精编中职中专《电工基础》第三章复杂直流电路课件.pptx

第三章 复杂直流电路基尔霍夫定律【学习目标】1.了解支路、节点、回路和网孔的概念。2.掌握基尔霍夫电流、电压定律。3.能应用基尔霍夫电流、电压定律列出两个网孔的电路方程。【观察与思考】图（a）图（b）请问图（a）和图（b）两个电路图有什么不一样吗？能用电阻的串、并联分析方法对其进行简化，使之成为一个单回路电路，这样的电路叫简单电路。不能用电阻的串、并联分析方法对其进行简化，这样的电路叫复杂电路。一、几个基本概念l 支路：由一个或几个元件首尾相接构成的无分支电路叫支路。在同一支路中，流过各元件的电流相等。如右图中，有三条支路，R1和E1构成一条支路，R2和E2构成一条支路，R2是另一条支路。l 节点：三条或三条以上支路的汇交点叫节点。如右图中，有两个节点，节点A和节点B。l回路：电路中任一闭合路径叫回路。右图中，有三个回路，回路AEFB、回路CABD和回路CEFD。l 网孔：内部不包含支路的回路叫网孔。右图中，有两个网孔，网孔AEFB和网孔CABD。二、基尔霍夫第一定律1.基尔霍夫第一定律基尔霍夫第一定律也称节点电流定律，即KCL方程。其内容为：电路中任意一个节点上，在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。用公式表示为 如右图所示，对于节点A，可列节点电流方程为二、基尔霍夫第一定律2.基尔霍夫第一定律的推广 基尔霍夫第一定律不仅适用于节点，也可推广应用于任一假想的封闭面S，S称为广义节点，如上图所示。通过广义节点的各支路电流代数和恒等于零。在上图所示电路中，假定一个封闭面S把电阻R3、R4及 R5所构成的三角形全部包围起来成为一个广义节点，则流入广义节点的电流应等于从广义节点流出的电流，故得 I1I3I2广义节点【例1】在下图所示电路中，已知I120mA，I315mA，I58mA，求其余各支路电流。列节点电流方程时，首先假定未知电流的参考方向，计算结果为正值，说明该支路电流实际方向与参考方向相同；计算结果为负值，说明该支路电流实际方向与参考方向相反。三、基尔霍夫第二定律1.基尔霍夫第二定律 基尔霍夫第二定律也称回路电压定律，即KVL方程。其内容为：对电路中的任一闭合回路，沿回路绕行方向上各段电压的代数和等于零。用公式表示为：U0 右图所示是复杂电路的一部分，带箭头的虚线表示回路的绕行方向，则各段电压分别为：三、基尔霍夫第二定律1.基尔霍夫第二定律 在运用基尔霍夫回路电压定律所列的方程中，电压和电动势都是指代数和，因此必须注意其正、负号的确定。运用公式U0列方程的一般步骤为：任意选定各支路未知电流的参考方向；任意选定回路的绕行方向（顺时针或逆时针），以公式中少出现负号为宜；确定电阻压降的符号。当选定的绕行方向与电流参考方向一致时（电阻电压的参考方向从“”极性到“”极性），电阻压降取正值，反之取负值。确定电源电动势符号。当选定的绕行方向从电源的“”极性到“”极性，电动势取正值，反之取负值。【例2】如下图所示为某电路图中的一部分，试列出其回路电压方程。2.基尔霍夫第二定律推广 基尔霍夫第二定律不仅适用于闭合回路，也可推广应用于不闭合的假想回路。假想回路三、基尔霍夫第二定律3.基尔霍夫定律的应用对于下图所示三条支路、两个节点、两个网孔的复杂电路，可以根据节点电流定律和回路电压定律列出三个独立的方程。1.复杂电路的几个基本概念2.基尔霍夫第一定律3.基尔霍夫第二定律【课堂小结】【课堂练习】教材中思考与练习第1、2题【课后作业】“学习辅导与练习”同步训练中的3.6电源的模型【学习目标】1.了解电压源与电流源的概念。2.知道实际电源的电路模型。3.学会实际电压源与电流源之间的等效变换。【观察与思考】以输出电压的形式向负载供电的电源叫电压源。