电工与电子技术基础电路分析

1、课程性质和任务本课程的性质： 本课程为非电专业学生的必修课程，是一门具有较强实践性环节的技术基础课程。学生通过本大纲所规定全部教学内容的学习，可以获得电工与电子技术的基本理论、基本知识和基本技能。为学习后续课程和专业课打好基础，也为今后从事工程技术工作和科学研究奠定一定的理论基础。本课程的任务： 通过学习本课程培养学生的科学思维能力，树立理论联系实际的工程观点和提高学生分析问题和解决问题的能力。1电子信息学院电工电子教研室学期成绩的评定本门课程的成绩按如下各项进行综合评定： 1、期末考试 占60-70% 2、平时作业 占10% 3、实验 占20% 4、期中考试 占0-10% 2电子信息学院电工

2、电子教研室本章要求: 1.理解电压与电流参考方向的意义； 2. 理解电路的基本定律并能正确应用； 3. 了解电路的有载工作、开路与短路状态， 理解电功率和额定值的意义； 4. 掌握支路电流法、叠加原理和戴维南定理等 电路的基本分析方法。 5. 了解实际电源的两种模型及其等效变换。 6. 会计算电路中各点的电位。 7.会分析一阶电路的过渡过程 第1章 电路及其分析方法3电子信息学院电工电子教研室1.1 电路的基本概念 (1) 实现电能的传输、分配与转换 (2)实现信号的传递与处理放大器扬声器话筒1.1.1 电路的作用与组成电路就是电流流过的闭合路径，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组

3、合而成。 发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉.输电线1.作用：4电子信息学院电工电子教研室（1）电源，负载，中间环节。电源: 提供电能的装置负载: 取用电能的装置中间环节：传递、分配和控制电能的作用发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉.输电线2. 组成：电源（或信号源）、负载、中间环节5电子信息学院电工电子教研室信号处理:放大、调谐、检波等负载信号源: 提供信息（2）信号源，负载，中间环节放大器扬声器话筒6电子信息学院电工电子教研室 由一些反映实际电路部件的主要电磁性质的理想电路元件所组成的电路就是实际电路的电路模型。 例如：常用的手电筒实际电路有电池、灯泡、开关和筒体，其电路模型如

4、图所示。今后所分析的都是由理想电路元件所组成的电路模型，简称电路。 1.1.2电路模型（a）手电筒实际电路 (b)手电筒电路模型7电子信息学院电工电子教研室1.1.3 电压和电流参考方向1. 电流的参考方向 在单位时间内通过导体横截面的电荷量定义为电流强度，简称电流。若电荷量用q 表示,时间用t表示,电流用i表示,则有：i=dq/dt 用文字符号i表示随时间变化的电流，用文字符号I表示不随时间变化的电流（比如直流电流）。电流常用单位安（A）、毫安（mA），二者关系: 1mA=10-3A。 电路分析就是根据电路模型与参数，通过列写方程求取电流、电压。只有保证列写方程所用到的任何符号与电路图的符号

5、相对应一致才可能正确列写方程，这些符号包含:表示电路特征的结点或回路的符号;表示电路元件的文字符号或元件参数值、表示不同的电压或电流的符号。其中表示不同的电压或电流的符号是具有文字符号和方向两方面特征。 8电子信息学院电工电子教研室（2）电流参考方向与实际方向的关系（1）电流的参考方向：电流的实际方向规定为正电荷运动的方向。但在分析一些较复杂的电路时，难以确定电流实际方向。为此，在电路分析时常任意假定一个正电荷运动的方向作为电流的流向。这个假定的方向称为电流的参考方向。 实际方向与参考方向一致，电流值为正值；实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。一般用虚线箭标表示实际电流方向。9电子

6、信息学院电工电子教研室（3）电流参考方向的两种表示：1）电流参考方向采用文字符号和实线箭标，二者必须在图中同时表示出来；2）采用带双下标的文字符号表示，其中两个下标符号在图中必须表示出来。例如下图中有a、b符号，我们用Iab代替图中的文字符号I和实线箭标所表示的电流参考方向。 若 I = 5A，则电流从 a 流向 b；例1：若 I = 5A，则电流从 b 流向 a 。abRII = Iab10电子信息学院电工电子教研室1. 电压的参考方向 电位：在电路中选定电位参考点后，我们把单位正电荷从电路中某点移至参考点时电场力做功的大小称为电路中该点的电位，电位的常用单位伏(V)。假设A是电路中一个点，

