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文档简介

电工电子学(二)天津科技大学自动化学院刘玉良

绪论学习意义发展回顾:1785年法国物理学家库仑正式发表了带电粒子或带电体之间的相吸和相斥现象。1799年,伏打在铜和锌之间夹入一层浸透盐水的纸,再把它们一层一层地迭起来,制成了“伏打电堆”。“电堆”的意思就是指把许多单个电池单元高高地堆在一起。1815年英国人戴维用2000个伏打电池产生电弧。1820年奥斯特发现电磁作用,是电动机的起源。1820年法国的安培发现了关于电流周围产生的磁场方向问题的安培定律。1826年欧姆发现了关于电阻的欧姆定律。1831年法拉第发现发现磁可以感应生成电----电磁感应现象,这是变压器诞生的基础。1834年,俄罗斯的雅可比试制出了由电磁铁构成的第一台直流电动机。1849年基尔霍夫发现了关于电路网络的定律,从而确立了电工学。1860年,英国人斯旺把棉线碳化后做成灯丝装入玻璃泡里,发明了碳丝灯泡。1879年,美国的爱迪生成功地把白炽灯泡的寿命延长到了40小时以上。1889年,德国的多勃罗沃尔斯基在绕组上每隔120度的三个地方引出抽头,得到了三相交流电。制成了功率为100W的最早的三相交流电动机,并开发出了三相四线制交流接线方式。1883年,爱迪生发现从电灯泡的热丝上飞溅出来的电子把灯泡的一部分都熏黑了,这种现象被称为爱迪生效应。1904年,英国人弗莱明受到“爱迪生效应”的启发,发明了电子二极管。1904年,英国人弗莱明受到“爱迪生效应”的启发,发明了电子二极管。1907年,美国的福雷斯特在二极管的阳极和阴极之间又加了一个叫做栅极的电极,发明了电子三极管。随后出现的阴极射线管和示波器与此有密切的关系。1910年,美国的库利厅用钨丝做灯丝,发明了钨丝灯泡。1913年,美国的兰米尔在玻壳里充入气体以防止灯丝蒸发,发明了充气钨丝灯泡。1948年美国贝尔实验室的肖克莱,巴丁,布拉特发明晶体管。1956年开发出了制造P型和N型半导体的扩散法。它是在高温下将杂质原子渗透到半导体表层的一种方法。1956年,英国的达马就从晶体管原理预想到了集成电路的出现。1958年美国提出了用半导体制造全部电路元器件,实现集成电路化的方案,集成电路问世。1960年开发出了外延生长法并制成了外延平面型晶体管。外延生长法是把硅晶体放在氢气和卤化物气体中来制造半导体的一种方法

1961年,得克萨斯仪器公司开始批量生产集成电路。元件数在100个以下的小规模集成电路,100~1000个的中规模集成电路,1000~100000个大规模集成电路,100000以上超大规模集成电路。学习内容2学习方法

1、听;

2、记;

3、做:预习与复习;做作业;做实验;[1]秦曾煌主编,《电工学》[电工技术(上),电子技术(下)],高等教育出版社[2]魏洪波,张淑之,刘廷文编,《电工电子技术》,清华大学电机系参考书目3一)期末考试成绩(80%)+平时成绩(20%)二)平时成绩包括:1)出勤2)实验3)作业成绩评定作业一律用16开作业纸,题头写清楚:班级、姓名、学号。写清作业页号、题号,扼要写明已知条件,详细解题过程,画电路图要规矩(用尺子)。每班课代表按学号顺序收齐作业,交给任课教师。作业要求4第1章直流电路1.1电路的作用和组成

1.2电路的基本物理量

1.3电路的状态

1.4电路中的参考方向

1.5

理想电路元件

1.6

基尔霍夫定律

1.7支路电流法

下一章上一章返回主页1.8叠加定理

1.9等效电源定理

1.10非线性电阻电路

5学习要求:重点学习:电路的参考方向和电路的分析方法熟练掌握:理想电路元件、基尔霍夫定理、支路电流法、叠加定理、等效电源定理。了解:电压源和电流源及等效变换、结点电压法本章的难点:等效电源定理。61.1电路的作用和组成一、什么是电路电路就是电流流通的路径。是由某些元、器件为完成一定功能、按一定方式组合后的总称。SE7天津科技大学自动化学院二、电路的作用+mA一是实现能量的输送和转换。二是实现信号的传递和处理。E三、电路的组成

