单元1电工电子技术

单元一电路的基础知识及其分析方法1.了解电路的组成、电路模型等基本知识；2.理解电压与电流参考方向的意义；3.了解实际电源的两种模型及其等效变换；4.理解电路的基本定律并能正确应用；5.了解电路的有载工作、开路与短路状态，6.理解电功率和额定值的意义；7.掌握分析电路相关定律定理及各种分析方法；学习目标:单元一电路的基础知识及其分析方法1.1电路的基础知识1.2电源的相关知识1.3电路的基本状态1.4基尔霍夫定律1.5电路的分析方法1.1电路的基础知识电路是为了某种需要而将某些电工设备或元件按一定方式组合起来的电流通路。电路有时又称电网络，简称网络。内部不含电源的网络称为无源网络，含有电源的网络称为有源网络。(a)无源二端网络(b)有源二端网络1.1.1电路及电路的组成和作用电路由电源、负载和中间环节三部分组成。电源是将非电形态的能量转换为电能的供电设备，例如蓄电池、发电机和信号源等；负载是将电能转换成非电形态能量的用电设备，例如电动机、照明灯和电炉等；中间环节主要是连接导线。(1)实现电能的传输与转换电源:提供电能的装置负载:取用电能的装置中间环节：传递、分配和控制电能的作用发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线电路的组成和作用直流电源直流电源:提供能源信号处理：放大、调谐、检波等负载信号源:提供信息放大器扬声器话筒(2)实现信号的传递和处理理想电路元件理想有源元件理想无源元件理想电压源理想电流源电阻R电感L电容C学习这部分内容要注意掌握每一种元件的定义及其两端的电压、电流关系。1.1.2电路模型1.1.3电流及其参考方向1.电流的定义单位时间内通过电路某一横截面的电荷[量]称为电流。因此，在直流电路中电流用I表示，它与电荷[量]Q、时间t的关系为式中Q的单位为库[仑](C)；t的单位为秒(s)；I的单位为安[培](A)，实用中还有毫安(mA)和微安(μA)等。随时间变化的电流用i表示，它等于电荷[量]q对时间t的变化率，即QIt0limtqdqitdt2.电流的方向电流的实际方向规定为正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向。电流的参考方向是为分析电路方便，任意假定一个方向作为电流的方向，在电路图中用箭头表示。元件参考方向实际方向I＞0元件参考方向实际方向I＜0如果电流的实际方向与参考方向一致，电流为正值，如图左图所示；如果两者相反，电流为负值，如图右图所示。例1如图所示，各电流的参考方向已设定，已知I1=10A,I2=-2A,I3=8A，试确定I1、I2、I3的实际方向。aI1I2I3cbdaI1I2I3cbd解：I10,故I1的实际方向与参考方向相同，I1由a点流向b点。I20,故I2的实际方向与参考方向相反，I2由b点流向c点。I30,故I3的实际方向与参考方向相同，I3由b点流向d点。1.1.4电压及其参考方向1.电压的定义两点间的电压在数值上等于单位正电荷在电场力作用下，从电路中的一点移至另一点时电场力所做的功。U实际方向参考方向(+)(-)(a)U0U实际方向参考方向(+)(-)(b)U02.电压的方向实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值为正值；实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。3.实际方向与参考方向的关系注意：在参考方向选定后，电流(或电压)值才有正负之分。若I=5A，则电流从a流向b；例：若I=–5A，则电流从b流向a。abRIabRU+–若U=5V，则电压的实际方向从a指向b；若U=–5V，则电压的实际方向从b指向a。例1-1-2如图所示电路中，已知U2=－3V，U3=－4V，U5=－6V，U6=2V，U7=3V。求：U4和U1，并根据图中所示参考极性和已知电压值，用箭头虚线标出各电压的实际方向。4365(3)2(6)5bcbeeddcUUUUUUUUV解：12373(4)32afabbeefUUUUUUUUV3.关联与非关联参考方向在分析和计算电路时，电压和电流参考方向的假定原则上是任意的，但为简便起见，需要将电压与电流的参考方向联系起来考虑。当电压与电流参考方向一致时，即电流从电压的“+”流向“-”，则称为关联参考方向，如图(a)(d)所示；若不一致，则称为非关联参考方向，如图(b)(c)所示。1.1.5欧姆定律的应用U、I参考方向相同时，U、I参考方向相反时，RU+–IRU+–I表达式中有两套正负号：①式前的正负号由U、I参考方向的关系确定；②U、I值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系。通常取U、I参考方向相同。U=IRU=–IR解：对图(a)有,U=IR例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。对图(b)有,U=–IRΩ326:IUR所以Ω326:IUR所以RU6V+–2AR+–U6VI(a)(b)I–2A电路端电压与电流的关系称为伏安特性。遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。I/AU/Vo线性电阻的伏安特性线性电阻的概念：常数即：IUR线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。例1-1-3如图所示电路中，U=5V，I=-1V，求R=?解：55(1)URAI1.1.6功率1．电功率的定义电功率(简称功率)所表示的物理意义是电路元件或设备在单位时间内吸收或发出的电能，用符号P或p表示。在国际单位制（SI）中，功率单位为瓦特(W)，常用的单位还有毫瓦(mW)、千瓦(kW)，它们与W的换算关系是3110;mWW3110kWW对于关联参考方向的电路，如图(a)，有2.