电路的基本知识.ppt

第第1 1章章 电路的基本知识电路的基本知识 1.2 1.2 电路分析中的若干规定电路分析中的若干规定 1.3 1.3 电阻、电感和电容电阻、电感和电容 1.4 1.4 电压源和电流源电压源和电流源 1.5 1.5 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 1.6 1.6 电路中电位的计算电路中电位的计算 1.1 1.1 电路及电路及其模型其模型 1.1 1.1 电路及其模型电路及其模型 1. 1. 电路的组成与功能电路的组成与功能 电路就是电流流通的路径，它是由一些元件或设备组成 的，是能够传输电能、转换电能或者能够采集电信号、传 递和处理电信号的有机整体。 图图1-1 1-1 荧光灯电路图荧光灯电路图 系统系统是由若干互相关联的单元或设备组成，是由若干互相关联的单元或设备组成， 并用来达到某种目的的有机整体。并用来达到某种目的的有机整体。 图图1-11-1、图、图1-21-2所示的电路可视为系统。所示的电路可视为系统。 图图1-2 1-2 半导体收音机电路的框图半导体收音机电路的框图 图图1-3 1-3 用电桥构成的温度检测系统用电桥构成的温度检测系统 图图1-4 1-4 系统的框图表示系统的框图表示 对一个电气系统而言，电源（或信号源）对一个电气系统而言，电源（或信号源） 的作用称为的作用称为激励激励，由激励引起的结果（如某，由激励引起的结果（如某 个元件上的电流、电压）称之为个元件上的电流、电压）称之为响应响应。 2. 2. 电路模型电路模型 + - U US S + - I I S S 电阻电阻 图图1-5 1-5 电路的基本模型电路的基本模型 电感电感 电容电容 电压源电压源 电流电流源源 电路模型电路模型是将实际电路中的各种元件按其主要物理性质是将实际电路中的各种元件按其主要物理性质 分别用一些分别用一些理想电路元件理想电路元件来表示时所构成的电路图。来表示时所构成的电路图。 理想电路元件理想电路元件是指只进行某一种能量转换的元件。是指只进行某一种能量转换的元件。 1.2 1.2 电路分析中的若干规定电路分析中的若干规定 1. 1. 关于电路参数及变量的文字符号关于电路参数及变量的文字符号 电路的参数 影响电路响应 的电路结构因素 大写斜体字母R 、L、 C 电路分析中的 变量 恒定直流量大写斜体字母U、I、P 时变量小写斜体字母u、i、p 数学模型 电路参数与变量 组成的代数方程或 微分方程 大写或小写U=RI u=Ri 单位 单字母 大写正体字母A 、 V 复合字母第一字母大写， 后续字母小写 Hz、Wb 2. 2. 电流、电压的参考方向电流、电压的参考方向 a)b) 图图1-6 1-6 U U、 I I 、E E的的实际方向实际方向与与参考方向参考方向图图 图图1-6 a)1-6 a)中电流、电压、电动势的方向可根据物理学中电流、电压、电动势的方向可根据物理学 中的定义直接标出。而中的定义直接标出。而在图在图1-6 b)1-6 b)中中则不能确定电流是则不能确定电流是 否从电源的正极流出，必须做具体的计算。否从电源的正极流出，必须做具体的计算。 基本物理量的基本物理量的实际方向实际方向 物理量实 际 方 向 电流 I 正电荷运动的方向 电动势E (电位升高的方向) 电压 U (电位降低的方向) 高电位 低电位 单 位 kA 、A、mA、 A 低电位 高电位 kV 、V、mV、 V kV 、V、mV、 V 实际方向：实际方向：物理学中定义的电流、电压方向。物理学中定义的电流、电压方向。 参考方向：参考方向：人为假设的电流、电压方向。人为假设的电流、电压方向。 电流： Ubd 双下标 电压： Ibd 双下标 箭 标 bd R I5 正负极性 + b d U5 (a) (a) 参考方向的表示方法参考方向的表示方法 (b) (b) 参考方向与实际方向的关系参考方向与实际方向的关系 实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值为正值； 实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。 若 I = -5A，则电流从 b 流向 a ；例： ab R I ab R U+ 若 U = 5V，则电压的实际方向 从 a 指向 b； 注意： 在参考方向选定后，电流 ( 或电压 ) 值才有正负之分。 (c) (c) 关联关联参考方向参考方向 关联关联参考方向参考方向：电流、电压参考方向一致电流、电压参考方向一致 U、I 参考方向相同U U、I I 参考方向相反参考方向相反 R U + I R U + I U = I R U U = = IRIR 关联 参考方向非关联 参考方向 通常取 U、I 参考方向相同。 解：对图(a)有, U = IR 例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。 对图(b)有, U = IR R U 6V + 2A R + U 6V I (a) (b) I 2A U、I 参考方向不同，（非关联参考方向） P = -UI ，p= -ui； 3. 3. 功率计算的规范化方法功率计算的规范化方法 U、I 参考方向相同，（关联参考方向） P =UI （平均功率），p=ui （瞬时功率）； 1).1). 元件功率计算表达式元件功率计算表达式 2).2). 电源和负载的判别电源和负载的判别 a）按上式计算，P 0，负载； P 0，电源。 b）根据U、I的实际方向判别 电流从元件实际“+”极流入，负载； 电流从元件实际“+”极流出，电源； 解：（解：（1 1）选定各电流、电压参考方）选定各电流、电压参考方 向标于图中向标于图中, ,则则 例1：已知蓄电池充电电路如图所示，Us=20V，求当蓄 电池端电压U2=12V时的充电电流 I 和各元件功率，设电阻R= 2 。 I （2 2）由图可知，电压源）由图可知，电压源Us与电流I为非关 联参考方向，其余元件为关联参考方向。 电源功率 Ps=-UsI= -20V4A= -80W(0负载) 电阻功率 PR= URI= 8V4A= 32W(0负载) 例2：电路如图所示，U1=14V， I1=2A， U2=10V， I2= 1A， U3=-4V， I4=-1A，求各方框电路中的功率，并说明 是吸收功率还是发出功率。 U1 I1 1 2 3 4 I4 I2 U2 U3 解：各方框电路的功率为： 功率平衡 方框1发出功率，其余吸收功率 1.3 1.3 电电阻、电感和电容阻、电感和电容 伏-安特性： u=R i （u，i关联） i u R i u u i 线性电阻非线性电阻 电路符号 伏-安特性曲线： 1. 1. 电阻元件电阻元件 无源电路元件 单位： （欧） （Ohm，欧姆） 当数值过大或过小时，常用十进制的倍数表示。 SI制中，一些常用的十进制倍数的表示法： 符号 T G M k c m n p 中文 太 吉 兆 千 厘 毫 微 纳 皮 数量 1012 109 106 103 102 103 106 109 1012 功率关系: 说明电阻总是吸收功率，是负载，是耗能元件 即时性：电压电流都可以发生跃变 额定值：表示电气设备正常工作条件和工作能力的值 额定状态：实际值额定值。不要过载或欠载 i t O t0 u t O t0 电路符号 u i L 电感L的定义：单位电流产生的磁链 即为自感系数，简称自感或电感 单位为H, mH, H eu i 线性电感：韦安曲线为直线，Lconst，如空心线圈。 非线性电感：韦安曲线非直线，Lconst，如铁心线圈。 磁链 2、电感元件 电磁感应定律 感应电动势阻碍电流 变化，且其大小与电 流变化快慢有关 对于线性电感 伏安关系 当 (直流) 时, 电压与电流的变化率成正比，电感是动态元件说明1： u i 伏-安关系： 电压电流关系 （u，i关联参考方向下） e 在直流电路中，电感相当于短路. 伏安关系的另一种形式 说明2：电感元件中t时刻电流与以往各时刻的电压都有关系， 电感元件具有记忆功能，是记忆元件 （电能 磁场能） 0时，吸收能量，电能 0时，吸收能量，电能 2s时，u0V， 解：由图可知，u为分段函数，求i应分段积分 0t 1s时，u1V， 1t 2s时，u-2V， 则i（1）0.5A 例 如图所示为2H电感上的电压波形， 求电流i并画波形 i（0）0 i/A t/s 0 2 -0.5 本例目的：熟悉元件的伏安关系，体会元件的记忆功能 电感 L电容 C电阻 R u，i均可跃变 i不能跃变 u不能跃变 元件 电压电 流关系 参数 定义 能量 耗能元件 储能元件储能元件 其他 电阻R短路（u0）开路（i0）直流特性 无源元件特性小结 伏安特性:（外特性） 模型：电动势E串联内阻Rou U I Rou + - E 工作分析 RL，即空载，I=0,U=E RL E 伏安特性曲线: 0IN,不允许 I U O 1.4 1.4 电压源和电流源电压源和电流源 一、电压源：为外电路提供电压 E 理想 特点：输出电压U不变， 其值恒等于电动势。 即 U E； 电源电流I由外电路决定。 