直流电路课件

电工学与工业电子学第1章直流电路第一节电路的基本概念第二节电阻、欧姆定律及电阻连接第三节基尔霍夫定律及其应用第四节电气设备的额定值、电路的几种状态检验学习结果电路由哪几部分组成？试述电路的功能？为何要引入参考方向？参考方向和实际方向有何联系与区别？何谓电路模型？理想电路元件与实际元器件有何不同？

学好本课程，应注意抓好四个主要环节：提前预习、认真听课、及时复习、独立作业。还要处理好三个基本关系：听课与笔记、作业与复习、自学与互学。3.电路模型和电路元件

电源负载负载电源开关实体电路ISUS+_R0中间环节电路模型与实体电路相对应的电路图称为实体电路的电路模型。RL+

U–导线第四页二.电路的作用1.电能传输与转换。

2.信号的传递与处理。三.电路的基本组成

以手电筒为例,包括:

电源:电池,提供能量。负载:电珠,把电能转化为其他形式的能量(光能)。开关:控制电路通或断。导线:筒体,输送和分配电能。白炽灯的电路模型可表示为：

实际电路器件品种繁多，其电磁特性多元而复杂，采取模型化处理可获得有意义的分析效果。如iR

R

L消耗电能的电特性可用电阻元件表征产生磁场的电特性可用电感元件表征由于白炽灯中耗能的因素大大于产生磁场的因素，因此L可以忽略。

理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似，其电特性单一、确切，可定量分析和计算。白炽灯电路RC+

US–电阻元件只具耗能的电特性电容元件只具有储存电能的电特性理想电压源输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定理想电流源输出电流恒定，两端电压由它和负载共同决定L电感元件只具有储存磁能的电特性IS理想电路元件分有无源和有源两大类无源二端元件有源二端元件二、电路的连接

在实际应用中，常将许多电路按不同的方式连接起来，组成一个电路网络。本章借助中学物理课程学习过的电阻串、并联电路及由串并联电路组成的混联电路引出电路常用的简单电路连接，其余复杂的电路连接留在后面的章节介绍。(一)负载的串联由若干个负载按顺序地连接成一条无分支的电路，称为串联。图1-5所示电路是由三个负载串联组成的。上一页下一页返回(二)负载的并联将几个负载都接在两个共同端点之间的连接方式称之为并联。图1-6所示电路是由三个负载并联组成的。(三)负载的混联如图1-7所示的电路，有的负载采用串联，有的负载采用并联，这种在同一电路中既有负载串联又有负载并联的电路连接方式被称之为负载混联。负载串联和并联的特点与电阻串联和并联的特点相同，这一内容将在下一节介绍，在这里只介绍负载连接的概念。上一页下一页返回

——电流二要素：大小（强度）与方向——电流强度——电流实际方向（正方向）的规定——电流方向的表示方法：(a)箭头表示：形象—(b)电流数值前符号表示：便于列式计算（必须先设假定方向，又称参考方向）(c)下标表示：便于用英文字母表示1.电流的方向正电荷运动方向规定为电流的实际方向。电流的方向用一个箭头表示。任意假设的电流方向称为电流的参考方向。

如果求出的电流值为正，说明参考方向与实际方向一致，否则说明参考方向与实际方向相反。直流情况下（2）电压高中物理课对电压的定义是：电场力把单位正电荷从电场中的一点移到另一点所做的功。其表达式为：注意：变量用小写字母表示，恒量用大写字母表示。电压的国际单位制是伏特[V]，常用的单位还有毫伏[mV]和千伏【KV】等，换算关系为：1V=103mV=10－3KV电工技术基础问题分析中，通常规定电压的参考正方向由高电位指向低电位，因此电压又称作电压降。从工程应用的角度来讲，电路中电压是产生电流的根本原因。数值上，电压等于电路中两点电位的差值。即：电压的实际方向规定由电位高处指向电位低处。与电流方向的处理方法类似，可任选一方向为电压的参考方向例： 当ua=3Vub=2V时u1=1V最后求得的u为正值，说明电压的实际方向与参考方向一致，否则说明两者相反。u2=－1V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注意：在参考方向选定后，电流(或电压)值才有正负之分。若I=5A，则电流从a流向b；例：若I=–5A，则电流从b流向a。abRIabRU+–若U=5V，则电压的实际方向从a指向b；若U=–5V，则电压的实际方向从b指向a。3、电动势：是衡量外力即非静电力做功能力的物理量。外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功，称为电源的电动势。电动势的实际方向与电压实际方向相反，规定为由负极指正极。把正电荷从电源负极(低电位处)

