1電路基本原理

1、第第1章章 電路的基本概念和基本定律電路的基本概念和基本定律 1.1 電路及其理論模型電路及其理論模型 1.2 電路變量及電流和電壓的參考方向電路變量及電流和電壓的參考方向 1.3 電路元件及其伏安特性關(guān)系電路元件及其伏安特性關(guān)系 1.4 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 end 電路分析基礎(chǔ) 電氣車間：試驗(yàn)班電氣車間：試驗(yàn)班 如何學(xué)好電路分析基礎(chǔ) l掌握概念的含義和來龍去脈：除了要理解和記住概念的定義、符號(hào)和 單位外，還要了解引入概念的原因，它與類似概念的異同點(diǎn)，以及它 在后續(xù)內(nèi)容中所起的作用等。 l領(lǐng)會(huì)規(guī)律、方法的導(dǎo)出與應(yīng)用：要做到知其然、知其所以然，不要機(jī) 械套用，學(xué)會(huì)靈活運(yùn)用，舉一反三。 l從

2、應(yīng)用要求來理解電子電路的功能：各種電子電路都有應(yīng)用背景，離 開應(yīng)用背景對(duì)電子電路的性能分析是沒有意義的，。 l多作練習(xí)，鞏固知識(shí)：各種方法的學(xué)習(xí)都必須通過不斷練習(xí)才能得以 鞏固，因此，學(xué)習(xí)過程中，要獨(dú)立地完成一定量習(xí)題。 l認(rèn)真對(duì)待實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)理論知識(shí)理解：本課程的實(shí)踐性很強(qiáng)，只有理 論學(xué)習(xí)是不夠的，實(shí)驗(yàn)可以讓我們更加深刻理解理論知識(shí)，也能從中 發(fā)現(xiàn)問題，啟發(fā)我們深入學(xué)習(xí)。 l多做課外閱讀，拓寬知識(shí)面：電工電子技術(shù)的發(fā)展十分迅速，課程中 不可能將所有內(nèi)容都包含進(jìn)去，通過課外閱讀能夠?qū)Ρ绢I(lǐng)域的先進(jìn)理 論、方法有更多了解，豐富自己。 1. 電壓、電流的參考方向電壓、電流的參考方向 3. 基爾霍夫定

3、律基爾霍夫定律 重點(diǎn)重點(diǎn)： 2. 電路元件特性電路元件特性 （電阻、電源、受控源）（電阻、電源、受控源） 電路分析的基礎(chǔ)電路分析的基礎(chǔ) 第第1章章 電路的基本概念和基本定律電路的基本概念和基本定律 end 1.1 電路及其理論模型電路及其理論模型 一、電路的概念一、電路的概念 電路是由用電設(shè)備（稱為負(fù)載）、元器件、供電電路是由用電設(shè)備（稱為負(fù)載）、元器件、供電 設(shè)備（稱為電源）通過導(dǎo)線連接而構(gòu)成的提供給設(shè)備（稱為電源）通過導(dǎo)線連接而構(gòu)成的提供給電電荷流荷流 動(dòng)的通動(dòng)的通路路。電路是電場(chǎng)的一種特殊形式，當(dāng)電場(chǎng)被束縛。電路是電場(chǎng)的一種特殊形式，當(dāng)電場(chǎng)被束縛 在電荷流動(dòng)的路徑周圍很小的范圍時(shí)，即形成

4、電路。在電荷流動(dòng)的路徑周圍很小的范圍時(shí)，即形成電路。 二、電路的組成二、電路的組成 為電路工作提供能量的為電路工作提供能量的電源；電源； 完成放大、濾波、移相等功能的完成放大、濾波、移相等功能的元器件；元器件； 用電設(shè)備用電設(shè)備（負(fù)載）（負(fù)載） 連接電源、元器件和用電設(shè)備的連接電源、元器件和用電設(shè)備的導(dǎo)線；導(dǎo)線； 控制電源接入的控制電源接入的開關(guān)開關(guān)等。等。 直流電源直流電源: 提供能源提供能源 信號(hào)處理：信號(hào)處理： 放大、調(diào)諧、檢波等放大、調(diào)諧、檢波等 負(fù)載負(fù)載 信號(hào)源信號(hào)源: 提供信息提供信息 放放 大大 器器 揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器話筒話筒 電源或信號(hào)源的電壓或電流稱為激勵(lì)，它推動(dòng)電電源或信號(hào)源的

