電工學(xué)之電路理論

電工技術(shù)湖北大學(xué)計(jì)信系電工技術(shù)課程：電工技術(shù)學(xué)時(shí)：36學(xué)時(shí)（講授）教材：電工學(xué)（第7版，秦曾煌編著任課教師：諶雨章（Dr.YuzhangChen）QQ：49479485一、本課程性質(zhì)專業(yè)基礎(chǔ)課啟后：模電，數(shù)電概述電子技術(shù)的課程體系理論基礎(chǔ)： 電工技術(shù)、 信號(hào)與線性系統(tǒng)同步課程：數(shù)字電子技術(shù)（數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)）后續(xù)課程： 微機(jī)原理（計(jì)算機(jī)類課程）、高頻電路 （通信類課程）等模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)是電子信息類各專業(yè)的重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，對(duì)于繼續(xù)學(xué)習(xí)有關(guān)專業(yè)課程（通信類、計(jì)算機(jī)類、控制類、測(cè)量類、電力電子類）有著重要的影響。本課程性質(zhì)電子技術(shù)：理論、公式、技能工程性：可行性、近似分析、模型化實(shí)踐性：電子儀器、電子電路測(cè)試、故障分析排查、仿真方法第一章電路基本定律第二章電路分析方法第三章電路暫態(tài)分析第四章正弦交流電路第五章三相交流電路第六章磁路與鐵心線圈電路第七章交流電動(dòng)機(jī)第八章繼電接觸器控制系統(tǒng)二、本課程內(nèi)容三、學(xué)習(xí)目的和方法專業(yè)基礎(chǔ)課結(jié)合授課內(nèi)容，理解課本；通過(guò)例題，理解公式；通過(guò)練習(xí)題，熟悉理論和方法；通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程，熟悉基本電路考試電子系統(tǒng)描述電子系統(tǒng)的基本知識(shí)由若干相互聯(lián)結(jié)，相互作用的基本電路組成的，具有特定功能的電路整體，稱為電子系統(tǒng)。

基本電路：構(gòu)成電子系統(tǒng)的基本元素相互作用：基本電路以各自功能互相補(bǔ)充特定功能：電子系統(tǒng)本身是專有的整體：用系統(tǒng)的觀點(diǎn)來(lái)考察整體電路電子系統(tǒng)信號(hào)提取信號(hào)預(yù)處理信號(hào)加工信號(hào)執(zhí)行

AD轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)數(shù)字電路DA轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)的基本處理：放大溫度傳感（輸入）信號(hào)放大信號(hào)濾波控制執(zhí)行（輸出）功率放大數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)字邏輯電路模數(shù)轉(zhuǎn)換恒溫裝置模擬小信號(hào)電路數(shù)字電路非電子物理系統(tǒng)模擬大信號(hào)電路電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)的基本知識(shí)溫度控制電子系統(tǒng)的組成框圖基本單元電路功能描述輸入電路：非電子物理系統(tǒng)與電子系統(tǒng)的接口小信號(hào)放大電路：放大信號(hào)到所要求的電平濾波電路：對(duì)信號(hào)的時(shí)域或頻域特性加以改變數(shù)字與模擬接口電路：包括模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)字邏輯電路：數(shù)字信號(hào)的處理電路功率放大電路：放大信號(hào)到所要求的功率信號(hào)產(chǎn)生電路：產(chǎn)生必要的波形電源電路：提供電子系統(tǒng)的能源供應(yīng)主要單元電路有：第1章電路的基本概念與基本定律1.1電路的作用與組成部分1.2電路模型1.3電壓和電流的參考方向1.4歐姆定律1.5電源有載工作、開(kāi)路與短路1.6基爾霍夫定律1.7電路中電位的概念及計(jì)算本章要求:1.理解電壓與電流參考方向的意義；2.理解電路的基本定律并能正確應(yīng)用；3.了解電路的有載工作、開(kāi)路與短路狀態(tài)，理解電功率和額定值的意義；4.會(huì)計(jì)算電路中各點(diǎn)的電位。第1章電路的基本概念與基本定律1.1電路的作用與組成部分

(1)實(shí)現(xiàn)電能的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換(電力系統(tǒng))(2)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞與處理（擴(kuò)音機(jī)）放大器揚(yáng)聲器話筒1.電路的作用電路是電流的通路，是為了某種需要由電工設(shè)備或電路元件按一定方式組合而成。

