电工电子学课件

第一章电路和电路元件

上海大学自动化系林小玲电工电子学(全)§1.1.1

电路与电路模型§1.1.2

电压、电流及其参考方向§1.1.3

电路的功率和能量§1.2无源电路元件§1.3

独立电源元件§1.4电路的工作状态和电器设备的额定值第一章电路和电路元件

§1.1

电路和电路基本物理量§1.2.1电阻元件§1.2.2

电容元件§1.2.3电感元件电工电子学(全)

学习电工电子技术中的——电路基本组成及常用的电路元件，是学习以下各章节的基础。介绍电阻元件，电感元件，电容元件，独立电源元件，半导体二极管和三极管等器件的工作原理、特性曲线和参数。第一章电路和电路元器件

本章内容摘要电工电子学(全)第一章电路和电路元器件

§1.1.1电路与电路模型一、实际电路

系统

=

△

一定的目的一定的组合方式

系统的概念是广义的，如天气系统、食物链系统、机械系统，化工系统等。

部件{

}1.系统§1.1电路和电路基本物理量电工电子学(全)电路

元件=

△目的

组合方式

、器件、设备

电路是为了某种需要由某些电器设备或器件或元件按一定方式组合起来的——电流通路。

元件：最小单位。

按联结电路的目的和电路的作用分：

力能电路

信号电路

2电路3分类元件构成器件、器件构成设备、设备组成系统。

电工电子学(全)1)力能电路

电灯电炉...电动机发电机

升压变压器

降压变压器

光能

机械能

热能

...输电线

中间环节

电源

负载

非电能

电能

起传输和分配电能的作用

供电设备

吸收电能

非电能

电能

电能传输效率高。

实现能量的传输和转换。

(强电)照明电路动力电路

电压高、电流和功率大(106Kw、105Kw)。380V、220V；50Hz电工电子学(全)音频信号：2)

信号电路

放大器中间环节源负载非电信号

电信号

电信号转换、放大，传递给扬声器非电信号

电信号

保证信号传递质量。

…

功率低(10-3w)(弱电)

传递和处理信号。处理：放大、变换、滤波16Hz~20kHz正弦、方波、三角波信号电工电子学(全)二、电路模型

元器件工作物理过程

表示耗能电能非电能

电能

电场能

电能

磁场能

非电能

电能

RC无源元件L?

实际电气设备电路模型如何对应表示建立电场表示建立磁场有源元件对应!

不对应!

电气设备(多种物理现象)基本模型的组合基本模型

实际电路模型化理论分析+测量电工电子学(全)

由实际电路元件组成的电路称为电路实体。

可将电路实体中各个实际的电路元件都用表征其物理性质的理想电路元件代替。用理想电路元件组合成的电路称为电路实体的电路模型。电工电子学(全)1.几种基本的电路元件：电阻元件：表示消耗电能的元件电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件注

具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，在一定条件下可用同一模型表示；同一实际电路部件在不同的应用条件下，其模型可以有不同的形式实物下页电工电子学(全)电阻器电容器线圈电池运算放大器晶体管电工电子学(全)

反映实际电路部件的主要电磁性质的理想电路元件及其组合。导线电池开关灯泡2.电路模型(circuitmodel)电路图理想电路元件有某种确定的电磁性能的理想元件电路模型电工电子学(全)图1－1手电筒电路常用电路图来表示电路模型(a)实际电路(b)电原理图(c)电路模型(d)拓扑结构图电工电子学(全)图1－2晶体管放大电路(a)实际电路(b)电原理图(c)电路模型(d)拓扑结构图电工电子学(全)

电路模型近似地描述实际电路的电气特性。根据实际电路的不同工作条件以及对模型精确度的不同要求，应当用不同的电路模型模拟同一实际电路。现在以线圈为例加以说明。图1－3线圈的几种电路模型

(a)线圈的图形符号(b)线圈通过低频交流的模型

(c)线圈通过高频交流的模型电工电子学(全)

