電子電路基礎(chǔ)第1章直流電路.ppt

主講 冼立勤,電子技術(shù)基礎(chǔ),緒論,電子技術(shù)是一門研究電子器件及其應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)。,一、什么是電子技術(shù)?,以電子器件的更新?lián)Q代為標(biāo)志！ 電子學(xué)近百年發(fā)展史上三個(gè)重要里程碑： 1904年電子管發(fā)明（真正進(jìn)入電子時(shí)代） 1948年晶體管問世 1958年集成電路出現(xiàn)(SSI、MSI、LSI、VLSI),二、發(fā)展歷程：,1第一代電子器件電子管 1904年，弗萊明發(fā)明了電子管，是電子學(xué)發(fā)展史上第一個(gè)里程碑。用電子管可實(shí)現(xiàn)整流、穩(wěn)壓、檢波、放大、振蕩、變頻、調(diào)制等多種功能電路。 電子管體積大、重量重、壽命短、耗電大。世界上第一臺(tái)通用數(shù)字計(jì)算機(jī)用1.7萬只電子管，占地170m2，重30噸。,2第二代電子器件晶體管 1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利等發(fā)明了半導(dǎo)體三極管，其性能明顯優(yōu)于電子管，從而大大促進(jìn)了電子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。晶體管的發(fā)明是電子學(xué)歷史上的第二個(gè)里程碑。 盡管晶體管在體積、重量等方面性能優(yōu)于電子管，但由成百上千只晶體管和其他元件組成的分立電路體積大、焊點(diǎn)多，可靠性差。,3第三代電子器件集成電路 1958年，德州儀器公司的基爾比發(fā)明了第一個(gè)集成電路。 集成電路的發(fā)展促進(jìn)了電子學(xué)、特別是數(shù)字電路和微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，人類社會(huì)開始邁進(jìn)信息時(shí)代。 集成電路按集成度可分作 小規(guī)模集成電路（SSI）102 中規(guī)模集成電路（MSI）103 大規(guī)模集成電路（LSI）104 超大規(guī)模集成電路(VLSI)105 例如，CPU芯片P6內(nèi)部就封裝了550萬只晶體管。,三、電子技術(shù)的應(yīng)用： 滲透到社會(huì)生產(chǎn)和生活的一切領(lǐng)域。 例如：數(shù)字計(jì)算機(jī)、傳真機(jī)、手機(jī)、衛(wèi)星通訊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、家庭音響、數(shù)字相機(jī)、錄象機(jī)、電視機(jī) ,掌握基本概念、基本電路、基本分析方法。 具有能夠繼續(xù)深入學(xué)習(xí)和接收電子技術(shù)新發(fā)展的能力，將所學(xué)知識(shí)用于本專業(yè)的能力。,課程目的,怎樣學(xué)好電子技術(shù)基礎(chǔ),努力學(xué)習(xí)，獨(dú)立思考，善于提問 注重分析問題能力和解決問題能力的培養(yǎng)。,參 考 書： 1、李瀚蓀簡明電路分析基礎(chǔ)高等教育出版社 2、童詩白、華成英模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)高等教育出版社 3 、康華光：電子技術(shù)基礎(chǔ)-模擬部分高等教育出版社 4、James W.Nilsson,Susan A.Riedel電路電子工業(yè)出版社 5、Krenz J.H電子學(xué)原理電子工業(yè)出版社 答疑地點(diǎn)：主樓1018房間； 答疑時(shí)間：周二14:30-16:30； 交作業(yè)時(shí)間：單周周二上課鈴響之前。,主要內(nèi)容: 1 電路與電路模型; 2 電路變量; 3 電路基本元件; 4基爾霍夫定律; 5 電路的系統(tǒng)分析法：節(jié)點(diǎn)電壓法； 6 疊加定理 7 等效電源定理,第一章 直流電路,1.1 電路和電路模型,1）電路：由某些電氣設(shè)備或元器件按一定方式連接起來的電流通路稱為電路。 簡單電路如手電筒，包括電池、燈泡、開關(guān)及連線,電源：向電路提供電能或電信號(hào)的器件。 負(fù)載：吸收電能或接受電信號(hào)的器件。 傳輸控制器件：電路中的導(dǎo)線和開關(guān)等。