直流电路基础课件.pptx

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1、模块一 直流电路基础,1.1电路的基本概念1.2电路的基本元件1.3基尔霍夫定律1.4 电路的分析方法,1,.,2,实际电路是,为实现某种应用目的,由若干电器设备或器件按一定方式用导线连接而成的电流通路。,实现电能的传输和转换,电力电路或强电电路,实现信号的传递和处理,电子电路或弱电电路,二、电路的作用,1.1 电路的基本概念,一、电路的定义,.,3,负载,电源（或信号源）：提供电能（或信号源）的部分。,负载：吸收或转换电能的部分。,中间环节：连接和控制它们的部分。,电路的组成,中间环节,.,4,三、电路的工作方式,电路在工作时，对电源来说，通常处于下列三种方式之一：负载、空载和短路。,负载与

2、电源接通，负载中有电流通过，负载电流的大小与负载电阻有关。,负载都是并联。因此当负载增加时，负载电阻减小，负载电流增大，即功率增大。,一般所说的负载的大小，指的是负载电流或功率的大小，而不是指负载电阻的大小。,负载工作方式：,.,5,空载开路,负载与电源未接通，电路不通，电路中电流为零。电源的端电压叫空载电压或开路电压。,短路,由于某种原因使电源两端直接接通，,如电源内阻很小，则短路电流将很大，以致烧毁电源、导线等器件。,为了避免短路的发生，一般在电路中接入熔断器或其他的自动保护装置，一旦发生短路，它们能迅速将故障电路自动切断。,这时电源两端的外电阻等于零，电源输出的电流仅由电源内阻限制，此电

3、流称为短路电流。,严重事故,.,6,四、额定值,为了保证电器设备和器件（包括电线、电缆）可以安全、可靠和经济地工作，每种电器设备、器件在设计时都对其规定了工作时允许的最大电流、最高电压和最大功率等参数值，这些数值统称为额定值。,额定值常标在电器设备和器件的铭牌上或打印在外壳上，故又叫铭牌值。,220V,60W,电器设备在额定情况下工作，叫额定工作状态。,当电器设备电流和功率超过额定值时，叫做“过载”，过载一般是不允许的。,.,7,若工作时电流、电压值低于额定值，设备往往不能正常工作，或者不能充分地被利用。,通过设备的电流过大,会由于过热而加速设备的绝缘老化，缩短设备寿命，甚至烧毁设备。,加在设

4、备两端的电压过高,一方面会引起电流增大，另一方面还可能使绝缘击穿。,.,8,五、电路模型,实际电路元件,用于构成实际电路的电器设备和器件。,特点：种类繁多，电磁性能复杂。,滑线电阻由导线绕制而成，当有电流通过时，不仅会消耗电能，而且还会产生磁场，此外导线的每匝之间还存在分布电容。上述各性质是交织在一起的，而且电压、电流频率不同时，上述各性质的表现程度也不一样。,.,9,理想电路元件,实际元件抽象出来的理想化模型。,特点：只具有单一电磁性能,一个实际元件可用一种或几种理想电路元件的组合来表示。,只考虑其消耗电能的性质，可用电阻元件来表示。,若还考虑磁场的作用，,可用电阻元件与电感元件的组合来表示

5、。,.,10,电路模型,由理想电路元件构成的电路,.,11,电流（current）和电压（voltage）是描述电路工作过程的两个基本物理量。,电荷在电场作用下的定向运动。,电流的实际方向：正电荷运动的方向。,1、电流,交流电流,电路中的基本物理量,.,电流的参考方向并不一定与电流的实际方向一致。,电流参考方向的标注：,（1）用箭头在电路图上表示,当电流的实际方向与其参考方向一致时，电流为正值；,当电流的实际方向与其参考方向相反时，电流为负值；,在参考方向选定之后，电流成为代数量，有正负之分。,（2）用双下标表示 Iab Iab- Iba,12,.,2、电压,13,电压的实际方向：从高电位指向

