電路分析的電子教案

1、1電路分析基礎(chǔ)電路分析基礎(chǔ) ( (第三版第三版) ) 主編主編 付玉明付玉明 副主編副主編 陳陳 曉曉 中國(guó)水利水電出版社 21世紀(jì)高職高專新概念教材2第一章第一章 電路的基本概念和定律電路的基本概念和定律1.1 電路和電路模型 1.3 電 功 率1.4 電 阻 元 件1.5 電壓源和電流源1.6 基 爾 霍 夫 定 律1.2電流和電壓的參考方向3第一章第一章 電路的基本概念和定律電路的基本概念和定律1.8 等效電路的概念1.9 電阻的串聯(lián)與并聯(lián)1.10 含獨(dú)立源電路的等效化簡(jiǎn)1.11 含受控源電路的等效化簡(jiǎn)1.12 平衡電橋、電阻Y形連接與三角 形連接的等效變換1.7 受控源與運(yùn)算放大器4【

2、本章重點(diǎn)本章重點(diǎn)】 支路上電流（電壓）的參考方向及電流、 電壓間關(guān)聯(lián)參考方向的概念。 基爾霍夫電流、電壓定律及其運(yùn)用于電 路的分析計(jì)算。 理解理想電壓源、理想電流源的伏安特 性，以及它們與實(shí)際電源兩種模型的區(qū)別。 受控源和理想運(yùn)算放大器的特性，求解含受控源的電路。 運(yùn)用等效概念和方法來化簡(jiǎn)和求解電路。 電阻的 形連接與 連接的等效變換。 Y5【本章難點(diǎn)本章難點(diǎn)】 電阻的電阻的Y形連接與形連接與連接的等效變換。連接的等效變換。 受控源和理想運(yùn)算放大器的特性，求受控源和理想運(yùn)算放大器的特性，求 解含受控源的電路。解含受控源的電路。 6 1.1 電路和電路模型1.1.1 電路及其功能電路及其功能 實(shí)

3、際電氣裝置種類繁多，如自動(dòng)控制設(shè)備，衛(wèi)星接收設(shè)備，郵電通信設(shè)備等；實(shí)際電路的幾何尺寸也相差甚大，如電力系統(tǒng)或通信系統(tǒng)可能跨越省界、國(guó)界甚至是洲際的，但集成電路的芯片有的則小如指甲。 為了分析研究實(shí)際電氣裝置的需要和方便，常采用模型化的方法，即用抽象的理想元件及其組合近似地代替實(shí)際的器件，從而構(gòu)成了與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。71.1.2 實(shí)際電路的組成 下圖1-1是我們?nèi)粘Ｉ钪械氖蛛娡搽娐?，就是一個(gè)最簡(jiǎn)單的實(shí)際電路。它由3部分組成：（1）是提供電能的能源,簡(jiǎn)稱電源；（2）是用電裝置，統(tǒng)稱其為負(fù)載，它將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量； s123圖 1-1 手電筒電路（3）是連接電源與負(fù)載傳輸電能的金

4、屬導(dǎo)線，簡(jiǎn)稱導(dǎo)線。電源、負(fù)載和連接導(dǎo)線是任何實(shí)際電路都不可缺少的3個(gè)組成部分。81.1.3 電電 路路 模模 型型 實(shí)際電路中使用著電氣元、器件，如電阻器、電容器、燈泡、晶體管、變壓器等。在電路中將這些元、器件用理想的模型符號(hào)表示。如圖1-2。 電路模型圖將實(shí)際電路中各個(gè)部件用其模型符號(hào)表示而畫出的圖形。如圖1-3。+-UsR圖1-3 電路模型圖圖1-2 電阻元件、電壓源的模型符號(hào)91.2 電流和電壓的參考方向電流和電壓的參考方向 1.2.1 電流及其參考方向 電流在電場(chǎng)作用下，電荷有規(guī)則的移動(dòng)形成電流，用u表示。電流的單位是安培。 電流的實(shí)際方向規(guī)定為正電荷運(yùn)動(dòng)的方向。 電流的參考方向假定正

5、電荷運(yùn)動(dòng)的方向。用符號(hào)i(t)表示電流強(qiáng)度。其定義是單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量。電流強(qiáng)度簡(jiǎn)稱電流，即：dtdqti)(101.2.2 電壓及其參考電壓及其參考方向方向 電壓即電路中兩點(diǎn)之間的電位差。用u表示。即 電壓的實(shí)際方向電位真正降低的方向。 電壓的參考方向即為假設(shè)的電位降低的方向。 dqdwtu)(111.2.3 電壓、電流的關(guān)聯(lián)參考方向電壓、電流的關(guān)聯(lián)參考方向關(guān)聯(lián)參考方向指電流是從電壓的“+”極 流 向 “-”極。非關(guān)聯(lián)參考方向電流從電壓的“”極 流 向 “+”極。圖1-4 u、i關(guān)聯(lián)參考方向圖1- u、i非關(guān)聯(lián)參考方向u+_i_+ui121.3 電 功 率 電功率電功率:即電場(chǎng)力

