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1、第1章 电路分析基础知识,1.1电路的组成及电路分析的概念1.2电路的基本元件1.3简单电路的分析方法1.4基尔霍夫定律1.5正弦交流电小结,1.1电路的组成及电路分析的概念,电路的组成和作用电路的形式是多种多样的，但从电路的本质来说，其组成都有电源、负载、中间环节三个最基本的部分。例如，图1-1所示的手电简电路中，电池把化学能转换成电能供给灯泡，灯泡却把电能转换成光能作照明之用。电路的种类繁多，但从电路的功能来说，其作用有两个方面：其一是实现电能的传输和转换；其二是进行信号的传递与处理。电路的作用不同，对其提出的技术要求也不同，前者较多地侧重于传输效率的提高，后者多侧重于信号在传递过程中的保
2、真、运算的速度和抗干扰等。,下一页,1.1电路的组成及电路分析的概念,理想元件和电路模型用于构成电路的电工、电子元器件或设备统称为实际电路元件，简称实际元件。用来表征上述物理性质的理想电路元件(以后理想两字常略去)分别称为恒压源Vs、恒流源Is,、电阻元件R、电容元件C、电感元件L。图1-2是它们的电路模型图形符号。它们为电路结构的基本模型，由这些基本模型构成电路的整体模型。例如，手电简电路的电路模型如图1-3所示。,下一页,上一页,1.1电路的组成及电路分析的概念,1.1.3电流、电压的参考方向电路中电流的方向是指正电荷定向移动的方向;电路中两点之间电压的方向是高电位指向低电位的方向(即电位
3、降落的方向);电动势的方向在电源内部是由低电位指向高电位的方向(即电位升高的方向)。图1-4所示电路中分别标出了电流、电压、电动势的方向。电流、电压的参考方向是人为任意设定的，图1-5电路中箭头所示方向就是电流和电压的参考方向。,下一页,上一页,1.1电路的组成及电路分析的概念,1.1.3电流、电压的参考方向按参考方向求解得出的电流和电压值有两种可能：得正值，说明设定的参考方向与实际方向一致;若为负值，则表明参考方向与实际方向相反。参考方向也称正方向，除了用箭标标示外，还可以用双下标标示。当一个元件或一段电路上的电流、电压参考方向一致时，则称它们为关联的参考方向，如图1-6(a)所示。这时电阻
4、R两端电压为 U=IR若采用非关联参考方向，如图1-6(b)所示，则电阻R两端的电压为 U=-IR,下一页,上一页,1.1电路的组成及电路分析的概念,1.1.4电功率的正负P=UI(1)当电流、电压取关联的参考方向时P=UI(2)当电流、电压取非关联参考方向时P=-UI在此规定下，将电流I和电压U数值的正负号如实代入公式，如果计算结果为P 0时，表示元件吸收功率，该元件为负载；反之，P 0时，表示元件发出功率，该元件为电源。,下一页,上一页,1.1电路的组成及电路分析的概念,1.1.5电路的状态电路在不同的工作条件下，将分别处于通路、开路和短路状态。1.通路在图1-10(a)中，当电源与负载接
5、通时，电路称为通路。,下一页,上一页,1.1电路的组成及电路分析的概念,1.1.5电路的状态2.开路在图1-10(b)中，开关打开，电源与负载没有接通，电路称为开路。由于电路未构成闭合电路，电路中电流为零，电源产生的功率和输出的功率都为零。处于开路状态下的电源两端的电压称为开路电压，用U0表示，其值等于电源的电动势E(或Us)，即U0=E=Us,下一页,上一页,1.1电路的组成及电路分析的概念,1.1.5电路的状态3.短路 在图1-10(c)中，由于某种原因，电源两端被直接连在一起，造成电源短路，称电路处于短路状态。电源的电动势全部降在内阻上，形成短路电流Is，即而电源产生的功率将全部消耗在内
6、阻中，即电源短路是一种严重事故。,下一页,上一页,1.1电路的组成及电路分析的概念,1.1.6电路中的电位在电力工程中规定大地为零电位的参考点，在电子电路中，通常以与机壳连接的输入、输出的公共导线为参考点，称之为“地”，在电路图中用符号“”表示。图1-11(a)所示电路选择了P点为参考点，这时各点的电位是图1-11(b)就是图1-11(a)的习惯画法，图中正的电位值表示该端接正电源，即电源的正极接该端，负极接“地”，反之为负电源。图1-12为电子电路的习惯画法。,上一页,返 回,1.2 电路的基本元件,独立电源元件 1.恒压源和恒流源恒压源和恒流源都是理想的电源元件，它们的外特性U=f(I)和
