電路與模擬電子技術(shù)

本課程是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。學(xué)習(xí)目的：掌握電路基礎(chǔ)知識(shí)和模擬電子的基本理論及分析方法，為后續(xù)課打基礎(chǔ)，為工程實(shí)踐培養(yǎng)操作技能。

《電路與模擬電子技術(shù)》

電路是學(xué)習(xí)電子技術(shù)的基礎(chǔ)。本章主要介紹：三個(gè)物理量（電流、電壓、功率）三種狀態(tài)（開路、負(fù)載和短路）三個(gè)定律（歐姆定律、電流定律和電壓定律）一個(gè)概念（電位）上篇電路基礎(chǔ)知識(shí)

第1章

電路的基本概念和基本定律

電路是電流流通的路徑1.1.1電路的作用

電路的作用是進(jìn)行電能的傳輸和轉(zhuǎn)換，或是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞和處理。

1.1.2電路的組成

電路是由某些電氣設(shè)備和元器件按一定方式連接組成。電路可分成電源、負(fù)載和中間環(huán)節(jié)三個(gè)部分電源是提供電能或電信號(hào)的設(shè)備，是電路工作的能源，電源的作用是將非電能轉(zhuǎn)換成電能。負(fù)載是用電或輸出電信號(hào)的設(shè)備，是電路中的主要耗電器件。負(fù)載的作用是將電能轉(zhuǎn)換成非電能。中間環(huán)節(jié)是指電源與負(fù)載之間的部分。傳輸電能或傳輸處理電信號(hào)，最復(fù)雜部分。

1.1電路

圖1.1.1電路組成

忽略電路元器件的次要因素，將其理想化，并用規(guī)定的電氣圖形符號(hào)表示所組成的電路，稱為電路圖1.1.2手電筒電路模型

1.2.1電流

電荷的定向運(yùn)動(dòng)形成電流。電流的方向不變?yōu)橹绷鱅。方向和大小都變化為交流

i。

1A＝103mA＝106μA，1kA＝103A

規(guī)定：正電荷運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向。假設(shè)的電流流向稱為電流的參考方向。1.2電流、電壓、功率

圖1.2.1電流的實(shí)際方向與參考方向

電場(chǎng)力將單位正電荷從電場(chǎng)中的a

點(diǎn)移到b點(diǎn)所做的功，稱其為a、b兩點(diǎn)間的電壓。直流電壓Uab，交流電壓uab。

1V＝103mV＝106

V，

1kV＝103V

習(xí)慣上把電位降低的方向作為電壓的實(shí)際方向。電壓實(shí)際方向和電壓參考方向1.2.2電壓

1.電壓圖1.2.1電壓的實(shí)際方向與參考方向圖1.2.2關(guān)聯(lián)參考方向與非關(guān)聯(lián)參考方向

電壓等于電路中兩點(diǎn)間的電位差Uab＝Ua－Ub

電位是電路中某點(diǎn)到參考點(diǎn)之間的電壓參考點(diǎn)是任意選擇的一點(diǎn)“⊥”（零電位點(diǎn)，“接地”點(diǎn)），選b點(diǎn)為參考點(diǎn)Ub＝0，Uab＝Ua－Ub＝Ua。2.電壓與電位

電場(chǎng)力在單位時(shí)間內(nèi)所做的功，單位：瓦(W)。關(guān)聯(lián)參考方向：元件上電流和電壓的參考方向一致。

P＝UI（1.1）

非關(guān)聯(lián)參考方向：電流和電壓的參考方向不一致。

P＝－UI

（1.2）

P＞0

吸收功率（消耗功率）為負(fù)載；

P＜0

發(fā)出功率（產(chǎn)生功率）為電源。1.2.3功率圖1.2.4元件的電功率I=2A，

U1＝4V，P2＝16W，U3＝6V，求P1、P3、U2。1.3電阻、電容、電感元件

元件分類：有源元件，無源元件無源元件：如果電子元器件工作時(shí)，其內(nèi)部沒有任何形式的電源，則這種器件叫做無源器件。（1）自身或消耗電能，或把電能轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌问降钠渌芰?。?）只需輸入信號(hào)，不需要外加電源就能正常工作。電阻、電容、電感；二極管、變壓器、開關(guān)、按鍵、連接器等。有源器件：如果電子元器件工作時(shí)，其內(nèi)部有電源存在，則這種器件叫做有源器件。（1）