7、则A点的电位就可以表示为vA(或uA)。电压：电路中两点的电压是单位正电荷从一点移至另一点时电场力做功。若功用w 表示, 电荷用q表示,电压用u表示,则有：u=dw/dq 用uAB (或vAB)表示电路中A，B两点的电压。它与选定电位参考点后A、B两点的电位的关系是uAB=vA- vB。用文字符号v或u表示随时间变化的电压，用文字符号V或U表示不随时间变化的电压（比如直流电压）。电压常用单位伏(V) 11电子信息学院电工电子教研室（1）电压的参考方向 电压的实际方向规定为电位真正降低的方向。但列方程分析电路时电压的方向用电压参考方向：在元件上标上电压符号，并且元件的一端标上、另一端标上一 。表

8、示假定高电位端、表示假定低电位端，从端开始经元件内部指向端为止的方向就是该元件的电压参考方向。电路元件的电压参考方向相对它所在回路而言，要么属于顺时针方向，要么属于逆时针方向。（2）电压参考方向与实际方向的关系12电子信息学院电工电子教研室当电压值为正值时，说明实际方向与参考方向一致；当电压值为负值时，说明实际方向与参考方向相反。（3）电压参考方向的另一种表示：有时采用带双下标的文字符号表示，其中两个下标符号在图中必须表示出来。例如下图中有a、b符号，Uab可代替图中的文字符号U和、一符号所表示的电压参考方向。 例1：abRU+若 U = 5V，则电压的实际方向从 a 指向 b；若 U= 5V

9、，则电压的实际方向从 b 指向 a 。U= Uab13电子信息学院电工电子教研室1.1.4 电功率电功率是指单位时间内电场力所做的功。若功用w 表示,时间用t表示, 电功率用p表示,则有：p=dw/dt。电功率的单位是瓦（W）。功或能量的单位：焦耳(J) 由于u=dw/dq，i=dq/dt，因此有p=ui (1)电功率的定义14电子信息学院电工电子教研室(2) 电路元件吸收或发出功率的判断p0W，发出负功率(实际吸收，电路元件起负载作用)p0W，发出正功率(实际发出，电路元件起电源作用) 1. u, i 参考方向一致时，p=ui为元件的代数吸收功率 2. u, i 参考方向相反时，p=ui为元

10、件的代数发出功率 p0W 吸收正功率(实际吸收，电路元件起负载作用) p0W 吸收负功率(实际发出，电路元件起电源作用)15电子信息学院电工电子教研室1.1.5基本的理想电路元件手电筒的电路模型用数学方法分析电路需要将实际电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。例：手电筒R+RoES+UI电池导线灯泡开关 手电筒由电池、灯泡、开关和筒体组成。基本的理想电路元件有:电阻元件、电感元件、电容元件、理想电压源元件和理想电流源元件,它们都是二端元件。16电子信息学院电工电子教研室1、 电阻元件。定义:对电流呈现阻力的元件为电阻元件

11、。任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件称为线性电阻元件。线性电阻元件的伏安特性曲线是通过坐标原点的直线。u与i成正比,满足欧姆定律。除另有说明外，一般讲的电阻都是指线性电阻 。I/AU/Vo线性电阻的伏安特性17电子信息学院电工电子教研室如图a所示,当U，I参考方向一致时， U、I满足的欧姆定律关系式为：U=IR显然，如图b所示,当U，I参考方向不一致时， U、I满足的欧姆定律关系式为： U=-IR（）欧姆定律 （a） U=IR （b） U=-IR 式中R是电阻元件的电阻值，称为电阻，它是表示电阻元件特性的参数值。习惯上，称电阻元件为电阻，所以“电阻”既表示电阻元件，又表示电阻元件的参数。18

12、电子信息学院电工电子教研室 电阻的单位常用有,k。欧姆定律常用V、 A、与V、mA、k两套量纲，量纲之间的关系是:1V=1A1与1V=1mA1k。(a) 求 (b)求 (c)求 (d)求例1 用欧姆定律对图所示的电路列出式子求U或I或R解:(a)-20V=-2AR R =10 (b) -20V=-I20k I =1mA (c) U=-2A20=-40V (d) U=-(-2A)20=40V 19电子信息学院电工电子教研室(2) 电阻的功率和吸收的能量1）功率: 图a所示 u, i参考方向一致，p=ui表示电阻元件吸收的代数功率。p uii2Ru2/R0W 吸收正功率(实际吸收，电阻元件起负载作

