第1章電路的基本概念和分析方法部分

1、電路與電子技術(shù)北 京 理 工 大 學(xué)信息與電子學(xué)院謝民課時(shí)安排總學(xué)時(shí)64成績評定： 理論教學(xué)48，實(shí)驗(yàn)教學(xué)16（8次）成績20分：作業(yè)及隨堂測驗(yàn)10分，實(shí)驗(yàn)10分。80分期末電路與電子技術(shù)（第二版）（上，下）李燕北京理工大學(xué)參考書：電工和電子技術(shù)學(xué)習(xí)指導(dǎo)編李燕民溫照方 郜志峰編，北京理工大學(xué)電工與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn) （第二版）李燕民，溫照方主編北京理工大學(xué)電路和電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)安排實(shí)驗(yàn)前要寫預(yù)習(xí)報(bào)告！周次內(nèi)容地址5周實(shí)驗(yàn)1.1 電工測量理學(xué)樓B-301/3027周實(shí)驗(yàn)1.3 RC電路的暫態(tài)過程（）理學(xué)樓B-4049周實(shí)驗(yàn)1.4 單相交流電路理學(xué)樓B-10211周實(shí)驗(yàn)2.1 電壓放大電路（硬）理學(xué)樓B-3

2、01/30212周實(shí)驗(yàn)2.2 集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用理學(xué)樓B-301/30213周實(shí)驗(yàn)2.3 整流、濾波、穩(wěn)壓電路理學(xué)樓B-301/30214周實(shí)驗(yàn)3.1 組合邏輯電路及其應(yīng)用理學(xué)樓B-301/30215周實(shí)驗(yàn)3.2 觸發(fā)器和移位寄存器的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)3.3 計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路理學(xué)樓B-301/302與Tel：xiemin號：trager_122002727 辦公室：中關(guān)村校區(qū)4#1371、請各班的班長或?qū)W委課后留一下方式。2、包括課程安排、課件、試驗(yàn)相關(guān)材料通過的方式共享云盤3、建議：統(tǒng)一個(gè)群，今后與課程的相關(guān)信息都會發(fā)布在群里電路和電子技術(shù)(上)電路的基本概念和分析方法（1章）電路電路的暫態(tài)分析

3、（2章）交流電路（3章）原理電路和電子技術(shù)(下)半導(dǎo)體器件（1章）交流放大電路（2章） 集成運(yùn)算放大器（3章） 電源技術(shù)（4章）模擬電路數(shù)字電路組合邏輯電路（5章）時(shí)序邏輯電路（6章）第1章電路的基本概念和分析方法1.11.21.31.41.51.61.71.81.9電路的基本概念理想電路元件基爾霍夫定律電路的一般分析方法疊加原理無源二端網(wǎng)絡(luò)的等效變換(部分)電阻星形聯(lián)與三角形聯(lián)接的等效變換電源模型的等效變換 戴維寧定理和諾頓定理含受控源電路的分析 非線性電阻電路的分析電器設(shè)備的額定值(自學(xué))ÐÐ 1.10Ð 1.111.12第1章電路的基本概念和分析方法電路模型

4、、電壓、電流的參考方向分析電路本章主要內(nèi)容電路基本概念基本定律基爾霍夫定律的依據(jù)！支路電流法疊加原理電源模型的等效變換戴維寧定理分析計(jì)算電路的方法第1章電路的基本概念和分析方法1.11.21.31.41.51.61.71.81.9電路的基本概念理想電路元件基爾霍夫定律電路的一般分析方法疊加原理無源二端網(wǎng)絡(luò)的等效變換(部分)電阻星形聯(lián)與三角形聯(lián)接的等效變換電源模型的等效變換 戴維寧定理和諾頓定理含受控源電路的分析 非線性電阻電路的分析電器設(shè)備的額定值(自學(xué))ÐÐ 1.10Ð 1.111.12電路的基本概念u 電路的作用與組成u 電路模型u 電壓、電流的參考方向電路的

5、基本概念電路（英語：Electrical circuit）或稱電子回路，是由電氣設(shè)備和元器件, 按一定方式連接起來，為電荷流通提供了路徑的總體，也叫電子線路或稱電氣回路，簡稱網(wǎng)絡(luò)或回路。引自百科電路的作用與組成1、電能的傳輸與轉(zhuǎn)換輸電線發(fā)電機(jī)負(fù)載電源中間環(huán)節(jié)2、傳遞與處理信號揚(yáng)聲器話筒話筒把聲音（信息）®電信號揚(yáng)聲器把電信號®聲音（信息）信號源負(fù)載放大器升壓變壓器降壓變壓器電燈電¬¬¬¬¬¬1.1電路的作用與組成電氣部件中通常將能把其他形式的能量轉(zhuǎn)換為電 能的設(shè)備成為電源。反之，將由電能轉(zhuǎn)換為其他形式 能量的設(shè)備稱

