電工電子技術(shù)ppt講解.ppt

第1章 電路分析基礎(chǔ),1.1 電路元件,1.4 疊加定理,1.5 等效電源定理,1.3 電路中電位的概念及計算,1.2 基爾霍夫定律,本章要求: 1.理解電壓與電流參考方向的意義； 2.了解電源的有載工作、開路與短路狀態(tài)， 理解電功率和額定值的意義； 3. 理解電路的基本定律并能正確應(yīng)用； 4. 會計算電路中各點的電位； 5.掌握常用電路分析方法.,第1章 電路分析基礎(chǔ),1.1 電路元件,(1) 實現(xiàn)電能的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換,(2)實現(xiàn)信號的傳遞與處理,電路的作用：,電路是電流的通路，是為了某種需要由電工設(shè)備或電路元件按一定方式組合而成。由電源、負載、中間環(huán)節(jié)、電線等組成。,電路的組成部分：,直流電源: 提供能源,信號處理： 放大、調(diào)諧、檢波等,負載,信號源: 提供信息,電路的組成部分：,電源或信號源的電壓或電流稱為激勵，它推動電路工作；由激勵所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)。,電路模型:,手電筒的電路模型,為了便于用數(shù)學(xué)方法分析電路,一般要將實際電路模型化，即忽略次要因素,用反映它們主要物理性質(zhì)的理想元件或其組合來代替實際電路中的器件，這樣將實際電路抽象概括成由理想元件組成的電路模型。,例：手電筒,I,手電筒由電池、燈 泡、開關(guān)和筒體組成。,理想電路元件主要有電阻元件、電感元件、電容元件和電源元件等。,1.1.1 電壓和電流的參考方向,物理中對基本物理量規(guī)定的方向,1.電路基本物理量的實際方向,(2). 參考方向的表示方法,電流：,電壓：,(1). 參考方向,在分析與計算電路時，對電量任意假定的方向。,2.電路基本物理量的參考方向,實際方向與參考方向一致，電流(或電壓)值為正值； 實際方向與參考方向相反，電流(或電壓)值為負值。,(3). 實際方向與參考方向的關(guān)系,注意： 在參考方向選定后，電流 ( 或電壓 ) 值才有正負之分。,若 I = 5A，則電流從 a 流向 b；,例：,若 I = 5A，則電流從 b 流向 a 。,若 U = 5V，則電壓的實際方向從 a 指向 b；,若 U= 5V，則電壓的實際方向從 b 指向 a 。,3. 歐姆定律,U、I 參考方向相同時，,U、I 參考方向相反時，,表達式中有兩套正負號： 式前的正負號由U、I 參考方向的關(guān)系確定；, U、I 值本身的正負則說明實際方向與參考 方向之間的關(guān)系。,通常取 U、I 參考方向相同，稱為關(guān)聯(lián)參考方向，反之為非關(guān)聯(lián)參考方向。,U = I R,U = IR,解：對圖(a)有, U = IR,例：應(yīng)用歐姆定律對下圖電路列出式子，并求電阻R。,對圖(b)有, U = IR,1. 電阻元件的定義:,描述消耗電能的性質(zhì),根據(jù)歐姆定律:,即電阻元件上的電壓與通過的電流成線性關(guān)系,線性電阻,表明電能全部消耗在電阻上，轉(zhuǎn)換為 熱能散發(fā)，所以電阻元件是無源元件、耗能元件,電阻的能量,1. 1. 2 電阻元件,2. 電阻元件的功率和能量 :,電阻元件的功率,1.1.3 電感元件,用來反映存儲磁場能量的理想元件。,1. 物理意義,線圈的電感與線圈的尺寸、匝數(shù)以及附近的介質(zhì)的導(dǎo)磁性能等有關(guān)。,自感電動勢：,2 自感電動勢方向的判定,(1) 自感電動勢的參考方向,規(guī)定:自感電動勢的參考方向與電流參考方向相同, 或與磁通的參考方向符合右手螺旋定則。