单元1电工电子技术课件.ppt

1、单元一单元一 电路的基础知识及其分析方法电路的基础知识及其分析方法 电路电路是为了某种需要而将某些电工设备或元件按一定是为了某种需要而将某些电工设备或元件按一定方式组合起来的电流通路。方式组合起来的电流通路。电路有时又称电路有时又称电网络电网络，简称，简称网络网络。内部不含电源的网络称为内部不含电源的网络称为无源网络无源网络，含有电源的网络，含有电源的网络称为称为有源网络有源网络。(a)无源二端网络无源二端网络 (b)有源二端网络有源二端网络 电路由电源电源、负载负载和中间环节中间环节三部分组成。电源电源是将非电形态的能量转换为电能的供电设备，例如蓄电池、发电机和信号源等；负载负载是将电能转换

2、成非电形态能量的用电设备，例如电动机、照明灯和电炉等；中间环节中间环节主要是连接导线。电源电源:提供提供电能的装置电能的装置负载负载:取用取用电能的装置电能的装置中间环节：中间环节：传递、分传递、分配和控制电能的作用配和控制电能的作用发电机发电机升压升压变压器变压器降压降压变压器变压器电灯电灯电动机电动机电炉电炉.输电线输电线直流电源直流电源:提供能源提供能源信号处理：信号处理：放大、调谐、检波等放大、调谐、检波等负载负载信号源信号源:提供信息提供信息放放大大器器扬声器扬声器话筒话筒 理想理想电路元件电路元件理想理想有源元件有源元件理想理想无源元件无源元件理理想想电电压压源源理理想想电电流流源

3、源电电阻阻R电电感感L电电容容C学习这部分内容要注学习这部分内容要注意掌握每一种元件的意掌握每一种元件的定义及其两端的电压、定义及其两端的电压、电流关系。电流关系。1.1.电流电流的定义的定义单位时间内通过电路某一横截面的电荷单位时间内通过电路某一横截面的电荷 量量 称称为电流。因此，在直流电路中电流用为电流。因此，在直流电路中电流用I 表示，它表示，它与电荷与电荷 量量 Q、时间时间t t的关系为的关系为式中式中Q的单位为库的单位为库 仑仑(C)；t的单位为秒的单位为秒(s)；I的的单位为安单位为安 培培(A)，实用中还有毫安，实用中还有毫安(mA)和微和微安安(A)等。随时间变化的电流用等

4、。随时间变化的电流用i表示，它等于表示，它等于电荷电荷 量量 q对时间对时间t的变化率，即的变化率，即QIt0limtqdqitdt 2.2.电流的方向电流的方向 电流的电流的实际方向实际方向规定为正电荷运动的方向或负电规定为正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向。荷运动的反方向。电流的参考方向电流的参考方向是为分析电路方便，任意假定一是为分析电路方便，任意假定一个方向作为电流的方向，在电路图中用箭头表示。个方向作为电流的方向，在电路图中用箭头表示。元件参考方向实际方向I 0元件参考方向实际方向I 0如果电流的如果电流的实际方向实际方向与与参考方向参考方向一致一致，电流，电流为正值，如图左图所示

5、；为正值，如图左图所示；如果两者相反，电流为负值，如图右图所示。如果两者相反，电流为负值，如图右图所示。例例1 如图所示，各电流的参考方向已设定，已如图所示，各电流的参考方向已设定，已知知I1=10A,I2=-2A,I3=8A，试确定，试确定I1、I2、I3的实的实际方向。际方向。aI1I2I3cbdaI1I2I3cbd解解：I10,故故I1的实际方向与参考方向相同，的实际方向与参考方向相同，I1由由a点流向点流向b点。点。I20,故故I3的实际方向与参考方向相同，的实际方向与参考方向相同，I3由由b点流向点流向d点。点。1.1.电压的定义电压的定义 两点间的电压在数值上等于单位正电荷在电两点

