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电工电子技术基础 ( 上册 电工 ). 电工电子技术基础. ( 第二版 ). 上册 电工. 主编 邱 敏. 电工电子技术基础 ( 上册 电工 ). 第 1 章 直流电路. 1.1 电路 的基本概念. 1.2 电路的基本物理量. 1.3 电路的状态及电源. 1.4 电阻及其连接. 1.5 基尔霍夫定律. 1.6 叠加定理. 1.7 戴维南定理. 1.8 两种电源的等效变换. 1.9 电位的计算. 第一章 直流电路. 电工电子技术基础 ( 上册 电工 ). 第 1 章 直流电路. 本章学习要点.
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电工电子技术基础(上册 电工) 电工电子技术基础 (第二版) 上册 电工 主编 邱 敏
电工电子技术基础(上册 电工) 第1章 直流电路 1.1 电路的基本概念 1.2 电路的基本物理量 1.3 电路的状态及电源 1.4 电阻及其连接 1.5 基尔霍夫定律 1.6 叠加定理 1.7 戴维南定理 1.8 两种电源的等效变换 1.9 电位的计算 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 第1章 直流电路 本章学习要点 • 了解电路的基本概念 • 掌握电路中的基本物理量 • 掌握电阻元件及其串并联的分析 • 了解电压源、电流源及其构成的电源模型的等效互换 • 熟悉基尔霍夫定律 • 学会用支路电流法、叠加定理及戴维南定理分析计算电路 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 开关 电源 灯泡 导线 1.1 电路的基本概念 一、电路的组成及作用 电路是电流流过的路径,由电源、负载和中间环节三部分构成。 电源:给电路提供电能或信号 的器件或设备。 负载:吸收电能或输出信号的 器件或设备。 中间环节:起引导、控制或测 量作用的器件或设备。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 电 路 的 作 用 例 例 1、实现电能的传输和转换。 各类电力系统的电路。 2、实现信号的传递与处理。 电子技术中的放大器、整流电路等。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 二、理想电路元件 理想电路元件(元件):一种理想化的模型,具有某种确 定的电磁性能和精确的数学定义, 足以反映实际器件的主要电磁性 能。 分 类:二端元件和多端元件。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) SA 开关 电源 HL GB 灯泡 导线 三、电路模型 电路模型是用来模拟实际电路的,由一个或若干个理想电路元件经理想导线连接构成。 电路原理图简称为电路图,是将电路模型中的各种器件用规定的图形符号表示之后画出的图。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 四、电路的分类 根据电信号的种类分为两种电路 直流电路:电路中的电流是直流量,各元件或设备上产生 的电压也是直流量。 交流电路:电路中的电流是交流量,各元件或设备上产生 的电压也是交流量。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 特 特 分 类 1.2 电路的基本物理量 一、电流 形成:电荷的定向移动 方向:正电荷移动的方向规定为电流的方向。 直流电流(DC):方向不变的电流。 恒定电流:方向大小都不变的电流。 交流电流(AC):方向变化的电流。 周期交流电流:周期性变化的电流。 正弦交流电流:按正弦规律变化。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 表示 大小: 大写字母 I :表示不变的电流 小写字母 i:表示变化的电流 单位:安培A,毫安mA,微安μA,千安kA,兆安MA 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) (1)表示: I 电流的参考方向:分析电流之前,事先假设的电流的 方向,也称作电流的正方向。 实线箭头加字母表示: 双下标表示:Iab表示a到b的电流 (2)选择:原则上任意选,但若已知实际方向,则 选择参考方向尽量与实际方向一致。 (3)参考方向与实际方向的关系:同正异负。 同正异负:相同时参考方向下的字母为正数, 相异时参考方向下的字母为负数。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 例 5V I1 I2 5Ω 图示电路中,I1、I2分别等于多少? 解:可以判断出电路中电流的实际方向为逆时针方向。 电流参考方向I1与实际方向相反,I2与实际方向相同。 ∴ 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 特 特 表示 分 类 二、电压 直流电压:方向不变的电压 恒定电压:方向大小都不变的电压。 交流电压:方向变化的电压。 周期交流电压:周期性变化的电压。 正弦交流电压:按正弦规律变化。 大写字母 U :表示不变的电压。 小写字母 u:表示变化的电压。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) U U a b U 单位正电荷q移动过程中能量的减少量。 大小: 单位: 伏特V,毫伏mV,微伏μV,千伏kV,兆伏MV 电压的参考方向:分析电压之前,事先假设的电压的 方向,也称作电压的正方向。 (1)表示: 实线箭头加字母表示: 双下标表示:Uab表示a到b的电压 双极性+、-加字母表示:+到-的电压。