功率计算公式P=UI对于非关联参考方向的电路，如图(b)，有P=-UI试判断如图所示四个二端网络的工作状态，说明它们是发出功率（是电源）还是吸收功率（是负载）。例1-1-45210PUIW5210PUIW，为负载（吸收功率），为负载（吸收功率），为负载（吸收功率）(c)(d)例1-1-45210PUIW(a)(52)10PUIW，为电源（发出功率）(b)解：在如图1-1-17电路(a)中，Iab=1A，求该元件的功率；电路（b）中，如元件发出功率为5W，试求电流Iab=?例1-1-5(a)212ababPUIW,为负载（吸收功率）(b)因为(2)abababPUII又因为发出功率为P=-5W所以，有5(2)abWI则2.5abIA负号表明电流方向应由b到a。例1-1-5解：电路中任一瞬间，各元件吸收（消耗）功率之和等于各元件发出（提供）功率之和，这一规律称为电路的功率平衡，即：EPPP式中：EPEI，是电源产生的功率；20PRI，是电源内阻上损耗的功率；PUI，是电源输出的功率。P（吸收）=P（发出）功率平衡式也可表述为：3.电路的功率平衡4.额定值额定值:电气设备在正常运行时的规定使用值电气设备的三种运行状态欠载(轻载)：IIN，PPN(不经济)过载(超载)：IIN，PPN(设备易损坏)额定工作状态：I=IN，P=PN(经济合理安全可靠)1.额定值反映电气设备的使用安全性；2.额定值表示电气设备的使用能力。例：灯泡：UN=220V，PN=60W电阻：RN=100，PN=1W对于交流电：1度(电)=1kW·h即功率为1000W的供能或耗能元件，在1小时的时间内所发出或消耗的电能量为1度。电能是指在一定的时间内电路元件或设备吸收或发出的电能量，用符号W表示，其国际单位制为焦尔(J)。0ttWuidt通常电能用千瓦小时(kW·h)来表示大小，也叫做度(电)：5.电能对于直流电：W=UIt即每月消耗的电能为7.2度，约合为3.6xx7.2»2.6xJ。有一功率为60W的电灯，每天使用它照明的时间为4小时，如果平均每月按30天计算，那么每月消耗的电能为多少度？合为多少J?例1-1-6解：该电灯平均每月工作时间t=4x30=120h，则610710W=P·t=60x120=7200W·h=7.2kW·hR、L、C认知；电路元件伏安特性的绘制。本节虚拟实训数字万用表的使用；伏安特性的测量；本节实验电源是有源元件中的一种，可以用两种不同的电路模型来表示。一种是电压的形式，称为电压源；一种是电流的形式，称为电流源。1.2电源1.2.1电压源电压源模型由上图电路可得:U=E–IR0若R0=0理想电压源:UEU0=E电压源的外特性IUIRLR0+-EU+–电压源是由电动势E和内阻R0串联的电源的电路模型。OSREI若R0RL，UE，可近似认为是理想电压源。理想电压源O电压源理想电压源（恒压源）例1：(2)输出电压是一定值，恒等于电动势。对直流电压，有UE。(3)恒压源中的电流由外电路决定。特点:(1)内阻R0=0IE+_U+_设E=10V，接上RL后，恒压源对外输出电流。RL当RL=1时，U=10V，I=10A当RL=10时，U=10V，I=1A外特性曲线IUEO电压恒定，电流随负载变化1.2.2电流源0SRUIIIRLU0=ISR0电流源的外特性IU理想电流源OIS电流源是由电流IS和内阻R0并联的电源的电路模型。由上图电路可得:若R0=理想电流源:IIS若R0RL，IIS，可近似认为是理想电流源。电流源电流源模型R0UR0UIS+－理想电流源（恒流源)例1：(2)输出电流是一定值，恒等于电流IS；(3)恒流源两端的电压U由外电路决定。特点:(1)内阻R0=；设IS=10A，接上RL后，恒流源对外输出电流。RL当RL=1时，I=10A，U=10V当RL=10时，I=10A，U=100V外特性曲线IUISOIISU+_电流恒定，电压随负载变化。1.2.3电压源与电流源的等效变换由图a：U=E－IR0由图b：U=ISR0–IR0IRLR0+–EU+–电压源等效变换条件:E=ISR00SREIRLR0UR0UISI+–电流源②等效变换时，两电源的参考方向要一一对应。③理想电压源与理想电流源之间无等效关系。①电压源和电流源的等效关系只对外电路而言，对电源内部则是不等效的。注意事项：例：当RL=时，电压源的内阻R0中不损耗功率，而电流源的内阻R0中则损耗功率。④任何一个电动势E和某个电阻R串联的电路，都可化为一个电流为IS和这个电阻并联的电路。R0+–EabISR0abR0–+EabISR0ab例1:求下列各电路的等效电源解:+–abU25V(a)++–abU5V(c)+a+-2V5VU+-b2(c)+(b)aU5A23b+(a)a+–5V32U+a5AbU3(b)+例2:试用电压源与电流源等效变换的方法计算2电阻中的电流。A1A22228I解:–8V+–22V+2I(d)2由图(d)可得6V3+–+–12V2A6112I(a)2A3122V+–I2A61(b)4A2222V+–I(c)例3：解：统一电源形式试用电压源与电流源等效变换的方法计算图示电路中1电阻中的电流。2+-+-6V4VI2A34612A362AI4211AI4211A24AA2A3122I解：I4211A24A1I421A28V+-I411A42AI213A例3:电路如图。U1＝10V，IS＝2A，R1＝1Ω，R2＝2Ω，R3＝5Ω，R＝1Ω。(1)求电阻R中的电流I；(2)计算理想电压源U1中的电流IU1和理想电流源IS两端的电压UIS；(3)分析功率平衡。解：(1)由电源的性质及电源的等效变换可得：A10A110111RUIA6A22102S1IIIaIRISbI1R1(c)IR1IR1RISR3+_IU1+_UISUR2+_U1ab(a)aIR1RIS+_U1b(b)(2)由图(a)可得：A4A4A2S1R－－－IIIA2A51031R3RUI理想电压源中的电流A6A)4(A