電子電路初級概念

電子電路初級概念第一頁，共五十九頁，2022年，8月28日第一章電路的基本概念

和基本定律第二頁，共五十九頁，2022年，8月28日主要內(nèi)容：電路和電路模型電路的基本物理量及參考方向常用的元件電源及其特性基爾霍夫定律第三頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.1電路與電路模型1.1.1電路用來實現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換用來實現(xiàn)信號的傳遞和處理實際電路是由電氣設(shè)備和元器件按照一定的方式連接起來，為電流的流通提供路徑的總體。電路根據(jù)其基本功能可以分為兩大類:第四頁，共五十九頁，2022年，8月28日電路組成：電源：提供電能的設(shè)備和元器件負載：消耗電能的設(shè)備和元器件中間環(huán)節(jié)：連接電源和負載的電氣部分1.1.2電路模型實際電路可以由一個或若干個理想化的電路元件經(jīng)導(dǎo)體連接起來進行模擬，便構(gòu)成了電路模型。第五頁，共五十九頁，2022年，8月28日圖1.1手電筒電路及其電路模型

第六頁，共五十九頁，2022年，8月28日第七頁，共五十九頁，2022年，8月28日小測驗題試計算以下電路中各電阻上的電流和電壓US10VR13Ω3Ω6ΩR2R3第八頁，共五十九頁，2022年，8月28日在很多時候我們往往難以預(yù)先判斷元件電流和電壓的方向第九頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.2電路的基本物理量1.2.1電流及其參考方向電荷的定向運動形成電流。電流的大小是用單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體某一橫截面的電量進行衡量的，稱為電流強度，用符號i表示：

單位：A(安)mA(毫安)μA(微安)當(dāng)電流i的大小和方向均不變時，稱為直流電流，簡稱為直流（DC），常用大寫的I表示。第十頁，共五十九頁，2022年，8月28日習(xí)慣上規(guī)定正電荷運動的方向為電流的實際方向。當(dāng)電流的實際方向與其參考方向一致時，則電流為正值；當(dāng)電流的實際方向與其參考方向相反時，則電流為負值。電流的參考方向一般用箭頭表示，也可用雙下標(biāo)表示。在分析與計算電路時，?？扇我膺x定某一方向作為電流的參考方向，或稱為正方向。第十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日例1：a)

b)

圖1.2電流的參考方向與實際方向第十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.2.2電壓及其參考方向在電路中任選一點做參考點，其他各點到參考點的電壓叫做該點的電位，用符號V表示，通常選接地點作參考點，且電位為0。設(shè)電路中a、b兩點的電位分別為Va和Vb，則a、b兩點間的電壓與這兩點的電位的關(guān)系為：Uab=Va-Vb電壓定義為單位正電荷由a點移到b點時電場力所做的功，用U(u)表示，單位為V(伏特)第十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日例:已知Uab=5V,求分別將a、b兩點作為參考點時，a、b兩點的電位Va、Vb第十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日電壓與電位的區(qū)別：電路中任意兩點間的電壓，其數(shù)值是恒定不變的；而電路中某一點的電位是相對的，其值取決于參考點的選擇。電壓的方向：電壓的實際方向習(xí)慣上規(guī)定為電位降低（從高電位點到低電位點）的方向；在分析電路時，也需要對未知電壓任意規(guī)定電壓“參考方向”，通常用”+”、”-”、雙下標(biāo)或箭頭來表示。第十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日若電壓參考方向與實際方向一致，則電壓為正值；若不一致，則電壓為負值。圖1-3電壓的參考方向與實際方向注：今后在求電壓電流時，必須事先規(guī)定好參考方向，否則求出的值無意義。a)u>0

b)u<0

第十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日電壓電流的關(guān)聯(lián)參考方向：選定同一元件的電流參考方向與電壓參考方向一致，即電流的參考方向從電壓的正極性端流入該元件而從它的負極性端流出，稱為關(guān)聯(lián)參考方向。否則，為非關(guān)聯(lián)參考方向圖1-4

