《电路原理与元件》课件

电路原理与元件课程概述基础理论电路基本概念、分析方法元件特性电阻、电容、电感等基本元件分析技巧各种电路解析手段实际应用第一章：电路基础电路本质电能传输与转换系统基本参量电压、电流、电阻电路特性电路的基本概念电路定义能量传输与转换的闭合通道闭合回路电流必须在闭合路径中流动电子移动电流实质是电荷的定向移动连接方式电流与电压电流(I)单位时间内通过导体横截面的电荷量单位：安培(A)I=dq/dt电压(U)单位电荷在电场中获得的电势能差单位：伏特(V)U=W/q电功率与能量电功率P=UI=I²R=U²/R电能W=Pt吸收功率元件从电路获取能量提供功率元件向电路提供能量电路元件分类按性质分类有源元件、无源元件按特性分类线性元件、非线性元件按记忆性分类存储元件、非存储元件第二章：基本电路元件电阻元件定义阻碍电流流动的元件欧姆定律U=IR温度特性温度系数：正、负、零类型固定电阻、可变电阻电阻的特性与应用1分压器Uout=Uin×R2/(R1+R2)2电流检测通过测量分流电阻压降3上拉/下拉确保信号线稳定电平4限流保护限制电路最大电流电容元件定义存储电荷的元件C=Q/U单位：法拉(F)常见类型电解电容陶瓷电容钽电容薄膜电容电容的充放电特性充电电压指数上升u(t)=U(1-e^(-t/RC))放电电压指数下降u(t)=Ue^(-t/RC)时间常数τ=RC电感元件定义存储磁场能量的元件单位：亨利(H)电感特性电流变化产生感应电动势u=L·di/dt类型空心线圈铁心线圈片式电感电感的自感与互感效应自感电流变化产生自感电动势互感一线圈电流变化感应另一线圈电动势耦合系数k=M/√(L₁L₂)应用变压器、电感器、滤波器独立电源定义能量转换为电能的元件特性参数独立于电路其他部分分类直流电源、交流电源实例电池、发电机、太阳能电池电压源与电流源理想电压源输出恒定电压内阻为零能提供无限电流理想电流源输出恒定电流内阻为无穷大能提供无限电压实际电源有内阻电压源：串联内阻电流源：并联内阻受控电源电压控制电压源输出电压由控制电压决定电压控制电流源输出电流由控制电压决定电流控制电压源输出电压由控制电流决定电流控制电流源输出电流由控制电流决定4第三章：基尔霍夫定律基尔霍夫电流定律（KCL）定义任何节点流入电流等于流出电流之和数学表达∑I=0物理解释电荷守恒定律在电路中的应用应用节点分析、支路电流法基尔霍夫电压定律（KVL）定义闭合回路中电压升降之和为零数学表达∑U=0物理解释能量守恒定律在电路中的应用应用回路分析、网孔电流法KCL和KVL的应用3设置方向选择参考方向和极性2建立方程应用KCL、KVL写出方程组1求解未知量解方程得到电流、电压值∞验证结果检验是否符合物理规律第四章：电路分析方法直接应用法直接利用基本定律和元件关系等效变换法等效简化复杂电路系统方程法建立完整方程组求解定理法利用特定定理简化分析支路电流法步骤一标记各支路电流方向步骤二应用KCL列节点方程步骤三应用KVL列回路方程步骤四求解方程组得出结果节点电压法选择参考节点通常选择"地"点为参考标记节点电压相对于参考节点的电位差列KCL方程每个非参考节点一个方程求解方程组得到所有节点电压值网孔电流法标记网孔每个基本回路标一个网孔电流假设方向通常选择顺时针方向2列KVL方程每个网孔建立一个方程求解方程组得到所有网孔电流值叠加定理定义线性电路中各独立源的单独作用之和应用步骤保留一个电源，其他替换为内阻计算单独效应记录每个电源单独产生的响应叠加结果对所有单独响应求代数和戴维南定理定理内容任何含源线性电路等效为电压源与电阻串联等效电压：开路电压等效电阻：所有独立源置零后端口电阻应用步骤1.移除负载，测量开路电压2.独立源置零，计算等效电阻3.构建等效电路4.