的则在电容中引起电流。在直流稳态时，I I= 0，电容隔直流。dqdui=Cdtdt1=ttòò=ui=2储存的电w场能tdCu d tCu200C是C是储储能能元元件件：焦耳（J）J） 第1章涤纶电容电解电容贴片电容陶瓷电容钽电容 第1章 1.2 1.2.4电源元件1、理想电压源在电

18、路中，能够提供一个定值电压的电源称为 理想电压源 或 恒压源。直流理想电压源及伏安特性曲线电路符号IaU/V+u+U_bU=US+US_S_RLI/AO特点：U=USI=US/RL两端电压为一定值US电流由外电路决定 第1章 1.2 1.2.4电源元件1、理想电压源直流电源的电压源模型及伏安特性曲线aU/V+U+IU= USS_URLR0_I/AUSOIS =bR0特点：当R0一定时，电压U随电流增加而降低。U = US R0 I 第1章 1.2 1.2.4电源元件2、理想电流源在电路中，能够提供一个定值电流的电源称为理 想电流源或恒流源。直流理想电流源及伏安特性曲线电路符号Ia+U_bU/V

19、iSISRLI/AOI = IS特点：I = IS电流为一定值iSU= ISRL两端电压由外电路决定 第1章 1.2 1.2.4电源元件2、理想电流源直流电源的电流源模型及伏安特性曲线U/VU0 = IS R0Ia+U_bISRLR0I/AOISI = IS U/R0 第1章 1.3 1.3麦克斯韦方程组基尔霍夫定律 第1章 1.3 1.3基尔霍夫定律集总事务原则三大约束第一约束: 选择集总元件边界,使在任何时刻,经过元件外的任意闭合路径有¶ f=0B¶ tÑò E · dl = - ¶fB法拉第电磁感应定律¶tE为电场强度

20、f是通过路径所包围的面积的磁通量B 第1章 1.3 1.3基尔霍夫定律集总事务原则三大约束第二约束: 选择集总元件边界,使得¶ q=0¶ tÑò J · dS = - ¶q连续性方程¶tJ为电流密度（矢量）q是闭合面中的总电荷量 第1章 1.3 1.3基尔霍夫定律集总事务原则三大约束第三约束: 集总元件工作在其中的信号的时间尺度比电磁波在其两端造成的多。延时大得 第1章 1.3 1.3基尔霍夫定律名词术语支路电路中的每一分支如 acbabadbR1R2cad结点电路中三条或三条以上支路联接的点如 a、b由一条或多条支路组成的

21、闭合路径+US_ISR3回路babcaadbaadbcaadba如未被其它支路分割的单孔，如 abca网孔 第1章 1.3 1.3.1基尔霍夫电流定律(KCL)Kirchhoffs Electric Current Law基尔霍夫电流定律是用来确定联接在同一结点上的各支路电流之间的关系。根据电流连 续性原理，电荷在任何一点均不能堆积（包括结点）。故有在任一瞬间，流向某一结点电流的代数和等于零。数学表达式为å i = 0å I = 0（对任意波形的电流）（在直流电路中） 第1章 1.3 1.3.1基尔霍夫电流定律(KCL)若以流入结点的电流为负，流出结点的电流为正，则根据KC

22、L，结点 a 可以写出I1I4aI2I I + I+ I = 0I12343例解上图中若I1= 9A， I2= 2A，I4= 8A，求 I3 。把已知数据代入结点 a 的KCL方程式，有92）+ I3 + 8 = 0（I3电流为负值，是由于电流I3= 19A电中负根际据流的参考方向与实际方向相反所致。 第1章 1.3 1.3.1基尔霍夫电流定律(KCL)KCL 的推广应用对A、B、C三个结点应用KCL可列出：IA = IAB ICAIAAIB = IBCIABICAIABI= I IIBCCABC上列三式相加，便得IA + IB + IC = 0CBIBCICå I= 0即可见，在任

23、一瞬间通过任一封闭面的电流的代数和也恒等于零。 第1章 1.3 1.3.2基尔霍夫电压定律(KVL)Kirchhoffs Electric Voltage Law基尔霍夫电压定律用来确定回路中各段电压之间的关系。由于电路中任意一点的瞬时电位具有单值性，故有在任一时刻，沿闭合回路绕行一周，各部分电压的代数和等于零。即 å U = 0å E = å U = å RI或电压的正方向与回路绕行方向相同时，U前取“+”，否则U取“” 第1章 1.3 1.3.2基尔霍夫电压定律(KVL)I2I1左图中，各电压参考方向均已标出，沿虚线所示循行方向，列出回路 cbdac