,(2) 自感電動勢瞬時極性的判別,eL與參考方向相反,eL與參考方向相同,eL具有阻礙電流變化的性質(zhì),(3) 電感元件儲能,根據(jù)基爾霍夫定律可得：,將上式兩邊同乘上 i ，并積分，則得：,磁場能,即電感將電能轉(zhuǎn)換為磁場能儲存在線圈中，當(dāng)電流增大時，磁場能增大，電感元件從電源取用電能；當(dāng)電流減小時，磁場能減小，電感元件向電源放還能量。,1.1.4 電容元件,是實際電容器或電路中具有電容效應(yīng)元件的理想模型，是反映物體存儲電荷能力的理想元件。,電容：,電容器極板上的電荷量q與極板間電壓u之比稱為電容元件的電容，即,當(dāng)電壓u變化時，在電路中產(chǎn)生電流:,q,q,電容元件儲能,根據(jù)：,將上式兩邊同乘上 u，并積分，則得：,電場能,即電容將電能轉(zhuǎn)換為電場能儲存在電容中，當(dāng)電壓增大時，電場能增大，電容元件從電源取用電能；當(dāng)電壓減小時，電場能減小，電容元件向電源放還能量。,1.理想電壓源（恒壓源）,例1：,(2) 輸出電壓是一定值。 對直流電壓，有 U US。,(3) 恒壓源中的電流由外電路決定。,特點:,(1) 內(nèi)阻R0 = 0,設(shè) US = 10 V，接上RL 后，恒壓源對外輸出電流。,當(dāng) RL= 1 時， U = 10 V，I = 10A 當(dāng) RL = 10 時， U = 10 V，I = 1A,電壓恒定，電 流隨負載變化,1.1.5 理想電壓源和理想電流源,2.理想電流源（恒流源),例1：,(2) 輸出電流是一定值，恒等于電流 IS ；,(3) 恒流源兩端的電壓 U 由外電路決定。,特點:,(1) 內(nèi)阻R0 = ；,設(shè) IS = 10 A，接上RL 后，恒流源對外輸出電壓。,當(dāng) RL= 1 時， I = 10A ，U = 10 V 當(dāng) RL = 10 時， I = 10A ，U = 100V,外特性曲線/ 伏安特性曲線,I,U,IS,O,電流恒定，電壓隨負載變化。,獨立電源：指電壓源的電壓或電流源的電流不受 外電路的控制而獨立存在的電源。,受控源的特點：當(dāng)控制電壓或電流消失或等于零時， 受控源的電壓或電流也將為零。,受控電源：指電壓源的電壓或電流源的電流受電路中 其它部分的電流或電壓控制的電源。,對含有受控源的線性電路，可用獨立源的電路分析方法進行分析和計算 ，但要考慮受控的特性。,應(yīng)用：用于晶體管電路的分析。,理想受控源,四種理想受控電源的模型,電壓控制電壓源,電流控制電壓源,電壓控制電流源,電流控制電流源,1.1.6 元件的功率,1. 元件電壓和流過的電流為關(guān)聯(lián)參考方向時,P = UI,2. 元件電壓和流過的電流為非關(guān)聯(lián)參考方向時,P = UI,3.電源與負載的判別(元件屬性的判別)：,(1) 根據(jù) U、I 的實際方向判別,電源：U、I 實際方向相反，即電流從“+”端流出， （發(fā)出功率）；,負載：U、I 實際方向相同，即電流從“-”端流出。 （吸收功率）。,(2) 根據(jù) U、I 的參考方向判別,將電流I和電壓U代入上述式中 P 0，負載； P 0，電源。,1. 電壓源和電流源,電壓源模型,由上圖電路可得: U = US IR0,若 R0 = 0,理想電壓源 : U US,U0=E,電壓源的外特性,理想電壓源和內(nèi)阻 R0 串聯(lián)的電源的電路模型。,若 R0 RL ，U US ， 可近似認為是理想電壓源。,理想電壓源,O,電壓源,1.1.7 實際電源的模型,U0=ISR0,電流源的外特性,理想電流源,O,IS,電流源是由電流 IS 和內(nèi)阻 R0 并聯(lián)的電源的電路模型。