6、间的电压在数值上等于单位正电荷在电场力作用下，从电路中的一点移至另一点时电场场力作用下，从电路中的一点移至另一点时电场力所做的功。力所做的功。2.电压的方向电压的方向实际方向与参考方向实际方向与参考方向一致一致，电流，电流(或电压或电压)值为值为正值正值；实际方向与参考方向实际方向与参考方向相反相反，电流，电流(或电压或电压)值为值为负值负值。注意：注意：在参考方向选定后，电流在参考方向选定后，电流(或电压或电压)值才有正负值才有正负之分。之分。若若 I=5A，则电流从则电流从 a 流向流向 b；例：例：若若 I=5A，则电流从，则电流从 b 流向流向 a。abRIabRU+若若 U=5V，则

7、电压的实际方向，则电压的实际方向从从 a 指向指向 b；若若 U=5V，则电压的实际方向，则电压的实际方向从从 b 指向指向 a。例例1-1-2 如图所示电路中，已知如图所示电路中，已知U2=3V，U3=4V，U5=6V，U6=2V，U7=3V。求：求：U4和和U1，并根据图中，并根据图中所示参考极性和已知电压值，用箭头虚线标出各所示参考极性和已知电压值，用箭头虚线标出各电压的实际方向。电压的实际方向。4365(3)2(6)5bcbeeddcUUUUUUUUV 解：解：12373(4)32afabbeefUUUUUUUUV 3.3.关联与非关联参考方向关联与非关联参考方向在分析和计算电路时，电

8、压和电流参考方向的假在分析和计算电路时，电压和电流参考方向的假定原则上是任意的，但为简便起见，需要将电压与定原则上是任意的，但为简便起见，需要将电压与电流的参考方向联系起来考虑。电流的参考方向联系起来考虑。当电压与电流参考方向一致时，即电流从电压当电压与电流参考方向一致时，即电流从电压的的“+”流向流向“-”，则称为关联参考方向，如图，则称为关联参考方向，如图(a)(d)所示；所示；若不一致，则称为非关联参考方向，如图若不一致，则称为非关联参考方向，如图(b)(c)所示。所示。欧姆定律的应用欧姆定律的应用U、I 参考方向相同时，参考方向相同时，RU+IRU+I 表达式中有两套正负号：表达式中有

9、两套正负号：式前的正负号由式前的正负号由U、I 参考方向的关系确定；参考方向的关系确定；U、I 值本身的正负则说明实际方向与参考值本身的正负则说明实际方向与参考 方向之间的关系。方向之间的关系。通常取通常取 U、I 参考方向相同。参考方向相同。U=I R解：解：对图对图(a)有有,U=IR例：例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。对图对图(b)有有,U=IR326 :IUR所以所以326:IUR所以所以RU6V+2AR+U6V I(a)(b)I2A 遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段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

10、流的比值为常数。电路电压与电流的比值为常数。I/AU/Vo线性电阻的伏安特性线性电阻的伏安特性常数常数即：即：IUR 例例1-1-3 如图所示电路中，如图所示电路中，U=5V，I=-1V，求，求R=?解：解：55(1)URAI 1.61.6功率功率1电功率电功率的定义的定义 电功率电功率(简称功率简称功率)所表示的物理意义是电路所表示的物理意义是电路元件或设备在单位时间内吸收或发出的电能，元件或设备在单位时间内吸收或发出的电能，用符号用符号P或或p表示。表示。在国际单位制（在国际单位制（SI）中，功率单位为瓦特）中，功率单位为瓦特(W)，常用的单位还有毫瓦，常用的单位还有毫瓦(mW)、千瓦、千

