电工学第一章电路分析基础.ppt

1、电 工 学,主讲教师：李沁雪,课程学习平台:学校主页教学平台输入你的户名和密码,授课学时:48学时,对所学专业的意义：使学生获得电工电子技术必要的基本理论、基本知识和基本技能，了解电工电子技术的应用及发展概况，为后续课程打基础！为以后涉及到电的工作打基础！为自学，深造，拓宽和创新打基础！,期末考试：70%；平时：30%（作业和考勤）,电工技术（上篇）,第一章电路分析基础,第二章单相正弦交流电路,第三章三相交流系统,第四章变压器,第五章电动机,电子技术（中篇）,第七章半导体器件,第八章交流放大电路,第九章电源电路,第十章集成运算放大电路,第十一章数字电路,第一章 电路分析基础,1-1 电路的基本

2、概念 1-2 基尔霍夫定律 1-3 支路电流法 1-4 叠加原理 1-5 理想电压源和理想电流源 1-6 戴维宁定理, 重点：,第一章 电路分析基础,第一节 电路的基本概念,电路 是为了某种需要而将电器装置按一定方式组合起来的电流通路。分类：按电流性质分为直流电路和交流电路。,一、电路的组成,电路的功能 1.进行能量的转换、传输和分配。 2.实现信号的传递、存储和处理。,电源符号：,二、电路元件和电路模型,电路元件：电路中的器件。如：电源、负载等。 电源器件：能提供电能。 无源器件：不能提供电能。分为：耗能元件和储能元件。,电路模型：由理想元件组成的电路。 理想元件：对实际元件的抽象和概况。,

3、电路模型,干电池 Battery,灯泡Lamp,负载Load,电源 Sourse,开关Switch,1、电流,电流的方向,实际正方向：正电荷移动的方向。,假设正方向：参考方向，是任意选取的。,电路中的物理量及参考方向,电荷的定向移动形成电流。电流的大小用电流强度表示，简称电流。,大写 I 表示直流电流 小写 i 表示电流的一般符号,实际方向和参考方向的关系为： 电流实际方向和参考方向相同，电流为正值，反之取负值。如图所示。,(a) I0,(b) I0,电流的实际方向与参考方向,电位：电路中为分析的方便，常在电路中选某一点为参考点，把任一点到参考点的电压称为该点的电位。,单位：V(伏),设c点为

4、电位参考点，则 Vc=0,Va=Uac，Vb=Ubc，Vd=Udc,电位是一个相对值,不是一个绝对值,电路中电位的计算,电位的计算方法：,1.选取电位的参考零点；,2.标出电源和负载的极性；,3.求某点的电位值，就选取一条从该点到零电位的路径，然后求所经过器件的电位降（电位降取正值，电位升取负值）的代数和即为该点的电位。,则：VA=E1,例题: 如图所示，求、B、C 三点的电位。,解：选取点为参考点，点的电位，可选取路径为：,C点的电位，选取路径 C,B点的电位，选取路径 B,则： VB=R3I3,则：VC=,注意：参考点选定后，各点的电位是确定值，与选择的路径无关。,图例题的电路,电场力把单

5、位正电荷从电场中的a 点移动到b 点所作的功称为a、b两点之间的电压，用uab(Uab)表示，即 :,实际正方向：高电位指向低电位的方向 假定正方向：任意选取的方向,2、电压和电动势 电压,当电压实际方向与参考方向一致时，电压为正，反之，电压为负。如图所示。,实际方向和参考方向的关系为：,电动势 电源的电动势-在电源内部，非静电力把单位正电荷从负极经电源内部移到正极时所作的功。用字母e（E）表示。,基本物理量的实际方向小结,电位：电路中某点至参考点的电压,电能和电功率 设电路任意两点间的电压为u ,流入该部分电路的电流为i，在时间t内电场力所做的功为： w=uit,电源产生的能量为： we=e