以输出电流的形式向负载供电的电源叫电流源。1.电压源l电源的模型 能为电路提供一定电压的电源叫电压源。实际的电压源可以用一个恒定的电动势E和内阻r串联起来的模型表示，如下图所示。它的输出电压（即电源的端电压）的大小为 UEIr 如果输出电流I增加，则内阻r上的电压降会增大，输出电压就降低。因此，要求电压源的内阻越小越好。电压源2.理想电压源l电源的模型理想电压源 若电源内阻r0，输出电压UE，与输出电流I无关，电源始终输出恒定的电压E。把内阻r0的电压源叫做理想电压源或恒压源，其电路模型如图所示。如果电源的内阻极小，可近似看成理想电压源，如稳压电源。实际上，理想电压源是不存在的，因为电源内部总是存在电阻。3.电流源l电源的模型 能为电路提供一定电流的电源叫电流源。实际的电流源可以用一个恒定电流I 和内阻r并联起来的模型表示，如图（a）所示，它的输出电流I总是小于恒定电流IS。电流源的输出电流大小为IISI0 若电源内阻r，输出电流IIS，电源始终输出恒定的电流IS。把内阻r的电流源叫做理想电流源或恒流源，其电路模型如图（b）所示。实际上，理想电流源是不存在的，因为电源内阻不可能为无穷大。电流源的内阻越大越好4.电压源与电流源等效变换l电源的模型电压源以输出电压形式向负载供电，电流源以输出电流形式向负载供电。在满足一定条件下，电压源与电流源可以等效变换。等效变换是指对外电路等效，即把它们与相同的负载连接，负载两端的电压、流过负载的电流、负载消耗的功率都相同，如下图所示。电压源与电流源等效变换4.电压源与电流源等效变换l电源的模型电压源与电流源等效变换关系式为：理想电压源与电流源之间不能进行等效变换。注意：电压源与电流源等效变换后，电流源的方向必须与电压源的极性保持一致，即电流源中恒定电流的方向总是从电压源中恒定电动势的负极指负正极。【例1】如图（a）所示为一个实际的电压源模型，已知E6V，r2，试通过等效变换的方法将其转换成相应的电流源模型，并标出相应的参数IS和r。1.电压源2.电流源3.电压源与电流源的等效变换【课堂小结】【课后作业】“学习辅导与练习”同步训练中的3.7戴维宁定理【学习目标】1.了解戴维宁定理及其在电气工程技术中进行外部端口等效与替换的方法。2.理解输入电阻与输出电阻的概念。【观察与思考】录音机供电电路 有一台录音机，我们可以采用稳压电源电路供电，也可以用几节电池来供电，其使用效果是一样的。那么对于外电路（负载）来说，复杂的稳压电源电路是否可以等效成一个简单的电池电源呢？l戴维宁定理1.二端网络电路也称为电网络或网络。任何一个具有两个端口与外电路相连的网络，不管其内部结构如何，都称为二端网络。二端网络又可分为有源二端网络和无源二端网络 当一个网络是由若干电阻组成的无源二端网络时，我们可以将它等效成一个电阻，即二端网络的等效电阻，在电子技术中通常叫输入电阻。一个有源二端网络两端口之间开路时的电压称为该网络的开路电压。l戴维宁定理2.戴维宁定理任何一个线性有源二端网络，对外电路而言，可以用一个理想电压源和内电阻相串联的电压源来代替。理想电压源的电动势E0等于有源二端网络两端点间的开路电压UAB，内电阻R0等于有源二端网络中所有电源不作用，仅保留内阻时，网络两端的等效电阻RAB，如下图所示，这就是戴维宁定理。戴维宁定理小提示：戴维宁定理中的“所有电源不作用”，是指把所有电压源作短路处理，所有电流源作开路处理，且均保留其内阻。【例1】如图（a）所示，已知R1R2R310，E1E220V，求该有源二端网络的戴维宁等效电路。小知识：在电子技术中，如果有源二端网络作为电源使用，供电给负载，那么其等效电阻R0又叫该有源二端网络的输出电阻。【例1】如图（a）所示，已知R1R2R310，E1E220V，求该有源二端网络的戴维宁等效电路。