自身也消耗電能。（2）

除了輸入信號(hào)外，還必須要有外加電源才可以正常工作。分立器件；模擬集成電路；數(shù)字集成電路；由此可知，有源器件和無源器件對(duì)電路的工作條件要求、工作方式完全不同。1.3.1電阻元件：電壓u與電流i由代數(shù)關(guān)系確定。單位為歐姆

。u=Ri

電導(dǎo)：電阻的倒數(shù)。單位：西門子(S)種類：碳質(zhì)電阻、碳膜電阻、金屬陶瓷電阻、金屬膜電阻、線繞電阻。功率W：1/16、1/8、1/4、1/2、1、2、3、5、10、20、50。誤差%：0.1、0.25、0.5、1、

5

、10、20。

10%：101/12，5%：101/24?？勺冸娮杵?。1.3.2電感元件：

存儲(chǔ)磁場(chǎng)能量特性的元件。電流通過線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，產(chǎn)生磁通，存儲(chǔ)磁場(chǎng)能量。磁通

，磁鏈

=N。線圈電感：電流變化，產(chǎn)生阻止電流變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電感單位：亨利(H)磁通單位：韋伯(Wb)線性電感：空心線圈；非線性電感：鐵芯線圈功率：磁場(chǎng)能：只與最終電流值有關(guān)；與電流建立過程無關(guān)1.3.3

電容元件：存儲(chǔ)電場(chǎng)能量特性的元件。電容量：C與外加電壓無關(guān)—線性電容。電容單位：法拉(F)；電荷單位：庫(kù)侖(C)電流：功率：電場(chǎng)能：只與最終電壓值有關(guān)；與電壓建立過程無關(guān)。種類：電解電容(鋁、鉭)、云母電容、陶瓷電容、薄膜電容、微調(diào)電容。耐壓(V)：6.3、10、16、25、50、63、100、160、250、500、630、1000、3300、4700。

1.4

電壓源與電流源

端電壓或流出的電流保持一恒定值或確定的時(shí)間函數(shù)的一種元件—電源獨(dú)立源，受控源。1.電壓源端電壓與流過的電流無關(guān)—理想電壓源

us為定值的電壓源—恒壓源Us

流過恒壓源的電流與電壓值無關(guān)，由外電路決定，即可提供電能，也可吸收電能。理想壓源及其伏安特性

實(shí)際電壓源：端電壓隨著輸出電流的增大而減小。主要由于電源的內(nèi)阻引起。等效為恒壓源與內(nèi)阻串聯(lián)2.電流源理想電流源：電源流出的電流與兩端的電壓大小無關(guān)。端電壓由外電路決定，可正可負(fù)。即可提供電能，也可吸收電能。恒流源：電流源為定值Is。電壓源及其伏安特性理想流源及其伏安特性實(shí)際電流源：輸出電流隨著電壓的增大而減小。等效為：恒流源與內(nèi)阻并聯(lián)。電源的功率：恒流源、恒壓源一般認(rèn)為是在電路中做電源，選擇電壓與電流為非關(guān)聯(lián)參考方向，因此功率為

PS>0吸收功率，PS<0提供功率。電流源及其伏安特性例1：IS=2A，US=4V，求R分別為4

、2

、1時(shí)R和IS上的電壓以及各元件上的功率。

流過電阻的電流與電阻兩端的電壓成正比，與電阻本身成反比。

I＝

(1.4)

式中R為電阻，單位為歐姆

，常用的單位還有k

和M

（兆歐），1M

＝106

。電阻一定時(shí)，電壓愈高電流愈大；電壓一定，電阻愈大電流就愈小。根據(jù)歐姆定律可以推導(dǎo)出功率與電阻的關(guān)系式為：

1.5歐姆定律

在電路分析時(shí)，如果電流與電壓的參考方向不一致，既為非關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，如圖1.12(b)、(c)所示，歐姆定律的表達(dá)式為：

I＝－或U＝－IR

已知圖1.12中的電阻為6Ω，電流為2A，求電阻兩端的電壓U。解：圖1.12（a）關(guān)聯(lián)U＝IR＝2A×6Ω＝12V

圖1.12（b）非關(guān)聯(lián)U＝－IR＝－2A×6Ω＝－12V

圖1.12（c）非關(guān)聯(lián)U＝－IR＝－2A×6Ω＝－12V

計(jì)算結(jié)果圖1.12（a）電壓是正值，說明圖1.12（a）中的電壓實(shí)際方向與所標(biāo)的參考方向一致；圖1.12（b）、（c）電壓為負(fù)值，說明圖1.12（b）、（c）中的電壓實(shí)際方向與所標(biāo)的參考方向相反。【例2】