5、電壓或電流稱為激勵(lì)，它推動(dòng)電 路工作；由激勵(lì)所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)。路工作；由激勵(lì)所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)。 u電路的電路的組成組成 1.1 電路及其理論模型電路及其理論模型 三、電路的功能 客觀上電路提供了電荷流動(dòng)的通路，電荷攜帶著電能在 電路中流動(dòng)，從電源帶走電能，而在用電元器件中又釋 放電能，因此電路的工作伴隨著能量的運(yùn)動(dòng)。 電路主要有下列作用： 能量傳輸 將電源的電能傳輸給用電設(shè)備(負(fù)載)。 能量轉(zhuǎn)換 將傳輸?shù)截?fù)載的電能根據(jù)需要轉(zhuǎn)換成其它 形式的能量，如光、聲、熱、機(jī)械能等 信息傳輸 信息處理 信息信息- (- (載體載體)-)-信號(hào)信號(hào)-電路電路-終端終端-(-(去載體去載體)

6、-)- 信息信息( (電流或電壓電流或電壓) )。如廣播電路或電視發(fā)射裝置如廣播電路或電視發(fā)射裝置 信號(hào)信號(hào)( (接受接受)-)-電路（放大、去噪、合成電路（放大、去噪、合成)-)-信號(hào)。信號(hào)。 如如電視機(jī)。電視機(jī)。 u 電路模型電路模型 1. 理想電路元件理想電路元件：根據(jù)實(shí)際電路元件所具備的電磁性：根據(jù)實(shí)際電路元件所具備的電磁性 質(zhì)所設(shè)想的具有某種單一電磁性質(zhì)的元件質(zhì)所設(shè)想的具有某種單一電磁性質(zhì)的元件。 幾種基本的電路元件：幾種基本的電路元件： 電阻元件電阻元件：表示消耗電能的元件：表示消耗電能的元件 電感元件電感元件：表示各種電感線圈產(chǎn)：表示各種電感線圈產(chǎn) 生的磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的作用生

7、的磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的作用 電容元件電容元件：表示各種電容器產(chǎn)：表示各種電容器產(chǎn) 生的電場(chǎng)，儲(chǔ)存電能的作用生的電場(chǎng)，儲(chǔ)存電能的作用 電源元件電源元件：表示各種將其它形式：表示各種將其它形式 的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件 1.1 電路及其理論模型電路及其理論模型 R L C 無無 源源 元元 件件 電流源電流源 is + 電壓源電壓源 us - - 2. 電路模型電路模型：由理想元件及其組合代表實(shí)際電路：由理想元件及其組合代表實(shí)際電路 元件，與實(shí)際電路具有基本相同的電磁性質(zhì)，稱其元件，與實(shí)際電路具有基本相同的電磁性質(zhì)，稱其 為電路模型。為電路模型。 * * 電路模型是由理想電路元

8、件構(gòu)成的。電路模型是由理想電路元件構(gòu)成的。 10 BA SE -T w all pl ate 導(dǎo)線導(dǎo)線 電池電池 開關(guān)開關(guān) 燈泡燈泡 例例 . 1.1 電路及其理論模型電路及其理論模型 建模時(shí)建模時(shí), ,工作條件不一樣工作條件不一樣, ,其模型也不一樣。其模型也不一樣。 R 直流狀態(tài)直流狀態(tài),僅僅 消耗能量消耗能量 R L 交流低頻狀交流低頻狀 態(tài)態(tài),消能消能,儲(chǔ)能儲(chǔ)能 交流高頻狀態(tài)交流高頻狀態(tài),消消 耗能量耗能量,儲(chǔ)磁場(chǎng)能儲(chǔ)磁場(chǎng)能 量和電場(chǎng)能量量和電場(chǎng)能量 R L C 實(shí)際線圈實(shí)際線圈 1.1 電路及其理論模型電路及其理論模型 如：如： end 表示單位時(shí)間流過電路中某一表示單位時(shí)間流過電路

