工学电路和电路元件上.pptx

1第一章第一章第一章第一章 电路和电路元件电路和电路元件电路和电路元件电路和电路元件 21.1.1电路与电路模型电路与电路模型1.1.2电压、电流及其参考方向电压、电流及其参考方向1.1.3电路的功率和能量电路的功率和能量1.2无源电路元件无源电路元件1.3独立电源元件独立电源元件1.4电路的工作状态和电器设备的额定值电路的工作状态和电器设备的额定值第一章 电路和电路元件1.1电路和电路基本物理量电路和电路基本物理量1.2.1电阻元件电阻元件1.2.2电容元件电容元件1.2.3电感元件电感元件3 学习电工电子技术中的学习电工电子技术中的电路基本组成电路基本组成及及常用的电路元件常用的电路元件，是学习以下各章节的基础。，是学习以下各章节的基础。介绍电阻元件，电感元件，电容元件，独立电介绍电阻元件，电感元件，电容元件，独立电源元件，半导体二极管和三极管等器件的工作源元件，半导体二极管和三极管等器件的工作原理、特性曲线和参数。原理、特性曲线和参数。第一章第一章 电路和电路元器件电路和电路元器件 本章内容摘要本章内容摘要4第一章第一章 电路和电路元器件电路和电路元器件 1.1.1电路与电路模型电路与电路模型一、实际电路一、实际电路系统系统=一定的目的一定的目的一定的组合方式一定的组合方式系统的概念是广义的，如天气系统、食物链系统、机械系统，化系统的概念是广义的，如天气系统、食物链系统、机械系统，化工系统等。工系统等。部件部件 1.系统系统1.1电路和电路基本物理量电路和电路基本物理量5电路电路 元件元件=目的目的组合方式组合方式、器件、器件、设备、设备 电路是为了某种需要由某些电器设备或器件或元件按一定电路是为了某种需要由某些电器设备或器件或元件按一定方式组合起来的方式组合起来的电流通路。电流通路。元件：最小单位。元件：最小单位。按联结电路的目的和电路的作用分：按联结电路的目的和电路的作用分：力能电路力能电路 信号电路信号电路 2电路电路3分类分类元件构成器件、器件构成设备、设备组成系统。元件构成器件、器件构成设备、设备组成系统。611导线导线电电池池开关开关灯泡灯泡7381)1)力能电路力能电路 电灯电灯 电炉电炉 .电动机电动机发发 电机电机升压升压 变压器变压器降压降压 变压器变压器 光能光能机械能机械能 热能热能.输电线输电线中间环节中间环节电源电源负载负载非非电电能能电电能能起传输和分配电起传输和分配电能的作用能的作用 供电设备供电设备吸收电能吸收电能非非电电能能电电能能 电能传输效率高。电能传输效率高。实现实现能量能量的传输和转换。的传输和转换。(强电强电)照明电路照明电路动力电路动力电路电压高、电流和功率大电压高、电流和功率大(106Kw、105Kw)。380V、220V；50Hz9音频信号：音频信号：2)2)信号电路信号电路 放大器放大器 中间环节中间环节源源负载负载非非电电信信号号电电信信号号电信号转换、放电信号转换、放大，传递给扬声大，传递给扬声器器非非电电信信号号电电信信号号 保证信号传递质量。保证信号传递质量。功率低功率低(10-3w)(弱电弱电)传递和处理信号。传递和处理信号。处理：放大、变换处理：放大、变换、滤波、滤波16Hz20kHz正弦、方波、三角波正弦、方波、三角波信号信号10二、电路模型二、电路模型 元器件工作物理过程元器件工作物理过程 表示耗能表示耗能电能电能非电能非电能电能电能电场能电场能电能电能磁场能磁场能非电能非电能电能电能RC无源元件无源元件L?实际电气设备实际电气设备电路模型电路模型如何对应如何对应表示建立电场表示建立电场表示建立磁场表示建立磁场有源元件有源元件对应对应!不对应不对应!电气设备电气设备(多种物理现象多种物理现象)基本模型的组合基本模型的组合基本模型基本模型实际电路实际电路模型化模型化理论分析理论分析+测量测量11理想无源元件理想电源元件l由实际电路元件组成的电路称为由实际电路元件组成的电路称为电路实体电路实体。