電工電子學(xué)電路基本概念

1、電工電子學(xué)電路基本概念2 1.1 電路的作用和組成電路的作用和組成 電路是由各種電路元件相互聯(lián)結(jié)而構(gòu)成的電流的通路。電路的種類繁多，用途各異。 1.1.1 電路的作用電路的作用 1電路能夠?qū)崿F(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換這一類典型應(yīng)用是電力系統(tǒng)。其電路示意圖如圖所示。 這一類電路的作用主要是以較高的效率傳輸電能和分配電能，這類電路一般電壓較高，電流和功率較大，習(xí)慣上常稱為“”電路。圖1.1.1 電能的傳輸和轉(zhuǎn)換3 2.電路能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的傳遞和處理以收音機(jī)電路為例。其電路示意圖如圖所示圖1.1.2 信號(hào)的傳遞和處理這一類電路的作用主要是盡可能準(zhǔn)確地傳遞和處理信號(hào)，這類電路通常電壓較低，電流和功率較小，習(xí)慣上

2、常稱為“弱電”電路。4 1.1.2 電路的組成電路的組成 實(shí)際電路是為了某一目的需要而將實(shí)際電路元件相互聯(lián)結(jié)而成。不論其結(jié)構(gòu)和作用如何，均可看成由實(shí)際的電源、負(fù)載和中間環(huán)節(jié)（傳輸和轉(zhuǎn)換電能與傳遞和處理電信號(hào)）這三個(gè)基本部分組成。 實(shí)際電路元件的電磁性質(zhì)比較復(fù)雜，難以用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)它的物理特性。為了便于對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行分析，可將實(shí)際電路元件理想化（或稱模型化），即在一定條件下突出其主要的電磁性質(zhì)，忽略其次要因素，將其近似地看做理想電路元件。由一些理想電路元件組成的電路，就是實(shí)際電路的電路模型。通常把理想電路元件稱為元件，將電路模型簡(jiǎn)稱為電路。 電路分析中，把作用在電路上的電源或信號(hào)源的電壓或

3、電流稱為激勵(lì)，也叫做輸入，它推動(dòng)電路工作，把由于激勵(lì)在電路各部分產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)，也叫做輸出。所謂電路分析，就是在已知電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)的條件下，討論電路的激勵(lì)與響應(yīng)之間的關(guān)系。5 1.2 電路的基本物理量電路的基本物理量 1.2.1 電流及其參考方向電流及其參考方向 電流是由電荷有規(guī)則的定向流動(dòng)形成的。電流強(qiáng)度等于單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體某截面的電量，用字母 i表示，即 （） dtdqi6 習(xí)慣上規(guī)定正電荷移動(dòng)的方向作為電流的實(shí)際方向。在電路分析時(shí)，電流的實(shí)際方向有時(shí)難以確定，因而可以任意選定一個(gè)方向作為電流的參考方向（也稱為正方向），并在電路中用箭頭標(biāo)出，如圖所示，然后根據(jù)所假定的電流參

4、考方向列寫電路方程求解。因?yàn)樗x的電流的參考方向并不一定與電流的實(shí)際方向一致，如果計(jì)算結(jié)果為正，則表示電流的實(shí)際方向與參考方向相同；如果計(jì)算結(jié)果為負(fù)，則表示電流的實(shí)際方向與參考方向相反。 圖1.2.1 電流的參考方向7 1.2.2 電壓和電動(dòng)勢(shì)及其參考方向電壓和電動(dòng)勢(shì)及其參考方向電場(chǎng)力把單位正電荷從電路中一點(diǎn)移到另一點(diǎn)所作的功，叫做這兩點(diǎn)間的電壓。即 （）電壓的實(shí)際方向規(guī)定為由高電位端指向低電位端。與電流的參考方向類似，可以任意選取電壓的參考方向。當(dāng)實(shí)際方向與參考方向相同時(shí)，電壓為正值；當(dāng)實(shí)際方向與參考方向相反時(shí)，電壓為負(fù)值。如圖所示。 （a）u0 (b) u0圖1.2.2.電壓的參考方向dq

