电子电工第1章教案.ppt

1、电工与电子技术,翟懿奎 ,信息工程学院,第一部分 电工技术,本部分主要介绍电路的基本定理、分析方法、变压器、电动机以及其继电控制系统，是后续电子技术部分的基础。,课程要求,教材：电工与电子技术，毕淑娥，徐秀平 课程三点要求： 1. 按时完成作业； 2. 上课不迟早，不旷课； 3. 考试完毕后请勿致电打听分数；,第1章 电路的基本概念与基本定律,本章主要内容,本章主要介绍电路的概念，电路定律和电路功率；电阻电路的等效变换；电源及其等效变换；电桥电路的平衡条件。,【引例】,门铃外形,门铃印刷电路板,电路图,如何工作的？,1.1电路作用与电路模型,1.1.1 电路的作用与组成,电路:电路是由一些电气

2、设备和元件连接而成，并完成某些功能的电器系统。,电阻,电容,运算放大器,晶体管,光耦器件,1.1电路作用与电路模型,电力系统,电能的传输与转换,扩音机,信号的传递和处理,电路的组成： 1.电源（信号源） 2.负载 3.中间转换环节,电路的作用：,1.1电路作用与电路模型,发电机,直流电源,常用的几种电源装置,信号源,化学电池,1.1.2 电路模型,1.1电路作用与电路模型,手电筒,内部电路,电路模型,电路模型： 为便于对实际电路进行分析,需将实际电路 元器件用能够代表其主要电磁特性的理想元件来 表示，理想元件就是实际电路元器件的模型。 由理想元件所组成的电路称为实际电路的电 路模型，简称电路。

3、,1.2 电路的物理量,电路中的基本物理量是电流、电压（电位差）和电位。,1.2.1 电流、电压和电位的概念,1电流 我们闭合电源开关时，照明灯就会发光，电风扇就 会转动，这是因为在照明灯、电风扇、中有电流流过。 若在电路中接入电流表，电流表就能测出电流的数值。 那么什么是电流呢？,物理学中定义，电流是正 电荷有规则的定向运动。 电流的大小为单位时间内 通过导体横截面的电量。,电流,电量,物理学中定义，电流是正 电荷有规则的定向运动。 电流的大小为单位时间内 通过导体横截面的电量。,电流,电量,电流的单位:安培（A),1.2 电路的物理量,2电压和电位,1.2 电路的物理量,当开关S闭合后，手

4、电筒的小灯泡发光，若将电压表接在小灯泡两端，电压表就有读数，我们称其读数为电压。,手电筒的电路模型,物理学中定义，电场力将 单位正电荷q由电场中的a 点通过电源以外的某条路 径移动到b点所做的功，就 称之为这两点之间的电压。,电压,电功,电压的单位:伏特（V),物理学中定义，电场力将 单位正电荷q由电场中的a 点通过电源以外的某条路 径移动到b点所做的功，就 称之为这两点之间的电压。,电压,电功,1.2 电路的物理量,1.2 电路的物理量,为了方便比较电场中a点和b点位能的差别，我们引出电位的概念。那么什么叫电位呢？,电量q,在此规定下，参考点本身的电位为零，即,设电场中的某点o为参考点， 电

5、场力将单位正电荷q由电 场中的a点移动到参考点所 做的功，就称为a点的电位， 用 表示；同理， b点的电 位用 表示。,则,根据电压的定义： a和b两点之间的电位差就是a和b两点之间的电压，即,Uab = Va -Vb,设电场中的某点o为参考点， 电场力将单位正电荷q由电 场中的a点移动到参考点所 做的功，就称为a点的电位， 用 表示；同理， b点的电 位用 表示。,在此规定下，参 考点本身的电位 为零，即,则,1.2 电路的物理量,电压也称之为电位差,1.2 电路的物理量,1.2.2 电流和电压的实际方向,实际方向：物理中对电量规定的方向。,电流 I: 正电荷运动的方向。,I,I,电流流过电

