第1章-直流电路分析基础

电子电路基础绪论一﹑课程内容:包括电路分析﹑模拟电子电路两个部分。2、模拟电子电路部分的主要内容包括：常用半导体器件的特性及主要参数、基本放大电路、负反馈放大电路、集成运算放大器的工作原理及它们的应用；功率放大器、集成直流稳压电源的工作原理以及它们的使用。1、电路分析部分的主要内容包括：电路基本原理、基本概念，基本定律和基本分析方法、交直流电路的稳态和暂态分析等。二﹑模拟信号与数字信号模拟信号：在时间上和数值上都是连续变化的信号。如：温度、压力、声音信号等数字信号：在时间上和数值上都是离散变化的信号。如：计算机处理的信号、CD光盘存储的信号tf(t)模拟信号的波形数字信号的二进制编码波形tf(t)f(k)k数字信号的函数波形三﹑模拟电路与数字电路模拟电路是处理模拟信号的电路；数字电路是处理数字信号的电路。麦克风声音信号放大电路电信号电信号声音信号扬声器例：第一章直流电路分析基础1.1电路的基本概念﹑欧姆定律一﹑电路和电路模型1﹑电路:将一些电气设备或元器件，按所需要完成的功能，用一定的方式连接起来的总体。例如：手电筒电路2﹑电路的组成:电源﹑负载﹑中间环节。3﹑理想电路元件及电路模型何谓”理想”?“理想”就是“单纯”的意思。模型电路实际电路电源包括电压源和电流源补充介绍电压源和电流源电路符号1.理想电压源定义iSu+_下页上页其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其值与流过它的电流i无关的元件叫理想电压源。返回①电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；与流经它的电流方向、大小无关。②通过电压源的电流由电源及外电路共同决定。理想电压源的电压、电流关系uiSu直流电压源的伏安关系下页上页例Ri-+Su外电路RuiS)(0Ri)0(Ri电压源不能短路！0返回电压源的功率①电压、电流参考方向非关联；+_iu+_SuiuPS电流（正电荷）由低电位向高电位移动，外力克服电场力作功，电源发出功率。iuPS发出功率，起电源作用物理意义：下页上页返回思考：为什么要用非关联呢？其输出电流总能保持定值或一定的时间函数，其值与它的两端电压u无关的元件叫理想电流源。电路符号2.理想电流源定义uSi+_下页上页理想电流源的电压、电流关系①电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关；与它两端电压方向、大小无关。返回②电流源两端的电压由电源及外电路共同决定。uiSi直流电流源的伏安关系下页上页0例Ru-+SiSRiu)0(0Ru)(Ru电流源不能开路！返回思考：为什么要用非关联呢？受控电源(非独立源)电路符号+–受控电压源1.定义受控电流源电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是受电路中某个地方的电压(或电流)控制的电源，称受控源。下页上页返回①电流控制的电流源(CCCS):电流放大倍数根据控制量和被控制量是电压u或电流i，受控源可分四种类型：当被控制量是电压时，用受控电压源表示；当被控制量是电流时，用受控电流源表示。2.分类四端元件12ii输出：受控部分输入：控制部分下页上页i1+_u2i2_u1i1+返回g:转移电导②电压控制的电流源(VCCS)12gui③电压控制的电压源(VCVS)12uu:电压放大倍数gu1+_u2i2_u1i1+下页上页i1u1+_u2i2_u1++_返回④电流控制的电压源(CCVS)12riur:转移电阻例bicibcii电路模型ibicib下页上页ri1+_u2i2_u1i1++_返回3.受控源与独立源的比较①独立源电压(或电流)由电源本身决定，与电路中其它电压、电流无关，而受控源电压(或电流)由控制量决定。②独立源在电路中起“激励”作用，在电路中产生电压、电流，而受控源是反映电路中某处的电压或电流对另一处的电压或电流的控制关系，在电路中不能作为“激励”。