电路与电子学基础.ppt

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1、电路与电子学基础,欢迎学习,欢迎学习电路与电子学基础,电路与电子学基础是网络工程、计算机科学技术等专业的主干技术基础课程。通过本课程的学习可使学生掌握电路的基本理论、基本分析方法和进行电路实验的基本技能，为后续专业课程打下必要的基础。电路与电子学基础理论体系严谨，内容贴近实际，学生在学习中不仅可学会一种思维方法，而且深入学习能养成科学的学习作风，从而终生受益。学习电路与电子学基础，要求透彻理解其中的诸多重要概念，掌握其基本定理、定律分析电路的方法，并能运用它们分析和解决电路中的一些实际问题。,目 录,第1章 电路分析导论,第2章 电路分析方法和定理,第3章 正弦电路的稳态分析,第4章 非正弦周

2、期电流电路,第5章 电路的动态分析,第6章 双口网络,第7章 半导体器件基础,第8章 基本放大电路,第9章 集成运算放大器基础,第10章 放大电路中的反馈,第11章 集成运放运算和信号处理电路,第12章 信号发生变换电路,第13章 直流稳压电源,1.4 等效变换,1.1 电路及其模型,1.3 基尔 霍夫定律,第1章 电路分析导论,1.2 电路基本元件,本章的学习目的和要求,本章内容是贯穿全课程的重要理论基础，要求在学习中给予足够的重视。通过对本章学习，要求理解理想电路元件和电路模型的概念；进一步熟悉电压、电流、电功率和能量等基本物理量的概念；深刻理解和掌握参考方向在电路分析中的作用；初步理解和

3、掌握基尔霍夫定律的内容及其应用；领会电路等效的概念和掌握电路等效的基本方法。,1.1 电路及其模型,电路的概念,由实际元器件构成的电流的通路称为电路。,1.1.1 电路的作用、组成与模型,电路通常由电源、负载和中间环节三部分组成。,电路的组成,电路的组成,电源,连接导线和其余设备为中间环节,负载,电路的功能,电路的功能,电路可以实现电能的传输、分配和转换。,电力系统中,电子技术中,电路可以实现电信号的传递、存储和处理。,电路模型,电路模型,实体电路,负载,电源,开关,电路模型,电源,负载,中间环节,用抽象的理想电路元件及其组合，近似地代替实际的器件，从而构成了与实际电路相对应的电路模型。,理想

4、电路元件,电阻元件只具耗能的电特性,电容元件只具有储存电能的电特性,理想电压源输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定,理想电流源 输出电流恒定，两端电压由它和负载共同决定。,电感元件只具有储存磁能的电特性,理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似，其电特性单一、精确，可定量分析和计算。,利用电路模型研究问题的特点,1、电路模型是用来探讨存在于具有不同特性的、各种真实电路中共同规律的工具。,2、电路模型主要针对由理想电路元件构成的集总参数电路，集总参数电路中的元件上所发生的电磁过程都集中在元件内部进行，任何时刻从元件两端流入和流出的电流恒等、且元件端电压值确定。因此电磁现象可以用数学方式来精确

5、地分析和计算。,3、电路分析基本理论中运用电路模型，其主要任务就是在寻求实际电路共有的一般规律、探讨各种实际电路共同遵守的基本规律时带来方便。,检验学习结果,电路由哪几部分组成？各部分的作用是什么？,何谓理想电路元件？其中“理想”二字在实际电路的含义？,集总参数元件有何特征？,学好本课程，应注意抓好四个主要环节：提前预习、认真听课、及时复习、独立作业。还要处理好三个基本关系：听课与笔记、作业与复习、自学与互学。,电流,1.1.2 电路分析的基本变量,电流的大小,稳恒直流情况下,1A=103mA=106A=109nA,单位换算,电流的方向,习惯上规定以正电荷移动的方向为电流的正方向。,电路图上标