6、低电位。,a、b两点间的电压是指电场力把单位正电荷由a点移到b点时所做的功。电压总是与电路中两点相联系。,电压参考方向：人们任意假定的电位下降的方向。,参考方向的标注：,.,14,一旦选定了电压正方向后，若u0，则表明电压的实际极性与选定的正方向一致；,若u0，则表明电压的实际极性与选定的正方向相反。,.,15,使用参考方向注意的事项,参考方向是人为规定的电流、电压数值为正的方向，在分析问题时需要先规定参考方向，然后根据规定的参考方向列方程。 参考方向一经规定，在整个分析、计算过程中就必须以此为准，不能改动。不标明参考方向而说某电流或某电压的值为正或为负是没有意义的。参考方向可以任意规定而不影

7、响计算结果。电流参考方向和电压参考方向可以分别独立地规定。,.,16,关联参考方向,同一元件的电流参考方向与电压参考方向一致。即电流从电压的正极性端流入，从负极性端流出。,采用关联参考方向后，在电路图中只需表明电压或电流的参考方向。,非关联参考方向,.,17,欧姆定律,当电压、电流设定参考方向以后，电压、电流值成为代数量，有正负之分。,U、I为关联参考方向,U、I为非关联参考方向,.,3 电路中电位的计算,18,.,19,Va=Uab= 10 6=60 (V),Vc=Ucb= 140 (V),Vd=Udb= 90 (V),Vb=Uba= - 10 6=-60 (V),Vc=Uca= 4 20=

8、80 (V),Vd=Uda= 6 5=30 (V),.,20,电位值是相对的,参考点选得不同，电路中其它各点的电位也将随之改变；电路中两点间的电压值是绝对的，不会因参考点的不同而改变。,Uab=,Uab= 5V,电位和电压的区别,.,21,在电子电路中，为了作图简便和图面清晰,电源的一端通常都是接“地”的。,.,22,电压、电流有正负，功率呢？,4、电功率,.,1.2 电路的基本元件,23,不产生能量,上述元件的端电压与通过该元件的电流之间都有确定的关系，这个关系叫做元件的伏安关系。,二端元件,.,1.2.1电阻元件,24,电阻元件是由消耗电能的物理过程抽象出来的理想电路元件,常用单位：、k、

9、M,G称为电阻元件的电导,单位：西门子（S）,P=ui=i R u /R,.,25,实际的电阻器件都是非线性的，但在一定的工作范围内，可以近似地用线性电阻元件作为模型。,.,26,电阻元件的两种特殊情况,开路：R ，即U=Ulimit，I 0,2. 短路：R = 0，即I=Ilimit，U 0,.,例,27,在使用时电压不能超过 U=RI=5000 0.01 =50 V,合适的阻值2. 电压、电流、功率不能超过额定值，否则将被烧毁。,有一额定值为W、5000 的电阻，其额定电流为多少？在使用时电压不能超过多大数值？,根据功率和电阻值可以求出额定电流为,解：,.,1.2.2电容元件,28,电容是

10、由电场储能的物理过程抽象出来的理想电路元件。,单位：F, F, pF,伏安特性：i= dq / dt = C du / dt,线性电容 C=常数,.,29,电容元件在t时刻储存的电场能量,变化的电压产生电流，电压变化越快，电流越大。,电压不变化时，电流为零，电容相当于开路。隔直通交的作用。,电容两端的电压不能跃变。,如果电压跃变，则要产生无穷大的电流，对于实际电容来说，不可能。,.,30,电容元件在某时刻贮存的电场能量只与该时刻的端电压有关。,电容元件从电源吸收能量，贮存在电容内部电场中的能量增加。,电容的充电过程,电容元件向外释放电场能量,电容的放电过程,电容元件是一种储能元件,在选用电容器

11、时，除了选择合适的电容量外，还需注意实际工作电压与电容器的额定电压是否匹配。如果实际工作电压过高，介质会被击穿，电容器就会损坏。,.,1.2.3电感元件,31,电感是由磁场储能的物理过程抽象出来的理想电路元件。,N,线性电感元件,单位：H, mH, H,L= /i =N/i=常数,伏安特性：根据电磁感应定律,eL= - d / dt = - Nd / dt= - Ldi / dt,ueL,u= Ldi/dt,.,32,变化的电流产生电压，电流变化越快，电压越高。,电流不变化时，电压为零，电感相当于短路。,流过电感的电流不能跃变。,如果电流跃变，则要产生无穷大的电压，对于实际电感器来说，不可能。

