电路与电子学基础-第一章直流电路

中国地质大学（北京）电子信息工程教研室傅平《电路与模拟电子技术》多媒体教学课件姓名：傅平工作单位：电子信息工程教研室办公室：教五楼211ATel:13611344606E-mail：[e-mail]课程教学内容电路分析基础模拟电子技术授课学时：52实验学时：12电路基础直流电阻电路及电路分析基本方法正弦交流稳态电路三相正弦交流电路一阶过渡过程电路模拟电子技术常用半导体器件晶体管放大电路集成运算放大器及其应用直流稳压电源上篇：电路分析第一章直流电路1.1电路与电路模型1.2电路变量1.5电路的基本分析方法1.7等效电源定理1.3电路基本元件1.6叠加原理1.4基尔霍夫定律1.1电路与电路模型一、什么是电路电路就是电流的通路。是由某些元、器件为完成一定功能、按一定方式组合后的总称。SE(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二、电路的作用发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线三、电路的组成电源：将非电形态的能量转换为电能。负载：将电能转换为非电形态的能量。导线等：起沟通电路和输送电能的作用。SE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:提供能源信号处理：放大、调谐、检波等负载信号源:提供信息放大器扬声器话筒电源：将其它形式的能量电能。负载：将电能其它形式的能量。中间环节：连接电源和负载，传输、分配电能。电路的组成由上述分析可知，任何形式的电路都包含电源、负载和中间环节三个基本组成部分。激励和响应电源和信号源的电压或电流称为激励，它推动电路的工作。激励响应由激励在电路中产生的电压和电流称为响应。电路分析就是在已知电路结构和参数的条件下，讨论与的关系直流电路与交流电路直流电路：当激励为不随时间变化的直流电时，我们称这种电路为直流电路。交流电路：当激励为随时间变化的交流电时，我们称这种电路为交流电路。tI、U0ti0注意：直流和交流电压与电流的表示形式。直流电量用大写的英文字母表示，交流电量用小写的英文字母表示。)sin(imtIi1.1.2电路模型1.电路模型实际电路中的元件或器件其电磁性质很复杂，为了便于用数学方法对电路进行分析和计算，常将实际电路进行科学的抽象，而将抽象化的电路就称为电路模型。电源负载连接导线用理想电路元件组成的电路，称为实际电路的电路模型。例：手电筒电路由电池、灯泡、开关和筒体组成。R+RoE–S+U–I手电筒的电路模型手电筒的电路实体电池开关导线灯泡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。构成电路模型的最小单元称为电路元件，简称元件。2.电路元件基本的电路元件包括：*耗能元件：电阻；*储能元件：电容、电感；*电源元件：电压源、电流源；*受控源元件：受控电压源、受控电流源。理想电路元件理想有源元件理想无源元件电压源电流源电阻元件电容元件电感元件1.2电路变量与电路的状态1.2.1电路的基本物理量及其正方向一、电流（i，I）AUsIUR0RBC电流是电荷（带电粒子）有规则的定向运动而形成的。电流在数值上等于单位时间内通过某一导体横截面的电荷量，国际单位为安培(A)。我们习惯上规定正电荷运动的方向为电流的实际方向。tQIdtdqi或I电流的实际方向：规定为正电荷运动的方向。EUS＋－＋－＋－UL＋直流电路中：I=Qti=dqdt（A）交流电路中：二、电压（u，U）AUsIUR0RBC电压是为了衡量电场力对电荷做功的能力而引进的物理量。电压在数值上等于电场力把单位正电荷从某一高电位点移到另一低电位点所做的功，国际单位为伏特(V)。我们规定电压的实际方向为由高电位端指向低电位端，即电位降低的方向。dqdWu三、电动势（针对电源）（e，E）AEIUR0RBC电动势是为了衡量电源力对电荷做功的能力而引进的物理量。