13、用)。 图b所示 u, i参考方向相反，p=ui表示电阻元件发出负功率。p ui(Ri)ii2R -u2/R0W，发出负功率(实际吸收，电阻元件起负载作用)。结论：电阻元件总是消耗功率。(a ) u, i参考方向一致(b ) u, i参考方向相反20电子信息学院电工电子教研室2）能量: 对于直流电路，若用P表示电功率,在时间t内电阻消耗的能量用WR表示,则有：WR=Pt电功率P的单位是瓦（W）。时间t的单位是秒（s）,电能量的单位：焦耳(J) 电能量的单位还有千瓦小时（kWh），显然有：1 kWh=3.6106J21电子信息学院电工电子教研室2、 电感元件 电感元件被定义为储存磁场能量的两端元

14、件。任何时刻磁链与电流成正比的电感元件称为线性电感元件。线性电感元件的韦安特性曲线是通过坐标原点的直线，与i成正比,满足=Li，比例系数L称为线性电感元件的电感或自感，它是电感元件的参数。电感的单位是亨（H）或毫亨mH，1 mH=10-3H。磁链的单位是韦（Wb）。除另有说明外，一般讲的电感都是指线性电感。/ Wbi/Ao线性电感的韦安特性22电子信息学院电工电子教研室(1) 电感的电压、电流关系u、i 取参考方向一致，如图所示。根据电磁感应定律与楞次定律，有：上式表明：电感电压u 的大小取决于i 的变化率, 与 i 的大小无关，电感是动态元件；当i为常数(直流)时，u =0，电感相当于短路；

15、实际电路中电感电压 u为有限值，则电感电流 i 不能跃变，它是时间的连续函数。显然，当电感的 u，i 参考方向相反时，上述微分表达式前要冠以负号。 电感电路 23电子信息学院电工电子教研室(2)电感的功率和储能1)电感的功率 u、 i 取参考方向一致，p=ui表示电感元件吸收的代数功率，当p0W时, 电感实际吸收功率；当p0W时, 电感实际发出功率。因此，电感能在一段时间内吸收外部供给的能量转化为磁场能量储存起来，在另一段时间内又把能量释放回电路，因此电感元件是储能元件，它本身不消耗能量。2）电感的储能24电子信息学院电工电子教研室从t0到 t 电感储能的变化量： 因此，电感的储能只与当时的电

16、流值有关，电感电流不能跃变，反映了储能不能跃变。电感储存的能量一定大于或等于零25电子信息学院电工电子教研室3、 电容元件 电容元件被定义为储存电场能量的两端元件。任何时刻储存的电荷与电压成正比的电容元件称为线性电容元件。线性电容元件的库伏特性曲线是通过坐标原点的直线。q与u成正比,满足q =Cu，比例系数C称为线性电容元件的电容，它是电容元件的参数。电容的单位是F (法拉),常用F表示： 1F=10-6Fq/库u/伏o线性电容的库伏特性26电子信息学院电工电子教研室(1) 电容的电压、电流关系u、i 取参考方向一致，如图所示。有：上式表明：电容电流i的大小取决于电压u的变化率, 与u的大小无

17、关，电容是动态元件；当u为常数(直流)时，i =0。电容相当于开路；实际电路中电容的电流 i为有限值，则电容电压 u不能跃变，必定是时间的连续函数。显然，当电容的 u，i 参考方向相反时，上述微分表达式前要冠以负号。 电容电路 27电子信息学院电工电子教研室(2)电容的功率和储能1)电容的功率 u、 i 取参考方向一致，p=ui表示电容元件吸收的代数功率，当p0W时, 电容实际吸收功率；当p0W时, 电容实际发出功率。因此，电容能在一段时间内吸收外部供给的能量转化为电场能量储存起来，在另一段时间内又把能量释放回电路，因此电容元件是储能元件，它本身不消耗能量。2）电容的储能28电子信息学院电工电

