直流電路電工電子學(xué).ppt

電工電子學(xué)（二）,主講李寧llnn154560273256,Electrotechnics,緒論學(xué)習(xí)電工學(xué)的意義：電工學(xué)的發(fā)展及內(nèi)容：1、電工學(xué)的發(fā)展：1785年庫(kù)侖庫(kù)侖力1820年安培磁現(xiàn)象的本質(zhì)1826年歐姆歐姆定律1831年法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象1834年雅可比第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)三相系統(tǒng)的創(chuàng)始人多里沃,1904年電子二極管1906年電子三極管1948年晶體管產(chǎn)生1958年集成電路問(wèn)世2、電工學(xué)的內(nèi)容學(xué)習(xí)的方法1、聽(tīng)；2、記；3、做：預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)；做作業(yè)；做實(shí)驗(yàn)；,1秦曾煌主編，電工學(xué)電工技術(shù)（上），電子技術(shù)（下），高等教育出版社2魏洪波，張淑之，劉廷文編，電工電子技術(shù)，清華大學(xué)電機(jī)系3閻石主編，電工電子技術(shù)基礎(chǔ)，高等教育出版社，第三版,參考書(shū),一）期末考試成績(jī)（80%）+平時(shí)成績(jī)（20%）二）平時(shí)成績(jī)：1）隨堂提問(wèn)、出勤、測(cè)驗(yàn)、紀(jì)律2）平時(shí)作業(yè),成績(jī),作業(yè)一律用16開(kāi)作業(yè)紙，題頭寫(xiě)清：班級(jí)、姓名、學(xué)號(hào)。寫(xiě)清作業(yè)頁(yè)號(hào)、題號(hào)，扼要寫(xiě)明已知條件，詳細(xì)解題過(guò)程，畫(huà)出電路圖（用尺子），標(biāo)明參考方向。每班課代表按學(xué)號(hào)順序收齊作業(yè)，交給任課教師。批改后的作業(yè)請(qǐng)學(xué)生及時(shí)查閱，如有不清楚問(wèn)題，及時(shí)問(wèn)教師。課代表隨時(shí)反映學(xué)習(xí)狀況，提出學(xué)習(xí)要求。答疑時(shí)間由教師和學(xué)生商定。任課教師辦公地點(diǎn)：柳林16-226。,作業(yè)要求,第1章直流電路,1.1電路的作用與組成部分,1.2電路的基本物理量,1.3電壓和電流的參考方向,1.4電路的工作狀態(tài),1.5基爾霍夫定律,1.6電壓源和電流源,1.7支路電流法,1.8疊加定理,1.9等效電源定理,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.了解電路的有載工作、開(kāi)路與短路狀態(tài)；理解電功率和額定值的意義；4.會(huì)計(jì)算電路中各點(diǎn)的電位。,第1章直流電路,1.1電路的作用與組成部分,(1)實(shí)現(xiàn)電能的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換,(2)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞、存儲(chǔ)與處理,1.電路的作用,電路是電流的流通路徑,它是為了完成某種功用而由一些電氣設(shè)備和元器件按一定方式連接而成的電流的通路。復(fù)雜的電路呈網(wǎng)狀,又稱網(wǎng)絡(luò)（電網(wǎng)）。,2.電路的組成部分,電源:提供電能的裝置,負(fù)載:取用電能的裝置,中間環(huán)節(jié)：傳遞、分配和控制電能的作用,Source,PowerSupply,信號(hào)處理：放大、調(diào)諧、檢波等,負(fù)載,信號(hào)源:提供信息,2.電路的組成部分,電源或信號(hào)源的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)。