电工技术电路分析基础 (2)精选PPT.ppt
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1、电工技术电路分电工技术电路分析基础析基础(2)第1页,此课件共109页哦第第1章章 电路分析基础电路分析基础1.2 电路中的基本物理量电路中的基本物理量1.1 电路分析基础知识电路分析基础知识1.3 电路中的电位及其计算电路中的电位及其计算1.4 基本电路元件和电源元件基本电路元件和电源元件1.5 电路的简化和等效变换电路的简化和等效变换1.6 网络分析和网络定理网络分析和网络定理第2页,此课件共109页哦 前前 言言电学电子电力学电子学电力学图1-1 电学发展第3页,此课件共109页哦n1、电学从1865年麦克斯韦方程建立以后到现在有140多年的历史。有很多的定理、公式、规律和模型。我们学习
2、要有针对性,有的放矢,根据不同的需求进行不同层次的学习、了解和相关的研究。n2、电子学从1947年肖克利等人发明晶体管到现在也有50多年的历史。我们在处理实际问题时注重具体的原理性的分析和认知;但也要注重基础的东西,基础决定能走多远多久的问题,决定认知的深度和广度。n3、电力学属于强电的范畴,这里从略不讲。n4、电子电力学是一门边缘学科,它以大功率元件为核心,实现以弱电控制强电的功能。n笔者认为:电学、机械等从根本上说都是一样的,只是实现的方式不同而已。模型都来自数学。另外,英语也很重要,我们应该对本专业的英语有所了解。第4页,此课件共109页哦n基本系统(如电源系统、信号系统、保护系统、输入
3、输出系统等)基本电路(如放大电路、整流电路、选频电路、振荡电路等)概念(名称、术语、基本公式、定理、定律等)电路应用、设计如DXP、CAD等元件(电阻、电容、电感、二极管、三极管等)由于物理学、电工学的发展,电工电子技术等得到很大的提高。世界进入信息时代,作为基础之一的电工电子技术也在快速发展。电工电子技术是一门专业基础课,学好这门课需要有电工学、数学和英语的基础,有一定的计算机编程基础则更好。既是对前面基础课的总结和深化,又是后续专业课的基础。就理论学习而言,我把书上的内容归纳成如图所示:第5页,此课件共109页哦基本系统(如电源系统、信号系统、保护系统、输入输出系统等)基本电路(如放大电路
4、、整流电路、选频电路、振荡电路等)概念(名称、术语、基本公式、定理、定律等)电路应用、设计如DXP、CAD等元件(电阻、电容、电感、二极管、三极管等)第6页,此课件共109页哦n可见,我们在学习过程中对于知识点(概念、电路、系统)的掌握是很重要的。但是,有了知识点,如何有效地学以用之,学为所用,去解决实际的问题,有待于我们在各个层次进行训练、研究和努力的探索。这里仅为大家作一个一般性的描述,为大家构建一个基础,一个平台,对这方面有兴趣的同学可进一步的学习和实践。下面就有关基本概念一个介绍。概念理解,元件识别,电路的原理分析,看懂图纸。第7页,此课件共109页哦第一章第一章 电路分析基础电路分析
5、基础 11 基础知识基础知识n一、导体、绝缘体和半导体物质按照导电性能的强弱可以分为导体、半导体、绝缘体三种。物质导体半导体绝缘体本征半导体掺杂半导体第8页,此课件共109页哦n导体(conductor):容易导电的物体,称为导体。绝缘体(insulator):不容易导电的物体,称为绝缘体。半导体(semiconductor):导电能力介于导体和绝缘体之间的物体。绝大多数半导体的原子排列呈晶体结构,因此由半导体构成的管件也称为晶体管。它有杂敏性、热敏性和光敏性三大特点。常用的半导体材料有硅(Si)和锗(Ge)。其实,它们之间没有明确的界限。就其发展而言,导体和绝缘体实现了工业控制,但随着发展其
6、缺点也越来越明显(如体积、火花、噪声等)。这时,半导体有了长足的发展。第9页,此课件共109页哦n二、电路和电路组成 电路:电流的通路。是指为了某种需要由若干电工设备或元件按一定方式组成的总体。电路一般由电源、负载和中间环节组成。n1、电源:将其它形式的能量转换成电能的装置(即把非电转换成电的装置)。n2、负载:是用电设备的统称。电路电源中间环 节负载n3、中间环节:指连接电源和负载的部分,它起着传输、分配和控制电能的作用。电路电源中间环节负载第10页,此课件共109页哦n电路分为内电路和外电路两部分。由负载和连接导线等中间环节组成的部分称为外电路;电源内部的称为内电路。在实际中,内、外电路的
