模块二直流电路.

电工电子技术应用基础中南大学出版社（2012第一版）王少华主编电气系王志坚模块二直流电路重点难点：1、理解电路模型、电流、电压及其参考方向的概念，理解电位及其参考点的概念，会计算电路中各点的电位。2、了解实际电压源与电流源及其等效变换，理解等效概念。3、理解电能及电功率概念、电路的三种状态和电器设备的额定值。教学目的：1、熟练掌握基尔霍夫定律。2、能运用基尔霍夫定律、叠加定理进行直流线性电阻电路的一般分析与计算。电路的基本概念及基本定律直流电路的分析方法直流电路1.1电路的基本概念1.2电路的工作状态电路的基本概念及基本定律1.3电路的基本元件1.4基尔霍夫定律1.1.1电路与电路模型1、电路的组成电路是电流的流通路径,它是由一些电气设备和元器件按一定方式连接而成的。干电池开关小灯泡(a)S(b)－＋RiRUs负载:吸收电能的装置电源:提供电能的装置传输控制器件导线和开关1.1.1电路与电路模型2、电路的作用2)实现信号的传递与处理放大器扬声器话筒1）实现电能的传输、分配与转换发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线1.1.1电路与电路模型理想电路元件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。+R0R开关EI电珠+U干电池导线1.1.2电路中的基本物理量及参考方向1、电流电流：带电粒子（电子、离子等）的定向运动。电流方向：正电荷运动的方向同性相斥异性相吸1.1.2电路中的基本物理量及参考方向1、电流电流强度：单位时间内通过某一导体横截面的电荷量。直流电流：当电流的量值和方向都不随时间变化时,称为直流电流,简称直流。直流电流常用英文大写字母I表示。电流单位：安培（A）361mA=10A1μA=10A－－1.1.2电路中的基本物理量及参考方向2、电压定义：电荷在电路中运动，必定受到力的作用，也就是电场力对电荷做了功，或者说带电粒子在电场中运动必然要做功。电场力做功的能力用电压来度量。1.1.2电路中的基本物理量及参考方向2、电压电压的方向：由高电位点指向低电位点，并定义为：单位正电荷在电场力作用下，由a点运动到b点电场力所做的功，称为电路中a点到b点间的电压，即在直流时，上式可写成：1.1.2电路中的基本物理量及参考方向2、电压参考方向：在分析电路时，往往很难事先确定某一电路中电压或电流的实际方向，所以，可以先假定一个参考方向。关联参考方向：电压和电流取一致的参考方向。非关联参考方向：电压和电流取相反的参考方向。要搞清楚方向哦参考方向的表示方法电流：Uab双下标电压：在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。Iab双下标箭标abRI正负极性+–abUIU+_+R0U3V注意：在参考方向选定后,电流(或电压)值才有正负之分。1.1.2电路中的基本物理量及参考方向参考方向1.1.2电路中的基本物理量及参考方向参考方向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。I=0.28A电源电压为US=3VU++R0US3VU´+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,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=2.8V2.8V–2.8V1.1.2电路中的基本物理量及参考方向3、电位在电路中任选一点,叫做参考点,则某点的电位就是由该点到参考点0的电压。如果已知a、b两点的电位各为Va,Vb,则此两点间的电压等于这两点的电位的差，亦即：bababaabVVUUUUU00001.1.2电路中的基本物理量及参考方向3、电位设b为参考点，即Vb=0。E1aE2+20Ω+_d_6A4A10A5Ω6Ω140V90VCbV60abaUVV140cbcUVV90dbdUV从结果中看出,a、c、d点的电位比b点分别高60V、140V、90V。如下电路只能求出两点间的电压值,而不能求出某一点的电位值。因此，若要计算电位时，必须在电路中设参考点。1.1.2电路中的基本物理量及参考方向4、电功率和电能iupdtdqdqdwdtdwpdqdwudtdqi,电功率：单位时间内电路吸收或释放的电能，简称功率,用p或P表示。用它来衡量电路传递转换电能的速率功率的单位为瓦［特］,简称瓦,符号为W,常用的有千瓦（kW）、兆瓦（MW）和毫瓦（mW）等。在直流情况下，电压、电流、功率均为恒定值UIP1.1.2电路中的基本物理量及参考方向电能ttpdtW0衡量用电量多少的物理量从t0到t时间内,电路吸收（消耗）的电能为：直流时，有)(0ttPW电能的SI主单位是［焦耳］,符号为J,在实际生活中还采用千瓦小时（kW·h）作为电能的单位,简称为1度电。JhkW63106.336001011.2电路的工作状态1、空载（开路）2、有载3、短路1.2电路的工作状态1.2.1空载（开路、断路）特征:I=0电源端电压(开路电压)负载功率U=U0=USP=0(1)开路处的电流等于零；I=0(2)开路处的电压U视电路情况而定。电路中某处断开时的特征:I+–U有源电路IRoRUSU01.2电路的工作状态1.2.1有载0SUIRR负载端电压U=IR1）电压电流关系电流的大小由负载决定。2、在电源有内阻时，IU。或U=US–IR0电源的外特性USUI0当R0R时，则UE，表明当负载变化时，电源的端电压变化不大，即带负载能力强。R0USR+–I1.2电路的工作状态1.2.3短路特征:(1)短路处的电压等于零；U=0(2)短路处的电流I视电路情况而定。