電工電子學_電路的基本概念

1、電工電子學11.1 電路的作用和組成 電路是由各種電路元件相互聯(lián)結而構成的電流的通路。電路的種類繁多，用途各異。1.1.1 電路的作用1電路能夠實現(xiàn)電能的傳輸和轉換這一類典型應用是電力系統(tǒng)。其電路示意圖如圖1.1.1所示。 這一類電路的作用主要是以較高的效率傳輸電能和分配電能，這類電路一般電壓較高，電流和功率較大，習慣上常稱為“強電”電路。圖1.1.1 電能的傳輸和轉換22.電路能夠實現(xiàn)信號的傳遞和處理以收音機電路為例。其電路示意圖如圖1.1.2所示圖1.1.2 信號的傳遞和處理這一類電路的作用主要是盡可能準確地傳遞和處理信號，這類電路通常電壓較低，電流和功率較小，習慣上常稱為“弱電”電路。3

2、1.1.2 電路的組成 實際電路是為了某一目的需要而將實際電路元件相互聯(lián)結而成。不論其結構和作用如何，均可看成由實際的電源、負載和中間環(huán)節(jié)（傳輸和轉換電能與傳遞和處理電信號）這三個基本部分組成。 實際電路元件的電磁性質比較復雜，難以用簡單的數(shù)學關系表達它的物理特性。為了便于對實際電路進行分析，可將實際電路元件理想化（或稱模型化），即在一定條件下突出其主要的電磁性質，忽略其次要因素，將其近似地看做理想電路元件。由一些理想電路元件組成的電路，就是實際電路的電路模型。通常把理想電路元件稱為元件，將電路模型簡稱為電路。 電路分析中，把作用在電路上的電源或信號源的電壓或電流稱為激勵，也叫做輸入，它推動電

3、路工作，把由于激勵在電路各部分產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應，也叫做輸出。所謂電路分析，就是在已知電路結構和元件參數(shù)的條件下，討論電路的激勵與響應之間的關系。41.2 電路的基本物理量 1.2.1 電流及其參考方向 電流是由電荷有規(guī)則的定向流動形成的。電流強度等于單位時間內(nèi)通過導體某截面的電量，用字母 i表示，即 （1.2.1） 5dtdqi6 習慣上規(guī)定正電荷移動的方向作為電流的實際方向。在電路分析時，電流的實際方向有時難以確定，因而可以任意選定一個方向作為電流的參考方向（也稱為正方向），并在電路中用箭頭標出，如圖1.2.1所示，然后根據(jù)所假定的電流參考方向列寫電路方程求解。因為所選的電流的參考方

4、向并不一定與電流的實際方向一致，如果計算結果為正，則表示電流的實際方向與參考方向相同；如果計算結果為負，則表示電流的實際方向與參考方向相反。 圖1.2.1 電流的參考方向1.2.2 電壓和電動勢及其參考方向電場力把單位正電荷從電路中一點移到另一點所作的功，叫做這兩點間的電壓。即 （1.2.2）電壓的實際方向規(guī)定為由高電位端指向低電位端。與電流的參考方向類似，可以任意選取電壓的參考方向。當實際方向與參考方向相同時，電壓為正值；當實際方向與參考方向相反時，電壓為負值。如圖1.2.2所示。 （a）u0 (b) u0圖1.2.2.電壓的參考方向7dqdwu電動勢描述了電源中外力做功的能力，它的大小等于

5、外力在電源內(nèi)部克服電場力把單位正電荷從負極移到正極所做的功。它的實際方向是在電源內(nèi)部由負極指向正極，如圖1.2.3所示。8圖1.2.3 電壓和電動勢參考方向1.2.3 電功率在電路中，有的元件吸收電能，并將電能轉換成其他形式的能量；有的元件是將其他形式的能量轉換成電能，即元件向電路提供電能。電功率簡稱為功率，它描述電路元件中電能變換的速度，其值為單位時間內(nèi)元件所吸收或輸出的電能，即 （1.2.3）9uidtdwp在電壓和電流的關聯(lián)參考方向下，計算出的功率為正值，表示該元件吸收功率；若為負值，則表示輸出功率。若在非關聯(lián)參考方向下，則相反。【例例1.2.1】確定圖1.2.5所示電路中各元件上的電流

6、、電壓和功率，并指出是吸收功率還是輸出功率。 圖1.2.5 例1.2.1的電路10解： 輸出功率 吸收功率 吸收功率11A2 . 030201021RREIV42 . 02011IRUV62 . 03022 IRUW22 . 010E EIPW8 . 02 . 0411IUPW2 . 12 . 0622IUP1.3 電阻、電容和電感元件 1.3.1 電阻元件反映電能消耗的電路參數(shù)叫電阻。電阻元件的電路符號如圖1.3.1所示。 圖1.3.1 電阻元件電阻元件上電壓和電流之間的關系稱為伏安特性。12在關聯(lián)參考方向下，線性電阻元件兩端的電壓 和流過它的電流 之間的關系遵循歐姆定律 （1.3.1）電阻

