电路与电子技术第一章讲解

电路 主讲 冯鹄 13982317765 fg0905 电路分析的主要任务 在于解得电路物理量 其中最基本的电路物理量就是电流 电压和 功率 1 1 电路和电路的基本物理量 为了某种需要而由电源 导线 开关和负载按 一定方式组合起来的电流的通路称为电路 电路的主要功能 一 进行能量的转换 传输和分配 二 实现信号的传递 存储和处理 电路的作用与组成部分 1 实现电能的传输 分配与转换 2 实现信号的传递与处理 放 大 器 扬声器 话筒 1 电路的作用 电路是电流的通路 是为了某种需要由电工设备 或电路元件按一定方式组合而成 发电机 升压 变压器 降压 变压器 电灯 电动机 电炉 输电线 2 电路的组成部分 电源 提供 电能的装置 负载 取用 电能的装置 中间环节 传递 分 配和控制电能的作用 发电机 升压 变压器 降压 变压器 电灯 电动机 电炉 输电线 直流电源 直流电源 提供能源 负载 信号源 提供信息 2 电路的组成部分 放 大 器 扬声器 话筒 电源或信号源的电压或电流称为激励 它推动电路 工作 由激励所产生的电压和电流称为响应 信号处理 放大 调谐 检波等 电路模型 手电筒的电路模型 为了便于用数学方法分析电路 一般要将实际电 路模型化 用足以反映其电磁性质的理想电路元件或 其组合来模拟实际电路中的器件 从而构成与实际电 路相对应的电路模型 例 手电筒 手电筒由电池 灯 泡 开关和筒体组成 理想电路元件主要有 电阻元件 电感元件 电 容元件和电源元件等 R 0 R 开关 E I 电珠 U 干电池 导线 手电筒的电路模型 电池 是电源元件 其 参数为电动势 E 和内阻 R o 灯泡 主要具有消耗电能 的性质 是电阻元件 其 参数为电阻 R 筒体 用来连接电池和灯 泡 其电阻忽略不计 认 为是无电阻的理想导体 开关 用来控制电路的通 断 今后分析的都是指电 路模型 简称电路 在 电路图中 各种电路元 件都用规定的图形符号 表示 R 0 R 开关 E I 电珠 U 干电池 导线 电流 电荷的定向移动形成电流 电流的大小用 电流强度 表示 简称电流 电流强度 单位时间内通过导体截面的电荷量 大写 I 表示直流电流 小写 i 表示电流的一般符号 dt dq i 正电荷运动方向规定为 电流的实际方向 电流的方向用一个箭头表示 任意假设的电流方向称为 电流的参考方向 参考方向 实际方向 a i 0 a b 参考方向 实际方向 b i 0 a b i i 如果求出的电流值为正 说明参考方向 与实际方向一致 否则说明参考方向与实际 方向相反 电压 电位 电路中 a b 点两点间的 电压 定义为单位正 电荷由 a 点移至 b 点电场力所做的功 dq dW u ab ab 电路中某点的 电位 定义为单位正电荷由该 点移至参考点电场力所做的功 电路中 a b 点两点间的电压等于 a b 两点 的电位差 b a ab u u u 电压的实际方向 规定由电位高处指向电位低处 与电流方向的处理方法类似 可任选一方向为 电压的参考方向 例 当 u a 3V u b 2V 时 u 1 1V 最后求得的 u 为正值 说明电压的实际方向 与参考方向一致 否则说明两者相反 u 2 1V u 1 a b u 2 a b 对一个元件 电流参考方向和电压参考 方向可以相互独立地任意确定 但为了方便 起见 常常将其取为一致 称 关联方向 如 不一致 称 非关联方向 u a 关联方向 a b i u b 非关联方向 a b i 如果采用关联方向 在标示时标出一种即 可 如果采用非关联方向 则必须全部标示 电功率 电场力在单位时间内所做的功称为 电功率 简称功率 dt dW p 功率与电流 电压的关系 关联方向时 p ui 非关联方向时 p ui p 0 时吸收功率 p 0 时放出功率 U 5V a b I 2A U 5V I 2A c U 5V I 2A 例 求图示各元件的功率 a 关联方向 P UI 5 2 10W P 0 吸收 10W 