I E + _ U Rou越小,斜率越小 Rou= 0，特性曲线与横轴I平行 此时的电压源为理想电压源 或恒压源，模型为： 实际电压源由恒压源与内阻串联而成 I U O U I Rou + - E 当R1 R2 同时接入时： I=10A I E + _ a b Uab 设: E=10V，求外电路改变时的电流I和电压Uab 例 当R1接入时 ： I=5A 当IS=1A的电流源接入时：I=-1A 电压UabE 不变 2 R1 R2 2 Is 本例目的：熟悉并体会恒压源的特点 IS ROi U I 模型：电激流IS并联内阻Roi 伏安特性（外特性） 工作分析 RL0，短路，IIS,U=0 RL 外特性曲线: RL，空载， 0UN不允许 Uoc U I O 二、电流源：为外电路提供稳定电流 Is 特点：输出电流I不变， 其值恒等于电激流 即 I Is ； 输出电压U由外电路决定。 Roi越大,曲线越陡 Roi= ，特性曲线与纵轴平行 此时的电流源为理想电流源 或恒流源，模型为： 实际电流源由恒流源与内阻并联而成 理想 U I O a b I Uab Is IS RO i U I R=10 时， U =10 V 当R=1 时， U =1 V 设: IS=1 A 例 I U Is R 当又有E=5V的电压源接入时，U=E=5V 电流IIS 不变 E 本例目的：熟悉并体会恒流源的特点 10V + - 2A 2 I 讨论题 3A 哪 个 答 案 对 A72 2 10 A5 2 10 =+= = I I 开关S闭合后图示各电压电流有无变化，如何变化？ Is不变,则I1不变，U1不变 R1 a b U3 R2 U2 U1 S R3 I1 E + _ Is 例 S闭合后：R2与R3并联，其等效电阻减小，故U2 减小 U3U1+U2 也减小 各量如何变化? 常用电源 基尔霍夫定律是电路分析的基本定律，包括 基尔霍夫电流定律（Kirchhoffs Current Law KCL），反映电路中支路电流间的约束关系。 基尔霍夫电压定律（Kirchhoffs Voltage Law KVL），反映电路中某回路中电压间的约束关系。 1.5 基尔霍夫定律 + b a R2 + - R3 R1 Us1 - R4 Us2 c d I6 I1I2 I3 I4I5 名词注释： 结点（node）：三个或三个以上支路的联结点 支路（branch）：电路中每一个分支 回路（loop）：电路中任一闭合路径 网孔（Net）：未被支路分割的回路 ac，ab，db a, b ，c, d acdaabda ，bcdb abda，bcdb 网孔均是回路，而回路不一定是网孔。 共6条 共4个 共7条 共3个 1 1定律定律 即即: : 入 入 = = 出 出 在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结 点的电流。 实质: 电流连续性的体现。电流连续性的体现。 或: = 0 对结点 a：I5= I1+I6 或 I1+I5I6= 0 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律（KCLKCL）反映了电路中任一结点处各支反映了电路中任一结点处各支 路电流间相互制约的关系。路电流间相互制约的关系。 + b a R2 + - R3 R1 Us1 - R4 Us2 c d I6 I1I2 I3 I4I5 1.5.11.5.1 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律( (KCLKCL定律定律) ) 电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一 假设的闭合面。假设的闭合面。 2 2推广推广 I =? 例: 广义结点 I = 0 Ic + Ib - Ie = 0 2 + _ + _ I 5 11 5 6V 12V Ib Ic Ie 在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各 段电压的代数和恒等于零。段电压的代数和恒等于零。 1.5.21.5.2 基尔霍夫电压定律（基尔霍夫电压定律（KVLKVL定律定律) ) 1 1定律定律 对回路abcdea： u2 + u3 + u4-u5-u1=0 基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律（KVLKVL） 反映了电路中任一回路中各段反映了电路中任一回路中各段 电压间相互制约的关系。电压间相互制约的关系。 