l可将电路实体中各个实际的电路元件都用可将电路实体中各个实际的电路元件都用表征其物理性质的表征其物理性质的理想电路元件理想电路元件代替。代替。l用理想电路元件用理想电路元件组合组合成的电路称为电路实成的电路称为电路实体的体的电路模型电路模型。121.几种基本的电路元件：几种基本的电路元件：电阻元件：表示消耗电能的元件电阻元件：表示消耗电能的元件电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件注注l具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，在一定条件下可用同一模型表示；在一定条件下可用同一模型表示；l同一实际电路部件在不同的应用条件下，其同一实际电路部件在不同的应用条件下，其模型可以有不同的形式模型可以有不同的形式实物下页13电阻器电阻器电容器电容器线圈线圈电池电池运算放大器运算放大器晶体管晶体管14反映实际电路部件的主要电磁反映实际电路部件的主要电磁性质的性质的理想电路元件及其组合理想电路元件及其组合。导线导线电电池池开关开关灯泡灯泡2.电路模型电路模型 (circuitmodel)电路图电路图l理想电路元件理想电路元件有某种确定的电磁性能的理想元件有某种确定的电磁性能的理想元件l电路模型电路模型15图图11手电筒电路手电筒电路常用电路图来表示电路模型常用电路图来表示电路模型(a)实际电路实际电路(b)电原理图电原理图(c)电路模型电路模型(d)拓扑结构图拓扑结构图16图图12晶体管放大电路晶体管放大电路(a)实际电路实际电路(b)电原理图电原理图(c)电路模型电路模型(d)拓扑结构图拓扑结构图17电路模型近似地描述实际电路的电气特性。根据实际电路模型近似地描述实际电路的电气特性。根据实际电路的不同工作条件以及对模型精确度的不同要求，应当电路的不同工作条件以及对模型精确度的不同要求，应当用不同的电路模型模拟同一实际电路。现在以线圈为例加用不同的电路模型模拟同一实际电路。现在以线圈为例加以说明。以说明。图图13线圈的几种电路模型线圈的几种电路模型(a)线圈的图形符号线圈的图形符号(b)线圈通过低频交流的模型线圈通过低频交流的模型(c)线圈通过高频交流的模型线圈通过高频交流的模型18 电路模型电路模型是对实际电路电磁性能的科学是对实际电路电磁性能的科学抽象和概括抽象和概括,具有一般性。具有一般性。电路模型特点：电路模型特点：1)1)只见参数，不见设备只见参数，不见设备 2)联结关系不变，但不表示联结形联结关系不变，但不表示联结形式不变。式不变。19源源力能力能:电源电源信号信号:信号源信号源激励激励输入输入传输传输负载负载(负荷负荷)响应响应发生在负载上的响应输出输出三、电路问题三、电路问题1 1 激励、响应激励、响应 激励激励-电源或信号源的电压电源或信号源的电压(电流电流)，它推动电路工作。，它推动电路工作。也称输入也称输入 响应响应-由激励在电路各个部分产生的电压和电流。由激励在电路各个部分产生的电压和电流。也称输出也称输出 系系 统统输出输出 Y输入输入 X(响应之一)202 电路问题电路问题1)系统分析系统分析 根据系统内部结构和参数，建立根据系统内部结构和参数，建立Y=f(X)关系。关系。2)系统综合系统综合根据激励根据激励X与响应与响应Y的关系，构造系统的结构。通常所讲的设计。的关系，构造系统的结构。通常所讲的设计。3)系统辨识系统辨识系统存在，但内部结构及系统功能未知，建立系统响应系统存在，但内部结构及系统功能未知，建立系统响应Y与激励与激励X的关系。通常所讲的建模。的关系。通常所讲的建模。