电工电子电路基础知识

电工电子学C工业控制电机控制机床控制生产过程自动化控制楼宇电梯控制......磁悬浮列车盲人引路车大型车床信号检测•压力、温度、水位、流量等的测量与调节•电子仪器•医疗仪器•......CT扫描家用电器•电灯、电话•广播、电视•冰箱、洗衣机•家庭影院•......楼宇电梯的控制2019/8/4机电一体化汽车照明、电动转向、空调、音响、雨刷、安全报警、电动门窗…….电子机械汽车电子2019/8/4第一章电路的基本概念1.1电路的作用和组成1.2电路的基本物理量1.3电阻、电容和电感元件1.4电源元件1.5电路的工作状态1.6电路的基本定律1.7电路中电位的概念及计算2019/8/41.1电路的作用和组成电路：由各种元件相互连接而构成的电流的通路。1、实现电能的传输、转换；2、实现信号的传递与处理。一、电路的作用：电池灯泡放大器扬声器话筒2019/8/4二、电路的组成及模型：1、组成：电源、负载和中间环节。电池灯泡电源: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2019/8/42、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。+RoE-手电筒的电路模型灯泡开关电池导线SR2019/8/4几个概念：激励：作用于电路上的电源或信号源的电压或电流，也称为输入。响应：由激励在电路各部分产生的电压或电流，也称为输出。电路分析：在已知电路结构和元件参数的条件下，分析电路的激励与响应之间的关系。2019/8/41.2电路的基本物理量一、电流及其参考方向：1、电流：dtdqi3、实际方向：4、参考方向：2、分类：电荷在导体中有规则的定向移动形成电流，亦叫电流强度，简称电流i。直流电流I、交流电流i。习惯上规定正电荷移动的方向为电流的实际方向。任选某一方向为其参考方向，也叫其正方向。2019/8/45、正负：10V10I110V10I1I1=1AI1=-1A当电流的参考方向与其实际方向一致时，其值为正；当电流的参考方向与其实际方向相反时，其值为负。2019/8/46、表示方法：a、用箭头来表示，箭头的方向为其参考方向；b、用双下标表示，例如Iab表示电流参考方向由a指向b。7、单位：安培（A：Ampere）[毫安mA微安uA]换算：1mA=10-3A1uA=10-6A2019/8/4二、电压和电动势及其参考方向：（1）电压：dqdwu（3）实际方向：（4）参考方向：1、电压：（2）分类：电场力把单位正电荷从电路中的一点移动到另一点所作的功，即为这两点之间的电压u。直流电压U、交流电压u。规定由高电位端指向低电位端。任选某一方向为其参考方向，也叫其正方向。2019/8/4（5）正负：+实际方向（参考方向）U+实际方向（参考方向）UU0U0电压值为正时，电压的实际极性和参考极性相同，否则相反。2019/8/4（6）表示方法：（7）单位：a、用极性“＋”、“－”表示，参考方向由正指向负；b、用双下标表示，例如Uab表示其参考方向由a指向b。伏特（V：Volt)[毫伏mV微伏uV千伏kV换算：1mV＝10－3V1uV＝10－6V1kV＝103V2019/8/42、关联与非关联参考方向：+UI+U+UI+U+U+UI关联参考方向非关联参考方向关联参考方向：非关联参考方向：电流和电压的参考方向一致；电流和电压的参考方向不一致；2019/8/43、电动势：（1）概念：（2）实际方向：（3）单位：描述了电源中外力做功的能力，它的大小等于外力在电源内部克服电场力把单位正电荷从负极移到正极所做的功。在电源内部由负极指向正极。伏特（V：Volt)2019/8/4三、电功率：1、概念：uidtdwpUIP2、单位：3、计算：（1）当电流和电压为关联参考方向时：（2）当电流和电压为非关联参考方向时：（3）若，表示该元件吸收功率；（负载）若,表示该元件产生功率。