7、划分没有明确的界限。根据实际情况的需要可以有不同划分,但要注意划分不同,则分析、理解也应不同。n实际电路是由电器件(device)如电阻器、电容器、线圈、变压器、晶体管、电源等相互联接所组成。各种电器件用图形符号表示,采用图形符号绘出表明各电器件相互联接关系的电路图称电气图(electric diagram)。第11页,此课件共109页哦n三、电路的作用n电路的作用包括:n1、实现电能的输送和变换(能量转换)。能量转换包括两个方面:一方面是电源内部的能量转换,非电转换为电,如电池、发电机等。一方面是电源外部的电路,电转换为非电;如:用电设备等。n2、实现信号的传递和处理(传送、处理信号)。如:
8、把输入的信号进行滤波、放大和变换等。n我们把电路中的电源或信号源的电压或电流称为电路的激励。把激励在电路中的各部分产生电压或电流称为电路的响应。已知激励求响应,称为电路分析。已知响应求激励,称电路设计或综合。电路虽然各种各样,其功能也各不相同;但它们受共同的基本规律支配。n3、测量电量。如测量电压、电流和电阻的电路。n4、存储信息。如存储器电路存放数据、程序等。第12页,此课件共109页哦 12 电路中的基本物理量电路中的基本物理量n一、电流及其参考方向n1、电流电路分析使我们能够得出给定电路的电性能,这意味着电路的电性能可以用表示时间函数的变量来描述,并解得这些变量。常用的变量是电流、电压和
9、功率。n带电的微粒称为电荷。如:电子、质子、离子等。带电微粒所带电荷的多少称为电量。电量的单位是库仑(C表示),1库仑等于6.241018个电子所带的电量。电量的符号用Q(q)来表示。第13页,此课件共109页哦n电荷的定向移动形成电流(Current),电流的大小(强弱)用电流强度来表示。把单位时间内导体横截面积的电量定义为电流强度,电流强度简称为电流,用i表示。即ni(t)=ndq表示在极短时间dt(瞬间)内通过某横截面的电荷量。若i为常数C,表示为直流,用I表示。即nI=n电流的单位为A(安培),有mA,A,nA等。n 通常,电流的实际方向规定为正电荷移动的方向(或负电荷移动的方向)。第
10、14页,此课件共109页哦n2、电流的参考方向n 为了说明电流的真实方向,我们要任意选定某一方向为电流的参考方向。(Reference Direction)(假定一个正方向)。实际电流与参考一致则为正,与参考相反则为负。电流只有假定参考方向后的正、负才有意义。因此,我们在分析电路时,首先要标出参考方向,其参考方向的表示方向有箭头和双下标两种表示。如:Iab(“”),Vcd(“”)。n 这样,我们可利用电流的正、负值结合参考方向来表明电流的真实方向。例如,-1A表示正电荷以每秒1库仑的速率沿参考方向箭头相反方向移动。在分析电路时,尽可能任意假设电流的参考方向,并以此为准进行分析、计算,从最后结果
11、的正、负值来确定电流的真实方向。在未作参考方向的前堤下,电流的正、负是没有意义的。第15页,此课件共109页哦n参考方向并不是一个抽象的概念。如用指针式万用表,测量电路中的未知电流时,事实上首先为电流选定了一个参考方向(由表的“+”端经过电表的“-”端)。在测量时,若电表指针正向偏转电流为正值;说明电流的真实方向与参考方向一致。若电表指针反向偏转,电流为负值,说明电流的真实方向与参考方向相反。n 电路图中所标的电流方向箭头都是参考方向箭头,不一定表示电流的真实方向。电流的参考方向又叫电流的正方向,由于在集总电路中,电路的尺寸是无关紧要的,流过的电流是时间t的函数。因此,在任一时刻从任一元件一端
12、流入的电流一定等于从它另一端流出的电流,流经元件的电流是一个可确定的量,这是集总假设的必然结果。第16页,此课件共109页哦n二、电压及参考方向n电荷在电路中流动,就必然有能量的交换发生。电荷在电路的某些部分(如电源处)获得能量而在另外一些部分(如电阻元件处)推动能量。失去的能量是由电源提供的,因此,在电路中存在着能量的流动,电源可以提供能量,有能量流出,电阻等元件吸收能量,有能量流入。n 电路中单位正电荷由a点转移到b点时所获得或失去的能量称为a、b两点间的电压。电压有时也称“电位差”,用符号u表示。即nu(t)=n式中,dq为由a点转移到b点的电量,单位为为为库仑(C表示)dw为转移过程中
13、,电荷dq所获得或失去的能量,单位为焦耳(J)。电压的单位为伏特(V)。n 如果正电荷由a点转移到b点时获得能量,则a点为低电位,b点为高电位。如果正电荷由a点转移到b点失去能量,则a点为高电位,b点为低电位。也就是说,正电荷在电路中转移时电能的得、失表现为电位的升高或降低,即电压升或电压降。第17页,此课件共109页哦n我们规定电场力对单位正电荷的a点移动到无限远处所做功称a点为电位Va。即从a点移到电场为0的点,则电场为0的点其电位也为0。可见,a,b间的电压为a,b间的电位之差。即nUab=Va-Vbn电动势E是衡量电源力对电荷做功的能力。在电源力作用下,电源把非电转换为电。注意电动势这