24、 KVL方程式。根据电压参考方向, 回路 cbdac KVL方程式, 为U1 U2 + U4 U3 = 0R2R1a_ _cdU + U34+_+E1_ U1U2E2b即 å U = 0上式也可改写为即 å U = å EU4 U3 = E2 E1I2 R2 I1R1= E2 E1或即 å IR = å E 第1章 1.3 1.3.2基尔霍夫电压定律(KVL)KVL推广应用于假想的闭合回路A+UA_+E_RIUABU_UB+CB根据å U = 0UA- UB- UAB = 0UAB = UA- UB根据KVL可列出E- IR- U =

25、 0U = E- IR或 第1章 1.3 例若图中U 1= 2V，U2= 8V，U3= 5V，U5 = 3V，R4 = 2W，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。沿顺时针方向列写回路的KVL方程式，有U1 + U2 U3 U4 + U5 = 0代入数据，有(2) + 8 5 U4 + (3) = 0U4 = 2 VU2+bcU1 +U3+daIUR45U4+U = IR44e关联参考方向I = 1A 第1章注意：列写KVL方程时会遇到两套符号：一是方程前面的正负号，规定各元件电压的正方与所选回路绕一取正号，反之取负号，另一个是

26、电压本身的正负号，由电压的参考 方向与实际方向是否相同决定的，一致为正号，反之为负号。1 .离开参考方向谈U与I的正负无意义。2 .在计算电路之前必须 先设定电流和电压的参考方向。 第1章求例:已知 =, R1=2, R2=3, R3=5,E=14VAB两点之间的电压。解：可以假想一个顺时针方向的闭合回路，由KVL E1+R1R2AI+U3+R3U2U1+U -E+U +U -U=0UAB123AB由欧姆定律表示每个电阻上的电压则有IR1-E+IR2+IR3=UAB代入已知数据B可得：UAB=1×2-14+1×3+1×5=-4V 第1章作业：1.1；1.2；1.7

27、；1.8写上日期、班级、姓名、学号， 画清电路图，标明电压电流方向要有具体步骤。下周三交 第1章基尔霍夫电流定律 (KCL)练习I3IbI5IcI1IaI4IId2AB 第1章2ba55的回路，I=0,Uab=0只有两个6V1+I1+12V基尔霍夫电压定律 (KVL)练习 第1章解：可以假想一个顺时E +RR1针方向的闭合回路，由KVL：U1-E+U2+U3-UAB=0由欧姆定律表示每个电阻上的电压则有IR1-E+IR2+IR3=UAB代入已知数据2AI+U3+U2R3+U1UABB展开可得：UAB=1×2-14+1×3+1×5= -4V例:已知I=1A R1=2

28、 R2=3 R3=5 E=14V。求AB两点之间的电压。 第1章一段有源支路的欧姆定律E +IRRR213AB+U+U+U321UAB总的电压降等于各分段电压降的代数和U1-E+U2+U3-UAB=0UAB=U1-E+U2+U3与总的方向一致的分压降取“+”号，不一致取“-”号可得：UAB=1×2-14+1×3+1×5=-4V 第1章基尔霍夫电压定律KVL 练习课堂练习：已知I=0.5A，R=10,求UaddcbRa+I3V6V解：Uad=Uab+Ubc-Ucd=3+0.5×10 6=2V一段有源支路的欧姆定律:总的电压降等于各分段电压降的代数和“”号向

29、一致的分 压降取“+”号，与总电压降一 第1章 1.4 1.4电路的一般分析方法电路分析：已知电路的连接方式、元件参数，求各支路的电压、电流及功率。凡不能用电阻串并联等效化简的电路，称为复杂电路。不改变电路的结构:1. 支路电流法2. 结点电位法主要分析方法改变电路结构:1. 叠加原理2. 电源等效变换3. 戴维南定理 第1章1.4.1支路电流法求解对象：支路电流求解方法：直接应用KCL和KVL列出所需方程支路电流法是计算复杂电路最基本的方法。 第1章 1.4 1.4.1支路电流法凡不能用电阻串并联等效化简的电路，称为复杂电路。支路电流法是以支路电流(电压)为求解对象，直接应用和列出所需方程组