6、it,电源发出的电功率为：pe=ei,负载单位时间内消耗的电能称为电功率，即：p=w/t=ui 单位：瓦（W）,电能：A=Pt 1度电=1kWh,功率与电流、电压的关系,（1）关联方向（ u、i 参考方向一致）时： p =ui,（2）非关联方向（ u、i 参考方向不一致）时： p =ui,p0时元件吸收能量，为负载； p0时元件释放能量，为电源。,判断电源和负载的方法,例题：求图中各元件的功率并判断元件性质。,解： （a）关联方向， P=UI=52=10W， P0，吸收10W功率，元件为负载。,（b）关联方向， P=UI=5(2)=10W， P0，产生10W功率，元件为电源。,（c）非关联方向

7、， P=UI=5(2)=10W， P0，吸收10W功率，元件为负载。,所以用功率的正负可以判断元件的性质（是负载或电源）。,小结：,(1)电压和电流的参考方向是任意假定的。分析电路前必须标明。,(2)参考方向一经假定，必须在图中相应位置标注(包括方向和符号），在计算过程中不得改变。参考方向不同时，其表达式符号也不同，但实际方向不变。,u = Ri,u = Ri,(4)参考方向也称为假定方向、正方向，以后讨论均在参考方向下进行，不考虑实际方向。,(3)元件或支路的u，i 通常采用相同的参考方向，以减少公式中负号，称之为关联参考方向，如图（a）。反之，称为非关联参考方向，如图（b）。,图（a）关联

8、参考方向,图（b）非关联参考方向,欧姆定律：I=E/（R0+R） U=RI=ER0I,端电压：电源的输出电压。,电源的外特性：电源的端电压与电流的关系。,R0I,三、电路的工作状态,空载状态又称断路或开路状态,（1）电路中电流为零，即I=0。,（2）电路端电压等于电源的 电动势。此电压称空载或开路 电压，用UOC表示，即 U1=UOC=E-r0I=E,（3）电源的输出功率P1和负载吸收的功率P2均为零。即： P1=U1I=0 P2=U2I=0,电路的短路状态,2 短路状态,（1）电路中的电流最大, 即：ISC=E/r0,（2）电源和负载的端电压均为零，即： U1=0， U2=0,（3）电源的对

9、外输出功率P1和负载吸收功率P2均为零，即： P1=U1I1= 0 P2=U2I2= 0,这时电动势发出的功率为： PE=EISC=E2/r0= ISC2 r0 全部消耗在电源内阻r0上。,3 负载状态,P1=U1I=(E-r0I)I=EI-r0I2 =U2I=P2,(3) 电源的输出功率为：,(2) 电源的端电压为： U1=E-r0I =U2,(1) 电路中的电流为： I=E/(r0+R),负载状态是通路状态，开关S闭合 。此时电路具有以下特征：,A,B,C,D,R,r0,E,U1,U2,+,+,_,_,S,I,_,+,图 电路的负载状态,练习题 1若电源的开路电压012，其短路电流S30，

10、问该电源的电动势和内阻各为多少？ 2额定值为1W、100的碳膜电阻，在使用时电流和电压不得超过多大数值？,基尔霍夫定律用来描述电路中各部分电压或者各部分电流间的关系，用以解决用欧姆定律和电阻串并联得不到结果的复杂电路问题；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,支路：电路中的每一个分支。 一条支路流过一个电流，称为支路电流。,结点：三条或三条以上支路的联接点。,回路：由支路组成的闭合路径。,网孔：内部不含支路的回路。,b,a,E2,+,例1：,支路：ab、bc、ca、 （共6条）,回路：abda、abca、 adbca （共7 个）,结点：a、 b、c、d (共4个

11、）,网孔：abd、 abc、bcd （共3 个）,1、基尔霍夫电流定律（KCL）,基尔霍夫电流定律的依据是电流的连续性原理。对任何节点上的电流，在任一瞬间，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。或者说，在任一瞬间，通过电路中任一节点各支路电流的代数和为 0。即：,或：,或,24a25,1、基尔霍夫电流定律（KCL）,例 写出图所示电路所有节点的电流方程。,解: 图中共有、三个节点，,方程(1) 和 (2) 相加得到方程(3)，独立的节点电流方程只有两个；即如果电路中有个节点，独立的节点电流方程有个。,基尔霍夫电流定律的推广应用,IC+ IB - IE0,I =?,I = 0,2、基尔霍夫电