6、示的电流方向为参考方向，参考方向是为列写方程式提供依据的，实际方向根据计算结果来定。,电压与电位,a,电位V是相对于参考点的电压。参考点的电位:Vb=0；a点电位：Va=USIR0=IRL,b,+U,路端电压U。电压的大小反映了电场力作功的本领；电压是产生电流的根本原因；其方向规定由“高”电位端指向“低”电位端。,二者的定义式,电压与电位,显然电压与电位定义式的形式相同，因此它们的单位一样，都是伏特V。,电压等于两点电位之差：,二者的区别和联系,Uab=VaVb,电路中某点电位数值上等于该点到参考点的电压。,关联和非关联,电压、电流的方向问题,关联参考方向,实际电源上的电压、电流方向总是非关联

7、的，实际负载上的电压、电流方向是关联的。因此，假定某元件是电源时，其电压、电流方向应选取非关联参考方向；假定某元件是负载时，其电压、电流方向应选取关联参考方向。,非关联参考方向,在电路图上预先标出电压、电流的参考方向，目的是为解题时列写方程式提供依据。因为，只有参考方向标定的情况下，方程式各电量前的正、负号才有意义。,为什么要在电路图中预先标出参考方向？,例如,设参考方向下US=100V，I=5A，则说明电源电压的实际方向与参考方向一致；,电流为负值说明其实际方向与图中所标示的参考方向相反。,参考方向一经设定，在分析和计算过程中不得随意改动。方程式各量前面的正、负号均应依据参考方向写出，而电量

8、的真实方向是以计算结果和参考方向二者共同确定的。,1.在电路分析中，引入参考方向的目的是什么？,2.应用参考方向时，你能说明“正、负”、“加、,减”及“相同、相反”这几对词的不同之处吗？,电路分析中引入参考方向的目的是：为分析和计算电路提供方便和依据。,应用参考方向时，“正、负”是指在参考方向下，电压、电流数值前面的正负号，如某电流为“5A”，说明其实际方向与参考方向相反，某电压为“100V”，说明该电压实际方向与参考方向一致；“加、减”指参考方向下电路方程式中各量前面的加、减号；“相同”是指电压、电流为关联参考方向，“相反”指的是电压、电流参考方向非关联。,电路中各点电位的计算,电路中某一点

9、的电位是指由这一点到参考点的电压；,原则上电路参考点可以任意选取,通常可认为参考点的电位为零值,Va=US1,Vc=US2,Vb=I3 R3,若以d为参考点，则:,+US1,US2,简化电路,US1,电位的计算应用举例,解,举例1：分别以A、B为参考点计算C和D点的电位及UCD。,VC=3 3=9 V,VD=3 2=6 V,以B为参考点时,VD=5 V,VC=10 V,UCD=VC VD=15 V,UCD=VC VD=15 V,以A为参考点时,电位的计算应用举例,举例2：下图所示电路，求S打开和闭合时a点电位各为多少？,I=12-(-12)(6+4+20)=0.8mA,Va=12-0.820=

10、4V,I,I=12(20+4)=0.5mA,Va=0.54=2V,解,S断开时，图中三个电阻为串联,S闭合时，等效电路如下图所示,功率和能量,电流能使电动机转动、电炉发热、电灯发光，说明电流具有做功的本领。电流做功的多少通常用能量来衡量。,单位：U【V】；I【A】；t【s】时，电能W为焦耳【J】,若U【kV】；I【A】；t【h】时，电能W为度【kWh】,1度电的概念,1000W的电炉加热1小时,100W的灯泡照明10小时,40W的灯泡照明25小时,日常生活中，用电度表测量电能。当用电器工作时，电度表转动并且显示电流消耗电能的多少。显然电能的大小不仅与电压电流的大小有关，还取决于用电时间的长短。

11、,W=UIt,电功率,电功率反映了电路元器件能量转换的本领。如100W的电灯表明在1秒钟内该灯可将100J的电能转换成光能和热能；电机1000W表明它在一秒钟内可将1000J的电能转换成机械能。,电工技术中，单位时间内电流所作的功称为电功率。电功率用“P”表示：,国际单位制：U【V】，I【A】，电功率P用瓦特【W】,用电器上标示的电功率称为额定电功率。通常情况下，用电器的实际功率并不等于额定电功率，而取决于当时电压、电流的乘积。当实际功率小于额定功率时，用电器实际功率达不到额定值，当实际功率大于额定功率时，用电器易损坏。,仔细理解下面的例题,图示电路，若已知元件吸收功率为20W，电压U为5V，

