电工电子技术基础

电工电子技术基础制作:冯伟2005-5-8课程的目的和学习方法目的—获得电的基本理论知识，为今后的学习和工程技术研究打下基础。方法—掌握好物理概念（多看书）；多做习题。学习要点•电流、电压参考方向及功率计算•常用电路元件的伏安特性•基尔霍夫定律•支路电流法与节点电压法•叠加定理与戴维宁定理•电路等效概念及其应用•分析电路过渡过程的三要素法第一章电路的基本概念与基本定律1.1电路基本物理量为了某种需要而由电源、导线、开关和负载按一定方式组合起来的电流的通路称为电路。电路的主要功能：•一：进行能量的转换、传输和分配。•二：实现信号的传递、存储和处理。电源：将非电能转换成电能的装置(干电池,蓄电池,发电机)或信号源。中间环结：把电源与负载连接起来的部分(连接导线,开关)负载：将电能转换成非电能的用电设备(电灯,电炉,电动机)一.电路的组成：二.电路的作用1.电能传输和转换发电机升压变压器降压变压器电灯电炉热能,水能,核能转电能传输分配电能电能转换为光能,热能和机械能2.信号的传递和处理放大器话筒扬声器将语音转换为电信号(信号源)信号转换、放大、信号处理(中间环节)接受转换信号的设备(负载)将实际元件理想化，由理想化的电路元件组成的电路。EIRU+_例如：理想化导线理想化元件今后我们分析的都是电路模型，简称电路。电路的模型理想化电源电路分析的主要任务在于解得电路物理量，其中最基本的电路物理量就是电流、电压和功率。在已知电路结构与元件参数情况下研究电路激励与响应之间的关系。激励—推动电路工作的电源的电压或电流。响应—由于电源或信号源的激励作用，在电路中产生的电压与电流。1.2电流电压及参考方向电荷的定向移动形成电流。电流的大小用电流强度表示，简称电流。电流强度：单位时间内通过导体截面的电荷量。大写I表示直流电流小写i表示电流的一般符号dtdqi正电荷运动方向规定为电流的实际方向。电流的方向用一个箭头表示。任意假设的电流方向称为电流的参考方向。参考方向实际方向(a)i0ab参考方向实际方向(b)i0abii电压的实际方向规定由电位高处指向电位低处。与电流方向的处理方法类似，可任选一方向为电压的参考方向例：当ua=3Vub=2V时u1=1V最后求得的u为正值，说明电压的实际方向与参考方向一致，否则说明两者相反。u2=－1V+　　u1　　－ab－　　u2　　+ab对一个元件，电流参考方向和电压参考方向可以相互独立地任意确定，但为了方便起见，常常将其取为一致。+　　u　　－(a)关联方向abi－　　u　　+(b)非关联方向abi(1)在解题前先设定一个正方向，作为参考方向；解决方法(3)根据计算结果确定实际方向：若计算结果为正，则实际方向与假设方向一致；若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。(2)根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关系的代数表达式并计算；1.3欧姆定律•U和I为同方向时：IUR•U和I为反方向时：IUR•线性电阻：遵循欧姆定律的电阻，其阻值的大小和电流电压无关。RUI注意：用欧姆定律列方程时，一定要在图中标明正方向。IRUIRUIRURUIRUI1.4电路的工作状态（开路、短路和有载工作）受控电源（后面介绍）理想电压源电源实际电源理想电源电压源理想电流源电流源R0IsU0E+_U0R0E（R0=0）Is（R0∞）电源有载工作电路特征：I=E/(R0+R)U=IR=E–IR0P=PE-△P将上式乘以I，得（注意：电源输出的功率和电流由负载决定。）上式表明：当R变化时，电源端电压变化不大，则此电源带负载的能力强。当RR0时U≈E一、电压和电流+_IRUabESR0ab电源的外特性曲线表示电源端电压与输出电流之间的关系曲线，称为外特性曲线。