6、做功的速率，用p表示。 電功率的計(jì)算： 當(dāng)電流與電壓為關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，一段電路（或元件）吸收的功率為： p=ui 或 P= UI當(dāng)電流與電壓為非關(guān)聯(lián)參考方向時(shí) p=-ui 或 P= -UI 由于電壓和電流均為代數(shù)量，顯然功率也是代數(shù)量，二端電路是否真正吸收功率，還要看計(jì)算結(jié)果p的正負(fù)而定，當(dāng)功率為正值，表示確為吸收功率；反之為負(fù)值實(shí)為提供功率。 13 1.4 電 阻 元 件 即電阻值不隨其上的電壓u 、電流 i 和時(shí)間t 變化的電阻，叫線性非時(shí)變電阻。顯然，線性、非時(shí)變電阻的伏安特性曲線是一條經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線。如圖1-6 (b)所示，電阻值可由曲線的斜率來確定。 圖-6線性非時(shí)變電阻模型及伏

7、安特性1.4.1 線性非時(shí)變電阻141.4.2 電阻元件上消耗的功率與能量 1. R吸收的功率為: Riuip2 對(duì)于正電阻來說，吸收的功率總是大于或等于零。 2 . 設(shè)在to-t區(qū)間R 吸收的能量為w(t)、它等于從 t0- t 對(duì)它吸收的功率作積分。即：ttdpw0)( 上式中是為了區(qū)別積分上限t 而新設(shè)的一個(gè)表示時(shí)間的變量。 151.5 電壓源和電流源1.5.1 電壓源電壓源 不論外部電路如何變化,其兩端電壓總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)的電源定義為理想電壓源,簡(jiǎn)稱電壓源。它有兩個(gè)基本性質(zhì):1、其端電壓是定值或是一定的時(shí)間函數(shù)，與流過的電流無關(guān)。2、電壓源的電壓是由它本身決定的，流過它的電

8、流則是任意的。電壓源的伏安特性曲線是平行于 i 軸其值為 uS(t) 的直線。如圖1-7所示. 圖 1 7 電壓源伏安特性曲線16 1.5.2 電電 流流 源源 不論外部電路如何,其輸出電流總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)的電源，定義為理想電流源，簡(jiǎn)稱電流源。它有兩個(gè)基本性質(zhì)它有兩個(gè)基本性質(zhì):1、它輸出的電流是定值或一定的時(shí)間函數(shù)，與其兩端的電壓無關(guān)。 2、其電流是由它本身確定的，它兩端的電壓則是任意的。電流源的伏安特性曲線是平行于u 軸其值為 i S(t)的直線，如圖1-8所示。 圖 1-8 電流源伏安特性曲線171.6 基爾霍夫定律 1.6.1 基爾霍夫電流定律(kCL) 圖1-9 說明KCL

9、2143ai2i4i3i1 其基本內(nèi)容是：對(duì)于集總電路的任一節(jié)點(diǎn)，在任一時(shí)刻流入該節(jié)點(diǎn)的電流之和等于流出該節(jié)點(diǎn)的電流之和。例如對(duì)圖1-9所示電路a點(diǎn)，有 i1= i2+i3+ i4 或 i1-i2-i3-i4=018 1.6.2 基爾霍夫電壓定律(KVL) KVL的基本內(nèi)容是：對(duì)于任何集總電路中的任的基本內(nèi)容是：對(duì)于任何集總電路中的任一回路，在任一瞬間，沿回路的各支路電壓的代數(shù)一回路，在任一瞬間，沿回路的各支路電壓的代數(shù)和為零。和為零。1234+_u4u1u2u3abcd圖1-10 電路中的一個(gè)回路如圖1-10，從a點(diǎn)開始按順時(shí)針方向(也可按逆時(shí)針方向）繞行一周，有： u1- u2- u3+