7、图形符号分别如图1-15(a)、(b)和图1-16(a)、(b)所示。恒压源能提供一个恒定值的电压Us。恒流源能提供一个恒定值的电流Is。,下一页,1.2 电路的基本元件,独立电源元件 2.实际电源的模型在对电路进行分析时，使用的实际电源通常可以用两种不同的模型来表示，这两种模型分别称为电源的电压源模型(简称电压源)和电流源模型(简称电流源)，它们用理想电源元件和理想电阻元件的组合来表征实际电源的特性。图1-17(a)、(b)和图1-18(a)、(b)分别所示了它们的外特性及电路模型。,下一页,上一页,1.2 电路的基本元件,独立电源元件3.电压源与电流源的等效变换电压源、电流源都是一个实际电
8、源的电路模型，无沦采用哪一种模型，在相同外接负载电阻的情况下，其输出电压、电流均和实际电源输出的电压、电流相等(外特性相同)。即两种电源对负载(或外电路)而言，相互间是等效的，可以等效变换(图1-19)。其中，Is=Us/R 或 Us=IsR,下一页,上一页,1.2 电路的基本元件,电阻、电感和电容元件 电阻R、电感L和电容C是三种具有不同物理性质的电路元件，也称为电路结构的基本模型。其图形符号分别如图1-21(a)(c)所示。1.电阻元件电阻元件简称电阻，是用来表示负载耗能的电特性的。电阻元件的符号如图1-21(a)所示。电阻元件上电压和电流之间的关系为伏安特性。伏安特性曲线是一条通过坐标原
9、点的直线，则称为线性电阻元件，如图1-22中的曲线a所示。伏安特性曲线不是直线的称为非线性电阻元件，如图1-22中曲线b所示。,下一页,上一页,1.2 电路的基本元件,电阻、电感和电容元件,下一页,上一页,1.2 电路的基本元件,电阻、电感和电容元件2.电感元件电感元件简称电感，是用来反映具有存储磁场能量的电路元件。电感元件的符号如图1-21(b)所示。,下一页,上一页,1.2 电路的基本元件,电阻、电感和电容元件3.电容元件电容元件简称电容，是用来反映存储电荷作用的电路元件。电容元件的符号如图1-21(c)所示。,下一页,上一页,1.2 电路的基本元件,电阻、电感和电容元件4.实际元件的主要
10、参数及电路模型 电阻器的种类很多，如实芯电阻(Rs),绕线电阻(RX),碳膜电阻(RT)、金属膜电阻(RJ),氧化膜电阻(RY)等，括号内的字母为各种电阻型号中的标志。电阻器的主要参数为标称阻值、允许偏差和额定功率。电感器通常是用导线绕制而成的线圈。有的电感线圈含有铁心，称为铁心线圈。电感器的主要参数是电感值和额定电流。电容器通常由绝缘介质隔离开的金属极板组成。电容器的主要参数为电容的标称容量和额定电压。图1-23(a)为考虑电能损耗时的电容器模型，图1-23(b)是考虑电能损耗和磁场能储存时的电容器模型。表1-1给出了两个同性质的元件串联或并联时参数的讨论,上一页,返 回,1.3 简单电路的
11、分析方法,欧姆定律通常流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。对图1-24中的电路可下式表示：I=U/R(1)式前的正负号由U、I参考方向的关系确定。(2)U、I值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系。,下一页,1.3 简单电路的分析方法,1.3.2电阻的串联和并联1.电阻的串联图1-25为三个电阻串联的电路。电阻串联(series connection)的特点如下:(1)根据基尔霍夫电流定律，通过串联电阻的电流是同一个电流。(2)根据基尔霍夫电压定律，串联电路两端口总电压等于各个电阻上电压的代数和，即U=U1+U2+U3,下一页,上一页,1.3 简单电路的分析方法,1.3.2电阻的串联
12、和并联2.电阻的并联图1-26是三个电阻并联的电路。电阻并联(parallel connection)电路的特点如下:(1)根据基尔霍夫电压定律，各并联电阻的端电压是同一个电压。(2)根据基尔霍夫电流定律，通过并联电路的总电流是各并联电路中电流的代数和，即I=I1+I2+I3,下一页,上一页,1.3 简单电路的分析方法,电路中各点电位的计算电压可用“电位差”表示。以图1-29(a)所示电路为例，可以列出下列各式:参考点又叫“零电位点”。零电位一经选定，其他各点均有一定的电位。图1-30列举了两个例子，把一般电路的画法和电子电路中的习惯画法并列，以资比较和熟悉。,上一页,返 回,1.4 基尔霍夫
13、定律,基尔霍夫电流定律和电压定律是分析电路问题的最基本的定律。基尔霍夫电流定律应用于节点，可确定电路中各支路电流之间的关系;基尔霍夫电压定律应用于回路，可确定电路中各部分电压之间的关系。基尔霍夫定律是一个普遍适用的定律，既适用于线性电路也适用于非线性电路，它仅与电路的结构有关，而与电路中的元件性质无关。,下一页,1.4 基尔霍夫定律,基尔霍夫电流定律(KCL)1.定律内容在任一瞬时，流入某一节点的电流之和恒等于流出该节点的电流之和，即 2.定律推广基尔霍夫电流定律不仅适用于节点，也适用于任一闭合面。这种闭合面有时也称为广义节点(扩大了的大节点)。如图1-33(a)所示，由广义节点用KCL可得I