11、瓦(kW)，它们与它们与W的换算关系是的换算关系是3110;mWW3110kWW对于关联参考方向的电路，如图对于关联参考方向的电路，如图(a)，有，有2.功率计算公式功率计算公式P=UI对于非关联参考方向的电路，如图对于非关联参考方向的电路，如图(b)，有，有P=-UI试试判断如图所示四个二端网络的工作状态，说明判断如图所示四个二端网络的工作状态，说明它们是发出功率（是电源）还是吸收功率（是负它们是发出功率（是电源）还是吸收功率（是负载）。载）。例例1-1-4 5 210PUIW 5 210PUIW，为负载（吸收功率），为负载（吸收功率），为负载（吸收功率），为负载（吸收功率），为负载（吸收功

12、率），为负载（吸收功率）(c)(d)例例1-1-4 5210PUIW (a)(5 2)10PUIW ，为电源（发出功率）为电源（发出功率）(b)解：解：在如图在如图1-1-17电路电路(a)中，中，Iab=1A，求该元件的，求该元件的功率；电路（功率；电路（b）中，如元件发出功率为）中，如元件发出功率为5W，试求电流试求电流Iab=?例例1-1-5 (a)2 12ababPU IW,为负载（吸收功率）为负载（吸收功率）(b)因为因为(2)abababPU II 又又因为发出功率为因为发出功率为 P=-5W所以，有所以，有 5(2)abWI 则则 2.5abIA 负号表明电流方向应由负号表明电流

13、方向应由b到到a。例例1-1-5 解：解：电路中任一瞬间，各元件吸收（消耗）功率之电路中任一瞬间，各元件吸收（消耗）功率之和等于各元件发出（提供）功率之和，这一规律和等于各元件发出（提供）功率之和，这一规律称为电路的功率平衡，即：称为电路的功率平衡，即：EPPP式中：式中：EPEI，是电源产生的功率；，是电源产生的功率；20PR I，是电源内阻上损耗的功率；，是电源内阻上损耗的功率；PUI，是电源输出的功率。，是电源输出的功率。P（吸收吸收）=P（发出发出）功率平衡式也可表述为：功率平衡式也可表述为：3.电路的功率平衡电路的功率平衡 4.额定值额定值额定值额定值:电气设备在正常运行时的规定使用

14、值电气设备在正常运行时的规定使用值：I IN，P IN，P PN 额定工作状态：额定工作状态：I=IN，P=PN 1.额定值反映电气设备的使用安全性；额定值反映电气设备的使用安全性；2.额定值表示电气设备的使用能力。额定值表示电气设备的使用能力。例：例：灯泡：灯泡：UN=220V，PN =60W电阻：电阻：RN=100 ，PN =1 W 对于交流电：对于交流电：1度度(电电)=1kWh即功率为即功率为1000W的供能或耗能元件，在的供能或耗能元件，在1小时的时小时的时间内所发出或消耗的电能量为间内所发出或消耗的电能量为1度。度。电能电能是指在一定的时间内电路元件或设备吸收是指在一定的时间内电路

15、元件或设备吸收或发出的电能量，用符号或发出的电能量，用符号W表示，其国际单位制为表示，其国际单位制为焦尔焦尔(J)。0ttWuidt通常电能用千瓦小时通常电能用千瓦小时(kWh)来表示大小，也叫做来表示大小，也叫做度度(电电)：5.电能电能对于直流电对于直流电：W=UIt 即每月消耗的电能为即每月消耗的电能为7.2度，度，约合为约合为3.6x x7.22.6x J。有一功率为有一功率为60 W的电灯，每天使用它照明的的电灯，每天使用它照明的时间为时间为4小时，如果平均每月按小时，如果平均每月按30天计算，那么天计算，那么每月消耗的电能为多少度？合为多少每月消耗的电能为多少度？合为多少J?例例1

16、-1-6 解：解：该电灯平均每月工作时间该电灯平均每月工作时间t=4x30=120 h，则则610710 W=Pt=60 x120=7200Wh=7.2kWhR、L、C认知；认知；电路元件伏安特性的绘制。电路元件伏安特性的绘制。本节虚拟实训本节虚拟实训 数字万用表的使用；伏安特性的测量；数字万用表的使用；伏安特性的测量；本节实验本节实验 电源电源是有源元件中的一种，可以用两种是有源元件中的一种，可以用两种不同的电路模型来表示。不同的电路模型来表示。一种是电压的形式，称为一种是电压的形式，称为电压源电压源；一种是电流的形式，称为一种是电流的形式，称为电流源电流源。OSREI 电压源电压源0SRU

