電工電子學(xué)(PPT)-1.ppt

第1章電路分析基礎(chǔ) 太原理工大學(xué)電工基礎(chǔ)教學(xué)部 模塊1 電路基礎(chǔ) 第1章電路分析基礎(chǔ)第2章暫態(tài)電路分析第3章交流電路 第1章電路分析基礎(chǔ) 1 1電路元件 1 2基爾霍夫定律 1 3疊加定理 1 4等效電源定理 1 5含受控源電路的分析 第1章電路分析基礎(chǔ) 本章要求 1 理解電壓與電流參考方向的意義 2 理解電路的基本定律并能正確應(yīng)用 3 了解電路的通路 開路與短路狀態(tài) 理解電功率和額定值的意義 4 會計(jì)算電路中各點(diǎn)的電位 5 了解實(shí)際電源的兩種模型及其等效變換 6 掌握支路電流法 疊加原理和戴維寧定理等電路的基本分析方法 1 1 1電路及電路模型 電路是由若干電路元件或設(shè)備組成的 能夠傳輸能量 轉(zhuǎn)換能量 能夠采集電信號 傳遞和處理電信號的有機(jī)整體 電路的組成 電源信號源 負(fù)載 中間環(huán)節(jié) 1 1電路元件 1 電路的組成和作用 電路 電流流通的路徑 手電筒電路 中間環(huán)節(jié) 連接電源和負(fù)載 電路的作用 負(fù)載 電能的輸送和轉(zhuǎn)換 如電力工程 信號的傳遞與處理 如信息工程 返回 中間環(huán)節(jié) 負(fù)載 擴(kuò)音機(jī)電路示意圖 信號源 電源 電路系統(tǒng)的概念 系統(tǒng)是由若干互相關(guān)聯(lián)的單元或設(shè)備組成 并具有一定功能的有機(jī)整體 激勵(lì) 響應(yīng) 系統(tǒng)中電源 或信號源 的作用稱為激勵(lì) 由激勵(lì)引起的結(jié)果 如某個(gè)元件的電流 電壓 稱為響應(yīng) 2理想元件和電路模型 將實(shí)際電路中的元件用理想元件來表示 構(gòu)成的電路圖 電路模型 常用的理想元件 電阻 電感 電容 恒壓源 恒流源 電路模型 電路模型是實(shí)際電路的科學(xué)抽象 手電筒電路模型 日光燈電路的模型 電路元件分類 線性元件非線性元件 時(shí)變元件非時(shí)變元件 有源元件無源性元件 1 1 2電流 電壓的參考方向 1 實(shí)際方向 E I U 分析計(jì)算電路時(shí) 人為任意設(shè)定的電量方向 2 參考方向 假設(shè)方向 正方向 I 5A I 5A 注意 引入?yún)⒖挤较蚝?物理量為代數(shù)量 若計(jì)算結(jié)果為正 I 0 則實(shí)際方向與參考方向一致 若計(jì)算結(jié)果為負(fù) I 0 則實(shí)際方向與參考方向相反 電流方向a b 電流方向b a I 參考方向的表示方法 參考極性 Uab 雙下標(biāo) 箭標(biāo) 參考方向的作用 便于列寫電路方程 關(guān)聯(lián)參考方向 便于確定實(shí)際方向 關(guān)聯(lián)參考方向U與I的方向一致 非關(guān)聯(lián)參考方向U與I的方向相反 U IR U IR 應(yīng)用歐姆定律求電阻R 3 應(yīng)用歐姆定律列寫式子時(shí) 式中有 套正負(fù)號 列寫公式時(shí) 根據(jù)U I的 得 U I的值本身有 和 之分 1 分析計(jì)算電路時(shí) 首先要畫出 標(biāo)出電壓 電流的 2 參考方向是 設(shè)定的 未標(biāo)參考方向的前提下 討論電壓 電流的正 負(fù)值是 電路圖 參考方向 兩 參考方向 公式中的正負(fù)號 正值 負(fù)值 沒有意義的 