电工电子学(课件)讲解

1、Chapter 1电路的基本概念、定律与分析方法1主要学习内容电路的基本概念电路的基本元件基尔霍夫定律电路的分析方法2Chapter 1电路：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。1.1 电路的基本概念一、电路与电路模型汽车照明电路 电源：提供能量负载：消耗能量开关：控制电路工作3Chapter 1 电路模型：用若干理想元件的某种组合来描述实际电路。 理想元件：描述实际器件的基本物理规律的数学模型，简称元件。 实际电路 电路模型+R理想元件4 电路组成： 电池为灯泡提供电能，称之为电源或信号源； 灯泡将电能转换为光能和热能，称之为负载； 开关、导线用来传输、分配

2、电能，称之为中间环节 电路的工作状态： 常态：手电筒电路正常工作的状态； 开路：开关断开的状态； 短路：电源电极直接用导线相连的状态，可能会烧毁电源或设备。5电路的主要功能：1、能量的转换、传输和分配6Chapter 12、信号的传递、存储和处理7Chapter 1二、 电流、电压及参考方向1、电流（I，i）（Current）定义：电荷的定向移动形成电流。其实际方向是指正电荷运动的方向。(实际电流方向)数学表示式：直流(DC)交流(AC)单位：安培 A ; (mA A) 电路的工作是以其中的电压、电流、功率等物理量来描述的。8Chapter 1在复杂电路中难于判断元件中电流的实际方向，电流如何

3、求解？UsIsRIRab电流方向ab？电流方向ba？9Chapter 1iabi 0参考方向真实方向电流的参考方向假定的电流正方向 如果求出的电流值为正即i 0 ，说明参考方向与实际方向一致，若i 0则说明参考方向与实际方向相反。10Chapter 12、电压（U，u）（ Voltage）电场失去dwab电场得到dwab定义：单位正电荷由a点移至b点电场力所做的功。数学表达式：正电荷由a移到b，若失去能量(电势能)，则uaub，即a端为正b端为负；若得到能量，则ua0+电压参考方向的标注方式：用参考极性表示用箭头表示用双下标表示+uuabuab真实方向参考方向12Chapter 1abiu+3

4、、关联参考方向 对一个元件，电流参考方向和电压参考方向可以相互独立地任意确定，但为了方便起见，常常将其取为一致，称关联方向；如不一致，称非关联方向。(a)关联方向abiu+(b)非关联方向如果采用关联方向，在标示时标出一种即可。如果采用非关联方向，则必须全部标示。13Chapter 1例1.1在图（a）电路中，Uab= 5V，问a、b两点哪点电位高？+uabab（a）+u1ab+u2（b）在图（b）电路中，U1= 6V，U2= 4V，问Uab？ 解：在图（a）电路中Ua0p0w单位：瓦特 W方向：在电压、电流取关联参考方向下，p=ui 表示的是该元件“消耗”（吸收）的电功率的大小。即为：16C

5、hapter 1例1.2已知i =1A，u1=3V，u2=7V，u3=10V，求ab、bc、ca三部分电路吸收的功率P1、P2、P3。解：（实际吸收）（实际吸收）（实际提供）功率平衡17Chapter 11.2 电路的基本元件 常见的电路元件有电阻元件、电容元件、电感元件、电压源、电流源。 电路元件在电路中的作用或者说它的性质是用其端口的电压、电流关系即伏安关系（VAR）来决定的。18一、分类电磁特性：线性元件和非线性元件能量特性：无源元件和有源元件端子数目：二端元件、三端元件等 二、基本元件1、电阻元件（Resistor）（电炉子、白炽灯）电阻元件是一种消耗电能的二端元件。Chapter 1