電壓和電流的關(guān)聯(lián)和非關(guān)聯(lián)參考方向

第十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日例2：如圖所示電路中，已知：I1=-2A，I2=6A，I3=8A，U1=140V，U2=-90V，U3=60V，試標(biāo)出各電流電壓的實際方向或極性。第十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.2.3電功率當(dāng)元件的電壓、電流為關(guān)聯(lián)參考方向時有：

p=ui當(dāng)元件的電壓、電流為非關(guān)聯(lián)參考方向時有：

p=-ui定義：單位時間內(nèi)能量的變化率，用P或p表示，單位為W(瓦)：第十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日無論關(guān)聯(lián)或非關(guān)聯(lián)參考方向，都有：當(dāng)計算結(jié)果為正值，即p>0時，則元件吸收（消耗）功率；當(dāng)計算結(jié)果為負值，即p<0時，則元件發(fā)出（產(chǎn)生）功率。例3：如圖1-5所示電路中，已知U=220V，I=-1A，試問哪個元件為負載？哪個元件為電源？第二十頁，共五十九頁，2022年，8月28日解：a)P=UI=220×(-1)=-220W，P為產(chǎn)生功率，元件性質(zhì)為電源；b)P=-UI=-220×(-1)=220W，P為消耗功率，元件性質(zhì)為負載；圖1-5第二十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日例4：二端元件所標(biāo)明的方向均為參考方向，已知它們是耗能元件。試選取電壓（電流）參考方向，并說明其實際方向。第二十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.3常用元件介紹1.3.1電阻元件第二十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.3常用元件介紹電阻指導(dǎo)體對電子運動呈現(xiàn)的阻力；電阻上的電壓與電流有確定的對應(yīng)關(guān)系，可以用u-i平面上的伏安特性曲線表示；1.3.1電阻元件線形電阻的伏安關(guān)系是一條通過原點的直線，電壓、電流的關(guān)系式為：R(電阻)單位為Ω，G(電導(dǎo))單位為S(西門子)或第二十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日線性電阻的功率：若u、i為關(guān)聯(lián)參考方向，則電阻R上消耗的功率為：

p=ui=（Ri）i=若u、i為非關(guān)聯(lián)參考方向，則:p=-ui=-(-Ri)i=可見，p>0，說明電阻總是消耗(吸收)功率，而與其上的電流、電壓極性無關(guān)。第二十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日含源支路歐姆定律I支路電壓方程:U=Uac=Uab+Ubc=RI+Us支路電壓方程:U=Uac=Uab+Ubc=－RI－Us第二十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日例4：根據(jù)圖示電路中的電流、電壓的參考方向，求支路電壓U。a)b)解：a）U=-IR+Usb）U=IR+Us第二十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.3.2電容元件第二十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.3.2電容元件電容器是一種能夠儲存電場能量的元件，儲存能量的多少通常用電容量C(簡稱電容)來表征。電容的單位為F(法拉)，此外還有μF(微法)、nF(納法)和pF(皮法)，它們之間的關(guān)系是：電容具有充放電的特性，電容放電時，相當(dāng)于一個電壓源。第二十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日圖1-6電容元件a)電路符號b)庫-伏特性電容元件的圖形符號如圖1-6a)所示，圖中極板上儲存的電荷量q與兩極板間的電壓u成線性關(guān)系，表達式為：此式對應(yīng)的庫-伏特性如圖1-6b)所示。第三十頁，共五十九頁，2022年，8月28日如圖所示，當(dāng)電壓、電流選為關(guān)聯(lián)方向時，其伏安關(guān)系為：上式說明電容電流與電壓的變化率呈正比，電壓變化越大，電流越大；如果電壓不變化（即為直流電壓），則i=0，電容相當(dāng)于開路。第三十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日設(shè)t=0時，電容兩端電壓u=0，則：同時得電容儲能公式為：由上式可以看出：任意時刻電容的儲能總是大于或等于零，所以電容是一個儲能元件，同時又是一個無源元件。第三十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.3.3電感元件第三十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.3.3電感元件電感同樣具有儲存和釋放能量的特點，它反映了電場與磁場之間能量的轉(zhuǎn)換；圖1-7電感元件a)電路符號b)韋-安特性第三十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.3.3電感元件a)電路符號b)韋-安特性電感儲存能量的多少通常用電感系數(shù)(簡稱電感)L來表示，其單位為H(亨)，此外還有mH、μH：