电源:将非电形态的能量转换为电能。负载:将电能转换为非电形态的能量。

导线等:起沟通电路和输送电能的作用。SEES

8天津科技大学自动化学院从电源来看,电源本身的电流通路称为内电路,电源以外的电流通路称为外电路。当电路中的电流是不随时间变化的直流电流时,这种电路称为直流电路。当电路中的电流是随时间按正弦规律变化的交流电流时,这种电路称为交流电路。无源网络有源网络二端网络二端网络9天津科技大学自动化学院1.2电路的基本物理量I1.电流电流的实际方向:规定为正电荷运动的方向。EUS

+-+-+-UL

+直流电路中:I

=Qti

=dqdt(A)10天津科技大学自动化学院2.电位电场力将单位正电荷从电路的某一点移至参考点时所消耗的电能。参考点的电位为零。I

EUS

+-+-+-UL

直流电路中电位用V

表示,单位为伏[特](V)。参考点的选择:①选大地为参考点:②

选元件汇集的公共端或公共线为参考点:11天津科技大学自动化学院3.电压电场力将单位正电荷从电路的某一点移至另一点时所消耗的电能。电压就是电位差。IUS+-+E-+-UL直流电路中电压用U表示,单位为伏[特](V)。US是电源两端的电压,UL是负载两端的电压。4.电动势电源中的局外力(非电场力)将单位正电荷从电源负极移至电源正极时所转换而来的电能称为电源的电动势。电动势的实际方向:由低电位指向高电位。符号:E或e,单位:V。12天津科技大学自动化学院5.电功率定义:单位时间内所转换的电能。电源产生的功率:PE=E

I符号:P(直流电路)。单位:W。负载取用的功率:PL=UL

II

EUS

+-+-+-UL

6.电能定义:在时间t内转换的电功率称为电能:W=P

t符号:W(直流电路)。单位:J。单位转换:千瓦时(kW·h)

1千瓦时为1度电,1kW·h=3.6106J。电源输出的功率:P=US

IUS13天津科技大学自动化学院当电源与负载接通,电路中有了电流及能量的输送和转换。电路的这一状态称为通路。1.3电路的状态一、通路IEUS

+-+-UL

S通路时,电源向负载输出电功率,电源这时的状态称为有载或称电源处于负载状态。各种电气设备在工作时,其电压、电流和功率都有一定的限额,这些限额是用来表示它们的正常工作条件和工作能力的,称为电气设备的额定值。14天津科技大学自动化学院二、开路S1S2EEL1EL2当某一部分电路与电源断开,该部分电路中没有电流,亦无能量的输送和转换,这部分电路所处的状态称为开路。有源电路开路的特点:开路处的电流等于零I=0开路处的电压应视电路情况而定电源既不产生也不输出电功率,电源这时的状态称为空载。U视电路而定15天津科技大学自动化学院三、短路当某一部分电路的两端用电阻可以忽略不计的导线或开关连接起来,使得该部分电路中的电流全部被导线或开关所旁路,这一部分电路所处的状态称为短路或短接。S1S2电源短路短路的特点:短路处的电压等于零U=0短路处的电流应视电路情况而定I视电路而定有源电路EL1EL216天津科技大学自动化学院1.4电路中的参考方向II原则上参考方向可任意选择。在分析某一个电路元件的电压与电流的关系时,需要将它们联系起来选择,这样设定的参考方向称为关联参考方向。+-U电源负载+-U17天津科技大学自动化学院1.5理想电路元件理想电路元件理想有源元件理想无源元件电压源电流源电阻元件电容元件电感元件18天津科技大学自动化学院一、理想有源元件1.电压源+

-US

I

+-U=US=定值USU

O

I

电压源的特点:输出电流I不是定值,与输出电压和外电路的情况有关。可提供一个固定的电压US

,称为源电压。输出电压U等于源电压US

,是由其本身所确定的定值,与输出电流和外电路的情况无关。19天津科技大学自动化学院2.电流源IS

U

+-I=IS=定值ISU

O

I

电流源的特点:输出电流I等于源电流

IS

,是由其本身所确定的定值,与输出电压和外电路的情况无关。输出电压U不是定值,与输出电流和外电路的情况有关。电激流可提供一个固定的电流IS

,称为源电流。20天津科技大学自动化学院当电压源和电流源的电压和电流实际方向如上图时,它们输出(产生)电功率,起电源作用。+

-US

I

U

+-IS

+-U

I

-US

I

U

+-IS

+-U

I

当电压源和电流源的电压和电流实际方向如上图时,它们取用(消耗)电功率,起负载作用。21天津科技大学自动化学院二、理想无源元件电阻元件当电路的某一部分只存在电能的消耗而没有电场能和磁场能的储存,这一部分电路可用电阻元件来代替。+

