电路与模拟电子技术第一章殷瑞祥

上一页下一页目录返回退出电工电子学(电路与模拟电子技术)上一页下一页目录返回退出课程介绍1.课程性质：专业基础课2.课程要求：（1）掌握一定的理论知识，抓住基础知识和基本分析方法；（2）认真独立完成课后作业；（3）认真做好每一个实验，以加深对理论知识的理解和掌握。第1章电路的基本概念与基本定律上一页下一页目录返回退出本章教学内容§1电路组成与功能§2电路模型§3电路中的基本物理量（电压、电流、电位、功率）§4基本电路元件模型§5电路的工作状态与元件额定值§6基尔霍夫定律上一页下一页目录返回退出本章学习的重点和难点基本电路元件及其特性，集中参数电路的拓扑约束关系——基尔霍夫定律。这些内容是分析和计算电路的基础。要深刻理解电路中电压和电流的参考极性（方向）的意义，掌握集中参数电路的基本约束关系——基尔霍夫定律和元件伏安特性。上一页下一页目录返回退出1.1电路的组成及其功能电路是由各种电器件构成，并具有一定功能的连接整电器件种类繁多、性能各异。如电池、信号产生器、电阻器、电容器、电感器、开关、晶体管等。电池------提供电能信号产生器------输出多种标准信号电阻器-----消耗电能（提供合适的电压、电流）电感器-----存储磁场能等等。§1电路的组成与功能上一页下一页目录返回退出电路实例：图1.1(a)是一个简单的照明电路，由电池、开关、连接导线、灯泡组成。其作用是把由电池提供的电能传送给灯泡并转换成光能。上一页下一页目录返回退出图1.1(b)是计算机电路组成的简化框图，它的基本功能是通过对输入信号的处理实现数值计算。人们在键盘上输入计算数据和步骤，编码器将输入信号表示成二进制数码，经运算、存储、控制部件处理得到计算结果，然后在显示器上输出。上一页下一页目录返回退出电路的概念电路是由用电设备（负载）与供电设备（电源）通过导线连接而构成的提供给电荷流动的通路。电路的组成为电路工作提供能量的：电源；在电能作用下完成电路功能的：负载,如用电设备；连接、控制电源和用电设备的：中间环节，如导线、开关；例如我们常用的照明电路。~220V电源开关灯泡（用电设备）导线上一页下一页目录返回退出1-1电路的组成与功能（续）电路的功能客观上电路提供了电荷流动的通路，电荷携带着电能在电路中流动，从电源带走电能，而在用电元器件中又释放电能，因此电路的工作伴随着能量的运动。根据电路的工作场合和工作目的及我们的着眼点，电路主要有下列作用：能量传输将电源的电能传输给用电设备(负载)。能量转换将传输到负载的电能根据需要转换成其它形式的能量，如光、声、热、机械能等信息传输信息处理信息--(载体)--信号--电路--终端--(去载体)---信息(电流或电压)信号(接受)---电路-----信号(已经放大、去噪、合成…)上一页下一页目录返回退出1.2电路模型为什么要引入电路模型？构成实际电路的元器件种类繁多，形状各异，给分析和设计带来困难。只有对各种元器件的特性建立了数学模型，才可能对电路进行深入分析。例如，对于最简单的手电筒，这样一个电路，就包含了电池、电珠、开关、导体等部分。如果要把这个电路介绍给他人，一种方法是直接把实物展示给对方，另一种方法是十分逼真地将它画下来给对方看，尽管如此，我们仍然不能十分明了地将这个电路的工作情况表达出来（用语言或文字）。难以想象，如果每个电路都要如此处理，摆在我们面前的将是怎样的情形！上一页下一页目录返回退出1.2电路理论主要研究电路中发生的各种电磁现象，包括电能的消耗现象和电磁能的存储现象。一般这些现象交织在一起，同时发生在整个电路中。为了简化分析，对实际电路采用“模型化”方法处理。首先，针对一些基本电磁现象(如电磁能消耗、电场能存储、磁场能存储等)建立相应的模型，称为理想元件或元件，并用统一符号标记。理想元件在物理上描述了基本电磁现象，在数学上也有严格的定义。上一页下一页目录返回退出反映实际电路部件的主要电磁性质的理想电路元件及其组合。10BASE-Twallplate导线电池开关灯泡1.1.2电路模型sRLRsU电路图理想电路元件有某种确定的电磁性能的理想元件电路模型(a)(b)上一页下一页目录返回退出注：只有满足集总假设的电器件可以进行理想化抽象，成为电路模型。集总假设：根据电磁场理论，电磁波的波长λ=v/fv：电磁波的传播速率v=3×108m/sf：频率可见，频率越高，波长越短A情况：f=50KHz，λ=6Km-----可用电路模型B情况:f=10GHz，λ=0.03m=30cm-----不可用上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（电压、电流、电位、功率）电流1.电流及其表示方式•电流的概念电流是电路中电荷流动量的度量，它表示单位时间流过电路中某一截面的净电荷量。•电荷流动不仅有数量，也有方向，因此电流是具有方向的。规定正电荷流动的方向为电流的方向（称为真实方向）。•分析电路时用箭头或双下标来指定电流的方向。正电荷流向负电荷流向电流的真实方向q+q-ababd||()dqqqIittabab()Iiab电路中的一条通路上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续1）电流（续）2.电流的符号和单位•电流的符号：电路中用I表示不随时间变化的电流或i表示随时间变化的电流•电流的单位是安培（A）上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续2）电流（续）3.电流的参考方向•电流作为电路的基本物理量，是我们分析电路所需要确定的，因此在分析电路之前，电流的真实方向一般是未知的。•在电路中，每条通路的电流方向只有两个可能的选择，因此，我们可以用代数量来表示有方向的电流。符号表示方向，绝对值表示大小。•为了用代数量表示电流，我们必须事先规定一个参考（即符号为正时电流的方向），称为电流的参考方向。电路中用箭头标示。上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续3）电流（续）电流的参考方向电流的参考方向是人为定义的，而电流的真实方向则是受电路约束客观存在并确定的。当参考方向设的与真实方向一致时，电流的代数值符号为正；反之为负。