第3章--直流电路.ppt

,电工基础,电工基础,主讲：,第,3,章直流电路,掌握直流电阻电路的各种连接形式及计算公式。,掌握电流源、电压源的基本组成。,掌握基尔霍夫定律的内容及其应用。,掌握叠加定理的内容及其应用。,掌握戴维南定理的内容及其应用。,本章学习要求,3.1,简单直流电路,3.2,电路中的独立电源,实训二 验证基尔霍夫定律和叠加原理,3.3,基尔霍夫定律,3.4,叠加定理,3.5,戴维南定理,实训一 组装万用表,你可曾注意到圣诞节的圣诞树上或是不夜街边的大树上，闪烁着各色的小灯，那么为什么它们能够同时点亮或熄灭呢？,因为这些小灯是通过串联的形式连接起来进行相应的控制才产生如此美妙的效果。,3.1.1,电阻串联电路,3.1,简单直流电路,电阻的串联连接，顾名思义，就是将若干个电阻依次连接，中间没有其它分支，如图所示电阻串联连接的电路中，电阻，依次连接后，再连接到电源,U,上。,串联电路中电流处处相等。,图中已知流经电阻,的电流为,试说明流经电阻,的电流,为多少？,串联电路两端的总电压等于各电阻两端的分电压之和。,串联电路的总电阻（等效电阻）等于各串联电阻之和。,R,称做,图示相互等效的两部分在电路中可以相互替代，电路分析时用来简化计算。,串联的等效电阻。,串联电路中各电阻两端的电压与其阻值成正比。,串联电路中各个电阻两端的电压与各个电阻的阻值成正比，电阻越大分配的电压越大，电阻越小分配的电压也越小。,可以推导,n,个电阻串联的电路中，第,i,个电阻两端的电压为：,电阻串联的分压公式,在串联电路中，各个电阻消耗的功率也和它们的阻值成正比，总功率等于消耗在各个串联电阻上的功率之和。,通常电阻,和,串联后的等效电阻可以记作,电阻串联电路中，已知,求：电路中的电流,I,；,和,两端的电压；电阻,；等效电阻,R,。,解：,（,1,）根据欧姆定律有,因为是电阻串联电路，所以,（,2,）两端的电压,因为,所以,两端的电压,（,3,）电阻,（,4,）等效电阻,将若干个电阻的一端共同连接在电路的一点上，把它们的另一端共同连接在电路的另一点上，这种连接方式叫做电阻的并联连接，如图（,a,）所示，图（,b,）为其等效电路。,3.1.2,电阻并联电路,并联电路中电路的总电流等于通过各并联电阻的分电流之和。,并联电路中各并联电阻两端的电压相等。,并联电路的总电阻（等效电阻）的倒数等于各电阻的倒数之和。,n,个电阻并联的电路中流经第,i,个电阻的电流为,可见流过各并联电阻的电流与其阻值成反比，即阻值越大的电阻分配到的电流越小，阻值越小的电阻分配到的电流越大，这就是并联电路的分流原理，通常把上式叫做,电阻并联的分流公式,。,并联电路的总功率,P,等于消耗在各并联电阻上的功率之和，且电阻越大消耗的功率越小。,通常电阻,和,并联后的等效电阻可以记作,实际电路中的电阻既有串联又有并联的连接方式叫做电阻的混联。,3.1.3,电阻混联电路,对混联电路，有的比较直观，可以直接看出各电阻之间的串、并联关系，如图,其等效电阻可以写为：,电阻混联电路中，已知,求等效电阻,R,。,解：,而有的电路则比较复杂，不能直接看出各电阻之间的串、并联关系，如图所示电阻混联电路，则可以按照以下步骤。,将混联电阻分解成若干个电阻的串联、并联，根据串并联的特点进行计算，分别求出它们的等效电阻。,用求出的等效电阻取代电路中的串、并联电阻，得到混联电路的等效电路。,若等效电路中仍是混联电路，继续按照步骤（,2,）化简，得到不含支路的等效电路。,根据欧姆定律、串联电路、并联电路的特点列方程进行计算。,电阻混联电路中，已知,求等效电阻,R,。,与,为并联，如图所示，其等效电阻,与,为串联，如图所示，,其等效电阻,与,为串联，如图所示，其等效电阻为,与,为并联，如图所示，则总的等效电阻,带入得，,R=2,收音机及电视机的音量调节电路中都需要多种不同数值的直流电压，如图所示，这里就用到了分压电路。,3.1.4,简单串并联电路的应用,1.,分压电路,分压电路通常包括了滑动变阻器或者可调电位器，如图所示。