6、源时，是从电源的负极到正极； 电流流过负载时，是从负载的高电位到低电位,U,U,1.2 电路的物理量,电压的实际方向是从器件的高电位到低电位。,电流U的实际方向：,1.2 电路的物理量,1.2.3 电流和电压的参考方向,1.参考方向：在分析电路时，对电量人为规定的方向。 2.设参考方向的意义,例如: 在如下复杂电路中很难判断出 中流过电流的实际方向，电流如何求解？,？,I,I,1.2 电路的物理量,3.解决的方法,(1) 在解题前先假设一个电流方向，作为参考方向。,(2) 根据电路的基本定律，列出电压、电流方程。,(3) 根据计算结果确定电流的实际方向： 若计算结果 I3为正 ,则实际方向与参

7、考方向一致； 若计算结果 I3为负,则实际方向与参考方向相反。,I3,1.2 电路的物理量,电流：,电压：,电压参考方向的三种表示,1.2 电路的物理量,正负号,下标a、b和箭头都是表示电位降低的方向。,1.2 电路的物理量,1.2.4 电流和电压的关联参考方向,关联参考方向：电压与电流的参考方向相同,非关联参考方向：电压与电流的参考方向相反,1.分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。 2.参考方向选定之后，在计算过程中不能改变。,【例1.2-1】已知元件A、B的电压、电流参考方向如图所示。 试判断A、B元件的电压、电流的参考方向是否关联？,A元件的电压、电流参考方向非关联； B元件的电压、

8、电流参考方向关联。,【解】,1.2 电路的物理量,【例1.2-2】已知元件A和B的电压、电流的参考方向如图 (a) 和(b)所示。当U=10V，I=-1A 时，试判断元件A和元件B在电路中起电源作用还是起负载作用。,1.2 电路的物理量,【解】根据电压、电流的实际方向判断元件A和元件B的性质。,元件A起电源作用；,元件B起负载作用。,1.3 欧姆定律,1.3.1 电阻元件,常用的电阻元件有线性电阻、非线性电阻及热敏电阻等。,线性电阻的阻值是常数，其值由其制作的材料决定。对于长度为l、横截面积为s的均匀介质，其电阻为,电阻率,1.3 欧姆定律,滑动头 滑动端子,(a) 电位器的外型 (b)电位器

9、的符号,电位器：是电阻值可调的电阻。,1.3.2 欧姆定律,1.3 欧姆定律,电阻的单位:,流过电阻的电流与电阻 两端的电压成正比，即,可见，当电压U一定时，电阻R 越大，电流I 越小。则电阻具有阻碍电流增大的性质。,U = RI,1.3 欧姆定律,电阻元件的伏安特性：,线性电阻,非线性电阻,可见，遵循欧姆定律的电阻是线性 电阻，不遵循律的电阻是非线性电阻。,1.3 欧姆定律,【例1.3-1】在图（a)和（b）中，U=10V，R=5，求电流I。,【解】在图 (a)中，由欧姆定律，得,负号表示电流的参考方向与实际方向相反。,在图 (b)中，由欧姆定律，得,1.4 电路中的功率,当电路和电源接通之

10、后，电源向负载发出电能，负载 吸收电能。根据能量守恒定律，若不考虑电源内部和传输 导线中的能量损失，那么电源输出的电能就应该等于负载 所消耗的电能。,功率的定义：在单位时间内， 电场力或电源力所做的功。,电能的定义：在一段时间内，电场力或电源力所做的功 。,对于各用户使用的各种电气设备，其用电情况不是用电 能计算，而是用功率计算。,瞬时功率表达的公式为,单位：瓦特（W）,1.4 电路中的功率,因为,故瞬时功率又可表示为,上式表明： (1) 一段电路的功率等于电压 与电流的乘积； (2) 功率可正可负。,1.4 电路中的功率,在图中，直流电源与负载接通，电源发出功率为P1，负载吸收功率为P2。

11、由能量守恒定律可知，,P1 = P2,在图中的参考方向下，电源的功率为,负载的功率为,1.4 电路中的功率,【解】由于电源的电压与电流的参考 方向为非关联参考方向，则,【例1.4-1】在图中，已知US=10V，RL=5，计算电源发出的功率与负载吸收的功率。,由于负载的电压与电流的参考方向为关联参考方向，则,【例1.4-2】已知图 (a)和(b)的U=10V，I=-1A，试判断元件A和B是电源还是负载。,【解】用计算功率的方法判断元件A和元件B的性质。,元件A起电源作用；,元件B起负载作用。,1.4 电路中的功率,1.4 电路中的功率,【例1.4-3】为保证负载正常工作，在电路中要接入一个限流电