人為任意 試求 當(dāng)U分別為3V和1V時(shí)的電流IR 解 1 假定電路各電量的參考方向如圖所示 2 列電路方程 3 數(shù)值計(jì)算 實(shí)際方向與假設(shè)方向一致 實(shí)際方向與假設(shè)方向相反 1 1 3電阻元件 電阻為耗能元件如電阻器 白熾燈 電爐等 實(shí)物 1 電壓與電流的基本關(guān)系 R的單位為歐 姆 R常用單位 k M 伏安特性 1 1 3電阻元件 電阻為耗能元件如電阻器 白熾燈 電爐等 返回 線性電阻的伏安特性 非線性電阻的伏安特性 2 電阻的伏安特性 注意 歐姆定律僅適用于線性電阻電路 3 電阻元件的功率和能量 在關(guān)聯(lián)參考方向下 電阻元件的功率為 單位為瓦特 W 從t1到t2的時(shí)間內(nèi) 電阻元件吸收的能量為 單位為焦耳 J 1 理想電壓源和理想電流源 理想電壓源 恒壓源 RO 0時(shí)的電壓源 特點(diǎn) 1 輸出電壓U不變 即Uab US 2 電源中的電流I由外電路決定 外特性U f I 1 1 4獨(dú)立電源元件 設(shè) E 10V 當(dāng)R1R2同時(shí)接入時(shí) I 10A 例 3 恒壓源中的電壓US為零時(shí) 恒壓源視為短路 4 與恒壓源并聯(lián)的元件對外電路而言為可視為開路 恒壓源特性中不變的是 US 恒壓源特性中變化的是 I 會引起I的變化 外電路的改變 I的變化可能是 的變化 或者是 的變化 大小 方向 恒壓源兩端可否短路 否因?yàn)镽 0時(shí) 理想電流源 恒流源 RO 時(shí)的電流源 特點(diǎn) 1 輸出電流I不變 即I IS 外特性 2 輸出電壓U由外電路決定 設(shè) IS 1A R 10 時(shí) U 10V 3 恒流源的電流IS為零時(shí) 恒流源視為開路 4 與恒流源串聯(lián)的元件對外電路而言為可視為短路 恒流源特性中不變的是 Is 恒流源特性中變化的是 Uab 會引起Uab的變化 外電路的改變 Uab的變化可能是 的變化 或者是 的變化 大小 方向 恒流源兩端可否開路 否因?yàn)镽 時(shí) 串聯(lián)電流相同 電壓源中的電流I IS 恒流源兩端的電壓取決外電路 解 并聯(lián)電壓相同 電壓源中的電流取決外電路 恒流源兩端的電壓 解 電功率的正負(fù) 1 概念 2 公式 關(guān)聯(lián)時(shí) P UI 非關(guān)聯(lián)時(shí) P UI 負(fù)載消耗 吸收 的功率 電源產(chǎn)生 提供 的功率 吸收 取用 功率 元件為負(fù)載 發(fā)出 產(chǎn)生 功率 元件為電源 若P 0 若P 0 3 功率的正負(fù) 根據(jù)能量守恒定律電路中的功率平衡 P 0 已知 US1 15V US2 5V R 5 試求電流I和各元件的功率 解 已知 U1 20V I1 2A U2 10V I2 1A U3 10V I3 3A 試求元件的功率 并說明性質(zhì) 元件1功率 元件2功率 元件3功率 元件4功率 解 元件1 2發(fā)出功率是電源 元件3 4吸收功率是負(fù)載 上述計(jì)算滿足 P 0 2 實(shí)際電壓源的兩種電路模型 電壓源模型及外特性 US O 恒壓 RO 0時(shí) U US 外特性 電流源模型及外特性 外特性 ISRO O 恒流 IS RO 時(shí) I IS 3 電源 電路 的三種狀態(tài) 1 通路 電路中有電流和功率的轉(zhuǎn)換 電流 電壓 功率 RO IRO Uab 通路 開路 短路 電氣設(shè)備的額定值 額定值 