电工电子学(全)

第一章电路和电路元件上海大学自动化系林小玲§1.1.1电路与电路模型§1.1.2电压、电流及其参考方向§1.1.3电路的功率和能量§1.2无源电路元件§1.3独立电源元件§1.4电路的工作状态和电器设备的额定值第一章电路和电路元件§1.1电路和电路基本物理量§1.2.1电阻元件§1.2.2电容元件§1.2.3电感元件学习电工电子技术中的——电路基本组成及常用的电路元件，是学习以下各章节的基础。介绍电阻元件，电感元件，电容元件，独立电源元件，半导体二极管和三极管等器件的工作原理、特性曲线和参数。第一章电路和电路元器件本章内容摘要第一章电路和电路元器件§1.1.1电路与电路模型一、实际电路系统=△一定的目的一定的组合方式系统的概念是广义的，如天气系统、食物链系统、机械系统，化工系统等。部件{}1.系统§1.1电路和电路基本物理量电路元件=△目的组合方式、器件、设备电路是为了某种需要由某些电器设备或器件或元件按一定方式组合起来的——电流通路。元件：最小单位。按联结电路的目的和电路的作用分：•力能电路•信号电路2电路3分类元件构成器件、器件构成设备、设备组成系统。1)力能电路电灯电炉...电动机发电机升压变压器降压变压器光能机械能热能...输电线中间环节电源负载非电能电能起传输和分配电能的作用供电设备吸收电能非电能电能•电能传输效率高。•实现能量的传输和转换。(强电)照明电路动力电路•电压高、电流和功率大(106Kw、105Kw)。380V、220V；50Hz音频信号：2)信号电路放大器中间环节源负载非电信号电信号电信号转换、放大，传递给扬声器非电信号电信号•保证信号传递质量。…功率低(10-3w)(弱电)•传递和处理信号。处理：放大、变换、滤波16Hz~20kHz正弦、方波、三角波信号二、电路模型•元器件工作物理过程表示耗能电能非电能电能电场能电能磁场能非电能电能RC无源元件L?实际电气设备电路模型如何对应表示建立电场表示建立磁场有源元件对应!不对应!•电气设备(多种物理现象)基本模型的组合基本模型•实际电路模型化理论分析+测量由实际电路元件组成的电路称为电路实体。可将电路实体中各个实际的电路元件都用表征其物理性质的理想电路元件代替。用理想电路元件组合成的电路称为电路实体的电路模型。1.几种基本的电路元件：电阻元件：表示消耗电能的元件电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件注具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，在一定条件下可用同一模型表示；同一实际电路部件在不同的应用条件下，其模型可以有不同的形式实物下页电阻器电容器线圈电池运算放大器晶体管反映实际电路部件的主要电磁性质的理想电路元件及其组合。10BASE-Twallplate导线电池开关灯泡2.电路模型(circuitmodel)sRLRsU电路图理想电路元件有某种确定的电磁性能的理想元件电路模型图1－1手电筒电路常用电路图来表示电路模型(a)实际电路(b)电原理图(c)电路模型(d)拓扑结构图图1－2晶体管放大电路(a)实际电路(b)电原理图(c)电路模型(d)拓扑结构图电路模型近似地描述实际电路的电气特性。根据实际电路的不同工作条件以及对模型精确度的不同要求，应当用不同的电路模型模拟同一实际电路。现在以线圈为例加以说明。图1－3线圈的几种电路模型(a)线圈的图形符号(b)线圈通过低频交流的模型(c)线圈通过高频交流的模型电路模型是对实际电路电磁性能的科学抽象和概括,具有一般性。电路模型特点：1)只见参数，不见设备2)联结关系不变，但不表示联结形式不变。源力能:电源信号:信号源激励输入传输负载(负荷)响应发生在负载上的响应输出三、电路问题1激励、响应•激励--电源或信号源的电压(电流)，它推动电路工作。也称输入•响应--由激励在电路各个部分产生的电压和电流。也称输出系统输出Y输入X(响应之一)2电路问题1)系统分析根据系统内部结构和参数，建立Y=f(X)关系。2)系统综合根据激励X与响应Y的关系，构造系统的结构。通常所讲的设计。3)系统辨识系统存在，但内部结构及系统功能未知，建立系统响应Y与激励X的关系。通常所讲的建模。研究电路的u,i关系功能关系4)系统故障系统输出Y输入X电路变量时变量非时变量(小写字母)(大写字母)u、i、pU、I、P已知:激励、结构、参数3电路分析的基本方法2)根据不同元件电压和电流关系--平衡约束(由KCL、KVL)1)根据各元件电压和电流关系--元件约束(由元件本身特点决定)U1=R1IU2=R2IU3=R3IIUS=U1+U2+U3Ul+_U2+_U3+_+_R3USR2Rl•然后元件约束平衡约束--数学模型•最后求解•首先确定求解：电压、电流、功率§1.1.2电流和电压的参考方向(referencedirection)电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。1.电流的参考方向(currentreferencedirection)tqtqitddlim)t(0ΔdefΔΔ电流电流强度带电粒子有规则的定向运动单位时间内通过导体横截面的电荷量方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向单位1kA=103A1mA=10-3A1A=10-6AA（安培）、kA、mA、A元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:实际方向实际方向AABB问题复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断参考方向i参考方向大小方向电流(代数量)任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。ABi参考方向i参考方向i0i0实际方向实际方向电流的参考方向与实际方向的关系：AABB电流参考方向的两种表示：用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。