若分析电路后确定的电流符号为正，则表明电流的真实方向就是参考方向；反之亦然。ab电路中的一条通路i电流i的参考方向上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续4）电流（续）4.电流的测量•实验和工程中采用电流表测量电流，电流表必须串接在被测电路中。•电流的参考方向由电流表接线方式决定“+”接线柱指向“-”接线柱i电流表+_被测支路断开通路串接电流表上一页下一页目录返回退出电流单位为安培(A)。在电力系统中，通过设备的电流较大，采用安或千安(kA)作单位。而电子电路中的电流则较小，常用毫安(mA)或微安(μA)作单位，其换算关系是1kA=103A1A=103mA=106μA电流方向：规定为正电荷运动方向。实际应用时可任意指定一种方向作为参考方向。参考方向与实际方向区别?电流的正负：参考方向与实际方向一致为正，否则为负。电流表示：带箭头的符号标在电路中；也可以用双下标。如iab表示参考方向为由a指向b。41A123410Visi→→→↓↓上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续5）电压1.电压的概念•电路是电场的一种特殊形式。•电场是一种位场，类似引力场，电荷在电场中具有电位能。•单位正电荷在电场中某点所具有的电位能称为该点的电位。它表示外力将单位正电荷从参考点（0电位）移动到该点所作的功。单位为伏特(V)=1焦耳(J)/库仑(C)，用v或V表示aaWvqa点电位bbWvqb点电位上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续6）电压（续）电压的概念•电路（电场）中两点（如a与b）之间的电位差称为电压，用u或U表示，单位也是伏特(V)abababddab两点之间电压电压uab表示单位正电荷从a点移动到b点所失去的电位能，因此常也称为电压降。abWaWb失去电位能Wa-Wb上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续7）电压（续）2.电压的方向（极性）•电路（电场）中，只有定义了参考点，电位才有意义。•电压是一个相对量，与参考点的选取无关。•电压表示的是电位下降，也存在方向（又称为极性），规定电位下降的方向为电压的真实方向。•电位实际上是电路中某点到参考点之间的电压。上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续8）电压（续）3.电压的参考方向•电压具有方向性，不能单用数值来表示，必须同时标定其方向。•在对电路分析之前显然不能确定电压的真实方向。•两点之间电压只可能有两个方向，可先假设电压的方向，数值的正、负表示真实方向与假设方向之间的关系。称此假设的方向为电压的参考方向。电压的参考方向用箭头（或+/号）在电路中标出。•有了参考方向，带方向的电压变量就转变成了代数量。abuab+-u或上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续9）电压（续）4.电压的测量•实验和工程中采用电压表测量电压，电压表必须和被测支路并联。•电压的参考方向由电压表接线方式决定“+”接线柱指向“”接线柱电压表+_被测支路+_u上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续10）在电路的分析与计算时，常常要用到电位的概念。电压是两点电位之差，它只能说明一点的电位高，另一点的电位低，并不能知道某一点的电位究竟为多少。在很多情况下，我们需要知道某点的电位。利用电位的概念，还可以简化电路图，也可使计算更为简单。在电子电路中，为简化电路，一般不画出直流电源，而只标出各点的电位值。例：求图示电路中A点的电位+5V5VA20k30kI5V(5V)0.2A20k30kImA3051VVI上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续11）关联参考方向•同一电路元件上既有电流参考方向，也有电压参考方向。作为参考方向，都是人为假设出来的，两者之间没有实际联系。•电路分析中，在一个元件上定义两个独立的参考方向是不合适的。为了分析方便，同一电路元件或电路部分，电压和电流的参考方向采用一致的方向，称为关联参考方向。•如无特别需要，一般采用关联的参考方向。这样在电路中只需要标出一个参考方向。上一页下一页目录返回退出电压的参考方向是可以任意选择的，有两种不同的选择方式，如图1.5所示。对于一个元件或一段电路，其电流、电压的参考方向一致时，称为关联参考方向或关联方向。两者的参考方向相反时，称为非关联参考方向或非关联方向。为使电路图简洁了，一般采用关联方向，并在电路图上只标明电流或电压的参考方向。图1.5电流、电压的关联与非关联参考方向1A123410Visi→→→↓↓+-+--+上一页下一页目录返回退出第29页1.3电路中的基本物理量（续12）电功率电功率的概念、符号与单位•电功率是电路元件消耗电能快慢的度量，它表示单位时间内电路元件消耗的电场能量。•电路中用P或p表示电功率，按照定义p(或P)=dW/dt•功率的单位为瓦特（W）=焦耳(J)/秒(s)。功率的计算•采用关联参考方向时ddd()dddWWqpPuitqt或•采用非关联参考方向ddd()dddWWqpPuitqt或必须加上负号！上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续13）电源和负载的概念•若某元件电功率大于零，在电路中消耗电能，表现为负载。•若某元件电功率小于零，向电路提供电能，表现为电源。举例：由5个元件组成的电路如图，各元件上电压、电流参考方向采用关联参考方向，标在图上如下。123451234530V,20V,60V,30V,80V3A,1A,2A,3A,1AUUUUUIIIII确定各元件的功率，指出哪些是电源、哪些是负载？12345上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续14）元件111130V3A90W0PUI是负载元件222220