《電工電子技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用實(shí)踐》課件 第1章 電路基礎(chǔ)

《電工電子技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐》

第一章電路基礎(chǔ)本章內(nèi)容§1電路的組成與作用§2電路模型§3歐姆定律§4基爾霍夫定律§5電路中電位的概念及計(jì)算§1電路的組成與作用1、電路

為了實(shí)現(xiàn)某種功能，將電氣元件或設(shè)備按某種方式連接起來，構(gòu)成電流流通的路徑。以電路電氣器件的實(shí)際尺寸(d)和工作信號(hào)的波長(λ)為標(biāo)準(zhǔn)劃分，實(shí)際電路又可分為集總參數(shù)電路和分布參數(shù)電路。

（1）集總參數(shù)電路滿足d<<λ。其特點(diǎn)是電路中任意兩個(gè)端點(diǎn)間的電壓和流入任一器件端鈕的電流完全確定，與器件的幾何尺寸和空間位置無關(guān)。

（2）分布參數(shù)電路不滿足d<<λ。其特點(diǎn)是電路中的電壓和電流是時(shí)間的函數(shù)而且與器件的幾何尺寸和空間位置有關(guān)。高頻傳輸線組成的電路是分布參數(shù)電路的典型例子?！?電路的組成與作用2、電路的組成

（1）電源

電源是提供電能的設(shè)備。電源的功能是把非電能轉(zhuǎn)變成電能。例如，電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能；發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。由于非電能的種類很多，轉(zhuǎn)變成電能的方式也很多。電源分為電壓源與電流源兩種。

（2）負(fù)載

負(fù)載是電路中使用電能的各種設(shè)備。負(fù)載的功能是把電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问侥?。例如，電爐把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?；電?dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，等等。通常使用的照明器具、家用電器、機(jī)床等都可稱為負(fù)載。

（3）中間環(huán)節(jié)

中間環(huán)節(jié)把電源、負(fù)載和其他輔助設(shè)備連接成一個(gè)閉合回路，起傳輸和分配電能或?qū)﹄娦盘?hào)進(jìn)行傳遞和處理的作用?！?電路的組成與作用3、電路的作用

（1）傳輸和轉(zhuǎn)換電能。

我們通常見到的電路是通過導(dǎo)線把電源和用電設(shè)備連接起來所構(gòu)成的系統(tǒng)。從能力傳輸?shù)慕嵌确治?，?dǎo)線起到傳輸電能的作用；從能量轉(zhuǎn)化關(guān)系來看,電源的作用是把我們不便于直接利用的其他形式的能量(如化學(xué)能、機(jī)械能等)轉(zhuǎn)化為電能,而用電設(shè)備則把電能轉(zhuǎn)化為我們能直接利用的其他形式的能量。

電力系統(tǒng)輸電線路是聯(lián)系發(fā)電廠、變電所與用電設(shè)備的一種傳送電能的裝置，如圖1-1所示。

圖1-1電力系統(tǒng)傳輸線路§1電路的組成與作用3、電路的作用

（2）傳遞和處理信號(hào)。

例如，電話機(jī)的工作原理是通過聲能與電能相互轉(zhuǎn)換、并利用“電”這個(gè)媒介來傳輸語言。兩個(gè)用戶要進(jìn)行通信，最簡(jiǎn)單的形式就是將兩部電話機(jī)用一對(duì)線路連接起來。當(dāng)發(fā)話者拿起電話機(jī)對(duì)著送話器講話時(shí)，聲帶的振動(dòng)激勵(lì)空氣振動(dòng)，形成聲波。聲波作用于送話器上，使之產(chǎn)生電流，稱為話音電流。話音電流沿著線路傳送到對(duì)方電話機(jī)的受話器內(nèi)。而受話器作用與送話器剛好相反--把電流轉(zhuǎn)化為聲波，通過空氣傳至人的耳朵中。

§2

電路模型

實(shí)際電路是由各種電氣元件和設(shè)備組成，如發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、電阻器、電容器、電感器、晶體管等，其電路的形式和種類是多樣的，且有些元器件電磁性質(zhì)較為復(fù)雜，為了找出它們的共同規(guī)律，便于我們對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行分析和數(shù)學(xué)描述，將實(shí)際電氣元件理想化，即將實(shí)際電氣元件用表征其主要物理性質(zhì)的理想元件來代替，這種由理想元件組成的電路，就是實(shí)際電路的電路模型。