,由上圖電路可得:,若 R0 = ,理想電流源 : I IS,若 R0 RL ，I IS ，可近似認為是理想電流源。,電流源,開關(guān)閉合,接通電源與負載。,特征:,2. 電源的三種狀態(tài), 電流的大小由負載決定。, 在電源有內(nèi)阻時，I U 。,UI = USI IRo, 電源輸出的功率由負載決定。,負載大小的概念: 負載增加指負載取用的 電流和功率增加(電壓一定)。,(1) 有載,電氣設(shè)備的額定值,額定值: 電氣設(shè)備在正常運行時的規(guī)定使用值,電氣設(shè)備的三種運行狀態(tài),欠載(輕載)： I IN ，P PN (不經(jīng)濟),過載(超載)： I IN ，P PN (設(shè)備易損壞),額定工作狀態(tài)： I = IN ，P = PN (經(jīng)濟合理安全可靠),特征:,開關(guān) 斷開,(2) 開路（空載）, 開路處的電流等于零； I = 0 開路處的電壓 U 視電路情況而定。,電路中某處斷開時的特征:,電源外部端子被短接,(3)短路, 短路處的電壓等于零； U = 0 短路處的電流 I 視電路情況而定。,電路中某處短路時的特征:,3. 電壓源與電流源的等效變換,由圖a： U = US IR0,由圖b： U = （IS I）R0 = ISR0 IR0, 等效變換時，兩電源的參考方向要一一對應(yīng)。, 理想電壓源與理想電流源之間無等效關(guān)系。, 電壓源和電流源的等效關(guān)系只對外電路而言， 對電源內(nèi)部則是不等效的。,注意事項：,例：當(dāng)RL= 時，電壓源的內(nèi)阻 R0 中不損耗功率， 而電流源的內(nèi)阻 R0 中則損耗功率。,例1:,試用電壓源與電流源等效變換的方法 計算2電阻中的電流。(補充電阻串并聯(lián)知識）,解:,由圖(d)可得,例2:,求下列各電路的等效電源,解:,1. 2 基爾霍夫定律,支路(branch)：電路中的每一個分支。 一條支路流過一個電流，稱為支路電流。,節(jié)點(node)：三條或三條以上支路的聯(lián)接點。,回路(loop)：由支路組成的閉合路徑。,網(wǎng)孔(mesh)：內(nèi)部不含支路的回路。,例1：,支路：ab、bc、ca、 （共6條）,回路：abda、abca、 adbca （共7 個）,節(jié)點：a、 b、c、d (共4個）,網(wǎng)孔：abd、 abc、bcd （共3 個）,1.2.1 基爾霍夫電流定律(KCL定律),1定律,或: 入= 出,在任一瞬間，流向任一節(jié)點的電流等于流出該節(jié)點的電流，即電流的代數(shù)和為零。, 實質(zhì): 電流連續(xù)性的體現(xiàn)。,即: = 0,如節(jié)點 a：,或I1+I2 = I3,I1+I2I3= 0,基爾霍夫電流定律（KCL）反映了電路中任一節(jié)點處各支路電流間相互制約的關(guān)系。,電流定律可以推廣應(yīng)用于包圍部分電路的任一假設(shè)的閉合面。,2推廣,I =?,例:,廣義節(jié)點,I = 0,IA + IB + IC = 0,在任一瞬間，沿任一回路循行方向一周，回路中各段電壓的代數(shù)和恒等于零。,1.2.2 基爾霍夫電壓定律（KVL定律),1 KVL定律,即： U = 0,對回路1：,對回路2：,或US1 = I1 R1 +I3 R3,或I2 R2+I3 R3=US2,I1 R1 +I3 R3 US1 = 0,I2 R2+I3 R3 US2 = 0,基爾霍夫電壓定律（KVL） 反映了電路中任一回路中各段電壓間相互制約的關(guān)系。