14、个概念是针对电源提出的,只有针对电源才有电动势这个概念。它的大小等于电流没有接入电路时两端的电压。电动势只有大小,没有方向,是标量,不是矢量。第18页,此课件共109页哦n三、关联参考方向和非关联参考方向n在分析电路时,我们既要为通过元件的电流假设参考方向,也要为元件的电压假设参考极性,彼此原是可以独立无关地任意假定的。为了分析方便,常采用关联(associated)参考方向:电流参考方向电压参考“+”极到“-”极的一致;即电流与电压降参考一致。如图(a)所示:n这样,在电路图上就只需标出电流的参考方向或电压的参考极性中任何一种。如(b)、(c)所示:(a)(b)(c)A+u-bAiba+u-
15、b第19页,此课件共109页哦n四、功和功率n 电路中存在着能量流动,某一段时间内吸收(消耗)或产生能量的速率称为功率,用符号P表示。或者说是单位时间内能量变化的速率称为功率。n如图所示,方框表示该段电路,它可能是一个电阻元件或者是一个电源,也可能是一个电阻元件或者是一个电源,也可能是若干元件的组合。采用关联的电压、电流参考方向。ba能量传输方向 i+u-P第20页,此课件共109页哦n设在dt时间内由a点转移到b点的正电量为dq,且由a到b为电压降,其值为u,则在转移过程中dq失去能量为ndw=udqn 电荷失去能量意味着这段电路吸收能量,即能量由电路的其他部分传递到这一部分。因此,吸收能量
16、的速率,即吸收的功率为:np(t)=u(t)i(t)=uin在直流电路中,P=UI。功率的单位是瓦特(W),有KW、mW等。n在电路中,功率公式一般默认是关联参考方向。若是非关联参考方向,则:P=-UIn功率计算结果的“正、负”表明元件在电路中做功的“正、负”即吸收能量(电荷则失去能量)和释放(电荷则获得能量)能量。如果电流的实际方向从电压实际极性的高电位端流出,则表明外力对电荷做功;元件产生能量,是一个电源。如果电流的实际方向从电压实际极性的高电位端流入,则表明电场力对电荷做功;元件吸收能量,是一个负载。我们在计算时,特别小心,一定要弄清楚“+、-”的含义。第21页,此课件共109页哦n电量
17、为q的电荷在电场作用下从一点称到另一点,电场力所做的功即为电功,用W表示。电功在数值上等于电路消耗的电能。n在关联参考方向下,用电设备在一段时间内消耗的能量称为该设备消耗的电能。假定从t0时刻到t时刻,则n w(t0,t)=n在直流电路中,W=Pt=UItn 电能的单位是:焦耳(J),通常还有KWh(千瓦时),俗称“度”。n1度=1KWh=3.6106J第22页,此课件共109页哦n例 (1)如图所示,若电流均为2A,且均由a流向b,求该两元件吸收或产生的功率。(2)在图(b)中,若元件产生的功率为4W,求电流。n (a)(b)n解:(1)设电流i的参考方向由a流向b,则n i=2An图(a)
18、所示的元件,电压、电流系关联参考方向,故n p=u1i=12=2Wn图(b)所示的元件,电压、电流系非关联参考方向,故n p=-u2i=-(-1)2=2W(a)(b)+-u1=1V+-u2=-1Vbb aa第23页,此课件共109页哦n(2)设电流i的参考方向由a流向b,则np=-u2i=-4Wni=-4An n 负号表明电流的实际方向由b指向a。n电荷与能量是描述电现象的基本变量戒原始变量,为便于描述电路,从电荷和能量出发,引入了电路变量电流、电压和功率。这些变量都易于测得,其中功率又可由电压、电流算得,所以电路分析问题往往侧重于求解电流、电压或功率。n在求解电路问题时,应该特别重视参考方向
19、的意义,电路图中所标的电流方向和电压极性均为参考方向和参考极性。它们不一定电流的真实方向和电压的真实极性。在电路图中凡未标示电流、电压参考方向时,均采用关联参考方向。第24页,此课件共109页哦13 电路中的电位及其计算电路中的电位及其计算n一、电位的概念n 电荷在电路中流动,就必然有能量的交换发生。电荷在电路的某些部分(如电源处)获得能量而在另外一些部分(如电阻元件处)推动能量。失去的能量是由电源提供的,因此,在电路中存在着能量的流动,电源可以提供能量,有能量流出,电阻等元件吸收能量,有能量流入。n 电路中单位正电荷由a点转移到b点时所获得或失去的能量称为a、b两点间的电压。电压有时也称“电