,把實(shí)際電路進(jìn)行理想化。電源由電壓源和電流源組成，中間環(huán)節(jié)由無(wú)阻器件組成，負(fù)載由電阻、電容、電感串并聯(lián)組成。,3.電路模型(CircuitModel),電路圖,理想電路元件,有某種確定的電磁性質(zhì)的假想元件,電路模型,具有精確的數(shù)學(xué)定義。,手電筒的電路模型,電池,導(dǎo)線,燈泡,開(kāi)關(guān),內(nèi)電路：電源本身的電流通路,外電路：電源以外的電流通路.,直流電路與交流電路；網(wǎng)絡(luò),今后分析的都是指電路模型，簡(jiǎn)稱電路。在電路圖中，各種電路元件都用規(guī)定的圖形符號(hào)表示。,1.2電路的基本物理量,電池,導(dǎo)線,燈泡,開(kāi)關(guān),電壓（U）：電場(chǎng)力使單位正電荷由a點(diǎn)移動(dòng)到b點(diǎn)所做的功。用Uab表示。,電動(dòng)勢(shì)（E）：非電場(chǎng)力將單位正電荷由電源的低電位移動(dòng)到高電位所做的功。U和E單位：伏特（V）1kV=103V=106mV=109V,a,b,電流（I）：電荷的定向移動(dòng)形成電流。單位：安培（A）1kA=103A=106mA=109A,電池,導(dǎo)線,燈泡,開(kāi)關(guān),a,b,功率（P）電能（W）,1.3電流和電壓的參考方向(ReferenceDirection),電路中的主要物理量有電壓、電流、電荷、磁鏈、能量、電功率等。在線性電路分析中人們主要關(guān)心的物理量是電流、電壓和功率。,1.電流的參考方向(CurrentReferenceDirection),電流,電流強(qiáng)度,帶電粒子有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng),單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量,方向,規(guī)定正電荷的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向,單位,1kA=103A1mA=10-3A1A=10-6A,A（安培）、kA、mA、A,元件(導(dǎo)線)中電流流動(dòng)的實(shí)際方向只有兩種可能:,實(shí)際方向,實(shí)際方向,A,A,B,B,問(wèn)題,復(fù)雜電路或電路中的電流隨時(shí)間變化時(shí)，電流的實(shí)際方向往往很難事先判斷。,參考方向,i參考方向,任意假定一個(gè)正電荷運(yùn)動(dòng)的方向即為電流的參考方向。,A,B,i參考方向,i參考方向,i0,i0,實(shí)際方向,實(shí)際方向,電流的參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系：,A,A,B,B,電流參考方向的兩種表示：,用箭頭表示：箭頭的指向?yàn)殡娏鞯膮⒖挤较颉?用雙下標(biāo)表示：如iAB,電流的參考方向由A指向B。,電壓U,單位：V(伏)、kV、mV、V,2.電壓的參考方向(voltagereferencedirection),單位正電荷q從電路中一點(diǎn)移至另一點(diǎn)時(shí)電場(chǎng)力做功（W）的大小,單位正電荷q從電路中一點(diǎn)移至參考點(diǎn)（0）時(shí)電場(chǎng)力做功的大小,實(shí)際電壓方向,電位真正降低的方向,電位,問(wèn)題,復(fù)雜電路或交變電路中，兩點(diǎn)間電壓的實(shí)際方向往往不易判別，給實(shí)際電路問(wèn)題的分析計(jì)算帶來(lái)困難。,電壓(降)的參考方向,假設(shè)的電壓降方向,電壓參考方向的三種表示方式：,(1)用箭頭表示,(2)用正負(fù)極性表示,(3)用雙下標(biāo)表示,U,U,+,UAB,注意：在參考方向選定后，電流(或電壓)值才有正負(fù)之分。