影像电子学基础

影像电子学基础 物理 电工学部分 第一章 直流电路 第一节电路的基本概念 第一章直流电路 内容提要 本章介绍电路的基本概念和基本定律等 教学要求 掌握电路的作用与组成部分 电路模型 电压和电流的参考方向 电路有载工作状态 开路与短路 电位等基本概念和欧姆定律 基尔霍夫定律等基本定律及其正确应用 一 电路和模型电路 电路 就是电流所通过的路径 它是由电路元件按一定方式组合而成的 电路的作用 实现电能的传输和转换 信号的传递和处理 电路的组成 包括电源 负载 和中间环节三个组成部分 1 电路的组成和作用 第一节电路的基本概念 第二节基尔霍夫定律 第三节电路的等效变换 电路的基本定律与分析方法 第一章 第四节电路的基本定理 第五节电容器及其充放电电路 电源 将非电能转换成电能的装置 例如 发电机 干电池 负载 将电能转换成非电能的装置 例如 电动机 电炉 电灯 中间环节 连接电源和负载的部分 起传输和分配电能的作用 例如 输电线路 电子电路 即信号处理电路 它的作用主要为传递和处理信号 中间环节 负载 电源 干电池 灯泡 开关 导线 电源 中间环节 负载 2 电路模型 2 电路模型 理想电路元件 在一定条件下 突出其主要电磁性能 忽略次要因素 将实际电路元件理想化 模型化 主要有电阻 电感 电容元件 电路模型 由理想电路元件所组成的电路 就是实际电路的电路模型 部分元件的图形符号 二 电路的基本参量 电路的基本参量 电流电压电位功率电动势 E I U 物理量的方向 实际方向 物理中对电量规定的方向 参考方向 正方向 在分析计算时 对电量人为任意设定的方向 1 电流 电流 电荷的定向移动形成了电流 电流的实际方向规定为 正电荷的运动方向 正负号 双下标 箭头 电压 电流 从高电位指向低电位 电压 电场力把单位正电荷从a点移动到b所做的功称为ab两点间的电压 电压的实际方向规定为 电压降低的方向 2 电压和电位 电路的基本参量 Uab 高电位在前 低电位在后 电路的基本参量 电位 即电场中某点的电势 数值上等于电场力把单位正电荷从某点移动到无限远处所做的功 电路中两点的电压就是该两点间的电势差 参考点不同 各点电位即不同 但任意两点电位差 即电压值 不变 Uab Va Vb 5 0 0 5 5V 例 Uab 6 10 60VUca 20 4 80VUda 5 6 30VUcb 140VUdb 90V 以a点为参考点Vb Va UbaVb Uba 60VVc Va UcaVc Uca 80VVd Va UdaVd Uda 30V 例 以b点为参考点Va Uab 60VVc Ucb 140VVd Udb 90V 1 电路中某一点的电位等于该点与参考点 电位为零 之间的电压 2 参考点选的不同 电路中各点的电位值随着改变 但是任意两点间的电压值是不变的 所以各点电位的高低是相对的 而两点间的电压是绝对的 小结 电位在电路中的表示法 电位在电路中的表示法 参考电位在哪里 电路分析中的参考方向 正方向 问题的提出 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 电流方向A B 电流方向B A 1 在解题前先设定一个方向 作为参考方向 解决方法 3 根据计算结果确定实际方向 若计算结果为正 则实际方向与假设方向一致 若计算结果为负 则实际方向与假设方向相反 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 例 已知 E 2V R 1 问 当U分别为3V和1V时 IR 解 1 假定电路中物理量的正方向如图所示 2 列电路方程 IR UR U 3 数值计算 实际方向与假设方向一致 实际方向与假设方向相反 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 1 方程式U I R仅适用于正方向一致的情况 2 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 一个方向 