电工学之电路理论

电工技术湖北大学计信系电工技术课程：电工技术学时：36学时（讲授）教材：电工学（第7版，秦曾煌编著任课教师：谌雨章（Dr.YuzhangChen）QQ：49479485一、本课程性质专业基础课启后：模电，数电概述电子技术的课程体系理论基础： 电工技术、 信号与线性系统同步课程：数字电子技术（数字电路与逻辑设计）后续课程： 微机原理（计算机类课程）、高频电路 （通信类课程）等模拟电子技术和数字电子技术是电子信息类各专业的重要的技术基础课程，对于继续学习有关专业课程（通信类、计算机类、控制类、测量类、电力电子类）有着重要的影响。本课程性质电子技术：理论、公式、技能工程性：可行性、近似分析、模型化实践性：电子仪器、电子电路测试、故障分析排查、仿真方法第一章电路基本定律第二章电路分析方法第三章电路暂态分析第四章正弦交流电路第五章三相交流电路第六章磁路与铁心线圈电路第七章交流电动机第八章继电接触器控制系统二、本课程内容三、学习目的和方法专业基础课结合授课内容，理解课本；通过例题，理解公式；通过练习题，熟悉理论和方法；通过实验课程，熟悉基本电路考试电子系统描述电子系统的基本知识由若干相互联结，相互作用的基本电路组成的，具有特定功能的电路整体，称为电子系统。

基本电路：构成电子系统的基本元素相互作用：基本电路以各自功能互相补充特定功能：电子系统本身是专有的整体：用系统的观点来考察整体电路电子系统信号提取信号预处理信号加工信号执行

AD转换计算机数字电路DA转换模拟信号的基本处理：放大温度传感（输入）信号放大信号滤波控制执行（输出）功率放大数模转换数字逻辑电路模数转换恒温装置模拟小信号电路数字电路非电子物理系统模拟大信号电路电子系统电子系统的基本知识温度控制电子系统的组成框图基本单元电路功能描述输入电路：非电子物理系统与电子系统的接口小信号放大电路：放大信号到所要求的电平滤波电路：对信号的时域或频域特性加以改变数字与模拟接口电路：包括模数转换和数模转换数字逻辑电路：数字信号的处理电路功率放大电路：放大信号到所要求的功率信号产生电路：产生必要的波形电源电路：提供电子系统的能源供应主要单元电路有：第1章电路的基本概念与基本定律1.1电路的作用与组成部分1.2电路模型1.3电压和电流的参考方向1.4欧姆定律1.5电源有载工作、开路与短路1.6基尔霍夫定律1.7电路中电位的概念及计算本章要求: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.会计算电路中各点的电位。第1章电路的基本概念与基本定律1.1电路的作用与组成部分

(1)实现电能的传输、分配与转换(电力系统)(2)实现信号的传递与处理（扩音机）放大器扬声器话筒1.电路的作用电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。

发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线2.电路的组成部分电源:

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...输电线直流电源直流电源:

提供能源负载信号源:

提供信息2.电路的组成部分放大器扬声器话筒电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。信号处理：放大、调谐、检波等1.2电路模型手电筒的电路模型

为了便于用数学方法分析电路,一般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中的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。例：手电筒手电筒由电池、灯泡、开关和筒体组成。理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。+R0R开关EI电珠+U干电池导线手电筒的电路模型电池是电源元件，其参数为电动势E和内阻Ro；

灯泡主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻R；

筒体用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。

开关用来控制电路的通断。今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。+R0R开关EI电珠+U干电池导线1.3电压和电流的参考方向物理中对基本物理量规定的方向1.电路基本物理量的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、μA低电位

高电位kV、V、mV、μVkV、V、mV、μV(2)参考方向的表示方法电流：Uab

双下标电压：(1)参考方向I在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。Iab

双下标2.电路基本物理量的参考方向箭标abRI正负极性+–abUU+_+R0E3V注意：在参考方向选定后,电流(或电压)值才有正负之分。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。(3)实际方向与参考方向的关系I=0.28AI=–0.28A电动势为E=3V方向由负极指向正极；U++R0E3VU´+例:电路如图所示。电流I的参考方向与实际方向相同，I=0.28A,由流向,反之亦然。电压U´的参考方向与实际方向相反,U´=–2.8V;即:U

=–U´电压U的参考方向与实际方向相同,U

=2.8V,方向由指向；2.8V–2.8V1.4欧姆定律U、I参考方向相同时U、I参考方向相反时RU+–IRU+–I

表达式中有两套正负号：(1)式前的正负号由U、I参考方向的关系确定；(2)U、I值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系。通常取U、I参考方向相同。U=IR

U=–IR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=–IRRU6V+–2AR+–U6VI(a)(b)I–2A电流的参考方向与实际方向相反电压与电流参考方向相反电路端电压与电流的关系称为伏安特性。遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。I/AU/Vo线性电阻的伏安特性线性电阻的概念：线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。1.5电源有载工作、开路与短路开关闭合,接通电源与负载负载端电压U=IR1.电压电流关系1.5.1电源有载工作(1)

电流的大小由负载决定。(2)在电源有内阻时，IU。或U=E–IR0输出电压电源的外特性EUI0当R0<<R时，则UE，表明当负载变化时，电源的端电压变化不大，即带负载能力强。R0ER+–I开关闭合,接通电源与负载。负载端电压U=IR1.5.1电源有载工作或U=E–IRoUI=EI–I2RoP=PE

