職業(yè)中學(xué)電工電子全部課程教案PPT通用課件

1、電工電子技術(shù)基礎(chǔ)主編 李中發(fā)制作 李中發(fā)2003年7月學(xué)習(xí)要點(diǎn)電流、電壓參考方向及功率計(jì)算常用電路元件的伏安特性基爾霍夫定律支路電流法與節(jié)點(diǎn)電壓法疊加定理與戴維南定理電路等效概念及其應(yīng)用分析電路過渡過程的三要素法第1章 電路分析方法第1章 電路分析方法1.1 電路基本物理量1.2 電路基本元件1.3 基爾霍夫定律1.4 電路分析方法1.5 電路定理1.6 電路過渡過程分析 電路分析的主要任務(wù)在于解得電路物理量，其中最基本的電路物理量就是電流、電壓和功率。1.1 電路基本物理量為了某種需要而由電源、導(dǎo)線、開關(guān)和負(fù)載按一定方式組合起來的電流的通路稱為電路。電路的主要功能：一：進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換、傳輸和

2、分配。二：實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞、存儲(chǔ)和處理。1.1.1 電流電荷的定向移動(dòng)形成電流。電流的大小用電流強(qiáng)度表示，簡稱電流。電流強(qiáng)度：單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體截面的電荷量。大寫 I 表示直流電流小寫 i 表示電流的一般符號(hào)正電荷運(yùn)動(dòng)方向規(guī)定為電流的實(shí)際方向。電流的方向用一個(gè)箭頭表示。任意假設(shè)的電流方向稱為電流的參考方向。 如果求出的電流值為正，說明參考方向與實(shí)際方向一致，否則說明參考方向與實(shí)際方向相反。1.1.2 電壓、電位和電動(dòng)勢 電路中a、b點(diǎn)兩點(diǎn)間的電壓定義為單位正電荷由a點(diǎn)移至b點(diǎn)電場力所做的功。 電路中某點(diǎn)的電位定義為單位正電荷由該點(diǎn)移至參考點(diǎn)電場力所做的功。 電路中a、b點(diǎn)兩點(diǎn)間的電壓等于a、b兩

3、點(diǎn)的電位差。電壓的實(shí)際方向規(guī)定由電位高處指向電位低處。與電流方向的處理方法類似，可任選一方向?yàn)殡妷旱膮⒖挤较蚶寒?dāng)ua =3V ub = 2V時(shí)u1 =1V最后求得的u為正值，說明電壓的實(shí)際方向與參考方向一致，否則說明兩者相反。u2 =1V 對(duì)一個(gè)元件，電流參考方向和電壓參考方向可以相互獨(dú)立地任意確定，但為了方便起見，常常將其取為一致，稱關(guān)聯(lián)方向；如不一致，稱非關(guān)聯(lián)方向。 如果采用關(guān)聯(lián)方向，在標(biāo)示時(shí)標(biāo)出一種即可。如果采用非關(guān)聯(lián)方向，則必須全部標(biāo)示。 電動(dòng)勢是衡量外力即非靜電力做功能力的物理量。外力克服電場力把單位正電荷從電源的負(fù)極搬運(yùn)到正極所做的功，稱為電源的電動(dòng)勢。 電動(dòng)勢的實(shí)際方向與電壓實(shí)

4、際方向相反，規(guī)定為由負(fù)極指向正極。1.1.3 電功率電場力在單位時(shí)間內(nèi)所做的功稱為電功率，簡稱功率。功率與電流、電壓的關(guān)系：關(guān)聯(lián)方向時(shí)：p =ui非關(guān)聯(lián)方向時(shí)：p =uip0時(shí)吸收功率，p0時(shí)放出功率。例：求圖示各元件的功率.（a）關(guān)聯(lián)方向，P=UI=52=10W，P0，吸收10W功率。（b）關(guān)聯(lián)方向，P=UI=5(2)=10W，P0，吸收10W功率。1.2 電路基本元件 常見的電路元件有電阻元件、電容元件、電感元件、電壓源、電流源。 電路元件在電路中的作用或者說它的性質(zhì)是用其端鈕的電壓、電流關(guān)系即伏安關(guān)系（VAR）來決定的。1.2.1 無源元件伏安關(guān)系（歐姆定律）：關(guān)聯(lián)方向時(shí)：u =Ri非關(guān)