滑动变阻器两端分别接在电源的正负极上，固定端,c,和滑动端,a,分别跟负载的两端连接，这样就构成了分压器。电源电压,U,施加于滑动变阻器的两端，即,bc,端，随着滑动端的滑动，在,ac,端间可得到连续可变的电压。,串联电阻的分压电路还可用于扩大电压表的量程。通常电压表的表头多采用微安级的电流表表头，它有两个重要参数,表头内阻,和满刻度电流,当有电流通过表头时，在内阻上产生电压降，则可以用表头来测量电压，但是这样所能测量的电压很小，流过表头的电流会超过,将有可能烧坏表头内的线圈。,如果合理选择一个电阻,R,与表头串联，则可以使,R,承担大部分被测电压，这样表头的电压就会被限制在允许的数值内，从而达到扩大电压表量程的目的，如图所示单量程电压表示意图。,如果需要多量程电压表，则只要串联不同的分压电阻即可，如图所示为双量程电压表电路的示意图。,为了保证用电器能在允许电流范围内工作，常采用在电路中串联电阻的方法来限制电流，构成限流电路,限流电路也可以用滑动变阻器组成，滑动变阻器两端分别接在电源的正负极上，电路中串联固定阻值,R,的电阻，随着滑动端从,A,端向,B,端的滑动，可以得到逐渐减小的电流。,2.,限流电路,在电动机的启动过程中，会由于某些原因导致电动机启动电流很大，这样就容易引起故障，则需要在电动机启动电路中增加一个限流电路，如图所示，当启动时电阻,R,投入工作，限制启动电流的大小，当启动后，接通,K,则电阻,R,断开，电动机正常工作。,在实际生产生活中，通常采用并联供电电路，如广泛使用的照明电路、生产设备、家用电器都采用并联供电，如图所示。优点是：保证负载承受额定电压，同时可方便地实现各分支电路的控制，即接通或断开某一用电器，而不影响其它分支用电器的正常工作。,3.,并联供电电路,并联电路的分支电路能够分担总电路一部分电流，通常称为分流，如图所示分流电路。,4.,分流电路,利用分流电路，可以扩大电流表的量程。设置多档分流电阻，构成多量程的电流表，这也是分流电路的典型应用。由于电流表表头的满度电流很小，不能测量较大电流。为此选择一个较小的电阻,R,与表头并联，,R,将承担大部分被测电流，通过表头的电流则很小，从而达到扩大量程的目的，如图所示。,实际电路中都需要电源能够不断地提供能量，如前面讲的电路中的干电池，电厂中的发电机以及电子线路中的信号源等，这些电源在电路分析中都可以用电压源或电流源模型来等效。,3.2,电路中的独立电源,实际电源的端电压都随着输出电流的增大而降低，这是因为由于实际的电源总是有内阻的，因此可以把一个实际电源等效成一个恒定的电动势,E,与电阻 串联的模型，称之为电压源模型，如图所示虚线框内部分，电阻,称为电压源的内阻。,3.2.1,电压源,电压源以输出电压的形式向负载供电，输出电压的大小为：,电压源对外电路呈现的特性，简称外特性，也叫做伏安特性。,从外电路的伏安特性曲线可以看出，内阻,越小，端电压变化也越小，越接近恒定值。如果电源内阻,为零，其端电压为恒定值，即,把端电压不随电流变化而保持恒定值的电源叫做理想电压源或恒压源。理想电压源的伏安特性曲线为平行于电流轴的直线。,实际上，任何电源都存在内阻，所以理想电压源是不存在的。但是在通常情况下，我们把内阻很小，性能良好的干电池、蓄电池、稳压源及直流发电机等都看作是理想电压源。,当实际电压源开路时，如图（,a,）中,a,点处或,b,点处断开，则电流,其端电压等于电源电动势，即,当电压源短路时，如图（,b,）中,a,点处和,b,点处短接时，其端电压,由于实际电压源的内阻一般很小，所以短路电流很大，很容易烧坏电源。,一定光照条件下，光电池作为一种电源将被激发产生一定值的电流，即光电池是一种不断向外电路输出电流的装置，称为电流源。,3.2.2,电流源,把实际电流源等效成恒定电流,与内阻,并联的模型，如图虚线框部分所示。,电流源输出电流的大小为,电流源对外电路呈现的特性曲线如图所示，可以看出，内电阻越大，输出电流变化就越小，也越接近恒定值。,如果电源内阻为无穷大，则其输出电流为恒定值，即,把输出电流不随电压变化而保持恒定值的电流源叫做理想电流源或恒流源。