即： U = 0 1.5.21.5.2 基尔霍夫电压定律（基尔霍夫电压定律（KVLKVL定律定律) ) 在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿回路循行一 周，则在这个方向上电位升之和等于电位降之和。 对回路abcdea： R1I1+R2I2-R3I3=US1-US2 KVLKVL也可以定义为：也可以定义为： 即： (RI)= US -US1+US2R1I1+R2I2-R3I3=0 或者 1列方程前标注回路循行方向； 电位升 = 电位降 E1-E2 = I1R1 + I3R3-I2R2 -Uad 2应用 U = 0列方程时列方程时，项前符号的确定： 如果规定电位降取正号，则电位升就取负号。如果规定电位降取正号，则电位升就取负号。 3. 开口电压可按回路处理 注意： R3 + _ + _ I3 R4 R1R2 R5 E1 E2 da bc I1I2 Uad 例：例： 对网孔abda： 对网孔acba： 对网孔bcdb： R6 I6 R6 I3 R3 +I1 R1 = 0 I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0 I4 R4 + I3 R3 E = 0 对回路 adbca，沿逆时针方向循行： I1 R1 + I3 R3 + I4 R4 I2 R2 = 0 应用 U = 0列方程 对回路 cadc，沿逆时针方向循行： I2 R2 I1 R1 + E = 0 a d b c E + R3 R4 R1 R2 I2 I4 I6 I1 I3 I 1.6 电路中电位的计算 电位：电路中某点至参考点的电压，记为“VX” 。 电位的计算电位的计算: : (1) (1) 任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；任选电路中某一点为参考点，设其电位为零； (2) (2) 标出各电流参考方向并计算；标出各电流参考方向并计算； (3) (3) 计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。 某点电位为正，说明该点电位比参考点高； 某点电位为负，说明该点电位比参考点低。 电位的概念 参考点：任意选定的零电位点。用“ ”标记 Vb = 0V， Va = 5V， Va Vb a b 1 5A 2. 举例 求图示电路中 各点的电位:Va、 Vb、Vc、Vd 。 解：设 e为参考点， 即Ve=0V V Va a = =U U aeae= = 5V5V V Vd d = =U U dede = = - -4 V4 V V Vb b = =U U baba + +U U aeae= = - -2 2 I I + +U Uae ae= 3 V = 3 V V V c c = =U Ucd cd + +U U dede= = 4V4V+ +U Ude de= 0 V = 0 V 比较两次计算的V Va和和Uae的的 结果，发现什么？ V Va a = = U Uae ae + +U U eded= = 5V5V + + 4V4V = 9 V= 9 V V V e e = =U U eded = 4 V = 4 V V Vb b = = U Ubd bd = 7 = 7 V V V Vc c = = U Ucd cd = =4 V4 V I I= = 1 A A 2I I+ 3I I+ 4I I = = 5V+ V+ 4V V 解：设 d为参考点， 即Vd=0V 结论：结论： (1)(1)电位值是相对的电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中，参考点选取的不同，电路中 各点的电位也将随之改变；各点的电位也将随之改变； (2) (2) 电路中电路中两点间的电压值是固定的两点间的电压值是固定的，不会因参考，不会因参考 点的不同而变，点的不同而变， 即与零电位参考点的选取无关。即与零电位参考点的选取无关。 借助电位的概念可以简化电路作图借助电位的概念可以简化电路作图 例例1: 1: 图示电路，计算开关S 断开和闭合时A点 的电位VA 解: (1)当开关S断开时 (2) 当开关闭合时,电路 如图（b） 电流 I2 = 0， 电位 Vb = Vc= 6V 。 电流 I1 = I2 = 0， 电位 VA = 12V 。 