10、u4=0 當(dāng)繞行方向與電壓參考方向一致（從正極到負(fù)極），電壓為正，反之為負(fù)。19 1.7 受控源與運(yùn)算放大器受控源與運(yùn)算放大器 受控源也是一種電源，它表示電路中某處的電壓或電流受其他支路電壓或電流的控制。1.7.1 四種形式的受控源:v1 受電壓控制的電壓源，即VCVS.v2 受電流控制的電壓源，即CCVS.v3 受壓流控制的電流源，即VCCS. v4 受電流控制的電流源，即CCCS.20圖1-11 四種受控源模型(a) VCVS+_uU1U1+_(b) CCVSU1=0+_+_rI1I1(c) VCCSgU1+_U1(d) CCCSI1aI1211.7.2 理想運(yùn)算放大器 運(yùn)算放大器是由具有

11、高放大倍數(shù)的直接耦合放大電路組成的半導(dǎo)體多端器件。 圖1-12 運(yùn)算放大器22 1. 即從輸入端看進(jìn)去元件相當(dāng)于開路，稱為“虛斷”。 2. 開環(huán)電壓增益A=（模型中的A改為），即兩輸入端之間相當(dāng)于“短路”，稱為“虛短”。 “虛斷”、“虛短”是分析含理想運(yùn)算放大器電路的基本依據(jù)。 作為理想運(yùn)算放大器模型，具有以下條件：231.8 等效電路的概念等效電路的概念 如果兩個(gè)二端電路N1與N2的伏安關(guān)系 完全相同,從而對(duì)連接到其上同樣的外部電路的作用效果相同,則說N1與N2是等效的。 如下圖中，當(dāng)R=R1 +R2+R3時(shí)，則N1與N2是等效的。R1R3R2Iab+_UN1Ra+_UbN2I圖1-13 兩

12、個(gè)等效的二端電路24IR1R2U1U2+_+_Uab1.9 電阻的串聯(lián)和并聯(lián) 1、 兩個(gè)電阻R1 、R2串聯(lián)，各自分得 的電壓u1 、u2分別為：圖1-14 兩個(gè)電阻R1 、R2串聯(lián)uRRRuuRRRu21222111 上式為兩個(gè)電阻串聯(lián)的分壓公式，可知：電阻串聯(lián)分壓與電阻值成正比，即電阻值越大，分得的電壓也越大。 25 2、兩個(gè)電阻R1 、R2并聯(lián) 圖1-15為兩個(gè)電阻R1 、R2并聯(lián)，總電流是i，每個(gè)電阻分得的分別為i1和i2：i2i1iR2R1+_abu圖1-15 兩個(gè)電阻并聯(lián)iRRRiiRRRi21122121 上式稱為兩個(gè)電阻并聯(lián)的分流公式?？芍弘娮璨⒙?lián)分流與電阻值成反比，即電阻值

13、越大分得的電流越小。261.10 含獨(dú)立源電路的等效化簡(jiǎn) 1.10.1 實(shí)際電壓源的模型及其等 效變換 可以用一個(gè)電壓源與電阻相串聯(lián)的模型來表征實(shí)際電壓源。如圖1-16所示。+-USRSI+-abU0UUSIU=USU=Us-RsI圖1-16 實(shí)際電壓源模型及其伏安特性27 實(shí)際電流源與理想電流源也有差別，其電流值不為定值，可以用一個(gè)電流源與電阻相并聯(lián)的模型來表征實(shí)際電流源。如圖1-17所示。圖1-17 實(shí)際電流源模型及其伏安特性IRsIs+_UOIIsI=IsIs=U / Rs+ IU28 實(shí)際電源兩種模型是可以等效互換的。如圖1-18所示。 圖1-18 電壓源模型與電流源模型的等效變換 2

14、9 這就是說：若已知US與RS串聯(lián)的電壓源模型，要等效變換為IS與RS并聯(lián)的電流源模型，則電流源的電流應(yīng)為IS=US/RS，并聯(lián)的電阻仍為RS；反之若已知電流源模型，要等效為電壓源模型，則電壓源的電壓應(yīng)為US=RSIS，串聯(lián)的電阻仍為 RS 。 請(qǐng)注意，互換時(shí)電壓源電壓的極性與電流源電流的方向的關(guān)系。兩種模型中RS是一樣的，僅連接方式不同。上述電源模型的等效可以進(jìn)一步理解為含源支路的等效變換，即一個(gè)電壓源與電阻串聯(lián)的組合可以等效為一個(gè)電流源與一個(gè)電阻并聯(lián)的組合，反之亦然。30 1. 幾個(gè)電壓源相串聯(lián)的二端電路,可等效成一個(gè)電壓源，其值為個(gè)電壓源電壓值的代數(shù)和。對(duì)圖1-19有：Us2+Us3Us