电路模型是对实际电路电磁性能的科学抽象和概括,具有一般性。电路模型特点：1)只见参数，不见设备

2)

联结关系不变，但不表示联结形式不变。电工电子学(全)源力能:电源信号:信号源激励

输入

传输负载(负荷)响应

发生在负载上的响应

输出

三、电路问题1激励、响应

激励--电源或信号源的电压(电流)，它推动电路工作。也称输入

响应--由激励在电路各个部分产生的电压和电流。也称输出系统

输出Y

输入X

(响应之一)电工电子学(全)2

电路问题1)

系统分析

根据系统内部结构和参数，建立Y=f(X)关系。2)

系统综合根据激励X与响应Y的关系，构造系统的结构。通常所讲的设计。3)

系统辨识系统存在，但内部结构及系统功能未知，建立系统响应Y与激励X的关系。通常所讲的建模。研究电路的u,i

关系功能关系4)

系统故障系统

输出Y

输入X

电路变量

时变量非时变量(小写字母)(大写字母)u、i、p

U、I、P

电工电子学(全)

已知:激励、结构、参数

3

电路分析的基本方法

2)根据不同元件电压和电流关系--平衡约束(由KCL、KVL)

1)根据各元件电压和电流关系--元件约束(由元件本身特点决定)

U1=R1IU2=R2IU3=R3II

US=U1+U2+U3

Ul

+

_

U2

+

_

U3

+

_

+

_

R3

US

R2

Rl

然后

元件约束平衡约束--数学模型

最后求解

首先确定

求解：电压、电流、功率

电工电子学(全)§1.1.2电流和电压的参考方向

(referencedirection)

电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。1.电流的参考方向(currentreferencedirection)电流电流强度带电粒子有规则的定向运动单位时间内通过导体横截面的电荷量电工电子学(全)

方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向

单位1kA=103A1mA=10-3A1A=10-6AA（安培）、kA、mA、A元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:实际方向实际方向AABB问题复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断电工电子学(全)参考方向i

参考方向大小方向电流(代数量)任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。ABi

参考方向i

参考方向i>0i<0实际方向实际方向电流的参考方向与实际方向的关系：AABB电工电子学(全)电流参考方向的两种表示：用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。用双下标表示：如

iAB

,电流的参考方向由A指向B。电工电子学(全)电压U

单位：V(伏)、kV、mV、V2.电压的参考方向(voltagereferencedirection)单位正电荷q从电路中一点移至另一点时电场力做功（W）的大小

电位单位正电荷q从电路中一点移至参考点（＝0）时电场力做功的大小

实际电压方向电位真正降低的方向电工电子学(全)例已知：4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力做功8J，由b点移动到c点电场力做功为12J，(1)若以b点为参考点，求a、b、c点的电位和电压Uab、Ubc;(2)若以c点为参考点，再求以上各值ac解b(1)以b点为电位参考点电工电子学(全)abc解(2)电路中电位参考点可任意选择；参考点一经选定，电路中各点的电位值就是唯一的；当选择不同的电位参考点时，电路中各点电位值将改变，但任意两点间电压保持不变。结论以c点为电位参考点电工电子学(全)问题复杂电路或交变电路中，两点间电压的实际方向往往不易判别，给实际电路问题的分析计算带来困难。

电压(降)的参考方向U<0>0参考方向U+–+实际方向+实际方向参考方向U+–U假设的电压降低方向电工电子学(全)电压参考方向的三种表示方式：(1)用箭头表示(2)用正负极性表示(3)用双下标表示UU+ABUAB电工电子学(全)元件或支路的u，i采用相同的参考方向称之为关联参考方向。反之，称为非关联参考方向。关联参考方向非关联参考方向3.关联参考方向i+-+-iUU电工电子学(全)注(1)分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。(2)参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注(包括方向和符号），在计算过程中不得任意改变。（3）参考方向不同时，其表达式相差一负号，但实际方向不变。例ABABi＋－U电压电流参考方向如图中所标，问：对A、B两部分电路电压电流参考方向关联否？答：A电压、电流参考方向非关联；

