第1章电路的基本定律与分析方法shan.ppt
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1、青岛大学自动化工程学院,山炳强 博远楼(西5教)507,电工电子技术,青岛大学自动化工程学院,电工电子技术是一门专业技术基础课。,基础要求:,青岛大学自动化工程学院,课程概述,教材包括5个模块,囊括了电路、模拟电子、数字电子、电气控制等诸多内容,其中第4模块 EDA技术将在实验课上进行学习。,课程要求,1. 课堂认真听讲,掌握要点,课后要复习巩固; 2. 关键在课后练习,举一反三; 3. 作业要求认真独立完成。,青岛大学自动化工程学院,第一章 电路的基本定律与分析方法,1.1 电路的基本概念 1.2 电路的基本定律 1.3 电路的分析方法,青岛大学自动化工程学院,1.1 电路的基本概念,1.1
2、.1 电路的组成及作用 1.1.2 电流和电压的参考方向 1.1.3 电路的功率 1.1.4 电源的工作状态 1.1.5 电路模型及理想电路元件,青岛大学自动化工程学院,1.1.1 电路的组成及作用,电路是各种电气设备或元件按一定方式连接起来组成的总体。,青岛大学自动化工程学院,电源:提供电能(或信号)的部分,如蓄电池、发电机和信号源等;,负载:吸收或转换电能的部分,如电动机、照明灯和电炉等;,中间环节:连接和控制电源和负载的部分;最简单的可为两根导线,复杂的可以是一个庞大的控制系统。,青岛大学自动化工程学院,电路的作用,传输与转换电能(如电力系统) 进行信号的传递和处理(如电视机电路等),青
3、岛大学自动化工程学院,1.1.2 电流和电压的参考方向,电流和电压的正方向:,实际正方向:,物理中对电量规定的方向。,青岛大学自动化工程学院,SI基本架构图,例如:50mA,50毫安,五十毫安均为SI的表示方法。 其中50、五十为数值 m:分数的代号(代表10-3或千分之一) A:代表单位(安培)的代号 毫:代表分数的名称 安:代表单位的名称,青岛大学自动化工程学院,国际单位制的基本单位,青岛大学自动化工程学院,用于构成十进倍数和分数单位的词头, 所表示的因数 词头名称 词头符号 的次方 艾(可萨) E (exa) 的次方 拍(它) P (peta) 的次方 太(拉) T (tera) 的次方
4、 吉(咖) G (giga) 的次方 兆 M (miga) 的次方 千 k (kilo) 的次方 百 h (hecto) 的次方 十 da (deca) 的次方 分 d (deci) 的次方 厘 c (centi) 的次方 毫 m (milli) 的次方 微 u (micro) 的次方 纳(诺) n (nano) 的次方 皮(可) p (pico) 的次方 飞(母托) f (femto) 的次方 阿(托) a (atto) ,青岛大学自动化工程学院,物理量正方向的表示方法,正负号,Uab(高电位在前, 低电位在后),双下标,箭 头,1,2,3,青岛大学自动化工程学院,假设正方向(参考方向),在
5、分析计算时,对电量人为规定的方向。,在复杂电路中难于判断元件中物理量的实际方向,电路如何求解?,问题的提出,青岛大学自动化工程学院,(1) 在解题前先任意设定一个正方向,作为参考方向;,(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;,(3) 根据计算结果确定实际方向:,假设正方向(参考方向)的应用,结论!,若计算结果为正,则实际方向与参考方向一致; 若计算结果为负,则实际方向与参考方向相反。,青岛大学自动化工程学院,(4) 为了避免列方程时出错,习惯上把 I 与 U 的方向按相同方向假设,称为关联参考方向,(1) 方程式U/I=R 仅适用于U, I参考方向一致的情况,(2)
6、 “实际方向”是物理中规定的,而“参考方向”则是人们在进行电路分析计算时,任意假设的,(3) 在以后的解题过程中,注意一定要先假定“正方向”(即在图中表明物理量的参考方向),然后再列方程计算。缺少“参考方向”的物理量是无意义的,青岛大学自动化工程学院,已知:E=2V, R=1 求: 当U 分别为 3V 和 1V 时,求IR的大小和方向?,(2) 列电路方程:,E,R,a,b,U,+,-,(3) 数值 计算,(实际方向与参考方向一致),(实际方向与参考方向相反),青岛大学自动化工程学院,(关联参考方向),青岛大学自动化工程学院,1.1.3 电路的功率,设电路任意两点间的电压为 U ,流入此部分电
