电工电子学电路基本概念

1、电工电子学电路基本概念2 1.1 电路的作用和组成电路的作用和组成 电路是由各种电路元件相互联结而构成的电流的通路。电路的种类繁多，用途各异。 1.1.1 电路的作用电路的作用 1电路能够实现电能的传输和转换这一类典型应用是电力系统。其电路示意图如图所示。 这一类电路的作用主要是以较高的效率传输电能和分配电能，这类电路一般电压较高，电流和功率较大，习惯上常称为“”电路。图1.1.1 电能的传输和转换3 2.电路能够实现信号的传递和处理以收音机电路为例。其电路示意图如图所示图1.1.2 信号的传递和处理这一类电路的作用主要是尽可能准确地传递和处理信号，这类电路通常电压较低，电流和功率较小，习惯上

2、常称为“弱电”电路。4 1.1.2 电路的组成电路的组成 实际电路是为了某一目的需要而将实际电路元件相互联结而成。不论其结构和作用如何，均可看成由实际的电源、负载和中间环节（传输和转换电能与传递和处理电信号）这三个基本部分组成。 实际电路元件的电磁性质比较复杂，难以用简单的数学关系表达它的物理特性。为了便于对实际电路进行分析，可将实际电路元件理想化（或称模型化），即在一定条件下突出其主要的电磁性质，忽略其次要因素，将其近似地看做理想电路元件。由一些理想电路元件组成的电路，就是实际电路的电路模型。通常把理想电路元件称为元件，将电路模型简称为电路。 电路分析中，把作用在电路上的电源或信号源的电压或

3、电流称为激励，也叫做输入，它推动电路工作，把由于激励在电路各部分产生的电压和电流称为响应，也叫做输出。所谓电路分析，就是在已知电路结构和元件参数的条件下，讨论电路的激励与响应之间的关系。5 1.2 电路的基本物理量电路的基本物理量 1.2.1 电流及其参考方向电流及其参考方向 电流是由电荷有规则的定向流动形成的。电流强度等于单位时间内通过导体某截面的电量，用字母 i表示，即 （） dtdqi6 习惯上规定正电荷移动的方向作为电流的实际方向。在电路分析时，电流的实际方向有时难以确定，因而可以任意选定一个方向作为电流的参考方向（也称为正方向），并在电路中用箭头标出，如图所示，然后根据所假定的电流参

4、考方向列写电路方程求解。因为所选的电流的参考方向并不一定与电流的实际方向一致，如果计算结果为正，则表示电流的实际方向与参考方向相同；如果计算结果为负，则表示电流的实际方向与参考方向相反。 图1.2.1 电流的参考方向7 1.2.2 电压和电动势及其参考方向电压和电动势及其参考方向电场力把单位正电荷从电路中一点移到另一点所作的功，叫做这两点间的电压。即 （）电压的实际方向规定为由高电位端指向低电位端。与电流的参考方向类似，可以任意选取电压的参考方向。当实际方向与参考方向相同时，电压为正值；当实际方向与参考方向相反时，电压为负值。如图所示。 （a）u0 (b) u0图1.2.2.电压的参考方向dq

5、dwu8电动势描述了电源中外力做功的能力，它的大小等于外力在电源内部克服电场力把单位正电荷从负极移到正极所做的功。它的实际方向是在电源内部由负极指向正极，如图所示。图1.2.3 电压和电动势参考方向9 1.2.3 电功率电功率在电路中，有的元件吸收电能，并将电能转换成其他形式的能量；有的元件是将其他形式的能量转换成电能，即元件向电路提供电能。电功率简称为功率，它描述电路元件中电能变换的速度，其值为单位时间内元件所吸收或输出的电能，即 （）uidtdwp在电压和电流的关联参考方向下，计算出的功率为正值，表示该元件吸收功率；若为负值，则表示输出功率。若在非关联参考方向下，则相反。10【例例】确定图