12、,电感元件中的磁场能量,.,33,电感元件在某时刻贮存的磁场能量只与该时刻的电流有关。,电感元件吸收能量，贮存的磁场能量增加,电感元件向外释放磁场能量,电感元件是一种储能元件,在选用电感器时，除了选择合适的电感量外，还需注意实际工作电流不能超过电感器的额定电流，否则由于电流过大，线圈发热而被烧毁。,.,1.2.4 电源元件,34,1、电压源,如果一个二端元件接到任一电路后，其两端的电压总保持一定值Us或us（t），与通过它的电流大小无关，称为电压源。,电压源的符号,伏安特性曲线,U=Us,.,35,电压源的两个基本性质,电压源的端电压在任意瞬时与外接电路无关，或者恒定不变（直流），或者按某一规

13、律随时间变化（交流）。,电压源的输出电流大小随外接电路不同而变化。,由于电源元件是对外提供能量的元件，所以习惯上电压、电流常采用非关联参考方向。,电压源产生功率（电源）,电压源吸收功率（负载）,.,36,实际电压源的模型,电池、发电机、晶体管稳压源,实际电压源的伏安特性,实际电压源输出的端电压和外电路有关。随着负载的增加（电流增大），输出电压越小。,.,37,2、电流源,如果一个二端元件接到任一电路后，其输出的端电流总能保持一定值Is或is（t），与两端的电压大小无关，则该二端元件称为电流源。,特点,输出电流在任意瞬时与外接电路无关，或者恒定不变（直流），或者按某一规律随时间变化。,其端电压大

14、小随外接电路不同而变化。,I=Is,.,38,由于电源元件是对外提供能量的元件，所以习惯上电压、电流常采用非关联参考方向。,电流源产生功率（电源）,电流源吸收功率（负载）,实际电流源的模型,实际电流源的伏安特性,.,39,1.3 基尔霍夫定律,一、电路的几个名词,1 支路和结点：通常一个元件称为一条支路, 但为了方便计算, 又把流过同一电流(串联)的几个元件叫做一条支路, 其电流和电压分别称为支路电流和支路电压。三条或三条以上支路的连接点称为结点。,支路数？结点数？,5 3,6 5,.,40,2 回路：由若干条支路组成的闭合路径。,3 网孔：电路中内部不含有支路的回路。,回路数？网孔数？,6

15、3,.,1.3.1 基尔霍夫电流定律KCL,41,Kirchhoffs Current Law,定律：任何时刻，对任一结点，流出结点的电流恒等于流入该结点的电流。,或者说，在任一瞬间，一个结点上电流的代数和为零。,规定：流入结点的电流为正，流出结点的电流为负。,.,42,推广,在任一瞬间，通过任一封闭面的电流代数和恒等于零。,I1+I2=I3,I=?,I=0,.,43,应用KCL可将并联的电流源合并为一个电流源。简化电路。,.,1.3.2 基尔霍夫电压定律KVL,44,定律：任何时刻，沿任一回路循行一周，电压降的代数和恒等于电压升的代数和。,或者，沿任一回路绕行一周，所有支路电压的代数和恒等于

16、零。,选定绕向，当元件电压的正方向与回路绕向一致时，该电压取正；相反时，取负号。,.,45,推广,电压定律KVL也适合开口电路,.,46,应用KVL可将串联的电压源合并为一个电压源。简化电路。,.,1.4 电路的分析方法,47,1.4.1 电阻电路的等效变换,1.4.2 支路电流法,1.4.4 叠加定理,1.4.3 戴维宁定理,1.4.3 结点电压分析法,.,1.4.1 电阻电路的等效变换,48,用哪个？,N1、N2作用相同,两个电路只要对应的外接端子上的电压和电流关系相同，即外特性相同，不管内部结构是否一样，称它们是相互等效的电路。,1、等效的概念,.,2、电阻串、并联的等效变换,49, 电

