电工与电子技术基础电路分析

电子信息学院电工电子教研室1课程性质和任务本课程的性质：本课程为非电专业学生的必修课程，是一门具有较强实践性环节的技术基础课程。学生通过本大纲所规定全部教学内容的学习，可以获得电工与电子技术的基本理论、基本知识和基本技能。为学习后续课程和专业课打好基础，也为今后从事工程技术工作和科学研究奠定一定的理论基础。本课程的任务：通过学习本课程培养学生的科学思维能力，树立理论联系实际的工程观点和提高学生分析问题和解决问题的能力。电子信息学院电工电子教研室2学期成绩的评定本门课程的成绩按如下各项进行综合评定：1、期末考试占60-70%2、平时作业占10%3、实验占20%4、期中考试占0-10%电子信息学院电工电子教研室3本章要求:1.理解电压与电流参考方向的意义；2.理解电路的基本定律并能正确应用；3.了解电路的有载工作、开路与短路状态，理解电功率和额定值的意义；4.掌握支路电流法、叠加原理和戴维南定理等电路的基本分析方法。5.了解实际电源的两种模型及其等效变换。6.会计算电路中各点的电位。7.会分析一阶电路的过渡过程第1章电路及其分析方法电子信息学院电工电子教研室41.1电路的基本概念(1)实现电能的传输、分配与转换(2)实现信号的传递与处理放大器扬声器话筒1.1.1电路的作用与组成电路就是电流流过的闭合路径，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线1.作用：电子信息学院电工电子教研室5（1）电源，负载，中间环节。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2.组成：电源（或信号源）、负载、中间环节电子信息学院电工电子教研室6信号处理:放大、调谐、检波等负载信号源:提供信息（2）信号源，负载，中间环节放大器扬声器话筒电子信息学院电工电子教研室7由一些反映实际电路部件的主要电磁性质的理想电路元件所组成的电路就是实际电路的电路模型。例如：常用的手电筒实际电路有电池、灯泡、开关和筒体，其电路模型如图所示。今后所分析的都是由理想电路元件所组成的电路模型，简称电路。1.1.2电路模型（a）手电筒实际电路(b)手电筒电路模型电子信息学院电工电子教研室81.1.3电压和电流参考方向1.电流的参考方向在单位时间内通过导体横截面的电荷量定义为电流强度，简称电流。若电荷量用q表示,时间用t表示,电流用i表示,则有：i=dq/dt用文字符号i表示随时间变化的电流，用文字符号I表示不随时间变化的电流（比如直流电流）。电流常用单位安（A）、毫安（mA），二者关系:1mA=10-3A。电路分析就是根据电路模型与参数，通过列写方程求取电流、电压。只有保证列写方程所用到的任何符号与电路图的符号相对应一致才可能正确列写方程，这些符号包含:表示电路特征的结点或回路的符号;表示电路元件的文字符号或元件参数值、表示不同的电压或电流的符号。其中表示不同的电压或电流的符号是具有文字符号和方向两方面特征。电子信息学院电工电子教研室9（2）电流参考方向与实际方向的关系（1）电流的参考方向：电流的实际方向规定为正电荷运动的方向。但在分析一些较复杂的电路时，难以确定电流实际方向。为此，在电路分析时常任意假定一个正电荷运动的方向作为电流的流向。这个假定的方向称为电流的参考方向。实际方向与参考方向一致，电流值为正值；实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。一般用虚线箭标表示实际电流方向。电子信息学院电工电子教研室10（3）电流参考方向的两种表示：1）电流参考方向采用文字符号和实线箭标，二者必须在图中同时表示出来；2）采用带双下标的文字符号表示，其中两个下标符号在图中必须表示出来。例如下图中有a、b符号，我们用Iab代替图中的文字符号I和实线箭标所表示的电流参考方向。若I=5A，则电流从a流向b；例1：若I=–5A，则电流从b流向a。