9、中某一 截面的凈電荷量。截面的凈電荷量。 t t tq tq diutdqtuW 00 )()()()( )( )( dt tdq ti )( )( )( )( )( tdq tdw tu 0 2 0 i T t , 0 2 iTt T , tIi m sin ：參考：參考 方向與實(shí)際方向方向與實(shí)際方向 一致一致 0 1 I ：參考：參考 方向與實(shí)際方向方向與實(shí)際方向 相反相反 0 1 I 規(guī)定規(guī)定相反相反的參考方向時(shí)，相應(yīng)的電的參考方向時(shí)，相應(yīng)的電 流表達(dá)式和計(jì)算結(jié)果流表達(dá)式和計(jì)算結(jié)果差一個(gè)符號(hào)。差一個(gè)符號(hào)。 VU R 5 例：例： UR= -5V p = u i p = - u i +u

10、i +u i 若某元件電功率大于零，在電路中消耗電能，表現(xiàn)為若某元件電功率大于零，在電路中消耗電能，表現(xiàn)為 負(fù)載。負(fù)載。 若某元件電功率小于零，向電路提供電能，表現(xiàn)為電若某元件電功率小于零，向電路提供電能，表現(xiàn)為電 源。源。 I + UR 例例 U1=10V， U2=5V。 分別求電源、電阻的功率。分別求電源、電阻的功率。 A UU I1 5 21 VUUU R 5 21 05WIUP RR 010 1 1 WIUP U 05 2 2 WIUP U 5 U1 U2 0P -功率平衡功率平衡 電源和負(fù)載的概念 w 若某元件電功率大于零，在電路中消耗/吸收電能，表現(xiàn)為負(fù)載。 w 若某元件電功率小于

11、零，向電路提供/發(fā)出電能，表現(xiàn)為電源。 w舉例：由5個(gè)元件組成的電路如圖，各元件上電壓、電 流參考方向采用關(guān)聯(lián)參考方向，標(biāo)在圖上如下。 12345 12345 30V, 20V, 60V, 30V, 80V 3A, 1A, 2A, 3A, 1A UUUUU IIIII 確定各元件的功率，確定各元件的功率， 指出哪些是電源、哪些是負(fù)載？指出哪些是電源、哪些是負(fù)載？ 12 345 元件1 111 30V3A90W0PUI 是負(fù)載 元件2 222 20V 1A20W0PUI 是負(fù)載 元件3 333 60V( 2)A120W0PUI 是負(fù)載 元件5 555 80V( 1)A80W0PUI 是電源 12

12、345 902012090800PPPPP注意： 電路中所有元件的功率之和為 0 ！這一規(guī)則稱為功率平衡原理。常用作對(duì)分析結(jié)果的檢 驗(yàn)準(zhǔn)則。功率平衡實(shí)際上是能量守恒的體現(xiàn)，任意時(shí)刻，電源發(fā)出的電能恰為負(fù)載所消 耗。 end w作業(yè)：1-1 w練習(xí)：1-2 u i 0 u=f(i)或或i=f(u)為一條過原點(diǎn)的直線為一條過原點(diǎn)的直線 u 線性電阻線性電阻 R是一個(gè)與電壓和電流無關(guān)的常數(shù)。是一個(gè)與電壓和電流無關(guān)的常數(shù)。 R u 元件符號(hào)元件符號(hào) 2. 電壓與電流取電壓與電流取非關(guān)聯(lián)非關(guān)聯(lián)參考方向參考方向 R +u i u Ri 或或 i Gu 公式必須和參考方向配套使用！公式必須和參考方向配套使用

