影像电子学基础

1、,影像电子学基础,物 理,（电工学部分）,第一章,直流电路,第一节 电路的基本概念,第一章 直流电路,内容提要： 本章介绍电路的基本概念和基本定律等。 教学要求： 掌握电路的作用与组成部分、电路模型、电压和电流的参考方向、电路有载工作状态、开路与短路、电位等基本概念和欧姆定律、基尔霍夫定律等基本定律及其正确应用。,一. 电路和模型电路,电路： 就是电流所通过的路径。它是由电路元件按一定方式组合而成的。,电路的作用： 实现电能的传输和转换，信号的传递和处理。 电路的组成： 包括电源、负载、和中间环节三个组成部分。,1. 电路的组成和作用,第一节 电路的基本概念,第二节 基尔霍夫定律,第三节 电路

2、的等效变换,电路的基本定律与分析方法,第一章,第四节 电路的基本定理,第五节 电容器及其充放电电路,电源：将非电能转换成电能的装置。 例如：发电机、干电池,负载：将电能转换成非电能的装置。 例如：电动机、电炉、电灯,中间环节：连接电源和负载的部分，起传输和分配电能的作用。 例如：输电线路,电子电路，即信号处理电路,它的作用主要为传递和处理信号。,中间环节,负载,电源,干电池,灯泡,开关,导线,电源,中间环节,负载,2 . 电路模型,2 . 电路模型,理想电路元件： 在一定条件下，突出其主要电磁性能，忽略次要因素，将实际电路元件理想化（模型化）。 主要有电阻、电感、电容元件。 电路模型： 由理想

3、电路元件所组成的电路，就是实 际电路的电路模型。,部分元件的图形符号,二、电路的基本参量,电路的基本参量,电流 电压 电位 功率 电动势,e,i,u,+,_,+,_,物理量的方向：,实际方向： 物理中对电量规定的方向。,参考方向：（正方向）： 在分析计算时，对电量人为任意设定的方向。,1. 电流,电流：电荷的定向移动形成了电流（电流的实际方向规定为：正电荷的运动方向）,正负号,双下标,箭 头,电压,电流：从高电位 指向低电位。,电压：电场力把单位正电荷从a点移动到b所做的功称为ab两点间的电压 （电压的实际方向规定为：电压降低的方向）,2.电压和电位,电路的基本参量,uab（高电位在前， 低电

4、位在后）,电路的基本参量,电位：即电场中某点的电势。 数值上等于电场力把单位正电荷从某点移动到无限远处所做的功。,电路中两点的电压就是该两点间的电势差。,参考点不同，各点电位即不同，但任意两点电位差 （即电压值）不变。,uabvavb500(5)5v,例,uab=610=60v uca=204=80v uda=56=30v ucb=140v udb=90v,以a点为参考点 vb-va=uba vb=uba=-60v vc-va=uca vc=uca=+80v vd-va=uda vd=uda=+30v,例,以b点为参考点 va=uab=+60v vc=ucb=+140v vd=udb=+90v

5、,（1）电路中某一点的电位等于该点与参考点（电位为零）之间的电压； （2）参考点选的不同，电路中各点的电位值随着改变，但是任意两点间的电压值是不变的。所以各点电位的高低是相对的，而两点间的电压是绝对的。,小结,电位在电路中的表示法：,电位在电路中的表示法：,参考电位在哪里？,电路分析中的参考方向（正方向）,问题的提出：在复杂电路中难于判断元件中物理量 的实际方向，电路如何求解？,电流方向 ab？,电流方向 ba？,(1) 在解题前先设定一个方向，作为参考方向；,解决方法,(3) 根据计算结果确定实际方向： 若计算结果为正，则实际方向与假设方向一致； 若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。,

6、(2) 根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关 系的代数表达式；,例,已知：e=2v, r=1 问： 当u分别为 3v 和 1v 时，ir=?,解：,(1) 假定电路中物理量的正方向如图所示；,(2) 列电路方程：,ir,ur,u,+,_,+,_,(3) 数值计算,（实际方向与假设方向一致）,（实际方向与假设方向相反）,(4) 为了避免列方程时出错，习惯上把 i 与 u 的方向 按相同方向假设。,(1) 方程式u/i=r 仅适用于正方向一致的情况。,(2) “实际方向”是物理中规定的，而“参考方向”则 是人们在进行电路分析计算时,任意假设的。,(3) 在以后的解题过程中，注意一定要先假定“一