U=IR=E–IR0IU0EIR0功率与功率平衡20IREIUIPPPE电源的发出功率=负载的取用功率+电源内阻上的消耗功率P----电源输出的功率PE----电源产生的功率∆P----电源内阻上消耗的功率IUE+_RabSR0功率平衡方程式：在U、I正方向选择一致的前提下：IRUab或IRUab“吸收功率”（负载）“发出功率”（电源）若P=UI0若P=UI0根据能量守衡关系P（吸收）=P（发出）电源与负载的判别额定值与实际值额定值:制造厂为了使电子设备能在给定的工作条件下正常运行而规定的正常允许值。UN、IN、PN使用时，电压、电流、功率的实际值不一定等于额定值。IIN过载IIN轻载I=IN额定工作状态电器使用时的实际值不等于额定值的原因：a.电器受外界影响——如电压波动。b.负载变化时，电流、功率通常不一定处于额定工作状态。开关S断开时，外电路的电阻无穷大,电流为零，电源的端电压U0等于电源电动势E。开路（断路或空载）电路特征：I=0U=0U0=EPE=P=0I=0+_RUEabSU0R0（其中：PE=EI、P=UI）短路U=0I=00SREI20EIRPPSI短路电流P=0电路特征：+-E+-0RUIsI=0+_RUEabSR0当R00时，Is∞（烧毁电源）。注意：电压源不允许短路！IS1.5基尔霍夫定律电路中通过同一电流的每个分支称为支路。3条或3条以上支路的连接点称为节点。电路中任一闭合的路径称为回路。+us1－i1R1i2i3R2R3+us2－abcde图示电路有3条支路，2个节点，3个回路。1.5.1基尔霍夫电流定律（KCL）在任一瞬时，流入任一节点的电流之和必定等于从该节点流出的电流之和。出入ii在任一瞬时，通过任一节点电流的代数和恒等于零。0i表述一表述二可假定流入节点的电流为正，流出节点的电流为负；也可以作相反的假定。所有电流均为正。KCL通常用于节点，但是对于包围几个节点的闭合面也是适用的。i4i2i6i5i3i1abc+us－例：列出下图中各节点的KCL方程解：取流入为正以上三式相加：i1＋i2＋i3＝0节点ai1－i4－i6＝0节点bi2＋i4－i5＝0节点ci3＋i5＋i6＝01.5.2基尔霍夫电压定律（KVL）表述一表述二在任一瞬时，在任一回路上的电位升之和等于电位降之和。在任一瞬时，沿任一回路电压的代数和恒等于零。降升uu电压参考方向与回路绕行方向一致时取正号，相反时取负号。所有电压均为正。0u对于电阻电路，回路中电阻上电压降的代数和等于回路中的电压源电压的代数和。suiR在运用上式时，电流参考方向与回路绕行方向一致时iR前取正号，相反时取负号；电压源电压方向与回路绕行方向一致时us前取负号，相反时取正号。KVL通常用于闭合回路，但也可推广应用到任一不闭合的电路上。+－i5+uab－+－i3i1i2R3R1R2us1us3+us2－i4ba0111222333sssabuRiuRiRiuu例：列出下图的KVL方程电路中的电位——该点与参考点（零电位点）之间的电压。（参考点通常用“接地”符号表示，但该点没有和大地相连。）①参考点选的不同，则各点的电位不同。②电流总是从高电位流向低电位。1.6电路中电位的概念及计算-7V3K1KAS1K+6V+8Vcb求：A点电位。设b点为参考点：Vb=0则：VA=0设c点为参考点：Vc=0则：S断开时：S闭合时：则：-7V3K1KAS1K+6V+8Vcb+++---解：将原图电路改画成上图所示电路。-7V3K1KAS1K+6V+8Vcb3V11378VA1V11168VA第二章电路分析方法2.1电阻的串联及并联具有相同电压电流关系（即伏安关系，简写为VAR）的不同电路称为等效电路，将某一电路用与其等效的电路替换的过程称为等效变换。将电路进行适当的等效变换，可以使电路的分析计算得到简化。1．电阻的串联iR1+u－R2RnRi+u－+u1－+u2－+un－nRRRR21n个电阻串联可等效为一个电阻分压公式uRRiRukkkR1i+u－R2+u1－+u2－两个电阻串联时uRRRu2111uRRRu21222．