《電路》第五版課件第3章

第3章電路分析本章將深入探討電路分析的基本概念和方法。將介紹電壓、電流和電功率的分析方法,并學(xué)習(xí)如何應(yīng)用基爾霍夫定律、網(wǎng)狀分析和節(jié)點(diǎn)分析等技術(shù),對(duì)復(fù)雜電路進(jìn)行分析。這些基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)于理解和設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)至關(guān)重要。byhpzqamifhr@電路的基本概念1什么是電路電路是由電源、負(fù)載和連接線組成的一個(gè)具有完整導(dǎo)電通路的系統(tǒng)。電流在電路中循環(huán)流動(dòng),為負(fù)載供能。2電路的基本元件電路由電壓源、電流源、電阻、電容和電感等基本元件構(gòu)成。每個(gè)元件都有其特定的電學(xué)特性和功能。3電路的基本定律電路遵循基本定律,如電壓和電流的關(guān)系定律、電荷守恒定律和能量守恒定律,這些定律是分析電路的基礎(chǔ)。什么是電路定義電路是由一個(gè)或多個(gè)電源、開關(guān)以及連接導(dǎo)線組成的閉合路徑,用于產(chǎn)生和控制電流的流動(dòng)。它是電子學(xué)和電力工程的基本單元。組成部件電路包括電源、負(fù)載元件(如電阻、電容和電感)以及連接這些元件的導(dǎo)線。這些部件通過(guò)特定的方式連接在一起,形成完整的電流通路。電流流動(dòng)當(dāng)電源向電路供電時(shí),電子從負(fù)極流向正極,形成電流。電路中的電流可以是直流或交流,取決于電源的性質(zhì)。電路的基本元件1電源能提供電能的元件2電阻用于限制電流流動(dòng)的元件3電容器用于儲(chǔ)存電能的元件4電感器用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的元件電路的基本元件包括電源、電阻、電容器和電感器。電源提供電能,電阻用于限制電流的流動(dòng),電容器可以儲(chǔ)存電能,而電感器則能產(chǎn)生磁場(chǎng)。這些基本元件相互連接,形成各種復(fù)雜的電路,用于實(shí)現(xiàn)各種電子功能。電路的基本定律1電路定律描述電路中基本元件之間的關(guān)系2奧姆定律電壓、電流和電阻的關(guān)系3基爾霍夫電壓定律閉合回路中的電壓平衡4基爾霍夫電流定律節(jié)點(diǎn)處的電流平衡電路的基本定律描述了電路中不同元件之間的關(guān)系。其中最基本的是歐姆定律，表示電壓、電流和電阻之間的比例關(guān)系。此外還有基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律,分別描述閉合回路和節(jié)點(diǎn)處的電流平衡。這些定律是電路分析的基礎(chǔ)。電壓、電流和電阻的關(guān)系1歐姆定律歐姆定律描述了電壓、電流和電阻之間的基本關(guān)系。它闡述了這三者是成比例的，即電壓等于電流乘以電阻。2電壓源和電流源電壓源和電流源是理想化的電路元件,分別提供恒定電壓和恒定電流。它們是分析電路的重要工具。3電阻的功率電阻耗散功率等于電壓平方除以電阻,或電流平方乘以電阻。這描述了電阻如何轉(zhuǎn)換和消耗電能。歐姆定律1電壓2電流3電阻歐姆定律描述了電壓(V)、電流(I)和電阻(R)之間的基本關(guān)系：電壓等于電流乘以電阻。這個(gè)定律適用于許多簡(jiǎn)單電路中的直流和交流電分析。理解歐姆定律是分析電路行為的基礎(chǔ)。電壓源和電流源1電壓源保持電壓恒定的元件2電流源保持電流恒定的元件3電壓-電流關(guān)系電壓源與電流源特性不同電壓源和電流源是電路中最基本的兩種元件。電壓源能夠保持端電壓恒定,而電流源能夠保持通過(guò)它的電流恒定。這兩種元件的電壓-電流特性不同,在電路分析和設(shè)計(jì)中起著重要作用。電阻的功率功率表達(dá)式電阻的功率可以表示為電流、電壓或電阻的函數(shù)。這些表達(dá)式可用于計(jì)算電阻消耗的功率。功率消耗電阻會(huì)消耗電力,將電能轉(zhuǎn)化為熱量。功率表達(dá)式可以用來(lái)計(jì)算電阻所消耗的功率。熱量效應(yīng)電阻消耗的功率最終會(huì)以熱量的形式釋放出來(lái),可能會(huì)導(dǎo)致電阻過(guò)熱。因此需要考慮電阻的功率處理能力。電路的基本分析方法1節(jié)點(diǎn)電壓法基于分析電路中各節(jié)點(diǎn)的電壓值,得到一系列線性方程來(lái)求解電路狀態(tài)。適用于包含多路徑的復(fù)雜電路分析。2網(wǎng)孔電流法基于分析電路中各網(wǎng)孔的電流值,得到一系列線性方程來(lái)求解電路狀態(tài)。適用于復(fù)雜電路中無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的分析。