,若I=5A，則實(shí)際方向從a流向b；,例：,若I=5A，則實(shí)際方向從b流向a。,若U=5V，則電壓的實(shí)際方向從a指向b；,若U=5V，則電壓的實(shí)際方向從b指向a。,元件或支路的u，i采用相同的參考方向稱之為關(guān)聯(lián)參考方向。反之，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。,關(guān)聯(lián)參考方向,非關(guān)聯(lián)參考方向,3.關(guān)聯(lián)參考方向,i,+,+,i,U,U,注,(1)分析電路前必須選定電壓和電流的參考方向。,(2)參考方向一經(jīng)選定，必須在圖中相應(yīng)位置標(biāo)注(包括方向和符號(hào)），在計(jì)算過(guò)程中不得任意改變。,(3)參考方向不同時(shí)，其表達(dá)式相差一負(fù)號(hào)，但實(shí)際方向不變。,i,例,U,電壓電流參考方向如圖中所標(biāo)，問(wèn)：對(duì)A、B兩部分電路電壓電流參考方向關(guān)聯(lián)否？,答：A電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián)；B電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)。,U、I參考方向相同時(shí)，,U、I參考方向相反時(shí)，,表達(dá)式中有兩套正負(fù)號(hào)：式前的正負(fù)號(hào)由U、I參考方向的關(guān)系確定；,U、I值本身的正負(fù)則說(shuō)明實(shí)際方向與參考方向之間的關(guān)系。,U=IR,U=IR,4.歐姆定律OhmsLaw,解：對(duì)圖(a)有,U=IR,例：應(yīng)用歐姆定律對(duì)下圖電路列出式子，并求電阻R。,對(duì)圖(b)有,U=IR,電路端電壓與電流的關(guān)系稱為伏安特性。,遵循歐姆定律的電阻稱為線性電阻，它表示該段電路電壓與電流的比值為常數(shù)。,線性電阻的概念：LinearResistance,線性電阻的伏安特性是一條過(guò)原點(diǎn)的直線。,(Constant),1.4電路的工作狀態(tài),（a)有載工作狀態(tài)，電路中有電流流過(guò)。,a,b,(b)當(dāng)a、b兩點(diǎn)間用導(dǎo)線相連時(shí)，稱電阻R被短路。,(c)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)或電路中某處斷開(kāi)，切斷的電路中沒(méi)有電流流過(guò)，此時(shí)的電路稱為開(kāi)路。開(kāi)路又叫斷路，斷開(kāi)的兩點(diǎn)間的電壓稱為開(kāi)路電壓。,S,開(kāi)關(guān)閉合,接通電源與負(fù)載。,U=IR,特征:,1.4.1有載工作,P=PEP,負(fù)載取用功率,電源產(chǎn)生功率,內(nèi)阻消耗功率,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),額定工作狀態(tài)：(經(jīng)濟(jì)合理安全可靠),實(shí)際功率=額定功率fullloadP=PN,額定電壓時(shí)，實(shí)際電流=額定電流I=IN,過(guò)載(超載)：(設(shè)備易損壞),欠載(輕載)：IPN,實(shí)際電流額定電流IIN,excessload,實(shí)際功率額定功率PPN,insufficientload,實(shí)際電流額定電流IIN,Example:人體電阻約800，,安全電壓50mA800=40V,1mA不適,50mA危險(xiǎn),100mA死亡,取安全電壓=36V,特征:,開(kāi)關(guān)斷開(kāi),1.4.2開(kāi)路,1.開(kāi)路處的電流等于零；I=02.開(kāi)路處的電壓U視電路情況而定。,電路中某處斷開(kāi)時(shí)的特征:,電源外部端子被短接,1.4.3短路,1.