重新送到电源正极(高电位处)。

一个实际电源除了包含电动势E,还包含内电阻R0,

为了使电路中有持续不断的电流，必须有一种外力，把正电荷从低电位处(如负极b)移到高电位处(如正极a。在电源内部就存在着这种外力。外力克服电场力把单位正电荷由低电位b端移到高电位a端，所做的功称为电动势，用E表示。电动势的单位也是V。如果外力把1C的电量从点b移到点a，所做的功是1J，则电动势就等于1V。电动势的方向规定为从低电位指向高电位，即由“-”极指向“+”极。第一节电路的基本概念理想电压源是实际电源的一种理想模型。例如，在电力供电网中，对任何一个用电器(如一盏灯)而言，整个电力网中，该用电器以外的部分，就可以近似地看成是一个理想电压源。当电源电压稳定在它的工作范围内，该电源就可认为是一个恒压源。如果电源的内电阻远小于负载电阻RL，那么随着外电路负载电流的变化，电源的端电压可基本保持不变，这种电源就接近于一个恒压源。上一页下一页返回实际电压源的内阻R0=0（相当于短路）时，U=US

为一定值，此时通过电压源的电流I则由负载电阻RL和U共同确定，这样的电源称为理想电压源简称电压源。2.电流源对实际电源，可以建立另一种理想模型，叫电流源。如果电源输出恒定的电流，即电流的大小与端电压无关，这种电流源叫理想电流源。对于直流电路来说，理想电流源输出恒定不变的电流Is，它与外电路负载大小无关，其端电压由负载决定。理想电流源简称电流源或恒流源，当电流源与外电路接通时，回路电流是恒定的。实际的电流源即使没有与外电路接通，其内部也有电流流动;与负载接通后，电源内部仍有一部分电流流动，另一部分电流则通过负载，因此，实际电流源可以用理想电流源Is与一个电阻Ri并联表示，上一页下一页返回当实际电流源的内阻RL=∞（相当于开路）时，I=IS

为一定值，而电流源两端电压则由负载电阻RL和I共同确定，这样的电源称为理想电流源简称电流源。日常生产和生活中，电能（或电功）也常用度作为量纲：1度=1KW•h=1KV•A•h（三）.电能、电功率（1）电能电能的转换是在电流作功的过程中进行的。因此，电流作功所消耗电能的多少可以用电功来量度。电功：式中单位：U【V】；I【A】；t【s】时，电功W为焦耳【J】1度电的概念1000W的电炉加热1小时；100W的电灯照明10小时；40W的电灯照明25小时。右下图电路，若已知元件吸收功率为－20W，电压U=5V，求电流I。+UI元件分析：由图可知UI为关联参考方向，因此:

•

举例2：右下图电路，若已知元件中电流为I=－100A，电压U=10V，求电功率P，并说明元件是电源还是负载。+UI元件解：UI非关联参考，因此:元件吸收正功率，说明元件是负载。I为负值，说明它的实际方向与图上标示的参考方向相反。想想练练1、某用电器的额定值为“220V，100W”，此电器正常工作10小时，消耗多少焦耳电能？合多少度电？2、一只标有“220V，60W”的电灯，当其两端电压为多少伏时电灯能正常发光？正常发光时电灯的电功率是多少？若加在灯两端的电压仅有110伏时，该灯的实际功率为多少瓦？额定功率有变化吗？P=UIR=P=I*I*R3、把一个电阻接在6伏的直流电源上，已知某1分钟单位时间内通过电阻的电量为3个库仑，求这1分钟内电阻上通过的电流和电流所做的功各为多少？3A，1080J3600000J，1度电220V，60W；15W，不变。在温度一定的条件下，加在电阻两端电压与通过电阻的电流之间的关系称为伏安特性。一般金属电阻的阻值不随所加电压和通过的电流而改变。即在一定温度下其阻值是一常数。

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（一）线性电阻线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。（二）非线性电阻电阻的阻值随电压和电流的变化而变化。其电压和电流的比值不是常数。（半导体的正向电阻就是非线性。书上图示）二、欧姆定律它是电路的基本定律。欧姆定律指出：导体中的电流Ｉ与加在导体两端的电压Ｕ成正比，与导体的电阻成反比。用公式表示式中比值R即为该电阻的阻值。图1-19电阻的单位是(欧[姆])，计量大电阻时用k(千欧)或M(兆欧)。其换算关1000欧=1千欧1000000欧=1兆欧系为电阻的倒数1/R=G，称为电导，它的单位为S(西[门子])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；②U、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，即关联参考方向。U=R