12、求电流I。,解,图示电路，已知元件中通过的电流为100A，电压U为10V，求电功率P。并说明元件性质。,解,元件吸收正功率，说明元件是负载。,1.2 电路基本元件,1.2.1 电阻元件,线性电阻元件伏安特性,由电阻的伏安特性曲线可得，电阻元件上的电压、电流关系为即时对应关系，即：,电阻产品实物图,电阻元件图符号,电阻元件上的电压、电流关系遵循欧姆定律。即元件通过电流就会发热，消耗的电能为：,线性电阻元件的特点,1、电阻元件上的电压、电流任一瞬间均符合欧姆定律的即时对应关系。电阻元件的参数R反映了元件本身对电流的阻碍作用，是常数。,2、双向性：电流无论从电阻元件的哪个方向流入，都同样消耗电能，其

13、电压、电流总是关联的，所以在连接电阻时无需注意方向。,3、耗能性：由于电阻元件上的电压、电流在任一瞬间方向关联，所以它总是耗能的。通过电阻元件的电流越大，电阻元件的发热越严重，若电流过大，则电阻可烧损。所以实际电阻器上都标有额定值作为最高限值，使用中不得超过该值。,电阻元件的参数也可用电导G表征：,线性电感元件的韦安特性,对线性电感元件而言，任一瞬时，其电压和电流的关系为微分(或积分)的动态关系，即：,显然，只有电感元件上的电流,电感元件图符号,发生变化时，电感两端才有电压。因此，我们把电感元件称为动态元件。动态元件可以储能，储存的磁能为：,或,1.2.2 电感元件,电感产品实物图,线性电感元

14、件的特点,1、线性电感元件上产生的磁链多少总是与通过它的电流成正比。即：,2、双向性：电流无论从电感元件的哪个方向流入，都同样建立磁场产生磁链，故也是一种与端钮接法无关的元件。,4、记忆性：由于电感元件上的电流任一时刻总是与之前电压的全部历史有关，所以说电感元件的电流有记忆电压的作用，故称电感元件为记忆元件。,3、动态性：电感元件上的电压、电流任一瞬间均为微分或积分的动态关系：,1.2.3 电容元件,线性电容元件的库伏特性,电容元件的工作方式就是充放电。,电容产品实物图,电容元件图符号,因此，只有电容元件的极间电压发生变化时，电容支路才有电流通过。电容元件也是动态元件，其储存的电场能量为：,或

15、,线性电容元件的特点,1、电容元件上储存的电荷量总是正比与电容的极间电压。即：,2、双向性：线性电容元件的库伏特性说明它在一定电压下所储存的电量也与端钮连接方法无关。,4、记忆性：电容元件上任一时刻的电压大小均取决于之前通过元件的所有电流，即具有记忆性、储能性。,3、动态性：电容元件的基本工作方式是充放电。对线性电容元件而言，任一瞬时，其电压、电流的关系也是微分(或积分)的动态关系，即：,1.2.4 电源元件和实际电源模型,任何电源都可以用两种电源模型来表示，对输出电压比较稳定的发电机、干电池、蓄电池等，通常用电压源模型表示：,对输出电流较稳定的光电池或晶体管的输出端等，通常用电流源模型来表示

16、：,柴油机组,汽油机组,蓄电池,各种形式的电源设备图,1.理想电压源、电流源,理想电压源的定义,理想电压源的特点,能独立向外电路提供恒定电压的二端元件。,恒压不恒流。US恒定，I由电源和外电路共同决定。,理想电压源的伏安特性,理想电压源的图符号,平行于电流轴的一条直线,理想电压源的开路与短路,开路,短路,理想电压源不允许短路！,理想电压源输出的电压值恒定，且内阻为零，因此一旦发生电源短路，理想电压源将因短路电流无穷大而造成电源烧毁事故！,理想电流源,理想电流源的定义,理想电流源的特点,能独立向外电路提供恒定电流的二端元件。,恒流不恒压。IS恒定，U由电源和外电路共同决定。,理想电流源的伏安特性