B电压、电流参考方向关联。电工电子学(全)§1.1.3电路的功率和能量一、电功率功率的单位：W(瓦)(Watt，瓦特)能量的单位：J(焦)(Joule，焦耳)单位时间内电场力所做的功。电工电子学(全)1.电路吸收或发出功率的判断方法

u,i

取关联参考方向P=ui表示元件吸收的功率P>0

吸收正功率(实际吸收)P<0吸收负功率(实际发出)p=ui

表示元件发出的功率P>0

发出正功率(实际发出)P<0

发出负功率(实际吸收)

u,i

取非关联参考方向+-iu+-iu二、功率的正负

电工电子学(全)例564123I2I3I1++++++----U6U5U4U3U2U1求图示电路中各方框所代表的元件消耗或产生的功率。已知：U1=1V,U2=-3V,U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3VI1=2A,I2=1A,I3=-1A解注对一完整的电路，发出的功率＝消耗的功率电工电子学(全)Ｐ=U·I或Ｐ=－U·I

，是否涉及到U、I

的具体数值？关联参考非关联参考吸收

供出

供出

吸收

U

I

U=10VI=5A

U

I

U=10VI=-5A

U

I

U=10VI=5A

U

I

U=10VI=-5A

(a)(b)(c)(d)+

_

U

?

判断那个是吸收功率?那个是供出功率?电工电子学(全)

三、电能

功率也可以定义为单位时间内所消耗（或产生）的电能，即

式中若时间t的单位为（h）；功率P的单位为（W），则电能的单位为（J）。

电能的单位常用千瓦小时（kWh），工业上用“度”表示。

1度电＝1kW.h＝3.6×106J电工电子学(全)分析与思考第1章直流电路在图示的关联参考方向下,若电源和负载中求得的电功率P>0,这说明它们是取用还是输出电功率?EIU＋—IU＋—下一题上一题返回分析与思考题集电工电子学(全)答：电源的电功率P>0,说明电源输出电功率;负载的电功率P>0,说明负载取用（输入）电功率。解答电工电子学(全)§1.2.1电阻元件1.电阻概念iA1)线性电阻§1.2

无源电路元件u(V)

i(A)

0

u+

_

2)非线性电阻iBu+

_

US

US

u(V)

i(A)

0特点：

通过原点iu>0——无源，反映耗能这种物理现象RR2外部特性概念——电路元件或电路某部分端口处电压与电流之间的关系外特性或伏安特性u=Ri

对电流呈现阻力的元件。其伏安关系用u～i平面的一条曲线来描述电工电子学(全)实验表明：在低频工作条件下，电阻器的电压电流关系是ui平面上通过坐标原点的一条直线。用晶体管特性图示仪测量二端电阻器的电压电流关系。电工电子学(全)实验表明：在低频工作条件下，晶体二极管的电压电流关系是ui平面上通过坐标原点的一条曲线。用晶体管特性图示仪测量晶体二极管的电压电流关系。电工电子学(全)3.功率和能量1)对于线性电阻元件，当激励的输出为恒定时，2)电阻元件描述实际耗电能设备，注意额定值

额定电流IN--耐热限度额定电压UN--耐压限度长时间工作的限额电工电子学(全)可用功率表示。从t到t0电阻消耗的能量：Riu+–4.电阻的开路与短路能量：

短路

开路ui电工电子学(全)分析与思考

某负载为一可变电阻器，由电压一定的蓄电池供电，当负载电阻增加时，该负载是增加了？还是减小了？电工电子学(全)解答

答：负载的增减指负载消耗的电功率的增减。负载消耗的电功率P=U2/RL,蓄电池电压一定即式中U不变，当RL增加时，P减小，故该负载减小了。电工电子学(全)

