【教学课件】第一章直流电路.ppt

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1、,本章要求:1、理解电路模型、电流、电压及其参考方向的概念，理解电位及其参考点的概念，会计算电路中各点的电位。2、了解实际电压源与电流源及其等效变换，理解等效概念。3、理解电能及电功率概念、电路的三种状态和电器设备的额定值。4、熟练掌握基尔霍夫定律。5、能运用基尔霍夫定律、叠加定理进行直流线性电阻电路的一般分析与计算。,第一章 直流电路,1.1 电路的基本结构,1.1.1 电路组成,电路是电流的流通路径,它是由电源、负载、导线和控制装置四部分组成。,1、电路的组成,负载:吸收电能的装置,电源:提供电能的装置,控制装置导线和开关,导线,1）作用：电源：提供电能 负载：用电设备 导线：连接电源和负

2、载 控制装置：接通、断开和保护电路 2）电路图:实物图和电路图之分。,2、汽车电路的接线方式：双线制和单线制 双线制式：电源、用电设备用两根导线构成 回路。（家庭）单线制式：电源和用电设备之间通常只用一根导线连接，另一根导线由发动机、车架等金属机体代替而构成回路。（汽车）3、搭铁：正极搭铁 负极搭铁：干扰小，汽车常采用。,汽车电路举例：后窗除霜装置,1作用 在较冷的季节，车窗玻璃上会凝结上一层霜、雾、雪或冰，从而影响驾驶员的视线。为了避免水蒸气凝结，设置了除霜（雾）装置，需要时可以对风窗玻璃加热。,2组成和原理 1蓄电池；2点火开关；3熔丝；4除霜器开关及指示灯；5-除霜器（电热丝）。,简化电

3、路,后窗除霜电路,1蓄电池；2点火开关；3熔丝；4除霜器开关及指示灯；5-除霜器（电热丝）。,小结：1）汽车电路的两个电源是？2）汽车起动机将（）能转为（）能，去完成对发动机的起动。而点火装置是将（）能转为（）能，去点燃气缸内的可燃混合气。,1.2 电路的基本物理量,1.电路基本物理量：电流、电压、电位、电动势、电功和电功率,1）电流,电流的实际方向为正电荷的运动方向。电路中,电流从正极流出,负极入.,用符号 I 表示,标准单位：A。即,当电流的量值和方向都不随时间变化时,称为直流电流,简称直流。（电池、蓄电池）,2）电流表：测量电流的大小。问：电流表和电压表是如何接入电路中？,1、单位：都是

4、伏V 2、电位：用字母V表示；选一参考点（零电位点），电路中各点 的数值。电压：用字母U表示；指两个点之间的电位差，与参考点无关。3、电压方向：高电位到低电位,3）电位和电压,4）电动势：用字母E表示。单位都是伏。只能对于电源来说。5）电功：用字母W，单位：焦或千瓦时 1千瓦时=1度 6）电功率：用字母P,单位：瓦 W=P*t,1）汽油发动机起动时，蓄电池需向发动机提供（）A的电流，柴油发动机起动时，蓄电池又需向发动机提供（）A的电流。,1.在汽车电路中常以()作为参考点.A.方向盘 B.轮胎 C.车架 D.座椅2.参考点的电位为()伏.A.0 B.1 C.2 D.33.张三同学有一台25寸的

5、彩电，它的额定功率为200W，若他每天开电视5小时，每度电的电费为0.64元，那他一个月（30天）需要多少电费？P5页 电流热效应,习题:,1.3 欧姆定律,一、复习：比较电位、电压、电动势的异同。,一、部分电路欧姆定律（不含电源）公式：,二、全电路欧姆定律（含电源）公式：,U：负载两端电压 R：电阻 I：流过负载的电流,E：电源电动势 R+R0：电路的总电阻 R0:电源内阻 I：总电流,三、例题 一白炽灯上标注着220V,100W.该灯的额定工作电流为多大?其发光时的热态电阻是多少?若将它接在110V的电源上,消耗的电功率是多少?,P7页 汽车蓄电池的使用,1.4 导体电阻及电阻元件,1.4

6、.1 导体电阻 R 1.电阻的作用:限制电流,降压分压作用.2.电阻的大小:与导体的材料、长度和截面积有关,但与电流电压无关(电阻率越大、导体长度越大、横截面积越小则电阻越大；反之越小。)3.电路中导线均由铜或铝制造.,1.4.2 电阻元件 1、常用电阻器：可以分为固定电阻器和可变电阻器 2、汽车不少传感器是利用电位器的原理制成。如：冷却水温传感器利用热敏电阻 3、电阻还可以分为：线性电阻和非线性电阻 线性电阻：恒定阻值 非线性电阻：阻值变（半导体二极管内阻、半导体热敏电阻等）4、电阻实物展示,一.电路的状态有:开路(断路),短路,有载,1.5 电路的状态,1.开路(断路),1)分类:控制开路