電氣設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)的規(guī)定使用值 電氣設(shè)備的三種運(yùn)行狀態(tài) 欠載 輕載 I IN P PN 不經(jīng)濟(jì) 過載 超載 I IN P PN 設(shè)備易損壞 額定工作狀態(tài) I IN P PN 經(jīng)濟(jì)合理安全可靠 額定電壓UN 額定電流IN和額定功率PN 2 額定電流為100A的發(fā)電機(jī) 只接60A的照明負(fù)載 還有電流40A流到哪里去了 1 一個(gè)100 1W的電阻器 在使用時(shí)允許流過的電流和允許加的電壓不得超過多少 答 不存在40A 電源的輸出功率和輸出電流取決于負(fù)載 答 2 開路 開路電壓 特點(diǎn) Uo E 輸出功率P 0 輸出電流I 0 3 短路 特點(diǎn) 輸出功率P 0 輸出電壓U 0 短路電流 短路保護(hù) 熔斷器 工作短接 4 兩種電源的等效變換 等效互換的條件 對外的電壓電流相等 I I Uab U ab 即 等效互換公式 等效變換的注意事項(xiàng) 1 兩電路對外等效 外特性一致 2 兩內(nèi)阻相等 Ro R o 所接位置不同 3 IS流出端對應(yīng)US的正極 Ro R o不一定必須是電源的內(nèi)阻 4 兩電路的內(nèi)部不等效 其內(nèi)阻的壓降和內(nèi)阻的損耗一般不相等 5 恒壓源和恒流源不能等效互換 應(yīng)用舉例 接上頁 1 1 5電路中電位的概念和計(jì)算 電位 參考點(diǎn) 1 電位的概念 電路中某點(diǎn)的是對參考點(diǎn)的電壓 零電位點(diǎn) O點(diǎn) 地 電力工程中以大地為參考點(diǎn) 電子線路以輸入 輸出的公共線為參考點(diǎn) 設(shè)b點(diǎn)為參考點(diǎn) c點(diǎn)的電位為 Uc E1 d點(diǎn)的電位為 Ud E2 電子電路的習(xí)慣畫法 參考電位在哪里 正電源 負(fù)電源 電子電路的習(xí)慣畫法 電源電壓用電位值給出 正電位值表示正電源 電源的負(fù)極接地 負(fù)電位值表示負(fù)電源 電源的正極接地 S斷開時(shí)各電阻為同一電流 其中 UD 12V UC 12V S閉合上時(shí) 試求開關(guān)S斷開和閉合時(shí)電路中各點(diǎn)的電位 解 2 電位計(jì)算 UA 4V UB 7 2V UD 12V UC 12V UA 2V UB 0 試求圖示電路中各點(diǎn)的電位及電壓Uab 可見 電位與參考點(diǎn)的選擇有關(guān) 電壓與參考點(diǎn)的選擇無關(guān) Uab Ua Ub Uab 5V Uab 5V 電位與參考點(diǎn)的選擇有關(guān) 電壓與參考點(diǎn)的選擇無關(guān) 試分別以電路中的a b c點(diǎn)為參考點(diǎn)求電位和電壓 注意 電壓等于電位之差 如Uab Ua Ub 參考點(diǎn) 電位和電壓 1 2基爾霍夫定律 基爾霍夫電流定律 KCL 應(yīng)用于結(jié)點(diǎn) 基爾霍夫電壓定律 KVL 應(yīng)用于回路 名詞注釋 結(jié)點(diǎn) 三個(gè)或三個(gè)以上支路的聯(lián)結(jié)點(diǎn) 支路 電路中每一個(gè)分支 回路 電路中任一閉合路徑 網(wǎng)孔 單孔回路 支路 ab ad bc I1I2 I6 共6條 回路 abda bcdb 共7個(gè) 結(jié)點(diǎn) a b c d 共4個(gè) 