18、子教研室从t0到 t 电容储能的变化量： 因此，电容的储能只与当时的电压值有关，电容电压不能跃变，反映了储能不能跃变。电容储存的能量一定大于或等于零。29电子信息学院电工电子教研室4、 理想电压源定义：两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其值与流过它的电流i无关的元件叫理想电压源。电动势元件就是理想电压源。理想电压源的电路符号如图所示。 （a）一般符号 (b) 特殊符号理想电压源的符号30电子信息学院电工电子教研室(1) 理想电压源的电压、电流关系 当电动势的+端与电压的+端相同，电动势的-端与电压的-端相同时，即电动势的电位上升方向与电压的电位下降方向相反时，如图所示，电压等于电动势，即：

19、 u=e 显然，理想电压源的两端电压由电源本身电动势决定，与外电路无关；与流经它的电流方向、大小无关。电动势的电位上升方向与电压的电位下降方向相同，即当电动势的+端与电压的-端相同，电动势的-端与电压的+端相同时有：u=-e 通过理想电压源的电流由理想电压源及外电路共同决定。 31电子信息学院电工电子教研室(2) 理想电压源的功率电压、电流参考方向不一致时，p=ui为发出的代数功率：当p0W时, 理想电压源实际发出功率，起电源作用；当p0W时, 理想电压源实际吸收功率，充当负载。32电子信息学院电工电子教研室5、 理想电流源定义：其输出电流总能保持定值或一定的时间函数，其值与它的两端电压u 无

20、关的元件叫理想电流源。理想电流源的电路符号如图所示。理想电流源的符号33电子信息学院电工电子教研室(1) 理想电流源的电压、电流关系 当电流i方向与电流is的方向相同时，如图所示，有：i=is因此，理想电流源的输出电流i由理想电流源电流is本身决定，与外电路无关，与它两端电压方向、大小无关。理想电流源两端的电压由电源及外电路共同决定。34电子信息学院电工电子教研室(2) 理想电流源的功率电压、电流参考方向不一致时，p=ui为发出的代数功率：当p0W时, 理想电流源实际发出功率，起电源作用；当p0W时, 理想电压源实际吸收功率，充当负载。35电子信息学院电工电子教研室例1 计算图示电路各元件功率

21、并说明各元件性质，验证电路功率平衡。解：U=5A5+10V=35VP5A=5AU=5A35V=175W发出功率，起电源作用；P5=（5A）25=125W吸收功率，起负载作用；P10V=（5A）10V=50W吸收功率，起负载作用由于起电源作用的所有元件发出功率175W=起负载作用的所有元件吸收功率125W+50W，因此，电路功率平衡是满足的。36电子信息学院电工电子教研室解：对直流电路，电容电流为0A，10上电流也为0A，因此电容元件的电压UC=10V-0A10 10V对直流电路，电感电压为0V，因此电感元件的电流I =10V/2=5A电容元件的储存的电场能量：WL=1010-3H(5A)2/2

22、=0.125（J）电感元件的储存的磁场能量：WC=510-6F(10V)2/2=510-4（J）例2 计算图示电路中电感元件的电流、电容元件的电压并计算它们储存的能量.37电子信息学院电工电子教研室1.2 电源的工作状态 开关闭合,接通电源与负载1、电流I和电源的端电压U1.2.1 电源有载工作IR0R+ -EU+ -I结论电流的大小由负载决定。 结论在电源有内阻时，I U 。U = IR或 U = E IR0电源的外特性EUI0 当 R0(s)(mA), t(s)(mA), t(s)118电子信息学院电工电子教研室1.7.3 RL电路的过渡过程 由一个电感元件和有源二端电阻电路组成电路，其电路方程为一阶线性常微分方程，称为一阶RL电路。下面以图(a)所示来分析一阶RL电路的过渡过程。 (a)原理图 (b)t=时等效电路 (c)t0时等效电路 1全响应图(a)所示电路原处于稳定状态，开关S在t=0 时打开，现分析t 0后的iL。119电子信息学院电工电子教研室 换路前电路处于稳定状态，电感元件无电压，但有电流，即iL(0-)=U/R2=I0。由于图(a)所示电路的初始状态不为零，同时又有外加激励源作用，因此，电路中的响应是全响应。开关S在t=0时打开, 根据换路定则知道: iL(0+