12、压定律(KVL),基尔霍夫电压定律(KVL),基尔霍夫电压定律是确定电路回路内电压之间关系的一个定律：电路中的任一回路，在任一瞬间，沿任意循行方向循环一周，其电位升等于电位降。或者电压的代数和为 0。即：,或:,正负号确定：沿循行方向，电位降为+，电位升为 - ；,取回路DABCD、AGFBA 和DAGFBCD 的绕行方向均按顺时针方向绕行，根据KVL定律列方程如下：,对回路DABCD有：,例 利用基尔霍夫电压定律列出如图所示电路中所有回路的电压方程。,解：设各支路的电流方向如图所示：,IR,-E1,+IR,=0,回路DAGFBCD：,以上三个KVL方程任意组合两个方程可得出第三个方程，所以只

13、有两个是独立方程。一般地，如果电路有N个网孔，可列出N个独立的电压方程。,对回路AGFBA有：,图 例题的电路,I2R+ E IR , IREE1+ IR ,总结：如果在电路中有个节点，条支路，,则独立的节点电流方程有：个； 独立的回路电压方程有：1个。,基尔霍夫电压定律的推广应用,可将 KVL 推广应用 于任何一个假想闭合的 一段电路,U RI+US 或 RIUUS 0,电压与环行方向相同取+，相反取 - 。,电阻的串联和并联,一、电阻的串联,特点：每个电阻通过的电流相等。,n个电阻串联可等效为一个电阻,总电压：12+3 n,分压公式,应用：分压器。 所用电阻称为电位器。,二、电阻的并联,特

14、点：承受的电压相同。,n个电阻并联可等效为一个电阻,分流公式,总电流：II1I2+I3 In,结论： 总电阻等于各电阻的倒数和的倒数；支路中电阻越大，分到的电流越小。应用在分流。,两电阻并联时的分流公式：,1.3 支路电流法,支路电流法是以支路电流为未知量，根据KCL、KVL定律列出独立的节点电流方程和回路电压方程，从而求出各支路电流的方法。,分析步骤：（）用箭头标出所有的支路电流参考方向。,（）根据基尔霍夫第一定律列出电流方程。n个节点列出n个独立的电流方程。,（）选定绕行方向，基尔霍夫第二定律列出回路电压方程。一般尽量选取单孔回路。若有b条支路， n个节点,则有n个KCL方程，b-n+1个

15、KVL方程。,例 如图所示，已知R,24，R6，12，R6，求各支路电流。,R1,R2,R3,E2,E1,图例题的电路,解1、在图中设各支路电流 I、I、I以及网孔1、2的绕行方向；,2、根据KCL、KVL定律列出独立方程；即：,1,2,3,2,A,R1,R2,R3,E2,E1,G,D,C,B,F,图例题的电路,I2R EIR,III,IRE1IR,、代入数据得：,、得到结果：,I I2.5 A I.5 A,注意：数值为正，说明参考方向与实际方向相同；数值为负，说明参考方向与实际方向相反。,1、假定各支路的电流及参考方向，网孔绕行方向；,2、根据KCL定律列出独立的节点电流方程；,3、根据KV

16、L定律列出独立的回路电压方程；,4、解方程组求出各支路电流。,总结：支路电流法的解题步骤如下：,第四节 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压的代数和。这就是叠加定理。,说明：当某一独立源单独作用时，其他独立源置零。,例：,求 I,解：应用叠加定理,应用范围：（）只适用于线性电路。（）不能计算功率。（）在交、直流混合在一起的电路中，使用叠加原理，分别进行分析和计算，非常方便实用。,注意: (1)单独作用：保留一个独立源，将其余独立源置零。电压源置零相当于短路 ；电流源置零相当于开路。 (2)叠

17、加时，各分电路中的电压和电流的参考方向可以取为与原电路中的相同，取和时，应注意各分量前的“+”“-”号。,练习题：,如图，分析电阻上的电流和电压,解：I =I+I I= Us1/(R1R2) I= Us2/(R1R2) I（Us1 Us2）/(R1R2) R1= R1 I= R1 (I+I)= R1+R1= R1（Us1 Us2）/(R1R2),=,+,例1用叠加原理求图R1支路中的电流I1，Us1=60V， Us2120V， R1=10， R2=20，R3。,=,+,解：Us2V，Us1单独作用，IUs1（R1R2R3）60/（102060）2.4A,Us1V，Us2单独作用，IR3（R1R