（电源）0piupiup0p描述电路元件中电能变换的速度，其值为单位时间内元件所吸收或输出的电能。瓦（W）2019/8/41.3电阻、电感和电容元件一、电阻元件：uiR线性电阻元件：欧姆定律：0uiRtanR为电阻，单位：欧姆（）u－Ri（非关联参考方向）令G1/R（关联参考方向）uRi伏安曲线为通过坐标原点的一条直线。G称为电导单位：西门子（S：Siemens）2019/8/4功率：RuRiuip22能量：dtRitpdWtttt002非线性电阻元件：（耗能元件）伏安曲线不是通过坐标原点的一条直线。2019/8/4二、电容元件：线性电容元件：Ciu++Ciu++对线性电容元件有：q=CuC称为电容器的电容单位：库伏特性曲线在u－q平面上为通过原点的直线。法拉（F）[微法F纳法nF皮法pF]1F=10-6F1nF=10-9F1pF=10-12F2019/8/4电压、电流关系：tuCdtdCutqidddd（直流相当于断路）电场能量：221CuW非线性电容元件：（储能元件）库伏特性曲线在u－q平面上不是通过原点的直线。2019/8/4三、电感元件：线性电感元件：Li对线性电感元件有：L称为电感器的电感单位：Li+iueL韦安特性曲线在i－平面上为通过原点的直线。亨利（H）[微亨H毫亨mH]1H=10-6H1mH=10-3H电感器是用漆包线、纱包线或塑皮线等在绝缘骨架或磁心、铁心上绕制成的一组串联的同轴线匝2019/8/4由电磁感应定律可得，自感电动势为：dtdiLdtdedtdiLu端电压：（直流相当于短路）磁场能量：221LiW（储能元件）2019/8/41.4电源元件能够独立向外电路提供能量的电源，分为电压源和电流源。一、独立电源：1、理想电源：是实际电源的理想化模型，分为理想电压源和理想电流源。（1）理想电压源：向负载提供一个恒定值的电压——直流电压US或频率和幅值不变的交流电压us。USSUIUSSUIUSS0UI图形符号伏安特性特点：（1）恒压源两端的电压与流过电源的电流无关；（2）恒压源输出电流的大小取决于所连接的外电路。2019/8/4（2）理想电流源：向负载提供一个恒定值的电流——直流电流IS或频率和幅值不变的交流电流is。ISSUIS0UI图形符号伏安特性特点：（1）恒流源输出的电流与恒流源的端电压无关；（2）恒流源的端电压取决于与恒流源相连接的外电路。2019/8/4其电路模型通常为电源元件和电阻元件的组合。USSUR0RIab2、实际电源：（1）电压源：uS0UIUSR0IRUUs02019/8/4（2）电流源：ISSUR0RIab0RUIIs0UIISISR02019/8/4二、受控电源：1、定义:2、电路符号：+–受控电压源+–受控电压源受控电流源受控电流源电压源的电压或电流源的电流受电路中其他部分的电压或电流控制。2019/8/4三、分类：1、电流控制的电流源(CurrentControlledCurrentSource)CCCSi1+_u2i2+_u1i1CCCSi1+_u2i2+_u1i1i2i1CCVSri1+_u2+_u1+_i2i1CCVSri1+_u2+_u1+_CCVSri1+_u2+_u1+_2、电流控制的电压源(CurrentControlledVoltageSource):电流放大倍数r:转移电阻2019/8/43、电压控制的电流源(VoltageControlledCurrentSource)VCCSgu1+_u2i2+_u1i1VCCSgu1+_u2i2+_u1i1VCVSu1+_u2+_u1+_i2i1VCVSu1+_u2+_u1+_i2i14、电压控制的电压源(VoltageControlledVoltageSource)g:转移电导:电压放大倍数2019/8/41.5电路的工作状态oIREUIIREUIP)(0一、有载状态：1、特性：EUR0RIS开关闭合RREI0负载电流：端电压：U=IR负载功率：PPPE电源外特性IUE20IREI电源产生的功率电源内部消耗的功率功率平衡电源输出的功率2019/8/42、额定值及运行状态:额定值:运行状态:欠载（轻载）：NNPPII（不经济）过载（超载）：NNPPII（设备易损坏）额定工作状态：NNPPII（经济合理安全可靠）电器设备的安全使用值，用UN、IN和PN表示。