5、dwu8電動(dòng)勢(shì)描述了電源中外力做功的能力，它的大小等于外力在電源內(nèi)部克服電場(chǎng)力把單位正電荷從負(fù)極移到正極所做的功。它的實(shí)際方向是在電源內(nèi)部由負(fù)極指向正極，如圖所示。圖1.2.3 電壓和電動(dòng)勢(shì)參考方向9 1.2.3 電功率電功率在電路中，有的元件吸收電能，并將電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量；有的元件是將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電能，即元件向電路提供電能。電功率簡(jiǎn)稱為功率，它描述電路元件中電能變換的速度，其值為單位時(shí)間內(nèi)元件所吸收或輸出的電能，即 （）uidtdwp在電壓和電流的關(guān)聯(lián)參考方向下，計(jì)算出的功率為正值，表示該元件吸收功率；若為負(fù)值，則表示輸出功率。若在非關(guān)聯(lián)參考方向下，則相反。10【例例】確定圖

6、所示電路中各元件上的電流、電壓和功率，并指出是吸收功率還是輸出功率。 圖1.2.5 例的電路11 解： 輸出功率 吸收功率 吸收功率A2 . 030201021RREIV42 . 02011IRUV62 . 03022 IRUW22 . 010E EIPW8 . 02 . 0411IUPW2 . 12 . 0622IUP12 1.3 電阻、電容和電感元件電阻、電容和電感元件 1.3.1 電阻元件電阻元件反映電能消耗的電路參數(shù)叫電阻。電阻元件的電路符號(hào)如圖所示。 圖1.3.1 電阻元件電阻元件上電壓和電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。13在關(guān)聯(lián)參考方向下，線性電阻元件兩端的電壓 和流過(guò)它的電流 之間的

7、關(guān)系遵循歐姆定律 （）電阻元件要消耗電能，是一個(gè)耗能元件。電阻吸收（消耗）的功率為 （）從t1到t2的時(shí)間內(nèi)，電阻元件吸收的能量為 （）iRu RuRiuip22dtRiWtt21214 1.3.2 電容元件電容元件電容元件簡(jiǎn)稱為電容。電容元件的電路符號(hào)如圖所示。 圖1.3.2 電容元件對(duì)于電容元件，在任一時(shí)刻它所存儲(chǔ)的電荷與其端電壓之間的關(guān)系稱為庫(kù)伏特性。線性電容元件庫(kù)伏特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 （）Cuq 15在電容電壓和電流為關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，由電流的定義 （）當(dāng)電容元件上的初始電壓為零時(shí)，則有 （）電容元件是一個(gè)儲(chǔ)能元件，當(dāng)電容的兩端電壓為 時(shí)，它所儲(chǔ)存的電場(chǎng)能（量）為 （）dtduCdtdq

8、itidtCu01221CuW 16 1.3.3 電感元件電感元件電感元件簡(jiǎn)稱為電感。電感元件的電路符號(hào)如圖所示。圖電感元件對(duì)于電感元件，在任一時(shí)刻它的磁鏈與它的電流之間的關(guān)系稱為韋安關(guān)系。線性電感元件韋安特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 （）Li17電感元件的特性，是由韋安特性描述的。但在電路分析中，更感興趣的是電感元件的伏安關(guān)系。當(dāng)通過(guò)電感元件的電流發(fā)生變化時(shí)，磁鏈也相應(yīng)發(fā)生變化，此時(shí)電感線圈內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) ，通常規(guī)定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 的參考方向與磁場(chǎng)線的參考方向符合右手螺旋定則，在此規(guī)定下，便可得到自感電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式 （）因此電感線圈兩端的電壓為 （）當(dāng)電感元件上初始電流為零時(shí)，則有 （）電感元件是一個(gè)