,1列方程前標注回路循行方向；,或 US2 =UBE + I2R2, U = 0 I2R2 US2 + UBE = 0,2應(yīng)用 U = 0列方程時，項前符號的確定： 規(guī)定與循行方向一致取正號，反之則取負號。,3. 開口電壓可按回路處理,注意：,對回路1：,例2：,對網(wǎng)孔abda：,對網(wǎng)孔acba：,對網(wǎng)孔bcdb：,R6,I6 R6 I3 R3 +I1 R1 = 0,I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0,I4 R4 + I3 R3 E = 0,應(yīng)用 U = 0列方程,1.2.3 基爾霍夫定律的應(yīng)用,1. 支路電流法：以支路電流為未知量、應(yīng)用基爾霍夫定律（KCL、KVL）列方程組求解。,對上圖電路 支路數(shù)： b=3 ， 節(jié)點數(shù)：n =2,回路數(shù) = 3 ， 單孔回路（網(wǎng)孔）=2,若用支路電流法求各支路電流應(yīng)列出三個方程,(1) 在圖中標出各支路電流的參考方向，對選定的回路標出回路循行方向。,(2)應(yīng)用 KCL 對節(jié)點列出 ( n1 )個獨立的節(jié)點電流 方程。,(3) 應(yīng)用 KVL 對回路列出 b( n1 ) 個獨立的回路 電壓方程（通?？扇【W(wǎng)孔列出） 。,(4) 聯(lián)立求解 b 個方程，求出各支路電流。,對節(jié)點 a：,例1 ：,I1+I2I3=0,對網(wǎng)孔1：,對網(wǎng)孔2：,I1 R1 +I3 R3=US1,I2 R2+I3 R3=US2,支路電流法的解題步驟:,(1) 應(yīng)用KCL列(n-1)個節(jié)點電流方程,因支路數(shù) b=6， 所以要列6個方程。,(2) 應(yīng)用KVL選網(wǎng)孔列回路電壓方程,(3) 聯(lián)立解出 IG,支路電流法是電路分析中最基本的方法之一，但當(dāng)支路數(shù)較多時，所需方程的個數(shù)較多，求解不方便。,#例2：,對節(jié)點 a： I1 I2 IG = 0,對網(wǎng)孔abda：IG RG I3 R3 +I1 R1 = 0,對節(jié)點 b： I3 I4 +IG = 0,對節(jié)點 c： I2 + I4 I = 0,對網(wǎng)孔acba：I2 R2 I4 R4 IG RG = 0,對網(wǎng)孔bcdb：I4 R4 + I3 R3 = US,試求檢流計中的電流IG。,RG,2. 節(jié)點電壓法,節(jié)點電壓的概念：,任選電路中某一節(jié)點為零電位參考點(用 表示)，其他各節(jié)點對參考點的電壓為未知量，稱為節(jié)點電壓。 節(jié)點電壓的參考方向從節(jié)點指向參考節(jié)點。,節(jié)點電壓法適用于支路數(shù)較多，節(jié)點數(shù)較少的電路。,節(jié)點電壓法：以節(jié)點電壓為未知量，列方程求解。,在求出節(jié)點電壓后，可應(yīng)用基爾霍夫定律或歐姆定律求出各支路的電流或電壓。,在左圖電路中只含有兩個節(jié)點，若設(shè) b 為參考節(jié)點，則電路中只有一個未知的節(jié)點電壓。,2個節(jié)點的電壓方程的推導(dǎo)：,設(shè)：Ub = 0 V 節(jié)點a電壓為 U，參考方向從 a 指向 b。,2. 應(yīng)用歐姆定律求各支路電流 ：,1. 用KCL對節(jié)點 a 列方程： I1 I2 + IS I3 = 0,將各電流代入 KCL方程則有：,整理得：,2個節(jié)點的節(jié)點電壓方程的推導(dǎo)：,即節(jié)點電壓為：,若上述電路中只有多個電壓源支路，而無電流源支路，節(jié)點電壓為：,即,注意： (1) 上述兩式僅適用于兩個節(jié)點的電路。