第1章--直流電路

1、電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)主主 講：講： 蔣蔣 軍軍電電 話話:-mail: E-mail: 電氣工程學(xué)院電工電子教研室電氣工程學(xué)院電工電子教研室緒論緒論電工學(xué)電工學(xué)電工技術(shù)電工技術(shù)電子技術(shù)電子技術(shù)電路理論電路理論電機(jī)與繼電接觸器控制電機(jī)與繼電接觸器控制（含（含PLC）工企供配電與安全用電工企供配電與安全用電電工測(cè)量電工測(cè)量模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)學(xué)習(xí)本課程的方法和基本要求：學(xué)習(xí)本課程的方法和基本要求：多做習(xí)題多做習(xí)題自學(xué)能力（內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少）自學(xué)能力（內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少）重視實(shí)驗(yàn)重視實(shí)驗(yàn)(工設(shè)專業(yè)無(wú)實(shí)驗(yàn)工設(shè)專業(yè)無(wú)實(shí)驗(yàn))學(xué)習(xí)

2、本課程必要的先修課：學(xué)習(xí)本課程必要的先修課： 高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理(電、磁電、磁)放放大大器器揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器話筒話筒 電路是電流的通路，是為了某種需要由電工設(shè)備或電電路是電流的通路，是為了某種需要由電工設(shè)備或電路元件按一定方式組合而成。路元件按一定方式組合而成。 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)升壓升壓變壓器變壓器降壓降壓變壓器變壓器電燈電燈電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)電爐電爐.輸電線輸電線電源電源: 提供提供電能的裝置電能的裝置負(fù)載負(fù)載: 取用取用電能的裝置電能的裝置中間環(huán)節(jié)：中間環(huán)節(jié)：傳遞、分傳遞、分配和控制電能的作用配和控制電能的作用發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)升壓升壓變壓器變壓器降壓降壓變壓器變壓器電燈電燈電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)電爐

3、電爐.輸電線輸電線直流電源直流電源: 提供能源提供能源負(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電源或信號(hào)源的電壓或電流稱為激勵(lì)激勵(lì)，它推動(dòng)電，它推動(dòng)電路工作；由激勵(lì)所產(chǎn)生的電壓和電流稱為路工作；由激勵(lì)所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)響應(yīng)。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 為了便于用數(shù)學(xué)方法分析電路為了便于用數(shù)學(xué)方法分析電路, 一般一般要將實(shí)際電路模型化，用足以反映其電磁性質(zhì)的要將實(shí)際電路模型化，用足以反映其電磁性質(zhì)的理理想電路元件或其組合想電路元件或其組合來(lái)模擬實(shí)際電路中的器件，從來(lái)模擬實(shí)際電路中的器件，從而構(gòu)成與

4、實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。而構(gòu)成與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。 常見理想電路元件主要有電阻常見理想電路元件主要有電阻元件、電感元件、電容元件和電元件、電感元件、電容元件和電源元件等。源元件等。是具有是具有單一物單一物理性質(zhì)理性質(zhì)的電路的電路元件組成元件組成R R :電阻元件參數(shù)電阻元件參數(shù) 表示電阻表示電阻 表示電阻值的大小表示電阻值的大小單位：歐姆（單位：歐姆（ ）主要物理性質(zhì)主要物理性質(zhì):耗能耗能 L :電感元件參數(shù)電感元件參數(shù) 表示電感表示電感 表示電感量的大小表示電感量的大小主要物理性質(zhì)主要物理性質(zhì):儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存磁場(chǎng)能量 C :電容元件參數(shù)電容元件參數(shù) 表示電容表示電容 表示電容量的