理想电流源的特性曲线为平行于电压轴的直线，如图虚线所示，由,U=IR,得，理想电流源向外输出恒定不变的电流，它的端电压是任意的，由外电路决定。,当电流源被短路时，如图所示,a,，,b,两点直接连接，端电压,输出电流等于理想电流源的电流，即,当实际电流源开路时，如图所示,a,，,b,两点断开，输出电流,电流全部通过内阻，很容易烧坏电流源。,运用欧姆定律、串联和并联关系式等分析计算一些简单电路是没有问题的，但对于诸如图所示的复杂电路，使用这些方法就比较麻烦了。,3.3,基尔霍夫定律,本节将介绍一个新的定律：基尔霍夫定律。基尔霍夫定律是电路中最基本的定律之一，是由德国科学家基尔霍夫于,1845,年提出的，它包含基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律两个内容。,支路：由一个或几个元件串联组成的一段没有分支的电路叫做支路。,节点：三条或三条以上支路的连接点叫做节点。,回路：电路中的任一闭合路径叫做回路。,网孔：内部没有分支的回路叫做网孔。,3.3.1,电路结构中的几个名词,支路,：,ab,、,ad,、,.,（,共,6,条,）,回路,：,abda,、,bcdb,、,.,（,共,7,个,）,节点,：,a,、,b,、,.,(,共,4,个,）,I,3,E,4,E,3,_,+,R,3,R,6,+,R,4,R,5,R,1,R,2,a,b,c,d,I,1,I,2,I,5,I,6,I,4,-,网孔,：,abda,、,bcdb,、,adca,（,共,3,个,）,基尔霍夫电流定律的基本内容为在任一瞬间，流入任一节点的电流之和恒等于流出这个节点的电流之和，即,节点电流方程，简写为,KCL,方程,3.3.2,基尔霍夫电流定律,基尔霍夫电流定律又叫做基尔霍夫第一定律，它反映了电路中连接在任一节点的各支路电流的关系。,对于图示电路中节点,A,，,和,为流入节点电流，,和,为流出节点电流，根据基尔霍夫电流定律可得出：,运用基尔霍夫电流定律时，应注意,在列写,KCL,方程时，应首先标明每一条支路电流的参考方向。当实际电流方向与参考方向相同时，电流为正值，否则为负值。,基尔霍夫电流定律对于电路中的任一节点都适用，如果电路中有,n,个节点，就可以列写,n,个方程，通常只需列出,n-1,个方程就可以求解。,基尔霍夫电流定律还可以推广到电路中的任一闭合面，也就是说，不考虑闭合面内的电路结构，流入闭合面的电流恒等于流出闭合面的电流。,将图示虚线框看作闭合面，在任一瞬间有：,图中已知,I,1,=4A,，,I,2,=2A,，,I,3,=,5A,，,I,4,=3A,，,I,5,=3A,，则,I,6,？,则,解：,对节点,A,，根据基尔霍夫电流定律有,基尔霍夫电压定律的基本内容为：在任一瞬间，沿回路绕行一周，电压升的总和等于电压降的总和，即,回路电压方程，简写为,KVL,方程,3.3.3,基尔霍夫电压定律,基尔霍夫电压定律又叫做基尔霍夫第二定律，它反映了电路的任一回路中的各段电压之间的关系。,对于图示电路，绕行回路一周有：,U,1,U,2,U,3,U,4,在运用基尔霍夫电压定律时，应注意标明回路的绕行方向以及电压的参考方向。电压的参考方向与绕行方向一致，则为电压降的方向；电压参考方向与绕行方向相反，则为电压升的方向。,如果计算得到的电压为正值，则该电压实际方向与参考方向一致；如果计算得到的电压为负值，则该电压实际方向与参考方向相反。,基尔霍夫电压定律不但可用于任一闭合回路，还可以推广应用到任一不闭合的电路。如图所示电路，,B,、,E,两端开路，其电压方向如图所示，则对回路,1,根据基尔霍夫电压定律可以写出,图示,电路中，已知,R,1,=,2,W,，,R,2,=,4,W,，,U,S1,=,12V,，,U,S2,=6V,，求,a,点电位,则，,解：,选定图中标注的绕行方向，列出回路的,KVL,方程如下,叠加定理是线性电路普遍适用的一个基本定理，其内容是在线性电路中若存在多个电源共同作用时，电路中任一支路的电流或电压，等于电路中各个电源单独作用时，在该支路产生的电流或电压的代数和。