圖1-7電感元件第三十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.3.3電感元件a)電路符號b)韋-安特性圖1-7電感元件在圖1-7a)所示的關(guān)聯(lián)參考方向下，元件中電感的磁鏈與電流成線性關(guān)系，即：第三十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.3.3電感元件a)電路符號b)韋-安特性圖1-7電感元件根據(jù)電磁感應(yīng)定律，有：所以電感元件上的電壓和電流關(guān)系為：第三十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日當(dāng)i(0)=0時，上式可以寫成：電感的儲能公式：由上式可以看出：任意時刻電感的儲能總是大于或等于零，所以電感也是一個無源元件。第三十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.3.4電容、電感的串并聯(lián)圖1-8電容的串聯(lián)圖1-9電容的并聯(lián)電感串并聯(lián)時等效電感的求解方法與電阻的一致，與電容的相反。第三十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.4電源1.4.1電壓源理想電壓源端電壓為恒定值Us或固定的時間函數(shù)us(t)通過電壓源的電流i由外電路決定特性：圖1-10電壓源的電路符號第四十頁，共五十九頁，2022年，8月28日實際電壓源a)電路模型b)電壓、電流關(guān)系圖1-11實際電壓源實際電壓源的端電壓為：輸出電壓隨著外電路電流的變化而變化。第四十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.4.2電流源理想電流源圖1-12電流源電路符號特點：端電流（即輸出電流）不變電流源兩端的電壓由外電路決定第四十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日實際電流源a)電路模型b)電壓、電流關(guān)系圖1-13實際電流源實際電流源可以用一個理想電流源和內(nèi)阻并聯(lián)的模型來表示，它的輸出電流I為：第四十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.4.3受控源獨立電源指電源參數(shù)都由電源本身因素決定，不因電路的其他因素而改變。受控源指某條支路的電壓或電流要受到本支路以外的其他因素（電壓或電流）的控制；受控源描述電路中兩條支路電壓和電流間的一種約束關(guān)系，本質(zhì)上相當(dāng)于電阻。第四十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.5基爾霍夫定律基爾霍夫定律反映電路連接特性的定律，包括：基爾霍夫電流定律：描述電路中各電流之間的約束關(guān)系基爾霍夫電壓定律：描述電路中各電壓之間的約束關(guān)系第四十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日幾個基本概念：支路：同一電流流過的一個或幾個二端元件互相連接起來組成的分支。節(jié)點：電路中3條或3條以上支路的連接點稱為節(jié)點?；芈罚弘娐分腥我婚]合路徑。網(wǎng)孔：內(nèi)部不包含支路的回路第四十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.5.1基爾霍夫電流定律（KCL）KCL內(nèi)容：對電路中任一個節(jié)點，在任一時刻，流入該節(jié)點的所有支路電流的代數(shù)和恒等于零，即∑i=0KCL是電荷守恒的必然放映。注：“代數(shù)和”是根據(jù)電流流入節(jié)點還是流出節(jié)點來判斷的，在列寫KCL方程時，可以規(guī)定流入節(jié)點的電流為正，則流出節(jié)點的自然為負（也可作相反的規(guī)定）。第四十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日例5：圖1-14KCL用圖對節(jié)點a列寫KCL方程：此式還可以寫成:對于任一節(jié)點，在任一時刻，流入該節(jié)點的電流之和等于流出該節(jié)點的電流之和。第四十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日KCL的推廣應(yīng)用：對任意封閉面S，流入（或流出）封閉面的電流代數(shù)和等于零。圖1-15KCL的推廣用圖KCL方程為：第四十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日1.5.2基爾霍夫電壓定律（KVL）KVL內(nèi)容：對電路中任一閉合回路，在任一時刻，沿該回路各段電壓的代數(shù)和恒等于零。其一般表達式為：

∑u=0公式中各電壓符號的指定：首先要選定回路上的繞行方向（順時針或逆時針）,然后將回路上各段電壓參考方向與回路繞行方向比較，若兩個方向一致，則該電壓前面取正號，否則取負號。第五十頁，共五十九頁，2022年，8月28日例6：圖1-16KVL用圖KVL方程為：第五十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日習(xí)慣上對于電阻只標(biāo)注其電壓或電流的參考方向第五十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日KVL的推廣應(yīng)用：KVL不僅適用于電路中的任一閉合回路，還可推廣應(yīng)用于任一非閉合回路，但要注意將開口處的電壓列入方程。KVL方程為：第五十三頁，共五十九頁，2022年，8