20、位差”,用符号u表示。即nu(t)=n式中,dq为由a点转移到b点的电量,单位为为为库仑(C表示)dw为转移过程中,电荷dq所获得或失去的能量,单位为焦耳(J)。电压的单位为伏特(V)。第25页,此课件共109页哦n如果正电荷由a点转移到b点时获得能量,则a点为低电位,b点为高电位。如果正电荷由a点转移到b点失去能量,则a点为高电位,b点为低电位。也就是说,正电荷在电路中转移时电能的得、失表现为电位的升高或降低,即电压升或电压降。n 我们规定电场力对单位正电荷的a点移动到无限远处所做功称a点为电位Va。即从a点移到电场为0的点,则电场为0的点其电位也为0。可见,a,b间的电压为a,b间的电位之
21、差。即nUab=Va-Vbn电动势E是衡量电源力对电荷做功的能力。在电源力作用下,电源把非电转换为电。注意电动势这个概念是针对电源提出的,只有针对电源才有电动势这个概念。它的大小等于电流没有接入电路时两端的电压。电动势只有大小,没有方向,是标量,不是矢量。第26页,此课件共109页哦 14 基本电路元件基本电路元件n一、电阻的线性与非线性n1、电阻元件n电路是由元件联接组成的,各种元件都有精确的定义,由此可确定每一元件电压与电流的关系,即伏安关系(VAR,volt amphere relation)。元件的伏安关系连同基尔霍夫定律共同构成集总电路分析的基础。n 电阻(resistor)是从实际
22、电阻器抽象出来的模型。在关联参考方向下,流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比,即欧姆定律(Ohms law):nu(t)=Ri(t)(U=RI)n u为电阻两端的电压,单位为V;i为流过电阻的电流,单位为A;R为电阻,单位为。n 由欧姆定律定义的电阻元件,称为线性(linear)电阻元件。u,i可以是时间t的函数,也可以是常量(直流)。电阻对电流有阻力,电流经过电阻就有能量消耗,沿电流流动方向就必然会出现电压降,其大小为电流与电阻的乘积。所以,欧姆定律体现了电阻对电路起阻碍作用的本质。第27页,此课件共109页哦n把电阻元件的电压作为纵坐标(横坐标),电流作为横坐标(纵坐标),可绘出iu平面(
23、ui平面)上的曲线,称为电阻元件的伏安特性曲线。n如图所示:n Rnin +u n 可见,线性电阻元件的伏安特性曲线是一条经过坐标原点的直线,电阻值与直线的斜率相等。所以,R是一种“电路参数”,但它的大小与电路本身无关,由电阻器本身决定。0 iu第28页,此课件共109页哦n电阻元件也可以用另一个参数电导(conductance)来表征,用符号G表示,单位为西门子(S),定义为nG=n 用电导表示的欧姆定律为n u(t)=i(t)i(t)=G u(t)n2、电阻的一般定义n 根据线性电阻元件的伏安特性曲线,在任一时刻,线性电阻的电压(电流)也由同一时刻的电流(电压)决定的,也其他的电路参数无关
24、。这说明线性电阻的电压(电流)不能“记忆”电流(电压)在过去起过的作用,即无记忆(memoryless)功能。第29页,此课件共109页哦n同理,任何一个二端元件只要它的u(t)与i(t)之间存在着代数关系,无论是线性的还是非线性的,二端元件都是无记忆的。这样,我们给出电阻的精确定义:n 任何一个二端元件,如果在任一时刻的电压u(t)和电流i(t)之间存在代数关系,即这一关系可由iu平面(ui平面)上一条曲线所决定,不论电压或电流的波形如何,则此二端元件就称为电阻元件。n 任何一个二端器件或装置,无论其内部结构和物理过程如何,只从端子上看,能满足电阻元件的定义都可看作是电阻元件。第30页,此课
25、件共109页哦n电阻可以是线性的(linear)或非线性的(nonlinear),非时变的(timeinvariant)或时变(timevariant)的。特性曲线不随时间而变化的,称为非时变的(定常的),否则称为时变的。如图所示:0 iunn n 线性非时变电阻特性曲线 线性时变电阻特性曲线 0 iu0 it1t2u第31页,此课件共109页哦n非线性非时变电阻特性曲线 非线性时变电阻特性曲线0 i所有tuu0 it2t1第32页,此课件共109页哦n线性电阻有两种特殊情况,开路和短路。一个二端电阻元件不论其电压u是多大,电流始终为零,则此电阻元件称为开路。如图所示:i0 uG=0uR=0
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