电子工程师培训教程(经典电路分析)0

Electriccircuit中科大电子信息工程系电路引言课程的性质和地位《电路》课程为电气与电子信息类专业的技术基础课,是所有“强电专业”和“弱电专业”的必修课,它既是电气与电子信息类专业课程体系中数学、物理学等科学基础课的后续课程，又是电气与电子信息类所有专业的后续技术基础课和专业基础课的基础。在整个电气信息类专业的人才培养方案和课程体系中起着承前启后的重要作用。引言（1）电气工程及其自动化专业；（2）自动化；（3）计算机科学与技术；（4）电子科学与技术；（5）通信工程；（6）电子信息工程；（7）生物医学工程；（8）电气工程与自动化；（9）信息工程；以上信息引自西安交通大学《电路》多媒体课堂《电路》是以下专业的必修课引言课程的特点和任务《电路》课程理论严密，逻辑性强，对培养学生的辨证思维能力，树立理论联系实际的科学观点和提高学生分析问题和解决问题的能力，都有重要的作用。通过《电路》课程的学习，同学们掌握电路的基本理论、分析计算电路的基本方法和进行实验的初步技能，并为后续课程准备必要的电路知识。电压、电流的参考方向基尔霍夫定律本章重点：第1章电路元件和电路定律电路元件特性本章难点：实际方向和参考方向的联系和差别基尔霍夫定律电路元件特性1.1电路和电路模型（model)一、电路：电工设备构成的整体，它为电流的流通提供路径。电路主要由电源、负载、连接导线及开关等构成。电源(source)：提供能量或信号的发生器。负载(load)：将电能转化为其它形式能量的用电设备，或对信号进行处理的设备。导线(line)、开关（switch)：将电源与负载接成通路装置。**********************************************************1.实际电路元件电阻器电容器线圈电池运算放大器晶体管二、电路模型(circuitmodel)低频信号发生器的内部结构2.由实际电路元件相互连接而成的实际电路(1)变频器主电路2.由实际电路元件相互连接而成的实际电路(2)3.理想电路元件：根据实际电路元件所具备的电磁性质来设想的具有某种单一电磁性质的元件，其u，i关系可用简单的数学式子严格表示。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：表示各种电感线圈产生磁场，储存磁场能的元件。电容元件：表示各种电容器产生电场，储存电场能的元件。电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件。4.由理想元件及其组合代表实际电路元件，与实际电路具有基本相同的电磁性质（数学），我们称其为电路模型。RS+–USRL有时候一个实际电路元件需要用多个理想元件的组合才能体现它的实际性质。如上图中的干电池。实际电路电路模型一个实际电路元件在不同的工作条件下，具有不同的电路模型。如电感线圈。本课程研究对象是电路模型而不是实际电路。三、集总参数元件与集总参数电路集总参数元件（假定）：在任何时刻，流入二端元件的一个端子的电流一定等于从另一个端子流出的电流，两个端钮之间的电压为单值量。集总参数电路：由集总参数元件构成的电路。一个实际电路要能用集总参数电路近似，要满足如下条件：即实际电路的尺寸必须远小于电路工作频率下的电磁波的波长。和集总参数电路相对的是分布参数电路（教材18章）本课程主要讨论集总参数电路。已知电磁波的传播速度与光速相同，即v=3×105km/s(千米/秒)(1)若电路的工作频率为f=50Hz，则周期T=1/f=1/50=0.02s波长=3×1050.02=6000km一般电路尺寸远小于。(2)若电路的工作频率为f=50MHz，则周期T=1/f=0.0210–6s=0.02ns波长=3×1050.0210–6=6m此时一般电路尺寸均与可比，所以电路在高频情况下不能视为集总参数电路。一、电路中的主要物理量主要有电压、电流、电荷、磁链。在线性电路分析中常用电流、电压、电位等。另外，电功率和电能量也是重要的物理量。1.电流(current)：带电质点的运动形成电流。电流的大小用电流强度表示：单位时间内通过导体截面的电量。tqtqitddlim)t(0ΔdefΔΔ单位：A(安)(Ampere，安培)1.2电流和电压的参考方向当数值过大或过小时，常用十进制的倍数表示。SI制中，一些常用的十进制倍数的表示法：符号TGMkcmnp中文太吉兆千厘毫微纳皮数量101210910610310–210–310–610–910–122.电压(voltage)：电场中某两点A、B间的电压(降)UAB等于将点电荷q从A点移至B点电场力所做的功WAB与该点电荷q的比值，即qWUABdefAB单位：V(伏)(Volt，伏特)当把点电荷q由B移至A时，需外力克服电场力做同样的功WAB=WBA，此时可等效视为电场力做了负功–WAB，则B到A的电压为ABABBAUqWU3.电位：电路中为分析的方便，常在电路中选某一点为参考点，把任一点到参考点的电压称为该点的电位。参考点的电位一般选为零，所以，参考点也称为零电位点。电位用表示，单位与电压相同，也是V(伏)。abcd设c点为电位参考点，则c=0a=Uac，b=Ubc，d=Udc两点间电压与电位的关系：abcd仍设c点为电位参考点，c=0Uac=a，Udc=dUad=Uac–Udc=a–d前例结论：电路中任意两点间的电压等于该两点间的电位之差。例2.abc1.5V1.5V已知Uab=1.5V，Ubc=1.5V。求a；b；c；Uac(1)以a点为参考点，a=0Uab=a–bb=a–Uab=–1.5VUbc=b–cc=b–Ubc=–1.5–1.5=–3VUac=a–c=0–(–3)=3V(2)以b点为参考点，b=0Uab=a–ba=b+Uab=1.5VUbc=b–cc=b–Ubc=–1.5VUac=a–c=1.5–(–1.5)=3V结论：电路中电位参考点可任意选择；当选择不同的电位参考时，电路中各点电位均不同，但任意两点间电压保持不变。