13、！ 電導(dǎo)電導(dǎo) (S) u線性電阻元件的伏安特性線性電阻元件的伏安特性 1. 電壓與電流取電壓與電流取關(guān)聯(lián)關(guān)聯(lián)參考方向參考方向 R +u i u Ri i Gu 或或 電阻電阻 () p ui (R i ) i i 2 R u(u/ R) = u2/ R u功率功率： R + u i u能量能量：可用功表示。從可用功表示。從t0 到到 t電阻消耗的能量電阻消耗的能量 t t t t R iupW 00 dd 不管電壓、電流是否為關(guān)聯(lián)參考方向，都有不管電壓、電流是否為關(guān)聯(lián)參考方向，都有 p=i2R=u2/R (p始終為正）始終為正） 非關(guān)聯(lián)參考方向下，吸收的功率非關(guān)聯(lián)參考方向下，吸收的功率 d 1

14、 )( t ti C tu t u C t q i d d d d )( 1 0 0 t idtidt C t idt C u 0 1 )0( 電容對(duì)電容對(duì)直流直流 相當(dāng)于相當(dāng)于開路開路 兩端的電壓與電路對(duì)兩端的電壓與電路對(duì) 電容的充電過去狀況電容的充電過去狀況 有關(guān)有關(guān), ,因此是一種記憶因此是一種記憶 元件元件. . 初始值初始值 則則 t u Cuuip d d dtpW t C 0 dt dt du Cu t 0 duCu u u 0 2 0 2 2 1 2 1 CuCu t tu L id 1 t tu L i 0 0 d 1 )( 1 0 0 tududt L t 電感電流的記電感

15、電流的記 憶性質(zhì)憶性質(zhì) 電感對(duì)電感對(duì)直流直流 相當(dāng)于相當(dāng)于短路短路 初始值初始值 t u d d t i Liuip d d dtpW t L 0 dt dt di Li t 0 diLi i i 0 2 0 2 2 1 2 1 LiLi (2)伏安特性伏安特性 US + _ I U + _ US U I 0 US + _ I U + _ (1) 開路開路 （2）短路短路 I=0， U=Us 流過的電流無窮大，流過的電流無窮大， 因此不允許因此不允許直接短路直接短路 IS IS I U + _ U I 0 (2) 開路：開路： (1) 短路：短路： IS I U + _ I= IS ，U=0

16、不允許不允許開路開路 例：它勵(lì)直流發(fā)電機(jī)例：它勵(lì)直流發(fā)電機(jī) f I + - U 受控源從實(shí)際電子電路或器件抽象而來。受控源從實(shí)際電子電路或器件抽象而來。 f I + - f rIU 他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電壓是與電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)的他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電壓是與電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)的, ,而磁場(chǎng)又是由而磁場(chǎng)又是由 勵(lì)磁電流勵(lì)磁電流 產(chǎn)生的產(chǎn)生的, ,因此因此, ,發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電壓受勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電壓受勵(lì)磁, ,發(fā)電機(jī)電樞的內(nèi)阻發(fā)電機(jī)電樞的內(nèi)阻 即即 可可, ,如下圖所示。如下圖所示。 在這一模型中在這一模型中,CCVS,CCVS是它的核心部分是它的核心部分, ,它反映了發(fā)電機(jī)它反映了發(fā)電機(jī) 電

17、壓受勵(lì)磁電流控制。電壓受勵(lì)磁電流控制。 w作業(yè)：1.4，1.5 基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律 (Kirchhoffs Current LawKCL )和基爾霍夫和基爾霍夫 電壓定律電壓定律(Kirchhoffs Voltage LawKVL )。 它反映了電路中所有支路電壓和電流的約束關(guān)它反映了電路中所有支路電壓和電流的約束關(guān) 系，是分析集總參數(shù)電路的基本定律。系，是分析集總參數(shù)電路的基本定律。基爾霍基爾霍 夫定律夫定律與與元件特性元件特性構(gòu)成了電路分析的構(gòu)成了電路分析的基礎(chǔ)?；A(chǔ)。 1.4 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 上圖所示電路，共有上圖所示電路，共有 1