R

i

u

R

=ui()线性电阻与非线性电阻P=UI=RI2

=U2R电阻消耗的功率22天津科技大学自动化学院电阻图片水泥电阻线绕电阻碳膜电阻可变电阻压敏电阻功率电阻23天津科技大学自动化学院

[例1.5.1]在图示直流电路中,已知US=3V,IS=

3A,R=1。求:(1)电压源的电流和电流源的电压;

(2)讨论电路的功率平衡关系。

+-R

I

US

IS

+-U[解](1)由于电压源与电流源串联I=IS=3

A根据电流的方向可知U=US+RIS

=(3+13)V=6V(2)功率平衡关系电压源吸收电功率:PL=US

I=(33)W

=9W电流源发出电功率:PO=U

IS=(63)W

=18W电阻R消耗的电功率:PR=R

IS=(132)W

=9W功率平衡:PO

PL+

PR24天津科技大学自动化学院+-R1

I1

US1

+-R2

I2

US2

R3

I3

R4

1.6基尔霍夫定律一、基尔霍夫电流定律(KCL)ba电路中3个或3个以上电路元件的连接点称为结点。有a、b

两个结点。25天津科技大学自动化学院+-R1

I1

US1

+-R2

I2

US2

R3

I3

R4

ba有acb

、adb、aeb

三条支路。R1

I1

US1

+-c+-R2

I2

US2

dR3

I3

R4

e两结点之间的每一条分支电路称为支路。26天津科技大学自动化学院+-R1

I1

US1

+-R2

I2

US2

R3

I3

R4

ba由于电流的连续性,流入任一结点的电流之和等于流出该结点的电流之和。对结点aI1

+I2

=I3I1

+I2

-I3

=0流入结点的电流前取正号,流出结点的电流前取负号。27天津科技大学自动化学院+-R1

I1

US1

+-R2

I2

US2

R3

I3

R4

ba在电路的任何一个结点上,同一瞬间电流的代数和为零。对任意波形的电流:

i=0在直流电路中:

I

=0基尔霍夫电流定律不仅适用于电路中任意结点,而且还可以推广应用于电路中任何一个假定的闭合面

——广义结点。ICIEIBICIBIEIC+IB-IE=028天津科技大学自动化学院[解]由图中所示电流的参考方向,应用基尔霍夫电流定律,分别由结点a、b、c求得I6=I4-I1

(-5-3)

A=-8A

[例1.6.1]在图示部分电路中,已知I1=3A,I4=

-5A,I5=8A

。试求I2

,I3和I6

aI1

I3

I2

I4

I5

I6

cbI2=I5-I4=[8-(-5)

]A=13AI3=I6-I5=(-8-8)

A=

16A或由广义结点得I3=-I1-I2=(-3-13

)

A=-16A29天津科技大学自动化学院二、基尔霍夫电压定律(KVL)由电路元件组成的闭合路径称为回路。有adbca、aebda

aebca

三个回路。+-R1

I1

US1

+-R2

I2

US2

R3

I3

R4

bacde+-R1

I1

US1

+-R2

I2

US2

bacd+-R2

I2

US2

R3

I3

R4

badeR1

I1

US1

+-R3

I3

R4

bace未被其他支路分割的单孔回路称为网孔。有adbca、aebda

两个网孔。30天津科技大学自动化学院由于电位的单值性,从a点出发沿回路环行一周又回到a点,电位的变化应为零。对回路

adbca

US2+U1=US1+U2

与回路环行方向一致的电压前取正号,与回路环行方向相反的电压前取负号。+-R1

I1

US1

+-R2

I2

US2

R3

I3

R4

bacde+-R1

I1

US1

+-R2

I2

US2

bacd+-U1

+-U2

US2+U1-US1-U2=031天津科技大学自动化学院在电路的任何一个回路中,沿同一方向循行,同一瞬间电压的代数和为零。对任意波形的电压u=0在直流电路中:U=0+-R1

I1

US1

+-R2

I2

US2

R3

I3

R4

bacde32天津科技大学自动化学院如果回路中理想电压源两端的电压改用电动势表示,电阻元件两端的电压改用电阻与电流的乘积来表示,则RI=E+-R1

I1

US1

+-R2

I2

US2

R3

I3

R4

bacde或

U=E

U+RI

=E对回路adbcaR1I1-R2I2

=E1-E2

与回路环行方向一致的电流、电压和电动势前面取正号,不一致的前面取负号。+-R1

I1

E1

+-R2

I2

E2

R3

I3

R4

bacde33天津科技大学自动化学院基尔霍夫电压定律不仅适用于电路中任一闭合的回路,而且还可以推广应用于任何一个假想闭合的一段电路。将a、b两点间的电压作为电阻电压降一样考虑进去。R