I

U=–RI(二)全电路的欧姆定律图1-19所示是简单的闭合电路，RL为负载电阻，R0为电源内阻，若导线电阻不计，则此段电路用欧姆定律可得公式的意义是:电路中流过的电流，其大小与电动势成正比，与电路的全部电阻之和成反比。电源的电动势和内电阻一般认为是不变的，所以，改变外电路电阻，就可以改变回路中的电流大小。上一页下一页返回第二节电阻、欧姆定律及电阻连接三、电阻连接(一)电阻的串联：由若干个电阻按顺序地连接成一条无分支的电路，称为串联电路。电阻元件串联有以下几个特点:(1)流过串联各元件的电流相等，即(2)等效电阻(3)总电压(4)总功率(5)电阻串联具有分压作用，即上一页下一页返回R1R2IUU1U2RUI在实际中，利用串联分压的原理，可以打一大电压表的量程，还可以制成电阻分压器。（二）电阻的并联：并联：蒋几个电阻元件都接在两个共同端点之间的连接方式。

①

②③或④

即支路电流与支路电阻成反比。⑤

即支路电阻消耗的功率与支路电阻成反比。3.分流系数与分压系数①分流系数由于R1的分流作用，使输出电流

I2小于输入电流I，即这里

称为“分流系数”。

②分压系数由于R1,R2的分压作用，使输出电压U小于输入电压，即这里

称为“分压系数”。利用电阻并联的分流作用，可打一大电流表的量程。在实际应用中，用电器在电路中通常都是并联运行的，属于相同电压等级的用电器必须并联在同一电路中，这样，才能保证它们都在规定的电压下正常工作。第四节电气设备的额定值及电路的工作状态1.电气设备的额定值电气设备长期、安全工作条件下的最高限值称为额定值。电气设备的额定值是根据设计、材料及制造工艺等因素，由制造厂家给出的技术数据。2.电路的三种工作状态I＝US÷(RS＋RL)（1）通路＋U=US－IRS－RLS＋

US－RS（2）开路＋U=US－I＝0S＋

US－RSRL＋U=0－I＝US/RS（3）短路RLS＋

US－RS一、电气设备的额定值(一)额定电流(IN)电气设备长时间运行而稳定温度达到最高允许温度时的电流，称为额定电流。(二)额定电压(UN)为了限制电气设备的电流并考虑绝缘材料的绝缘性能等因素，允许加在电气设备上的电压限值，称为额定电压。(二)额定功率(PN)在直流电路中，额定电压与额定电流的乘积就是额定功率，即下一页返回电气设备的额定值都标在铭牌上，使用时必须遵守。例如，一盏日光灯，标有“220V60W”的字样，表示该灯在220V电压下使用，消耗功率为60W，若将该灯泡接在380V的电源上，则会因电流过大将灯丝烧毁;反之，若电源电压低于额定值，虽能发光，但灯光暗淡。电路在工作时有三种工作状态，分别是通路、短路、断路。(一)通路(有载工作状态)如图1-25所示，当开关S闭合，电源与负载接成闭合回路，电路便处于通路状态。在实际电路中，负载大都采用并联方式，用RL代表等效负载电阻。上一页下一页返回电路中的用电器是由用户控制的，而且是经常变动的。当并联的用电器增多时，等效电阻RL就会减小，而电源电动势E通常为一恒定值，且内Ro很小，电源端电压U变化很小，则电源输出的电流和功率将随之增大，这时称为电路的负载增大。当并联的用电器减少时，等效负载电阻RL增大，电源输出的电流和功率将随之减小，这种情况称为负载减小。可见，所谓负载增大或负载减小，是指增大或减小负载电流，而不是增大或减小电阻值。

电路中的负载是变动的，所以，电源端电压的大小也随之改变。电源端电压u随电源输出电流r的变化关系，即u=f(I)，称为电源的外特性，外特性曲线如图1-26所示。根据负载大小，电路在通路时又分为三种工作状态，当电气设备的电流等于额定电流时称为满载工作状态;当电气设备的电流小于额定电流时，称为轻载工作状态;当电气设备的电流大于额定电流时，称为过载工作状态。特征:开关断开(二）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