研究电路的研究电路的u,i 关系关系功能关系功能关系4)系统故障系统故障系系 统统输出输出 Y输入输入 X电路变量电路变量时变量时变量非时变量非时变量(小写字母小写字母)(大写字母大写字母)u、i、pU、I、P 21 已知已知:激励、结构、参数激励、结构、参数 3 电路分析的基本方法电路分析的基本方法 2)根据不同元件电压和电流关系根据不同元件电压和电流关系-平衡约束平衡约束(由由KCL、KVL)1)根据各元件电压和电流关系根据各元件电压和电流关系-元件约束元件约束(由元件本身特点决定由元件本身特点决定)U1=R1I U2=R2I U3=R3IIUS=U1+U2+U3 Ul+_U2+_U3+_+_R3USR2Rl 然然后后 元件约束元件约束平衡约束平衡约束-数学模型数学模型 最后最后 求解求解 首先确定首先确定 求解：电压、电流、功率求解：电压、电流、功率 221.1.2电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向(referencedirection)电电路路中中的的主主要要物物理理量量有有电电压压、电电流流、电电荷荷、磁磁链链、能能量量、电电功功率率等等。在在线线性性电电路路分分析析中中人人们们主主要要关关心心的的物物理理量量是电流、电压和功率。是电流、电压和功率。1.电流的参考方向电流的参考方向(currentreferencedirection)l电流电流l电流强度电流强度带电粒子有规则的定向运动带电粒子有规则的定向运动单位时间内通过导体横截面的电荷量单位时间内通过导体横截面的电荷量23l方向方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向l单位单位1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（安培）、（安培）、kA、mA、A元件元件(导线导线)中电流流动的实际方向只有两种可能中电流流动的实际方向只有两种可能:实际方向实际方向实际方向实际方向 AABB问题问题复杂电路或电路中的电流随时间变化时，复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断电流的实际方向往往很难事先判断24l参考方向参考方向i 参考方向参考方向大小大小方向方向电流电流(代数量代数量)任意假定一个正电荷运动的方向即为电任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。流的参考方向。ABi 参考方向参考方向i参考方向参考方向i0i0实际方向实际方向实际方向实际方向电流的参考方向与实际方向的关系：电流的参考方向与实际方向的关系：AABB25电流参考方向的两种表示：电流参考方向的两种表示：用箭头表示：箭头的指向为用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。电流的参考方向。用双下标表示：如用双下标表示：如 iAB,电流的参考方向由电流的参考方向由A指向指向B。26l电压电压Ul单位：单位：V(伏伏)、kV、mV、V2.电压的参考方向电压的参考方向(voltagereferencedirection)单单位位正正电电荷荷q 从从电电路路中中一一点点移移至至另另一一点点时时电场力做功（电场力做功（W）的大小）的大小l电位电位 单位正电荷单位正电荷q 从电路中一点移至参考点从电路中一点移至参考点（0）时电场力做功的大小时电场力做功的大小l实际电压方向实际电压方向电位真正降低的方向电位真正降低的方向27例例已知：已知：4C正电荷由正电荷由a点均匀移动至点均匀移动至b点点电场力做功电场力做功8J，由，由b点移动到点移动到c点电场点电场力做功为力做功为12J，(1)若以若以b点为参考点，求点为参考点，求a、b、c点的点的电位和电压电位和电压Uabab、U Ubcbc;(2)(2)若以若以若以若以c c点为参考点，再求以上各值点为参考点，再求以上各值点为参考点，再求以上各值点为参考点，再求以上各值ac解解b(1)以以b点为电位参考点点为电位参考点28abc解解(2)电路中电位参考点可任意选择；电路中电位参考点可任意选择；参考点参考点一经一经选定选定，电路中，电路中各点的各点的电位值电位值就是就是唯一唯一的；当选择不同的电位参考点时，的；当选择不同的电位参考点时，电路中各点电位值将改变，但电路中各点电位值将改变，但任意两点间电压保持不变任意两点间电压保持不变。