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 关联 参考方向 非关联 参考方向 电压与电流 参考方向相反 电压与电流 参考方向相同 (2)选择:原则上任意选,实际上尽量与实际方向 一致,或者与电流参考方向一致。 (3)参考方向与实际方向的关系:同正异负。 同正异负:相同时参考方向下的字母为正数, 相异时参考方向下的字母为负数。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 三、电位 电位: 电路中某一点的电位就是该点到参考点的电压。 参考点: 分析电位前,被选作为参考的点。 表示: 用字母“O”表示,图形符号为⊥ 选择: 连线多的点或接地、接机壳的点。 表示: V 或者 v,则 Va = Uao Vo = Uoo = 0:参考点又叫零电位点。 单位: 安培A,毫安mA,微安μA,千安kA,兆安MA 与电压的关系: Uab=Uao+Uob=Uao-Uob=Va-Vb 结论:任意两点间的电压等于这两点的电位的差。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 四、电功率 电路传送或转换电能的速率叫做电功率,简称为功率,用P或p表示。习惯上,把发出或吸收电能说成发出或吸收功率。 电压电流关联参考时: P = U I 或 p = u i 分析方法 电压电流非关联参考时: P = -U I 或 p = -u i 对于计算结果,当P>0(或p>0)时,该电路吸收(接受、消耗)功率;当P<0(或p<0)时,该电路发出(释放、产生)功率。 电路的功率是平衡的: 吸收电能的各元件功率的总和等于发出电能的各元件功率的总和。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 例 a U1 U2 I b U3 图示电路中: U1 = 4V,U2 = -8V, U3 =6V,I = 4A 则: P1 = U1×I= 4×4 = 16W 吸收16W P2=-U2×I=-(-8)×4=32W 吸收32W P3 = -U3×I= -6×4 = -24W 发出24W 电路总功率: P = P1+P2+P3 = 16+32 -24=24W 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 1.3 电路的状态及电源 一、电路的三种工作状态 通路: 电源与负载构成了闭合路径,电流从电源出发,经过负载后可回到电源的状态。 轻载: 负载功率低于额定功率。 满载: 负载功率等于额定功率。 过载: 负载功率高于额定功率,又叫超载。 断路(开路): 电源与负载没有接成闭合通路,负载中没有电流的状态。 控制性断路和故障性断路 短路: 电流不经负载而经导线形成回路的状态。 短路电流很大,需加短路保护装置。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) E E 电源 电源 U U 二、电源 1、电源的电动势 电源内部有一种电源力,它将正电荷从低电位处经电源内部移向高电位处,从而保持电荷运动的连续性。 电动势: 电源力将单位正电荷q从电源负极移到电源正极所作的功,用E或者e表示,是电源的专用名词。 大小及方向: 即电源电动势与电源电压大小相等、方向相反,单位也是伏特。 E =-U E = U 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) I U E E R U R0 t 0 2、电源的外特性 电源的外特性就是电源处于工作状态时,其端电压U与端子电流 I 的关系。 电源工作电路 电源外特性曲线 电源外特性表达式:U = E-UR0 = E-IR0 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) US 实际电源可以表示 为Us=E的理想电压源 和电阻Ro串联电路 US或us US R0 3、电压源和电流源 具有较低内阻的电源。分为直流电压源和交流电压源。 (1)电压源: 理想电压源: 内阻为零的电压源 —US 或 us 。 是一种理想的情况,实际电源不可能如此。 理想电压源的符号 电压源电路 干电池、铅蓄电池及一般直流发电机都可视为直流电压源。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 实际电源也可以 用电流为IS的理想电流 IS或is IS R0 源和电阻R0串联表示 具有很大内阻的电源。分为直流电流源和交流电流源。 (2)电流源: 理想电流源: 内阻为无限大的电流源 —IS 或 is 。 是一种理想的情况,实际电源不可能如此。 理想电流源符号 电流源电路 晶体管工作于放大状态时就接近于理想直流电流源。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 电 阻 导体的横截面积 R 1.4 电阻及其连接 一、电阻 电阻作用: 物体对电流的阻碍作用 R 或 r 单位: 欧姆[Ω] 表示: 起电阻作用的 二端耗能元件 电阻元件: 导体的长度[m] 大小: 导体的电阻率[Ω·m] 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 温度由T1变到T2 导体电阻由R1变到R2 与温度的关系: 可以用电阻温度系数来表示 电阻温度系数指温度升高1℃时,电阻所产生的变化量与原电阻的比值,用字母α表示。 [1/℃] 电阻的倒数叫电导,用G表示,单位是西门子[S] 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 电压电流为交流量时,上式中的字母均为小写字母。 