6、19Chapter 1关联方向时： u =Ri或 i =Gu功率：电路符号:+uiR非关联方向时：u Ri线性电阻的伏安特性曲线R:电阻参数，表征阻碍电流流过的能力,单位。G:电导参数，单位 S。欧姆定律：20Chapter 1（1）开路电阻元件的两种特殊情况当一个电阻元件中的电流i不论为何值时，它的端电压u恒为零，则称“短路”，即R=0。当一个电阻元件的端电压u不论为何值时，流过它的电流恒为零，则称“开路”，即R。（2）短路21Chapter 12 、电容元件（Capacitor）（电容器）伏安关系电路符号：C为电容参数，表征电容储存电荷的能力，单位：法拉(F)电容元件是一种能够储存电场能量

7、的元件。Cui+ i du /dt。只有电容上的电压变化时，电容两端才有电流。 在直流电路中，电容上即使有电压，但 i = 0，相当于开路，即 电容具有隔直作用。22Chapter 1伏安关系UC(0)为初始时刻t0时电容的初始电压，反映t0前“历史”中电容电流的积累效应电容对它的电流具有记忆能力。电容元件中的电场能量电容元件储存的电场能量只和考察时刻它的端电压数值有关。23Chapter 13、电感元件（Inductor）（镇流器）电感元件是一种能够贮存磁场能量的元件。i电路符号为磁链是磁通与匝数的乘积 L为电感参数，表征电感匝联磁链的能力。 单位：亨利 (H)Li+uL伏安关系只有电感上的

8、电流变化时，电感两端才有电压。在直流电路中，电感上即使有电流通过，但 u = 0，相当于短路。24Chapter 1伏安关系I(0)为初始时刻t0时电感上的初始电流，反映t0前“历史”中电感电压的积累效应电感对它的电压具有记忆能力。电感元件中的磁场能量电感在某一时刻所储存的磁场能量只与该时刻电流的瞬时值有关。25Chapter 14、电源元件（ source ）两种电源：电压源和电流源1）电压源（恒压源）IUabUs特点（ 1）无论负载电阻如何变化，输出电压不变。 （ 2）电源中的电流由外电路决定，输出功率 可以无穷大。IUs+abUab26Chapter 1可见，恒压源中的电流由外电路决定。

9、设: Us=10V当R1 、R2 同时接入时:当R1接入时:2R1IUs+abUab2R2I=5AI=10A例1.327Chapter 1实际电压源模型:由理想电压源串联一个电阻组成U = Us IRs当Rs = 0 时，实际电压源模型就变成恒压源模型。UIRs+UsRLIU0 Us理想电压源实际电压源Rs越大斜率越大电源内阻，表示内部损耗28Chapter 1特点：（1）输出电流不变，其值恒等于电流源电流 Is 。（2）输出电压由外电路决定。 2） 电流源（恒流源)IIsabUabIUabIs29Chapter 1设: Is=1 A R=10 时， Uab =10 V R=1 时， Uab

10、=1 V则:可见，恒流源两端电压由外电路决定。IIsabUabR例1.430Chapter 1IsUIRsI = Is U / Rs 当内阻Rs = 时，实际电流源模型就变成恒流源模型。实际电流源模型:由理想电流源并联一个电阻组成UIRsIsRLRs越大特性越陡31Chapter 1例1.5（1）求图示电路中电流源两端的电压。（2）当电压源的电压或电阻的阻值变化时，电流源的输出电流是否变化？电流源的电压是否变化？ 1A10+10VUU=10110=0解:（1）（2）不变化;变化。32Chapter 1恒压源与恒流源特性比较恒压源恒流源不 变 量变 化 量 Uab = Us （常数）Uab的大小

11、、方向均为恒定，外电路负载对 Uab 无影响。 I = Is （常数）I 的大小、方向均为恒定，外电路负载对 I 无影响。输出电流 I 可变 - I 的大小、方向均由外电路决定端电压Uab 可变 -Uab 的大小、方向均由外电路决定Us+abIUababIUabIs33Chapter 11.3 基尔霍夫定律基尔霍夫电流定律KCL基尔霍夫电压定律KVL基尔霍夫定律用于描述由元件之间连接方式所形成的约束关系。34Chapter 1没有分叉且包含一个或多个元件的电路称为支路。b3条或3条以上支路的连接点称为结点。n由一条或多条支路所组成的闭合路径称为回路。l内部不另含支路的回路，称为网孔，又称单回路