7、个方向” (即在图中表明物理量的参考方向)，然后再列方程 计算。缺少“参考方向”的物理量是无意义的.,提示,（1）电功,电功 电场力推动自由电荷发生定向移动所做的功。,在纯电阻电路中，电功的公式也可可写成,电流做功的过程实际上就是电能转化成其它形式的能的过程。电能作了多少功，就有多少其它形式的能转换成其它形式的能。,3.电功率,（2）电功率,电功 率 电流所做的功跟完成这些功所用的时间的比值。,电功率的单位是瓦特，代号w。,在纯电阻电路中，电功的公式也可写成,3.电功率,电动势：从电源内部由低电位指向高电位。,e,i,u,+,_,+,_,4.电动势,物理量实际方向的表示方法,正负号,uab（高

8、电位在前， 低电位在后）,双下标,箭 头,电压,电流：从高电位 指向低电位。,电动势：从电源内部由低电位指向高电位。,物理量的实际方向,3.支路、节点和回路,节点：三个或三个以上支路的连接点,支路：没有分支的部分电路,回路：电路中任一个闭合路径,网孔：内部不含支路的回路,名词注释：,节点：2个 a c,支路：3个 abc adc ac,回路：3个 abcda acda abca,网孔：2 个 acda abca不含支路的回路,用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系,其中包括基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律。,第二节 基尔霍夫定律,一、电路的概念,节点：三个或三个以上支路的连接点,支路：

9、没有分支的部分电路,回路：电路中任一个闭合路径,网孔：内部不含支路的回路,名词注释：,节点：2个 a c,支路：3个 abc adc ac,回路：3个 abcda acda abca,网孔：2 个 acda abca不含支路的回路,例,例,对任何节点，在任一瞬间，流入结点的电流等于流出结点的电流。或者说，在任一瞬间，一个结点上电流的代数和为 0。,例,或：,二、基尔霍夫电流定律,电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。,i1+i2=i3,i=0,基尔霍夫定律的扩展,i=?,ia+ib+ic=0,对电路中的任一回路，沿任意循行方向转一周，其电位升等于电位降。或：电压的代数和为 0。,例如： 回路

10、a-d-c-a,即：,或：,三、基尔霍夫电压定律,应用基尔霍夫电压定律前，先确定回路电压的参考方向，和饶行方向,电阻上电流的方向和饶行方向一致，取正号,电源上沿饶行方向，先看到正号，取正；先看到负号，取负,饶行方向abcda: 回路方程为：+i1r1+-i2r2+e2-e1=0,例,基尔霍夫电压定律也适合开口电路。,例,+,_,电位升,电位降,或：,uab,+,ubc,ucd,uda,a,b,c,d,+,+,+,_,_,_,_,例,已知：uab=5v ubc= -4v uda= -3v,解：(1),5 +（-4）+ ucd + (-3) = 0,uab+ ubc+ ucd +uda= 0,uc

11、d = -5 + 4 + 3 = 2 (v),(2),abca不是闭合回路，也可应用基尔霍夫电压定律,求： （1）ucd； （2）uca,uab+ ubc+ uca = 0,5 + （- 4）+ uca = 0,uca = - 5 + 4 = - 1 （v）,四、全电路欧姆定律 (支路中含有电动势时的欧姆定律),或,已知：e = 3v, u = 2.9v， r=8.7 求： ro 和 i。,解：,作业：p17、18 复习思考题 1-10 1-11,退 出,第 一,帮 助,回 退,前 进,开 始,最 后,返 回,一、电阻的串并联及其等效变换,1. 串联电阻的等效变换,定义: 若干个电阻一个接一个

12、顺序相连, 并且流过同一个电流。,2. 等效电阻: r=r1+r2+rn=,i,i,第三节 电路的等效变换,3. 分压公式: 各段电压降与阻值成正比。,并且：,4. 作用: 分压、限流,i,i,2. 并联电阻的等效变换,1. 定义: 若干个电阻都连接到同一对节点上，并 联时各电阻承受同一电压。,2. 等效电阻:,3. 分流公式:,即电流分配与电阻成反比。,功率：,4.应用：分流 负载大多为并联运行。,1.电压源,伏安特性,电压源模型,主要讲有源元件中的两种电源：电压源和电流源。,二、电压源及电流源的等效变换,理想电压源 （恒压源）: ro= 0 时的电压源.,特点：(1）输出电 压不变，其值恒