图示电路中的电源短路时,是烧坏电源还是烧坏照明灯?S2S1ⅠⅡ分析与思考电工电子学(全)

答：烧坏电源。因为这时所有负载均被短路，电流不通过负载，外电路的电阻可视为零，回路中仅有很小的电源内阻，故会有很大的电流通过电源，将电源烧坏。解答电工电子学(全)

常用的各种二端电阻器件

电阻器晶体二极管电工电子学(全)

电阻器红色金色银色黑色棕色红色橙色黄色绿色蓝色紫色灰色白色例：乘数×10

×102×103×104×105×106×107×108×109Ω

允许偏差

乘数

电阻器的色环第一条色环第二条色环乘数色环允许偏差色环电工电子学(全)电阻器是利用电阻系数较大的物质所作成的。工作方式可分为固定电阻（Fixedresistor）和可变电阻（Variableresistor）两大类。

1．固定电阻：固定电阻可依组成结构、制造方式的不同分为以下几种（1）炭膜电阻：（2）金属膜电阻：它是用一支瓷管上利用真空喷涂技术在上面喷涂一层炭膜，再将炭膜外层加工车成螺旋纹状，依照螺旋纹的多寡来定其电阻值，最后在外层加上一层保护膜披覆，是我们最常使用的制品。它是用一支瓷管上利用真空喷涂技术在上面喷涂一层金属膜，并在金属膜车上螺旋纹，内部构造与图2相同，只是将炭膜换成金属膜，并且于瓷棒两端度上贵金属，它的特色为稳定、低杂音、误差小及受温度影响小。电工电子学(全)（3）金属氧化膜电阻：（4）炭质电阻它是用一支高热传导的基材（陶瓷）上利用高温燃烧技术在上面烧附一层金属氧化薄膜，并在金属氧化薄膜车上螺旋纹，内部构造与图2相同，只是将炭膜换成金属氧化薄膜，并且于外层喷涂不然性涂料，它的特色为稳定、低杂音及受温度影响小。它是利用石墨、碳等较大的电阻系数物质加上胶合剂加压、加热成棒状，并在制造时植入导线电阻的大小依成分配置及碳棒粗细长短而定，制造成本最为低廉。电工电子学(全)（5）线绕电阻：上述电阻都不能承受大功率的消耗，因此若要使用于大功率时就必须用线绕电阻。构造如图9所示它是在一只瓷管上以合金线（铁、镍……）绕制而成，外层涂装硅利康树脂或不燃性涂料。另外还有方形线绕电阻器，它是将线绕电阻器放入长方形的瓷框内，用特殊的不燃耐热水泥充填密封而成，这种电阻我们也称它为水泥电阻。电工电子学(全)§1.2.2电容元件(capacitor)电容器_q+q在外电源作用下，两极板上分别带上等量异号电荷，撤去电源，板上电荷仍可长久地集聚下去，是一种储存电能的部件。1.定义电容元件储存电能的元件。其特性可用u～q平面上的一条曲线来描述qu库伏特性电工电子学(全)任何时刻，电容元件极板上的电荷q与电流u成正比。q~u特性是过原点的直线

电路符号2.线性定常电容元件C＋－u+q-q

C称为电容器的电容,单位：F(法)(Farad，法拉),常用F，pF等表示。quO

单位电工电子学(全)

线性电容的电压、电流关系C＋－uiu、i

取关联参考方向电容元件VCR的微分关系表明：

i的大小取决于u

的变化率,与u的大小无关，电容是动态元件；(2)当u为常数(直流)时，i=0。电容相当于开路，电容有隔断直流作用；实际电路中通过电容的电流

i为有限值，则电容电压u

必定是时间的连续函数.电工电子学(全)