,(2) 分母是各支路電導(dǎo)之和, 恒為正值； 分子中各項可以為正，也可以可負。 當(dāng)電壓源US 與節(jié)點電壓的參考方向相同時取正號， 反之則取負號，而與各支路電流的參考方向無關(guān)。 電流源IS流入節(jié)點取為正，否則取為負。,彌爾曼 定理,例1：,試求各支路電流。,解：求節(jié)點電壓 Uab, 應(yīng)用歐姆定律求各電流,例2:,試求圖所示電路中電壓U2。,解：,由節(jié)點電壓法公式得：,解得 U2 = 6V,電位：通常設(shè)參考點的電位為零,那么電路中某點至參考點的電壓為該點的電位，記為“UX” 。,1.3.1 電位的概念,電位的計算步驟: 1 任選電路中某一點為參考點，即其電位為零； 2 標出各支路的電流參考方向并計算； 3 計算各點至參考點間的電壓即為各點的電位。,某點電位為正，說明該點電位比參考點高； 某點電位為負，說明該點電位比參考點低。,1.3電路中電位的概念及計算,1.3.2 舉例,求圖示電路中各點的電位:Ua、Ub、Uc、Ud 。,解： 設(shè) a為參考點， 即Ua=0V,Ub=Uba= 106= 60V Uc=Uca = 420 = 80 V Ud =Uda= 65 = 30 V,設(shè) b為參考點，即Ub=0V,Ua = Uab=106 = 60 V Uc = Ucb = US1 = 140 V Ud = Udb =US2 = 90 V,b,a,Uab = 106 = 60 V Ucb = US1 = 140 V Udb = US2 = 90 V,Uab = 106 = 60 V Ucb = US1 = 140 V Udb = US2 = 90 V,結(jié)論：,(1)電位值是相對的，參考點選取的不同，電路中 各點的電位也將隨之改變；,(2) 但電路中兩點間的電壓值是固定的，不會因參考 點的不同而變， 即與零電位參考點的選取無關(guān)。,借助電位的概念可以簡化電路作圖,#例1: 圖示電路，計算開關(guān)S 斷開和閉合時A點 的電位UA,解: (1)當(dāng)開關(guān)S斷開時,(2) 當(dāng)開關(guān)閉合時,電路 如圖（b）,電流 I2 = 0， 電位 UA = 0V 。,電流 I1 = I2 = 0， 電位 UA = 6V 。,電流在閉合 路徑中流通,1.4 疊加原理,疊加原理：對于線性電路，任何一條支路的電流，都可以看成是由電路中各個電源（電壓源或電流源）分別作用時，在此支路中所產(chǎn)生的電流/電壓的代數(shù)和。,疊加原理,由圖 (c)，當(dāng) IS 單獨作用時,同理： I2 = I2 + I2,由圖 (b)，當(dāng)US 單獨作用時,根據(jù)疊加原理, 疊加原理只適用于線性電路。, 電源單獨作用的處理： US = 0，即將US 短路； Is=0，即將 Is 開路 。, 線性電路的電流或電壓均可用疊加原理計算， 但功率P不能用疊加原理計算。例：,注意事項：,各獨立源單獨作用時，受控源均應(yīng)保留。并且控制量的參考方向改變時，受控源的電壓或電流的參考方向也要相應(yīng)改變。, 解題時要標明各支路電流、電壓的參考方向。 若分電流、分電壓與原電路中電流、電壓的參考方 向相反時，疊加時相應(yīng)項前要帶負號。,例1：,電路如圖，已知 US=10V、IS=1A ，R1=10 R2= R3= 5 ，試用疊加原理求流過 R2的電流 I2和理想電流源 IS 兩端的電壓 U。,(b) US單獨作用 將 IS 斷開,(c) IS單獨作用 將 E 短接,解：由圖( b),例1：電路如圖，已知 E =10V、IS=1A ，R1=10 R2= R3= 5 ，試用疊加原理求流過 R2的電流 I2 和理想電流源 IS 兩端的電壓 US。