4.电动势(eletromotiveforce)：局外力克服电场力把单位正电荷从负极经电源内部移到正极所作的功称为电源的电动势。qAedddefe的单位与电压相同，也是V(伏)根据能量守恒：UAB=eBA。电压表示电位降，电动势表示电位升，即从A到B的电压，数值上等于从B到A的电动势。电场力把单位正电荷从A移到B所做的功(UAB)，与外力克服电场力把相同的单位正电荷从B经电源内部移向A所做的功(eBA)是相同的，所以UAB=eBA。BA二、电流、电压的参考方向(referencedirection)1.电流的参考方向元件(导线)中电流流动的实际方向有两种可能:参考方向：任意选定一个方向即为电流的参考方向。大小方向电流i为代数量，具有实际方向i实际方向ii参考方向BA电流参考方向有两种表示：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点指向B点。i0电流的参考方向与实际方向的关系：i0AB参考方向i实际方向iAB参考方向i实际方向i为什么要引入参考方向？(b)实际电路中有些电流是交变的，无法标出实际方向。标出参考方向，再加上与之配合的表达式，才能表示出电流的大小和实际方向。(a)有些复杂电路的某些支路事先无法确定实际方向。为分析方便，只能先任意标一方向（参考方向），根据计算结果，才能确定电流的实际方向。2.电压(降)的参考方向U00U+实际方向U+实际方向参考方向U+–+实际方向U参考方向U+–+实际方向电压参考方向有三种表示方式：(1)用箭头表示：箭头指向为电压（降）的参考方向(2)用正负极性表示：由正极指向负极的方向为电压(降低)的参考方向(3)用双下标表示：如UAB,由A指向B的方向为电压(降)的参考方向ABUABUABU+AB小结：(1)电压和电流的参考方向是任意假定的。分析电路前必须标明。(2)参考方向一经假定，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。参考方向不同时，其表达式符号也不同，但实际方向不变。+–Riuu=Ri+–Riuu=–Ri(4)参考方向也称为假定方向、正方向，以后讨论均在参考方向下进行，不考虑实际方向。(3)元件或支路的u，i通常采用相同的参考方向，以减少公式中负号，称之为关联参考方向，如图（a）。反之，称为非关联参考方向，如图（b）。+–iu+–iu图（a）关联参考方向图（b）非关联参考方向1.3电功率和能量一、电功率：单位时间内电场力所做的功。tqiqwu,twpdd,dddduitqqwtwpdddddd功率的单位：W(瓦)功率与电压和电流密切相关。当正电荷从元件上电压的“＋”极经元件运动到电压的“－”极时，与此电压相应的电场力要对电荷作功，这时，元件吸收能量；反之，正电荷从电压的“－”极经元件运动到电压“＋”极时，电场力作负功，元件向外释放电能。从t0到t的时间内，元件吸收的电能可根据电压的定义求得为二.电能量)()(0tqtqudqW电能量的单位：J(焦)(Joule，焦耳)由于dtdqi所以diuWtt0（1-1）当u,i的参考方向一致时，p0表示元件吸收的功率；当u,i的参考方向相反时，p0表示元件发出的功率。u和i都是时间的函数，并且是代数量，因此，电能W也是时间的函数，且是代数量。功率是能量对时间的导数，能量是功率对时间的积分。由式（1-1）可知，元件吸收的电功率为：当p0时，元件确实吸收功率；当p0时，元件实际释放电能即发出功率。P(t)=u(t)i(t)(1-2)在指定电压和电流的参考方向后，应用式(1-2)求功率时应当注意：三、功率的计算和判断1.u,i关联参考方向p=ui表示元件吸收的功率P0吸收正功率(吸收)P0吸收负功率(发出)+–iup=ui表示元件发出的功率P0发出正功率(发出)P0发出负功率(吸收)+–iu2.u,i非关联参考方向上述功率计算不仅适用于元件，也使用于任意二端网络。电阻元件在电路中总是消耗(吸收)功率，而电源在电路中可能吸收，也可能发出功率。+–5IURU1U2例3U1=10V，U2=5V。分别求电源、电阻的功率。I=UR/5=(U1–U2)/5=(10–5)/5=1APR吸=URI=51=5WPU1发=U1I=101=10WPU2吸=U2I=51=5WP发=10W，P吸=5+5=10WP发=P吸(功率守恒)注意各元件上电压、电流的参考方向。1.4电阻元件(resistor)2.线性定常电阻元件电路符号R电阻元件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：0),(iufiu任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件。1.定义伏安特性u～i关系R称为电阻，单位：(欧)(Ohm，欧姆)满足欧姆定律(Ohm’sLaw)GuRuiiuRui单位G称为电导，单位：S(西门子)(Siemens，西门子)u、i取关联参考方向Rui+-伏安特性为一条过原点的直线Riu(2)如电阻上的电压与电流参考方向非关联公式中应冠以负号注(3)说明线性电阻是无记忆、双向性的元件欧姆定律(1)只适用于线性电阻，(R为常数）则欧姆定律写为u–Rii–Gu公式和参考方向必须配套使用！Rui+-3.功率和能量上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。p–ui–(–Ri)ii2R–u(–u/R)u2/Rpuii2Ru2/R功率：Rui+-Rui+-可用功表示。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GorRui1.6电容元件(capacitor)电容器_q+q在外电源作用下，两极板上分别带上等量异号电荷，撤去电源，板上电荷仍可长久地集聚下去，是一种储存电能的部件。