电容元件有记忆电流的作用，故称电容为记忆元件（1）当u，i为非关联方向时，上述微分和积分表达式前要冠以负号

;（2）上式中u(t0)称为电容电压的初始值，它反映电容初始时刻的储能状况，也称为初始状态。

电容元件VCR的积分关系表明注电工电子学(全)关于电容电压增量△v在t时刻在t+△t时刻

当|i(t)|≤M（M为有限常数），△t→0时△v→0，这说明只要电流是有界函数，电压就是连续函数，即电容电压值是不会发出跳变的。∵v(t)是连续的∴v(0+)=v(0-)=0电工电子学(全)3.电容的功率和储能当电容充电，u>0，du/dt>0，则i>0，q

，p>0,电容吸收功率。当电容放电，u>0，du/dt<0，则i<0，q

，p<0,电容发出功率.

功率表明

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，因此电容元件是无源元件、是储能元件，它本身不消耗能量。u、i取关联参考方向电工电子学(全)（1）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；（2）电容储存的能量一定大于或等于零。从t0到t

电容储能的变化量：

电容的储能表明电工电子学(全)例＋－C0.5Fi求电流i、功率P(t)和储能W(t)21t/s20u/V电源波形解uS(t)的函数表示式为:解得电流21t/s1i/A-1电工电子学(全)21t/s20p/W-221t/s10WC/J吸收功率释放功率电工电子学(全)21t/s1i/A-1若已知电流求电容电压，有电工电子学(全)4.电容的实物图电工电子学(全)钼电解电容器薄膜电容器瓷介电容器陶瓷贴片电工电子学(全)§1.2.3电感元件(inductor)i(t)+-u(t)电感器把金属导线绕在一骨架上构成一实际电感器，当电流通过线圈时，将产生磁通，是一种储存磁能的部件（t)＝N(t)1.定义电感元件储存磁能的元件。其特性可用～i平面上的一条曲线来描述i韦安特性实际线圈的理想化模型，假想由无阻导线绕制而成电工电子学(全)任何时刻，通过电感元件的电流i与其磁链

成正比。~i特性是过原点的直线

电路符号2.线性定常电感元件L

称为电感器的自感系数,L的单位：H(亨)(Henry，亨利)，常用H，mH表示。iO+-u(t)iL

单位电工电子学(全)

线性电感的电压、电流关系u、i

取关联参考方向电感元件VCR的微分关系表明：(1)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；(2)当i为常数(直流)时，u=0。电感相当于短路；实际电路中电感的电压

u为有限值，则电感电流i

不能跃变，必定是时间的连续函数.+-u(t)iL根据电磁感应定律与楞次定律电工电子学(全)

电感元件有记忆电压的作用，故称电感为记忆元件（1）当u，i为非关联方向时，上述微分和积分表达式前要冠以负号

;（2）上式中i(t0)称为电感电流的初始值，它反映电感初始时刻的储能状况，也称为初始状态。

电感元件VCR的积分关系表明注电工电子学(全)3.电感的功率和储能当电流增大，i>0，di/dt>0，则u>0，，p>0,电感吸收功率。当电流减小，i>0，di/dt<0，则u<0，，p<0,电感发出功率。

功率表明

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，因此电感元件是无源元件、是储能元件，它本身不消耗能量。u、i取关联参考方向电工电子学(全)（1）电感的储能只与当时的电流值有关，电感电流不能跃变，反映了储能不能跃变；（2）电感储存的能量一定大于或等于零。从t0到t

电感储能的变化量：

电感的储能表明电工电子学(全)电容元件与电感元件的比较：电容C电感L变量电流i磁链关系式电压u

电荷q

(1)元件方程的形式是相似的；(2)若把u-i，q-，C-L，

i-u互换,可由电容元件的方程得到电感元件的方程；(3)C和L称为对偶元件,、q等称为对偶元素。*显然，R、G也是一对对偶元素:I=U/R

U=I/GU=RII=GU结论电工电子学(全)4.电感器的实物图电工电子学(全)§1.3

独立电源元件

其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。

电路符号1.理想电压源

定义i+_电工电子学(全)