15、1_abUs+_ab圖1-19 電壓源串聯(lián)等效US=US1-US2+US3 1.10.2 含獨(dú)立源的二端電路的等效312. 幾個(gè)電流源并聯(lián)，可以等效為一個(gè)電流源，其值為各電流源電流值的代數(shù)和。對(duì)于圖1-20電路，有： IS= IS1+ IS12-IS3 請(qǐng)注意請(qǐng)注意:電壓值不同的電壓源不能并聯(lián)，因?yàn)檫`背KVL；電流值不同的電流源不能串聯(lián)，因?yàn)檫`背KCL 。Is3Is2Is1baIsba 圖1-20 電流源并聯(lián)等效321.11 含受控源電路的等效化簡(jiǎn)含受控源電路的等效化簡(jiǎn)n1. 含受控源和電阻的二端電路可以等效為一個(gè)電阻，該等效電阻的值為二端電路的端口電壓與端口電流之比。n2. 含受控源、獨(dú)立源

16、和電阻的二端電路的最簡(jiǎn)等效電路是一個(gè)電壓源與電阻的串聯(lián)或一個(gè)電流源與電阻并聯(lián)的二端電路。圖1-21 例：求圖1-21電路a、b端鈕的等效電阻Rab。ab+一UI+-5I8解：寫出a、b端鈕的伏安關(guān)系： U=8I+5I=13I 所以 Rab=U/I=13 歐331.12 平衡電橋、電阻的星形連接和三角形 連接的等效變換 Y形連接：即三個(gè)電阻的一端連接在一個(gè)公共節(jié)點(diǎn)上，而另一端分別接到三個(gè)不同的端鈕上。如下圖中的R1、R3 和R4 （ R2、 R3和R5）。圖1-22電阻的Y形和三角形連接 三角形連接，即三個(gè)電阻分別接到每?jī)蓚€(gè)端鈕之間，使之本身構(gòu)成一個(gè)三角形。如左圖中的R1、 R2、和 R3（ R

17、3、 R4和R5）為三角形連接。34 例如要求出圖1-23中a、b端的等效電阻，必須將R12、 R23、 R31組成的三角形連接化為星形連接，這樣，運(yùn)用電阻串、并聯(lián)等效電阻公式可方便地求出a、b端的等效電阻。 圖1-23 電阻三角形連接等效變換為Y形連接351. 已知三角形連接的三個(gè)電阻來確定等 效Y形連接的三個(gè)電阻的公式為：312312312331231223122312312123113RRRRRRRRRRRRRRRRRR362. 已知已知Y形連接的三個(gè)電阻來確定等效三角形連接的三個(gè)電阻來確定等效三角形連接的三個(gè)電阻的公式為：形連接的三個(gè)電阻的公式為： 213322131113322123

18、313322112RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR37第一章第一章 小小 結(jié)結(jié)1. 電路模型 將實(shí)際電路中各元器件都用它們的模型符號(hào)表示，這樣畫出的圖形稱為電路模型圖。本課程研究的電路均為電路模型圖。2. 電路中的基本變量 （1）電流。電流有規(guī)律的定向移動(dòng)形成傳導(dǎo)電流. 用電流強(qiáng)度來衡量電流的大小.電流的實(shí)際方向規(guī)定為正電荷運(yùn)動(dòng)的方向;電流的參考方向是假定正電荷運(yùn)動(dòng)的方向。 38（2）電壓。即電路中兩點(diǎn)之間的電位差。規(guī) 定電壓的實(shí)際方向?yàn)殡娢唤档偷姆较颍?電壓的參考方向?yàn)榧俣娢唤档偷姆较颉?(3) 電功率。即電場(chǎng)力在單位時(shí)間內(nèi)所做 的功。 計(jì)算一端電路吸收的功率，當(dāng)u、I 為

19、關(guān)聯(lián)方向時(shí)， p =ui，非關(guān)聯(lián)時(shí)，p =-ui，若p 值為正表示確為吸收功率，為負(fù)表示實(shí)為提供功率給電路的其他部分。3 電源 電源可分為獨(dú)立源和受控源兩類。獨(dú)立39源包括電流源和電壓源，是有源元件，能獨(dú)立地給電路提供能量。(1) 電壓源與電流源 電壓源的特性是，其端口電壓為定值或一定的時(shí)間函數(shù)，與流過的電流大小、方向無關(guān)；流過電壓源的電流的大小、方向是任意的 ；電流源的特性是，其流出的電流是定值或一定的時(shí)間函數(shù)，與它兩端的電壓大小、極性無關(guān)；電流源兩端的電壓大小、方向是任意的。 (2) 受控源 受控源也是一種電源，其電壓或電流受電路中其他地方的電壓或電流的控制。404. 運(yùn)算放大器 理想運(yùn)算放大器具