电流在闭合 路径中流通 2K b + I1 4k I2 12V (b) 2K c 本章小结 电路的模型、电路的作用、符号规定 电流和电压的参考方向 功率的计算 电阻、电感、电容、电压源、电流源的基本特性 基尔霍夫电压、电流定律的内容及应用 电位的计算 固定 电阻器 碳 膜 电 阻 金 属 膜 电 阻 金 属 氧 化 膜 电 阻 实 芯 碳 质 电 阻 线 绕 电 阻 敏感 电阻器 热 敏 电 阻 光 敏 电 阻 压 敏 电 阻 排 电阻 数码 电阻 A 型 电 阻 排 B 型 电 阻 排 金 属 玻 璃 釉 电 阻 电阻器的分类电阻器的分类 碳膜电阻 结构：以小瓷棒或瓷管作骨架， 通过真空和高温，热分解出 的结晶碳沉积生成碳膜(导电 膜)，瓷管两端装上金属帽盖 和引线，外涂保护漆。改变 碳膜的厚度和长度，获得不 同阻值。 优点：稳定性好、噪声低、价格 低、 阻值范围宽 (几欧 几 兆欧)。 金属膜电阻 结构：以小瓷棒或瓷管作骨架， 由合金粉蒸发而成的金属膜 形成导电膜，瓷管两端装上 金属帽盖和引线，外涂保护 漆。 优点：各项指标均优于碳膜电阻 。稳定性好、噪声低、 价 格低、阻值范围宽(10 - 10M )。 金属氧化膜电阻 结构：用锑或锡等金属盐溶液喷 雾到炽热的陶瓷骨架表面， 沉积形成导电膜，瓷管两端 装上金属帽盖和引线，外涂 保护漆。 优点：性能可靠、过载能力强、 额定功率大 (最大达15 kW) 缺点：阻值范围小 (1 - 200 k ) 。 实芯碳质电阻 结构：用碳质颗粒导电物质(碳 黑、石墨)作导电材料,用云母 粉、石英粉、玻璃粉、二氧 化钛作填料，另加黏合剂经 加热压制而成。按照黏合剂 的不同，分为有机实芯和无 机实芯电阻器。 优点：无机实芯电阻器温度系数 较大，可靠性较高；有机实 芯电阻器过负荷能力强。 金属玻璃釉电阻 结构：金属氧化物(如钌、银、 钯、锡、锑等)和玻璃釉黏合 剂混合后，涂覆在陶瓷骨架 上，经高温烧结而成。属厚 膜电阻。 优点：耐高温、耐潮湿、温度系数 小、负荷稳定性好、噪声小、阻 值范围大(4.7 200 M )。 绕线电阻 结构：用金属电阻丝绕制在陶 瓷或其它绝缘材料的骨架上 ，表面涂以保护漆或玻璃釉 。 优点：阻值精确 (5 56 k)、功 率范围大、工作稳定可靠、噪声 小、耐热性能好。(主要用于精密 和大功率场合)。 缺点：体积较大、自身电感大，使 高频性能差、时间常数大。只适 用于频率在50 kHz以下的电路。 A型电阻排 结构：一种将按一安规律排列的分 立电阻器集成在一起的组合型电 阻器，也称集成电阻器或电阻器 网络。 a型排阻的引脚总是奇数的。它的左 端有一个公共端（用白色的圆点 表示）， 内部电路 1 2 3 4 5 R R R R 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R 1 2 3 n1 n B型电阻排 b型排阻的引脚总是偶数的。它 没有公共端，常见的排阻有4 个电阻，所以引脚共有8个。 内部电路 1 2 3 n 1 2 3 n R R R R 1 2 3 n/2 R R n1 n2 n 3 n/2+1 2R 2R 2R 2R 热敏电阻 特性：电阻值随温度显著 变化。 优点：对温度灵敏、热惰 性小、寿命长、体积小 、结构简单。 用途：测温、控温、报警 、气象探测、微波和激 光功率测量等。 内部电路 光敏电阻 特性：电阻值随外界光照 强度大小而变化。 优点：对光敏感。无光照 时呈高阻，光照时阻值 随光强度变小。 用途：照明控制、报警、 相机自动曝光控制及测 量仪器等。 压敏电阻 特性：电阻值随电压非线性变 化。当两端电压低于标称额 定值时，电阻值接近无穷大 ；当两端电压略高于标称额 定值时，压敏电阻被击穿导 通，由高阻态变低阻态。 用途：过压保护、防雷、抑制 浪涌电流、吸收尖峰脉冲、 限幅、高压灭弧、消噪和保 护半导体元器件等。 数码电阻 数码电阻与数字电位器内部结构相 同,只是在封装上没有把RH端引出 。数字电位器是采用半导体技术 制作的集成电路，其电阻变化由 电阻阵列与多路模拟开关的选通 组合来实现，模拟开关由二进制 代码控制。其中RH为电位器高端 ，RL为电位器低端，RW为电位器 滑臂。其阻值为RWL = D R， 式中D为控制输入的数据，R为组 成电阻阵列的基本电阻单元，改 变D的数值就可以改变数字电位器 电阻值。 绕 线 功 率 电 感 色 环 电 感 磁 珠 电 感 叠 层 电 感 按结构分 变 压 器 平 面 电 感 电感器的分类电感器的分类 绕线功率电感 环型 棒型 贴片 色环电感 磁珠电感 磁珠由氧磁体组成，磁珠有 很高的电阻率和磁导率， 他等效于电阻和电感串联 ，但电阻值和电感值都随 频率变化。 他比普通的 电感有更好的高频滤波特 性，在高频时呈现阻性，