结论结论以以c点为电位参考点点为电位参考点29问题问题复杂电路或交变电路中，两点间电压的实际方向往往复杂电路或交变电路中，两点间电压的实际方向往往不易判别，给实际电路问题的分析计算带来困难。不易判别，给实际电路问题的分析计算带来困难。l电压电压(降降)的参考方向的参考方向U0参考方向参考方向U+实际方向实际方向+实际方向实际方向参考方向参考方向U+U假设的电压降低方向假设的电压降低方向30电压参考方向的三种表示方式电压参考方向的三种表示方式：(1)用箭头表示用箭头表示(2)用正负极性表示用正负极性表示(3)用双下标表示用双下标表示UU+ABUAB31元件或支路的元件或支路的u，i 采用相同的参考方向称之为采用相同的参考方向称之为关联参考关联参考方向。方向。反之，称为反之，称为非关联参考方向。非关联参考方向。关联参考方向关联参考方向非关联参考方向非关联参考方向3.关联参考方向关联参考方向i+-+-iUU32注注(1)分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。(2)参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注(包包括方向和括方向和符号符号），在计算过程中不得任意改变。），在计算过程中不得任意改变。（3）参考方向不同时，其表达式相差一负号，但实际参考方向不同时，其表达式相差一负号，但实际方向不变。方向不变。例例ABABiU电压电流参考方向如图中所标，问：对电压电流参考方向如图中所标，问：对A、B两部分电路电压电流参考方向关联否？两部分电路电压电流参考方向关联否？答：答：A电压、电流参考方向非关联；电压、电流参考方向非关联；B电压、电流参考方向关联。电压、电流参考方向关联。331.1.3电路的功率和能量电路的功率和能量一、电功率一、电功率功率的单位：功率的单位：W(瓦瓦)(Watt，瓦特，瓦特)能量的单位：能量的单位：J(焦焦)(Joule，焦耳，焦耳)单位时间内电场力所做的功。单位时间内电场力所做的功。341.电路吸收或发出功率的判断方法电路吸收或发出功率的判断方法l u,i取取关联参考方向关联参考方向P=ui 表表示元件吸收的功率示元件吸收的功率P0吸收正功率吸收正功率(实际吸收实际吸收)P0发出正功率发出正功率(实际发出实际发出)P0,0,这这说明它们是取用还是说明它们是取用还是输出电功率输出电功率?EIUIU下一题上一题返回分析与思考题集39答：电源的电功率答：电源的电功率P P 0,0,说明电源输出电说明电源输出电功率功率;负载的电功率负载的电功率P P 0,0,说明负载取用说明负载取用（输入）电功率。（输入）电功率。解答解答401.1.1 (2)，(4),1.1.2 (1)，(2)，(5)，(7)，(8)，(9)，(11)，(16)1.1.4 (3)，(6),1.1.6.1.1.7习题（习题（2009.12.22009.12.2）411.2.1 电阻元件电阻元件1.电阻概念电阻概念iA1)线性电阻线性电阻1.2 无源电路元件无源电路元件u(V)i(A)0u+_2)非线性电阻非线性电阻iBu+_USUSu(V)i(A)0特点：特点：通过原点通过原点 iu 0无源，反映耗能这种物理现象无源，反映耗能这种物理现象RR2外部特性概念外部特性概念电路元件或电路某部分端电路元件或电路某部分端 口处电压与电流之间的关系口处电压与电流之间的关系外特性外特性或或伏安特性伏安特性u=Ri对电流呈现阻力的元件。其伏安关对电流呈现阻力的元件。