短路處的電壓等于零；U=02.短路處的電流I視電路情況而定。,電路中某處短路時(shí)的特征:,1.4.4電源與負(fù)載的判別,U、I參考方向不同，P=UI0，電源；P=UI0，負(fù)載。,U、I參考方向相同，P=UI0，負(fù)載；P=UI0，電源。,1.根據(jù)U、I的實(shí)際方向判別,2.根據(jù)U、I的參考方向判別,電源：U、I實(shí)際方向相反，即電流從“+”端流出，（發(fā)出功率）；,負(fù)載：U、I實(shí)際方向相同，即電流從“-”端流出。（吸收功率）。,1.5基爾霍夫定律KirchhoffsLaw,基爾霍夫,結(jié)點(diǎn)(Node)：電路中3個(gè)或3個(gè)以上電路元件的連接點(diǎn)。,如圖中，a點(diǎn)、b點(diǎn)都是結(jié)點(diǎn)。虛線框住的c點(diǎn)包含了點(diǎn)1和2，也是一個(gè)結(jié)點(diǎn)。,支路(Branch)：連接任何兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的一段電路叫支路。支路上至少包含一個(gè)二端元件。一條支路流過(guò)一個(gè)電流，稱為支路電流。,+,+,-,-,E1,E2,R1,R2,R0,R3,IS,a,b,1,2,c,I0,I3,I1,I2,注意，在圖中，點(diǎn)1及點(diǎn)2之間的一段電路不是支路，因?yàn)樗话魏坞娮?、電源等電路元件，而只是一段?dǎo)線，所以算一個(gè)結(jié)點(diǎn)。,該電路共包含3個(gè)結(jié)點(diǎn)和5條支路。,回路(Loop)：由支路組成的閉合路徑。電路中任何一個(gè)閉合的路徑叫回路。,一個(gè)電路至少應(yīng)該包含一個(gè)回路，這種只包含一個(gè)回路的電路叫單回路電路。而上圖所示的這種有多個(gè)電源和回路的電路稱為多回路(復(fù)雜)電路。,在圖示電路中，共有6各回路，如：a-R0-c-IS-a，a-R3-b-E1-R1-c-R0-a，b-E2-R2-c-R1-E1-b等。,網(wǎng)孔(Mesh)：網(wǎng)孔是回路的一種。內(nèi)部不含支路的回路。,+,+,-,-,E1,E2,R1,R2,R0,R3,IS,a,b,1,2,c,I0,I3,I1,I2,例1：,ab、bc、ca、（共6條）,abda、abca、adbca（共7個(gè)）,a、b、c、d(共4個(gè)）,abd、abc、bcd（共3個(gè)）,支路：,結(jié)點(diǎn)：,回路：,網(wǎng)孔：,試判斷下面兩圖電路中有多少結(jié)點(diǎn)？多少支路。,分析：,圖中，因?yàn)閍、b兩點(diǎn)間沒(méi)有元件，所以，不能算我們定義的支路。同理，a、b只能算一個(gè)結(jié)點(diǎn)。,而對(duì)于10V電壓對(duì)應(yīng)的兩端，雖然看不見(jiàn)電路元件，但它對(duì)電路提供10V電壓，相當(dāng)于電壓源的作用，我們可以用一個(gè)理想電壓源來(lái)代替，所以，它是一條支路。同理，電源的兩端應(yīng)該是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)。,所以，該電路有3個(gè)結(jié)點(diǎn)。5條支路。,例2：,分析：,圖中，因?yàn)閍、b兩點(diǎn)間接有2電阻元件并分別與一個(gè)回路相連，所以，2電阻元件是一條支路。,同理，a、b兩點(diǎn)也都稱為結(jié)點(diǎn)。,對(duì)于a點(diǎn)左邊的電路，由于通過(guò)的是同一個(gè)電流，所以，是一條支路，該支路自己構(gòu)成回路，稱之為自回路，或單回路。同理，b點(diǎn)右邊的回路也是單回路。,所以，該電路有2個(gè)結(jié)點(diǎn)。3條支路。,而且，該電路只有2個(gè)單回路。,1.5.1基爾霍夫電流定律(KCL定律),1定律KCLKirchhoffsCurrentLaw,1）內(nèi)容一：對(duì)于任一電路中的任一節(jié)點(diǎn)，在任一時(shí)刻，流入（或流出）該節(jié)點(diǎn)的電流之和恒為零。