5、聯(lián)方向時(shí)：u =Ri1電阻元件符號(hào)：功率：電阻元件是一種消耗電能的元件。伏安關(guān)系：2電感元件符號(hào)：電感元件是一種能夠貯存磁場能量的元件，是實(shí)際電感器的理想化模型。稱為電感元件的電感，單位是亨利（）。只有電感上的電流變化時(shí)，電感兩端才有電壓。在直流電路中，電感上即使有電流通過，但，相當(dāng)于短路。3電容元件電容元件是一種能夠貯存電場能量的元件，是實(shí)際電容器的理想化模型。伏安關(guān)系：符號(hào)：只有電容上的電壓變化時(shí)，電容兩端才有電流。在直流電路中，電容上即使有電壓，但，相當(dāng)于開路，即 電容具有隔直作用。C稱為電容元件的電容，單位是法拉（F）。1.2.2 有源元件1電壓源與電流源（1）伏安關(guān)系電壓源：u=uS

6、 端電壓為us，與流過電壓源的電流無關(guān)，由電源本身確定，電流任意，由外電路確定。電流源： i=iS流過電流為is，與電源兩端電壓無關(guān)，由電源本身確定，電壓任意，由外電路確定。（2）特性曲線與符號(hào)電壓源電流源2受控源（1）概念受控源的電壓或電流受電路中另一部分的電壓或電流控制。（2）分類及表示方法VCVS 電壓控制電壓源VCCS 電壓控制電流源CCVS 電流控制電壓源CCCS 電流控制電流源VCVSi1=0u2=u1CCVSu1=0u2=ri1VCCSi1=0i2=gu1CCCSu1=0i2=i1如采用關(guān)聯(lián)方向：p =u1i1 +u2i2=u2i2 （3）受控源的功率1.3 基爾霍夫定律電路中通

7、過同一電流的每個(gè)分支稱為支路。3條或3條以上支路的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。電路中任一閉合的路徑稱為回路。圖示電路有3條支路，2個(gè)節(jié)點(diǎn)，3個(gè)回路。1.3.1 基爾霍夫電流定律（KCL） 在任一瞬時(shí)，流入任一節(jié)點(diǎn)的電流之和必定等于從該節(jié)點(diǎn)流出的電流之和。 在任一瞬時(shí)，通過任一節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和恒等于零。表述一表述二可假定流入節(jié)點(diǎn)的電流為正，流出節(jié)點(diǎn)的電流為負(fù)；也可以作相反的假定。所有電流均為正。 KCL通常用于節(jié)點(diǎn)，但是對(duì)于包圍幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的閉合面也是適用的。例：列出下圖中各節(jié)點(diǎn)的KCL方程解：取流入為正以上三式相加： i1 i2i3 0 節(jié)點(diǎn)a i1i4i60節(jié)點(diǎn)b i2i4i50節(jié)點(diǎn)c i3i5i601.3

8、.2 基爾霍夫電壓定律（KVL）表述一表述二 在任一瞬時(shí)，在任一回路上的電位升之和等于電位降之和。 在任一瞬時(shí)，沿任一回路電壓的代數(shù)和恒等于零。電壓參考方向與回路繞行方向一致時(shí)取正號(hào)，相反時(shí)取負(fù)號(hào)。所有電壓均為正。 對(duì)于電阻電路，回路中電阻上電壓降的代數(shù)和等于回路中的電壓源電壓的代數(shù)和。 在運(yùn)用上式時(shí)，電流參考方向與回路繞行方向一致時(shí)iR前取正號(hào)，相反時(shí)取負(fù)號(hào)；電壓源電壓方向與回路繞行方向一致時(shí)us前取負(fù)號(hào)，相反時(shí)取正號(hào)。 KVL通常用于閉合回路，但也可推廣應(yīng)用到任一不閉合的電路上。例：列出下圖的KVL方程1.4 電路分析方法1.4.1 電阻的串聯(lián)及并聯(lián) 具有相同電壓電流關(guān)系（即伏安關(guān)系，簡寫