二、欧姆定律 在一段电路中,通过电路的电流大小与这段电路两端的电压大小成正比,与这段电路的电阻值成反比。 电压电流关联参考时: 电压电流非关联参考时: 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 串联(+): U U1 U2 U3 I I1 R1 R2 I2 R3 I3 三、电阻的串联、并联和混联 选择电流、电压参考方向如图 电阻首尾顺序相连 中间无分支 第i个电阻的阻值 I1 = I2 = I3 = I 特点: U = U1 + U2 + U3 第i个电阻的电压 R = R1 + R2 + R3 分压公式 串联电路的总电阻 分压系数 串联电路的总电压 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 例 R1 Ui RP R2 UO R3 · 图1-23分压器 在图1-23所示的分压器中输入电压Ui =12 V,R1=350Ω,R2 = 550Ω,RW =270Ω,试求输出电压UO的变化范围。 解:由图知,当RP触头调到下端时,输为 当触头调到上端时,输出为Uomax 即分压器的输出电压Uo的变化范围是5.6~8.4V之间。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) I 并联(∥): I3 I1 I2 U1 U2 U3 U R1 R3 R2 选择电流、电压参考方向如图 电阻首和尾分别 相并连接 U1 = U2 = U3 = U I = I1 + I2 + I3 特点: 两电阻并联等效电阻: (G = G1 + G2 + G3) 两电阻并联分流公式: 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 例 Rg Ig Ra · a · Rb · b I U 图1-25扩大电流表量程 有一表头,满刻度电流Ig =100 µA(即允许通过的最大电流),内阻Rg =1kΩ。现需扩展其量程,如图1-25所示。若要改变成量程(即测量范围)为10mA,50mA的电流表,应并联多大的电阻Ra、Rb? 解:先求表头允许的最大电压 Ug =Ig Rg = 0.1V 再求分流电阻分流的数值 量程10mA时:Ia =I-Ig =9.9mA 量程50mA时:Ib =I-Ig =49.9mA 再求分流电阻的阻值 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 用字母将各电阻 连接点标出,相同 的点用同一字母 将各字母依次排开 端点字母在两端 将各字母间的电阻补上 得到等效电路 混联: 既有串联又有并联构成的电阻连接方式。利用串并联电路的特点及分压、分流公式分析。 难点 关键 电路总电阻的求解 等效电路图的画法 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 例 · · · · a R1 R2 R3 R4 c R5 R6 b · · · · · · e a d b R7 · f · R8 R9 图 1 求下图 1 中a、b间的等效电阻 R5 c d e R6 · b R3 R1 R2 R4 · b b b · b R7 R8 f R9 图 2 解: 根据画等效电路的方法, a、b间等效电路如图2,则等效电阻是: Rab = [(R4∥R6 + R3)∥R5 + R2] ∥(R8 + R7∥R9)+ R1 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) a d c · R2 R1 US1 R3 US2 b · 1.5基尔霍夫定律 一、电路的有关术语 支路:无分支的一段路 acb,ab,adb 节点:支路的交点 a,b 回路:由支路组成的闭合路径 adba,abca,adbca 网孔:内部不含支 路的回路 adba,abca 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) a · 1 2 a 管 道 3 中 的 水 流 方 向 i1(t) i2(t) 3 i1(t)+ i2(t) =i3(t) ? i3(t) ? ? 二、基尔霍夫定律 基尔霍夫电流定律(基尔霍夫第一定律,KCL) KCL:电路任一节点,在任一时刻, 流入该节点全部电流的总和等 于流出该节点全部电流的总和。 ∑ii(t)= ∑io(t) 节点电流方程(KCL)方程: ∑i(t)= 0 也可写成: 如果电流是直流量,则各电流都用大写字母。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) U1 U2 a · d c R2 R1 US1 R3 US2 U3 U2+US2-US1+U1=0 · b Uab=Uad+Udb=Uac+Ucb Uad+Udb+Ubc+Uca=0 Uad+Udb-Ucb-Uac=0 基尔霍夫电压定律(基尔霍夫第二定律,KVL) KVL:电路任一回路,在任一时 刻,组成该回路的各支路 的电压代数和为零。 回路电压方程(KVL)方程: ∑U= 0 如果电压是交流量,则都用小写字母。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 构建支路电流法方程 找出电路中的节点(n个)、 支路(b条)、网孔(m个) 在电路中标出各支路的电流(b个) 列出 n-1个KCL方程 用支路电流表示各电阻电压, 列出m个网孔的KVL方程 联立(n-1)+m=b个方程,组成方程组 (求解方程组,可以得到各支路电流) 支 路 电 流 法 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 例 US1 R1 3 2 1 4 ③ R4 R6 · · · 标出各支路电流 选择参考方向 US3 US2 I3 ① R5 R3 ② R2 · I4 I5 I1 I6 I2 列出图示电路的支路电流法方程。 