其伏安关系用系用ui平面的一条曲线来描述平面的一条曲线来描述42实验表明：实验表明：在低频工作条件在低频工作条件下，电阻器的电压电下，电阻器的电压电流关系是流关系是ui平面上通过平面上通过坐标原点的一条直线。坐标原点的一条直线。用晶体管特性图示仪用晶体管特性图示仪测量二端电阻器的电测量二端电阻器的电压电流关系。压电流关系。43实验表明：实验表明：在低频工作条件在低频工作条件下，晶体二极管的电下，晶体二极管的电压电流关系是压电流关系是ui平面上平面上通过坐标原点的一条通过坐标原点的一条曲线。曲线。用晶体管特性图示仪用晶体管特性图示仪测量晶体二极管的电测量晶体二极管的电压电流关系。压电流关系。443.功率和能量功率和能量1)对于线性电阻元件，对于线性电阻元件，当激励的输出为恒定时，当激励的输出为恒定时，2)电阻元件描述实际耗电能设备，注意电阻元件描述实际耗电能设备，注意额定值额定值额定电流额定电流IN-耐热限度耐热限度额定电压额定电压UN-耐压限度耐压限度长时间工作的限额长时间工作的限额45可用功率表示。从可用功率表示。从t到到t0电阻消耗的能量：电阻消耗的能量：Riu+4.电阻的开路与短路电阻的开路与短路能量：能量：l短路短路l开路开路ui46分析与思考分析与思考 某负载为一可变电阻器，由电压一定的某负载为一可变电阻器，由电压一定的蓄电池供电，当负载电阻增加时，该负载是蓄电池供电，当负载电阻增加时，该负载是增加了？还是减小了？增加了？还是减小了？47解答解答 答：负载的增减指负载消耗的电功率答：负载的增减指负载消耗的电功率的增减。负载消耗的电功率的增减。负载消耗的电功率P P=U U2 2/R RL L,蓄电蓄电池电压一定即式中池电压一定即式中U不变，当不变，当R RL L增加时，增加时，P减小，故该负载减小了。减小，故该负载减小了。48 图示电路中的电源短路图示电路中的电源短路时时,是烧坏电源还是烧坏是烧坏电源还是烧坏照明灯照明灯?S2S1分析与思考分析与思考49 答：烧坏电源。因为这时所有负载均答：烧坏电源。因为这时所有负载均被短路，电流不通过负载，外电路的电阻被短路，电流不通过负载，外电路的电阻可视为零，回路中仅有很小的电源内阻，可视为零，回路中仅有很小的电源内阻，故会有很大的电流通过电源，将电源烧坏。故会有很大的电流通过电源，将电源烧坏。解答解答50常用的各种二端电阻器件电阻器电阻器晶体二极管晶体二极管51电阻器电阻器红色红色金色金色银色银色黑色黑色棕色棕色红色红色橙色橙色黄色黄色绿色绿色蓝色蓝色紫色紫色灰色灰色白色白色例：例：乘数乘数10102103104105106107108109允许偏差允许偏差乘数乘数电阻器的色环电阻器的色环第一条第一条 色环色环第二条第二条 色环色环乘数色环乘数色环允许偏差允许偏差 色环色环52电阻器是利用电阻系数较大的物质所作成的。工作方式可分为固定电阻（Fixed resistor）和可变电阻（Variable resistor）两大类。1固定电阻：固定电阻可依组成结构、制造方式的不同分为以下几种（1）炭膜电阻：（2）金属膜电阻：它是用一支瓷管上利用真空喷涂技术在上面喷涂一层炭膜，再将炭膜外层加工车成螺旋纹状，依照螺旋纹的多寡来定其电阻值，最后在外层加上一层保护膜披覆，是我们最常使用的制品。它是用一支瓷管上利用真空喷涂技术在上面喷涂一层金属膜，并在金属膜车上螺旋纹，内部构造与图2相同，只是将炭膜换成金属膜，并且于瓷棒两端度上贵金属，它的特色为稳定、低杂音、误差小及受温度影响小。53（3）金属氧化膜电阻：（4）炭质电阻 它是用一支高热传导的基材（陶瓷）上利用高温燃烧技术在上面烧附一层金属氧化薄膜，并在金属氧化薄膜车上螺旋纹，内部构造与图2相同，只是将炭膜换成金属氧化薄膜，并且于外层喷涂不然性涂料，它的特色为稳定、低杂音及受温度影响小。它是利用石墨、碳等较大的电阻系数物质加上胶合剂加压、加热成棒状，并在制造时植入导线电阻的大小依成分配置及碳棒粗细长短而定，制造成本最为低廉。