电路中某处短路时的特征:I+–U有源电路IRRoUSP=0电源端电压负载功率短路电流（很大）U=0Is=Us/R01.3电路的基本元件有源元件（电池、信号源、发电机…）无源元件（电阻、电容、电感…）二端元件（电阻、电感、电容…）多端元件（三极管、可控硅…）按能量按端口电路元件1.3.1无源元件电阻描述消耗电能的性质iRu根据欧姆定律:即电阻元件上的电压与通过的电流成线性关系线性电阻SlR金属导体的电阻与导体的尺寸及导体材料的导电性能有关，表达式为：电能全部消耗在电阻上，转换为热能散发。Riu+_1.3.1无源元件电阻电阻的色环标示法：。四环标示：前2环是有效数字，第3环是10的n次方，第4环是误差等级。五环标示：前3环是有效数字，第4环是10的n次方，第5环是误差等级。六环标示：前3环是有效数字，第4环是10的n次方，第5环是误差等级，第六环是温度系数1.3.1无源元件电感电感是闭合回路的一种属性。当线圈通过电流后，在线圈中形成磁场感应，感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。这种电流与线圈的相互作用关系称为电的感抗，也就是电感。电感量的基本单位是亨利（简称亨），用字母“H”表示。常用的单位还有毫亨（mH）和微亨（μH），它们之间的关系是：1H=1000mH1mH=1000μH1.3.1无源元件电容两片相距很近的金属中间被某物质（固体、气体或液体）所隔开，就构成了电容器。两片金属称为极板，中间的物质叫做介质电容是表现电容器容纳电荷本领的物理量，符号是C。电容器的基本作用就是充电与放电。1.3.1无源元件电容在国际单位制里，电容的单位是法拉，简称法，符号是F，由于法拉这个单位太大，所以常用的电容单位有毫法（mF）、微法（μF）、纳法（nF）和皮法（pF）等，换算关系是：1法拉（F）=1000毫法（mF）=1000000微法（μF）1微法（μF）=1000纳法（nF）=1000000皮法（pF）。1.3.2有源元件1.电压源（恒压源）U+_理想直流电压源伏安特性IUUSO电压源的图形符号(2)输出电压是一定值，恒等于电动势。对直流电压，有UUS。(3)恒压源中的电流由外电路决定。特点:(1)内阻R0=01.3.2有源元件1.电压源（恒压源）IUS+_U+_RLRS实际电压源伏安特性IUUSOUS/RS实际电压源模型可见：电源内阻越小，输出电压变化越小，输出电压越稳定1.3.2有源元件2.电流源电流源图形符号iS+U-iuiS理想电流源的伏安特性(2)输出电流是一定值，恒等于电流IS；(3)恒流源两端的电压U由外电路决定。特点:(1)内阻R0=；1.3.2有源元件2.电流源IRLR0UR0UIS+－U0=ISR0IUOIS电流源实际电流源的伏安特性实际电流源模型0SRUII若R0=理想电流源:IIS可见：若R0RL，IIS，可近似认为是理想电流源。1.3.2有源元件3.电压源和电流源的等效变换U=US－IR0U=ISR0–IR0IRLR0+–USU+–电压源等效变换条件:US=ISR0RLR0UR0UISI+–电流源US0SRI②等效变换时，两电源的参考方向要一一对应。③理想电压源与理想电流源之间无等效关系。①电压源和电流源的等效关系只对外电路而言，对电源内部则是不等效的。注意事项：例：当RL=时，电压源的内阻R0中不损耗功率，而电流源的内阻R0中则损耗功率。④任何一个电源电压US和某个电阻R串联的电路，都可化为一个电流为IS和这个电阻并联的电路。R0+–USabISR0abR0–+USabISR0ab1.3.2有源元件3.电压源和电流源的等效变换2A1A1A++－－5V4V+－1V电流源的等效变换电压源的等效变换例1:求下列各电路的等效电源解:+–abU25V(a)++–abU5V(c)+a+-2V5VU+-b2(c)+(b)aU5A23b+(a)a+–5V32U+a5AbU3(b)+例2:试用电压源与电流源等效变换的方法计算2电阻中的电流。解:–9V+–14V+3I(d)1由图(d)可得6V2+–+–12V2A2121I(a)3A2214V+–I6A21(b)9A1314V+–I(c)94A1A131I1.4基尔霍夫定律几个术语支路：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。I1I2I3123baE2R2R3R1E1支路：ab、bc、ca、…（共6条）结点：a、b、c、d(共4个）网孔：abd、abc、bcd（共3个）adbcE–+GI2I4IGI1I3I1.4基尔霍夫定律例1.4基尔霍夫定律1.4.1基尔霍夫电流定律(KCL定律)即:Ｉ入=Ｉ出定律：在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结点的电流。或:Ｉ=0对结点a：I1+I2=I3或I1+I2–I3=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。baU2R2R3R1U1I1I2I31.4基尔霍夫定律推广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。I=?例:I=0IA+IB+IC=012+_+_I61153V12VIAIBICAIBCIABACBIC广义结点1.4基尔霍夫定律1.4.2基尔霍夫电压定律(KVL定律)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。即：U=0定律：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：U1=I1R1+I3R3I2R2+I3R3=U2或I1R1+I3R3–U1=0或I2R2+I3R3–U2=012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。I1I2I3baU2R2R3R1U11．列方程前标注回路绕行方向；U=0I2R2–U2