18、3）Us2（R2R1R3）3.6 A II+I1.2 A,例2,电路如图，已知 E =10V、IS=1A ，R1=10 R2= R3= 5 ，试用叠加原理求流过 R2的电流 I2和理想电流源 IS 两端的电压 US。,(b) E单独作用 将 IS 断开,(c) IS单独作用 将 E 短接,解：由图( b),例1：电路如图，已知 E =10V、IS=1A ，R1=10 R2= R3= 5 ，试用叠加原理求流过 R2的电流 I2 和理想电流源 IS 两端的电压 US。,(b) E单独作用,(c) IS单独作用,解：由图(c),理想电压源的定义与特性 理想电压源：电源的端电压是一个定值，它与电流的大

19、小无关。理想电压源的电流由外电路所决定。 内阻等于零的电压源为理想电压源，理想电压源能在不管什么负载，不管负载大小，也不管负载是否在变化，都能保持电压不变。 外特性如图： 理想的电压源，外特性曲线成水平直线，输出的电压均稳定保持恒值。,第五节 理想电压源和理想电流源,两种特殊情况： 开路：电压仍存在。短路：不允许，此时s=0，与理想电压源的特性不相容。,总结： 是干电池、发电机、蓄电池、低频信号发生器、函数发生器等的模型。 是一个理想化的有源二端元件。 当负载变化时，其输入电压几乎保持不变。 只有电压相等、极性一致的电压源才允许并联，否则违背KVL定理。 电压源串联时，总电压为各个电压源电压之

20、代数和。,理想电流源的定义与特性 理想电流源：电源的电流是一个定值，内阻为无限大的电流源为理想电流源.理想电流源能在上述条件下,都能保证输出电流恒定。,理想的电流源的外特性曲线成水平竖直直线，输出的电流均稳定保持恒值。电压由外电路决定。,两种特殊情况： 短路 =s，=0。 开路不允许，开路时=0，与 =s的特性冲突。,总结： 是光电池或电子设备的电路模型。 是理想化的有源二端元件。 当负载变化时，其输出电流几乎保持不变。 电流源并联时，总电流为各个电流源电流之代数和。,实际使用的电源有电压源和电流源两种形式。,实际电源的电压源模型 其端电压：USo可见，随着的增加，端电压下降，内阻越大，下降越

21、多,下图表示一个电流源模型。是由一个理想电流源IS（内阻rs为无穷大的电流源称为理想电流源，其输出电流始终保持恒定）和一个内电阻r并联的组合来代替。,实际电源的电流源模型 其电流：IIsU/Ri可见，随着的增加，电流下降，内阻越小，下降越多。,当两种电源模型对外电路有相同的输出电压和电流时，两种电源是可以等效互换的。,比较（）式和（）式可得电压源和电流源的等效变换式：,EO rSIS rO rs,互换条件：,I = I U = U,a 电压源模型,图电压源模型和电流源模型等效互换,等效变换：,等效变换的注意事项:,(1) “等效”是指“对外”等效，对内不等效。,例如：RL= 时:,(2)注意转

22、换前后 E0 与 Is 的方向。即电流源流出电流的一端与电压源的正极性端相对应。,(3) 理想恒压源和理想恒流源不能等效互换。,（不存在）,例 作出如图所示电路的等效电源图,解：将其转换成电流源的电流为：ISEO /rO 电阻为：rs 3,(4) 进行电路计算时，恒压源串电阻和恒电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。,1)与恒压源并联的电阻，恒流源或除恒压源以外的任何支流，在作等效变换时不起作用，可以去掉。 2)与恒流源串联的电阻，恒压源或任何部分电路，在变换时不起任何作用，可以去掉。,注意：用电源等效变换法求解电路时，应至少保留一条支路始终不参与变换，作为外电路存在。求出该支路电流后再放回原电路中求其他支路电流,结论应用:作业1-18,2电阻与恒流源串联不起作用，可除去（短路）；,5电阻与恒压源并联不起作用，可除去（断路）。,例 作出如图所示电路的等效电源图:,解：变换过程如下图所示：,例：求下图中的电流I:,解：变换过程为：,Is,R5,R4,I,R