12、阻。已知接入的限流电阻两端电压UR=20V,流过的电流，IR=100mA 。试选择限流电阻的参数。,【解】设限流电阻两端电压的参考方向与电流的参考方向相同， 根据欧姆定律，有,选择电阻时，电阻的功率要留有余量，选200欧姆、3W的 限流电阻。,1.5 基尔霍夫定律,基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律（Kirchhoffs CurrentLaw，简称KCL）和基尔霍夫电压定律（Kirchhoffs Voltage Law，简称KVL）。基尔霍夫电流定律描述的是各支路电流之间的关系，基尔霍夫电压定律描述的是回路中各段电压之间的关系。,1.5.1支路、结点和回路的概念,(1) 支路：电路中的每一个分支

13、。,(2) 结点：三条支路或三条以上 支路连接的点。,(3) 回路：由支路组成的闭合电路。,此电路3条支路，2个结点，3个回路。,基尔霍夫简介,1.5.2 基尔霍夫电流定律（KCL）,在图 中，对结点a可以写出,上式也可写成,KCL也可这样描述：对于电路中的任一结点，任一瞬时流 入或流出该结点电流的代数和为零。若流入结点的电流取 正号，那么流出结点的电流就取负号。,1.5 基尔霍夫定律,或,【例 1.5-0】电路某结点如图所示，试列出基尔霍夫电流定律方程。,KCL不仅适用于电路中 的任一结点，也可推广 到包围部分电路的任一 闭合面。,I1+I2=I3,【解】,1.5 基尔霍夫定律,【例 1.5

14、-1】在图中，若I1 =6A，I3 =4A，I4 =2A，I7 =3A，求I2、 I5、I6、I8。,根据KCL，得,1.5 基尔霍夫定律,【解】,1.5.3 基尔霍夫电压定律（KVL）,对于电路中的任一回路，在任一瞬时沿回路 绕行一周，在回路绕行方向上的电位降之和 等于电位升之和。,电位降,电位升,电位降,电位升,1.5 基尔霍夫定律,上两式也可写成,即,KVL也可这样描述：对于电路中的任一回路，在任一瞬时沿回路绕行一周，在回路绕行方向上各段电压的代数和恒等于零。若电位降取正号，那么电位升就取负号。,1.5 基尔霍夫定律,KVL不仅适用于闭合回路，也可推广 到求解电路中任意两点之间的电压。,

15、将开口电路假想接一个无穷大的电阻，组成闭合电路，设无穷大电阻两端的电压为Uab,1.5 基尔霍夫定律,由KVL列回路电压方程，即,【解】,然后在a点和b点之间假想有一个其端电压等于Uab的支路，应用KVL，得,或,1.5 基尔霍夫定律,【例 1.5-3】在图中，若US1 =10V，US2 =4V，R1=4，R2 =6，求Uab。,0电位点常用接地符号表示，如图,所以,a点的电位就等于a点到参考点之间的电压，即,1.5 基尔霍夫定律,思考题,【 1.1】求图 (a) 中的电流 I 和 图 (b) 中的 Uab。,1.6 电阻电路的等效变换,不论电路结构多么复杂，都可以等效为最基本的连接方式。基本

16、的连接方式为串联、并联、星形连接和三角形连接。本节主要讨论电阻电路的基本连接方式。,1.6.1 电阻的串联,两个或两个以上的电阻一个接一个地连接起来，且 流过同一个电流，则称这种连接方式为电阻的串联。,1.电阻串联阻值增大，等效电阻R 如图(b),1.电阻串联阻值增大，等效电阻R 如图(b),2. 电阻分压,分压公式为,1.6 电阻电路的等效变换,1.6.2 电阻的并联,两个或两个以上的电阻连接在两个公共结点之间，它 们的端电压相等，则称这种连接方式为电阻的并联,1.电阻并联阻值减小，等效电阻R 如图(b),或,在并联支路很多的情况下，用电导求等效电阻比较方便。电阻与电导的关系为,单位：S 西