利用電位的概念可將圖a所示的電路簡(jiǎn)化為圖b所示的形式，不畫電源，只標(biāo)出電位值。這是電子電路慣用的畫法。開路、負(fù)載和短路1.6.1開路狀態(tài)電源與負(fù)載斷開，稱為開路狀態(tài),又稱空載狀態(tài)。開路狀態(tài)電流為零，負(fù)載不工作U＝IR＝0，而開路處的端電壓U0＝US。1.6電路的三種狀態(tài)

電源與負(fù)載接通，構(gòu)成回路，稱為有載狀態(tài)。U＝IR＝US－IR0(1.8)有載狀態(tài)時(shí)的功率平衡關(guān)系為：電源電動(dòng)勢(shì)輸出的功率PS＝USI電源內(nèi)阻損耗的功率PR0＝I2R0負(fù)載吸收的功率P＝I2R＝PS－PR0

功率平衡關(guān)系PS＝P＋PR0

（1.9）用電設(shè)備都有限定的工作條件和能力，稱為額定值。使用值等于額定值為額定狀態(tài)；實(shí)際電流或功率大于額定值為過載；小于額定值為欠載。1.6.2有載狀態(tài)例3

一個(gè)100W的燈泡，額定電壓為220V，求:(1)燈泡的額定電流和電阻；

(2)若將其接到110V的電源上，此時(shí)的實(shí)際電流和功率是多少？解：

電源兩端沒有經(jīng)過負(fù)載而直接連在一起時(shí),稱為短路狀態(tài)。短路是電路最嚴(yán)重、最危險(xiǎn)的事故，是禁止的狀態(tài)。短路電流IS＝US/R0很大，如果沒有短路保護(hù)，會(huì)發(fā)生火災(zāi)。產(chǎn)生短路的原因主要是接線不當(dāng)，線路絕緣老化損壞等。應(yīng)在電路中接入過載和短路保護(hù)。***********1.6.3短路狀態(tài)

基爾霍夫定律分為電流定律和電壓定律。四個(gè)術(shù)語：支路：電路中流過同一電流的分支，稱為支路。圖1.19中共有三條支路。結(jié)點(diǎn)：三條或三條以上支路的連接點(diǎn)，稱為結(jié)點(diǎn)。圖1.19中共有兩個(gè)結(jié)點(diǎn)?；芈罚弘娐分腥我婚]合的路徑，稱為回路。圖1.19中共有三個(gè)回路。網(wǎng)孔：內(nèi)部不包含支路的回路。圖1.19有兩個(gè)網(wǎng)孔。網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。

1.7基爾霍夫定律

在任一瞬間流入任一結(jié)點(diǎn)的電流之和等于流出該結(jié)點(diǎn)的電流之和。對(duì)結(jié)點(diǎn)a可以寫出：

I1＋I(xiàn)2＝I3

（1.10）改寫成：

I1＋I(xiàn)2－I3＝0

即：

ΣI＝0

（1.11）這說明在任一瞬間，一個(gè)結(jié)點(diǎn)上電流的代數(shù)和等于零。KCL解題，首先應(yīng)標(biāo)出各支路電流的參考方向，列ΣI＝0表達(dá)式時(shí)，流入結(jié)點(diǎn)的電流取正號(hào)，流出結(jié)點(diǎn)的電流取負(fù)號(hào)。

1.7.1基爾霍夫電流定律(KCL)例1.5.1如圖所示電路中，I1=6A，I2=3A，I3=5A，求I4。解：根據(jù)KCL，電流流入為正，流出為負(fù)，I1+I2-I3+I4=06+3-5+I4=0I4=-4A

KCL也可以推廣應(yīng)用于電路中任何一個(gè)假定的閉合面。對(duì)虛線所包圍的閉合面可視為一個(gè)結(jié)點(diǎn)，而面外三條支路的電流關(guān)系可應(yīng)用KCL得：IB＋I(xiàn)C＝IE，或IB＋I(xiàn)C－IE＝01.7.2基爾霍夫電壓定律(KVL)

在任一瞬間沿任一回路繞行一周，回路中各個(gè)元件上電壓的代數(shù)和等于零?？捎霉奖硎緸?/p>

U=0

（1.12）

KVL解題，先標(biāo)出回路中各個(gè)支路的電流方向、各個(gè)元件的電壓方向和回路的繞行方向（順時(shí)針方向或逆時(shí)針方向均可），然后列

U=0表達(dá)式。在列

U=0

表達(dá)式時(shí)，電壓方向與繞行方向一致取正號(hào)，