,2）電路模型：為了對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行分析研究，把各種各樣的實(shí)際電路元件根據(jù)其主要物理性質(zhì)，抽象成理想化的電路模型元件，這些元件包括耗能元件：電阻；儲(chǔ)能元件：電感、電容；電源元件：電壓源、電流源；受控源等。,復(fù)雜的電路如超大規(guī)模集成電路、通信網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等。,集總參數(shù)元件: 每一個(gè)具有兩個(gè)端鈕的元件中有確定的電流，端鈕間有確定的電壓。,集總參數(shù)電路: 由集總參數(shù)元件構(gòu)成的電路。,一個(gè)實(shí)際電路要能用集總參數(shù)電路近似，要滿足如下條件：即實(shí)際電路的尺寸必須遠(yuǎn)小于電路工作頻率下的電磁波的波長。,在電場(chǎng)的作用下，電荷有規(guī)則的定向移動(dòng)形成電流，我們把單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量定義為電流強(qiáng)度。,1.2.1電流和電流的參考方向,實(shí)際方向：規(guī)定正電荷的運(yùn)動(dòng)方向。,參考方向 ：在分析和計(jì)算電路時(shí)往往任意選定某一方向作為電流的正方向，也稱參考方向。,1.2 電路變量,圖示電路表示電流參考方向?yàn)閺腶流向b。,電流代數(shù)值是在指定參考方向下的數(shù)值。,* 參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系 在規(guī)定的參考方向下，若計(jì)算結(jié)果 I 0 參考方向與實(shí)際方向一致 I 0 參考方向與實(shí)際方向相反,電場(chǎng)力把單位正電荷從a點(diǎn)移到b點(diǎn)所 作的功定義為a、b兩點(diǎn)間的電壓。,實(shí)際方向：高電位指向低電位。,參考方向 ：任意選定某一方向作為電壓的正方向，也稱參考方向。,1.2.2、電壓和電壓的參考方向,2）電壓參考方向可用+、符號(hào)表示，也可以用帶箭頭線表示，如圖所示。,電路描述和計(jì)算時(shí)，首先要設(shè)定電壓電流的參考方向，然后才能寫出表達(dá)式，并進(jìn)行計(jì)算。,* 參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系 在規(guī)定的參考方向下，若計(jì)算結(jié)果 U 0 參考方向與實(shí)際方向一致 U 0 參考方向與實(shí)際方向相反,1.2.3 電功率,直流電路中某器件的功率是電 壓(伏）和電流（安）的乘積,注意: 上式中U、I均需設(shè)定參考方向,P=UI 功率的單位是瓦(W),若器件電壓電流參考方向一致（稱作關(guān)聯(lián)參考方向），如圖所示,關(guān)聯(lián)參考方向,P=UI,若器件電壓電流參考方向不一致（稱作非關(guān)聯(lián)參考方向），如圖所示,注意：式中U、I均為對(duì)應(yīng)參考方向下的電壓電流代數(shù)值。,非關(guān)聯(lián)參考方向,P=UI,功率計(jì)算,例1. 電路及電壓電流的參考方向如圖，已知Us=10V, UI = 30V ，Is=2A, R=10, 求電壓源、電流源和電阻的功率。,電阻功率： PR= URI=20(2)=40 W （消耗功率） 電壓源功率： PU= USI=10(2)=20 W （消耗功率） 電流源功率： PI= UIIS=302=60 W （發(fā)出功率）,解：I=Is=2A UR =IR=210=20V,1.3、電路基本元件,1.電阻元件： 電阻是消耗電能的無源二端元件，用字母 R 來表示，單位為歐姆 （） 。實(shí)際器件如燈泡，電熱絲，電阻器等均可表示為電阻元件。,伏安特性是用圖形曲線來表示電阻端部電壓和電流的關(guān)系，當(dāng)電壓電流成比例時(shí)（特性為直線），稱為線性電阻，否則稱為非線性電阻。,1.3.1 無源元件,線性電阻的電壓電流特性符合歐姆定律 U=RI,1）電容元件是儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的無源二端元件，用字母 C 來表示，其單位為法拉 （F）。,2）電容上儲(chǔ)存的電荷 與端電壓 uc 之間關(guān)系,2. 電容元件,1）電感元件是儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的無源二端元件，用字母 L 來表示，其單位為亨利 （H）。