7、元件要消耗電能，是一個耗能元件。電阻吸收（消耗）的功率為 （1.3.3）從t1到t2的時間內(nèi)，電阻元件吸收的能量為 （1.3.4）13iRu RuRiuip22dtRiWtt2121.3.2 電容元件電容元件簡稱為電容。電容元件的電路符號如圖1.3.2所示。 圖1.3.2 電容元件對于電容元件，在任一時刻它所存儲的電荷與其端電壓之間的關系稱為庫伏特性。線性電容元件庫伏特性的數(shù)學表達式為 （1.3.5）14Cuq 在電容電壓和電流為關聯(lián)參考方向時，由電流的定義 （1.3.6）當電容元件上的初始電壓為零時，則有 （1.3.7）電容元件是一個儲能元件，當電容的兩端電壓為 時，它所儲存的電場能（量）為

8、 （1.3.8）15dtduCdtdqitidtCu01221CuW 1.3.3 電感元件電感元件簡稱為電感。電感元件的電路符號如圖1.3.3所示。圖1.3.3電感元件對于電感元件，在任一時刻它的磁鏈與它的電流之間的關系稱為韋安關系。線性電感元件韋安特性的數(shù)學表達式為 （1.3.9）16Li電感元件的特性，是由韋安特性描述的。但在電路分析中，更感興趣的是電感元件的伏安關系。當通過電感元件的電流發(fā)生變化時，磁鏈也相應發(fā)生變化，此時電感線圈內(nèi)將產(chǎn)生感應電動勢 ，通常規(guī)定感應電動勢 的參考方向與磁場線的參考方向符合右手螺旋定則，在此規(guī)定下，便可得到自感電動勢的表達式 （1.3.10）因此電感線圈兩端

9、的電壓為 （1.3.11）當電感元件上初始電流為零時，則有 （1.3.12）電感元件是一個儲能元件。當流過電感元件的電流為 時，它所儲存的磁場能（量）為 （1.3.13）17dtdiLdtdedtdiLeutudtLi01221LiW1.4 電源元件1.4.1 獨立電源能夠獨立向外電路提供能量的電源稱為獨立電源。獨立電源按照其特性的不同可以分為電壓源和電流源。1理想電源理想電源是實際電源的理想化模型。理想電源分為理想電壓源和理想電流源兩種。理想電壓源能向負載提供一個恒定值的電壓直流電壓 或按某一特定規(guī)律隨時間變化的交流電壓 （其幅值、頻率不變），因此又稱為恒壓源。如圖1.4.1所示。恒壓源有兩

10、個重要特點：一是恒壓源兩端的電壓與流過電源的電流無關；二是恒壓源輸出電流的大小取決于恒壓源所聯(lián)結的外電路。18SUSU（a）圖形符號 （b）伏安特性圖1.4.1 理想電壓源理想電流源能向負載提供一個恒定值的電流直流電流 或按某一特定規(guī)律隨時間變化的交流電流 （其幅值、頻率不變），因此又稱為恒流源。如圖1.4.2所示。恒流源有兩個重要特點：一是恒流源輸出電流與恒流源的端電壓無關；二是恒流源的端電壓取決于與恒流源相聯(lián)結的外電路。19（a）圖形符號 （b）伏安特性圖1.4.2 理想電流源一個實際的電源一般不具有理想電源的特性，實際電源不僅產(chǎn)生電能，同時本身還要消耗電能，因此實際電源的電路模型通常由表

11、征產(chǎn)生電能的電源元件和表征消耗電能的電阻元件組合而成。電壓源模型是用理想電壓源與電阻串聯(lián)來表示實際電源，如圖1.4.3所示，其中 是一個理想電壓源的輸出電壓，其數(shù)值等于實際電源的電動勢； 為電源的內(nèi)阻?？梢?，實際電壓源的輸出電壓 與輸出電流 有關。 （1.4.1）20IRUU0S （a）電壓源電路 （b）伏安特性圖1.4.3 實際電源的電壓源模型電流源模型是用理想電流源與電阻并聯(lián)來表示實際電源。如圖1.4.4所示，其中 是理想電流源的輸出電流， 是電源的內(nèi)阻?？梢姡瑢嶋H電流源的輸出電流 與電源端電壓 有關。 （1.4.2）210SRUII（a）電流源電路 （b）伏安特性圖1.4.4 實際電源的

12、電流源模型電路中還有另外一種電源，電壓源的電壓和電流源的電流，是受電路中其它部分的電壓或電流控制的，這種電源稱為受控電源。受控電源有受控電壓源和受控電流源之分。受控電壓源和受控電流源又都可分為是受電壓控制的還是受電流控制的兩種。所以，受控電源又可分為電壓控制電壓源（VCVS）、電流控制電壓源(CCVS)、電壓控制電流源(VCCS)、電流控制電流源(CCCS)四種類型。四種理想受控電源的模型如圖1.4.5所示。 、 為控制量， 、 、 、 稱為控制系數(shù)。其中 和 無量綱， 具有電導的量綱， 具有電阻的量綱。221U1Igrgr（a）VCVS （b）CCVS（c）VCCS （d）CCCS圖1.4.