7、(人为)和故障开路(意外)2)特征:,3)寻找故障的方法 P9页 A.试灯法:灯一端接电源负极,另一端接触接线点a,b,c,d,亮：所接触的点与电源正极无断路不亮：所接触的点与前一接线点间有断路,B、电压表检测法：电压表黑表笔接电源负极，（直流电压档）红表笔分别接触接线点a,b,c,d,试灯,指针,摆动：所接触的点与电源正极无断路不摆动：所接触的点与前一接线点间有断路,2、短路,1）分类：负载短路 电源短路：电源两端被电阻接近于零导体接通2）原因：导线绝缘损坏、老化（常见）误接线 误操作3）电源短路的特征：短路电流（很大）电源端电压U=0,4）防止短路：接入熔断器FU 熔点低 易熔断 保护电路

8、5）故障诊断维修：短接法：在电源、熔断器、搭铁线都无故障的情 况下才能用 例P10页,3、有载,1）有载：即是电路正常工作。电源与负载接通，有电流流过。正常工作有全电路欧姆定律：,2）讨论：电路处于有载状态时，电源电压一定，输出的电流大小取决于外电路负载的大小。并联用电器越多时，则总电阻和总电流如何变化？,越小,越大,P11页,3）总结：负载增大：即当用电器多时，总电阻越小，则电流越大，功率越大负载减少：即当用电器少时，总电阻越大，则电流越小，功率越小,短路、断路汽车电气设备线路常见故障,1开路（断路）故障（右图）2短路（短接）故障（下图）3接触不良（接触电阻过大）故障,1.6简单电路（串、并

9、、混联）,1.6.1 电阻的串联电路,一、串联特点:1)电流处处相等,（两电阻串联时的分压公式）：,R=R1+R2,3)总电阻等于各电阻之和；,2)总电压等于各电压之和；,二、电压分配,1）U1及U2都小于U2）有分压作用（阻值越大，分得的电压越高）3）串联电路中，总功率=各功率之和,三、串联电路的应用：降压 控制电流（串的电阻越大越多，电流则越小）改变输出电压（传感器）,四、例题:P13页例1.5,电阻的并联,两电阻并联时的分流公式：,(3)总电阻的倒数等于各电阻倒数之和；,(4)并联电阻上电流的大小与电阻成反比。,特点:(1)支路电压处处相等,(2)总电流=各支路电流之各和,应用：分流、调

10、节电流等。,思考:串联电路中,串的电阻越大,则分得到的电压()?并联电路中,并的电阻越大,则分得到的电流()?例题:P15页 例1.6,1.7 基尔霍夫定律,一、概念：支路：电路中通过同一电流的每一个分支。,节点：三条或三条以上支路的连接点。(a,b),回路：闭合路径。,电流定律KCL电压定律KVL,例1：,支路：ab、bc、ca、（共6条）,回路：abda、abca、adbca（共7 个）,结点：a、b、c、d(共4个）,基尔霍夫电流定律(KCL定律),1定律,即:入=出,在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结点的电流。,对节点 a：,I1+I2=I3,电流定律可以推广应用于包围部分电路

11、的任一假设的闭合面。,2推广,I=?,例:,I=0,IA+IB+IC=0,广义结点,在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。,基尔霍夫电压定律（KVL定律),1定律,即：U=0,对回路1：,对回路2：,I1 R1+I3 R3 U1=0,I2 R2+I3 R3 U2=0,1列方程前标注回路绕行方向（顺时针）；,U=0 I2R2 U2+UBE=0,2应用 U=0列方程时，等号右边写0，左边要注意电压的符号：对于电源：从正极到负极取+号，反之取-号。对于电阻：电流方向与绕行方向相同取+号，反之取-号,3.开口电压可按回路处理,注意：,对回路1：,例题：P18页 例1.9,电路

12、中电位的概念及计算,电位：电路中某点至参考点的电压，记为“VX”。通常设参考点的电位为零。,1.电位的概念,电位的计算步骤:(1)任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；(2)标出各电流参考方向并计算；(3)计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。,某点电位为正，说明该点电位比参考点高；某点电位为负，说明该点电位比参考点低。,2.举例,求图示电路中各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd。,解：设 a为参考点，即Va=0V,Vb=Uba=106=60VVc=Uca=420=80 VVd=Uda=65=30 V,设 b为参考点，即Vb=0V,Va=Uab=106=60 VVc=Ucb=E1=140 V