1.二端网络2.戴维宁定理【课堂小结】【课后作业】“学习辅导与练习”同步训练中的3.8叠加定理【学习目标】1.了解叠加定理。2.知道分析电路时复杂信号可由简单信号叠加的方法。1.叠加定理l叠加定理叠加定理是线性电路的一种重要分析方法。它的内容是：由线性电阻和多个电源组成的线性电路中，任何一个支路中的电流（或电压）等于各个电源单独作用时，在此支路中所产生的电流（或电压）的代数和。运用叠加定理求解复杂电路的总体思路：是把一个复杂电路分解成几个简单电路来进行求解，然后将计算结果进行叠加，求得原来电路中的电流（或电压）。当假设一个电源单独作用时，要保持电路中的所有电阻（包括电源内阻）不变，其余电源不起作用，即把电压源作短路处理，电流源作开路处理。2.叠加定理解题的一般步骤l叠加定理运用叠加定理解题的一般步骤为：（1）在原电路中标出各支路电流的参考方向；（2）分别求出各电源单独作用时各支路电流的大小和实际方向；（3）对各支路电流进行叠加，求出最后结果。两个电源组成的线性电路叠加定理只能用来求电路中的电压或电流，而不能用来计算功率。【例1】如图（a）所示电路，已知：E1、E2和R1、R2、R3，试用叠加定理求各支路电流。1.叠加定理2.叠加定理解题的一般步骤【课堂小结】【课后作业】“学习辅导与练习”同步训练中的3.91.了解复杂电路和简单电路的区别,了解复杂电路的基本术语。2.掌握基尔霍夫第一定律的内容,并了解其应用。3.掌握基尔霍夫第二定律的内容,并了解其应用。31基尔霍夫定律不能用电阻串、并联化简求解的电路称为复杂电路。节点 3条或3条以上连接有电气元件的导线的连接点称为节点。一、复杂电路的基本概念图31 复杂电路示例支路 电路中相邻节点间的分支称为支路。它由一个或几个相互串联的电气元件所构成,且每条支路中除了两个端点外不再有其他节点。其中含有电源的支路称为有源支路,不含电源的支路称为无源支路。回路和网孔 电路中任一闭合路径都称为回路。一个回路可能只含一条支路,也可能包含几条支路。其中,在电路图中不被其他支路所分割的最简单的回路又称独立回路或网孔。网孔一定是回路,但回路不一定是网孔。基尔霍夫第一定律又称节点电流定律。它指出:在任一瞬间,流进某一节点的电流之和恒等于流出该节点的电流之和,即对任一节点来说,流入(或流出)该节点电流的代数和恒等于零。二、基尔霍夫第一定律流入总电流=流出总电流 流入总水量=流出总水量基尔霍夫第一定律在应用基尔霍夫第一定律求解未知电流时,可先任意假设支路电流的参考方向,列出节点电流方程。通常可将流进节点的电流取正,流出节点的电流取负,再根据计算值的正负来确定未知电流的实际方向。有些支路的电流可能是负的,这是由于所假设的电流方向与实际方向相反。【例】图示电路中,I1=2A,I2=-3A,I3=-2A,求电流I4。解:由基尔霍夫第一定律可知代入已知值可得【例】电路如图所示,求电流I3。解:对A节点因为I1=I2,所以I3=0。同理,对B节点因为I4=I5,也得I3=0。由此可知,没有构成回路的单支路电流为零。基尔霍夫第一定律可以推广应用于任一假设的闭合面(广义节点)。或流入此闭合面的电流恒等于流出该闭合面的电流。广义节点【例】下图所示电路中,若电流IA=1A,IB=-5A,ICA=2A,求电流IC、IAB和IBC。解:由可得三、基尔霍夫第二定律基尔霍夫第二定律又称回路电压定律。它指出:在任一回路中,各段电路电压降的代数和恒等于零。用公式表示为电源电动势之和=电路电压降之和 攀登总高度=下降总高度基尔霍夫第二定律基尔霍夫第二定律的另一种表示形式:在任一回路循环方向上,回路中电动势的代数和恒等于电阻上电压降的代数和。在用式U=0时,凡电流的参考方向与回路循环方向一致者,该电流在电阻上所产生的电压降取正,反之取负。