2019/8/43、电源与负载电源与负载的判别：根据电压和电流的实际方向，可以确定某一电路元件是电源还是负载。电源：U和I的实际方向相反；电流从“+”流出；输出功率，p0。负载：U和I的实际方向相同；电流从“+”流入；取用功率，p0。2019/8/4二、开路状态：EUR0RIS开关断开特征:0I0PEUU0负载功率：电流:开路电压：2019/8/4三、短路状态：EUR0RIS导线短接特征:0REIIS0P0U端电压:负载功率:02RIPSE电源功率:短路电流:2019/8/41.6电路的基本定律对于一个线性电阻元件而言，流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。iu+Riu一、欧姆定律：关联参考方向：IURRIU非关联参考方向：2019/8/4二、基尔霍夫定律：1、几个术语：（1）支路(branch)：（2）节点(node):（3）回路(loop)：(4)网孔(mesh)：电路中流过同一电流的分支。(b)电路中三条或三条以上支路的连接点称为节点。(n)由一条或多条支路组成的闭合路径。(l)对平面电路，内部不含有支路的回路为网孔,即每个网眼就是网孔。网孔是回路，但回路不一定是网孔。abab+_R1uS1+_uS2R2R3+_R1uS1+_uS2R2R3112233123123支路：b=3节点：n=2回路：l=3网孔：2个abcdI3I6I4I2I1I5R2R3R6R4R5R1E1E2支路：b=6节点：n=4回路：l=7网孔：3个2019/8/42、基尔霍夫电流定律(KCL)：0I(1)内容：(2)符号的确定：i1i4i2i3•例i1i4i2i3•例i1-i2+i3-i4=0i1+i3=i2+i4任何时刻，对任一节点，所有支路电流的代数和为零。即：选定参考方向后，习惯上取流出该节点的支路电流为负，流入为正。2019/8/4(3)另一种表达：(4)推广：ABCICAIABIBCIAIBIC证明：结点A：IA=IAB－ICA结点B：IB=IBC－IAB结点C：IC=ICA－IBC左右两边相加可得IA＋IB＋IC＝0出入II在任一瞬时，流向某一结点的电流之和等于由该结点流出的电流之和。即对任一包围几个节点的闭合面而言，流入该闭合面（广义节点）的电流等于流出该闭合面的电流。2019/8/43、基尔霍夫电压定律(KVL)(1)内容：(2)符号的确定：E1R1I1abcdR2E2I2U1U2U3U40U表达式：U1－U2－U3＋U4＝0U1＋U4＝U2＋U3即：电路中的任一回路，任一时刻，按一定方向沿着回路循行一周，回路中所有电压的代数和为零。即：a、任意选择一个绕行方向，可以顺时针也可以逆时针；b、电压的参考方向与绕行方向一致取正号，电压的参考方向与绕行方向相反则取负号。2019/8/4（3）另一种表达：即：升降＝UU（4）推广：RUEIE－RI－U＝0从任一回路中的任一点出发，沿任一方向绕行一周，则在该方向上电位降之和等于电位升之和。KVL定律不仅应用于闭合回路，也可以应用于回路的部分电路，即假想回路。2019/8/4定律应用中注意的问题：1、两个定律具有普遍性，它们适用于由不同元件所构成的电路，也适用于任一瞬时对任何变化的电流和电压；2、在运用定律时，首先要在电路中标注出电流、电压或电动势的参考方向；3、在应用KVL定律时，要选择一个绕行方向。2019/8/4例：有一个闭合回路如图所示，各支路的元件是任意的，