,电源单独作用是指当这个电源作用于电路时，其它电源都取为零。即电压源用短路替代，电流源用开路替代。,3.4,叠加定理,下面以一个例子来验证叠加定理的内容。,（,1,）当电压源,单独作用时，电路图如图所示，则,（,2,）当电流源,单独作用时，电路图如图所示，则,（,3,）求解图中流经,R2,的电流,I,，设流经电阻,R,1,的电流为,I,1,，则对节点,A,根据基尔霍夫电流定律有：,对图示的标注回路根据基尔霍夫电压定律，有,联立两方程求解得,对比（,1,）（,2,）（,3,）可以得出：,注意到（,b,）（,c,）中电流参考方向相反，则式,验证了叠加原理的正确性。,由上可以看出，运用叠加定理可以将一个多电源的复杂电路分解为几个单电源的简单电路，从而使分析得到简化。,下面给出运用叠加定理求电路中支路电流的步骤如下。,将含有多个电源的电路，分解成若干个仅含有一个电源的分电路，并标注每个分电路电流或电压的参考方向；单一电源作用时，其余理想电源应置为零，即理想电压源短路；理想电流源开路。,对每一个分电路进行计算，求出各相应支路的分电流、分电压。,将求出的分电路中的电压、电流进行叠加，求出原电路中的支路电流、电压。,已知,E=10V,、,试用叠加原理求流过,的电流,和理想电流源,两端的电压,分解为电源单独作用的分电路图，如图所示：,E,单独作用将,I,s,断开,I,s,单独作用将,E,短接,根据叠加定理可得到,叠加定理只适用于线性电路，而不适合用于非线性电路；,在叠加的各个分电路中，不作用的电压源置零指在电压源处用短路代替，不作用的电流源置零指在电流源处用开路代替；,保持原电路的参数及结构不变；,叠加时注意各分电路的电压和电流的参考方向与原电路电压和电流的参考方向是否一致，求其代数和；,叠加定理不能用于计算功率。,运用叠加定理时，应注意：,戴维南定理也叫做二端网络定理，它是由法国电讯工程师戴维南于,1883,年提出的，是分析电路的另一个有力,工具。,3.5,戴维南定理,电路中任何一个具有两个引出端与外电路相联结的网络都称为二端网络，根据二端网络内部是否含有独立电源，又可以分为有源二端网络和无源二端网络。图（,a,）中含有电源，是有源二端网络；图（,b,）中不含有电源，是无源二端网络。,只有,电阻串联、并联或混联的电路属于无源二端网络，它总可以简化为一个等效电阻；而对于一个有源二端网络，不管它内部是简单电路还是任意复杂的电路，对外电路而言，仅相当于电源的作用，可以用一个等效电压源来代替,。,戴维南定理的内容为任何一个有源二端网络，对外电路来说，可以用一个恒压源和电阻相串联的电压源来等效。该电压源的电压等于有源二端网络的开路电压，用 表示；电阻等于将有源二端网络中所有电源都不起作用时（电压源短接、电流源断开）的等效电阻，用 表示。,求图示有源二端网络的戴维南等效电路。,解：,求开路电压,在图中标注,时的条件及电压电流的参考方向，可得开路电压,（,2,）求等效电阻,将电压源短路，电流源开路，图示有源二端网络可转换为图示的无源二端网络，则等效电阻,（,3,）画等效电路图,等效电路中的电动势,方向与开路电压方向一致，内阻,运用戴维南定理时，应注意。,戴维南定理仅适合于线性电路；,有源二端网络经戴维南等效变换之后，仅对外电路等效，若求有源二端网络内部的电压或电流，则另需处理；,等效电阻是指将各个电压源短路，电流源开路，有源网络变为无源网络之后从端口看进去的电阻；,画等效电路时，要注意等效恒压源的电动势,E,的方向应与有源二端网络开路时的端电压方向相符合。,了解,万用表电流,、电压及电阻测量电路的原理。,掌握焊接及组装等实际操作技能。,掌握根据电路图和线路板组装简单设备的能力。,掌握万用表的测试和调校。,实训目的,实训一 组装万用表,DT830B,型号的迷你型数字万用表具有体积小、电路简单、装配调试容易、坚实耐用等特点，性价比高，是大中专各类院校学生实习的合适用品。根据提供的套件进行万用表的组装实训，该套件包括机壳相关组件、线路板、各种元器件、表笔、说明书和电路图等。