,2）電感的磁通鏈 與電流 i 之間有 = L i,3）當(dāng)電壓和電流取關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，有,3. 電感元件,1.3.2、理想有源元件,1.理想電壓源 電壓源的端電壓保持為特定的值，與流過電壓源的電流無關(guān)。該電壓可以是恒定的或隨時(shí)間按一定規(guī)律變化。,右圖是電壓源的常用符號(hào)，Us 表示電壓源從正到負(fù)有Us 伏壓降。,非零電壓源不能直接短路，兩個(gè)不等值的電壓源不能并聯(lián)。 當(dāng)電壓源數(shù)值Us = 0 時(shí)，相當(dāng)于一根短路線。,右圖是電流源的常用符號(hào)，Is 表示電流源端部流出的電流值。,非零電流源不能開路 ，兩個(gè)不等值的電流源不能串聯(lián)。 當(dāng)電流源數(shù)值Is = 0 時(shí)，相當(dāng)于電路開路。,2.理想電流源 電流源端部流出一個(gè)特定的電流，與電流源端部電壓無關(guān)，其電流可以是恒定的或隨時(shí)間按一定規(guī)律變化。,3.理想電源的等效變換 等效變換是指，當(dāng)電路中的某一部分用一個(gè)新的電路結(jié)構(gòu)（稱等效電路）代替后，電路中其它未被變換部分的電壓、電流均保持不變。,理想電源的等效,U = US I R0,理想電壓源,實(shí)際電壓源,1.3.3、實(shí)際電源的模型,I= IS UR0,理想電流源,實(shí)際電流源,電壓源和電流源的等效替換,對(duì)于任意變化的負(fù)載電阻R，若RS 和 US 電路時(shí)的電壓電流與RS 和 IS 電路時(shí)完全一樣，則在電路計(jì)算時(shí)， RS 和 US 電路（電壓源電路）與RS 和 IS電路（電流源電路）可等效替換。,等效替換條件,左圖：U= USIRS, 右圖： U= IS RS IRS 等效的條件： US= IS RS 或 IS= US/ RS,=,在電路計(jì)算時(shí)，與電阻RS串聯(lián)的電壓源US可等效為與電阻并聯(lián)的電流源IS 。 等效替換同時(shí)適用于獨(dú)立源和受控源。,例:求i的值.,答案： i=2.5/(5+5)/2=0.125A,受控電源是一些實(shí)際電路器件的理想化模型，它們的輸出電壓和電流受到電路中其它部分電壓或電流的控制，故又稱非獨(dú)立電源。受控電源分受控電壓源和受控電流源，它們?yōu)樗亩嗽?1.3.4 受控源元件,受控源類型,電流控制電流源(CCCS),含受控源電路計(jì)算,例1 圖示電路，已知Us=10V, R1=R2=R3=10, =10， 求R3上電壓為多少？,解：控制變量 I=,R3上電壓,受控電壓源電壓 I=101=10V,1.4 基爾霍夫定律,支路：單個(gè)或若干個(gè)二 端 元件所串聯(lián)成的電路。 節(jié)點(diǎn)：兩條以上支路的交 匯點(diǎn)。 回路：若干條支路組成的 閉合路徑。,6條支路 4個(gè)節(jié)點(diǎn) ？條回路 注意：該電路除上述3條回路外，還可選擇多條不同的回路。,支路、節(jié)點(diǎn)、回路的概念,KIRCHHOFFS LAW,1.4.1 基爾霍夫電流定律,電路中任一節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和為零,其中流出節(jié)點(diǎn)的電流取正號(hào)，流入節(jié)點(diǎn)的電流取負(fù)號(hào)。,節(jié)點(diǎn)1： I1I2I3=0 節(jié)點(diǎn)2： I3I4I5=0,節(jié)點(diǎn)3： I2I4I6=0 節(jié)點(diǎn)4： I1I5I6 =0,Kirchhoffs Current Law (KCL),1.4.2 基爾霍夫電壓定律,Kirchhoffs Voltage Law (KVL),回路1： I3 R3 I4 R4Us2=0 回路2： Us1I5 R5 I3 R3 =0 回路3： I4R4 I6 R6 I5 R5=0,把支路電壓用支路元件電壓來表示，得：,討論: 電路中電壓電流的變化遵循兩類約束條件:,第二類是元件連接關(guān)系(拓?fù)浼s束) 基爾霍夫定律,第一類是元件特性關(guān)系(電壓電流關(guān)系VCR),利用兩類約束條件解復(fù)雜電路,右圖電路，若電阻和電壓源的數(shù)值均已知，則由KCL和KVL得方程：,回路1： I3 R3 I4 R4= Us2 回路2： I5 R5 I3 R3 =Us1 回路3： I4 R4 I6 R6 I5 R5=0,由上面6個(gè)方程可解出6個(gè)支路電流變量。