功率 b 关联方向 P UI 5 2 10W P 0 产生 10W 功率 c 非关联方向 P UI 5 2 10W P 0 吸收 10W 功率 总结 电压和电流的参考方向 物理中对基本物理量规定的方向 1 电路基本物理量的实际方向 物理量 实 际 方 向 电流 I 正电荷运动的方向 电动势 E 电位升高的方向 电压 U 电位降低的方向 高电位 低电位 单 位 kA A mA A 低电位 高电位 kV V mV V kV V mV V 2 参考方向的表示方法 电流 U ab 双下标 电压 1 参考方向 I 在分析与计算电路时 对 电量任意假定的方向 I ab 双下标 2 电路基本物理量的参考方向 箭 标 a b R I 正负极性 a b U U R 0 E 3V 注意 在参考方向选定后 电流 或电压 值才有正负之分 实际方向与参考方向 一致 电流 或电压 值为 正值 实际方向与参考方向 相反 电流 或电压 值为 负值 3 实际方向与参考方向的关系 I 0 28A I 0 28A 电动势 为 E 3V 方向由负极 指向正极 U R 0 E 3V U 例 电路如图所示 电流 I 的参考方向 与实际方向相同 I 0 28A 由 流向 反之亦然 电压 U 的参考方向与实际 方向相反 U 2 8V 即 U U 电压 U 的参考方向与实际 方向相同 U 2 8V 方向由 指向 2 8V 2 8V 欧姆定律 U I 参考方向相同时 U I 参考方向相反时 R U I R U I 表达式中有两套正负号 1 式前的正负号由 U I 参考方向的关系确定 2 U I 值本身的正负则说明实际方向与参考方向 之间的关系 通常取 U I 参考方向相同 U IR U IR 解 对图 a 有 U IR 例 应用欧姆定律对下图电路列出式子 并求电阻 R 对图 b 有 U IR 注意负号与 P UI 的 负号相同 3 2 6 I U R 所 以 3 2 6 I U R 所以 R U 6V 2A R U 6V I a b I 2A 电流的参考方向 与实际方向相反 电压与电流参 考方向相反 1 2 电路基本元件 常见的电路元件有 电阻元件 电容 元件 电感元件 电压源 电流源 电路元件在电路中的作用或者说它 的性质是用其端钮的电压 电流关系即 伏安关系 V AR 来决定的 1 2 1 无源元件 伏安关系 欧姆定律 关联方向时 u Ri 非关联方向时 u Ri 1 电阻元件 符号 R i u 功率 R u Ri ui p 2 2 电阻元件是一种消耗电能的元件 电路端电压与电流的关系称为伏安特性 遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻 它表示该段 电路电压与电流的比值为常数 I A U V o 线性电阻的伏安特性 线性电阻的概念 常数 即 I U R 线性电阻的伏安特性 是一条过原点的直线 伏安关系 2 电感元件 符号 电感元件是一种能够贮存磁场能量的元 件 是实际电感器的理想化模型 u i L dt di L u dt di L u 称为电感元件的电感 单位是亨利 只有电感上的电流变化时 电感 两端才有电压 在直流电路中 电感上即使有电流通过 但 相当于 短路 3 电容元件 电容元件是一种能够贮存电场能量的元 件 是实际电容器的理想化模型 伏安关系 符号 i C u dt du C i dt du C i 只有电容上的电压变化时 电容两 端才有电流 在直流电路中 电容 上即使有电压 但 相当于 开路 即 电容具有 隔直作用 C 称为电容元件的电容 单位是法拉 F 1 2 2 有源元件 电压源与电流源 1 伏安关系 电压源 u u S 端电压为 u s 与流过电 压源的电流无关 由电 源本身确定 电流任意 由外电路确定 电流源 i i S 流过电流为 i s 与电源 两端电压无关 由电 源本身确定 电压任 意 由外电路确定 2 特性曲线与符号 u U s O t i I s O u 电压源 电流源 U s