–P负载取用功率电源产生功率内阻消耗功率(3)电源输出的功率由负载决定。负载大小的概念:

负载增加指负载取用的电流和功率增加(电压一定)。R0ER+–I1.电压电流关系2.功率与功率平衡3.电源与负载的判别U、I参考方向不同，P=UI

0，电源；P=UI

0，负载。U、I参考方向相同，P=UI0，负载；

P=UI

0，电源。

(1)根据U、I的实际方向判别(2)根据U、I的参考方向判别电源：U、I实际方向相反，即电流从“+”端流出，（发出功率）负载：

U、I实际方向相同，即电流从“-”端流出。（吸收功率）例:已知:电路中U=220V，I=5A，内阻R01=R02=0.6。求:(1)电源的电动势E1和负载的反电动势E2；(2)说明功率的平衡关系。R01E1UI+–+–R02E2+–解：(1)对于电源

U=E1-U1=E1-IR01即

E1=U

+IR01

=220+50.6=223V

U=E2+U2=E2+IR02即

E2=U

-IR01=220-50.6=217V(2)由上面可得，E1=E2+IR01+IR02等号两边同时乘以

I，则得

E1I

=E2I

+I2R01+I2R02代入数据有2235=2175+520.6+5+520.61115W=1085W+15W+15W。电气设备的额定值额定值:电气设备在正常运行时的规定使用值1.额定值反映电气设备的使用安全性；2.额定值表示电气设备的使用能力。例：一只220V,60W的白炽灯,接在220V的电源上，试求通过电灯的电流和电灯在220V电压下工作时的电阻。如果每晚工作3h(小时)，问一个月消耗多少电能?注意：电气设备工作时的实际值不一定都等于其额定值，要能够加以区别。解:通过电灯的电流为电气设备的三种运行状态欠载(轻载)：I<IN

，P<PN(不经济)

过载(超载)：

I>IN

，P>PN(设备易损坏)额定工作状态：I=IN

，P=PN

(经济合理安全可靠)

在220V电压下工作时的电阻一个月用电W=Pt=60W(330)h

=0.06kW90h

=5.4kW.h特征:开关断开1.5.2电源开路I=0电源端电压(开路电压)负载功率U

=U0=EP

=01.开路处的电流等于零；

I

=02.开路处的电压U视电路情况而定。电路中某处断开时的特征:I+–U有源电路IRoR+

-EU0+

-电源外部端子被短接1.5.3电源短路特征:电源端电压负载功率电源产生的能量全被内阻消耗掉短路电流（很大）U

=0

PE=P=I²R0P

=01.短路处的电压等于零；

U

=02.短路处的电流I视电路情况而定。电路中某处短路时的特征:I+–U有源电路IRRo+

-E1.6基尔霍夫定律支路：电路中的每一个分支。一条支路流过一个电流，称为支路电流。结点：三条或三条以上支路的联接点。回路：由支路组成的闭合路径。I1I2I3123ba+-E2R2+-R3R1E11.6.1基尔霍夫电流定律(KCL定律)1．定律即:Ｉ入=

Ｉ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。或:代数和Ｉ=0对结点a：I1+I2=I3或I1+I2–I3=0基尔霍夫电流定律（KCL）反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系。ba+-E2R2+-R3R1E1I1I2I3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。2．推广I=?例:I=0IA+IB+IC=02+_+_I51156V12VIAIBICAIBCIABACBIC广义结点在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。1.6.2基尔霍夫电压定律（KVL定律)1．定律即：U=0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1：对回路2：

E1=I1R1+I3R3I2R2+I3R3=E2或I1R1+I3R3–E1=0或I2R2+I3R3–E2=012基尔霍夫电压定律（KVL）反映了电路中任一回路中各段电压间相互制约的关系。I1I2I3ba+-E2R2+-R3R1E11．列方程前标注回路循行方向；

电位升=电位降E2=UBE+I2R2U=0

I2R2–E2+

UBE

=02．应用

U=0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。3.开口电压可按回路处理

注意：1对回路1：E1UBEE+B+–R1+–E2R2I2_例：对回路

abda：对回路

acba：对回路

bcdb：R6I6R6–I3R3+I1R1=0I2R2–

I4R4–I6R6=0I4R4+I3R3–E=0对回路adbca，沿逆时针方向循行：–I1R1+I3R3+I4R4–I2R2=0应用U=0列方程对回路cadc，沿逆时针方向循行：–I2R2–I1R1+E

=0adbcE–+R3R4R1R2I2I4I6I1I3I1.7电路中电位的概念及计算电位：电路中某点至参考点的电压，记为“VX”

。

通常设参考点的电位为零。1.电位的概念电位的计算步骤:

(1)任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；

(2)标出各电流参考方向并计算；

(3)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。2.举例求图示电路中各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd

。解：设a为参考点，即Va=0VVb=Uba=–10×6=60VVc=Uca

=4×20=80VVd

=Uda=6×5=30V设b为参考点，即Vb=0VVa

=Uab=10×6=60VVc

=Ucb=E1=140VVd

=Udb=E2=90Vbac204A610AE290VE1140V56AdUab

=10×6=60VUcb

=E1=140VUdb

=E2=90VUab

=10×6=60