13、Vd=Udb=E2=90 V,b,a,Uab=106=60 VUcb=U1=140 VUdb=U2=90 V,Uab=106=60 VUcb=U1=140 VUdb=U2=90 V,结论：,(1)电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中 各点的电位也将随之改变；,(2)电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考 点的不同而变，即与零电位参考点的选取无关。,借助电位的概念可以简化电路作图,例1:图示电路，计算开关S 断开和闭合时A点 的电位VA,解:(1)当开关S断开时,(2)当开关闭合时,电路 如图（b）,电流 I2=0电位 VA=0V,电流 I1=I2=0，电位 VA=6V。,电流在闭合路径中

14、流通,例：,对网孔abda：,对网孔acba：,对网孔bcdb：,R6,I6 R6 I3 R3+I1 R1=0,I2 R2 I4 R4 I6 R6=0,I4 R4+I3 R3 U=0,对回路 adbca，沿逆时针方向循行：,I1 R1+I3 R3+I4 R4 I2 R2=0,应用 U=0列方程,对回路 cadc，沿逆时针方向循行：,I2 R2 I1 R1+U=0,一、特点:1)电流处处相等,（两电阻串联时的分压公式）：,R=R1+R2,3)总电阻等于各电阻之和；,2)总电压等于各电压之和；,二、电压分配,1）U1及U2都小于U2）有分压作用（阻值越大，分得的电压越高）3）串联电路中，总功率=各

15、功率之和,解:对图(a)有,U=IR,例:应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。,对图(b)有,U=IR,电流的参考方向与实际方向相反,电压与电流参考方向相反,2、电阻的串、并联,1）电阻的串联,特点:1)各电阻一个接一个地顺序相联；,两电阻串联时的分压公式：,R=R1+R2,3)等效电阻等于各电阻之和；,4)串联电阻上电压的分配与电阻成正比。,2)各电阻中通过同一电流；,应用：降压、限流、调节电压等。,电气设备的额定值,额定值:电气设备在正常运行时的规定使用值,例：一只220V,60W的白炽灯,接在220V的电源上，试求通过电灯的电流和电灯在220V电压下工作时的电阻。如果每晚工作3h

16、(小时)，问一个月消耗多少电能?,注意：电气设备工作时的实际值不一定都等于其额定值，要能够加以区别。,解:通过电灯的电流为,电气设备的三种运行状态,欠载(轻载)：I IN，P PN(不经济),过载(超载)：I IN，P PN(设备易损坏),额定工作状态：I=IN，P=PN(经济合理安全可靠),在220V电压下工作时的电阻,一个月用电,W=Pt=60W(3 30)h=0.06kW 90h=5.4kW.h,1.3 电压源与电流源及其等效变换,1.3.1 电压源,电压源模型,由上图电路可得:U=US IR0,若 R0=0,理想电压源:U US,U0=US,电压源的外特性,电压源是由电源电压 US和内

17、阻 R0 串联的电源的电路模型。,若 R0 RL，U US，可近似认为是理想电压源。,理想电压源,O,电压源,理想电压源（恒压源）,例1：,(2)输出电压是一定值，恒等于电动势。对直流电压，有 U US。,(3)恒压源中的电流由外电路决定。,特点:,(1)内阻R0=0,设 US=10 V，接上RL 后，恒压源对外输出电流。,当 RL=1 时，U=10 V，I=10A 当 RL=10 时，U=10 V，I=1A,电压恒定，电流随负载变化,1.3.2 电流源,U0=ISR0,电流源的外特性,理想电流源,O,IS,电流源是由电流 IS 和内阻 R0 并联的电源的电路模型。,由上图电路可得:,若 R0

18、=,理想电流源:I IS,若 R0 RL，I IS，可近似认为是理想电流源。,电流源,理想电流源（恒流源),例1：,(2)输出电流是一定值，恒等于电流 IS；,(3)恒流源两端的电压 U 由外电路决定。,特点:,(1)内阻R0=；,设 IS=10 A，接上RL 后，恒流源对外输出电流。,当 RL=1 时，I=10A，U=10 V当 RL=10 时，I=10A，U=100V,外特性曲线,I,U,IS,O,电流恒定，电压随负载变化。,1.3.3 电压源与电流源的等效变换,由图a：U=US IR0,由图b：U=ISR0 IR0,US,等效变换时，两电源的参考方向要一一对应。,理想电压源与理想电流源之