17、,理想电流源的图符号,平行于电压轴的一条直线,理想电流源的开路与短路,开路,短路,理想电流源输出的电流值恒定且内阻无穷大，当发生电源开路，则将造成理想电流源的端电压趋近于无穷大而烧毁电源！,因此，理想电流源不允许开路！,2.实际电源模型,若实际电源输出的电压值变化不大，可用电压源和电阻相串联的电源模型表示，即实际电源的电压源模型。,若实际电源输出的电流值变化不大，则可用电流源和电阻相并联的电源模型表示，即实际电源的电流源模型。,实际电源模型与理想电源的差别,实际电源的内阻值总是存在的，且为有限值。因此，实际电压源模型电路中，当负载电流增大时，内阻上必定增加消耗，从而造成输出电压随负载电流的增大

18、而减小，其外特性不再平直，而是稍微向下倾斜。,实际电压源模型的外特性,电压源模型,输出端电压,U,2.实际电源模型与理想电源的差别,实际电流源模型的外特性,电流源模型,与理想电流源相比，实际电流源模型的内阻总是存在且为有限值，因此当负载增大时，内阻上分配的电流必定增加，从而造成输出电流随负载的增大而减小。因此实际电流源模型的外特性也是一条稍微向下倾斜的直线。,1.2.5 受控源,定义,受控源的电压或电流不象独立源是给定函数，而是受电路中某个支路的电压（或电流）的控制。,电路图符号,前面所讲的独立源，向电路提供的电压或电流是由非电能量提供的，其大小、方向由自身决定；受控源的电压或电流不能独立存在

19、，而是受电路中某个电压或电流的控制，受控源的大小、方向由控制量决定。当控制量为零时，受控电压源相当于短路；受控电流源相当于开路。,受控电压源,受控电流源,受控源的分类,压控电压源,压控电流源,流控电压源,流控电流源,含有受控源的电路分析要点之一,可以用两种电源等效互换的方法，简化受控源电路。但简化时注意不能把控制量化简掉。否则会留下一个没有控制量的受控源电路，使电路无法求解。,受控源,如果一个二端网络内除了受控源外没有其他独立源，则此二端网络的开路电压必为零。因为，只有独立源产生控制作用后，受控源才能表现出电源性质。求含有受控源电路的等效电阻时，须先将二端网络中的所有独立源去除(恒压源短路处理

20、、恒流源开路处理)，受控源应保留。含受控源电路的等效电阻可以用“加压求流法”求解。参看课本例题。,含有受控源的电路分析要点之二,几个常用的电路名词,1.3 基尔霍夫定律,支路：一个或几个二端元件首尾相接中间无分岔，使各元件上通过的电流相等。（m）,节点：三条或三条以上支路的汇集点。（n）,回路：电路中的任意闭合路径。（l）,网孔：不包含其它支路的单一闭合路径。,m=3,l=3,n=2,网孔=2,1.3.1 基尔霍夫电流定律KCL,KCL定律的内容,任一时刻，流入电路中任一节点上电流的代数和恒等于零。数学表达式为：,a,I1+I2 I3 I4=0,通常规定以指向节点的电流取正，背离节点的电流取负

21、。在此规定下，根据KCL可对节点 a列出KCL方程：,i=0（任意波形的电流）,I=0（稳恒不变的电流）,KCL的有关举例与讨论,举例1,整理为 i1+i3=i2+i4,可列出KCL：i1 i2+i3 i4=0,根据 i（t）=0,可得KCL的另一种形式：i入=i出,KCL的推广应用,对图示电路的三个节点分别列KCL,即 I=0,IA+IB+IC=0,可见，在任一瞬间通过任一封闭面的电流的代数和也恒等于零。,IA=IAB ICA,IB=IBC IAB,IC=ICA IBC,把上述三式相加可得,KCL的推广应用,二端网络的两个对外引出端子，电流由一端流入、从另一端流出，因此两个端子上的电流数值相