30、，而后解出各支路电流(电压)。它是计算复杂电路最基本的方法。A支路电流法求解电路的步骤1. 确定支路数b ，假定各支路电流的参考方向。I3R1R2I1I2+ER3E122.应用KCL对结点A列方程。I1 + I2 I3 = 0对于有n个结点的电路，只能列出B的KCL方程(n1)个应用KVL列出余下的 b (n1)个方程3.I1 R1 I2 R2 = E1 E2I2 R2 + I3 R3 = E24.解方程组(b个），求解出各支路电流（b个）。 第1章 1.4 求解量：支路电流 I1 I6KCL: I1 I2 +I5 = 0 I2 + I3 I4 = 0 I1 I3+ I6 = 01.4.1支路

31、电流法RI11IIR3R2b32acE1R4E2I6I5R I + R I +R I = E2 24 45 51R5IR I + R I = E43 34 42R1I1+ R3I3 R2I2= 0解方程组，得 I1 I6d支路 b = 6, 结点 n = 4, 网孔 l =3 有l = b (n 1) 第1章 1.4 E1=15V，E2=10V，R1=1W， R2=4 W ， R3=2 W，R4=4 W ， R5=1 W1.4.1I1支路电流法R1若R3I3I2R2bac求得 I1 = 2A，I2 = 1A， I3 = 1A，I4 = 2A， I5 = 3A，I6= -1AE1R4E2I6I5

32、R5I4d支路 b= 6, 结点 n= 4, 网孔 l =3有l = b(n 1)1.4.21. 电位的概念结点电位法（了解）电位：选定电路中某点作为参考点，令其电位为零，其它点到参考点的电压，即为该点的电位，用V表示。若电位为正，则高于参考点电位，两点之间电压> 0。若电位为负，则低于参考点电位，两点之间电压< 0。2. 利用电位化简电路R1R2 5Vca+2VbR1R2bacR3+E1E2+R3E1 = 2VdE= 5V2第1章1.42. 利用电位化简电路+VCC例：R CR CRRBBECTT+VBEB接地符号，不是真正和大地接，是指公共参考点，“共地”第1章1.4 第1章

33、1.4 3.电路中电位的计算abcR1I3R2R3_US2+US1_dR2R1b若以d为参考点， 则:Va = US1caR3Vb =I3 R3dVc = US2+US1 US2简化电路,分别以A、B为参考点计算例电路C 和 D 点的电位及C 和D 两点之间的电压。解 以A为参考点AI = 10+5 = 3A3WC+2WD5VI3+2VC = 3×3 = 9VVD= 3×2= 6VUCD= VC VD= 15V10V+B以B为参考点 VC = 10VVD = 5V小结：UCD= VC VD= 15V电路中某一点的电位等于该点到参考点的电压；电路中各点的电位随参考点选的不同而

34、改变， 但是任意两点间的电压不变。第1章 1.4 第1章-7VR1R2ASR3S断开解：（1）画出原电路图R2A+ 6V+ 8VR1-7V+R3+8V-IO8+ 7I =mA= 3mA电流3+1+1A点电位VA= UAO=8-IR3=8-3×1=5V例2:R1=3k、 R2=1k 、 R3=1k计算以下两种情况下A点的电位VA（1）开关S断开； （2）开关S闭合 第1章-7V（2） S闭合画出原电路图R2R1R2AAR1-7V+R3+8V-ISR3+6V-O+ 8VI = 8 - 6 mA = 1mA电流1 + 1A点电位VA=UAO=8-1×1=7V 第1章A解： C_9

35、V+BC-9VR1R2I+_ 6VR1BIVA-VCR26-(-9)mAI=(100+50)R1+R2+6VmA=0.1AUAB=VA-VB=R2IVB=VA-R2I=6-50×0.1=1V练习:计算图中B点电位:R1=100kW, R2=50kW 第1章课堂练习0.5A0.5A+15V5+555+12.5V10VA10VA15V-15251525-VA=0.5×15+12.5=20V1.18计算A点电位VA 第1章4V 2WA+D解：I11W3WI1 = 14 4 = 1A1+2+3 +4B+4WC14VI= 0V= 6V2B5W+6VA®D®BA®C®BI2UAB = 1× (2+3) + 4= 14 1×(1+4)= 9VVA = UAB + VB= 9 + 6 = 15V例求: 电路中 VA 和 UAB。例 有一实验线路。电流表读数为0，现用电压表检查。若以A点为参考点，电压表