所以電路模型是實(shí)際電路的抽象，由一些理想電路元件用理想導(dǎo)線連接而成，并能夠近似地反映實(shí)際電路的電氣特性。

為了便于分析和計(jì)算實(shí)際電路，在一定條件下常常忽略實(shí)際電氣元件的次要因素而突出其主要電磁性質(zhì)，把它抽象為理想電路元件。理想電路元件是用數(shù)學(xué)關(guān)系式嚴(yán)格定義的假想元件。每一種理想元件都可以表示實(shí)際電氣元件所具有的一種主要電磁性能。理想電路元件的數(shù)學(xué)關(guān)系反映實(shí)際電路元件的基本物理規(guī)律。

常見的理想電路元件由電阻、電感、電容、理想電壓源、理想電流源。

§2

電路模型

（1）電阻R

表征電路中消耗電能的元件。

電阻兩端電壓與電流關(guān)系：

（U表示電壓，I表示電流）。

電阻消耗有功功率：

（P為功率）。

（2）電感L

表征電路中儲(chǔ)存磁場(chǎng)能的元件。

理想電感元件在直流電路并且達(dá)到穩(wěn)態(tài)的情況下相當(dāng)于短路。

電感儲(chǔ)存能量

（I表示電流）。

（3）電容C

表征電路中儲(chǔ)存電場(chǎng)能的元件。

電容在直流電路并且達(dá)到穩(wěn)態(tài)的情況下相當(dāng)于開路。

電容儲(chǔ)存能量

（U表示電壓）。

§2

電路模型（4）理想電壓源

理想電壓源：如果一個(gè)二端元件的電流無論為何值，其電壓保持常量或按給定的時(shí)間函數(shù)變化，則此二端元件稱為理想電壓源，簡(jiǎn)稱為電壓源，其模型如圖1-4所示。

為直流電源，其伏安特性為平行于電流軸的直線，如圖1-5所示，反映電壓與電源中的電流無關(guān)。

圖1-4理想電壓源模型

圖1-5理想電壓源伏安特性曲線

§2

電路模型理想電壓源的特點(diǎn)：電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無關(guān)；通過它的電流由外電路決定。理想電壓源不允許短路（此時(shí)電路模型不再存在）。實(shí)際電壓源：可以用一個(gè)理想電壓源和內(nèi)阻相串聯(lián)的模型來表示，如圖1-6中的虛線框內(nèi)所示，其端電壓隨電流的變化而變化，伏安關(guān)系：，如圖1-7所示。圖1-6實(shí)際電壓源模型圖1-7實(shí)際電壓源伏安特性曲線

§2

電路模型（5）理想電流源

理想電流源：如果一個(gè)二端元件的電壓無論為何值，其電流保持常量或按給定時(shí)間函數(shù)變化，則此二端元件稱為理想電流源，簡(jiǎn)稱電流源，其模型如圖1-8所示。理想電流源伏安關(guān)系特性曲線如圖1-9所示。

圖1-8理想電流源模型

圖1-9理想電流源伏安特性曲線

§2

電路模型（5）理想電流源理想電流源的特點(diǎn)：

其電流由其特性確定，與電流源在電路中的位置無關(guān)；

理想電流源的電壓則與其連接的外電路有關(guān)，由其電流和外電路共同確定；

直流等效電阻無窮大；交流等效電阻無窮大。

理想電流源不允許開路（此時(shí)電路模型不再存在）。

實(shí)際電流源：

實(shí)際電流源可用一個(gè)理想電流源與內(nèi)電阻相并聯(lián)的電路模型來表示。圖1-10所示的虛線框內(nèi)所示為一實(shí)際電流源的電路模型。實(shí)際電流源伏安特性：

，如圖1-11所示。

§2

電路模型圖1-10實(shí)際電流源模型圖1-11實(shí)際電流源伏安特性曲線§2

電路模型（6）受控電壓源、電流源理想電壓源的端電壓和理想電流源的電流都是由電源本身決定的，與電源以外的其他電路無關(guān)。而受控電源是非獨(dú)立電源，受控電源的輸出電壓或電流受到電路中某部分的電壓或電流的控制。受控源是由電子元件抽象而來的一種模型。例如：晶體管具有輸入端的電壓（電流）能控制輸出端的電壓或電流的特點(diǎn)。受控源是一種具有四個(gè)端子的元件，有兩個(gè)控制端鈕（又稱輸入端），兩個(gè)受控端鈕（又稱輸出端）。受控源可分為如下四種：電壓控制電壓源（voltagecontrolledvoltagesource，簡(jiǎn)稱VCVS）、電壓控制電流源（voltagecontrolledcurrentsource，簡(jiǎn)稱VCCS）、電流控制電壓源（currentcontrolledvoltagesource，簡(jiǎn)稱CCVS）和電流控制電流源（currentcontrolledcurrentsource，簡(jiǎn)稱CCCS）。電壓控制的電壓源(VCVS)，模型如1-12所示，，為電壓放大倍數(shù)?！?