17、II 电流源电流源设设 IS=10 A，接上，接上RL 后，恒流源对外输出电流。后，恒流源对外输出电流。RL IUISOIISU+_0SREI 注意事项：注意事项：解解:+abU2 5V(a)+abU5V(c)+a+-2V5VU+-b2(c)+(b)aU 5A2 3 b+(a)a+5V3 2 U+a5AbU3(b)+A1A22228 I例例3：解：解：2 +-+-6V4VI2A 3 4 6 1 2A3 6 2AI4 2 1 1AI4 2 1 1A2 4AA2A3122 II4 2 1 1A2 4A1 I4 2 1A2 8V+-I4 1 1A4 2AI2 1 3AA10A110111 RUIA6

18、A22102S1 IIIaIRISbI1R1(c)IR1IR1RISR3+_IU1+_UISUR2+_U1ab(a)aIR1RIS+_U1b(b)(2)由图由图(a)可得：可得：A4A4A2S1R IIIA2A51031R3 RUI理想电压源中的电流理想电压源中的电流A6A)4(A2R1R3U1 III理想电流源两端的电压理想电流源两端的电压V10V22V61S2S2IS IRRIIRUUaIRISbI1R1(c)aIR1RIS+_U1b(b)各个电阻所消耗的功率分别是：各个电阻所消耗的功率分别是：W36=61=22RIPRW16=41=22111）（RRIRPW8=22=22S22IRPRW

19、20=25=22333RRIRP两者平衡：两者平衡：(60+20)W=(36+16+8+20)W80W=80W(3)由计算可知，本例中理想电压源与理想电流源由计算可知，本例中理想电压源与理想电流源 都是电源，发出的功率分别是：都是电源，发出的功率分别是：W60=610=111UUIUPW20=210=SSSIUPII线性受控电源：线性受控电源：指控制量与被控制量之间的控制作指控制量与被控制量之间的控制作 用是线性的电源。用是线性的电源。电压源、电流源及其等效变换；电压源、电流源及其等效变换；电路在使用时，可能出现的状态有三种，电路在使用时，可能出现的状态有三种，分别为分别为有载状态有载状态、开

20、路状态开路状态、短路状态短路状态。电路的三种基本状态电路的三种基本状态1.3 电路的基本状态电路的基本状态 开关闭合开关闭合,接通接通电源与负载电源与负载RREI 0负载端电压负载端电压U=IR 特征特征:IR0R EU I 电流的大小由负载决定。电流的大小由负载决定。在电源有内阻时，在电源有内阻时，I U 。或或 U=E IR0电源的外特性电源的外特性EUI0 开关闭合开关闭合,接通接通电源与负载。电源与负载。RREI 0U=IR 电流的大小由负载决定。电流的大小由负载决定。在电源有内阻时，在电源有内阻时，I U 。或或 U=E IRoUI=EI IRoP=PE P负载负载取用取用功率功率电

21、源电源产生产生功率功率内阻内阻消耗消耗功率功率 电源输出的功率由负载决定。电源输出的功率由负载决定。负载大小的概念负载大小的概念:负载增加指负载取用的负载增加指负载取用的电流和功率增加电流和功率增加(电压一定电压一定)。IR0R EU IU、I 参考方向不同，参考方向不同，P=UI 0，电源电源；P=UI 0，负载负载。U、I 参考方向相同，参考方向相同，P=UI 0，负载负载；P=UI 0，电源电源。电源：电源：U、I 实际方向相反，即电流从实际方向相反，即电流从“+”端流出，端流出，（发出功率）（发出功率）；负载：负载：U、I 实际方向相同，即电流从实际方向相同，即电流从“-”端流出。端流