电动势在数值上等于电源力把单位正电荷从电源的低电位端经电源内部移到高电位所做的功，国际单位为伏特(V)。我们规定电动势的实际方向为在电源内部由低电位端指向高电位端，即电位升高的方向。物理学中对电路基本物理量规定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、μA低电位高电位kV、V、mV、μVkV、V、mV、μV第1章14四、电压和电流的参考方向在分析和计算电路时，需要知道电压和电流的方向。但对于复杂直流电路，电压和电流的实际方向往往是无法预知的；而对于交流电路，电压和电流的实际方向是随时间不断变化的。因此，为了方便电路的分析和计算，往往事先给电压和电流设定一个假定的方向，这个事先假定的方向就称为电压和电流的参考方向。若根据参考方向求得的电压和电流为正值，则说明它们的实际方向与参考方向相同；若求得的电压和电流为负值，则说明它们的实际方向与参考方向相反。电压的参考方向除用+、–极性和双下标表示外，还可用箭头表示。电流的参考方向则用箭头和双下标表示。(2)参考方向的表示方法电流：Uab双下标电压：(1)参考方向IE+_在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。Iab双下标1.电路基本物理量的参考方向aRb箭标abRI正负极性+–abUU+_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注意：在参考方向选定后，电流(或电压)值才有正负之分。若I=5A，则电流从a流向b；例：若I=–5A，则电流从b流向a。abRIabRU+–若U=5V，则电压的实际方向从a指向b；若U=–5V，则电压的实际方向从b指向a。UIR+–关联参考方向：当电压和电流的参考方向取为一致时称为取关联参考方向。原则上电压和电流的参考方向是可以任意假定的，但有时为了方便电路的分析与计算，常取所谓的关联参考方向。2.关联参考方向五、电位（V）与电路中的参考点在分析和计算电路时，通常选定电路中的某一点作为参考点，并规定该点的电位为零。则电路中某一点的电位就是指该点到参考点间的电压，在直流电路中用V来表示，国际单位为伏特(V)。当电路的结构与参数确定之后，电路中各点之间的电压是绝对的，与参考点无关；而各点的电位是相对的，与参考点有关。在分析和计算电路时，原则上参考点的选取是可以任意的。参考点的电位为零。直流电路中电位用V表示，单位为伏[特]（V）。参考点的选择：①选大地为参考点：②选元件汇集的公共端或公共线为参考点：R1abcdR2US1US2R3电路中某一点的电位是指由这一点到参考点的电压电路的参考点可以任意选取。通常认为参考点的电位为零Va=US1Vc=–US2Vb=I3R3I3若以d为参考点，则:+US1–US2简化电路电路中电位（V）的概念及计算+–+–dabcR1R2R3Vd=0例.电路如图所示。分别以A、B为参考点计算C和D点的电位A210V+–5V+–3BCD解：以A为参考点II=10+53+2=3AVC=3×3=9VVD=–3×2=–6V以B为参考点VD=–5VVC=10V小结：电路中某一点的电位等于该点到参考点的电压电路中各点的电位随参考点选的不同而改变，但是任意两点间的电压不变。UCD=VC–VD=15V六、电功率（p，P）AUsIUR0RBC电功率是指单位时间内元件所吸收或发出的电能，国际单位为瓦特(W)。电功率定义为：电功率在数值上等于电网络端口电压与电流的乘积。dtdWpp=u·i七、电源与负载的判别1、电压、电流取关联参考方向：若p=ui0，则该段电路吸收功率，消耗电能，相当于一个负载；若p=ui0，则该段电路发出功率，提供电能，相当于一个电源；方法一：计算功率2、电压、电流取非关联参考方向：若p=ui0，则该段电路发出功率，提供电能，相当于一个电源；若p=ui0，则该段电路吸收功率，消耗电能，相当于一个负载。