节点:a、b、c、d 支路:ab、ad、ac、bc、bd、cd b 网孔:abda 、bcdb、acba a c a:I1+I2-I4=0 b:I3+I4-I6=0 KCL方程: c:I1+I5-I6=0 d ①:I4R4+US3-I3R3+I2R2-US2=0 联立六个方程组成方程组,求解后可以得到各支路电流 ②:I6R6+I5R5+I3R3-US3=0 KVL方程: ③:US1-I1R1-I6R6-I4R4=0 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 激励 响应 1.6叠加定理 电路中的电 压源和电流源 激励在电路中产 生的电流或电压 电路中两个或两个以上的激励共同作用在任何支路所产生的响应,等于各个激励单独作用时,在该支路所产生的响应分量的代数和。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) · · 证 明 I″ I′ I IS US US IS R2 U″ R2 R2 U R1 U′ R1 R1 · · (a) (b) (c) (c)图中 (b)图中 (a)图中 ∴ 注 意 事 项 可见 (a)+(b)=(c) 1、求电压、电流代数和时,分量的参考方 向与总量的参考方向一致时,该分量取 正,相反时该分量取负。 2、激励作用为零又称作除源:电压源用短 路替代,电流源用开路替代。 3、不能用叠加定理计算功率。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) a a a US 有源 网络 电源 R0 b b b 1.7戴维南定理 任何具有两个引出端的电路叫做二端网络。若在这部分电路中含有电源,就叫有缘二端网络,反之叫无源二端网络。 US:等于网络a、b间开路时的开路电压,即US =Uaboc 。 Ri:网络除源后(成为无源二端网络)的等效电阻Rab 。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 电流源除源相当于开路,可用开路替代。 电压源除源相当于短路,可用短路线替代。 任意有源二端网络都可以等效为一电压源US串一电阻Ri;其中电压源的电压US等于网络的开路电压UOC,电阻Ri等于网络除源后端口的等效电阻。 戴维南定理: 注意: 除源是指网络中所有的电源作用为零。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) · 例 · a I US IS b R1 R · R1 · (c) · a I′ US IS Uoc a b R1 Ri b · (b) (a) 用戴维南定理求图示电路中R上的电流I 。 (1)去掉待求支路,构建有源二端网络,如图(a) (2)求戴维南等效电路,如图(b): Uoc=Uab=Us+R1I′=Us+R1Is Ri =Rab=R1 除源后电路如图(c)所示 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) I Uoc R Ri (d) (3)将待求支路接于戴维南等效电路, 如图(d)所示,求待求量。 1、去掉待求支路,构建有源二端网络。 应 用 戴 维 南 定 理 的 解 题 步 骤 2、求有源二端网络的开路电压Uoc。 3、对有源二端网络除源,得到无源二端网络。 4、求无源二端网络的等效电阻Ri。 5、画出戴维南等效电路 。 6、将待求支路接于戴维南等效电路,求出待求量。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 推导 I I US 有源 网络 R R Ri 负载与网络 “匹配” 负载电阻多大时,从网络获得的功率最大 最大功率传输定理 负载接于有源二端网络上,等效于接在理想电压源Us串电阻Ri电路两端;负载不同,其电流及功率也不同。 由图得: 可见:R=Ri 时,负载功率最大。 ? ? 效率: 效率不高 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) a a · 实际电源 等效互换条件 a US IS Ri Ri′ 注意 b b · b (1) (2) 1.8两种电源的等效变换 所以两种电源电路可以等效互换。 实际电源可表示为电压源电路和电流源电路, 由(1)得:Rab=Ri , Uab=Us 由(2)得:Rab=Ri′,Uab=IsRi′ Ri=Ri′;Us=IsRi 等效互换时,Is的方向总是指向Us正极的一端。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 1.9电位的计算 计算电路中某点的电位,就是从该点出发,沿着任选的一条路径“走”到参考点,该点的电位就等于“走”这条路径所经过的所有元件上电压的代数和。 电位的值与参考点的选择有关,与计算时选择路径无关。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 2 4 3 1 参考方向与“走”的方向一致的电压取正,相反的取负 经过的元 件少为好 经过的元件 电压已知为好 计算电位的方法和步骤 选择待求电 位点到参考 点的路径。 选 择 参 考 点 标出所选路径上各元件电压的参考方向,求出各电压。 从待求电位点“走”到参考点,求各元件电压的代数和。 第一章 直流电路
电工电子技术基础(上册 电工) 例 I C +6V C 6V R2 R2 · · · B O B R1 R1 9V A -9V 或: A (b) (a) 或: 求图(a)中B点的电位和A、C两点间的电压。已知:R1=100kΩ,R2=50kΩ。 解:在电路外任找一点O, 将电路恢复成(b)图。 在电子电路中,常把图(b)画成图(a)形式。 第一章 直流电路