電工電子技術教案

1、第1章 電路分析基礎本章要求: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用；3. 了解電路的通路、開路與短路狀態(tài)， 理解電功率和額定值的意義；4. 會計算電路中各點的電位。5. 了解實際電源的兩種模型及其等效變換。6. 掌握支路電流法、疊加原理和戴維寧定理等 電路的基本分析方法。1.1.1 電路及電路模型 電路是由若干電路元件或設備組成的，能夠傳輸能量、轉換能量；能夠采集電信號、傳遞和處理電信號的有機整體。 電路的組成：電 源信號源負載中間環(huán)節(jié) 1.1 電路元件1.電路的組成和作用電路電流流通的路徑。手電筒電路中間環(huán)節(jié)：連接電源和負載電路的作用：燈泡電池開關電源負載

2、電源：非電能 電能負載：電能 非電能電能的輸送和轉換（如電力工程）信號的傳遞與處理（如信息工程）返回發(fā)電機升壓變壓器降壓變壓器電燈電動機電爐電力系統(tǒng)電路示意圖輸電線中間環(huán)節(jié)負載放大器話筒揚聲器擴音機電路示意圖信號源（電源）電路系統(tǒng)的概念 系統(tǒng)是由若干互相關聯(lián)的單元或設備組成，并具有一定功能的有機整體。激勵響應 系統(tǒng)中電源（或信號源）的作用稱為激勵。 由激勵引起的結果（如某個元件的電流、電壓）稱為響應。2 理想元件和電路模型將實際電路中的元件用理想元件來表示，構成的電路圖電路模型,理想元件就是單一性質的元件。常用的理想元件RLE+_Is電阻電感電容恒壓源恒流源C+R 電路模型US+_RLSRO電

3、路模型是實際電路的科學抽象手電筒電路模型iuRL日光燈電路的模型 電路元件分類 線性元件 非線性元件 時變元件 非時變元件 有源元件 無源性元件 UsIRU+_E+_1.1.2 電流、電壓的參考方向1. 實際方向物理量單 位實際方向 - E +電流 IA, kA,mA,A正電荷定向移動的方向電壓 UV, kV,mV,V電場力作用,電位降落的方向電動勢 EV, kV,mV,V電源力作用,電位升高的方向+ I -+ U -分析計算電路時，人為任意設定的電量方向2. 參考方向（假設方向、正方向）I= 5AIRab= 5A例Rab注意：引入?yún)⒖挤较蚝?，物理量為代?shù)量 若計算結果為正(I 0)，則實際方

4、向與參考方向一致；若計算結果為負(I0)，則實際方向與參考方向相反。電流方向a b？電流方向b a？I參考方向的表示方法參考極性abUab 雙下標箭 標_+USabR參考方向的作用.便于列寫電路方程關聯(lián)參考方向.便于確定實際方向關聯(lián)參考方向 U與 I 的方向一致 +_IUabR_IUabR+非關聯(lián)參考方向 U與 I 的方向相反 U = I RU = -I R +_I=3AU=6VabR例應用歐姆定律求電阻Ra+_I=-3AU=6VbR +_I=3AU= 6VabR +_I=-3AU= 6VabR（3）應用歐姆定律列寫式子時，式中有_套正負號。列寫公式時，根據(jù)U、I 的_ 得_U、I 的值本身有

5、_和_之分（1）分析計算電路時，首先要畫出 ，標出電 壓、電流的 。（2）參考方向是_設定的。未標參考方向的前 提下，討論電壓、電流的正、負值是_ 。問題與討論電路圖參考方向兩參考方向公式中的正負號正值負值沒有意義的人為任意例試求：當U 分別為 3V 和 1V 時的電流IR解：(1) 假定電路各電量的參考方向如圖所示；(2) 列電路方程：IRR =1E= 2VURabU+(3) 數(shù)值計算（實際方向與假設方向一致）（實際方向與假設方向相反）1.1.3 電阻元件 電阻為耗能元件如電阻器、白熾燈、電爐等。實物Riu1.電壓與電流的基本關系R 的單位為歐姆（）（R 常用單位：、k、M ）伏 安 特性1