19、间无等效关系。,电压源和电流源的等效关系只对外电路而言，对电源内部则是不等效的。,注意事项：,例：当RL=时，电压源的内阻 R0 中不损耗功率，而电流源的内阻 R0 中则损耗功率。,任何一个电源电压 US和某个电阻 R 串联的电路，都可化为一个电流为 IS 和这个电阻并联的电路。,例1:,求下列各电路的等效电源,解:,例2:,试用电压源与电流源等效变换的方法计算2电阻中的电流。,解:,由图(d)可得,支路电流法以每个支路的电流为求解的未知量,1.5 电路的一般分析,支路电流法,叠加定理,支路电流法,支路电流法：以支路电流为未知量、应用基尔霍夫 定律（KCL、KVL）列方程组求解。,对上图电路支

20、路数：b=3 结点数：n=2,回路数=3 单孔回路（网孔）=2,若用支路电流法求各支路电流应列出三个方程,1.在图中标出各支路电流的参考方向，对选定的回路 标出回路循行方向。,2.应用 KCL 对结点列出(n1)个独立的结点电流 方程。,3.应用 KVL 对回路列出 b(n1)个独立的回路 电压方程（通常可取网孔列出）。,4.联立求解 b 个方程，求出各支路电流。,对结点 a：,例1：,I1+I2I3=0,对网孔1：,对网孔2：,I1 R1+I3 R3=U1,I2 R2+I3 R3=U2,支路电流法的解题步骤:,支路数b=4，但恒流源支路的电流已知，则未知电流只有3个，能否只列3个方程？,例2

21、：试求各支路电流。,1,2,支路中含有恒流源。,可以。,注意：(1)当支路中含有恒流源时，若在列KVL方程时，所选回路中不包含恒流源支路，这时，电路中有几条支路含有恒流源，则可少列几个KVL方程。,(2)若所选回路中包含恒流源支路，则因恒流源两端的电压未知，所以，有一个恒流源就出现一个未知电压，因此，在此种情况下不可少列KVL方程。,(1)应用KCL列结点电流方程,支路数b=4，但恒流源支路的电流已知，则未知电流只有3个，所以可只列3个方程。,(2)应用KVL列回路电压方程,(3)联立解得：I1=2A，I2=3A，I3=6A,例3：试求各支路电流。,对结点 a：I1+I2 I3=7,对回路1：

22、12I1 6I2=42,对回路2：6I2+3I3=0,当不需求a、c和b、d间的电流时，(a、c)(b、d)可分别看成一个结点。,支路中含有恒流源。,1,2,因所选回路不包含恒流源支路，所以，3个网孔列2个KVL方程即可。,(1)应用KCL列结点电流方程,支路数b=4，且恒流源支路的电流已知。,(2)应用KVL列回路电压方程,(3)联立解得：I1=2A，I2=3A，I3=6A,例3：试求各支路电流。,对结点 a：I1+I2 I3=7,对回路1：12I1 6I2=42,对回路2：6I2+UX=0,1,2,因所选回路中包含恒流源支路，而恒流源两端的电压未知，所以有3个网孔则要列3个KVL方程。,3

23、,+UX,对回路3：UX+3I3=0,解得I1=10A,I2=-5A,I3=5A。,例 4 所示电路中,Us1=130V、R1=1为直流发电机的模型,电阻负载R3=24,Us2=117V、R2=0.6为蓄电池组的模型。试求各支路电流和各元件的功率。,解 以支路电流为变量,应用KCL、KVL列出方程式,并将已知数据代入,即得,I2为负值,表明它的实际方向与所选参考方向相反,这个电池组在充电时是负载。Us1发出的功率为Us1I1=13010=1300WUs2的功率为Us2I2=117（-5）=-585W(吸收功率)即Us2接受功率585W。各电阻接受的功率为功率平衡,表明计算正确。,1.5.2 叠

24、加原理,叠加原理：对于线性电路，任何一条支路的电流，都可以看成是由电路中各个电源（电压源或电流源）分别作用时，在此支路中所产生的电流的代数和。,叠加原理,由图(c)，当 IS 单独作用时,同理：I2=I2+I2,由图(b)，当U 单独作用时,根据叠加原理,叠加原理只适用于线性电路。,不作用电源的处理：U=0，即将E 短路；Is=0，即将 Is 开路。,线性电路的电流或电压均可用叠加原理计算，但功率P不能用叠加原理计算。例：,注意事项：,应用叠加原理时可把电源分组求解，即每个分电路 中的电源个数可以多于一个。,解题时要标明各支路电流、电压的参考方向。若分电流、分电压与原电路中电流、电压的参考方 向相反时，叠加时相应项前要带负号。,例1：,电路如图，已知 U=10V、IS=1A，R1=10 R2=R3=5，试用叠加原理求流过 R2的电流 I2和理想电流源 IS 两端的电压 US。,(b)E单独作用 将 IS 断开,(c)IS单独作用 将 E 短接,解：由图(b),