下页上页返回二﹑描述电路工作状态的物理量1﹑电流：电荷有规则的定向运动就形成了电流。习惯上将正电荷的移动方向称为电流的实际方向。用电流强度(Ι)或者(i)来表示电流的大小。直流电流Ι=q/t交流电流ⅰ=dq/dt单位：A1A=103mA=106µA2、电压：电场中a,b两点之间的电压Uab是指单位正电荷从a移动到b电场力所作的功。直流电压Uab=W电/q交流电压uab=dw电/dqUab又称为a,b两点之间的电位差Uab=Ua-UbUa和Ub分别是a,b两点的电位3、电位:电位又称电势，指电场中(或是电路中)某一点的电位。而这一点的电位等于该点与零电位点之间的电压。要求某一点的电位,先要指明零电位点在什么地方,在零电位点上标上符号“”Uc=+6V,Ud=-4VUc=？,Ud=?Ua=0，Ub=-3V，UC=-8VUab=0–(-3)=3VUac=0–(-8)=8VUa=3V，Ub=0V，UC=-5VUab=3–0=3VUac=3–(-5)=8V+-+-abc...3V5V+-+-abc...3V5V电压与电位关系：电路中，各点的电位与零地位点的选择有关。零地位点一旦改变，各点的电位随着改变。但是，各点之间的电压不变。结论电路中电位参考点可任意选择；参考点一经选定，电路中各点的电位值就唯一确定；当选择不同的电位参考点时，电路中各点电位值将改变，但任意两点间电压保持不变。区分几个概念：电位、参考零电位、电压（两点间的电位差）三、电压、电流的参考方向电压电流的实际方向在简单电路中是很容易看出来的。但是，在复杂电路中就很难判断了。人为假设的电压、电流的方向称为电压、电流的参考方向。电压、电流的参考方向是可以任意假设的。经过分析计算：如果得到的数值为正数，说明参考方向与实际方向相同。如果得到的数值为负数，说明参考方向与实际方向相反。Ⅰ=-6AUS=+5VⅠs=2A+-→←→→-+蓝色为参考方向,红色为实际方向Ⅰ=6AUS=-5VⅠs=2A每一个元件的端电压和流过该元件的电流的参考方向可以任意假设。如果假设它们的参考方向相同，则称为关联参考方向。如果假设它们的参考方向相反，则称为非关联参考方向。+US-+UR-ⅠUS与Ⅰ关联US与Ⅰ非关联,UR与Ⅰ关联US=UR=Uaba。。bUab在电源一侧与Ⅰ是非关联的Uab在电阻一侧与Ⅰ是关联的UR与Ⅰ非关联ⅠⅠ四、欧姆定律线性电阻R的端电压U与其流过的电流Ⅰ的参考方向为非关联时U=－IR阻值始终不变的电阻称为线性电阻。阻值随着电压、电流而改变的电阻称为非线性电阻。对于一段线性电阻电路，欧姆定律表示流过电阻R的电流与电阻两端的电压U成正比的关系，其数学表达式为UIRUIR或者注意：上式成立的条件是电阻R的端电压U与其流过的电流Ⅰ的参考方向关联例1-1：求下图所示电路电压Uab的大小，并说明电压的实际方向，已知电阻R为5ΩUab=IRUab=1×5=5VUab=IR=－1×5=－5VUab=－IR=－1×5=－5VUab=－IR=－(－1)×5=5VⅠR+-US。。a.bc（1）R=5Ω,Ⅰ=2A,US=10VUac=?（2）R=5Ω,Ⅰ=－2A,US=－10VUac=?Uac=Uab+UbcUabUbc=IR+Us=2×5+10=20VUac=Uab+Ubc=IR+Us=(－2)×5+(－10)=20V如果U和Ⅰ的参考方向是关联参考方向,那么:P=UⅠ如果U和Ⅰ的参考方向是非关联参考方向,那么:P=－UⅠ计算结果P0说明的确是消耗(吸收)功率,是负载P0说明是产生(释放)功率,是电源PA=－U1×Ⅰ=－20×2=－40W0是电源PB=U2×Ⅰ=5×2=10W0是负载PC=－U3×Ⅰ=－(－15)×2=30W0是负载负载消耗功率=电源产生功率ABCⅠ+U1-+U2--U3+U1=20V,U2=5V,U3=－15V,Ⅰ=2A例：ⅠⅠⅠ五、电功率、电源和负载的判断本节小结：1、独立源和受控源的判断与特性2、电位与电压的区别3、参考方向问题4、欧姆定律1.2电气设备的额定值及电路的工作状态一、额定值:电气设备的额定值是指电气设备在使用过程中,确保最安全、最可靠、最经济的技术参数的数值。