確定電路中的支路 結(jié)點(diǎn) 回路 網(wǎng)孔數(shù)目 網(wǎng)孔 abda bcdb adca 共3個(gè) 1 2 1基爾霍夫電流定律 KCL 定律的依據(jù) 電荷守恒 電流的連續(xù)性 或 1 定律內(nèi)容 對任何結(jié)點(diǎn) 在任一瞬間 流入 流出 廣義結(jié)點(diǎn) I1 I2 I3 I 0 I 2 定律推廣 封閉面 IE IB IC I 1 2 2基爾霍夫電壓定律 KVL 在任一瞬間 沿任意閉合回路循行方向繞行一周 例如 回路a d c a 或 或 1 定律內(nèi)容 電位升 電位降 2 定律推廣 開口電路 假想的閉合回路 一段有源電路的歐姆定律 分壓公式 分流公式 1 3 3基爾霍夫定律的應(yīng)用 1 特點(diǎn) 以支路電流為未知量 應(yīng)用KCL和KVL列方程 然后聯(lián)立求解 2 解題步驟 確定支路數(shù)目 b 結(jié)點(diǎn)數(shù)目 n 網(wǎng)孔數(shù)目 m 由KCL列 n 1 個(gè)結(jié)點(diǎn)的電流方程 由KVL列m個(gè)網(wǎng)孔回路的電壓方程 代入數(shù)據(jù) 解聯(lián)立方程 求出各個(gè)支路電流 1 支路電流法 試用支路電流法求各支路電流 解 圖示電路 b 3 n 2 m 2 由KCL列a點(diǎn) 由KVL列回路1 回路2 代入數(shù)據(jù) 解聯(lián)求解 可得 I1 4A I2 1A I3 3A 試用支路電流法求各支路電流 解 圖中含恒流源的支路 I1 IS 5A只需列兩個(gè)方程 由KCL列a點(diǎn) 由KVL列回路1 代入數(shù)據(jù) 解聯(lián)求解 可得 I2 2A I3 3A 注意 圖中含恒流源的支路時(shí) 可減少列方程數(shù) 列回路方程時(shí) 要避開含恒流源的支路 支路電流法小結(jié) 優(yōu)點(diǎn) 支路電流法是電路分析中最基本的方法之一 只要根據(jù)基爾霍夫定律列方程 就能得出結(jié)果 缺點(diǎn) 電路中支路數(shù)多時(shí) 所需方程的個(gè)數(shù)較多 求解顯得十分繁瑣 支路數(shù)B 4須列4個(gè)方程式 1 特點(diǎn)在只有兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的電路中 先用公式求結(jié)點(diǎn)電壓 再求各支路電流 2 結(jié)點(diǎn)電壓法 彌爾曼定理 支路數(shù)b 3 結(jié)點(diǎn)n 2支路電流法須列3個(gè)方程式 若能先求出a b兩點(diǎn)的電壓Uab 再求出各個(gè)支路電流就容易多了 2 公式 設(shè)結(jié)點(diǎn)電壓為Uab 則 結(jié)點(diǎn)a 代入結(jié)點(diǎn)a的電流方程 經(jīng)整理后可得兩結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)電壓公式 分母為兩結(jié)點(diǎn)之間各支路的電阻的倒數(shù)和 分子為各支路US與本支路R相除后的代數(shù)和 當(dāng)US與Uab的參考方向一致時(shí)取正號 相反時(shí)則取負(fù)號 或各支路恒流源IS的代數(shù)和 一致取負(fù)號 相反取正號 結(jié)點(diǎn)電壓公式 注意 試用結(jié)點(diǎn)電壓法求各支路電流 已知US1 54V US2 72V R1 3 R2 6 R3 