5、大小表示電容量的大小主要物理性質(zhì)主要物理性質(zhì):儲(chǔ)存電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存電場(chǎng)能量E+-UE+-I 電池電池是電源元件，其參數(shù)是電源元件，其參數(shù)為電動(dòng)勢(shì)為電動(dòng)勢(shì) E 和內(nèi)阻和內(nèi)阻Ro； 燈泡燈泡主要具有消耗電能的主要具有消耗電能的性質(zhì)，是電阻元件，其參數(shù)性質(zhì)，是電阻元件，其參數(shù)為電阻為電阻R； 筒體筒體用來(lái)連接電池和燈泡，用來(lái)連接電池和燈泡，其電阻忽略不計(jì)，認(rèn)為是無(wú)其電阻忽略不計(jì)，認(rèn)為是無(wú)電阻的理想導(dǎo)體。電阻的理想導(dǎo)體。 開關(guān)開關(guān)用來(lái)控制電路的通斷。用來(lái)控制電路的通斷。+R0R開關(guān)開關(guān)EI電電珠珠+U干電干電池池 導(dǎo)線導(dǎo)線物理量物理量實(shí)實(shí) 際際 方方 向向電流電流 I正電荷運(yùn)動(dòng)的方向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向電動(dòng)勢(shì)

6、電動(dòng)勢(shì)E ( (電位升高的方向電位升高的方向) ) 電壓電壓 U( (電位降低的方向電位降低的方向) )高電位高電位 低電位低電位 單單 位位kA 、A、mA、A低電位低電位 高電位高電位kV 、V、mV、VkV 、V、mV、V電流：電流：Uab 雙下標(biāo)雙下標(biāo)電壓：電壓：I 在分析與計(jì)算電路時(shí)，對(duì)在分析與計(jì)算電路時(shí)，對(duì)電量任意假定的方向。電量任意假定的方向。Iab 雙下標(biāo)雙下標(biāo)箭箭 標(biāo)標(biāo)abRI正負(fù)極性正負(fù)極性+abU U+_+R0E3V注意：注意：在參考方向選定后在參考方向選定后,電流電流(或電壓或電壓)值才有正負(fù)之分，即值才有正負(fù)之分，即電流電流(或電壓或電壓)為代數(shù)量為代數(shù)量 。 實(shí)際方

7、向與參考方向?qū)嶋H方向與參考方向一致一致，電流，電流(或電壓或電壓)值為值為正值正值；實(shí)際方向與參考方向?qū)嶋H方向與參考方向相反相反，電流，電流(或電壓或電壓)值為值為負(fù)值負(fù)值。I = 0.28A 電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)為為E =3V,方向由負(fù)極方向由負(fù)極指向正極指向正極 ；U+R0E3VU +例例: 電路如圖所示。電路如圖所示。 電流電流I的參考方向與實(shí)際方向相同，的參考方向與實(shí)際方向相同，I=0.28A,由由 流向流向,反之亦然。反之亦然。 電壓電壓U 的參考方向與實(shí)際方向相的參考方向與實(shí)際方向相反反, U = 2.8V;即即: U = U 電壓電壓U U的參考方向與實(shí)際方向相同的參考方向與實(shí)際方向相同

8、, , U = 2.8V, U = 2.8V, 方向由方向由 指向指向；2.8V 2.8VI 電功率電功率twpdduitqqwtwpdddddd功率的單位：功率的單位：W ( (瓦瓦) () (Watt，瓦特，瓦特) )能量的單位：能量的單位：J ( (焦焦) () (Joule，焦耳，焦耳) )單位時(shí)間內(nèi)電場(chǎng)力所做的功。單位時(shí)間內(nèi)電場(chǎng)力所做的功。qwuddtqiddWpdt常數(shù)即：IUR 任何時(shí)刻端電壓與電流成正比的電阻元件。任何時(shí)刻端電壓與電流成正比的電阻元件。I/AU/Vo線性電阻的伏安特性線性電阻的伏安特性l 電路符號(hào)電路符號(hào)R常數(shù)即：RUI1G GUI 所以：R 稱為電阻，單位：稱