I=0。該定律來(lái)源于電荷守恒定律。,2）內(nèi)容二：對(duì)于任一電路中的任一節(jié)點(diǎn)，在任一時(shí)刻，流向某一結(jié)點(diǎn)的電流之和應(yīng)該等于由該結(jié)點(diǎn)流出的電流之和。I入=I出,依據(jù):電流的連續(xù)性。,對(duì)結(jié)點(diǎn)a：,I1+I2=I3,或I1+I2I3=0,基爾霍夫電流定律（KCL）反映了電路中任一結(jié)點(diǎn)處各支路電流間相互制約的關(guān)系。,必須先標(biāo)出各支路電流的參考方向；可假定流入結(jié)點(diǎn)的電流為正，流出節(jié)點(diǎn)的電流為負(fù)；也可以作相反的假定。,注意:,電流定律可以推廣應(yīng)用于包圍部分電路的任一假設(shè)的閉合面。,2推廣,I=?,例:,廣義結(jié)點(diǎn),I=0,IA+IB+IC=0,1.5.2基爾霍夫電壓定律（KVL定律),1定律KVLKirchhoffsVoltageLaw,1)內(nèi)容一：對(duì)任一電路的任一回路，沿該回路的所有支路電壓升降之代數(shù)和恒等于零。U=0。,該定律來(lái)源于能量守恒原理。,對(duì)回路1：,對(duì)回路2：,I1R1+I3R3E1=0,I2R2+I3R3E2=0,2)內(nèi)容二：對(duì)任一電路的任一回路，沿某一繞行方向，電壓降之和等于電壓升之和。,對(duì)回路1：,對(duì)回路2：,I1R1+I3R3=E1,I2R2+I3R3=E2,1列方程前標(biāo)注參考方向；,電壓升=電壓降E2=UBE+I2R2,U=0I2R2E2+UBE=0,2如果流入節(jié)點(diǎn)的電流為正，則流出節(jié)點(diǎn)的電流為負(fù)；如果規(guī)定電位降取正號(hào)，則電位升就取負(fù)號(hào)。,3.開(kāi)口電壓可按回路處理。,注意：,對(duì)回路1：,例：,對(duì)網(wǎng)孔abda：,對(duì)網(wǎng)孔acba：,對(duì)網(wǎng)孔bcdb：,R6,I6R6I3R3+I1R1=0,I2R2I4R4I6R6=0,I4R4+I3R3E=0,對(duì)回路adbca，沿逆時(shí)針?lè)较蜓校?I1R1+I3R3+I4R4I2R2=0,應(yīng)用U=0列方程,對(duì)回路cadc，沿逆時(shí)針?lè)较蜓校?I2R2I1R1+E=0,1.5.3電路中電位的概念及計(jì)算,電位：電路中某點(diǎn)至參考點(diǎn)的電壓。通常設(shè)參考點(diǎn)的電位為零。,1.電位的概念,電位的計(jì)算步驟:(1)任選電路中某一點(diǎn)為參考點(diǎn)，設(shè)其電位為零；(2)標(biāo)出各電流參考方向并計(jì)算；(3)計(jì)算各點(diǎn)至參考點(diǎn)間的電壓即為各點(diǎn)的電位。,某點(diǎn)電位為正，說(shuō)明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)高；某點(diǎn)電位為負(fù)，說(shuō)明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)低。,2.舉例,求圖示電路中各點(diǎn)的電位:Va、Vb、Vc、Vd。,解：設(shè)a為參考點(diǎn)，即Va=0V,Vb=Uba=106=60VVc=Uca=420=80VVd=Uda=65=30V,設(shè)b為參考點(diǎn)，即Vb=0V,Va=Uab=106=60VVc=Ucb=E1=140VVd=Udb=E2=90V,b,a,Uab=106=60VUcb=E1=140VUdb=E2=90V,Uab=106=60VUcb=E1=140VUdb=E2=90V,結(jié)論：,(1)電位值是相對(duì)的，參考點(diǎn)選取的不同，電路中各點(diǎn)的電位也將隨之改變；,(2)電路中兩點(diǎn)間的電壓值是固定的，不會(huì)因參考點(diǎn)的不同而變，即與零電位參考點(diǎn)的選取無(wú)關(guān)。