2 解 結(jié)點(diǎn)電壓法應(yīng)用舉例 接上頁 試求A點(diǎn)的電位及各支路電流 RS與恒流源串聯(lián)對外可視為短路 則 試求A點(diǎn)的電位 作業(yè) 1 8 1 9 1 11 1 16 1 17 1 3疊加定理 1 3 1定理內(nèi)容 含有多個(gè)電源的線性電路中的電壓或電流 等于各電源單獨(dú)作用時(shí) 對應(yīng)的電壓或電流的代數(shù)和 線性電路 R 常數(shù) 去源方法 恒壓源短接 恒流源開路 代數(shù)和 以原電路的電壓或電流方向?yàn)闇?zhǔn) 一致取正號 相反取負(fù)號 注意 解 1 畫出原電路及各個(gè)電源單獨(dú)作用的電路 并標(biāo)出各支路電流的參考方向 1 3 2應(yīng)用舉例 如圖示 已知US 9V IS 6A R1 6 R2 4 R3 3 試用疊加原理求各支路中的電流 US單獨(dú)作用 IS單獨(dú)作用 2 計(jì)算各電源單獨(dú)作用時(shí)的 各支路的電流 3 疊加求出原電路中各支路電流 例 用疊加原理求 I I 2A I 1A I I I 1A 解 1 3 3 幾點(diǎn)注意 1 疊加定理只適用于線性電路 電路參數(shù)不隨電壓 電流的變化而改變 4 疊加原理只能用于電壓或電流的計(jì)算 不能用來求功率 如 I3 R3 例 已知 US 1V IS 1A時(shí)Uo 0V US 10V IS 0A時(shí) Uo 1V 求 US 0V IS 10A時(shí)Uo 1 和 2 聯(lián)立求解得 1 4等效電源定理 等效電源定理用于化簡復(fù)雜電路 有源二端網(wǎng)絡(luò) 將有源二端網(wǎng)絡(luò)等效為等效電壓源或等效電流源 有源二端網(wǎng)絡(luò)用電壓源替代的方法稱戴維寧定理 有源二端網(wǎng)絡(luò)用電流源替代的方法稱諾頓定理 1 4 1戴維寧定理 1 定理內(nèi)容 任意一個(gè)線性有源二端網(wǎng)絡(luò)對外都可等效為等效電壓源 有源二端網(wǎng)絡(luò)去源后端口的等效電阻Ro等于等效電壓源的內(nèi)阻 去源方法 恒壓源短接 恒流源開路 有源二端網(wǎng)絡(luò)端口的開路電壓Uo等于等效電壓源的電動勢 求 I 例 2 應(yīng)用舉例 解 1 求開路電壓Uo 2 求等效內(nèi)阻Ro 3 求未知電流I 已知 R1 20 R2 30 R3 30 R4 20 E 10V求 當(dāng)R5 10 時(shí) I5 等效電路 例 1 求開端電壓Uo 2 求等效內(nèi)電阻Ro 3 求未知電流I5 求 U 例 1 求開端電壓Uo 此值是所求結(jié)果U嗎 2 求等效內(nèi)阻Ro 4 4 50 5 A B 1A 8V 10V C D E Uo 2 求解未知電壓 1 4 2諾頓定理 任意一個(gè)線性有源二端網(wǎng)絡(luò)對外都可等效為等效電流源 方法 1 求開端電壓Uo與短路電流IS 開路 短路法 1 4 3等效電阻Ro的求解方法 負(fù)載電阻法 加負(fù)載電阻RL測負(fù)載電壓UL 方法 2 測開路電壓Uo 加壓求流法 方法 3 則 加壓求流法舉例 求簡單二端網(wǎng)絡(luò)的等效內(nèi)阻時(shí) 用電阻串 并聯(lián)的方法即可求出 如前例 串 并聯(lián)方法 不能用簡單串 并聯(lián)方法求解 怎么辦 求某些二端網(wǎng)絡(luò)的等效內(nèi)阻時(shí) 用串 并聯(lián)的方法則不行 如下圖 方法 4 電阻星形連接和