6、.1.3 電阻元件 電阻為耗能元件如電阻器、白熾燈、電爐等。返回oiuuio線性電阻的伏安特性非線性電阻的伏安特性2. 電阻的伏安特性注意: 歐姆定律僅適用于線性電阻電路。3.電阻元件的功率和能量在關聯(lián)參考方向下，電阻元件的功率為單位為瓦特（W）從t1到t2的時間內，電阻元件吸收的能量為單位為焦耳（J）1. 理想電壓源和理想電流源理想電壓源（恒壓源）: RO= 0 時的電壓源.特點：(1）輸出電 壓 U 不變，即 Uab US ； （2）電源中的電流 I 由外電路決定。外特性U = f (I)oIUUS1.1.4 獨立電源元件IUS+_abURL設: E=10VIE+_abUab2R1當R1

7、R2 同時接入時：I=10AR22例 當R1接入時 ： I=5A則：（3）恒壓源中的電壓 US為 零時，恒壓源視為短路。US=0+_（4）與恒壓源并聯(lián)的元件對外電路而言為可視為開路。E+_abR2E+_abR1R2Is恒壓源特性中不變的是：_ _ _US恒壓源特性中變化的是：_I_ 會引起 I 的變化。外電路的改變I 的變化可能是 _ 的變化， 或者是_ 的變化。大小方向恒壓源兩端可否短路？a+_IUSUabbR問題與討論否 因為R = 0 時理想電流源（恒流源): RO= 時的電流源. 特點：（1）輸出電流 I 不變，即 I IS 外特性（2）輸出電壓U由外電路決定。abIUIsRLIUab

8、ISoIUIsR設: IS=1 A R=10 時， U =10 V R=1 時， U =1 V則:例E+_abR1R2Is（3）恒流源的電流 IS為 零時，恒流源視為開路。（4）與恒流源串聯(lián)的元件對外電路而言為可視為短路。IS=0abR1Is恒流源特性中不變的是：_Is恒流源特性中變化的是：_Uab_ 會引起 Uab 的變化。外電路的改變Uab的變化可能是 _ 的變化， 或者是 _的變化。大小方向恒流源兩端可否開路？abIUabIsR問題與討論否 因為R = 時恒壓源中的電流如何決定？恒流源兩端的電壓等于多少？例串聯(lián)電流相同。電壓源中的電流 I= IS恒流源兩端的電壓取決外電路IUs R_+a

9、bUab=?Is解：恒壓源中的電流如何決定？恒流源兩端的電壓等于多少？例并聯(lián)電壓相同。電壓源中的電流取決外電路恒流源兩端的電壓解：aIUs R_+bUab=?IsIR 電功率的正負(1)概念：(2)公式：關聯(lián)時：IU+P = U I非關聯(lián)時：IU+P = -U I負載消耗（吸收）的功率；電源產生（提供）的功率。吸收（取用）功率，元件為負載發(fā)出（產生）功率，元件為電源若 P 0若 P 0(3)功率的正負：根據(jù)能量守恒定律電路中的功率平衡P = 0 例+ IRURUS2US1已知：US1 = 15V，US2 = 5V，R = 5，試求電流I 和各元件的功率。解： 已知：U1 = 20V， I1=2

10、A，U2=10V，I2=-1A， U3= -10V，I3 = -3A，試求元件的功率，并說明性質。I3 I2I1U3U2U11423例元件1功率 元件2功率 元件3功率 元件4功率 解： 元件1、2發(fā)出功率是電源，元件3、4吸收功率是負載。上述計算滿足P = 0 。2. 實際電壓源的兩種電路模型電壓源模型及外特性IURo越小斜率越小UIRO+-USRLUSO恒壓RO=0時，U= US外特性RO越大特性越陡電流源模型及外特性外特性ISROabIURLIUIS ROO恒流ISRO=時，I= IS3.電源(電路)的三種狀態(tài) (1).通路：電路中有電流和功率的轉換 電流：電壓：功率：RLIUabE+_