方法二：计算电压、电流电源：U、I实际方向相反，即电流从“+”端流出，（发出功率）；负载：U、I实际方向相同，即电流从“+”端流入。（吸收功率）。当电压源和电流源的电压和电流实际方向如上图时，它们输出（产生）电功率，起电源作用。＋－USIU＋－IS＋－UI＋－USIU＋－IS＋－UI当电压源和电流源的电压和电流实际方向如上图时，它们取用（消耗）电功率，起负载作用。例：下列各图元件X上的、电流参考方向如图所示，已知电压U均为+5V，I均为-2A，试判断哪些元件具有电源属性（提供能量）？哪些元件具有负载属性（吸收能量）？(a)(b)(d)(c)+-+++---UUUUIIIIXXXX例1.在图示电路中，给20Ω电阻提供功率的是（）。A.电压源B.电流源C.电压源和电流源共同提供D.电压源和电流源均不提供10A12AA当电源与负载接通，电路中有了电流及能量的输送和转换。电路的这一状态称为通路。1.2.2电路的三种状态一、通路IEUS＋－＋－ULS通路时，电源向负载输出电功率，电源这时的状态称为有载或称电源处于带负载状态。通路时，电源所产生的功率应等于电路各部分所消耗的功率之和。IR0RL-EU-IEI=I²Ro+I²RL即PE=P+PL电源产生功率内阻消耗功率负载取用功率功率平衡式各种电气设备在工作时，其电压、电流和功率都有一定的限额，这些限额是用来表示它们的正常工作条件和工作能力的，称为电气设备的额定值。电气设备的额定值用带下标“N”的电量来表示。如：额定电压→UN额定电流→IN额定功率→PN等。额定值:电气设备在正常运行时的规定使用值电气设备的三种运行状态欠载(轻载)：IIN，PPN(不经济)过载(超载)：IIN，PPN(设备易损坏)额定工作状态：I=IN，P=PN(经济合理安全可靠)1.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。例：灯泡：UN=220V，PN=60W电阻：RN=100，PN=1W二、开路S1S2EEL1EL2当某一部分电路与电源断开，该部分电路中没有电流，亦无能量的输送和转换，这部分电路所处的状态称为开路。有源电路开路的特点：开路处的电流等于零I＝0开路处的电压应视电路情况而定电源既不产生也不输出电功率，电源这时的状态称为空载。U视电路而定三、短路当某一部分电路的两端用电阻可以忽略不计的导线或开关连接起来，使得该部分电路中的电流全部被导线或开关所旁路，这一部分电路所处的状态称为短路或短接。S1S2电源短路短路的特点：短路处的电压等于零U＝0短路处的电流应视电路情况而定I视电路而定有源电路EL1EL2构成电路模型的最小单元称为电路元件，简称元件。基本的电路元件包括：*耗能元件：电阻；*储能元件：电容、电感；*电源元件：电压源、电流源；*受控源元件：受控电压源、受控电流源。1.3电路基本元件理想电路元件理想有源元件理想无源元件电压源电流源电阻元件电容元件电感元件1.3.1理想无源元件理想无源元件包括理想电阻元件R、理想电感元件L和理想电容元件C三种。简称为电阻、电感和电容。电阻是表征电路中消耗电能的元件；电感是表征电路中储存磁场能量的元件；电容是表征电路中储存电场能量的元件。因此，电阻又称为耗能元件，电感和电容又称为储能元件。一、电阻元件iR+–u电阻元件是耗能元件，电阻元件将电源传输给它的电能转换为热能消耗掉。所以电阻元件具有消耗电能的物理性质。常见的电阻类元件有白炽灯泡、电阻炉、电加热器等。电阻元件用字母R来表示，其国际标准单位为欧姆（Ω），经常用的辅助单位还有千欧姆（kΩ）、兆欧姆（MΩ），它们之间的换算关系为：6310101kM线性电阻：电阻两端的电压与通过的电流成正比。线性电阻值为一常数。UIO非线性电阻：电阻两端的电压与通过的电流不成正比。非线性电阻值不是常数。UIO线性电阻的伏安特性半导体二极管的伏安特性线性电阻与非线性电阻大连理工大学电气工程系50＋－RiuP=UI=RI2=U2R电阻元件消耗的功率电阻元件消耗的电能0dd00tRituip