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 提示 1 电功 电功 电场力推动自由电荷发生定向移动所做的功 在纯电阻电路中 电功的公式也可可写成 电流做功的过程实际上就是电能转化成其它形式的能的过程 电能作了多少功 就有多少其它形式的能转换成其它形式的能 3 电功率 2 电功率 电功率 电流所做的功跟完成这些功所用的时间的比值 电功率的单位是瓦特 代号W 在纯电阻电路中 电功的公式也可写成 3 电功率 电动势 从电源内部由低电位指向高电位 E I U 4 电动势 物理量实际方向的表示方法 正负号 Uab 高电位在前 低电位在后 双下标 箭头 电压 电流 从高电位指向低电位 电动势 从电源内部由低电位指向高电位 物理量的实际方向 3 支路 节点和回路 节点 三个或三个以上支路的连接点 支路 没有分支的部分电路 回路 电路中任一个闭合路径 网孔 内部不含支路的回路 名词注释 节点 2个ac 支路 3个abcadcac 回路 3个abcdaacdaabca 网孔 2个acdaabca不含支路的回路 用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系 其中包括基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律 第二节基尔霍夫定律 一 电路的概念 节点 三个或三个以上支路的连接点 支路 没有分支的部分电路 回路 电路中任一个闭合路径 网孔 内部不含支路的回路 名词注释 节点 2个ac 支路 3个abcadcac 回路 3个abcdaacdaabca 网孔 2个acdaabca不含支路的回路 例 例 对任何节点 在任一瞬间 流入结点的电流等于流出结点的电流 或者说 在任一瞬间 一个结点上电流的代数和为0 例 或 二 基尔霍夫电流定律 电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面 I1 I2 I3 I 0 基尔霍夫定律的扩展 I IA IB IC 0 对电路中的任一回路 沿任意循行方向转一周 其电位升等于电位降 或 电压的代数和为0 例如 回路a d c a 即 或 三 基尔霍夫电压定律 应用基尔霍夫电压定律前 先确定回路电压的参考方向 和饶行方向 电阻上电流的方向和饶行方向一致 取正号 电源上沿饶行方向 先看到正号 取正 先看到负号 取负 饶行方向abcda 回路方程为 I1R1 I2R2 E2 E1 0 例 基尔霍夫电压定律也适合开口电路 例 电位升 电位降 或 UAB UBC UCD UDA A B C D 例 已知 UAB 5VUBC 4VUDA 3V 解 1 5 4 UCD 3 0 UAB UBC UCD UDA 0 UCD 5 4 3 2 V 2 ABCA不是闭合回路 也可应用基尔霍夫电压定律 求 1 UCD 2 UCA UAB UBC UCA 0 5 4 UCA 0 UCA 5 4 1 V 四 全电路欧姆定律 支路中含有电动势时的欧姆定律 或 已知 E 3V U 2 9V R 8 7 求 RO和I 解 作业 P17 18复习思考题1 101 11 退出 第一 帮助 回退 前进 开始 最后 返回 一 电阻的串并联及其等效变换 1 串联电阻的等效变换 定义 若干个电阻一个接一个顺序相连 并且流过同一个电流 2 等效电阻 R R1 R2 Rn I I 第三节电路的等效变换 3 分压公式 各段电压降与阻值成正比 并且 4 作用 分压 限流 I I 2 并联电阻的等效变换 1 定义 若干个电阻都连接到同一对节点上 并联时各电阻承受同一电压 2 等效电阻 3 分流公式 即电流分配与电阻成反比 功率 4 应用 分流负载大多为并联运行 1 电压源 伏安特性 电压源模型 主要讲有源元件中的两种电源 电压源和电流源 二 电压源及电流源的等效变换 理想电压源 恒压源 RO 0时的电压源 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 恒压源中的电流由外电路决定 设 E 