11、abRo+_RO I RO Uab 通路、開路、短路電氣設備的額定值額定值: 電氣設備在正常運行時的規(guī)定使用值電氣設備的三種運行狀態(tài):欠載(輕載)： I IN ，P IN ，P PN (設備易損壞)額定工作狀態(tài)： I = IN ，P = PN (經濟合理安全可靠) 額定值反映電氣設備的使用安全性； 額定值表示電氣設備的使用能力。例：燈泡：UN = 220V ，PN = 60W電阻： RN = 100 ，PN =1 W 額定電壓UN、額定電流IN 和額定功率PN（2）額定電流為100A的發(fā)電機，只接60A的照明負載，還有電流40A流到哪里去了？問題與討論（1）一個100、1W的電阻器，在使用時允

12、許流過的電流和允許加的電壓不得超過多少？答:不存在40A.電源的輸出功率和輸出電流取決于負載.答:2.開路：開路電壓：特點：Uo= EIE+_RoUoabRL+_輸出功率P = 0 輸出電流I = 0有源二端網絡ab無源二端網絡abUo+_Roab3.短路：IsUabE+_abRoRLFU特點：輸出功率P = 0 輸出電壓U = 0短路電流：短路保護: 熔斷器FU工作短接:ASR1R24. 兩種電源的等效變換 等效互換的條件：對外的電壓電流相等。I = IUab = Uab即：IRO+-USbaUabUabISabIROaUS+-bIUabRO電壓源電流源UabRoIsabI 等效互換公式+等

13、效變換的注意事項(1) 兩電路對外等效，外特性一致。(2) 兩內阻相等（Ro =Ro），所接位置不同。(3) IS流出端對應US的正極“+” 。 +aUSbIRo(Ro 、Ro不一定必須是電源的內阻。)ISaRobI（4）兩電路的內部不等效，其內阻 的壓降和內阻的損耗一般不相等。（5）恒壓源和恒流源不能等效互換abIUabIsaUS +bI 應用舉例例10V+2A3 1 2 I10V+3 1 I2 4V+I=?1A6 2V+2 3 4A2 2 I+1A3 12V+6 2 2 2 I6VI=?例(接上頁)1A6 2V+2 3 4A2 2 I3A1 2V-+2 2 I+1 3V+2 2V2 I-1

14、0V+2A2I討論題哪個答案對?+10V+4V21.1.5 電路中電位的概念和計算電位：參考點：1.電位的概念電路中某點的是對參考點的電壓零電位點、O點、“地”電力工程中以大地為參考點電子線路以輸入、輸出的公共線為參考點放大器bR1R2E2E1+-R3+_acdbR1R2R3a+E1-E2cd設b點為參考點:c點的電位為: Uc = E1d點的電位為: Ud = -E2電子電路的習慣畫法R1R2+15V-15V 參考電位在哪里？R1R215V+-正電源負電源電子電路的習慣畫法：電源電壓用電位值給出正電位值表示正電源，電源的負極接地。負電位值表示負電源，電源的正極接地。15V+-S斷開時各電阻為

15、同一電流其中：UD=+12V ；UC=12V S閉合上時：例試求開關S斷開和閉合時電路中各點的電位解：2. 電位計算AB4k6kC20kS12V+12VDUA = 4V UB = 7.2V UD=+12V ； UC=12VUA = 2V UB = 0Ua = 5V a 點電位：ab15AUb 5V b 點電位：例試求圖示電路中各點的電位及電壓UabUb= 0V b點電位：Ua = 0V a 點電位：ab15A可見:電位與參考點的選擇有關； 電壓與參考點的選擇無關. Uab = Ua- UbUab = 5VUab = 5V電位與參考點的選擇有關； 電壓與參考點的選擇無關例試分別以電路中的a、b、

16、c點為參考點求電位和電壓。注意：電壓等于電位之差。如Uab=Ua- Ub+_3V+_6Vabc參考點電位和電壓UaUbUcUabUbcUcaa為參考點0V-3V-9V3V6V-9Vb 為參考點3V0V-6V3V6V-9Vc為參考點9V6V0V3V6V-9V 1.2 基爾霍夫定律基爾霍夫電流定律(KCL)應用于結點基爾霍夫電壓定律(KVL)應用于回路名詞注釋：結點：三個或三個以上支路的聯(lián)結點支路：電路中每一個分支回路：電路中任一閉合路徑網孔：單孔回路支路：ab、ad、bc、 ; I1 I2 I6 （共6條）回路：abda、 bcdb、 . （共7 個）結點：a、 b、c、d (共4個）例I3E4