22、等。,只有一条支路相连时：i=0,i1+i2+i3=0,图示B封闭曲面均可视为广义节点，,i1=i2,KCL应用举例,i1 和i2数值上恰好相等，但各自求解的方法不同。,VA=V B,右封闭曲面可视为广义节点,举例1,1.3.2 基尔霍夫电压定律KVL,任一瞬间，沿任一回路参考绕行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。数学表达式为：U=0,基尔霍夫电压定律是用来确定回路中各段电压之间关系的电压定律。回路电压定律依据“电位的单值性原理”，其内容：,先标绕行方向,根据：U=0,得：,-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0,R1I1US1+R2I2+R3I3+R4I4+US4=0,R1I1+R

23、2I2+R3I3+R4I4=US1US4,电阻压降,可得KVL另一形式：IR=US,电源压升,KVL定律的第二种形式,根据电路图将各电压改写为：,-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0,把上式加以整理：,KVL定律的推广应用,或写作,对假想回路列 KVL：,US IR U=0,U=US IR,KVL定律的推广应用,UA UB UAB=0,UAB=UA UB,对假想回路列 KVL：,或写作,KVL定律应用举例,根据 U=0对回路#1列KVL方程,电阻压降,电源压升,即电阻压降等于电源压升,#1方程式也可用常用形式,对回路#2列KVL常用形式,KVL定律应用举例,此方程式不独立,省略！,对回

24、路#3列KVL方程,图示电路KVL独立方程为,KVL方程式的常用形式，是把变量和已知量分别放在方程式两边，这样放置显然给解题带来一定的方便。,基尔霍夫定律应用举例,举例1：求图中电压U和电流I。,KCL：-3-1+2-I=0 I=-2A,VAR:U1=3I=3(-2)=-6V,KVL：U+U1+3-2=0 U=5V,解,基尔霍夫定律应用举例,解,举例2：求图中电位Va。,Va=U1+3V=4 1+3=1V,U1,电阻之间的等效变换,1.4 等效变换,即：R=R1+R2,串联电路电阻等效是“和”的关系,即：,并联电路电阻等效是“倒数和的倒数”关系,电阻的混联电路求解举例,已知图中U=12V，求I

25、=？,解,R=6/(1+3/6)=2k,I=U/R=12/2)=6mA,Y形网络与形网络之间的等效,Y网络与网络等效举例,求RAB,解,无论是Y电阻网络还是电阻网络，若3个电阻的阻值相同，其等效电阻网络中3个电阻的阻值也相等，有,RAB=50+(50+150)/(50+150)=150,电源之间的等效变换,Us=Is RSI,内阻改并联,两种电源模型之间等效变换时，电压源的数和电流源的数值遵循欧姆定律的数值关系，但变换过程中内阻不变。,等效互换的原则：当外接负载相同时，两种电源模型对外部电路的电压、电流相等。,内阻改串联,利用电源之间的等效简化电路举例,I=0.5A,即：U=82.5=20V,

26、求I=?,求U=?,理想电压源的串联与并联,串联,US=USk,电压值相同的电压源才能并联，且每个电源的电流不确定。,注意参考方向,US=US1 U S2,并联,理想电流源的串联与并联,并联,IS=ISk,注意参考方向,IS=IS1+IS2 IS3,电流相同的理想电流源才能串联，且每个恒流源的端电压均由它本身及外电路共同决定。,串联,？,？,？,is=is2-is1,在电路等效的过程中，与理想电压源相并联的电流源不起作用！,与理想电流源相串联的电压源不起作用！,注意对以下问题的理解,等效条件：对外部等效，对内部不等效；理想电源之间不能等效互换，实际电源模型之间可以等效变换；实际电源模型等效变换时应注意等效过程中参数的计算、电源数值与其参考方向的关系；电阻之间等效变换时一定要注意找对结点，这是等效的关键；与理想电压源并联的支路对外可以开路等效；与理想电流源串联的支路对外可以短路等效。,电位的计算应用举例,举例：下图所示电路，求S打开和闭合时a点电位各为多少？,I=12-(-12)(6+4+20)=0.8mA,Va=12-0.820=4V,I,I=12(20+4)=0.5mA,Va=0.54=2V,解,S断开时，图中三个电阻为串联,S闭合时，等效电路如下图所示,本章内容结束！,希望同学们对本章内容予以重视，多做习题才能真正掌握其方法。,