电阻的并联n个电阻并联可等效为一个电阻i1i2inR1i+u－R2RnRi+u－nRRRR111121分流公式两个电阻并联时iRRRuikkkiRRRi2121iRRRi2112i1i2R1i+u－R22.2电压源与电流源及其等效变换电路元件主要分为两类：无源元件—电阻、电容、电感。有源元件—独立源、受控源。独立源主要有：电压源和电流源。定义：能够独立产生电压的电路元件。电压源分为：理想电压源和实际电压源。2.2.1电压源1.理想电压源（恒压源）:RO=0时的电压源.特点：（3）电源中的电流由外电路决定。IE+_abUab伏安特性IUabE（2）电源内阻为“RO=0”。（1）理想电压源的端电压恒定。（4）理想电压源不能短路，不能并联使用。伏安特性电压源模型oIREURo越大斜率越大2.实际电压源UIRO+-EIUEIRO1.理想电流源（恒流源):RO=时的电流源.特点：（1）输出电流恒定。abIUabIsIUabIS伏安特性（3）输出电压由外电路决定。（2）理想电流源内阻为无穷大（RO=）。（4）理想电流源不能开路，不能串联使用。2.2.2电流源2.实际电流源ISROabUabIoabSRUIIIsUabI外特性电流源模型RORO越大特性越陡1、理想电源串联、并联的化简电压源串联：n21E......EEE电流源并联：n21I......III（电压源不能并联）（电流源不能串联）2.2.3电压源与电流源的等效变换等效互换公式oabRIEUIRO+-EbaUab'RI''RI'RI'I'UoososabISabUab'I'RO'则oRIE'RI''RIoos'RIEos'RRooI=I'Uab=Uab'若注意转换前后E与Is的方向相同aE+-bIROE+-bIROaIsaRO'bI'aIsRO'bI'结论：1.恒流源与恒压源串联，恒压源无用。2.恒流源与恒压源并联，恒流源无用。3.电阻与恒流源串联，等效时电阻无用。4.电阻与恒压源并联，等效时电阻无用。例：用电源模型等效变换的方法求图（a）电路的电流i1和i2。解：将原电路变换为图（c）电路，由此可得：(a)电路2Ai1i2+5V－10Ω5Ω(b)(a)的等效电路2Ai210Ω5Ω1A3Ai210Ω5Ω(c)(b)的等效电路A1351052iA121221ii2.3支路电流法支路电流法是以支路电流为未知量，直接应用KCL和KVL，分别对节点和回路列出所需的方程式，然后联立求解出各未知电流。一个具有b条支路、n个节点的电路，根据KCL可列出（n－1）个独立的节点电流方程式，根据KVL可列出b－(n－1)个独立的回路电压方程式。+us1－i1R1i2i3R2R3+us2－abⅠⅡ图示电路（2）节点数n=2，可列出2－1=1个独立的KCL方程。（1）电路的支路数b=3，支路电流有i1、i2、i3三个。（3）独立的KVL方程数为3－(2－1)=2个。13311suRiRi回路I23322suRiRi回路Ⅱ0321iii节点a解得：i1=－1Ai2=1Ai10说明其实际方向与图示方向相反。对节点a列KCL方程：i2=2+i1例：如图所示电路，用支路电流法求各支路电流及各元件功率。2Ai1i2+5V－ab10Ω5Ω解：2个电流变量i1和i2，只需列2个方程。对图示回路列KVL方程：5i1+10i2=5各元件的功率：5Ω电阻的功率：p1=5i12=5×(－1)2=5W10Ω电阻的功率：p2=10i22=5×12=10W5V电压源的功率：p3=－5i1=－5×(－1)=5W因为2A电流源与10Ω电阻并联，故其两端的电压为：u=10i2=10×1=10V，功率为：p4=－2u=－2×10=－20W由以上的计算可知，2A电流源发出20W功率，其余3个元件总共吸收的功率也是20W，可见电路功率平衡。例：如图所示电路，用支路电流法求