连接负载，分析简化电路诺顿定理定理内容任何含源线性电路等效为电流源与电阻并联等效电流端口短路时的电流等效电阻独立源置零后的端口电阻与戴维南转换UN=IN·RNIN=UN/RN第五章：一阶电路定义含一个储能元件的电路类型RC电路、RL电路特性一阶微分方程描述响应指数变化特性RC电路组成电阻与电容串并联组合时间常数：τ=RC充电过程u(t)=U(1-e^(-t/RC))i(t)=(U/R)e^(-t/RC)放电过程u(t)=Ue^(-t/RC)i(t)=-(U/R)e^(-t/RC)RL电路组成电阻与电感串并联组合时间常数τ=L/R通电过程i(t)=(U/R)(1-e^(-Rt/L))断电过程i(t)=(U/R)e^(-Rt/L)一阶电路的时域响应零输入响应由初始条件决定的自由响应零状态响应由激励信号产生的强迫响应全响应零输入响应与零状态响应之和4稳态响应t→∞时的最终响应第六章：二阶电路1定义含两个储能元件的电路数学模型二阶微分方程描述响应类型过阻尼、临界阻尼、欠阻尼RLC串联电路时间(ms)过阻尼(V)临界阻尼(V)欠阻尼(V)RLC并联电路1阻抗特性RLC并联的阻抗关系2谐振条件XL=XC时电路谐振3品质因数Q=ωL/R=1/(ωCR)4应用领域滤波、调谐、振荡电路二阶电路的时域响应1特征方程s²+2αs+ω₀²=02过阻尼α>ω₀，两个不同实根3临界阻尼α=ω₀，两个相等实根4欠阻尼α<ω₀，一对共轭复根第七章：正弦稳态电路分析正弦波特性幅值、相位、频率相量表示复数形式简化计算频率响应幅频特性、相频特性正弦量与相量正弦量表达式u(t)=Um·sin(ωt+φ)角频率：ω=2πf周期：T=1/f=2π/ω相量表示Ū=Um∠φ=Um·e^jφ复数形式：Ū=Um·(cosφ+jsinφ)直角坐标：Ū=a+jb阻抗与导纳正弦稳态电路的分析方法阻抗法用复阻抗替代元件相量域分析应用复数形式的欧姆定律和基尔霍夫定律求解相量方程获得电压电流相量值转换回时域得到实际正弦响应功率因数与功率因数校正有功功率P实际消耗的功率，单位瓦特(W)1无功功率Q交换的能量，单位乏(VAR)2视在功率S总功率，单位伏安(VA)功率因数cosφ=P/S谐振电路串联谐振谐振频率：f₀=1/(2π√LC)特点：阻抗最小电流最大，电压放大并联谐振谐振频率：f₀=1/(2π√LC)特点：阻抗最大电流最小，高阻抗应用滤波器调谐电路频率选择第八章：三相电路定义三个等幅相位差120°的交流电源优势功率传输效率高、功率恒定应用电力传输、工业电机驱动连接方式Y形连接、Δ形连接三相电源与负载连接Y形连接三相四线制线电压：UL=√3·UP线电流：IL=IPΔ形连接三相三线制线电压：UL=UP线电流：IL=√3·IP对称三相电路分析1特点三相负载完全对称2中性点电位Y形连接中性点电位为零3功率计算P=√3·UL·IL·cosφ4简化方法可简化为单相电路分析不对称三相电路分析定义三相负载阻抗不相等中性线电流Y形连接中性线有电流解决方法分解为三个单相电路分析困难需要完整的三相分析三相功率计算3有功功率P=P₁+P₂+P₃√3对称系统P=√3·UL·IL·cosφ3无功功率Q=Q₁+Q₂+Q₃2功率测量二瓦特表法、三瓦特表法第九章：互感与变压器磁耦合两个或多个电感通过磁场相互作用互感系数M=k·√(L₁L₂)感应电动势e₂=M·di₁/dt变压器基于互感原理的电压变换装置互感原理1互感电感衡量磁耦合程度耦合系数0≤k≤1点号标记表示互感电压的极性关系4能量传递通过磁场实现能量传输理想变压器定义无损耗、无漏感、铁心无磁阻耦合系数k=1变压比n=N₁/N₂=U₁/U₂=I₂/I₁功率守恒：P₁=P₂特性电压变换电流变换阻抗变换：Z₂'=n²·Z₂实际变压器的等效电路漏感未与次级耦合的磁通1励磁支路表示铁心磁化和损耗绕组电阻原、副边绕组电阻3效率η=P₂/P₁<100%4第十章：非线性电路元件二极管及其应用定义单向导电器件工作状态正向导通、反向截止特性非线性伏安特性应用整流、检波、稳压晶体管及其应用分类双极型、场效应型2工作模式放大、开关、振荡3放大参数电流增益、输入输出阻抗运算放大器及其应用理想特性无穷大增益无穷大输入阻抗零输出阻抗基本配置同相放大器反相放大器电压跟随器应用加法器积分器微分器第十一章：数字电路基础1数字信号离散值表示信息2逻辑门基本数字运算单元3组合逻辑输出仅依赖当前输入4时序逻辑输出依赖输入和当前状态逻辑门电路非门(NOT)输入信号取反与门(AND)全1输入才得1输出或门(OR)有1输入就得1输出异或门(