14、a+Ib+Ic=0再比如，图1-33(b)所示的晶体管，同样有IE=IB+IC,下一页,上一页,1.4 基尔霍夫定律,1.4.2基尔霍夫电压定律(KVL)1.定律内容 在任一瞬时，沿任一闭合回路绕行一周，则在这个方向上电位升之和恒等于电位降之和，即 2.定律的推广基尔霍夫电压定律不仅适用于闭合电路，也可以推广应用于开口电路。图1-34所示不是闭合电路，但在电路的开口端存在电压UAB，可以假想它是一个闭合电路，如按顺时针方向绕行此开口电路一周，根据KVL则有,下一页,上一页,1.4 基尔霍夫定律,1.4.3基尔霍夫定律的应用支路电流法支路电流法的解题步骤如下:(1)标出各支路电流的参考方向，确定
15、支路数目。(2)根据节点数目用KCL列写出节点的电流方程。(3)根据网孔数目用KVL列写出网孔的电压方程。(4)解联立方程，求出各个支路电流。,上一页,返 回,1.5 正弦交流电,正弦交流电的基本概念大小和方向都随时间做周期性变化的电动势、电压和电流统称为交流电。在交流电作用下的电路称为交流电路。工程上应用的交流电，一般是随时间按正弦规律变化的，称为正弦交流电，简称交流电。图1-40(a)为一最简单的交流发电机，标有N,S的为两个静止磁极。,下一页,1.5 正弦交流电,表示正弦交流电特征的物理量如图1-40所示的发电机，当转子以等速旋转时，绕组中感应出的正弦交变电动势的波形如图1-41所示。1
16、.周期、频率、角频率正弦交流电变化一周所需的时间叫周期，用T表示。1秒钟内交流电变化的周数，称为交流电的频率，用f表示，f=1/T，频率的单位是Hz(赫兹)。图1-41所示的正弦电动势，每一时刻的值都可与一个角度相对应。每秒钟经过的电角度叫角频率，用表示。=2/T=2f,下一页,上一页,1.5 正弦交流电,表示正弦交流电特征的物理量2.瞬时值、最大值、有效值瞬时值:交流电在变化过程中，每一时刻的值都不同，该值称为瞬时值。最大值:正弦交流电波形图上的最大幅值便是交流电的最大值。有效值:正弦交流电的瞬时值是随时间变化的，计量时用正弦交流电的有效值来表示。交流电表的指示值和交流电器上标示的电流、电压
17、数值一般都是有效值。,下一页,上一页,1.5 正弦交流电,表示正弦交流电特征的物理量3.正弦交流电的相位和相位差(1)相位。正弦交变电动势，它的瞬时值随着电度 而变化。电角度 叫做正弦交流电的相位。如图1-44所示。(2)初相。当t=0时的相位叫初相。(3)相位差。两个同频率的正弦交流电的相位之差叫相位差。,上一页,返 回,小结,(1)电路理沦研究的对象，是由理想电路元件构成的电路模型。(2)电路分析的主要变量有电压、电流和电功率等。(3)KCL和KVL是电路中两个非常重要的基本定律。(4)实际电源具有两种电路模型：一是由电阻元件与理想电压源相串联构成的电压源模型；二是由电阻元件与理想电流源相
18、并联构成的电流源模型。(5)“等效”这一概念贯穿于本书的始终，是电路分析中非常重要的基本概念。(6)电路中某一点电位等于该点与参考点之间的电压，计算电位时与所选择的路径无关。(7)受控源是一种电压或电流受电路中其他部分的电压或电流控制的非独立源。,返 回,图1-1 手电筒电路,返 回,图1-2 电路的基本模型一理想电路元件,返 回,图1-3 手电筒电路模型,返 回,图1-4 电流、电压的实际方向,返 回,图1-5 电流、电压的参考方向,返 回,图1-6 参考方向的关联性,返 回,图1-10电路的二种状态(a)通路,返 回,图1-10电路的二种状态(b)开路,返 回,图1-10电路的二种状态(c
19、)短路,返 回,图1-11 电路的电位,返 回,图1-12 电子电路的习惯画法,返 回,图1-15 恒压源外特性与符号,返 回,图1-16 恒流源外特性与符号,返 回,图1-17 电压源外特性和模型,返 回,图1-18 电流源外特性和模型,返 回,图1-19 电压源和电流源的等效变换,返 回,图1-21 电阻、电感和电容元件,返 回,图1-22 电阻元件的伏安特性,返 回,图1-23 电容器的模型,返 回,表1-1 两个元件串联和并联时参数的计算公式,返 回,图1-24 定律欧姆,返 回,图1-25 电阻串联电路,返 回,图1-26 电阻并联电路,返 回,图1-29 电位的计算图,返 回,图1-30 电子电路的习惯画法,返 回,图1-33 KCL的推广应用,返 回,图1-34 KVL的推广应用,返 回,图1-40 交流发电机,返 回,图1-41 当角度变到/2时正弦电动势波形图,返 回,图1-44,返 回,