7、路的电流为 I, 则这部分电路消耗的功率为:,P = U I,功率的概念,单位: W, kW, mW,负载,若元件上的电压为 U 和电流为 I的实际方向一致 ,则该元件吸收功率,为负载;,电源,若元件上的电压为 U 和电流为 I的实际方向相反 ,则该元件发出功率,为电源。,青岛大学自动化工程学院,元件的电路性质,电路中,有的电路设备起电源作用,是电源性质,发出功率。有的电路设备起负载作用,是负载性质,吸收功率。,注:电路符号为电源在电路中不一定起电源的作用,电路符号为负载在电路中不一定起负载的作用。,青岛大学自动化工程学院,在 U、 I 为关联参考方向的前提下:,则吸收功率为负载,若 P =
8、UI 0,若 P = UI 0,根据能量守衡关系,P(吸收)= P(发出),则发出功率为电源,青岛大学自动化工程学院,根据 电压和电流的实际方向判断器件的性质,或是电源,或是负载。,当元件上的U、I 的实际方向一致,则此元件消耗电功率,为负载。实际方向相反,则此元件发出电功率,为电源。,实际方向根据参考方向和计算结果的正、负得到。,结 论,青岛大学自动化工程学院,根据 P 的 + 或 - 可以区分器件的性质,或是电源,或是负载。,在进行功率计算时,如果假设 U、I 正方向一致。,当P 0 时, 说明 U,I 实际方向一致,电路消耗电功率,为负载。 P 0 时, 说明 U、I 实际方向相反,电路
9、发出电功率,为电源。,青岛大学自动化工程学院,已知,U=5v,在I=1A和I=-1A时,问:元件A是吸收或发出功率?判断电路性质?,(1)I=1A: P=UI=5w,P0,U、I采用关联参考方向:,A吸收功率,是负载,(2)I=-1A: P=UI=-5w,P0,A发出功率,是电源,青岛大学自动化工程学院,若:电压表和电流表均正偏,判断A、B谁是电源,谁是负载,A:电压和电流的实际方向相反,是电源,B:电压和电流的实际方向相同,是负载,青岛大学自动化工程学院,电源在不同的工作条件下,会有不同的状态,具有不同的特点。 下面以直流电路为例,分别讨论电源的三种工作状态。,1.1.4 电源的工作状态,1
10、.有载工作状态,当电源与负载接通,电路中有电流流动,电路的此种状态称为通路,电源的此种状态称为有载状态。,青岛大学自动化工程学院,负载电阻,电源电动势,电源内阻,电路电流:,电源端电压:,电源外特性:,电源端电压U和输出电流I的关系,电源外特性的斜率与R0有关, R0越小,斜率越小。,R0 RL时,U 随负载的变动很小,受负载的影响很小,电源带负载能力强,青岛大学自动化工程学院,电路功率:,功率平衡,电路产生的总功率等于消耗的总功率,可知,青岛大学自动化工程学院,额定值:,各种电气设备在工作时的电压、电流、功率都有一定的限额,这些限额是用来表示它们的正常工作条件和工作能力的,称为额定值。分别用
11、UN,IN,PN来表示。,对负载来讲:,额定值指负载正常工作时的条件及消耗的功率限额。,青岛大学自动化工程学院,对电源来讲:额定值指电源向负载提供的 电流、电压和功率的限额。 通常在铭牌或说明书中标出 注意使用时不要超过额定值。,以电压源为例:,负载增加, I总、P总增加,电源输出的电流、功率取决于负载的大小。,青岛大学自动化工程学院,结论:,在一定条件下,电源输出的功率取决于负载的大小,所以电源不一定处于额定工作状态,但是一般不应该超过额定值。 因此:电源的额定状态与负载是有区别的,负载一般要额定工作。电源的输出功率取决于负载。,青岛大学自动化工程学院,2.电源开路,I = 0,U=U0=E
12、,P = 0,3.电源短路,U = 0,(空载,RL=),外电路被短路( RL =0),电源短路容易烧坏电源,因此电源使用中通常接入熔断器,P=0(输出功率) PE =I2 R0 (电源消耗的功率),青岛大学自动化工程学院,思考:,(1) R00,S闭合后 I1变化?,不变,(2) R00,S闭合后 I1变化?,减小,(3)电源的额定功率为125kw、220v,接220v、60w的电灯时,电灯会不会烧毁?,不会,电源输出的功率为60w,青岛大学自动化工程学院,1.1.5 电路模型与理想电路元件,实际电路由实际元器件构成,其电磁特性较为复杂,为便于分析研究,在一定条件下突出其主要电磁特性,忽略次
13、要因素,就建立了实际元器件的模型:,青岛大学自动化工程学院,1.理想电压源 :,特点:(1)输出电压不变,其值恒等于电动势。 即 Uab E;,(2)电源中的电流由外电路决定。,两端电压可按某种规律变化, 而与通过它的电流无关的元件。,青岛大学自动化工程学院,恒压源中的电流由 决定?,设: E=10V,根据不同外电路求I?,当R1 R2 同时接入时: I=10A,I=5A,则当R1接入时 :,恒压源:理想电压源的电压恒等于常数。,青岛大学自动化工程学院,2、理想电流源:,特点:(1)输出电流不变,其值恒等于电 流源电流 IS;,IS,伏 安 特 性,(2)输出电压由外电路决定。,通过元件电流可