17、E3_+R3R6+R4R5R1R2abcdI1I2I5I6I4-確定電路中的支路、結點、回路、網孔數(shù)目。網孔：abda、 bcdb、 adca （共3 個）1.2.1 基爾霍夫電流定律(KCL)I1I2I3I4定律的依據(jù)：電荷守恒、電流的連續(xù)性或：1.定律內容對任何結點，在任一瞬間， I =0或：流入取正號，流出取負號。例流入流出廣義結點 I1+I2=I3I = 0I=?2.定律推廣封閉面例例I1I2I3例IEICIBIE = IB+IC8V9V+_3 4 +_4 6 2 I1.2.2 基爾霍夫電壓定律(KVL) 在任一瞬間，沿任意閉合回路循行方向繞行一周，例如： 回路 a-d-c-a電位升電

18、位降或：或：1.定律內容I3E4E3_+R3R6+R4R5R1R2abcdI1I2I5I6I4-升取正號降取負號電位升電位降2.定律推廣開口電路假想的閉合回路例例一段有源電路的歐姆定律IUS+_RabUab+_US+_Ra bUabI+_R2R1USI+U2U1例分壓公式 例分流公式 R2R1UISI2I11.3.3 基爾霍夫定律的應用(1) 特點：以支路電流為未知量，應用KCL和KVL 列方程，然后聯(lián)立求解。(2) 解題步驟：確定支路數(shù)目（b），結點數(shù)目（n），網孔數(shù)目（m）。由KCL列（ n -1）個結點的電流方程。由KVL列m個網孔回路的電壓方程。代入數(shù)據(jù)，解聯(lián)立方程，求出各 個支路電流

19、。1.支路電流法例試用支路電流法求各支路電流。解：圖示電路， b=3， n=2， m=2。由KCL列a點:由KVL列回路1:回路2:代入數(shù)據(jù)，解聯(lián)求解，可得I1 = 4A，I2 = -1A，I3 = 3A。baI1I2US220V+R1 2 R38 R2 4 +_I312US132V例試用支路電流法求各支路電流。解：圖中含恒流源的支路， I1= IS = 5A只需列兩個方程。 由KCL列a點由KVL列回路1代入數(shù)據(jù)，解聯(lián)求解，可得I2 = 2A，I3 = -3A。R34R18R21baIS5AI2I3US10VI1+-1注意：圖中含恒流源的支路時， 可減少列方程數(shù)。 列回路方程時，要避開含恒流

20、源的支路。討論題你能否很快說I1、I2 、I3 、I4 、I5 出結果？1+3V4V11+5VI1I2I3I4I5支路電流法小結優(yōu)點：支路電流法是電路分析中最基本的 方法之一。只要根據(jù)基爾霍夫定律 列方程，就能得出結果。缺點：電路中支路數(shù)多時，所需方程的個 數(shù)較多，求解顯得十分繁瑣 。支路數(shù) B=4須列4個方程式ab(1) 特點 在只有兩個結點的電路中，先用公式 求結點電壓，再求各支路電流。2.結點電壓法 (彌爾曼定理)支路數(shù) b=3，結點n=2支路電流法須列3個方程式 若能先求出a、b兩點的電壓Uab ，再求出各個支路電流就容易多了。R2R1+-I1-+UabbaR3US2US1I2I3(2

21、) 公式+I1+R2UabbaR3R1US2US1I2I3設結點電壓為Uab，則 :結點a:代入結點a的電流方程，經整理后可得兩結點的結點電壓公式:分母為兩結點之間各支路的電阻的倒數(shù)和 分子為各支路US與本支路R相除后的代數(shù)和。當US與Uab的參考方向一致時取正號，相反時則取負號。（或各支路恒流源IS的代數(shù)和，一致取負號，相反取正號。）結點電壓公式:注意：等效恒流源的電流+-I1-+R2UabbaR3R1US2US1I2I3例試用結點電壓法求各支路電流。已知US1 = 54V，US2 = 72V，R1 = 3R2 = 6，R3 = 2。解：+-I1-+R2UabbaR3R1US2US1I2I3