9、為VAR）的不同電路稱為等效電路，將某一電路用與其等效的電路替換的過程稱為等效變換。將電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡刃ё儞Q，可以使電路的分析計(jì)算得到簡化。1電阻的串聯(lián)n個(gè)電阻串聯(lián)可等效為一個(gè)電阻分壓公式兩個(gè)電阻串聯(lián)時(shí)2電阻的并聯(lián)n個(gè)電阻并聯(lián)可等效為一個(gè)電阻分流公式兩個(gè)電阻并聯(lián)時(shí)1.4.2 支路電流法 支路電流法是以支路電流為未知量，直接應(yīng)用KCL和KVL，分別對(duì)節(jié)點(diǎn)和回路列出所需的方程式，然后聯(lián)立求解出各未知電流。 一個(gè)具有b條支路、n個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路，根據(jù)KCL可列出（n1）個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)電流方程式，根據(jù)KVL可列出b(n1)個(gè)獨(dú)立的回路電壓方程式。圖示電路（2）節(jié)點(diǎn)數(shù)n=2，可列出21=1個(gè)獨(dú)立的KCL方程。

10、（1）電路的支路數(shù)b=3，支路電流有i1 、i2、 i3三個(gè)。（3）獨(dú)立的KVL方程數(shù)為3(21)=2個(gè)?；芈稩回路節(jié)點(diǎn)a 解得：i1=1A i2=1Ai10說明其實(shí)際方向與圖示方向相反。對(duì)節(jié)點(diǎn)a列KCL方程：i2=2+i1例：如圖所示電路，用支路電流法求各支路電流及各元件功率。解：2個(gè)電流變量i1和i2，只需列2個(gè)方程。對(duì)圖示回路列KVL方程：5i1+10i2=5各元件的功率： 5電阻的功率：p1=5i12=5(1)2=5W 10電阻的功率： p2=10i22=512=10W 5V電壓源的功率： p3=5i1=5(1)=5W 因?yàn)?A電流源與10電阻并聯(lián)，故其兩端的電壓為：u=10i2=10

11、1=10V，功率為：p4=2u=210=20W 由以上的計(jì)算可知，2A電流源發(fā)出20W功率，其余3個(gè)元件總共吸收的功率也是20W，可見電路功率平衡。例：如圖所示電路，用支路電流法求u、i。解：該電路含有一個(gè)電壓為4i的受控源，在求解含有受控源的電路時(shí)，可將受控源當(dāng)作獨(dú)立電源處理。對(duì)節(jié)點(diǎn)a列KCL方程： i2=5+i1對(duì)圖示回路列KVL方程：5i1+i2=4i1+10 由以上兩式解得： i1=0.5Ai2=5.5A電壓：u=i2+4i1=5.5+40.5=7.5V1.4.3 節(jié)點(diǎn)電壓法 對(duì)只有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路，可用彌爾曼公式直接求出兩節(jié)點(diǎn)間的電壓。彌爾曼公式： 式中分母的各項(xiàng)總為正，分子中各項(xiàng)的正

12、負(fù)符號(hào)為：電壓源us的參考方向與節(jié)點(diǎn)電壓uab的參考方向相同時(shí)取正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)；電流源is的參考方向與節(jié)點(diǎn)電壓uab的參考方向相反時(shí)取正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)。如圖電路，根據(jù)KCL有：i1+i2-i3-is1+is2=0設(shè)節(jié)點(diǎn)ab間電壓為uab，則有：因此可得：例：用節(jié)點(diǎn)電壓法求圖示電路中節(jié)點(diǎn)a的電位ua。解：求出ua后，可用歐姆定律求各支路電流。1.4.4 實(shí)際電源模型及其等效變換實(shí)際電源的伏安特性或 可見一個(gè)實(shí)際電源可用兩種電路模型表示：一種為電壓源Us和內(nèi)阻Ro串聯(lián)，另一種為電流源Is和內(nèi)阻Ro并聯(lián)。同一個(gè)實(shí)際電源的兩種模型對(duì)外電路等效，等效條件為：或且兩種電源模型的內(nèi)阻相等例：用電源模型等效