54（5）线绕电阻：上述电阻都不能承受大功率的消耗，因此若要使用于大功率时就必须用线绕电阻。构造如图9所示它是在一只瓷管上以合金线（铁、镍）绕制而成，外层涂装硅利康树脂或不燃性涂料。另外还有方形线绕电阻器，它是将线绕电阻器放入长方形的瓷框内，用特殊的不燃耐热水泥充填密封而成，这种电阻我们也称它为水泥电阻。551.2.2 电容元件电容元件 (capacitor)(capacitor)电容器电容器_q+q 在外电源作用下，在外电源作用下，两极板上分别带上等量异号电荷，撤去电两极板上分别带上等量异号电荷，撤去电源，板上电荷仍可长久地集聚下去，是一源，板上电荷仍可长久地集聚下去，是一种储存电能的部件。种储存电能的部件。1.定义定义电容元件电容元件储存电能的元件。其储存电能的元件。其特性可用特性可用uq 平面平面上的一条曲线来描述上的一条曲线来描述qu库伏库伏特性特性56任任何何时时刻刻，电电容容元元件件极极板板上上的的电电荷荷q与与电电流流u 成成正正比比。q u 特性是过原点的直线特性是过原点的直线l电路符号电路符号2.线性定常电容元件线性定常电容元件Cu+q-q C称为电容器的电容称为电容器的电容,单位：单位：F(法法)(Farad，法拉，法拉),常用常用 F，pF等表示。等表示。quO l单位单位57l线性电容的电压、电流关系线性电容的电压、电流关系Cuiu、i 取关取关联参考方向联参考方向电容元件电容元件VCR的微分关系的微分关系表明：表明：(1)i 的大小取决于的大小取决于u的变化率的变化率,与与u 的大小无关，的大小无关，电容是动态元件；电容是动态元件；(2)当当u 为常数为常数(直流直流)时，时，i=0。电容相当于开路，电容。电容相当于开路，电容有隔断直流作用；有隔断直流作用；(3)实际电路中通过电容的电流实际电路中通过电容的电流 i为有限值，则电容电压为有限值，则电容电压u必定是时间的连续函数必定是时间的连续函数.58电容元件有记忆电流的作用，故称电容为记忆元件电容元件有记忆电流的作用，故称电容为记忆元件（1）当当u，i为为非非关关联联方方向向时时，上上述述微微分分和和积积分分表表达达式前要冠以负号式前要冠以负号;（2）上上式式中中u(t0)称称为为电电容容电电压压的的初初始始值值，它它反反映映电电容初始时刻的储能状况，也称为初始状态。容初始时刻的储能状况，也称为初始状态。电容元件电容元件VCR的积分关系的积分关系表明表明注注59关于电容电压增量关于电容电压增量v v 在在t t 时刻时刻在在t+t t+t 时刻时刻 当当|i(t)|M|i(t)|M（M M为有限常数），为有限常数），t0t0时时v0v0，这，这说明说明只要电流是有界函数，电压就是连续函数，只要电流是有界函数，电压就是连续函数，即即电电电电容电压值是不会发出跳变的容电压值是不会发出跳变的容电压值是不会发出跳变的容电压值是不会发出跳变的。v(t)v(t)是连续的是连续的v v(0(0+)=v(0)=v(0-)=0)=0 603.电容的功率和储能电容的功率和储能(1)当电容充电，当电容充电，u0，du/dt0，则，则i0，q ，p0,电容吸收功率。电容吸收功率。(2)当电容放电，当电容放电，u0，du/dt0，则，则i0，q ，p0，di/dt0，则，则u0，p0,电感吸收功率。电感吸收功率。(2)当电流减小，当电流减小，i0，di/dt0，则，则u0，pIN当当RS很小时，很小时，I 很大，电源烧毁。很大，电源烧毁。带载带载开路开路满载满载电源电源负载负载I=0U=US 电压源不能短路电压源不能短路短路短路I=USRS=ISC超载超载轻载轻载U=USU RL2，对于电源来说，哪种情况负荷大？对于电源来说，哪种情况负荷大？由电源的输出功率或电源的输出由电源的输出功率或电源的输出电流衡量电流衡量+_USI RL2 RSU_+_USI RL1 RSU_?