9、為電阻，單位： (Ohm)l 單位單位G 稱為電導(dǎo)，單位稱為電導(dǎo)，單位：S (Siemens) 歐姆定律歐姆定律GuRuiu、i 參考方參考方向一致向一致Riu GuRuiu、i 參考方參考方向相反向相反Riu說(shuō)明線性電阻是雙向的、無(wú)記憶元件。說(shuō)明線性電阻是雙向的、無(wú)記憶元件。只適用于線性電阻只適用于線性電阻( R 為常數(shù)為常數(shù)）；）；注意電阻元件在任何時(shí)刻總是消耗功率的。電阻元件在任何時(shí)刻總是消耗功率的。參考方向相反參考方向相反: : p u i (R i) i i2 R u2/ R0參考方向一致參考方向一致:p u i i2R u2 / R0Rui+ +- -表明Rui- -+ +對(duì)于線性

10、電阻對(duì)于線性電阻電阻元件是耗能元件電阻元件是耗能元件ui從從 t0 到到 t 電阻消耗的能量：電阻消耗的能量：ttttRuipW00dd 能量能量l 短路短路0 0uiGor R 0l 開路開路0 0ui0 Gor RuiRiu+u+i00電阻的開路與短路電阻的開路與短路+-u (t)電感線圈電感線圈 把金屬導(dǎo)線繞在一骨架上構(gòu)成一實(shí)際把金屬導(dǎo)線繞在一骨架上構(gòu)成一實(shí)際電感線圈，當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí)，將產(chǎn)生磁通，是電感線圈，當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí)，將產(chǎn)生磁通，是一種抵抗電流變化、儲(chǔ)存磁能的部件。一種抵抗電流變化、儲(chǔ)存磁能的部件。 (t)N (t)i (t) )()(tLit tan iLl 電路符號(hào)電路符號(hào)

11、H (亨利亨利)，常用常用H，mH表示表示。+-u (t)iLl 單位單位電感器的電感器的自感自感1H=103 mH 1 mH =103 HttiLtu dd)()( )(ti或ttuLit001)(d 表明表明研究某一初始時(shí)刻研究某一初始時(shí)刻t0 以后的電感電流，不需要了解以后的電感電流，不需要了解t0以前的電流，只需知道以前的電流，只需知道t0時(shí)刻開始作用的電壓時(shí)刻開始作用的電壓 u 和和t0時(shí)時(shí)刻的電流刻的電流 i（t0）。電感電壓電感電壓u u 的大小取決于的大小取決于i i 的變化率的變化率, , 與與 i i 的大小的大小無(wú)關(guān)，電感是無(wú)關(guān)，電感是動(dòng)態(tài)元件動(dòng)態(tài)元件；當(dāng)當(dāng)i為常數(shù)為常數(shù)

12、( (直流直流) )時(shí)，時(shí)，u =0。電感相當(dāng)于短路；。電感相當(dāng)于短路；從從t0到到 t 電感儲(chǔ)能的變化量：電感儲(chǔ)能的變化量：)(21)(21022tLitLiWLl 電感的儲(chǔ)能電感的儲(chǔ)能某一時(shí)刻電感電流值與某一時(shí)刻電感電流值與-到該時(shí)刻的所有電流值有關(guān)，到該時(shí)刻的所有電流值有關(guān)，即電感元件有記憶電壓的作用，電感元件也是即電感元件有記憶電壓的作用，電感元件也是記憶元件記憶元件。l 電路符號(hào)電路符號(hào)Cu+q-qF (法拉法拉), 常用常用F，pF等表示等表示。l 單位單位1F=106 F 1 F =106pF Cuq 電容器的電容器的電容電容tuCidd d ttiCuutt001)()(或當(dāng)當(dāng)