發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器電燈電動(dòng)機(jī)電爐...輸電線2.電路的組成部分電源:

提供電能的裝置負(fù)載:取用電能的裝置中間環(huán)節(jié)：傳遞、分配和控制電能的作用發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器電燈電動(dòng)機(jī)電爐...輸電線直流電源直流電源:

提供能源負(fù)載信號(hào)源:

提供信息2.電路的組成部分放大器揚(yáng)聲器話筒電源或信號(hào)源的電壓或電流稱為激勵(lì)，它推動(dòng)電路工作；由激勵(lì)所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)。信號(hào)處理：放大、調(diào)諧、檢波等1.2電路模型手電筒的電路模型

為了便于用數(shù)學(xué)方法分析電路,一般要將實(shí)際電路模型化，用足以反映其電磁性質(zhì)的理想電路元件或其組合來(lái)模擬實(shí)際電路中的器件，從而構(gòu)成與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。例：手電筒手電筒由電池、燈泡、開(kāi)關(guān)和筒體組成。理想電路元件主要有電阻元件、電感元件、電容元件和電源元件等。+R0R開(kāi)關(guān)EI電珠+U干電池導(dǎo)線手電筒的電路模型電池是電源元件，其參數(shù)為電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻Ro；

燈泡主要具有消耗電能的性質(zhì)，是電阻元件，其參數(shù)為電阻R；

筒體用來(lái)連接電池和燈泡，其電阻忽略不計(jì)，認(rèn)為是無(wú)電阻的理想導(dǎo)體。

開(kāi)關(guān)用來(lái)控制電路的通斷。今后分析的都是指電路模型，簡(jiǎn)稱電路。在電路圖中，各種電路元件都用規(guī)定的圖形符號(hào)表示。+R0R開(kāi)關(guān)EI電珠+U干電池導(dǎo)線1.3電壓和電流的參考方向物理中對(duì)基本物理量規(guī)定的方向1.電路基本物理量的實(shí)際方向物理量實(shí)際方向電流I正電荷運(yùn)動(dòng)的方向電動(dòng)勢(shì)E

(電位升高的方向)

電壓U(電位降低的方向)高電位

低電位

單位kA、A、mA、μA低電位

高電位kV、V、mV、μVkV、V、mV、μV(2)參考方向的表示方法電流：Uab

雙下標(biāo)電壓：(1)參考方向I在分析與計(jì)算電路時(shí)，對(duì)電量任意假定的方向。Iab

雙下標(biāo)2.電路基本物理量的參考方向箭標(biāo)abRI正負(fù)極性+–abUU+_+R0E3V注意：在參考方向選定后,電流(或電壓)值才有正負(fù)之分。實(shí)際方向與參考方向一致，電流(或電壓)值為正值；實(shí)際方向與參考方向相反，電流(或電壓)值為負(fù)值。(3)實(shí)際方向與參考方向的關(guān)系I=0.28AI=–0.28A電動(dòng)勢(shì)為E=3V方向由負(fù)極指向正極；U++R0E3VU′+例:電路如圖所示。電流I的參考方向與實(shí)際方向相同，I=0.28A,由流向,反之亦然。電壓U′的參考方向與實(shí)際方向相反,U′=–2.8V;即:U

=–U′電壓U的參考方向與實(shí)際方向相同,U

=2.8V,方向由指向；2.8V–2.8V1.4歐姆定律U、I參考方向相同時(shí)U、I參考方向相反時(shí)RU+–IRU+–I

表達(dá)式中有兩套正負(fù)號(hào)：(1)式前的正負(fù)號(hào)由U、I參考方向的關(guān)系確定；(2)U、I值本身的正負(fù)則說(shuō)明實(shí)際方向與參考方向之間的關(guān)系。通常取U、I參考方向相同。U=IR

U=–IR解:對(duì)圖(a)有,U=IR例:應(yīng)用歐姆定律對(duì)下圖電路列出式子，并求電阻R。對(duì)圖(b)有,U=–IRRU6V+–2AR+–U6VI(a)(b)I–2A電流的參考方向與實(shí)際方向相反電壓與電流參考方向相反電路端電壓與電流的關(guān)系稱為伏安特性。遵循歐姆定律的電阻稱為線性電阻，它表示該段電路電壓與電流的比值為常數(shù)。I/AU/Vo線性電阻的伏安特性線性電阻的概念：線性電阻的伏安特性是一條過(guò)原點(diǎn)的直線。1.5電源有載工作、開(kāi)路與短路開(kāi)關(guān)閉合,接通電源與負(fù)載負(fù)載端電壓U=IR1.電壓電流關(guān)系1.5.1電源有載工作(1)