用双下标表示：如iAB,电流的参考方向由A指向B。电压UdqdWUdef单位：V(伏)、kV、mV、V2.电压的参考方向(voltagereferencedirection)单位正电荷q从电路中一点移至另一点时电场力做功（W）的大小电位单位正电荷q从电路中一点移至参考点（＝0）时电场力做功的大小实际电压方向电位真正降低的方向例已知：4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力做功8J，由b点移动到c点电场力做功为12J，(1)若以b点为参考点，求a、b、c点的电位和电压Uab、Ubc;(2)若以c点为参考点，再求以上各值ac解bVqWaba2480bVqWqWbccbc3412VUbaab202VUcbbc)(330(1)以b点为电位参考点abc解VqWaca541280cVqWbcb3412VUbaab235VUcbbc303(2)电路中电位参考点可任意选择；参考点一经选定，电路中各点的电位值就是唯一的；当选择不同的电位参考点时，电路中各点电位值将改变，但任意两点间电压保持不变。结论以c点为电位参考点问题复杂电路或交变电路中，两点间电压的实际方向往往不易判别，给实际电路问题的分析计算带来困难。电压(降)的参考方向U00参考方向U+–+实际方向+实际方向参考方向U+–U假设的电压降低方向电压参考方向的三种表示方式：(1)用箭头表示(2)用正负极性表示(3)用双下标表示UU+ABUAB元件或支路的u，i采用相同的参考方向称之为关联参考方向。反之，称为非关联参考方向。关联参考方向非关联参考方向3.关联参考方向i+-+-iUU注(1)分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。(2)参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注(包括方向和符号），在计算过程中不得任意改变。（3）参考方向不同时，其表达式相差一负号，但实际方向不变。例ABABi＋－U电压电流参考方向如图中所标，问：对A、B两部分电路电压电流参考方向关联否？答：A电压、电流参考方向非关联；B电压、电流参考方向关联。§1.1.3电路的功率和能量一、电功率twpdduitqqwtwpdddddd功率的单位：W(瓦)(Watt，瓦特)能量的单位：J(焦)(Joule，焦耳)单位时间内电场力所做的功。qwuddtqidd1.电路吸收或发出功率的判断方法u,i取关联参考方向P=ui表示元件吸收的功率P0吸收正功率(实际吸收)P0吸收负功率(实际发出)p=ui表示元件发出的功率P0发出正功率(实际发出)P0发出负功率(实际吸收)u,i取非关联参考方向+-iu+-iu二、功率的正负例564123I2I3I1++++++----U6U5U4U3U2U1求图示电路中各方框所代表的元件消耗或产生的功率。已知：U1=1V,U2=-3V,U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3VI1=2A,I2=1A,I3=-1A解（发出）WIUP221111（发出）WIUP62)3(122（消耗）WIUP1628133（消耗）WIUP3)1()3(366（发出）WIUP7)1(7355（发出）WIUP41)4(244注对一完整的电路，发出的功率＝消耗的功率Ｐ=U·I或Ｐ=－U·I，是否涉及到U、I的具体数值？关联参考非关联参考吸收供出供出吸收UIU=10VI=5AUIU=10VI=-5AUIU=10VI=5AUIU=10VI=-5A(a)(b)(c)(d)+_U?判断那个是吸收功率?那个是供出功率?三、电能功率也可以定义为单位时间内所消耗（或产生）的电能，即式中若时间t的单位为（h）；功率P的单位为（W），则电能的单位为（J）。电能的单位常用千瓦小时（kWh），工业上用“度”表示。1度电＝1kW.h＝3.6×106JWpt分析与思考第1章直流电路在图示的关联参考方向下,若电源和负载中求得的电功率P0,这说明它们是取用还是输出电功率?EIU＋—IU＋—下一题上一题返回分析与思考题集答：电源的电功率P0,说明电源输出电功率;负载的电功率P0,说明负载取用（输入）电功率。解答§1.2.1电阻元件1.电阻概念iA1)线性电阻§1.2无源电路元件u(V)i(A)0u+_2)非线性电阻iBu+_USUSu(V)i(A)0特点：•通过原点•iu0——无源，反映耗能这种物理现象RR2外部特性概念——电路元件或电路某部分端口处电压与电流之间的关系外特性或伏安特性iiRu)(u=Ri对电流呈现阻力的元件。其伏安关系用u～i平面的一条曲线来描述实验表明：在低频工作条件下，电阻器的电压电流关系是ui平面上通过坐标原点的一条直线。用晶体管特性图示仪测量二端电阻器的电压电流关系。实验表明：在低频工作条件下，晶体二极管的电压电流关系是ui平面上通过坐标原点的一条曲线。用晶体管特性图示仪测量晶体二极管的电压电流关系。3.功率和能量1)对于线性电阻元件，Riu当激励的输出为恒定时，RuRip222)电阻元件描述实际耗电能设备，注意额定值额定电流IN--耐热限度RURIP22额定电压UN--耐压限度PtW长时间工作的限额可用功率表示。从t到t0电阻消耗的能量：ttttRuipW00ddξξRiu+–4.电阻的开路与短路能量：短路00uiGorR0开路00ui0GorRui分析与思考某负载为一可变电阻器，由电压一定的蓄电池供电，当负载电阻增加时，该负载是增加了？还是减小了？解答答：负载的增减指负载消耗的电功率的增减。负载消耗的电功率P=U2/RL,蓄电池电压一定即式中U不变，当RL增加时，P减小，故该负载减小了。图示电路中的电源短路时,是烧坏电源还是烧坏照明灯?S2S1ⅠⅡ分析与思考答：烧坏电源。因为这时所有负载均被短路，电流不通过负载，外电路的电阻可视为零，回路中仅有很小的电源内阻，故会有很大的电流通过电源，将电源烧坏。解答常用的各种二端电阻器件电阻