abRII=Iab电子信息学院电工电子教研室111.电压的参考方向电位：在电路中选定电位参考点后，我们把单位正电荷从电路中某点移至参考点时电场力做功的大小称为电路中该点的电位，电位的常用单位伏(V)。假设A是电路中一个点，则A点的电位就可以表示为vA(或uA)。电压：电路中两点的电压是单位正电荷从一点移至另一点时电场力做功。若功用w表示,电荷用q表示,电压用u表示,则有：u=dw/dq用uAB(或vAB)表示电路中A，B两点的电压。它与选定电位参考点后A、B两点的电位的关系是uAB=vA-vB。用文字符号v或u表示随时间变化的电压，用文字符号V或U表示不随时间变化的电压（比如直流电压）。电压常用单位伏(V)电子信息学院电工电子教研室12（1）电压的参考方向电压的实际方向规定为电位真正降低的方向。但列方程分析电路时电压的方向用电压参考方向：在元件上标上电压符号，并且元件的一端标上＋、另一端标上一。＋表示假定高电位端、－表示假定低电位端，从＋端开始经元件内部指向－端为止的方向就是该元件的电压参考方向。电路元件的电压参考方向相对它所在回路而言，要么属于顺时针方向，要么属于逆时针方向。（2）电压参考方向与实际方向的关系电子信息学院电工电子教研室13当电压值为正值时，说明实际方向与参考方向一致；当电压值为负值时，说明实际方向与参考方向相反。（3）电压参考方向的另一种表示：有时采用带双下标的文字符号表示，其中两个下标符号在图中必须表示出来。例如下图中有a、b符号，Uab可代替图中的文字符号U和＋、一符号所表示的电压参考方向。例1：abRU+–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。U=Uab电子信息学院电工电子教研室141.1.4电功率电功率是指单位时间内电场力所做的功。若功用w表示,时间用t表示,电功率用p表示,则有：p=dw/dt。电功率的单位是瓦（W）。功或能量的单位：焦耳(J)由于u=dw/dq，i=dq/dt，因此有p=ui(1)电功率的定义电子信息学院电工电子教研室15(2)电路元件吸收或发出功率的判断p＜0W，发出负功率(实际吸收，电路元件起负载作用)p＞0W，发出正功率(实际发出，电路元件起电源作用)1.u,i参考方向一致时，p=ui为元件的代数吸收功率2.u,i参考方向相反时，p=ui为元件的代数发出功率p＞0W吸收正功率(实际吸收，电路元件起负载作用)p＜0W吸收负功率(实际发出，电路元件起电源作用)电子信息学院电工电子教研室161.1.5基本的理想电路元件手电筒的电路模型用数学方法分析电路需要将实际电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。例：手电筒R+RoE–S+U–I电池导线灯泡开关手电筒由电池、灯泡、开关和筒体组成。基本的理想电路元件有:电阻元件、电感元件、电容元件、理想电压源元件和理想电流源元件,它们都是二端元件。电子信息学院电工电子教研室171、电阻元件。定义:对电流呈现阻力的元件为电阻元件。任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件称为线性电阻元件。线性电阻元件的伏安特性曲线是通过坐标原点的直线。u与i成正比,满足欧姆定律。除另有说明外，一般讲的电阻都是指线性电阻。I/AU/Vo线性电阻的伏安特性电子信息学院电工电子教研室18如图a所示,当U，I参考方向一致时，U、I满足的欧姆定律关系式为：U=IR显然，如图b所示,当U，I参考方向不一致时，U、I满足的欧姆定律关系式为：U=-IR（１）欧姆定律（a）U=IR（b）U=-IR式中R是电阻元件的电阻值，称为电阻，它是表示电阻元件特性的参数值。习惯上，称电阻元件为电阻，所以“电阻”既表示电阻元件，又表示电阻元件的参数。电子信息学院电工电子教研室19电阻的单位常用有Ω,kΩ。欧姆定律常用V、A、Ω与V、mA、kΩ两套量纲，量纲之间的关系是:1V=1A×1Ω与1V=1mA×1kΩ。