14、按某种规律变化,而与其两端电压无关的元件。,青岛大学自动化工程学院,恒流源两端电压由 决定?,设: IS=1 A,根据R求U?,R=10 时, U =10 V,U =1 V,则R=1 时:,恒流源:理想电流源的电流恒等于常数。,青岛大学自动化工程学院,恒压源与恒流源特性比较,Uab的大小、方向均为恒定, 外电路负载对 Uab 无影响。,I 的大小、方向均为恒定, 外电路负载对 I 无影响。,输出电流 I 可变 - I 的大小、方向均 由外电路决定,端电压Uab 可变 - Uab 的大小、方向 均由外电路决定,青岛大学自动化工程学院,原则:Is不能变,E 不能变。,恒压源中的电流 I= IS,恒
15、流源两端的电压,Uab = - E,与理想电压源并联的电路(器件),其两端电压等于理想电压源的电压;与理想电流源串联的电路(器件),其电流等于理想电流源的电流。,青岛大学自动化工程学院,伏 - 安特性,3. 电阻 R,(常用单位:、k、M ),线性电阻,非线性电阻,由消耗电能的物理过程抽象出来的理想电路元件。,青岛大学自动化工程学院,消耗能量,吸收功率,电阻元件是耗能元件,(W),单位:P(W), t(s) ,W(J) P(kW),t(h), W(kWh),青岛大学自动化工程学院,4.电感 L,线圈是典型的电感元件,忽略其电阻可以认为是一个理想的电感元件。,由磁能储存的物理过程抽象出来的理想电
16、路元件。,青岛大学自动化工程学院,(单位:H, mH, H),当电流I通过线圈时,线圈中就会有磁通,若线圈匝数为N,则线圈的电感定义为单位电流产生的磁链,即,线圈 匝数,即:L i = N ,电感是表征线圈产生磁通能力的物理量。,青岛大学自动化工程学院,线圈 面积,线圈 长度,磁导率,电感和结构参数的关系,线圈 匝数,青岛大学自动化工程学院,电感中的感应电动势e,e 的方向:,e 的大小:,当线圈中的电流发生变化时,它产生的磁通也变化,根据电磁感应定律,在线圈两端将有感应电动势产生。,青岛大学自动化工程学院,电感中电流、电压的关系,所以,在直流电路中电感相当于短路。,直流电路中,电感中的电流是
17、否为0?,青岛大学自动化工程学院,电感是一种储能元件, 储存的磁场能量为:,电感的储能,?,电感中的电流是直流时, 储存的磁场能量是否为0 ?,否!,青岛大学自动化工程学院,5.电容 C,在电容元件两端,即两极板间加电压u,电容即被充电,建立电场。电容定义为单位电压下存储的电荷。,(单位:F, F, pF),电容符号,有极性,无极性,q = Cu,由电能储存的物理过程抽象出来的理想电路元件。,青岛大学自动化工程学院,极板 面积,板间 距离,介电 常数,电容和结构参数的关系,青岛大学自动化工程学院,电容上电流、电压的关系,所以,在直流电路中电容相当于开路。,q = Cu,直流电路中,电容两端的电
18、压是否为0?,青岛大学自动化工程学院,电容是一种储能元件, 储存的电场能量为:,电容的储能,电容两端的电压是直流时, 储存的电场能量是否为0?,否!,青岛大学自动化工程学院,云母电容器,薄膜电容器,瓷片电容器,青岛大学自动化工程学院,电解电容器,青岛大学自动化工程学院,无源元件小结,青岛大学自动化工程学院,当U为直流电压时,计算电感和电容的电压、电流和储能。,,,,,,,,,青岛大学自动化工程学院,6、理想受控源,在电路中起电源作用,但其电压或电流受电路其他部分控制的电源。,受控源,压控电压源:VCVS,流控电压源:VCCS,压控电流源:CCVS,流控电流源:CCCS,青岛大学自动化工程学院,
19、理想受控源的分类,青岛大学自动化工程学院,独立源和受控源的异同,相同点:两者性质都属电源,均可向电路 提供电压或电流。,不同点:独立电源的电动势或电流是由非电 能量提供的,其大小、方向和电路 中的电压、电流无关; 受控源的电动势或输出电流,受电 路中某个电压或电流的控制。它不 能独立存在,其大小、方向由控制 量决定。,青岛大学自动化工程学院,实际元件的特性可以用若干理想元件来表示:,参数的影响和电路的工作条件有关。在一定条件下可忽略次要参数的影响。,青岛大学自动化工程学院,1.2.1 欧姆定律 1.2.2 基尔霍夫定律,1.2 电路的基本定律,基尔霍夫电流定律(KCL),基尔霍夫电压定律(KV
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