12、。m结构相对复杂的电路，称为网络。N一、相关概念图示电路有 条支路， 个节点， 个回路， 个网孔。 332235Chapter 1二、基尔霍夫电流定律KCL任一时刻，对任一结点，流入结点的电流恒等于流出结点的电流。表述一基尔霍夫电流定律应用于结点处。 表述二任何时刻，通过任一节点电流的代数和恒等于零。i1i4i6i5 i2i40若取流出为正在图示电路中对于结点a对于结点b36Chapter 1基尔霍夫电流定律的扩展：结点 任意闭合面i1 i2i3 0U2U3U1+RR1R+_+RII=?I = 0广义结点法37应用:将多个电流源的并联化简成一个电流源38Chapter 1三、基尔霍夫电压定律K

13、VL表述二：任一时刻，沿任一回路绕行一周，回路中各元件电压的代数和恒等于零 回路中支路电压间的约束关系可用基尔霍夫电压定律表示。表述一：在任一时刻，沿任一回路绕行一周，电压升之和恒等于电压降之和 Us3+I+R1Us1Us2R2+UR1UR2顺时针绕行UR1Us2+Us3+UR2 Us1=0UR1+Us3+UR2 =Us2+Us139Chapter 1Uab+10V+I+30V8V53KVL推广：基尔霍夫电压定律也适合开口电路。Uab5I + 8或Uab103I + 30广义回路法40应用:将多个电压源的串联化简成一个电压源41四、注意问题1.KCL、KVL定律具有普遍性。 适用范围广，适用于

14、由各种不同元件所构成得电路。如直流和交流，线性和非线性电路等。2.必须标注参考方向。 把KCL应用到某一结点时，必须指定支路电流参考方向；列写KVL方程时，必须标注各支路元件电压参考方向，规定回路的绕行方向。3.注意符号：（1）列写KCL方程时支路电流、号的确定，一般规定流出结点的支路电流取+，流入取 ；（2）列写KVL方程时巡行方向及方程中元件电压、号的确定，一般规定电压降方向与巡行方向一致时元件电压取，相反取。 42Chapter 1图示电路的基尔霍夫电压方程为 。A）U = Us + IR B）U = Us IR；C）U = Us + IR D）U = Us IR 例1.6B43例1.7

15、求图所示电路中电压Us和电流 I。 +5A6A15AI1.51213Us解：I1.5I1.5= 15 I14AI6 51A由广义结点由右结点I12I3= 15 + I1218A由中间结点I3Us3 I3+12 I12 90 V由右回路由左回路44Chapter 11.4 电路的分析方法电路的等效化简支路电流分析法结点电压分析法（选讲）叠加原理戴维南定理诺顿定理（选讲）电路中电位的计算45Chapter 1一、电路的等效化简等效的概念电阻串并联接的等效变换实际电源模型间的等效互换46Chapter 1在端口上具有相同电压电流关系（即伏安关系，简写为VAR）的不同内部结构电路称为等效电路。+uiN

16、1外电路+uiN2外电路 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，可以使外电路的分析计算得到简化。N1与N2对外电路的影响是相同的。1、等效的概念47Chapter 1n个电阻串联可等效为一个电阻Reqiu+baN2R1R2Rniu+b+u1u2unN1a分压公式两个电阻串联时电阻串联使用多用于分压。(1)电阻的串联2、电阻串并联接的等效变换48Chapter 1(2)电阻的并联Reqiu+baN2R1R2Rnii1i2inab+uN1两个电阻并联的等效电阻为Geq= G1+ G2+ +Gn或49Chapter 1两个电阻并联时R1R2Rnii1i2inab