6、所示电路中各元件上的电流、电压和功率，并指出是吸收功率还是输出功率。 图1.2.5 例的电路11 解： 输出功率 吸收功率 吸收功率A2 . 030201021RREIV42 . 02011IRUV62 . 03022 IRUW22 . 010E EIPW8 . 02 . 0411IUPW2 . 12 . 0622IUP12 1.3 电阻、电容和电感元件电阻、电容和电感元件 1.3.1 电阻元件电阻元件反映电能消耗的电路参数叫电阻。电阻元件的电路符号如图所示。 图1.3.1 电阻元件电阻元件上电压和电流之间的关系称为伏安特性。13在关联参考方向下，线性电阻元件两端的电压 和流过它的电流 之间的

7、关系遵循欧姆定律 （）电阻元件要消耗电能，是一个耗能元件。电阻吸收（消耗）的功率为 （）从t1到t2的时间内，电阻元件吸收的能量为 （）iRu RuRiuip22dtRiWtt21214 1.3.2 电容元件电容元件电容元件简称为电容。电容元件的电路符号如图所示。 图1.3.2 电容元件对于电容元件，在任一时刻它所存储的电荷与其端电压之间的关系称为库伏特性。线性电容元件库伏特性的数学表达式为 （）Cuq 15在电容电压和电流为关联参考方向时，由电流的定义 （）当电容元件上的初始电压为零时，则有 （）电容元件是一个储能元件，当电容的两端电压为 时，它所储存的电场能（量）为 （）dtduCdtdq

8、itidtCu01221CuW 16 1.3.3 电感元件电感元件电感元件简称为电感。电感元件的电路符号如图所示。图电感元件对于电感元件，在任一时刻它的磁链与它的电流之间的关系称为韦安关系。线性电感元件韦安特性的数学表达式为 （）Li17电感元件的特性，是由韦安特性描述的。但在电路分析中，更感兴趣的是电感元件的伏安关系。当通过电感元件的电流发生变化时，磁链也相应发生变化，此时电感线圈内将产生感应电动势 ，通常规定感应电动势 的参考方向与磁场线的参考方向符合右手螺旋定则，在此规定下，便可得到自感电动势的表达式 （）因此电感线圈两端的电压为 （）当电感元件上初始电流为零时，则有 （）电感元件是一个

9、储能元件。当流过电感元件的电流为 时，它所储存的磁场能（量）为 （）dtdiLdtdedtdiLeutudtLi01221LiW18 1.4 电源元件电源元件 1.4.1 独立电源独立电源能够独立向外电路提供能量的电源称为独立电源。独立电源按照其特性的不同可以分为电压源和电流源。1理想电源理想电源是实际电源的理想化模型。理想电源分为理想电压源和理想电流源两种。理想电压源能向负载提供一个恒定值的电压直流电压 或按某一特定规律随时间变化的交流电压 （其幅值、频率不变），因此又称为恒压源。如图所示。恒压源有两个重要特点：一是恒压源两端的电压与流过电源的电流无关；二是恒压源输出电流的大小取决于恒压源所

10、联结的外电路。SUSU（a）图形符号 （b）伏安特性图1.4.1 理想电压源19理想电流源能向负载提供一个恒定值的电流直流电流 或按某一特定规律随时间变化的交流电流 （其幅值、频率不变），因此又称为恒流源。如图所示。恒流源有两个重要特点：一是恒流源输出电流与恒流源的端电压无关；二是恒流源的端电压取决于与恒流源相联结的外电路。（a）图形符号 （b）伏安特性图1.4.2 理想电流源20一个实际的电源一般不具有理想电源的特性，实际电源不仅产生电能，同时本身还要消耗电能，因此实际电源的电路模型通常由表征产生电能的电源元件和表征消耗电能的电阻元件组合而成。电压源模型是用理想电压源与电阻串联来表示实际电源

11、，如图所示，其中 是一个理想电压源的输出电压，其数值等于实际电源的电动势； 为电源的内阻。可见，实际电压源的输出电压 与输出电流 有关。 （）IRUU0S （a）电压源电路 （b）伏安特性图1.4.3 实际电源的电压源模型21电流源模型是用理想电流源与电阻并联来表示实际电源。如图所示，其中 是理想电流源的输出电流， 是电源的内阻。可见，实际电流源的输出电流 与电源端电压 有关。 （）0SRUII（a）电流源电路 （b）伏安特性图1.4.4 实际电源的电流源模型22电路中还有另外一种电源，电压源的电压和电流源的电流，是受电路中其它部分的电压或电流控制的，这种电源称为受控电源。受控电源有受控电压源