電流的大小由負(fù)載決定。(2)在電源有內(nèi)阻時(shí)，IU?；騏=E–IR0輸出電壓電源的外特性EUI0當(dāng)R0<<R時(shí)，則UE，表明當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，電源的端電壓變化不大，即帶負(fù)載能力強(qiáng)。R0ER+–I開(kāi)關(guān)閉合,接通電源與負(fù)載。負(fù)載端電壓U=IR1.5.1電源有載工作或U=E–IRoUI=EI–I2RoP=PE

–P負(fù)載取用功率電源產(chǎn)生功率內(nèi)阻消耗功率(3)電源輸出的功率由負(fù)載決定。負(fù)載大小的概念:

負(fù)載增加指負(fù)載取用的電流和功率增加(電壓一定)。R0ER+–I1.電壓電流關(guān)系2.功率與功率平衡3.電源與負(fù)載的判別U、I參考方向不同，P=UI

0，電源；P=UI

0，負(fù)載。U、I參考方向相同，P=UI0，負(fù)載；

P=UI

0，電源。

(1)根據(jù)U、I的實(shí)際方向判別(2)根據(jù)U、I的參考方向判別電源：U、I實(shí)際方向相反，即電流從“+”端流出，（發(fā)出功率）負(fù)載：

U、I實(shí)際方向相同，即電流從“-”端流出。（吸收功率）例:已知:電路中U=220V，I=5A，內(nèi)阻R01=R02=0.6。求:(1)電源的電動(dòng)勢(shì)E1和負(fù)載的反電動(dòng)勢(shì)E2；(2)說(shuō)明功率的平衡關(guān)系。R01E1UI+–+–R02E2+–解：(1)對(duì)于電源

U=E1-U1=E1-IR01即

E1=U

+IR01

=220+50.6=223V

U=E2+U2=E2+IR02即

E2=U

-IR01=220-50.6=217V(2)由上面可得，E1=E2+IR01+IR02等號(hào)兩邊同時(shí)乘以

I，則得

E1I

=E2I

+I2R01+I2R02代入數(shù)據(jù)有2235=2175+520.6+5+520.61115W=1085W+15W+15W。電氣設(shè)備的額定值額定值:電氣設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)的規(guī)定使用值1.額定值反映電氣設(shè)備的使用安全性；2.額定值表示電氣設(shè)備的使用能力。例：一只220V,60W的白熾燈,接在220V的電源上，試求通過(guò)電燈的電流和電燈在220V電壓下工作時(shí)的電阻。如果每晚工作3h(小時(shí))，問(wèn)一個(gè)月消耗多少電能?注意：電氣設(shè)備工作時(shí)的實(shí)際值不一定都等于其額定值，要能夠加以區(qū)別。解:通過(guò)電燈的電流為電氣設(shè)備的三種運(yùn)行狀態(tài)欠載(輕載)：I<IN

，P<PN(不經(jīng)濟(jì))

過(guò)載(超載)：

I>IN

，P>PN(設(shè)備易損壞)額定工作狀態(tài)：I=IN

，P=PN

(經(jīng)濟(jì)合理安全可靠)

在220V電壓下工作時(shí)的電阻一個(gè)月用電W=Pt=60W(330)h

=0.06kW90h

=5.4kW.h特征:開(kāi)關(guān)斷開(kāi)1.5.2電源開(kāi)路I=0電源端電壓(開(kāi)路電壓)負(fù)載功率U

=U0=EP

=01.開(kāi)路處的電流等于零；

I

=02.開(kāi)路處的電壓U視電路情況而定。電路中某處斷開(kāi)時(shí)的特征:I+–U有源電路IRoR+

-EU0+

-電源外部端子被短接1.5.3電源短路特征:電源端電壓負(fù)載功率電源產(chǎn)生的能量全被內(nèi)阻消耗掉短路電流（很大）U

=0

PE=P=I2R0P

=01.短路處的電壓等于零；

U

=02.短路處的電流I視電路情況而定。電路中某處短路時(shí)的特征:I+–U有源電路IRRo+

-E1.6基爾霍夫定律支路：電路中的每一個(gè)分支。一條支路流過(guò)一個(gè)電流，稱為支路電流。結(jié)點(diǎn)：三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)。回路：由支路組成的閉合路徑。I1I2I3123ba+-E2R2+-R3R1E11.6.1基爾霍夫電流定律(KCL定律)1．定律即:Ｉ入=