10V 当R1R2同时接入时 I 10A 例 恒压源特性中不变的是 E 恒压源特性中变化的是 I 会引起I的变化 外电路的改变 I的变化可能是 的变化 或者是 的变化 大小 方向 I 恒压源特性小结 E Uab a b R 2 电流源 电流源模型 理想电流源 恒流源 RO 时的电流源 特点 1 输出电流不变 其值恒等于电流源电流IS 2 输出电压由外电路决定 恒流源两端电压由外电路决定 设 IS 1A R 10 时 U 10V R 1 时 U 1V 则 恒流源特性小结 恒流源特性中不变的是 Is 恒流源特性中变化的是 Uab 会引起Uab的变化 外电路的改变 Uab的变化可能是 的变化 或者是 的变化 大小 方向 恒流源举例 当Ib确定后 Ic就基本确定了 在IC基本恒定的范围内 Ic可视为恒流源 电路元件的抽象 晶体三极管 I E R a b Uab Is 原则 Is不能变 E不能变 电压源中的电流I IS 恒流源两端的电压 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 3 电压源和电流源的等效互换 等效互换的条件 对外的电压电流相等 I I Uab Uab 即 等效互换公式 I RO E b a Uab 则 电压源 a b 等效变换的注意事项 时 例如 注意转换前后E与Is的方向 2 不存在 进行电路计算时 恒压源串电阻和恒流源并电阻两者之间均可等效变换 RO和RO 不一定是电源内阻 4 应用举例 R1 R3 Is R2 R5 R4 I3 I1 I IS R5 R4 I R1 R2 R3 I1 I3 在多个电源同时作用的线性电路 电路参数不随电压 电流的变化而改变 中 任何支路的电流或任意两点间的电压 都是各个电源单独作用时所得结果的代数和 一 叠加定理 第四节电路的基本定理 I2 I1 A I2 I1 B I2 R1 I1 E1 R2 A E2 I3 R3 E1 B R1 R2 I3 R3 R1 R2 A B E2 I3 R3 应用迭加定理要注意的问题 1 迭加定理只适用于线性电路 电路参数不随电压 电流的变化而改变 2 迭加时只将电源分别考虑 电路的结构和参数不变 暂时不予考虑的恒压源应予以短路 即令E 0 暂时不予考虑的恒流源应予以开路 即令Is 0 4 迭加原理只能用于电压或电流的计算 不能用来求功率 如 I3 R3 例 用叠加原理求 I I 2A I 1A I I I 1A 注意 等效 是指对端口外等效 二 戴维南定理 二端网络 若一个电路只通过两个输出端与外电路相联 则该电路称为 二端网络 等效电压源的内阻等于有源二端网络相应的无源二端网络的输入电阻 有源网络变无源网络的原则是 电压源短路 电流源断路 等效电压源的电动势 Ed 等于有源二端网络的开端电压 有源二端网络 R A B Ed Rd R A B P12例1 4 一 电容器及电容 电容器是储存电荷的容器 电容器由两块金属板和极板间的绝缘介质以及两根引线构成 单位 F F pF 1F 106 F 1012pF 第五节电容器及其充放电路 1 电容器 2 电容器的串联和并联 1 各个电容器的带电量都相等 Q Q1 Q2 U U1 U2 2 总电压等于各分电压之和 1 电容器的串联 由于Q CU 则 两个电容串联时 各电容两端的电压与其电容量成反比 即 容量较小的电容 承受的电压较高 3 总电容的倒数等于各分电容之和 由于 所以 或 2 电容器的并联 1 各电容器两端的电压相等 U U1 U2 2 总电容器的带电量等于各分电容器所带电量之和 Q Q1 Q2 由于Q1 C1U Q2 C2U 两个电容并联时 各电容器所带的电量 与其电容量成正比 即 电容量大的存储的电量多 电容量大小的存储的电量少 3 总电容两等于各分电容量之和 由于 Q Q1 Q2 C1U C2U C1 C2 U CU 所以 C C1 C2 二 电容器的充电和放电电路 1 电容器充电 使电容器带电的过程叫做电容器充电 开关K扳至A的瞬间 电容器上没有电荷 uc为零 充电电流i最大 i充 uc 电容器两端电压为 充电电流为 uc i放