13、變換的方法求圖（a）電路的電流i1和i2。解：將原電路變換為圖（c）電路，由此可得：1.5 電路定理1.5.1 疊加定理在任何由線性電阻、線性受控源及獨(dú)立源組成的電路中，每一元件的電流或電壓等于每一個(gè)獨(dú)立源單獨(dú)作用于電路時(shí)在該元件上所產(chǎn)生的電流或電壓的代數(shù)和。這就是疊加定理。說明：當(dāng)某一獨(dú)立源單獨(dú)作用時(shí)，其他獨(dú)立源置零。例：求 I解：應(yīng)用疊加定理R12AIR24VR1R22A22IR1R2I4V1.5.2 戴維南定理對(duì)外電路來說，任何一個(gè)線性有源二端網(wǎng)絡(luò)，都可以用一條含源支路即電壓源和電阻串聯(lián)的支路來代替，其電壓源電壓等于線性有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓uOC，電阻等于線性有源二端網(wǎng)絡(luò)除源后兩端間的

14、等效電阻Ro。這就是戴維南定理。NabusRoab+例：用戴維南定理求圖示電路的電流I。解：(1)斷開待求支路，得有源二端網(wǎng)絡(luò)如圖(b)所示。由圖可求得開路電壓UOC為：(2)將圖(b)中的電壓源短路，電流源開路，得除源后的無源二端網(wǎng)絡(luò)如圖(c)所示，由圖可求得等效電阻Ro為：(3)根據(jù)UOC和Ro畫出戴維南等效電路并接上待求支路，得圖(a)的等效電路，如圖(d)所示，由圖可求得I為：1.6 電路過渡過程分析1.6.1 過渡過程與換路定理1過渡過程過渡過程：電路從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，電壓、電流等物理量經(jīng)歷一個(gè)隨時(shí)間變化的過程。條件：電路結(jié)構(gòu)或參數(shù)的突然改變。產(chǎn)生過渡過程的原因：能

15、量不能躍變。2換路定理換路：電路工作條件發(fā)生變化，如電源的接通或切斷，電路連接方法或參數(shù)值的突然變化等稱為換路。換路定理：電容上的電壓uC及電感中的電流iL在換路前后瞬間的值是相等的，即：必須注意：只有uC 、 iL受換路定理的約束而保持不變，電路中其他電壓、電流都可能發(fā)生躍變。例：圖示電路原處于穩(wěn)態(tài)，t=0時(shí)開關(guān)S閉合，求初始值uC(0+)、iC(0+)和u(0+)。解：由于在直流穩(wěn)態(tài)電路中，電感L相當(dāng)于短路、電容C相當(dāng)于開路，因此t=0-時(shí)電感支路電流和電容兩端電壓分別為：在開關(guān)S閉合后瞬間，根據(jù)換路定理有： 由此可畫出開關(guān)S閉合后瞬間即時(shí)的等效電路，如圖所示。由圖得：u(0+)可用節(jié)點(diǎn)電壓法由t=0+時(shí)的電路求出，為：1.6.2 RC電路的過渡過程分析1電容充電過程分析 圖示電路，電容C無初始儲(chǔ)能，uC(0+)=0V，t=0時(shí)開關(guān)S閉合，電源對(duì)電容充電，從而產(chǎn)生過渡過程。根據(jù)KVL，得回路電壓方程為：從而得微分方程：而:解微分方程，得： 可見只要知道uC(0+)、uC()和三個(gè)要素，即可求出uC。這種利用三要素來求解一階線性微分方程解的方法稱為三要素法。 式中uC(0+)、uC