1、额定电流ⅠN----在规定的时间内,当电气设备的实际电流超过ⅠN，就可能发热，温升提高，性能下降,甚至烧毁。2、额定电压UN------电气设备的实际电压超过UN，将引起绝缘材料性能下降,以至于被击穿，失去绝缘能力。3、额定功率PN------电气设备的实际功率超过PN,那一定是电压过大或者电流过大，将引起相应的后果。二、电路的三种工作状态1、通路(有载)ⅠRLRO+US-+UL_SⅠLO_开关S闭合ⅠL=ⅠO=USRL+RO，UL=RLⅠLⅠL=Ⅰ=ⅠN满载ⅠL=ⅠⅠN轻载ⅠL=ⅠⅠN超载2、开路(断路、空载)开关S断开ⅠL=ⅠO=0UL=RLⅠL=0ⅠRLRO+US-+UL_SⅠLO_3、短路ⅠRORL+US-+UL_ⅠLO_ⅠO=UL=RLⅠL=0USROⅠNⅠL=01.3基尔霍夫定律和支路电流法一、名词术语1、支路:由二端元件或若干个二端元件串联组成不分岔的一段电路称为支路。一条支路流过同一个电流。2、节点:三条或者三条以上支路的连接点称为节点。3、回路:电路中任何一个闭合的路径称为回路。4、网孔:内部不含其他支路的回路称为网孔。支路数b=？节点数n=？网孔数m=？支路数b=6节点数n=3网孔数m=4二、基尔霍夫电流定律(KCL)1、定律内容:任一瞬间，流入一个节点的电流等于流出该节点的电流。表示为:∑Ⅰ入=∑Ⅰ出或者∑i(t)入=∑i(t)出2、如果把流入节点的电流当作”+”,流出节点的电流当作”-”那就表示为:∑Ⅰ=0或者∑i(t)=03、定律的扩展:任一瞬间流入电路中任一封闭面的电流总和等于从这流出封闭面的电流总和。abcIII练习题：用封闭面KCL求电流。123AI－－＝－120I三、基尔霍夫电压定律(KVL)1、定律内容:任一瞬间，沿任闭合回路环绕一圈，各段电压的代数和等于零。表示为:∑U=0某一段的电压的参考方向与环绕方向相同时,这一段的电压就为”+”。某一段的电压的参考方向与环绕方向相反时,这一段的电压就为”-”。U3-US1-U1=0U3-US2+U2=0A5)2(3iV1552010uV5?uV10V20例1A3A2?iΩ5Ω1Ω4Ω3Ω3求电流i解例2解求电压uA3543iiV1275u下页上页++--4V5Vi=?3++--4V5V1A+-u=?3例3求电流i例4求电压u解解要求能熟练求解含源支路的电压和电流。返回0)10(10101I解A21IA31211III1下页上页-10V10V++--1AI=?10例5求电流I例6求电压U解A7310I024IUV1041442IU4V+-10AU=?2+-3AI返回解A155102IV2225532222IIIIU下页上页10V++--3I2U=?I=055-+2I2I25+-例7求开路电压U返回Uab=Uac+Ucb=16+ⅠR=8则R=(8－16)/(－2)=4ΩUab=Uac+Ucb=20+3×10=50VUab=Uac+Ucb=6+10I=－10I=－1.6AⅠ四、支路电流法以各个支路电流为未知数,依照KCL和KVL列方程,求解电路的电流电压的方法。（1）假设b个支路电流为未知数；（2）节点数为n，依照KCL列出(n–1)独立的节点电流方程；（3）依照KVL列出其余的[b-(n–1)]个独立的回路电压方程。（4）欧姆定律和补充方程(1)n=2列n-1=1个节点KCL方程a节点:Ⅰ1+Ⅰ2=Ⅰ3----------(1)(2)列b-(n–1)=2个KVL方程左网孔:U3–US1–U1=0---(2)右网孔:–U2+US2–U3=0--------(3)例1：如图所示的电路中R1=1Ω，R2=2Ω，R3=3Ω，US1=3V，US2=1V。求：各支路电流I1、I2、I3和各电阻两端电压U1、U2、U3。解：即:Ⅰ3R3