6、為負(fù)載。電路的基本組成部分： 電源負(fù)載連接導(dǎo)線電路中電源和信號源的電壓或電流稱為激勵(lì)，它推動電路的工作。由激勵(lì)在電路中產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)。電路分析是在已知電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)的條件下，響應(yīng)激勵(lì)與的關(guān)系。討論電路模型討論電路問題實(shí)際涉及到兩方面的問題電路分析電路設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)對具體電路的分析，進(jìn)而根據(jù)功能去設(shè)計(jì)一個(gè)電路，就需要建模！構(gòu)建電路模型！1.1電路模型實(shí)際的電路是由一些按需要起不同作用的元件或器件所組成，如發(fā)電壓器、電、電池、電阻器等，它們的電磁性質(zhì)是很復(fù)雜的。例如：一個(gè)白熾燈在有電流通過時(shí)消耗電能（電阻性）R忽略L產(chǎn)生磁場儲存磁場能量（電感性）iRL為了便于分析與計(jì)算實(shí)際電路，在一定條件

7、下常忽略實(shí)際部件的次要因素而突出其主要電磁性質(zhì)，把它看成理想電路元件。電路模型S+開關(guān)UR負(fù)載連接導(dǎo)線R0電路模型電路實(shí)體電池用理想電路元件組成的電路，稱為實(shí)際電路的 電路模型。電壓電流的參考方向?qū)﹄娐愤M(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，不僅要算出電壓、電流、 功率值的大小，還要確定這些量在電路中的實(shí)際方向。但是，在電路中各處電位的高低、電流的方向等很難事先出來。因此電路內(nèi)各處電壓、電流的實(shí)際方向也就不能確定。為此引入?yún)⒖挤较虻囊?guī)定。電流、電壓、電動勢的參考方向可以任意假定， 在確定參考方向后：1、當(dāng)實(shí)際方向與參考方向一致時(shí)，數(shù)值取正值2、當(dāng)實(shí)際方向與參考方向相反時(shí)，數(shù)值取負(fù)值1.1電壓電流的參考方向電壓、電流的

8、實(shí)際方向？電流（英文：Current）是指一群電荷的。電流的實(shí)際方向：與正電荷在電路中移動的方向相同。實(shí)際上并不是正電荷移動，而是負(fù)電荷移動。電壓（英語：Voltage），也稱作電勢差或電位差，是衡量電荷在靜電場中由于電勢不同所產(chǎn)生的能量差的物理量。電壓的實(shí)際方向：與電場力方向一致，從高電位到低電位電壓電流的參考方向電動勢定義：在電源內(nèi)部推動電荷移動的力成為電源力，電源力使將正電荷從電源的負(fù)極移動到正極所做的功稱為電動勢。電動勢的實(shí)際方向：由低電位端指向高電位端。電壓電流的參考方向電壓、電流的參考方向的表示電壓、電流的參考方向：任意假定。電流的參考方向用箭頭表示；電壓的參考方向除用極性“+”、

9、“”外，還下標(biāo)或箭頭表示。當(dāng)電壓、電流參考方向與實(shí)際方向相同時(shí)，其數(shù)值為正；相反時(shí)，則其數(shù)值為負(fù)。I例如：圖中若I = 3A，則表明電流的實(shí)際方向與參 考方向相同;反之，+E若 I = 3A，則表明電流的實(shí)際方向與參考方向相反 。在電路圖中所標(biāo)電壓、電流、電動勢的方向，一般均為參考方向。RR0電壓電流的參考方向I例如：圖中若UAB =5V，則表明電壓的實(shí)際方向與參 考方向相同 ；反之，若UBA = 5V，則表明電壓的實(shí)際方向與參考方向相反 。+AEURBA+R0B電壓電流的參考方向關(guān)聯(lián)參考方向：電壓、電流的參考方向一致+uuii關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向在電路中通常選擇為關(guān)聯(lián)參考方向。電源與負(fù)