,对照器件清单清点套件。,阅读使用说明书，理解图,3-45,所示的数字万用表的原理框图，仔细对照图,3-46,所示线路板上的元件符号与实际器件，将二者准确对应。,按照图,3-46,的标注开始焊接。,将图,3-44,中元件清单中的元件一一焊接到图,3-46,所示线路板上，注意一定要细心，不要焊错了。,全部焊接完毕，检查是否存在虚焊，漏焊。,将线路板与转换开关、液晶显示屏、机壳和电池等进行组装。,组装完成，需要检查焊接的万用表是否能够正常工作，按照使用说明书上面的要求进行测试。,实训步骤,数字万用表原理框图,将器件清单中的,R10,电阻的引线两端折成图,3-47,（,a,）所示形状焊接到此位置,，其它同类标注照此处理,将器件清单中的电容的两端焊接到此位置，其它同类标注照此处理,将器件清单中对应电阻引线两端折成图,3-47,（,b,）所示形状焊接到此位置,，其它同类标注照此处理,（,a,）,（,b,）,了解万用表的基本构造和测试原理。,掌握万用表测量电压、电流和电阻的方法以及注意事项；,制定本实验有关数据记录表格。,万用表套件,1,套、焊接工具,1,套。,实训器材,预习要求,使用烙铁时要注意：,烙铁头要上锡才能焊接器件；,注意掌握烙铁温度，防止“烧死”；,使用烙铁要注意轻拿轻放，不可猛力摔打，以避免震断电阻丝或引线；,焊接工作暂停或结束时应将烙铁头擦干净并上锡，然后断开电源，待烙铁余热散尽再收藏起来。,实训注意事项,焊接时要注意：,保持焊点处清洁；,要适当控制焊接温度和焊接时间；,焊点的锡量要适中；,刚焊好的焊点焊锡不会立即凝固，这时移动被焊的元件或导线，否则可能使焊件脱落或使焊点凝成砂状，影响焊接质量；,焊接时保持器件与线路板的距离适中，以免影响散热效果和导电性。,掌握使用常用电工仪器仪表测量直流电压、电流的方法和注意事项。,加深对基尔霍夫电压定律和电流定律的理解。,加深对叠加原理含义的理解。,实训目的,实训二 验证基尔霍夫定律和叠加原理,搭建实训电路图。,根据实验室的仪器设备和各种器件，参照图示电路图对电路进行连线（虚线部分暂时不接），并找出图示电路的支路，节点，回路，网孔，填入下表。,支路,节点,回路,网孔,实训步骤,（,2,）验证基尔霍夫电流定律,将电流表,A1A3,按照图示接入到电路中，读取电流表,A1A3,的数值，填入下表；设定不同的电路参数，读取电流表,A1A3,的数值，填入下表。,U,s,（,V,）,I,s,（,A,）,R,1,（,）,R,2,（,）,R,3,（,）,I,1,（,A,）,I,2,（,A,）,I,3,（,A,）,I,（,3,）验证基尔霍夫电压定律,设定不同的电路参数，使用万用表电压档或者电压表测量,V1V5,的数值，填入下表。,U,s,（,V,）,I,s,（,A,）,R,1,（,）,R,2,（,）,R,3,（,）,V1,（,V,）,V2,（,V,）,V3,（,V,）,V4,（,V,）,V5,（,V,）,U,（,4,）验证叠加原理,设定不同的电路参数，读取电流表,A1A3,和电压表,V1V5,的数值，并进行计算，填入下表。,实训器材,稳压直流电源,1,台,.,电流表,3,台。,电压表（或万用表）,1,台。,电阻若干。,掌握电路结构中的几个名词：支路，节点，回路，网孔；,掌握基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律的内容和含义；,掌握叠加定理的内容和含义。,掌握使用电流表、电压表和万用表的方法以及注意事项；,制定本实验有关数据记录表格。,预习要求,阐述电路结构中的几个名词的含义；,阐述基尔霍夫定律的内容；,阐述叠加原理的内容；,记录实训过程中的相关数据。,实训报告要求,实训注意事项,使用电流表或者电压表时，一定要注意按照电路图所示连接电流表和电压表的接线柱。,验证基尔霍夫定律时，要根据选定的参考方向确定电流表的极性。,测量不同的电量时，要选择合适的量程。,验证叠加原理实验时，一定要注意正确处理电压源和电流源的断开。,