17、+uN1分流公式电阻并联使用多用于分流。50Chapter 1例1.8 在图示电路中，要在12V的直流电源上使6 V、50 mA的灯泡正常发光，应采用哪种联接电路？ +12V120（a）+12V120120（b）51Chapter 13、实际电源模型间的等效互换可见一个实际电源可用两种电路模型表示：一种为电压源Us和内阻Rs串联，另一种为电流源Is和内阻 并联。uiRs+UsuiRsIsui0电流源Is电压源Us实际电源的伏安特性52Chapter 1UsRs+abui+iuIsRsab 同一个实际电源的两种模型对外电路等效，等效条件为：53Chapter 1例1.9用电源模型等效变换的方法求

18、图（a）电路的电流i1和i2。将原电路变换为图（c）电路，由此可得：解：54Chapter 1例1.102A2i24求 i =?解：4电阻对该支路电流是否有影响？没影响2A2i2i =1A若将4电阻换成电压源，情况如何？结论： 凡与电流源串联的元件，在求其它支路电压、电流时不起作用，该元件可视为短路。55Chapter 1例1.11求 U =?解：5电阻对ab间电压有无影响？没影响U =4V若将5电阻换成电流源，情况如何？结论：6V2U51+ab6V2U1+ab凡是与电压源并联的元件，在求其它支路电压、电流时不起作用，该元件可视为开路。56Chapter 1(1) “等效”是指“对外”等效（等

19、效互换前后对外伏-安特性一致），对内不等效。RL=时例如：Rs中不消耗能量Rs中则消耗能量等效变换的注意事项对内不等效UIRsIsRLUIRs+UsRL对外等效57Chapter 1(2) 注意转换前后 Us 与 Is 的方向uiRs+UsuiRsIsuiRs+UsuiRsIs58Chapter 1(3) 恒压源和恒流源不能等效互换IUs+abUabIIsabUab(4) 进行电路计算时，恒压源串电阻和恒流源并电阻两者之间均可等效变换。Rs和 Rs不一定特指电源内阻。注意：恒压源并电阻和恒流源串电阻两者之间不可等效变换。59Chapter 1二、支路电流分析法 支路电流法是最基本的电路分析法，

20、它是以支路电流为待求量，应用KCL、KVL分别对结点和回路列方程组，而后求解电流的方法。 说明：（1）对具有n个结点的电路应用基尔霍夫电流定律只能得到(n-1)个独立方程。（2）对具有n个结点b条支路的电路应用基尔霍夫电压定律只能得到b-(n-1)个独立方程。技巧：平面网络,通常可对网孔列出。（3）应用基尔霍夫电流定律和电压定律一共可以列出(n-1)+b- (n-1)=b个独立方程，能够解出b个支路电流。60Chapter 1（1）b=3，各支路电流参考方向如图。（2）n=2，可列出21=1个独立的KCL方程。结点a（3）独立的KVL方程数为3(21)=2个。回路I回路用支路电流法求输出电压U

21、o。例1.12Uo+4V2+6V54解：I1I2I3abI解出：I2=1AUo=4V61Chapter 1例1.13+20V6A61024I1I2+U用支路电流法求U（1）b=3，各支路电流参考方向如图。（2）n=2，有1个独立的KCL方程。结点a（3）只有2个待求电流，还需1个KVL方程。a解得：I22.8A由KVL：避开电流源列KVL方程62Chapter 1支路电流分析法解题步骤：（1）确定电路的支路数b，选定各支路电流的参考方向。（2）对（n1）个结点列KCL方程。（3）对b（n1）个回路（一般选网孔）列KVL方程。（4）联解上列方程组，求出各支路电流。63Chapter 1三、结点电

22、压分析法（选讲） 以结点电压为未知变量，应用KCL对(n 1)个独立结点列出所需要的方程组，而后解出各未知电压。 结点电压：任选一结点为参考点（零电位），其它(n1)个结点对参考点的电压称结点电压。5211.4A3.1AU1U2+5211.4A3.1AU1U264Chapter 15211.4A3.1AU1U2应用KCL结点1：结点2：U1= 5VU2= 2VU5= U1 U2= 3V进一步可计算出每个元件的功率。65Chapter 1例1.14Uo+4V2+6V54用结点电压法求输出电压Uo。U（1）选参考点，确定结点电压。解：（2）列出以结点电压为变量的KCL方程。0.95U = 3.8U