3疊加定理將復(fù)雜電源分解為多個(gè)獨(dú)立的電源,分別計(jì)算其對(duì)目標(biāo)量的影響,再將結(jié)果疊加得到最終結(jié)果。適用于線性電路分析。節(jié)點(diǎn)電壓法1確定節(jié)點(diǎn)識(shí)別電路中的節(jié)點(diǎn)2應(yīng)用基爾霍夫電壓定律寫出各節(jié)點(diǎn)電壓方程3求解節(jié)點(diǎn)電壓解出各節(jié)點(diǎn)電壓值節(jié)點(diǎn)電壓法是一種非常實(shí)用的電路分析方法。通過(guò)識(shí)別電路中的節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用基爾霍夫電壓定律建立方程，并解出各節(jié)點(diǎn)的電壓值，可以全面了解電路的工作情況。這種分析方法簡(jiǎn)單易行，適用于各種類型的電路。網(wǎng)孔電流法1確定網(wǎng)孔將電路劃分為幾個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)孔2應(yīng)用基爾霍夫電流定律對(duì)每個(gè)網(wǎng)孔應(yīng)用基爾霍夫電流定律3求解網(wǎng)孔電流通過(guò)解方程組得到各網(wǎng)孔電流網(wǎng)孔電流法是基于基爾霍夫電流定律進(jìn)行電路分析的方法。首先將電路劃分為幾個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)孔,然后對(duì)每個(gè)網(wǎng)孔應(yīng)用基爾霍夫電流定律,通過(guò)求解方程組得到各網(wǎng)孔的電流。這種方法適用于含有多個(gè)獨(dú)立網(wǎng)孔的復(fù)雜電路。疊加定理定義疊加定理是一種用于分析電路的數(shù)學(xué)方法。它允許我們將復(fù)雜的電路簡(jiǎn)化為多個(gè)獨(dú)立的子電路,并單獨(dú)計(jì)算每個(gè)子電路的響應(yīng),然后將它們疊加在一起得到總響應(yīng)。應(yīng)用疊加定理可用于分析具有多個(gè)獨(dú)立源的線性電路。通過(guò)獨(dú)立分析每個(gè)源的影響,我們可以得到總的電壓、電流或功率響應(yīng)。優(yōu)勢(shì)該方法簡(jiǎn)單直觀,有助于理解復(fù)雜電路的運(yùn)行機(jī)制。它讓分析變得更加系統(tǒng)化和高效,特別適用于需要計(jì)算多個(gè)獨(dú)立源的影響的情況。代換定理1簡(jiǎn)單的等效過(guò)程代換定理允許將某些電路元件等效為其他類型的元件,從而簡(jiǎn)化電路分析。通過(guò)這種替換,我們可以得到等效的電路,更容易進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算和求解。2廣泛應(yīng)用場(chǎng)景代換定理在各種復(fù)雜電路分析中都有廣泛應(yīng)用,包括模擬電路、數(shù)字電路、通信電路等。它為工程師提供了一個(gè)強(qiáng)有力的分析工具。3推導(dǎo)過(guò)程及原理代換定理的推導(dǎo)基于網(wǎng)孔分析和網(wǎng)路功率方程,涉及一些數(shù)學(xué)推導(dǎo)和等效變換。掌握其中的原理對(duì)于熟練使用定理很有幫助。戴維南定理定義戴維南定理說(shuō)明任何二端口網(wǎng)絡(luò)都可以用一個(gè)理想電壓源和一個(gè)等效電阻來(lái)等效替換。原理通過(guò)計(jì)算短路電流和開路電壓,可以得到等效電壓源和電阻的值。這簡(jiǎn)化了復(fù)雜電路的分析。應(yīng)用戴維南等效電路廣泛應(yīng)用于電路分析和設(shè)計(jì)中,能夠有效地簡(jiǎn)化電路,提高分析效率。諾頓定理1簡(jiǎn)單電路識(shí)別簡(jiǎn)單電路的特點(diǎn)2等效電路構(gòu)建等效電路模型3諾頓等效運(yùn)用諾頓等效原理分析電路諾頓定理是分析線性電路的重要理論工具。它將復(fù)雜的電路簡(jiǎn)化為一個(gè)等效的電流源和并聯(lián)電阻，便于對(duì)電路的電流和功率進(jìn)行分析。理解掌握諾頓定理對(duì)于解決實(shí)際電路問(wèn)題至關(guān)重要。3.4電路的功率分析1功率計(jì)算利用電壓和電流計(jì)算功率2功率分類有源元件消耗功率，無(wú)源元件儲(chǔ)存功率3最大功率傳輸通過(guò)匹配負(fù)載阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸在電路分析中,了解電路中的功率分析非常重要。我們可以計(jì)算電路中各元件的耗電功率,并根據(jù)不同的需求確定最佳的功率傳輸方式。正確的功率分析有助于設(shè)計(jì)更加高效和可靠的電路系統(tǒng)。電路中的功率輸入功率電路從電源輸入的功率稱為輸入功率。它等于電壓與電流的乘積。輸出功率電路向負(fù)載輸出的功率稱為輸出功率。