I-U=-E+-U

-R

I

E或USba或R

I-U+US=034天津科技大学自动化学院[解]

由回路abcdefaUab

+Ucd-Ued+Uef=E1-E2

[例1.6.2]在图示回路中,已知E1=20V,E2=10V,Uab=4V

,Ucd=-6V

,Uef=5V

。试求Ued

和Uad

+-R2

E2eaR3

R4

+-Ucd+-R1

E1+-Uef+-UabUed+-bdfc+-Uad求得

Ued

Uab+Ucd

+

Uef-E1+E2

[4+(-6)+5-20+10]V=-7V35天津科技大学自动化学院

由假想的回路

abcdaUab

+Ucd-Uad=-E2+-R2

E2eaR3

R4

+-Ucd+-R1

E1+-Uef+-UabUed+-bdfc+-Uad求得

Uad=

Uab+Ucd

+E2

[4+(-6

)+10]V=8V36天津科技大学自动化学院1.7支路电流法支路电流法解题的一般步骤R1

E1

+-R3

R2

E2

+-R1

E1

+-R3

R2

E2

+-(1)确定支路数,选择各支路电流的参考方向。I1

I2

I3

(2)确定结点数,列出独立的结点电流方程式。n个结点只能列出n-1个独立的结点方程式。结点a

:I1+I2-I3

=0结点b

:-I1-I2+I3

=0只有1个方程是独立的37天津科技大学自动化学院(3)确定余下所需的方程式数,列出独立的回路电压方程式。R1

E1

+-R3

R2

E2

+-I1

I2

I3

ab左网孔

:

R1I1+R3I3

=E1右网孔

:R2I2+R3I3

=E2(4)解联立方程式,求出各支路电流的数值。R1I1+R3I3

=E1I1+I2

-I3

=0R2I2+R3I3

=E2求出:I1、I2

和I3。38天津科技大学自动化学院[解]选择各支路电流的参考方向和回路方向如图R4

R3

+-R1

US1+-R2

US2

[例1.7.1]在图示电路中,已知US1=12V

,US2=12V

,R1=1,R2=2,R3=2,R4=4。求各支路电流。

I1

I2

I3

I4

上结点

I1+I2-I3

-I4

=0左网孔

R1I1+R3I3-US1=0中网孔

R1I1-

R2I2-US1+US2=0右网孔

R2I2+R4I4-US2=039天津科技大学自动化学院代入数据R4

R3

+-R1

US1+-R2

US2I1

I2

I3

I4

I1+I2-I3

-I4

=0I1+2I3-12=0I1-

2I2-12+12

=02I2+4I4-12=0

I1=4A,I2=2A,I3=4A,I4=2A40天津科技大学自动化学院1.8叠加定理叠加定理是分析线性电路最基本的方法之一。在含有多个有源元件的线性电路中,任一支路的电流和电压等于电路中各个有源元件分别单独作用时在该支路产生的电流和电压的代数和。41天津科技大学自动化学院R1

R2

R1

R2

R1

I1

+-R2

I2

IS

US+-US+-US由支路电流法可得I1

=USR1+R2R2ISR1+R2IS

IS

I1

=USR1+R2+-USIS

IS

+-USI1

=R2ISR1+R2=I1I1I1

I2

I1

I2

42天津科技大学自动化学院R1

R2

R1

R2

R1

I1

+-R2

I2

IS

US+-US+-US由支路电流法可得IS

IS

I2

=USR1+R2+-USIS

IS

+-USI1

I2

I1

I2

I2

=USR1+R2R1ISR1+R2I2

=R1ISR1+R2=I2I243天津科技大学自动化学院(1)在考虑某一有源元件单独作用时,应令其他有源元件中的US=0,IS=0。即应将其他电压源代之以短路,将其他电流源代之以开路。应用叠加定理时要注意:(2)最后叠加时,一定要注意各个有源元件单独作用时的电流和电压分量的参考方向是否与总电流和电压的参考方向一致,一致时前面取正号,不一致时前面取负号。(3)叠加定理只适用于线性电路。(4)叠加定理只能用来分析和计算电流和电压,不能用来计算功率。44天津科技大学自动化学院