18、 2 46 35 i1 i2i4 i5i3 a b cd 支路支路 5條條 結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn) 3個(gè)（個(gè)（c和和d應(yīng)視為一個(gè)結(jié)點(diǎn)）應(yīng)視為一個(gè)結(jié)點(diǎn)） 回路回路 6個(gè)個(gè) 網(wǎng)孔網(wǎng)孔 3個(gè)個(gè) 例例 I1+I210(12)=0 I2=1A 47I1= 0 I1= 3A 7A 4A I1 10A - -12A I2 例例 求求I1和和I2。 設(shè)設(shè)流出流出節(jié)點(diǎn)電流為節(jié)點(diǎn)電流為正，正，則則 支路電流的參考 方向是流入節(jié)點(diǎn) 支路電流的參考方 向與實(shí)際方向相反 值得注意的是，只有定義了電流的參考方向， 才能列寫基爾霍夫電流定律方程。 例例: IA + IB + IC = 0 A B C IA IB IC 1.4 基爾霍夫定

19、律基爾霍夫定律 A Bi i 兩條支路電流大小相等，兩條支路電流大小相等， 一個(gè)流入，一個(gè)流出。一個(gè)流入，一個(gè)流出。 I =? I = 0 2 + _ + _ I 5 1 1 5 6V 12V A B i 只有一條支路相連，則只有一條支路相連，則 i=0。 1.4 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 對(duì)回路對(duì)回路1： 對(duì)回路對(duì)回路2： I1I2 I3 b a E2 R2 R3 R1 E1 1 12 2 1.4 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 （1）設(shè)定）設(shè)定繞行方向繞行方向 （2）設(shè)）設(shè)與與繞行方向相同的繞行方向相同的 電壓為電壓為正正 對(duì)回路對(duì)回路3： I: U1-(6)-(2)=0 U1=6+2=8V :

20、 U3-(6)-(-12)=0 U3=6-12=-6V : : U2+U3-U1=0 U2=-U3+U1=-(-6)+(8)=14V 例例:求圖示電路中的求圖示電路中的U1,U2,U3 解：解：設(shè)回路的繞行方向如圖所示 設(shè)回路的繞行方向如圖所示 1.4 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 I2R2 E2 + UBE = 0 端口電壓也可按回路處理：端口電壓也可按回路處理： 1 1 對(duì)回路對(duì)回路1： E1 UBE E + B + R1 + E2 R2 I2 _ 222 RIEU BE 1.4 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 1.4 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 ab + + - - 6V 6k 3k 3k6k 例：

21、電路如圖所示，求例：電路如圖所示，求Uab 1 U 2 U VU26 63 3 1 VU46 63 6 2 0 12 UUU ab 由由KVL可得：可得： VUUU ab 2 21 A B l1l2 UAB (沿沿l1)=UAB (沿沿l2） 推論推論：電路中任意兩點(diǎn)間的電壓等于兩點(diǎn)間電路中任意兩點(diǎn)間的電壓等于兩點(diǎn)間任任一條路徑經(jīng)一條路徑經(jīng) 過的各元件電壓的代數(shù)和（電位升高過的各元件電壓的代數(shù)和（電位升高 取正號(hào)）。取正號(hào)）。 1.4 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 ) 1 ( 32 UUU AB )2( 4411 UUUUU SSAB I1 + US1 R1 I4 _ +US4 R4 I3 R3

22、R2 I2 _ U3 U1 U2 U4 A B UAB 0 32 AB UUU 0 1144 SSAB UUUUU 對(duì)回路有對(duì)回路有 U2+U3+U4+US4-U1-US1= =0 U2+U3=-U4-US4+U1+US1 （1）=（2） 1.4 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 例例1 求圖示電路中電流求圖示電路中電流I。 2 1 - 6V +14V- - 5V+ I Uab=6V a b 解解：由：由KVL和歐姆定律可得和歐姆定律可得 Uab=2I- 6 + I + 14 5=6V 得得 I=1A 分析舉例分析舉例(1)(1) 例例2 求求I及各元件的功率。及各元件的功率。 52V1A + _ I IR 解：解： I =1-IR=1-0.4=0.6A 電流源功率電流源功率發(fā)出發(fā)出功率功率 電壓源功率電壓源功率 電阻功率電阻功率 P=0 分析舉例分析舉例(2) IR=2/5=0.4A P1= -(1 2 )= -2W0 吸收吸收功率功率 PR= 2 0.4 = 0.8W0吸收功率吸收功率 由由KCL得得 例例3 3 求