電路模型（6）受控電壓源、電流源圖1-12VCVS模型

§2

電路模型（6）受控電壓源、電流源電流控制的電壓源(CCVS)，模型如1-13所示，，為轉(zhuǎn)移電阻。圖1-13CCVS模型

§2

電路模型（6）受控電壓源、電流源電壓控制的電流源(VCCS)，模型如1-14所示，，為轉(zhuǎn)移電導(dǎo)。圖1-14VCCS模型

§2

電路模型（6）受控電壓源、電流源電流控制的電流源(CCCS)，模型如圖1-15所示，，為電流放大倍數(shù)。圖1-15CCCS模型

§3歐姆定律

電壓與電流的參考方向設(shè)定為關(guān)聯(lián)的方向，。電流的參考方向在復(fù)雜直流電路中，某一段電路里的電流真實(shí)方向很難預(yù)先確定；在交流電路中，電流的大小和方向都是隨時(shí)間變化的。這時(shí)，為了分析和計(jì)算電路的需要，引入了電流參考方向的概念，參考方向又叫假定正方向，簡(jiǎn)稱正方向。在一段電路里，電流可能有兩種真實(shí)方向，任意選擇一個(gè)方向作為參考方向（即假定正方向）。當(dāng)實(shí)際的電流方向與假定的正方向相同時(shí)，電流是正值；當(dāng)實(shí)際的電流方向與假定正方向相反時(shí)，電流就是負(fù)值，如圖1-16所示。

§3歐姆定律

電壓與電流的參考方向設(shè)定為關(guān)聯(lián)的方向，。電壓的參考方向在電路中，如果指定流過元件的電流參考方向是從標(biāo)以電壓的正極性一端指向負(fù)極性的一端，即兩者的參考方向一致，則把電流和電壓的這種參考方向稱為關(guān)聯(lián)參考方向，如圖1-17所示。

§4基爾霍夫定律

在電路理論中，電路中的電壓、電流除了要滿足元件本身的伏安關(guān)系外，還同時(shí)必須滿足電路結(jié)構(gòu)加給各元件的電壓和電流約束關(guān)系，即結(jié)構(gòu)約束或擴(kuò)撲約束。結(jié)構(gòu)約束體現(xiàn)為適用于回路的基爾霍夫電壓定律和適用于節(jié)點(diǎn)的基爾霍夫電流定律。1、基爾霍夫電流定律（KCL）

基爾霍夫電流定律又稱基爾霍夫第一定律，簡(jiǎn)記為KCL，是電流的連續(xù)性在集總參數(shù)電路上的體現(xiàn)，其物理背景是電荷守恒公理。所有進(jìn)入某節(jié)點(diǎn)的電流的總和等于所有離開這節(jié)點(diǎn)的電流的總和。或者描述為：假設(shè)進(jìn)入某節(jié)點(diǎn)的電流為正值，離開這節(jié)點(diǎn)的電流為負(fù)值，則所有涉及這節(jié)點(diǎn)的電流的代數(shù)和等于零。KCL定律不僅適用于電路中的節(jié)點(diǎn)，還可以推廣應(yīng)用于電路中的任一不包含電源的假設(shè)的封閉面。即在任一瞬間，通過電路中任一不包含電源的假設(shè)封閉面的電流代數(shù)和為零?！?基爾霍夫定律

例1：電路如圖1-19所示，根據(jù)已知支路電流求出其他未知支路電流。解：對(duì)于結(jié)點(diǎn)（1）應(yīng)用KCL可得對(duì)于結(jié)點(diǎn)（2）對(duì)于結(jié)點(diǎn)（3）對(duì)于結(jié)點(diǎn)（4）對(duì)于結(jié)點(diǎn)（5），流入閉合面的電流代數(shù)和恒等于零§4基爾霍夫定律

在電路理論中，電路中的電壓、電流除了要滿足元件本身的伏安關(guān)系外，還同時(shí)必須滿足電路結(jié)構(gòu)加給各元件的電壓和電流約束關(guān)系，即結(jié)構(gòu)約束或擴(kuò)撲約束。結(jié)構(gòu)約束體現(xiàn)為適用于回路的基爾霍夫電壓定律和適用于節(jié)點(diǎn)的基爾霍夫電流定律。2