13、 u 為常數(shù)為常數(shù)( (直流直流) )時(shí)，時(shí)，i =0。電容相當(dāng)于開路，電容有隔。電容相當(dāng)于開路，電容有隔斷直流作用；斷直流作用；表明某一時(shí)刻電容電流某一時(shí)刻電容電流 i 的大小取決于電容電壓的大小取決于電容電壓 u 的變化率的變化率,而而與該時(shí)刻電壓與該時(shí)刻電壓 u 的大小無(wú)關(guān)。電容是的大小無(wú)關(guān)。電容是動(dòng)態(tài)元件動(dòng)態(tài)元件；某一時(shí)刻電容電壓值與某一時(shí)刻電容電壓值與-到該時(shí)刻的所有電流值有關(guān)，即到該時(shí)刻的所有電流值有關(guān)，即電容元件有記憶電流的作用，故稱電容元件為電容元件有記憶電流的作用，故稱電容元件為記憶元件記憶元件。研究某一初始時(shí)刻研究某一初始時(shí)刻t0 以后的電容電壓，需要知道以后的電容電壓，需

14、要知道t0時(shí)刻開始時(shí)刻開始作用的電流作用的電流 i 和和t0時(shí)刻的電壓時(shí)刻的電壓 u（t0）。）。從從t0到到 t 電容儲(chǔ)能的變化量：電容儲(chǔ)能的變化量：)(21)(21022tCutCuWC電容的儲(chǔ)能電容的儲(chǔ)能l電路符號(hào)電路符號(hào)l定義定義其兩端電壓總能保持定值或一定其兩端電壓總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其值與流過(guò)它的電的時(shí)間函數(shù)，其值與流過(guò)它的電流流 i 無(wú)關(guān)的元件叫理想電壓源。無(wú)關(guān)的元件叫理想電壓源。（1 1）理想電壓源）理想電壓源i+_us電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無(wú)關(guān)；電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無(wú)關(guān)；與流經(jīng)它的電流方向、大小無(wú)關(guān)。與流經(jīng)它的電流方向、大小無(wú)關(guān)。通過(guò)電

15、壓源的電流由電源及外電路共同決定。通過(guò)電壓源的電流由電源及外電路共同決定。l理想電壓源的電壓、電流關(guān)系理想電壓源的電壓、電流關(guān)系電壓源不能短路！電壓源不能短路！例例Ri-+Su外電路外電路RuiS)0Ri( )0Ri( ui直流電壓源直流電壓源的伏安關(guān)系的伏安關(guān)系0us其輸出電流總能保持定值或一定的其輸出電流總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其值與它的兩端電壓時(shí)間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u 無(wú)關(guān)的元件叫理想電流源。無(wú)關(guān)的元件叫理想電流源。l 電路符號(hào)電路符號(hào)l 定義定義（2 2）理想電流源）理想電流源u+_il 理想電流源的電壓、電流關(guān)系理想電流源的電壓、電流關(guān)系電流源的輸出電流由電源本身決定，與

16、外電路無(wú)關(guān)；與它電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無(wú)關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無(wú)關(guān)。兩端電壓方向、大小無(wú)關(guān)。電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定。電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定。直流電流源的直流電流源的伏安關(guān)系伏安關(guān)系例例Ru-+Si外電路外電路SRiu )00Ru( )Ru( 電流源不能開路！電流源不能開路！ui0Sil u, i 參考方向參考方向一致一致P=ui 表表示元件吸收的功率示元件吸收的功率P0 吸收正功率吸收正功率 ( (實(shí)際吸收、負(fù)載實(shí)際吸收、負(fù)載) )P0 發(fā)出正功率發(fā)出正功率 ( (實(shí)際發(fā)出、電源實(shí)際發(fā)出、電源) )P0 發(fā)出負(fù)功率發(fā)出負(fù)功率 ( (實(shí)際吸收

17、、負(fù)載實(shí)際吸收、負(fù)載) )l u, i 參考方向參考方向相反相反+ +- -iu+ +- -iuSuRu-+Sii-+2 =72W RSPRi =36W sus sPu i =108W sisPui對(duì)一完整的電路，滿足：對(duì)一完整的電路，滿足：發(fā)出的功率吸收的功率發(fā)出的功率吸收的功率 實(shí)際電壓源也不允許短路。因其內(nèi)阻小，實(shí)際電壓源也不允許短路。因其內(nèi)阻小，若短路，電流很大，可能燒毀電源。若短路，電流很大，可能燒毀電源。usui0考慮內(nèi)阻考慮內(nèi)阻伏安特性：伏安特性：iRuuSS一個(gè)好的電壓源要求一個(gè)好的電壓源要求0SRi+_u+_SuSR注意理想電壓源理想電壓源0SRUII 電流源電流源0SREI