13、5 理想受控電源模型1.5 1.5 電路的工作狀態(tài) (a) (b) (c) 圖1.5.1 電路的有載、開路和短路狀態(tài)1.5.1 有載狀態(tài)將圖1.5.1（a）中的開關S合上。電源與負載接通，電路則處于有載狀態(tài)。電路中的電流為 （1.5.1）負載電阻兩端的電壓為則有 （1.5.2）23RREI0RIUIREU0由此可見，電源端電壓小于電動勢，差值為電源內(nèi)阻電壓降 。電流愈大， 愈大，電源端電壓下降愈多。表示電源端電壓 與輸出電流 之間關系的伏安特性曲線稱為電源的外特性曲線。如圖1.5.2所示。圖1.5.2 電源的外特性曲線電源輸出的功率為 （1.5.3）即 式中： 是電源產(chǎn)生的功率； 是電源內(nèi)部損

14、耗在內(nèi)阻 上的功率。在一個電路中，電源產(chǎn)生的功率之和等于電路中所消耗的功率之和。24200)(IREIIIREUIPPPPEEIP E20IRP 0R【例1.5.1】 圖1.5.3所示電路中，已知各元件的端電壓和通過的電流。（1）試指出哪些元件是電源，哪些元件是負載？（2）檢驗功率的平衡關系。 圖1.5.3 例1.5.1的電路25解：（1）在所有元件中，只有1號元件電流是從其高電位端流出，可見該元件是電源元件，輸出功率，其余的元件均為負載，吸收功率。（2）1號元件輸出功率為其余的元件吸收功率為兩者功率平衡。26W3606601PW3602448288212412648432PPP1.5.2 開

15、路狀態(tài)在圖1.5.1（b）所示電路中，當開關斷開時，電路則處于開路狀態(tài)，即空載狀態(tài)，開路時外電路的電阻對電源來說等于無窮大，因此電路中電流為零。此時負載上的電壓、電流和功率都為零。電源端電壓為此時的端電壓叫做電源的開路電壓，用 表示。 （1.5.4）開路時，因電流為零，電源不輸出功率。1.5.3 短路狀態(tài)在圖1.5.1（c）所示電路中，當由于某種原因而使電源兩端直接搭接時，電路則處于短路狀態(tài)。短路時，外電路的電阻對電源來講為零。電源自成回路，電流不再流經(jīng)負載，其電流為因 R0很小，所以電流很大，此時的電流叫做電源的短路電流。用Is 表示，有27EIREU0oUEUUo0REI 0SREII1.

16、6 電路的基本定律1.6.1 歐姆定律對一個線性電阻元件而言，流過電阻的電流與電阻兩端的電壓成正比，這就是歐姆定律。在圖1.6.1所示標定的電壓、電流參考方向下，歐姆定律可用下式表示。 （1.6.1）28IUR 圖1.6.1 歐姆定律1.6.2 基爾霍夫定律基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律。1. 基爾霍夫電流定律基爾霍夫電流定律又稱基爾霍夫第一定律，簡記為KCL，它描述了電路中結點處各支路電流之間的約束關系，其表達式為 （1.6.4）即對電路中的任何一個結點，其任一時刻的電流的代數(shù)和等于零。換句話說，對任一結點，在任一時刻，流出該結點的電流之和等于流入該結點的電流之和。電流定

17、律體現(xiàn)的是電流的連續(xù)性。290I2. 基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律又稱基爾霍夫第二定律。簡記為KVL，它描述了一個回路中各支路電壓或元件電壓之間的約束關系。其表達式為 （1.6.5）即對于電路中的任一回路，在任一時刻，按一定方向沿著回路循行一周，回路中所有支路電壓或元件電壓的代數(shù)和為零。【例1.6.3】 寫出圖1.6.7所示電路中電壓 的表達式。（a） （b） 圖1.6.7 例1.6.3的電路30 0U解：首先列出有部分電路構成的廣義回路的KVL方程，然后求出 。對圖1.6.7（a）可以列出 即 對圖1.6.7（b）選擇電阻 支路來列寫KVL方程。由KCL 因此有 即 310UERIRIEUIIISR0)(SUIIRRIRIUS1.7. 電路中電位的概念及計算 在電路中任選一點作為參考點，電路中某一點沿任一路徑到參考點的電壓降就叫做該點的電位。電位用 來表示。a點的電位記作 。參考點的電位稱為參考電位。通常設參考電位為零，即零電位點。用接地符號“”表示。 參考點確定后，電路中各點的電位也確定了。由于各點的電位是相對于參考點而言的。當參考點