[例1.8.1]在图示电路中,已知US=10V

,IS=2A

,R1=4,R2=1,R3=5,R4=3。试用叠加定理求通过电压源的电流I5

和电流源两端的电压U6

R2

+-USI2

+-U6IS

R1

I1

R4

I4

R3

I3

I5

45天津科技大学自动化学院

[解]电压源单独作用时

R2

+-USI2

+-U6R1

R4

I4

R3

I5

'''=I2I4+I5=USR1+R2+USR3+R4=104+1+105+3()A=3.25A=I2I4-U6R2R4

=-1.75V=104+1-105+3()13VR2

+-USI2

+-U6IS

R1

I1

R4

I4

R3

I3

I5

46天津科技大学自动化学院电流源单独作用时

=I2I4+U6R2R4R2

I2

+-U6IS

R1

R4

I4

R3

I5

"

"

"

"

=I2I4-I5=R1R1+R2IS-R3R3+R4IS=44+1-()A=(1.6-1.25)A=0.35A255+32=(11.6+31.25)V=5.35VR2

+-USI2

+-U6IS

R1

I1

R4

I4

R3

I3

I5

最后求得=I5I5+I5

=(3.25+0.35)A=3.6A=U6U6+U6=(-1.75+5.35)V=3.6V47天津科技大学自动化学院1.9等效电源定理等效电源定理是将有源二端网络用一个等效电源代替的定理。有源二端网络R1

+-R2

IS

US对R2而言,有源二端网络相当于其电源。在对外部等效的条件下可用一个等效电源来代替。R0

+-UeS戴维宁等效电源R0

IeS

诺顿等效电源48天津科技大学自动化学院一、戴维宁定理+-UOCISC

+-UOCISC

R1

+-IS

US(a)有源二端网络R0

+-UeS(b)戴维宁等效电源输出端开路时,二者的开路电压UOC应相等。输出端短路时,二者的短路电流ISC

应相等。UeS

=UOC由图(b)R0

=UeSISC=UOCISC由图(b)49天津科技大学自动化学院+-UOCISC

+-UOCISC

R1

+-IS

US(a)有源二端网络R0

+-UeS(b)戴维宁等效电源因此UOC=US+R1IS对于图(a)ISC

=USR1+ISR0

=UOCISC=US+R1ISUSR1+IS=R150天津科技大学自动化学院二、诺顿定理+-UOCISC

+-UOCISC

R1

+-IS

US(a)有源二端网络(b)诺顿等效电源R0

IeS

输出端短路时,二者的短路电流ISC

应相等。输出端开路时,二者的开路电压UOC应相等。IeS

=ISC由图(b)R0

=UOCIeS=UOCISC由图(b)R0求法与戴维宁定理中相同51天津科技大学自动化学院诺顿等效电源R0

IeS

R0

+-UeS戴维宁等效电源戴维宁等效电源和诺顿等效电源既然都可以用来等效代替同一个有源二端网络,因而在对外等效的条件下,相互之间可以等效变换。等效变换的公式为IeS

=UeSR0变换时内电阻R0不变,IeS

方向应由UeS

的负极流向正极。52天津科技大学自动化学院

[例1.9.1]图示电路中,已知US=6V

,IS=3A

,R1=1,R2=2。试用等效电源定理求通过R2的电流。

R1

+-R2

IS

US[解]利用等效电源定理解题的一般步骤如下:(1)将待求支路提出,使剩下的电路成为有源二端网络。R1

+-IS

US

有源二端网络53天津科技大学自动化学院(2)求出有源二端网络的开路电压UOC和短路电流ISC

。R1

+-IS

US

有源二端网络+-UOCISC

根据KVL求得UOC=US+R1IS=(6+13)V=9V根据KCL求得ISC=USR1+IS=61+3

A=9A()54天津科技大学自动化学院(3)用戴维宁等效电源或诺顿等效电源代替有源二端网络,简化原电路。R1

+-R2

IS

USR0

IeS

I2

R2

用诺顿定理简化的电路用戴维宁定理简化的电路R0

+-UeSI2

R2

55天津科技大学自动化学院或用除源等效法求得R0

IeS

I2

R2

用诺顿定理简化的电路用戴维宁定理简化的电路R0

+-UeSI2

R2

UeS

UOC=9VIeS

ISC=9AR0=UOCISC=99

=1R0

R1=1①若用戴维宁定理I2=UeSR0+R2=91+2

A=3A(4)求待求电流②若用诺顿定理I2=R0R0+R2

IeS=11+2

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