电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；与流经它的电流方向、大小无关。

通过电压源的电流由电源及外电路共同决定。

理想电压源的电压、电流关系ui伏安关系例Ri-+外电路电压源不能短路！电工电子学(全)电压源的功率电场力做功，电源吸收功率。（1）电压、电流的参考方向非关联；物理意义：+_iu+_+_iu+_电流（正电荷）由低电位向高电位移动，外力克服电场力作功电源发出功率。发出功率，起电源作用（2）电压、电流的参考方向关联；物理意义：吸收功率，充当负载或：发出负功电工电子学(全)例+_i+_+_10V5V计算图示电路各元件的功率。解发出发出吸收满足：P（发）＝P（吸）电工电子学(全)

实际电压源也不允许短路。因其内阻小，若短路，电流很大，可能烧毁电源。usuiO

实际电压源i+_u+_考虑内阻伏安特性一个好的电压源要求电工电子学(全)

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无关的元件叫理想电流源。

电路符号2.理想电流源

定义u+_(1)电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关；与它两端电压方向、大小无关

电流源两端的电压由电源及外电路共同决定

理想电流源的电压、电流关系ui伏安关系电工电子学(全)例外电路电流源不能开路！Ru-+实际电流源的产生可由稳流电子设备产生，如晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的电流等。电工电子学(全)电流源的功率（1）电压、电流的参考方向非关联；发出功率，起电源作用（2）电压、电流的参考方向关联；吸收功率，充当负载或：发出负功u+_u+_电工电子学(全)例计算图示电路各元件的功率。解发出发出满足：P（发）＝P（吸）i+_u+_2A5V电工电子学(全)

实际电流源也不允许开路。因其内阻大，若开路，电压很高，可能烧毁电源。isuiO

实际电流源考虑内阻伏安特性一个好的电流源要求u+_i电工电子学(全)三、实际电源1．实验

2．伏安特性US

IR实际电源U+

_

I(A)

U(V)

0

U=US-RSI

IS

U=U1+U2_

+

USRS

电压源模型RS

I=I1+I2U+

_

I开路电压短路电流电流源模型

电压源模型

电流源模型理想电压源与电阻的串联理想电流源与电阻的并联(开路电压)(短路电流)I

U+

_

+

_

IS

电工电子学(全)四电压源和电流源的串联和并联1.理想电压源的串联和并联相同的电压源才能并联,电源中的电流不确定。º串联等效电路+_uSº+_uS2+_+_uS1ºº+_uS注意参考方向等效电路并联uS1+_+_IººuS2电工电子学(全)+_uS+_iuRuS2+_+_uS1+_iuR1R2

电压源与支路的串、并联等效uS+_I任意元件u+_RuS+_Iu+_对外等效！电工电子学(全)2.理想电流源的串联并联相同的理想电流源才能串联,每个电流源的端电压不能确定

串联

并联iSººiS1iS2iSnººiS等效电路注意参考方向iiS2iS1等效电路电工电子学(全)

电流源与支路的串、并联等效iS1iS2ººiR2R1+_u等效电路RiSººiSºº任意元件u_+等效电路iSººR对外等效！电工电子学(全)五、电压源和电流源的等效变换

实际电压源、实际电流源两种模型可以进行等效变换，所谓的等效是指端口的电压、电流在转换过程中保持不变。u=uS

–Ri

ii=iS

–Giui=uS/Ri

–u/Ri比较可得等效的条件：iS=uS/RiGi=1/RiiGi+u_iSi+_uSRi+u_实际电压源实际电流源端口特性电工电子学(全)由电压源变换为电流源：转换转换由电流源变换为电压源：i+_uSRi+u_iGi+u_iSiGi+u_iSi+_uSRi+u_电工电子学(全)(2)等效是对外部电路等效，对内部电路是不等效的。注意开路的电流源可以有电流流过并联电导Gi

。电流源短路时