u s i s 电源的两种模型及其等效变换 电压源模型 电压源模型 由上图电路可得 U E IR 0 若 R 0 0 理想电压源 U E U O E 电压源的外特性 I U I R L R 0 E U 电压源是由电动势 E 和内阻 R 0 串联的电源的 电路模型 0 S R E I 若 R 0 R L U E 可近似认为是理想电压源 理想电压源 O 电压源 理想电压源 恒压源 例 1 2 输出电压是一定值 恒等于电动势 对直流电压 有 U E 3 恒压源中的电流由外电路决定 特点 1 内阻 R 0 0 I E U 设 E 10V 接上 R L 后 恒压源对外输出电流 R L 当 R L 1 时 U 10V I 10A 当 R L 10 时 U 10V I 1A 外特性曲线 I U E O 电压恒定 电 流随负载变化 电流源模型 0 S R U I I I R L U 0 I S R 0 电流源的外特性 I U 理 想 电 流 源 O I S 电流源是由电流 I S 和内阻 R 0 并联的电源的 电路模型 由上图电路可得 若 R 0 理想电流源 I I S 若 R 0 R L I I S 可近似认为是理想电流源 电流源 电流源模型 R 0 U R 0 U I S 理想电流源 恒流源 例 1 2 输出电流是一定值 恒等于电流 I S 3 恒流源两端的电压 U 由外电路决定 特点 1 内阻 R 0 设 I S 10A 接上 R L 后 恒流源对外输出电流 R L 当 R L 1 时 I 10A U 10V 当 R L 10 时 I 10A U 100V 外特性曲线 I U I S O I I S U 电流恒定 电压随负载变化 基尔霍夫定律 支路 电路中的每一个分支 一条支路流过一个电流 称为支路电流 结点 三条或三条以上支路的联接点 回路 由支路组成的闭合路径 网孔 内部不含支路的回路 I 1 I 2 I 3 1 2 3 b a E 2 R 2 R 3 R 1 E 1 例 支路 ab bc ca 共 6 条 回路 abda abca adbca 共 7 个 结点 a b c d 共 4 个 网孔 abd abc bcd 共 3 个 a d b c E G I 2 I 4 I G I 1 I 3 I 基尔霍夫电流定律 KCL 定律 1 定律 即 入 出 在任一瞬间 流向任一结点的电流等于流出该结 点的电流 实质 电流连续性的体现 或 0 对结点 a I 1 I 2 I 3 或 I 1 I 2 I 3 0 基尔霍夫电流定律 KCL 反映了电路中任一 结点处各支路电流间相互制约的关系 b a E 2 R 2 R 3 R 1 E 1 I 1 I 2 I 3 在任一瞬时 流入任一节点的电流之和必 定等于从该节点流出的电流之和 出 入 i i 在任一瞬时 通过任一节点电流的代数和 恒等于零 0 i 表述一 表述二 可假定流入节点的电流为正 流出节点 的电流为负 也可以作相反的假定 所有电流均为正 电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一 假设的闭合面 2 推广 I 例 I 0 I A I B I C 0 2 I 5 1 1 5 6V 12V I A I B I CA I BC I AB A C B I C 广义结点 在任一瞬间 沿任一回路循行方向 回路中各 段电压的代数和恒等于零 基尔霍夫电压定律 KVL 定律 1 定律 即 U 0 在任一瞬间 从回路中任一点出发 沿回路循行 一周 则在这个方向上电位升之和等于电位降之和 对回路 1 对回路 2 E 1 I 1 R 1 I 3 R 3 I 2 R 2 I 3 R 3 E 2 或 I 1 R 1 I 3 R 3 E 1 0 或 I 2 R 2 I 3 R 3 E 2 0 1 2 基尔霍夫电压定律 KVL 反映了电路中任一 回路中各段电压间相互制约的关系 I 1 I 2 I 3 b a E 2 R 2 R 3 R 1 E 1 表述一 表