,借助電位的概念可以簡(jiǎn)化電路作圖,一個(gè)電源可以用兩種模型來(lái)表示。用電壓的形式表示稱為電壓源，用電流的形式表示稱為電流源。,1.6.1電壓源,1.6電壓源與電流源,1.電壓源模型的引入,外特性曲線,IS=,O,U/V,電,壓,源,U0=E,U=ER0I,電源的外特性方程U=ER0I,2.理想電壓源電路（恒壓源）,（）當(dāng)R0=0時(shí)，U=E，是一定值（）I是任意的，由負(fù)載電阻RL和U確定,電壓源不能短路！,外特性曲線,IS=,O,I/A,U/V,理想電壓源,電,壓,源,U0=E,3.V-A特性曲線,1.6.2電流源,電流源模型的引入將式U=ER0I兩邊同除以R0，則得,2.理想電流源或恒流源（1）R0=時(shí),I恒等于IS,外特性曲線,U0=ISR0,IS,O,I/A,U/V,理想電流源,電,流,源,電流源不能開(kāi)路！,3.V-A特性曲線,理想電流源電路,例判斷圖中電壓源和電流源的工作狀態(tài)負(fù)載（消耗功率）還是電源（發(fā)出功率）,US負(fù)載，IS電源,US電源，IS負(fù)載,電流從電壓源的正端流出U和I的實(shí)際方向相反，而流進(jìn)電流源U和I的實(shí)際方向相同，故電壓源處于電源狀態(tài)，發(fā)出功率，而電流源則處于負(fù)載狀態(tài)，取用功率。,電流從電流源流出U和I的實(shí)際方向相反，而流進(jìn)電壓源的正端U和I的實(shí)際方向相同，故電流源發(fā)出功率，處于電源狀態(tài)，而電壓源取用功率，處于負(fù)載狀態(tài)。,1.7支路電流法,支路電流法：以支路電流為未知量、應(yīng)用基爾霍夫定律（KCL、KVL）列方程組求解。,對(duì)上圖電路支路數(shù)：b=3結(jié)點(diǎn)數(shù)：n=2,回路數(shù)=3單孔回路（網(wǎng)孔）=2,對(duì)結(jié)點(diǎn)a：,I1+I2I3=0,對(duì)網(wǎng)孔1：,對(duì)網(wǎng)孔2：,I1R1+I3R3=E1,I2R2+I3R3=E2,1.在圖中標(biāo)出各支路電流的參考方向，對(duì)選定的回路標(biāo)出回路循行方向。,2.應(yīng)用KCL對(duì)結(jié)點(diǎn)列出(n1)個(gè)獨(dú)立的結(jié)點(diǎn)電流方程。,3.應(yīng)用KVL對(duì)回路列出b(n1)個(gè)獨(dú)立的回路電壓方程（通常可取網(wǎng)孔列出）。,4.聯(lián)立求解b個(gè)方程，求出各支路電流。,支路電流法的解題步驟:,(1)應(yīng)用KCL列(n-1)個(gè)結(jié)點(diǎn)電流方程,因支路數(shù)b=6，所以要列6個(gè)方程。,(2)應(yīng)用KVL選網(wǎng)孔列回路電壓方程,(3)聯(lián)立解出IG,支路電流法是電路分析中最基本的方法之一，但當(dāng)支路數(shù)較多時(shí)，所需方程的個(gè)數(shù)較多，求解不方便。,例：,對(duì)結(jié)點(diǎn)a：I1I2IG=0,對(duì)網(wǎng)孔abda：IGRGI3R3+I1R1=0,對(duì)結(jié)點(diǎn)b：I3I4+IG=0,對(duì)結(jié)點(diǎn)c：I2+I4I=0,對(duì)網(wǎng)孔acba：I2R2I4R4IGRG=0,對(duì)網(wǎng)孔bcdb：I4R4+I3R3=E,試求檢流計(jì)中的電流IG。,RG,1.疊加定理,在線性電路中，任一支路的電流(或電壓)可以看成是電路中每一個(gè)獨(dú)立電源單獨(dú)作用于電路時(shí)，在該支路產(chǎn)生的電流(或電壓)的代數(shù)和。,1.8疊加定理(SuperpositionTheorem),2.幾點(diǎn)說(shuō)明,1