13、等于电动势。 即 uab e；,（2）电源中的电流由外电路决定。,恒压源中的电流由外电路决定,设: e=10v,当r1 r2 同时接入时： i=10a,例,恒压源特性中不变的是：_,e,恒压源特性中变化的是：_,i,_ 会引起 i 的变化。,外电路的改变,i 的变化可能是 _ 的变化， 或者是_ 的变化。,大小,方向,+,_,i,恒压源特性小结,e,uab,a,b,r,+,_,2. 电流源,电流源模型,理想电流源 （恒流源): ro= 时的电流源.,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。,恒流源两端电压由外电路决定,设: is=1 a,r=10

14、时， u =10 v,r=1 时， u =1 v,则:,恒流源特性小结,恒流源特性中不变的是：_,is,恒流源特性中变化的是：_,uab,_ 会引起 uab 的变化。,外电路的改变,uab的变化可能是 _ 的变化， 或者是 _的变化。,大小,方向,恒流源举例,当 i b 确定后，i c 就基本确定了。在 ic 基本恒定 的范围内 ，i c 可视为恒流源 (电路元件的抽象) 。,晶体三极管:,i,e,r,_,+,a,b,uab=?,is,原则：is不能变，e 不能变。,电压源中的电流 i= is,恒流源两端的电压,+,_,恒压源与恒流源特性比较,uab的大小、方向均为恒定， 外电路负载对 uab

15、 无影响。,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,3. 电压源和电流源的等效互换,等效互换的条件：对外的电压电流相等。,i = i uab = uab,即：,等效互换公式,i,ro,+,-,e,b,a,uab,则,+,_,电压源,a,b,等效变换的注意事项,时：,例如：,注意转换前后 e 与 is 的方向,(2),（不存在）,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。ro和 ro不一定是电源内阻。,(4),应 用 举 例,r1,r3,i

16、s,r2,r5,r4,i3,i1,i,is,r5,r4,i,r1/r2/r3,i1+i3,在多个电源同时作用的线性电路(电路参数不随电压、电流的变化而改变)中，任何支路的电流或任意两点间的电压，都是各个电源单独作用时所得结果的代数和。,+,一、叠加定理,第四节 电路的基本定理,i2,i1,a,i2,i1,+,b,i2,r1,i1,e1,r2,a,e2,i3,r3,+,_,+,_,e1,+,b,_,r1,r2,i3,r3,r1,r2,a,b,e2,i3,r3,+,_,应用迭加定理要注意的问题,1. 迭加定理只适用于线性电路（电路参数不随电压、 电流的变化而改变）。,2. 迭加时只将电源分别考虑，

17、电路的结构和参数不变。 暂时不予考虑的恒压源应予以短路，即令e=0； 暂时不予考虑的恒流源应予以开路，即令 is=0。,4. 迭加原理只能用于电压或电流的计算，不能用来 求功率。如：,i3,r3,例,用叠加原理求： i= ?,i=2a,i= -1a,i = i+ i= 1a,注意：“等效”是指对端口外等效,二、戴维南定理,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” 。,等效电压源的内阻等于有源 二端网络相应的无源二端网络的输入电阻。（有源网络变无源网络的原则是：电压源短路，电流源断路）,等效电压源的电动势 （ed ）等于有源二端 网络的开端电压；,有源 二端网络

18、,r,a,b,ed,rd,+,_,r,a,b,p12 例 1-4,一、电容器及电容,电容器是储存电荷的容器。,电容器由两块金属板和极板间的绝缘介质以及两根引线构成。,（单位：f, f, pf）,1f=106 f=1012 pf,第五节 电容器及其充放电路,1、电容器,2、电容器的串联和并联,（1）各个电容器的带电量都相等,q = q1= q2,u = u1+ u2,（2）总电压等于各分电压之和,（1）电容器的串联,由于q = cu,则,两个电容串联时，各电容两端的电压与其电容量成反比，即：容量较小的电容，承受的电压较高,（3）总电容的倒数等于各分电容之和,由于,所以,或,2、电容器的并联,（1）各电容器两端的电压相等,u = u1= u2,（2）总电容器的带电量等于各分电容器所带电量之和,q = q1+ q2,由于 q1 = c1u， q2 = c2u,两个电容并联时，各电容器所带的电量，与其电容量成正比，即：电容量大的存储的电量多，电容量大小的存储的电量少。,（3）总电容两等于各分电容量之和,由于,q = q1+ q2=c1u+c2u=（c1+c2）u=cu,所以,c = c1+ c2,二、电容器的充电和放电电路,1、电容器充电,使电容器带电的过程叫做电容器充电。,开关k扳至a的瞬间,电容器上没有