9、儲(chǔ)能元件。當(dāng)流過(guò)電感元件的電流為 時(shí)，它所儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能（量）為 （）dtdiLdtdedtdiLeutudtLi01221LiW18 1.4 電源元件電源元件 1.4.1 獨(dú)立電源獨(dú)立電源能夠獨(dú)立向外電路提供能量的電源稱為獨(dú)立電源。獨(dú)立電源按照其特性的不同可以分為電壓源和電流源。1理想電源理想電源是實(shí)際電源的理想化模型。理想電源分為理想電壓源和理想電流源兩種。理想電壓源能向負(fù)載提供一個(gè)恒定值的電壓直流電壓 或按某一特定規(guī)律隨時(shí)間變化的交流電壓 （其幅值、頻率不變），因此又稱為恒壓源。如圖所示。恒壓源有兩個(gè)重要特點(diǎn)：一是恒壓源兩端的電壓與流過(guò)電源的電流無(wú)關(guān)；二是恒壓源輸出電流的大小取決于恒壓源所

10、聯(lián)結(jié)的外電路。SUSU（a）圖形符號(hào) （b）伏安特性圖1.4.1 理想電壓源19理想電流源能向負(fù)載提供一個(gè)恒定值的電流直流電流 或按某一特定規(guī)律隨時(shí)間變化的交流電流 （其幅值、頻率不變），因此又稱為恒流源。如圖所示。恒流源有兩個(gè)重要特點(diǎn)：一是恒流源輸出電流與恒流源的端電壓無(wú)關(guān)；二是恒流源的端電壓取決于與恒流源相聯(lián)結(jié)的外電路。（a）圖形符號(hào) （b）伏安特性圖1.4.2 理想電流源20一個(gè)實(shí)際的電源一般不具有理想電源的特性，實(shí)際電源不僅產(chǎn)生電能，同時(shí)本身還要消耗電能，因此實(shí)際電源的電路模型通常由表征產(chǎn)生電能的電源元件和表征消耗電能的電阻元件組合而成。電壓源模型是用理想電壓源與電阻串聯(lián)來(lái)表示實(shí)際電源

11、，如圖所示，其中 是一個(gè)理想電壓源的輸出電壓，其數(shù)值等于實(shí)際電源的電動(dòng)勢(shì)； 為電源的內(nèi)阻。可見，實(shí)際電壓源的輸出電壓 與輸出電流 有關(guān)。 （）IRUU0S （a）電壓源電路 （b）伏安特性圖1.4.3 實(shí)際電源的電壓源模型21電流源模型是用理想電流源與電阻并聯(lián)來(lái)表示實(shí)際電源。如圖所示，其中 是理想電流源的輸出電流， 是電源的內(nèi)阻?？梢?，實(shí)際電流源的輸出電流 與電源端電壓 有關(guān)。 （）0SRUII（a）電流源電路 （b）伏安特性圖1.4.4 實(shí)際電源的電流源模型22電路中還有另外一種電源，電壓源的電壓和電流源的電流，是受電路中其它部分的電壓或電流控制的，這種電源稱為受控電源。受控電源有受控電壓源

12、和受控電流源之分。受控電壓源和受控電流源又都可分為是受電壓控制的還是受電流控制的兩種。所以，受控電源又可分為電壓控制電壓源（VCVS）、電流控制電壓源(CCVS)、電壓控制電流源(VCCS)、電流控制電流源(CCCS)四種類型。四種理想受控電源的模型如圖所示。 、 為控制量， 、 、 、 稱為控制系數(shù)。其中 和 無(wú)量綱， 具有電導(dǎo)的量綱， 具有電阻的量綱。1U1Igrgr（a）VCVS （b）CCVS（c）VCCS （d）CCCS圖1.4.5 理想受控電源模型231.5 1.5 電路的工作狀態(tài)電路的工作狀態(tài) (a) (b) (c) 圖1.5.1 電路的有載、開路和短路狀態(tài)1.5.1 有載狀態(tài)有