18、 注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)解解:+abU2 5V(a)+ +abU5V(c)+ (c)a+-2V5VU+-b2 + (b)aU 5A2 3 b+ (a)a+5V3 2 U+ a5AbU3 (b)+ A1A22228 I1.5 1.5 基爾霍夫定律基爾霍夫定律支路：支路：電路中的每一個(gè)分支。電路中的每一個(gè)分支。 一條支路流過(guò)一個(gè)電流，稱為支路電流。一條支路流過(guò)一個(gè)電流，稱為支路電流。三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)。三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)。由支路組成的閉合路徑由支路組成的閉合路徑。內(nèi)部不含支路的回路。內(nèi)部不含支路的回路。ba E2R2 R3R1E1 在任一瞬間，流向任一結(jié)點(diǎn)的電流等于流出該結(jié)點(diǎn)的電流。在任

19、一瞬間，流向任一結(jié)點(diǎn)的電流等于流出該結(jié)點(diǎn)的電流?；蚧? = 0對(duì)結(jié)點(diǎn)對(duì)結(jié)點(diǎn) a： I1+I2 = I3或或 I1+I2I3= 0ba E2R2 R3R1E1I1I2I3I =?例例:I = 0IA + IB + IC = 02 +_+_I5 1 1 5 6V12VIAIBICAIBCIABACBIC廣義結(jié)點(diǎn)廣義結(jié)點(diǎn)即：即： U = 0 在任一瞬間，從回路中任一點(diǎn)出發(fā)，沿回路循行一周，在任一瞬間，從回路中任一點(diǎn)出發(fā)，沿回路循行一周，則在這個(gè)方向上電位升之和等于電位降之和。則在這個(gè)方向上電位升之和等于電位降之和。對(duì)回路對(duì)回路1：對(duì)回路對(duì)回路2： E1 = I1 R1 +I3 R3I2 R2+I3

20、R3=E2或或 I1 R1 +I3 R3 E1 = 0 或或 I2 R2+I3 R3 E2 = 0 1 12 2I1I2I3ba E2R2 R3R1E1(1)列方程前列方程前標(biāo)注標(biāo)注回路循行方向；回路循行方向； 電位升電位升 = 電位降電位降 E2 =UBE + I2R2 U = 0I2R2 E2 + UBE = 0(3) 開口電壓可按回路處理開口電壓可按回路處理注意注意對(duì)回路對(duì)回路1：E1 1E1UBE+B+R1+E2R2I2_(2)應(yīng)用應(yīng)用 U = 0項(xiàng)前符號(hào)的確定：項(xiàng)前符號(hào)的確定： 例例求電壓求電壓 U解解A7310I024IUV1041442 IU4V+-10AU =?2+-3A應(yīng)用應(yīng)

21、用KCL可得：可得：應(yīng)用應(yīng)用KVL：I例例用支路電流法求各支路電流及電流源的端電壓用支路電流法求各支路電流及電流源的端電壓 U解解120sIII1 10UR I首先設(shè)定各支路電流參考首先設(shè)定各支路電流參考方向和回路方向如圖示方向和回路方向如圖示對(duì)回路寫對(duì)回路寫KVLKVL方程：方程：+-5A2+-I1R23ISUS=10VI2UR1ab對(duì)結(jié)點(diǎn)對(duì)結(jié)點(diǎn)a a列列KCLKCL方程：方程：回路回路1 11 1220SR IUR I回路回路2 2聯(lián)立方程、代入數(shù)據(jù)可解得：聯(lián)立方程、代入數(shù)據(jù)可解得：125 ,0 ,10 IA IA UVR2(c)R3E2+R1I 1I 2I 312112112111211 ) (RI