17、阻串联,R=R1+R2+R3= Rk,分压关系,.,50,（2）电阻并联,G=G1+G2+G3,分流关系,.,51,电阻的Y-变换,3、,.,52,据此可推出两者的关系,.,53,.,54,当 r1 = r2 = r3 =r , R12 = R23 =R31 =R 时：,.,55,4、实际电源模型间的等效互换,一个实际电源既可用电压源与电阻串联的电路模型来表示，也可用电流源与电阻并联的电路模型来表示。即,等效互换的条件：对外的电压电流相等。,即：,I = I Uab = Uab,.,56,则,等效互换公式,.,57,.,58,等效变换的注意事项,.,59,注意转换前后US与IS的方向,(2),

18、.,60,（不存在）,.,61,以支路电流为变量，根据元件的伏安特性和KCL、KVL来建立电路方程，然后解方程即可求出待求物理量。,以具体电路为例得出此方法的一般步骤。,结点数：2,支路数：3,对结点a，b分别列电流方程,对3个回路分别列回路电压方程,I1-I2-I3=0,I1I2I3=0,网孔,R1I1+R3I3US1=0,网孔,R2I2-R3I3+US2=0,回路,R1I1+R2I2+US2US10,1.4.2 支路电流法,.,支路电流法的步骤,62,以支路电流为未知量，首先应标出各支路电流的参考方向；根据KCL，对独立结点（n1）个列电流方程式；根据KVL，列写b（n1)个独立回路电压方

19、程（一般选网孔作为独立回路）；联立求解方程式组，得出各支路电流。验算：用非独立结点或非独立回路方程式将结果代入验算。,用支路电流法求解具有n个结点，b条支路的电路。,.,1.4.3 结点电压分析法,63,结点电压法是以电路中的结点电位为变量分析电路的方法。,在电路中，可任选取一参考点，其余结点与参考点之间的电压便是结点电位。,以具体电路为例得出此方法的一般步骤。,结点数n3,对结点a、b分别列电流方程,各支路电流与结点电压的关系分别为,.,结点电压法的步骤,64,指定参考结点，参考结点可任意选定；列出结点电压方程，注意自电导总是正的，互电导总是负的；连接本结点的电流源，当其流入该结点时电流值取

20、正号，反之取负号；求解联立方程式得到各结点电位，然后再根据欧姆定律求出各支路电流。,此方法特别适合结点少支路多的电路。,.,65,线性电路：由独立源和线性元件组成的电路。,叠加原理的内容：在线性电路中，多个电源共同作用时，在任一支路中产生的响应，等于各电源单独作用时在该支路所产生响应的代数和。,+,1.4.4 叠加定理,.,66,.,67,应用叠加定理要注意的问题,1.叠加定理只适用于线性电路,2.叠加时只将电源分别考虑，电路的结构和参数不变。暂时不予考虑的恒压源应予以短路，即令Us=0；暂时不予考虑的恒流源应予以开路，即令 Is=0。,3.解题时要标明各支路电流、电压的正方向。原电路中各电压

21、、电流的最后结果是各分电压、分电流的代数和。,.,68,4.叠加原理只能用于电压或电流的计算，不能用来求功率。如：,5.运用叠加定理时也可以把电源分组求解，每个分电路的电源个数可能不止一个。,.,1.4.5 戴维宁定理,69,名词解释,无源二端网络： 二端网络中没有电源,有源二端网络： 二端网络中含有电源,二端网络： 若一个电路只通过两个输出端与外电路 相联，则该电路称为“二端网络”。,.,70,戴维宁定理,诺顿定理,.,戴维宁定理,71,定理：任何一个有源二端线性网络都可以用一个电压源与电阻串联的实际电压源来等效。,注意：“等效”是指对端口外等效,.,72,等效电压源的内阻等于有源二端网络相应无源二端网络的输入电阻。（有源网络变无源网络的原则是：电压源短路，电流源断路）,等效电压源的电压Uoc 等于有源二端网络的开路电压；,.,应用戴维宁定理求某一支路的电压 或电流的步骤,73,断开待求支路，将电路分为待求支路和有源二端网络两部分；求出有源二端网络两端点间的开路电压Uoc；将有源二端网络中各电源置0后，计算无源二端网络的等效电阻Ro；将戴维宁等效电路与待求支路串联形成等效简化电路，根据已知条件求解。,.,