10、載的判別Ø 根據(jù)電壓、電流的實(shí)際方向進(jìn)行判別，若：U 和 I 的實(shí)際方向相反，則是電源，發(fā)出功率；U 和 I 的實(shí)際方向相同，是負(fù)載，取用功率。理解：P=UI<0,說明正電荷通過這段電路時(shí),低電位向高電位移動,因此正電荷獲得了能量,表明在這段電路中外力克服電場力做功,發(fā)出功率 (提供功率)P=UI>0,說明正電荷通過這段電路時(shí),由高電位到低電位,即失去了電能, (或儲存起來轉(zhuǎn)化成其它形式的能量,吸收了電能(取用功率)I+E+U RLR0-電源與負(fù)載的判別Ø 根據(jù)電壓、電流的參考方向判別若電壓、電流的參考方向相同(關(guān)聯(lián)參考方向）Ø P = UI 為負(fù)值，

11、是電源，提供功率；Ø P = UI 為正值，是負(fù)載，消耗功率。A理解：P=UI >0 ，即UI的實(shí)際方向與參考方向相同，都為正值或相反都為負(fù)值，但無論哪種 情況，電壓電流的實(shí)際方向是相同的，這說明 正電荷通過該段電路時(shí)由高電位到低電位，失 去了電能，所以消耗電能，當(dāng)P=UI <0 ，說明這段電路電壓和電流的實(shí)際方向相反，正電荷 通過這段電路由低電位向高電位移動，獲得電能I+ U-B若電壓、電流的參考方向相反(非關(guān)聯(lián)參考方向） P= UIN電源與負(fù)載的判別AI例已知：圖中U=3V， I = 2AAB+ U-求：N的功率，并說明它是電源還是負(fù)載。B解P=UI = (2)

12、15;3= 6W因?yàn)榇死须妷?、電流的參考方向相同而P為負(fù)值，所以N發(fā)出功率,是電源。想，若據(jù)電壓電流的實(shí)際方向應(yīng)如何分析？N電源與負(fù)載的判別方框N的電壓和電流的參考方向如圖所示，（1)求當(dāng)U=4V,I=2A時(shí)N的功率，并指出是吸收功率還是提供功率?(2)當(dāng)U=5V,I=-3A時(shí)，再求N的功率。解:（1）電壓電流為非關(guān)聯(lián)參考方向，可由P=-UI=- 4×2=-8W<0所以N是電源，提供功率。例AI-U+B(2) P=-UI=- 5×(-3)=15W>0所以N是負(fù)載，吸收功率。N電源與負(fù)載的判別練習(xí) ：方框代表電源或負(fù)載，U=220V，試問哪些方框是電源，哪些是負(fù)

13、載？I=-1AIIII+ U-+ U- U+- U+電源負(fù)載(d)(c)(a)(b)負(fù)載電源第1章電路的基本概念和分析方法1.11.21.31.41.51.61.71.81.9電路的基本概念理想電路元件基爾霍夫定律電路的一般分析方法疊加原理無源二端網(wǎng)絡(luò)的等效變換(部分)電阻星形聯(lián)與三角形聯(lián)接的等效變換電源模型的等效變換 戴維寧定理和諾頓定理含受控源電路的分析 非線性電阻電路的分析電器設(shè)備的額定值(自學(xué))ÐÐ 1.10Ð 1.111.12理想電路元件理想電路元件電容 C電感 L電阻 R理想電流源理想電壓源理想無源元件理想電源元件1.2電路元件Lumped Param

14、eter集總參數(shù)是相對于分布參數(shù)提出的一個(gè)概念，在元件d<<工作波長Lamda或元件的分布參數(shù)在特定問題中可以忽略時(shí)，那么就可以用幾個(gè)特定參數(shù)來表示該元件（Component）的特性。波長(l) = 光速(v)頻率( f )例1 我國電力用電的頻率是50Hz，則該頻率對應(yīng)的波長l = c / f= (3´108 / 50)km = 6000km可見，對以此為工作頻率的設(shè)備來說，其遠(yuǎn)小于這一波長，因此它能滿足集中化條件。而對于數(shù)量級為103km的遠(yuǎn)距離輸電線來說，則不滿足集中化條件，不能按集中參數(shù)電路處理。例2 對無線電的天線來說，如果所接收到信號頻率為400MHz，則對應(yīng)

15、的波長為l = c / f= 3´108 /(400 ´106 )m = 0.75m因此，即使天線的長度只有0.1m，也不能把天線視為集中參數(shù)元件。1.2電路元件之電阻凡是對電流有阻礙作用，并把電能轉(zhuǎn)換為其它形式的能量的二端元件稱為電阻。地iU /V+Ru_I /A0u = Rii = uG歐姆定律1G =為西門子（S）R電導(dǎo)線性電阻伏安特性1.2+IIIRRR或UUU+圖A圖B圖C歐姆定律：通過電阻的電流與電壓成正比。U 、I參考方向相同U、 I參考方向相反U= IR U = R表達(dá)式I圖B中若I = 2A，R = 3W，則 U = (2)×3 = 6V電壓與電