,電阻的串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián),一、 電阻串聯(lián) ( Series Connection of Resistors ),串聯(lián)電路的總電阻 等于各分電阻之和。,2. 電壓的分配公式,例 兩個(gè)電阻分壓,二、電阻并聯(lián) (Parallel Connection),2. 并聯(lián)電阻的分流公式,對(duì)于兩電阻并聯(lián),三、電阻的串并聯(lián),R = 4(2+(36) )= 2 ,1.5 節(jié)點(diǎn)電壓法,以節(jié)點(diǎn)電壓作為獨(dú)立變量，建立節(jié)點(diǎn)電壓方程，求解節(jié)點(diǎn)電壓再確定支路電流，稱為節(jié)點(diǎn)電壓法。,電壓: 兩點(diǎn)之間電位差。,電位:電路中某點(diǎn)的電位等于該點(diǎn)到參考點(diǎn)之間的電壓，參考點(diǎn)就是零電位點(diǎn)。,電路中某點(diǎn)的電位與參考點(diǎn)的選擇有關(guān)，而任意兩點(diǎn)之間的電壓與參考點(diǎn)的選擇無關(guān)。,1）設(shè)電路有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，以其中任一節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，令參考節(jié)點(diǎn)的電位為零，則其余各節(jié)點(diǎn)相對(duì)于該參考點(diǎn)的電位就是節(jié)點(diǎn)電壓。,節(jié)點(diǎn)電壓法概述,如圖，節(jié)點(diǎn)的電壓 是U1 ， 節(jié)點(diǎn)的電壓是 U2 。,3）以節(jié)點(diǎn)電壓作為獨(dú)立變量，建立節(jié)點(diǎn)電壓方程，求解節(jié)點(diǎn)電壓后再確定支路電流，這種方法稱為節(jié)點(diǎn)電壓法。,4）在用節(jié)點(diǎn)電壓法解題時(shí)，對(duì)于n個(gè)節(jié)點(diǎn)，因?yàn)橐堰x定一個(gè)節(jié)點(diǎn)為參考點(diǎn)，則有n -1個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)電壓變量，必須建立n -1個(gè)獨(dú)立方程才可求解。,2、列出節(jié)點(diǎn)電壓方程,節(jié)點(diǎn)電壓方程的形式可由KCL方程導(dǎo)出， 對(duì)于節(jié)點(diǎn)列寫KCL方程 - I1+I2+I3=0 對(duì)于節(jié)點(diǎn) 列寫KCL方程 - I3+I4 - Is=0,步驟： 1、指定參考點(diǎn)，標(biāo)出各節(jié)點(diǎn)位置和有關(guān)電壓電流的參考方向,對(duì)于 I1，該支路電壓為： U1 = US - R1I1 得 I1= -(U1 Us)/R1= -G1(U1 Us),同理，可寫出其余各支路電流 I2= G2U1 I3= G3 (U1 U2) I4= G4U2,上式即為節(jié)點(diǎn)電壓方程。 (節(jié)點(diǎn)電壓方程的實(shí)質(zhì)是KCL表示式)!,3、解節(jié)點(diǎn)電壓方程 由2個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓方程，即可解出2個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓，然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流的關(guān)系求出支路電流。,節(jié)點(diǎn)法例1 （包含純電壓源支路）,例1 如圖電路，已知US1=4V，US2=4V，US4=10V，IS3=1A，R1=R4=R5=2 ，試求支路電流I4。,解：該電路包含一條純電壓源支路，,取純電壓源支路的任一節(jié)點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)。 