負(fù)載的功率等于負(fù)載上的電壓與電流的乘積。功率損耗電路中的功率損耗等于輸入功率與輸出功率之差。主要表現(xiàn)為電阻元件的熱量損失。最大功率傳輸定理1匹配負(fù)載確保電源和負(fù)載之間的阻抗匹配2最大功率傳輸當(dāng)負(fù)載阻抗與源阻抗相等時(shí)可實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸3效率與功率最大功率傳輸條件下,效率不是最高的最大功率傳輸定理指出,當(dāng)負(fù)載阻抗等于源阻抗時(shí),可實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。這一情況下,50%的功率被傳輸?shù)截?fù)載上,50%的功率被源耗散。雖然這不是最高效的工作狀態(tài),但可以實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中,往往需要在功率和效率之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。3.5電路的能量分析1能量保護(hù)定理電路中能量的輸入等于儲(chǔ)存和耗散的能量之和。2能量的輸入通過(guò)電源提供的電能。3能量的儲(chǔ)存集中在電容器和電感器中。4能量的耗散主要在電阻器上以熱量的形式耗散掉。電路中能量的輸入等于儲(chǔ)存和耗散的能量之和,這就是能量保護(hù)定理。電能由電源輸入到電路中,一部分儲(chǔ)存在電容器和電感器中,另一部分在電阻器上以熱量的形式耗散掉。能量的輸入、儲(chǔ)存和耗散之間存在著這樣的關(guān)系。電路中的能量1能量的概念能量是電路分析中的重要概念。能量代表了電路中電荷的運(yùn)動(dòng)和存儲(chǔ)狀態(tài)所包含的物理實(shí)體。能量可以在電路中以多種形式存在和轉(zhuǎn)換。2能量的表達(dá)電路中的能量可以通過(guò)功率和時(shí)間的積分來(lái)表達(dá)。功率則是電壓和電流的乘積。能量的單位為焦耳(J)。3能量的保護(hù)根據(jù)能量守恒定律,電路中的輸入能量等于所有損耗和儲(chǔ)存能量的總和。這一定律對(duì)于分析和設(shè)計(jì)電路非常重要。能量的保護(hù)定理1能量的轉(zhuǎn)換能量在各種形式之間完成轉(zhuǎn)換2能量守恒能量總量保持不變3能量效率能量轉(zhuǎn)換過(guò)程存在損耗能量保護(hù)定理指出能量在各種形式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí),總能量是保持不變的。但在這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中,往往會(huì)存在一些能量損耗,導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率不是100%。這個(gè)定理為我們分析電路中的能量變化提供了重要依據(jù)。3.6電路的頻率響應(yīng)交流電路的基本概念交流電路涉及電壓和電流隨時(shí)間周期性變化的情況,需要用復(fù)數(shù)表示和分析。元件的頻率特性電阻、電容和電感在不同頻率下表現(xiàn)出不同的阻抗特性,需要加以分析。RC和RL電路的響應(yīng)RC和RL電路是常見的簡(jiǎn)單頻率響應(yīng)電路,需要了解其頻率特性。交流電路的基本概念1交流信號(hào)時(shí)間變化的電壓與電流2交流電源產(chǎn)生交流信號(hào)的設(shè)備3交流電路基于交流信號(hào)的電路網(wǎng)絡(luò)交流電路是以時(shí)間變化的電壓和電流為基礎(chǔ)的電路系統(tǒng)。交流信號(hào)是指隨時(shí)間周期性變化的電壓或電流，與之相連的是交流電源設(shè)備。在交流電路中,電壓和電流的大小和方向會(huì)隨著時(shí)間周期性地發(fā)生變化。理解交流電路的基本概念是后續(xù)分析和設(shè)計(jì)交流電路的基礎(chǔ)。電阻、電容和電感的頻率特性1電阻電阻的阻抗與頻率無(wú)關(guān),保持恒定值。無(wú)論交流還是直流,電阻的性能都保持穩(wěn)定。2電容電容的阻抗隨頻率的升高而降低。低頻時(shí)電容容易通過(guò),高頻時(shí)則會(huì)受到較大阻抗。3電感電感的阻抗隨頻率的升高而升高。低頻時(shí)電感容易通過(guò),高頻時(shí)則會(huì)受到較大阻抗。RC和RL電路的頻率響應(yīng)1RC電路頻率特性電阻電容電路的頻率響應(yīng)2RL電路頻率特性電阻電感電路的頻率響應(yīng)3幅頻和相頻特性電路頻率特性的綜合展現(xiàn)RC和RL電路作為基本的二階電路，其頻率響應(yīng)特性對(duì)電路分析和設(shè)計(jì)至關(guān)重要。RC電路在低頻時(shí)表現(xiàn)為電阻，在高頻時(shí)表現(xiàn)為電容的頻率特性。