16、流參考方向相反電流的參考方向與實(shí)際方向相反1.2電路元件之電阻瞬時(shí)功率：p = ui = R·i 2= u2/ Ri+0 到 t 時(shí)間內(nèi)電阻消耗的電能Ru_2ttòòui dt =R × i dt00上式表明電阻將全部電能消耗掉，轉(zhuǎn)換成熱能。R是耗能元件電路元件之電阻1.2電路元件之電感iNiN FL=+ui+u FeL+LF電路符號L稱為電感或自感。線圈的匝數(shù)越多，其電感越大；線圈電流中產(chǎn)生的磁通越大，電感也越大。在圖示u、i 、e 假定參考方向的前提下，當(dāng)通過線圈的磁通或 i 發(fā)生變化時(shí)，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢為N dFL d i e=dtdtL電感1

17、.2電路元件之電感電壓電流關(guān)系i= L di+uu = -eLeL+dtL在直流穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感相當(dāng)于短路。若用電感兩端電壓表示電流，則i = 1t 1L 1Lt 1Ltudt0òòòòudt =udt +udt = i(0) +L-¥-¥00有記憶！1.2電路元件之電感電壓電流關(guān)系i+ueL+Lp = ui = Li di瞬時(shí)功率dtP > 0,P < 0,L把電能轉(zhuǎn)換為磁場能，吸收功率。L把磁場能轉(zhuǎn)換為電能，放出功率。儲存的磁場能12tiòòw =pdt =Lidi =2Li00：焦耳（J）L是儲能元件

18、u = L didt環(huán)形電感各種電感節(jié)能燈電感鎮(zhèn)流器電路元件之電容電容元件的參數(shù)iquC =+uC1 pF = 10-12 F1mF = 10-6 F當(dāng)通過電容的電荷量或電壓 發(fā)生變化時(shí)，則在電容中引起電流。在直流穩(wěn)態(tài)時(shí)，I = 0，電容隔直流。12tuòòw =uidt =Cudu =2儲存的電場能Cu00：焦耳（J）C是儲能元件i = dq = C du dtdt滌綸電容電解電容貼片電容陶瓷電容鉭電容電路元件之電源1、理想電壓源在電路中，能夠提供一個(gè)定值電壓的電源稱為 理想電壓源 或 恒壓源。直流理想電壓源及伏安特性曲線電路符號IaU/V+u+U=U+S_U _RLU_

19、SI/Ab特點(diǎn)：U=USI=US/RL電流由外電路決定兩端電壓為一定值USSO電路元件之電源1、理想電壓源實(shí)際直流電源的電壓源模型及伏安特性曲線aU/V+US_+IU= USURLR0_I/AUSOIS =bR0特點(diǎn)：當(dāng)R0一定時(shí)，電壓U隨電流增加而降低。U = US R0 I電路元件之電源2、理想電流源在電路中，能夠提供一個(gè)定值電流的電源稱為理 想電流源或恒流源。直流理想電流源及伏安特性曲線電路符號IaU/V+iSISRU_LI/AOI = ISb特點(diǎn)：I = ISU= ISRL兩端電壓由外電路決定電流為一定值iS1.2電路元件之電源2、理想電流源直流電源的電流源模型及伏安特性曲線U/VIa

20、U0 = IS R0+ISRLU_R0I/AOISbI = IS U/R0第1章電路的基本概念和分析方法1.11.21.31.41.51.61.71.81.9電路的基本概念理想電路元件基爾霍夫定律電路的一般分析方法疊加原理無源二端網(wǎng)絡(luò)的等效變換(部分)電阻星形聯(lián)與三角形聯(lián)接的等效變換電源模型的等效變換 戴維寧定理和諾頓定理含受控源電路的分析 非線性電阻電路的分析電器設(shè)備的額定值(自學(xué))ÐÐ 1.10Ð 1.111.12基爾霍夫定律麥克斯韋方程組基爾霍夫定律集總參數(shù)原則三大約束第一約束: 選擇集總元件邊界,使在任何時(shí)刻,經(jīng)過元件外的任意閉合路徑有¶fB=