設(shè)節(jié)點(diǎn)3為參考節(jié)點(diǎn)，,則節(jié)點(diǎn)1的電壓可直接得到： U = US2 = 4V,列出節(jié)點(diǎn)2的電壓方程為 U /R5 +( U U US4 ) /R4 + IS3 = 0,注意：包含一條純電壓源支路的電路，在用節(jié)點(diǎn)電壓法解題時(shí)，參考節(jié)點(diǎn)應(yīng)選為純電壓源支路的任一節(jié)點(diǎn)上。,代入數(shù)據(jù)解得 U = 4V I4 = ( U U US4 ) /R4 = 1A,對(duì)于節(jié)點(diǎn) 列寫KCL方程：I5+I4+Is3=0 I5 = U /R5， I4 = ( U U US4 ) /R4,節(jié)點(diǎn)法例2,例2 已知R3=2，R4=4 ，R5=1 ，R6=6 ，US1=8V，US2=4V，用節(jié)點(diǎn)電壓法求支路電流I1和I2 。,解：取節(jié)點(diǎn)4為參考節(jié)點(diǎn)，則有 U = US1， U = US1US2,節(jié)點(diǎn)2：,U = 8V， U = 12V U = 4V,I5 = U / R5 = 4A I6 = U / R6 = 2A I4 = （ U U ）/ R4 = 2A I1 = I5I6 = 6A I2 = I6 I4 = 4A,代入數(shù)據(jù)解得:,節(jié)點(diǎn)法例3,例3 已知R3=R4=4，=3，g=1S，IS2=0.5A，用節(jié)點(diǎn)電壓法求I4的電流。,（包含受控源支路）,1）對(duì)于受控源，在用節(jié)點(diǎn)法計(jì)算時(shí)，先把受控源當(dāng)作獨(dú)立電源來處理，按一般方法列節(jié)點(diǎn)電壓方程。,令節(jié)點(diǎn)2為參考節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)1的電壓為,R4,解得 U1=8V， I4 = U1/R4 = 2A,1.6 疊加定理,線性電路中任一支路電流（電壓）等于各個(gè)獨(dú)立源分別單獨(dú)作用情況下所產(chǎn)生電流（電壓）之代數(shù)和。,概念,這里分別單獨(dú)作用是指： 電路中其余電壓源短路，其余電流源開路。,線性電路：由線性元件和獨(dú)立源組成的電路。,I2=I21I22 U2=U21U22,支路電壓和支路電流的疊加,討論： 1、疊加定理中，不起作用的電壓源元件短路，不起作用的電流源元件開路：,2、疊加定理計(jì)算時(shí)，獨(dú)立電源可分成一個(gè)一個(gè)源分別作用， 也可把電源分為一組一組源分別作用。,3、疊加定理只適合于線性電路，非線性電路的電壓電流不可 疊加 。,4、無論線性、非線性電路，功率 P 均不可疊加。,設(shè):,顯然:,5、電路包含受控源時(shí)，每次疊加受控源元件均存在（受控源與電阻器件一樣處理)。,求電壓U。,例,電路如圖所示，已知R1=2 ,R2=R3=4 ，R4=8 ，Is6=1A，為使U1=0V，Us5應(yīng)為多少？,解：應(yīng)用疊加定理，當(dāng)Is6起作用時(shí)，R1上電壓為,當(dāng)Us5起作用時(shí)，R1上電壓為,1.7 等效電源定理,1.7.1一端口網(wǎng)絡(luò) 一端口網(wǎng)絡(luò)：具有兩個(gè)連接端子與外電路相連的部分電路。,無源網(wǎng)絡(luò)：一端口網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無獨(dú)立電源，常用方框加No來表示 一個(gè)無源網(wǎng)絡(luò)。,有源網(wǎng)絡(luò)：一端口網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有獨(dú)立電源，常用方框加Ns來表示 一個(gè)有源網(wǎng)絡(luò)。,無源一端口網(wǎng)絡(luò)可簡化為一等值電阻。,Ro=R1,例：利用串并聯(lián)方法簡化無源網(wǎng)絡(luò)。,1.7.2 戴維南定理,戴維南定理: 任一線性有源一端口網(wǎng)絡(luò)，對(duì)外部特性而言，可以等效為一個(gè)電壓源Uo和一個(gè)電阻Ro 相串聯(lián)的電路, 其中： Uo :等于該一端口網(wǎng)絡(luò)的開路電壓，且電源的正極和開路端口高電位點(diǎn)對(duì)應(yīng)； Ro :等于令該有源一端口網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有獨(dú)立源均為零時(shí)所構(gòu)成的無源