13、載狀態(tài)將圖（a）中的開關(guān)S合上。電源與負(fù)載接通，電路則處于有載狀態(tài)。電路中的電流為 （）負(fù)載電阻兩端的電壓為則有 （）RREI0RIUIREU024由此可見，電源端電壓小于電動(dòng)勢(shì)，差值為電源內(nèi)阻電壓降 。電流愈大， 愈大，電源端電壓下降愈多。表示電源端電壓 與輸出電流 之間關(guān)系的伏安特性曲線稱為電源的外特性曲線。如圖所示。圖1.5.2 電源的外特性曲線電源輸出的功率為 （）即 式中： 是電源產(chǎn)生的功率； 是電源內(nèi)部損耗在內(nèi)阻 上的功率。在一個(gè)電路中，電源產(chǎn)生的功率之和等于電路中所消耗的功率之和。200)(IREIIIREUIPPPPEEIP E20IRP 0R25【例例】 圖所示電路中，已知各

14、元件的端電壓和通過(guò)的電流。（1）試指出哪些元件是電源，哪些元件是負(fù)載？（2）檢驗(yàn)功率的平衡關(guān)系。 圖1.5.3 例的電路26解：（1）在所有元件中，只有1號(hào)元件電流是從其高電位端流出，可見該元件是電源元件，輸出功率，其余的元件均為負(fù)載，吸收功率。（2）1號(hào)元件輸出功率為其余的元件吸收功率為兩者功率平衡。W3606601PW3602448288212412648432PPP27 1.5.2 開路狀態(tài)開路狀態(tài)在圖（b）所示電路中，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電路則處于開路狀態(tài)，即空載狀態(tài)，開路時(shí)外電路的電阻對(duì)電源來(lái)說(shuō)等于無(wú)窮大，因此電路中電流為零。此時(shí)負(fù)載上的電壓、電流和功率都為零。電源端電壓為此時(shí)的端電壓叫做

15、電源的開路電壓，用 表示。 （）開路時(shí)，因電流為零，電源不輸出功率。 1.5.3 短路狀態(tài)短路狀態(tài)在圖（c）所示電路中，當(dāng)由于某種原因而使電源兩端直接搭接時(shí)，電路則處于短路狀態(tài)。短路時(shí)，外電路的電阻對(duì)電源來(lái)講為零。電源自成回路，電流不再流經(jīng)負(fù)載，其電流為因 R0很小，所以電流很大，此時(shí)的電流叫做電源的短路電流。用Is 表示，有EIREU0oUEUUo0REI 0SREII28 1.6 電路的基本定律電路的基本定律 1.6.1 歐姆定律歐姆定律對(duì)一個(gè)線性電阻元件而言，流過(guò)電阻的電流與電阻兩端的電壓成正比，這就是歐姆定律。在圖所示標(biāo)定的電壓、電流參考方向下，歐姆定律可用下式表示。 （）IUR 圖1

16、.6.1 歐姆定律29 1.6.2 基爾霍夫定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律。1. 基爾霍夫電流定律基爾霍夫電流定律又稱基爾霍夫第一定律，簡(jiǎn)記為KCL，它描述了電路中結(jié)點(diǎn)處各支路電流之間的約束關(guān)系，其表達(dá)式為 （）即對(duì)電路中的任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)，其任一時(shí)刻的電流的代數(shù)和等于零。換句話說(shuō)，對(duì)任一結(jié)點(diǎn)，在任一時(shí)刻，流出該結(jié)點(diǎn)的電流之和等于流入該結(jié)點(diǎn)的電流之和。電流定律體現(xiàn)的是電流的連續(xù)性。0I30 2. 基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律又稱基爾霍夫第二定律。簡(jiǎn)記為KVL，它描述了一個(gè)回路中各支路電壓或元件電壓之間的約束關(guān)系。其表達(dá)式為 （）即對(duì)于電路中的任一回路，在任一時(shí)刻，按一定方向沿著回路循行一周，回路中所有支路電壓或元件電壓的代數(shù)和為零?！纠?寫出圖所示電路中電壓 的表達(dá)式。（a） （b） 圖1.6.7 例的電路 0U31解：首先列出有部分電路構(gòu)成的廣義回路的KVL方程，然后求出 。對(duì)圖（a）可以列出 即 對(duì)圖（b）選擇電阻 支路來(lái)列寫KVL方程。由KCL 因此有 即 0UERIRIEUIIISR0)(SUIIRRIRIUS32 1.7