22、出。（吸收功率）（吸收功率）。特征特征:开关开关 断开断开I=0电源端电压电源端电压(开路电压开路电压)负载功率负载功率U=U0=EP=01.开路处的电流等于零；开路处的电流等于零；I =02.开路处的电压开路处的电压 U 视电路情况而定。视电路情况而定。电路中某处断开时的特征电路中某处断开时的特征:I+U有有源源电电路路IRoR EU0 电源外部端子被短接电源外部端子被短接 特征特征:0SREII U=0 PE=P=IR0P=01.1.短路处的电压等于零；短路处的电压等于零；U =02.2.短路处的电流短路处的电流 I 视电路情况而定。视电路情况而定。I+U有有源源电电路路IR0R EU0

23、支路：支路：电路中的每一个分支。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。一条支路流过一个电流，称为支路电流。三条或三条以上支路的联接点。三条或三条以上支路的联接点。由支路组成的闭合路径。由支路组成的闭合路径。内部不含支路的回路。内部不含支路的回路。I1I2I3ba E2R2 R3R1E11 12 23 3 在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结点的电流。点的电流。实质实质:或或:=0I1I2I3ba E2R2 R3R1E1对结点对结点 a：I1+I2=I3或或 I1+I2I3=0I=?例例:广义结点广义结点I=0IA+IB+IC=0

24、ABCIAIBIC2+_+_I5 1 1 5 6V12V即：即：U=0 在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿回路循行在任一瞬间，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。一周，则在这个方向上电位升之和等于电位降之和。对回路对回路1：对回路对回路2：E1=I1 R1+I3 R3I2 R2+I3 R3=E2或或 I1 R1+I3 R3 E1=0 或或 I2 R2+I3 R3 E2=0 I1I2I3ba E2R2 R3R1E11 12 21列方程前列方程前标注标注回路循行方向；回路循行方向；电位升电位升=电位降电位降 E2=UBE +I2R2 U=0 I2R2 E2+

25、UBE=02应用应用 U=0项前符号的确定：项前符号的确定：3.开口电压可按回路处理开口电压可按回路处理1 1对回路对回路1：E1UBEE+B+R1+E2R2I2_注意：注意：对网孔对网孔abda：对网孔对网孔acba：对网孔对网孔bcdb：R6I6 R6 I3 R3+I1 R1=0I2 R2 I4 R4 I6 R6=0I4 R4+I3 R3 E=0对回路对回路 adbca，沿逆时针方向循行，沿逆时针方向循行：I1 R1+I3 R3+I4 R4 I2 R2=0应用应用 U=0列方程列方程对回路对回路 cadc，沿逆时针方向循行，沿逆时针方向循行：I2 R2 I1 R1+E=0adbcE+R3R

26、4R1R2I2I4I6I1I3I基尔霍夫电流、电压定律的验证基尔霍夫电流、电压定律的验证 支路电流法是以支路电流为未知量，直接应用KCL和KVL，分别对节点和回路列出所需的方程式，然后联立求解出各未知电流。一个具有b条支路、n个节点的电路，根据KCL可列出（n1）个独立的结点电流方程式，根据KVL可列出b(n1)个独立的回路电压方程式。当不需求当不需求a、c和和b、d间的电流时，间的电流时，(a、c)(b、d)可分别看成一个结点。可分别看成一个结点。支路数支路数b=4，且恒流，且恒流源支路的电流已知。源支路的电流已知。I1=2A，I2=3A，I3=6A 例例3：试求各支路电流。试求各支路电流。