电动势也作为电压来处理,即从电源的正极到负极电压取正,反之取负。在用式E=IR 时,电阻上电压的规定与用式U=0时相同,而电动势的正负号则恰好相反,也就是当循环方向与电动势的方向(即由电源负极通过电源内部指向正极)一致时,该电动势取正,反之取负。四、支路电流法【例】下图所示电路,E1=18V,E2=9V,R1=R2=1,R3=4,求各支路电流。解:(1)标出各支路电流参考方向和独立回路的循环方向,应用基尔霍夫第一定律列出节点电流方程(2)应用基尔霍夫第二定律列出回路电压方程对于回路1有对于回路2有整理得联立方程(3)解联立方程得电流方向都和假设方向相同。这种以支路电流为未知量,依据基尔霍夫定律列出节点电流方程和回路电压方程,然后联立求解的方法称为支路电流法。支路电流参考方向和独立回路循环方向可以任意假设,绕行方向一般取与电动势方向一致,对具有两个以上电动势的回路,则取较大电动势的为循环方向。在上例电路中,虽然有三条支路,但只有两个节点,求解这一类电路时,可以先求出两个节点间的电压,然后再求各支路电流。节点电压法1.理解电压源和电流源的特点。2.能正确进行电压源和电流源之间的等效变换。32电压源与电流源的等效变换通常把内阻为零的电源称为理想电压源,又称恒压源,其符号如图所示。理想电压源在实际中并不存在,电源都会有一定的内阻,在分析电路时,可以把一个实际电源用一个恒压源和内阻串联表示,称为电压源模型,简称电压源。一、电压源理想电压源(恒压源)电压源模型 二、电流源通常把内阻无穷大的电源称为理想电流源,又称恒流源。实际中理想电流源并不存在,在分析电路时,可以把一个实际电源用一个恒流源和内阻并联表示,称为电流源模型,简称电流源。理想电流源(恒流源)电流源模型三、电压源与电流源的等效变换同一电源的两种电源模型应对外等效,那么它们对相同的电阻R应产生相同的作用效果,即负载电阻应得到相同的电压U 和电流IL,并且电源的内阻r也应相等。电压源与电流源的等效变换【例】将图a中的电压源转换为电流源,将图b中的电流源转换为电压源。电压源与电流源等效变换时,应注意以下几点:1.电压源正负极参考方向与电流源电流的参考方向在变换前后应保持一致。2.两种实际电源等效变换是指外部等效,对外部电路各部分的计算是等效的,但对电源内部的计算是不等效的。3.理想电压源与理想电流源不能进行等效变换。【例】电路如图a所示,用电源变换的方法求R3支路的电流。受控源前面所讨论的电源都是独立电源,简称独立源,独立源所提供的电压或电流都是由电源本身决定的,与电源之外的其他电路无关,而受控源的电压或电流则要受其他电路的电压或电流的控制。为了与独立源相区别,受控源的图形符号用菱形表示。受控电压源 受控电流源受控源的图形符号受控源是一种四端元件,一对是输入端,另一对是输出端,输出受输入的控制。因此,输入量称为控制量,输出量称为受控量。根据控制量是电压还是电流,受控源是电压源还是电流源,受控源可分为四种类型:电压控制电压源(VCVS);电压控制电流源(VCCS);电流控制电压源(CCVS);电流控制电流源(CCCS)。晶体三极管及其等效的受控源模型1.理解戴维南定理,并能应用于分析计算电路。2.理解负载获得最大功率的条件和功率匹配的概念。33戴维南定理一、戴维南定理如果一个复杂电路,并不需要求所有支路的电流,而只要求某一支路的电流,在这种情况下,可以先把待求支路移开,而把其余部分等效为一个电压源,这样计算就很简便了。戴维南定理所给出的正是这种方法,所以戴维南定理又称等效电压源定理。这种等效电压源电路也称戴维南等效电路。等效电路任何具有两个引出端的电路(也称网络)都可称为二端网络。若在这部分电路中含有电源,就称为有源二端网络,否则就称为无源二端网络。有源二端网络 无源二端网络利用戴维南定理求解的步骤如下:1.