23、o = U = 4V（2）求出结点电压U及输出电压Uo 。66Chapter 1例1.15+18V6A6824+UUn用结点电压法求U。注意与电流源串联的电阻在列写KCL方程时作短路处理（1）选参考点，确定结点电压。解：（2）列出以结点电压为变量的KCL方程。67Chapter 1例1.162kI12V+16V4k4k1k2kU1U2思考：若右边4k电阻短路，结点电压方程该如何列写？用结点电压法求I。（1）选参考点，确定结点电压。解：（2）列出以结点电压为变量的KCL方程。U1=1V，U2=-2V68Chapter 1四、 叠加原理1、相关概念 线性电路：待求电路中所有元件均是线性元件的电路。

24、 激励：电源或信号源的电压或电流称为激励。 响应：由激励作用于电路各部分所产生的电压或电流称为响应。 叠加原理研究的就是线性电路中激励与响应的关系，反映各个激励的独立性的原理。 692.基本内容：对于任何一个含有多个电源的线性电路中，每一条支路的响应（电压或电流）都可以看成每个电源（电压源或电流源）单独作用时在该支路所产生响应的代数和。所有电源共同作用时产生的响应成为响应总量；每个电源单独作用时产生的响应称为响应分量。3.理解验证：根据叠加原理可以知道，两个电源共同作用相当于每个电源单独作用产生响应的代数和。70这里涉及某个电源单独作用，其他电源不起作用的问题，这个过程也叫除源。除源：除掉的电

25、源取零值。US1单独作用时， US2单独作用时，总量 除源的原则电压源作短路处理，电流源作开路处理。71Chapter 1例1.1730V+ab1010465A用叠加定理求4电阻的功率。解：能否用叠加定理直接求功率？30V+ab101046I+IIab1010465AI=1+(-2)= -1A72Chapter 1应用叠加定理应注意：1. 叠加定理只适用于线性电路。 2.当某一电源单独作用时，其他电源取零值。 即电压源应予以短路；电流源应予以开路。解题时要标明各支路电流、电压的参考方向。 原电路中各电压、电流的最后结果是各分电压、分电流的代数和。=+III73Chapter 14. 叠加原理只

26、能用于计算电压或电流，不能直接 求功率。如：5. 运用叠加定理时也可以把电源分组求解，每个分 电路的电源个数可能不止一个。 设：则：=+IR74Chapter 1五、戴维南定理与诺顿定理二端网络：若一个电路只通过两个输出端与外电路相联，则该电路称为“二端网络”或“一端口网络” （Two-terminals = One port） 。无源二端网络： 二端网络中没有电源有源二端网络： 二端网络中含有电源ABAB线性无源二端网络线性有源二端网络75Chapter 1线性有源网络N1外电路+uiabb外电路+uia+uocRoN1+uocabN1oRoab戴维宁等效电路参数的含义：1.戴维宁定理N1与

27、外接电路断开N1内部电源取零值注意：电压方向的一致性！76Chapter 1例1.18 用戴维宁定理求2电阻的功率。24V+62362A1解：(1)断开待求支路，得有源二端网络，求其戴维宁等效电路。求开路电压Uoc=18Vab24V+6362A1+Uocab77Chapter 124V+6362A1ab6361abRo 将有源二端网络中的电源取零值，得除源后的无源二端网络。可求得等效电阻Ro为：(2) 由戴维宁等效电路求2电阻的功率。18V+72ab求等效电阻Ro78Chapter 1若将2电阻换为可调电阻R，则R在何种条件下可获最大功率？求该最大功率。思考：24V+6362A1RUoc+RoRab分析：可用戴维宁定理化简电路。当R=Ro时，R可获最大功率79Chapter 12. 诺顿定理（选讲）线性有源网络外电路+uiab+uiiscRoba外电路bN1iscaN1在端口处短路N1oRoabN1内部电源取零值诺顿等效电路参数的含义：80Chapter 1例1.1930V+ab1010465A用诺顿定理求4电阻的功率。解：(1)断开待求支路，得