,(b) US單獨作用,(c) IS單獨作用,解：由圖(c),#例2：,試求電流 I1 。,解：用疊加原理,電壓源作用：,2I1+ I1 +2I1 = 10 I1 = 2A,電流源作用：,對大回路：,2I1“ +(3+ I1“)1+2I1“= 0 I1“= 0.6A,I1 = I1 +I1“= 2 0.6=1. 4A,1.5 等效電源定理,二端網(wǎng)絡(luò)的概念： 二端網(wǎng)絡(luò)：具有兩個出線端的部分電路。 無源二端網(wǎng)絡(luò)：二端網(wǎng)絡(luò)中沒有電源。 有源二端網(wǎng)絡(luò)：二端網(wǎng)絡(luò)中含有電源。,無源二端網(wǎng)絡(luò),有源二端網(wǎng)絡(luò),電壓源 （戴維寧定理）,電流源 （諾頓定理）,無源二端網(wǎng)絡(luò)可化簡為一個電阻,有源二端網(wǎng)絡(luò)可化簡為一個電源,1.5.1 戴維寧定理,任何一個有源二端線性網(wǎng)絡(luò)都可以用一個電壓為US的理想電壓源和內(nèi)阻 R0 串聯(lián)的電源來等效代替。,a,b,I,等效電壓源的內(nèi)阻R0等于有源二端網(wǎng)絡(luò)中所有電源均除去（理想電壓源短路，理想電流源開路）后所得到的無源二端網(wǎng)絡(luò) a 、b兩端之間的等效電阻。,等效電壓源的電壓US 就是有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路即將負載斷開后 a 、b兩端之間的電壓U0 。,等效電源,例1：,電路如圖，已知US1=40V，US2=20V，R1=R2=4， R3=13 ，試用戴維寧定理求電流I3。,a,b,a,b,注意：“等效”是指對端口外等效,即用等效電源替代原來的二端網(wǎng)絡(luò)后，待求支路的電壓、電流不變。,有源二端網(wǎng)絡(luò),等效電源,解：(1) 斷開待求支路求等效電壓源的電壓 US,例1：電路如圖，已知US1=40V，US2=20V，R1=R2=4， R3=13 ，試用戴維寧定理求電流I3。,US 也可用節(jié)點電壓法、疊加原理等其它方法求。,US = U0= US2 + I R2 = 20V +2.5 4 V= 30V,或：US = U0 = US1 I R1 = 40V 2.5 4 V = 30V,解：(2) 求等效電源的內(nèi)阻R0 除去所有電源（理想電壓源短路，理想電流源開路）,例1：電路如圖，已知US1=40V，US2=20V，R1=R2=4，R3=13 ，試用戴維寧定理求電流I3。,從a、b兩端看進去， R1 和 R2 并聯(lián),求內(nèi)阻R0時，關(guān)鍵要弄清從a、b兩端看進去時各電阻之間的串并聯(lián)關(guān)系。,解：(3) 畫出等效電路求電流I3,例1：電路如圖，已知US1=40V，US2=20V，R1=R2=4，R3=13 ，試用戴維寧定理求電流I3。,#例2：,已知：R1=5 、 R2=5 R3=10 、 R4=5 US=12V、RG=10 試用戴維寧定理求檢流計中的電流IG。,有源二端網(wǎng)絡(luò),RG,解: (1) 求開路電壓U0,US,US = Uo = I1 R2 I2 R4 = 1.2 5V0.8 5 V = 2V,或：US = Uo = I2 R3 I1R1 = 0.8 10V1.2 5 V = 2V,(2) 求等效電源的內(nèi)阻 R0,從a、b看進去，R1 和R2 并聯(lián)，R3 和 R4 并聯(lián)，然后再串聯(lián)。,解：(3) 畫出等效電路求檢流計中的電流 IG,