(a)求Ｒ(b)求Ｉ(c)求Ｕ(d)求Ｕ例1用欧姆定律对图所示的电路列出式子求U或I或R解:(a)∵-20V=-2A×R∴R=10Ω(b)∵-20V=-I×20kΩ∴I=1mA(c)U=-2A×20Ω=-40V(d)U=-(-2A)×20Ω=40V电子信息学院电工电子教研室20(2)电阻的功率和吸收的能量1）功率:图a所示u,i参考方向一致，p=ui表示电阻元件吸收的代数功率。puii2Ru2/R＞0W吸收正功率(实际吸收，电阻元件起负载作用)。图b所示u,i参考方向相反，p=ui表示电阻元件发出负功率。pui(–Ri)i–i2R-u2/R＜0W，发出负功率(实际吸收，电阻元件起负载作用)。结论：电阻元件总是消耗功率。(a)u,i参考方向一致(b)u,i参考方向相反电子信息学院电工电子教研室212）能量:对于直流电路，若用P表示电功率,在时间t内电阻消耗的能量用WR表示,则有：WR=Pt电功率P的单位是瓦（W）。时间t的单位是秒（s）,电能量的单位：焦耳(J)电能量的单位还有千瓦小时（kW·h），显然有：1kW·h=3.6×106J电子信息学院电工电子教研室222、电感元件电感元件被定义为储存磁场能量的两端元件。任何时刻磁链ψ与电流成正比的电感元件称为线性电感元件。线性电感元件的韦安特性曲线是通过坐标原点的直线，ψ与i成正比,满足ψ=Li，比例系数L称为线性电感元件的电感或自感，它是电感元件的参数。电感的单位是亨（H）或毫亨mH，1mH=10-3H。磁链ψ的单位是韦（Wb）。除另有说明外，一般讲的电感都是指线性电感。ψ/Wbi/Ao线性电感的韦安特性电子信息学院电工电子教研室23(1)电感的电压、电流关系u、i取参考方向一致，如图所示。根据电磁感应定律与楞次定律，有：上式表明：电感电压u的大小取决于i的变化率,与i的大小无关，电感是动态元件；当i为常数(直流)时，u=0，电感相当于短路；实际电路中电感电压u为有限值，则电感电流i不能跃变，它是时间的连续函数。显然，当电感的u，i参考方向相反时，上述微分表达式前要冠以负号。dtdiLu电感电路电子信息学院电工电子教研室24(2)电感的功率和储能1)电感的功率u、i取参考方向一致，p=ui表示电感元件吸收的代数功率，当p＞0W时,电感实际吸收功率；当p＜0W时,电感实际发出功率。因此，电感能在一段时间内吸收外部供给的能量转化为磁场能量储存起来，在另一段时间内又把能量释放回电路，因此电感元件是储能元件，它本身不消耗能量。2）电感的储能电子信息学院电工电子教研室25)(21)(21)(21)ξ(21ddd2222tLiLitLiLiξξiLiWttL从t0到t电感储能的变化量：)(21)(21022tLitLiWL因此，电感的储能只与当时的电流值有关，电感电流不能跃变，反映了储能不能跃变。电感储存的能量一定大于或等于零电子信息学院电工电子教研室263、电容元件电容元件被定义为储存电场能量的两端元件。任何时刻储存的电荷与电压成正比的电容元件称为线性电容元件。线性电容元件的库伏特性曲线是通过坐标原点的直线。q与u成正比,满足q=Cu，比例系数C称为线性电容元件的电容，它是电容元件的参数。电容的单位是F(法拉),常用μF表示：1μF=10-6Fq/库u/伏o线性电容的库伏特性电子信息学院电工电子教研室27(1)电容的电压、电流关系u、i取参考方向一致，如图所示。有：上式表明：电容电流i的大小取决于电压u的变化率,与u的大小无关，电容是动态元件；当u为常数(直流)时，i=0。电容相当于开路；实际电路中电容的电流i为有限值，则电容电压u不能跃变，必定是时间的连续函数。显然，当电容的u，i参考方向相反时，上述微分表达式前要冠以负号。电容电路dtduCdtdCudtdqi电子信息学院电工电子教研室28(2)电容的功率和储能1)电容的功率u、i取参考方向一致，p=ui表示电容元件吸收的代数功率，当p＞0W时,电容实际吸收功率；当p＜0W时,电容实际发出功率。因此，电容能在