17、门子,1.6 电阻电路的等效变换,2. 电阻分流,分流公式为,3. 当R1 R2时,R1的分流作用忽略不计。,4.电阻并联的应用:分流或调节电流的作用。,5.负载的并联运行 负载一般都是并联运行的,所以它们处于同一电压之下, 基本上每个负载互不影响。,1.6 电阻电路的等效变换,1.6 电阻电路的等效变换,【例 1.6-0】已知电路如图所示（a），U=125V，R1=21，R2=8， R3=12， R4=5，试求I1、I2 、I3 。,【解】利用电阻的串联与并联的方法求出等效电阻，然后再求各支路电流。,1.6 电阻电路的等效变换,或,【例1.6-1】在图中，已知I=5A，求I1。,【解】此题先

18、对原电路进行等效，然后利用分流公式求电流I1,1.6 电阻电路的等效变换,1.7 电源及其等效变换,常用的电源有两种形式，即电压源和电流源。电压源 向负载提供稳定的电压，而电流源向负载提供稳定的电流。 由于这两种电源提供的电压或电流与电路中的电压或电流 无关，所以这两种电源又称为独立电源。,(a)蓄电池 (b)直流稳压电源 (c)发电机 (d)交流信号源,1.7.1 理想电压源,能够向负载提供稳定电压的电源又称为理想电压源。理想电压源的特点：它所提供的电压与外接电路无关，即为恒压，所以理想电压源也称恒压源。常用的电池和发电机都可以近似为理想电压源。,理想电压源提供的电压不随负载电流变化。,1.

19、7 电源及其等效变换,1.7.2 理想电流源,能够向负载提供稳定电流的电源又称为理想电流源。理想电流源的特点：它所提供的电流与外接电路无关，即为恒流，所以理想电流源也称恒流源。,理想电流源提供的电流不随负载电压变化,1.7 电源及其等效变换,【例1.7-1】在图中，已知US=2V，IS=1A，R=10。求电路中的功率,【解】,需要注意的是，电压源中的电流和电流源的端电压都 由外电路确定。,发出功率,吸收功率,注意：电源发出的功率与负载吸收的功率相等，发出功率为负，吸收功率为正。,1.7 电源及其等效变换,1.7.3 电压源与电流源的等效变换,前面所分析的理想电压源和理想电流源都是实际电压源和实

20、际电流源的理想模型。实际电压源和实际电流源总是存在内阻的。,对于实际电压源，当负载电流增大时，电压源的端电压总会有所降。,当电压源内阻RS远远小于负载电阻 RL时，可以认为实际电压源输出的电压与负载无关，即 U=US不变。所以电压源为理想电压源。,1.7 电源及其等效变换,实际电流源的电路模型及外特性如图所示。,1.7 电源及其等效变换,当电压源内阻RS远远大于负载电阻 RL时，可以认为实际电流源输出的电流与负载无关，即 I=IS不变。所以电流源为理想电流源。,在电路分析中，这两种实际电源的电路模型可以等效互换。,从以上两个电源的外特性可见，它们对负载 RL的作用，结果是相同的。,1.7 电源

21、及其等效变换,电压源与电流源的等效变换：,其中，电压源等效为电流源时，电流源的电流 IS为,电流源等效为电压源时，电压源的电压US为,1.7 电源及其等效变换,注意,（1）一般不仅限于内阻,也可以是某个电阻；,（2）要注意电压源的极性与电流源的方向；,（3）两电源对外电路等效,但两电源内部不等效;,返回,R,R,1.7 电源及其等效变换,（4）恒压源和恒流源不能等效互换。,1.7 电源及其等效变换,【例 1.7-2】已知电路如图所示,试求电流 I。,1.7 电源及其等效变换,(接上页),1.7 电源及其等效变换,(接上页),1.7 电源及其等效变换,思考题,【 1.3】判断（a）、（b）两图中各电源是发出功率还是吸收功率。,基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff,18241887）德国物理学家。1824年3月12日生于柯尼斯堡；1