27、对结点对结点 a：I1+I2 I3=7对回路对回路1：12I1 6I2=42对回路对回路2：6I2 +UX=0baI2I342V+I112 6 7A3 cd123+UX对回路对回路3：UX+3I3=0 网孔电流法网孔电流法是以假想的网孔电流为未知是以假想的网孔电流为未知量，通过列写网孔的量，通过列写网孔的回路电压方程回路电压方程，求出，求出网网孔电流孔电流，进而求出电路中的代求量。下面以，进而求出电路中的代求量。下面以图所示电路为例，说明网孔电流法。图所示电路为例，说明网孔电流法。回路电流法分析电路回路电流法分析电路 设每个网孔有一个假想的回路电流设每个网孔有一个假想的回路电流il1、il2、

28、il3，并并按顺时针方向流动。按顺时针方向流动。网孔网孔1 1 1 14125131()()lllllSRiR iiR iiu 网孔网孔2 2 2242132323()()lllllSSR iR iiR iiuu网孔网孔3 3 633235133()()lllllSR iR iiR iiu 经整理，经整理，网孔网孔1 1 145142531()lllSRRR iR iR iu 网孔网孔2 2 4 123423 323()lllSSR iRRR iR iuu网孔网孔3 3 5 13235633()lllSR iR iRRR iu 11112213311lllSR IR IR IU21122223

29、322lllSR IR IR IU31132233333lllSR IR IR IU说明说明：R R1111、R R2222、R R3333称为网孔的称为网孔的自电阻自电阻，分别是网孔，分别是网孔1 1、2 2、3 3的的回路电阻之和，取正值；回路电阻之和，取正值；R R1212、R R2323、R R3131称为网孔的称为网孔的互电阻互电阻，分别是相邻网孔，分别是相邻网孔1 1、2 2，网络网络2 2、3 3，网孔，网孔3 3、1 1的共有电阻，取负值；的共有电阻，取负值；U US11S11、U US22S22、U US33S33分别为三个网孔的电压源的代数和，凡分别为三个网孔的电压源的代数

30、和，凡电压源的电压方向与网孔电流方向一致时，取正号，反电压源的电压方向与网孔电流方向一致时，取正号，反之，取负号。之，取负号。写成一般形式：写成一般形式：结点电压方程的推导：结点电压方程的推导：设：设：Vb=0 V 结点电压为结点电压为 U，参，参考方向从考方向从 a 指向指向 b。111RIEU 因因为为111RUEI 所所以以2.应用欧姆定律求各支路电流应用欧姆定律求各支路电流：111RUEI 222RUEI 33RUI 1.用用KCL对结点对结点 a 列方程：列方程：I1 I2+IS I3=0E1+I1R1U+baE2+I2ISI3E1+I1R1R2R3+U3211RUIRUERUE S

31、23212211111RRRIREREUS RIREUS1 RIREU1Sab V18V316112171242 A2 A1218421242ab1 UIA3 A618 6 ab2 UIA6 3183ab3 UI212S1S2211ab11RRIIREREU V24V312127330250 1ab11RUEI A13A22450 A18A324302ab22 RUEI515A1VI 5A2VI 10AB3VVI 10B4VI 1565B5VI 2121RREII SIRRRI2121 S21221111IRRRRREIII SIRRRI2112 S21121IRRRRRE 22112S1RI

32、RIEIII S212211 IRRRRREI S211212 IRRRRREI 12112112111211)(RIRIRIIRIP A1A5510322 RREIV5V5122S RIUA5.0A5.0A1 222 III所所以以A5.01555S3232 IRRRIV5.2V55.022S RIUV5.72.5V5VSSS UUUA5.2A4420402121 RREEI 221210RRRRR，所以所以A2A13230303 RREIR0=U0/ISC(a)NSRIU+-+(c)R+EUNSI+-E=U00 III 叠加原理叠加原理11NSISC+_11U0R0ISCU0+-+RNS+EEIU+-(b)E +UIRN0R0+-(d)IR+_ER0U+-(e)A2.1A5512211 RREIA8.0A51012432 RREIR0abR3R4R1R2 8.5434321210RRRRRRRRR，所以所以A126.0A108.52G0G RREI叠加定理、戴维宁定理的验证叠加定理、戴维宁定理的验证