12、和受控电流源之分。受控电压源和受控电流源又都可分为是受电压控制的还是受电流控制的两种。所以，受控电源又可分为电压控制电压源（VCVS）、电流控制电压源(CCVS)、电压控制电流源(VCCS)、电流控制电流源(CCCS)四种类型。四种理想受控电源的模型如图所示。 、 为控制量， 、 、 、 称为控制系数。其中 和 无量纲， 具有电导的量纲， 具有电阻的量纲。1U1Igrgr（a）VCVS （b）CCVS（c）VCCS （d）CCCS图1.4.5 理想受控电源模型231.5 1.5 电路的工作状态电路的工作状态 (a) (b) (c) 图1.5.1 电路的有载、开路和短路状态1.5.1 有载状态有

13、载状态将图（a）中的开关S合上。电源与负载接通，电路则处于有载状态。电路中的电流为 （）负载电阻两端的电压为则有 （）RREI0RIUIREU024由此可见，电源端电压小于电动势，差值为电源内阻电压降 。电流愈大， 愈大，电源端电压下降愈多。表示电源端电压 与输出电流 之间关系的伏安特性曲线称为电源的外特性曲线。如图所示。图1.5.2 电源的外特性曲线电源输出的功率为 （）即 式中： 是电源产生的功率； 是电源内部损耗在内阻 上的功率。在一个电路中，电源产生的功率之和等于电路中所消耗的功率之和。200)(IREIIIREUIPPPPEEIP E20IRP 0R25【例例】 图所示电路中，已知各

14、元件的端电压和通过的电流。（1）试指出哪些元件是电源，哪些元件是负载？（2）检验功率的平衡关系。 图1.5.3 例的电路26解：（1）在所有元件中，只有1号元件电流是从其高电位端流出，可见该元件是电源元件，输出功率，其余的元件均为负载，吸收功率。（2）1号元件输出功率为其余的元件吸收功率为两者功率平衡。W3606601PW3602448288212412648432PPP27 1.5.2 开路状态开路状态在图（b）所示电路中，当开关断开时，电路则处于开路状态，即空载状态，开路时外电路的电阻对电源来说等于无穷大，因此电路中电流为零。此时负载上的电压、电流和功率都为零。电源端电压为此时的端电压叫做

15、电源的开路电压，用 表示。 （）开路时，因电流为零，电源不输出功率。 1.5.3 短路状态短路状态在图（c）所示电路中，当由于某种原因而使电源两端直接搭接时，电路则处于短路状态。短路时，外电路的电阻对电源来讲为零。电源自成回路，电流不再流经负载，其电流为因 R0很小，所以电流很大，此时的电流叫做电源的短路电流。用Is 表示，有EIREU0oUEUUo0REI 0SREII28 1.6 电路的基本定律电路的基本定律 1.6.1 欧姆定律欧姆定律对一个线性电阻元件而言，流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比，这就是欧姆定律。在图所示标定的电压、电流参考方向下，欧姆定律可用下式表示。 （）IUR 图1

16、.6.1 欧姆定律29 1.6.2 基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律。1. 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律又称基尔霍夫第一定律，简记为KCL，它描述了电路中结点处各支路电流之间的约束关系，其表达式为 （）即对电路中的任何一个结点，其任一时刻的电流的代数和等于零。换句话说，对任一结点，在任一时刻，流出该结点的电流之和等于流入该结点的电流之和。电流定律体现的是电流的连续性。0I30 2. 基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律又称基尔霍夫第二定律。简记为KVL，它描述了一个回路中各支路电压或元件电压之间的约束关系。其表达式为 （）即对于电路中的任一回路，在任一时刻，按一定方向沿着回路循行一周，回路中所有支路电压或元件电压的代数和为零。【例例】 写出图所示电路中电压 的表达式。（a） （b） 图1.6.7 例的电路 0U31解：首先列出有部分电路构成的广义回路的KVL方程，然后求出 。对图（a）可以列出 即 对图（b）选择电阻 支路来列写KVL方程。由KCL 因此有 即 0UERIRIEUIIISR0)(SUIIRRIRIUS32 1.7