Ｉ出

在任一瞬間，流向任一結(jié)點(diǎn)的電流等于流出該結(jié)點(diǎn)的電流。實(shí)質(zhì):電流連續(xù)性的體現(xiàn)?；?代數(shù)和Ｉ=0對(duì)結(jié)點(diǎn)a：I1+I2=I3或I1+I2–I3=0基爾霍夫電流定律（KCL）反映了電路中任一結(jié)點(diǎn)處各支路電流間相互制約的關(guān)系。ba+-E2R2+-R3R1E1I1I2I3電流定律可以推廣應(yīng)用于包圍部分電路的任一假設(shè)的閉合面。2．推廣I=?例:I=0IA+IB+IC=02+_+_I51156V12VIAIBICAIBCIABACBIC廣義結(jié)點(diǎn)在任一瞬間，沿任一回路循行方向，回路中各段電壓的代數(shù)和恒等于零。1.6.2基爾霍夫電壓定律（KVL定律)1．定律即：U=0在任一瞬間，從回路中任一點(diǎn)出發(fā)，沿回路循行一周，則在這個(gè)方向上電位升之和等于電位降之和。對(duì)回路1：對(duì)回路2：

E1=I1R1+I3R3I2R2+I3R3=E2或I1R1+I3R3–E1=0或I2R2+I3R3–E2=012基爾霍夫電壓定律（KVL）反映了電路中任一回路中各段電壓間相互制約的關(guān)系。I1I2I3ba+-E2R2+-R3R1E11．列方程前標(biāo)注回路循行方向；

電位升=電位降E2=UBE+I2R2U=0

I2R2–E2+

UBE

=02．應(yīng)用

U=0列方程時(shí)，項(xiàng)前符號(hào)的確定：

如果規(guī)定電位降取正號(hào)，則電位升就取負(fù)號(hào)。3.開(kāi)口電壓可按回路處理

注意：1對(duì)回路1：E1UBEE+B+–R1+–E2R2I2_例：對(duì)回路

abda：對(duì)回路

acba：對(duì)回路

bcdb：R6I6R6–I3R3+I1R1=0I2R2–

I4R4–I6R6=0I4R4+I3R3–E=0對(duì)回路adbca，沿逆時(shí)針?lè)较蜓校酣CI1R1+I3R3+I4R4–I2R2=0應(yīng)用U=0列方程對(duì)回路cadc，沿逆時(shí)針?lè)较蜓校酣CI2R2–I1R1+E

=0adbcE–+R3R4R1R2I2I4I6I1I3I1.7電路中電位的概念及計(jì)算電位：電路中某點(diǎn)至參考點(diǎn)的電壓，記為“VX”

。

通常設(shè)參考點(diǎn)的電位為零。1.電位的概念電位的計(jì)算步驟:

(1)任選電路中某一點(diǎn)為參考點(diǎn)，設(shè)其電位為零；

(2)標(biāo)出各電流參考方向并計(jì)算；

(3)計(jì)算各點(diǎn)至參考點(diǎn)間的電壓即為各點(diǎn)的電位。某點(diǎn)電位為正，說(shuō)明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)高；某點(diǎn)電位為負(fù)，說(shuō)明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)低。2.舉例求圖示電路中各點(diǎn)的電位:Va、Vb、Vc、Vd

。解：設(shè)a為參考點(diǎn)，即Va=0VVb=Uba=–10×6=60VVc=Uca

=4×20=80VVd

=Uda=6×5=30V設(shè)b為參考點(diǎn)，即Vb=0VVa

=Uab=10×6=60VVc

=Ucb=E1=140VVd

=Udb=E2=90Vbac204A610AE290VE1140V56AdUab

=10×6=60VUcb

=E1=140VUdb

=E2=90VUab

=10×6=60