21、0¶tÑò E · dl = - ¶fB法拉第電磁感應(yīng)定律¶tE為電場強(qiáng)度fB是通過路徑所包圍的面積的磁通量基爾霍夫定律集總事務(wù)原則三大約束第二約束: 選擇集總元件邊界,使得¶q= 0¶tÑò J · dS = - ¶q連續(xù)性方程¶tJ為電流密度（矢量）q是閉合面中的總電荷量基爾霍夫定律集總事務(wù)原則三大約束第三約束: 集總元件工作在其中的信號的時(shí)間尺度比電磁波在其兩端造成的多。延時(shí)大得基爾霍夫定律名詞術(shù)語支路電路中的每一分支如 acbabadbR1R2cad結(jié)點(diǎn)電路

22、中三條或三條以上支路聯(lián)接的點(diǎn)如 a、b由一條或多條支路組成的閉合路徑+US_ISR3回路babcaadbaadbcaadba如未被其它支路分割的單孔，如 abca網(wǎng)孔基爾霍夫電流定律KCLKirchhoffs Electric Current Law基爾霍夫電流定律是用來確定聯(lián)接在同一結(jié)點(diǎn)上的各支路電流之間的關(guān)系。根據(jù)電流連 續(xù)性原理（集中參數(shù)原則之約束2），電荷在任何一點(diǎn)均不能堆積（包括結(jié)點(diǎn)）。故有在任一瞬間，流向某一結(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和等于零。數(shù)學(xué)表達(dá)式為å i = 0å I = 0（對任意波形的電流）（在直流電路中）基爾霍夫電流定律KCL若以流入結(jié)點(diǎn)的電流為負(fù)，流出結(jié)點(diǎn)的

23、電流為正，則根據(jù)KCL，結(jié)點(diǎn) a 可以寫出I1I4aI2I I + I+ I = 0I31234例解上圖中若I1= 9A， I2= 2A，I4= 8A，求 I3 。把已知數(shù)據(jù)代入結(jié)點(diǎn) a 的KCL方程式，有92）+ I3 + 8 = 0（電流 所致。I3= 19AI3電流為負(fù)值，是由于參考方向與實(shí)際方向相反基爾霍夫電流定律KCL對A、B、C三個(gè)結(jié)點(diǎn)KCL 的推廣應(yīng)用應(yīng)用KCL可列出：IA = IAB ICAIB = IBC IABIAAICAIABI= I IIBCCABC上列三式相加，便得IA + IB + IC = 0CBIBCICå I= 0即可見，在任一瞬間通過任一封閉面的電

24、流的代數(shù)和也恒等于零?；鶢柣舴螂妷憾蒏VLKirchhoffs Electric Voltage Law基爾霍夫電壓定律用來確定回路中各段電壓之間的關(guān)系。由于電路中任意一點(diǎn)的瞬時(shí)電位具有單值性，故有在任一時(shí)刻，沿閉合回路繞行一周，各部分電壓的代數(shù)和等于零。（集中參數(shù)原則之約束1）或 å E = å U = å RI即 å U = 0基爾霍夫電壓定律KVLI2I1左圖中，各電壓參考方向均已標(biāo)出，沿虛線所示循行方向，列出回路 cbdac KVL方程式。根據(jù)電壓參考方向, 回路 cbdac KVL方程式, 為U1 U2 + U4 U3 = 0R2R1acd_

25、 _U + U34+_+E1_ U1U2E2b即 å U = 0上式也可改寫為U4 U3 = E2 E1å U = å EI2 R2 I1R1å IR = å E即或即= E2 E1基爾霍夫電壓定律KVLKVL推廣應(yīng)用于假想的閉合回路A+UA_+E_RIUABU_UB+CB根據(jù)å U = 0UA- UB- UAB = 0UAB = UA- UB根據(jù)KVL可列出E- IR- U = 0U = E- IR或例若圖中U 1= 2V，U2= 8V，U3= 5V，U5 = 3V，R4 = 2W，求電阻 R4 兩端的電壓及流過它的電流。解 設(shè)電阻R4兩端電壓的極性及流過它的電流 I的參考方向如圖示。沿順時(shí)針方向列寫回路的KVL方程式，有U1 + U2 U3 U4 + U5 = 0代入數(shù)據(jù)，有(2) + 8 5 U4 + (3) = 0U4 = 2 VU2+bcU1 +U3+daIUR45U4+U = IR44e關(guān)聯(lián)參考方向I = 1A注意：列寫KVL方程時(shí)會遇到兩套符號：一是方程前面的正負(fù)號，規(guī)定各元件電壓的正方向與所選回路繞行方向一致取正號，反之取負(fù)號，另一個(gè)是電壓本身的正負(fù)號，由電壓的參考方向與實(shí)際方向是否相同決定的，一致為正號，反之