22、結點電壓法應用舉例（接上頁）I1U1U3R1R4R3R2I4I3I2AB試求A點的電位及各支路電流。設UB = 0 V解：則：例RS與恒流源串聯(lián)對外可視為短路則：BR1I2I1E1IsR2ARS?試求A點的電位。例設解：1.3 疊加定理1. 3.1 定理內容： 含有多個電源的線性電路中的電壓或電流，等于各電源單獨作用時，對應的電壓或電流的代數(shù)和。線性電路：R=常數(shù)去源方法：恒壓源短接，恒流源開路代數(shù)和：以原電路的電壓或電流方向為準，一致取正號，相反取負號。注意：=+I2I3I1R2R3R1ISUS+-(a) 原電路R2R3R1ISUS=0(b) IS單獨作用電路R2R3R1IS=0US+-(c

23、) US單獨作用電路解：（1）畫出原電路及各個電源單獨作用的電路，并標出各支路電流的參考方向。 1.3.2 應用舉例例如圖示,已知US = 9V，IS = 6A，R1 = 6，R2 = 4，R3 = 3。試用疊加原理求各支路中的電流。US單獨作用：R2R3R1IS=0US+- US單獨作用電路IS單獨作用：R2R3R1ISUS=0IS單獨作用電路（2）計算各電源單獨作用時的，各支路的電流。 （3）疊加求出原電路中各支路電流。 =+I2I3I1R2R3R1ISUS+-(a) 原電路R2R3R1ISUS=0(b) IS單獨作用電路R2R3R1IS=0US+-(c) US單獨作用電路例+-10I4A

24、20V1010用疊加原理求：I= ?I=2AI= -1AI = I+ I= 1A+10I4A1010+-10I 20V1010解： 在用疊加原理求解受控源電路時，只應分別考慮獨立源的單獨作用；而受控源僅作一般電路參數(shù)處理，不能單獨作用。例用疊加原理求I1+-12V132I1I16A+-(1) 12V單獨作用() 6A單獨作用12V+-132I1I16A+-I112V+-132I1+-2I1I1136A+-I1-61.3.3. 幾點注意1. 疊加定理只適用于線性電路（電路參數(shù)不隨電壓、 電流的變化而改變）。 去電源時，恒壓源短接，恒流源開路，電路的結構 和其它參數(shù)不變。3. 解題時要標明各支路電

25、流、電壓的正方向。原電 路中各電壓、電流的最后結果是各分電壓、分電 流的代數(shù)和。=+4. 疊加原理只能用于電壓或電流的計算，不能用來求功率。如：5. 運用疊加定理時也可以把電源分組求解，每個分 電路的電源個數(shù)可能不止一個。 設：則：I3R3=+例已知： US =1V、IS=1A 時Uo=0V；US =10 V、IS=0A 時，Uo=1V求：US =0 V、IS=10A 時 Uo=?US線性無源網絡UOIS設解：（1）和（ 2）聯(lián)立求解得：1.4 等效電源定理 有源二端網絡RABU+-IABRU+-I等效電源定理用于化簡復雜電路有源二端網絡將有源二端網絡等效為等效電壓源或等效電流源有源二端網絡用

26、電壓源替代 的方法稱戴維寧定理有源二端網絡用電流源替代的方法稱諾頓定理1.4.1 戴維寧定理1. 定理內容 任意一個線性有源二端網絡對外都可等效為等效電壓源。UoRo+_RL戴維寧等效電路ABU+-IRL有源二端網絡ABU+-I有源二端網絡 有源二端網絡去源后端口的等效電阻Ro等于等效電壓源的內阻（去源方法：恒壓源短接，恒流源開路。） 有源二端網絡端口的開路電壓Uo 等于等效電壓源的電動勢有源二端網絡AB開路求電壓Uo無源二端網絡AB去源求內阻Ro求:I = ?例2. 應用舉例3 642 2 AIS+_18VbaIUSR1R2R3R解: (1) 求開路電壓Uo3 62 2 AIS+_18VbaUoUSR1R2R3(2)求等效內阻Ro3 62 baRoUS=0R1R2R3IS=0(3) 求未知電流 I+_UoRoRI戴維