戴维南定理只适用于线性有源二端网络,若有源二端网络内含有非线性电阻,则不能应用戴维南定理。2.在画等效电路时电压源参考方向应与选定的有源二端网络开路电压参考方向一致。【例】电桥电路如图a所示,已知R1=10，R2=2.5，R3=5，R4=20，E=12.5V(内阻不计),R5=69，求电阻R5上通过的电流。解:(1)先移开R5支路,求开路电压UAB,如图b所示。(2)再求等效电阻RAB(注意要将电源除去,视为短路),如图c所示。(3)画出等效电路,并将R5接入,如图d所示,则二、电源向负载输出的功率负载获得最大功率的条件是:负载电阻与电源的内阻相等,即R=r,这时负载获得的最大功率为由于负载获得最大功率也就是电源输出最大功率,因而这一条件也是电源输出最大功率的条件。当电动势和内阻均为恒定时,负载功率P 随负载电阻R变化的关系曲线如图所示。负载获得最大功率的条件结论并不仅限于实际电源,它同样适用于有源二端网络变换而来的等效电压源。【例】图a所示电路中,电源电动势E=6V，内阻r=10,电阻R1=10,要使R2获得最大功率，R2的阻值应为多大?这时R2获得的功率是多少?解:(1)移开R2支路,将左边电路看成有源二端网络(图b)。(2)将有源二端网络等效变换成电压源(图c)。(3)R2=r0=5时,R2可获得最大功率(图d)。当负载电阻与电源内阻相等时,称为负载与电源匹配。这时负载上和电源内阻上消耗的功率相等,电源的效率即负载功率与电源输出总功率之比只有50%。在电子电路中,因为信号一般很弱,常要求从信号源获得最大功率,因而必须满足匹配条件。在负载电阻与信号源内阻不等的情况下,为了实现匹配,往往要在负载之前接入变换器。未接变换器前输出功率小 接入变换器后输出功率大变换器的作用1.了解叠加原理的内容和适用条件。2.能正确使用叠加原理分析计算电路。34叠加原理实际电路 设E1单独作用 设E2单独作用叠加原理解含有几个独立源的复杂电路时,可将其分解为几个独立源单独作用的简单电路来研究,然后将计算结果叠加,求得原电路的实际电流、电压,这一原理称为叠加原理。应用叠加原理解题步骤如下:计算功率不能采用叠加原理直接叠加。(1)叠加原理只适用于线性电路。(2)计算某一独立电源单独作用所产生的电流(或电压)时,应将电路中其他独立恒压源视为短路(即令US=0),其他独立恒流源视为开路(即令IS=0),所有独立源的内阻都应保留不变。(3)在进行叠加时,要注意各个分量在电路图中所标出的参考方向,若所求分量的参考方向与图中总量的参考方向一致,叠加时取正号,相反时取负号。(4)叠加原理只能用来计算线性电路中的电流或电压,但功率P 不能用叠加原理计算,因为功率与电流(或电压)之间不是线性关系。本章小结1.基尔霍夫第一定律,反映了节点上各支路电流之间的关系。其表达式为:I进=I出。2.基尔霍夫第二定律,反映了回路中各元件电压之间的关系。其表达式为:E=IR。3.支路电流法是以支路电流为未知量,依据基尔霍夫定律列出节点电流方程和回路电压方程,然后联立方程,求出各支路电流。如果电路有m 条支路、n 个节点,即可列出(n-1)个独立节点电流方程和m-(n-1)个独立回路电压方程。4.电压源与电流源的外特性相同时,对外电路来说,这两个电源是等效的。电压源变换为电流源:,内阻r 阻值不变,但要将其改为并联。电流源变换为电压源:,内阻r 阻值不变,但要将其改为串联。5.戴维南定理:任何线性有源二端网络都可以用一个等效电压源来代替。这个等效电压源的电动势等于该二端网络的开路电压,它的内阻等于该二端网络的入端电阻。6.负载电阻与电源的内阻相等,即R=r0 时,负载获得的功率最大:7.叠加原理是线性电路的基本原理。其内容是:电路中任一支路的电流(或电压)等于每个电源单独作用时产生的电流(或电压)的代数和。