电工电子基础单元一直流电路.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,汽车,电工电子基础,汽车电子技术教研室（7#304,）,张岳,1,、是一门汽车类专业的专业基础课，,2,、是汽车维修技术中所应用的电工电子基础知识，,3,、是汽车电气系统维修所必备的基本知识。,1,、课堂认真听讲，课后用少量时间复习。,2,、注重理论与实践相结合，培养分析解决实际问题的能力。,学习本课程的意义：,学习本课程的原则：,1,、直流电路,2,、正弦交流电路,3,、三相交流电路,4,、电磁学的应用,5,、发电机与电动机,6,、安全用电,7,、半导体二极管及晶体管的应用,8,、集成运算放大器及数字电路基础,本书主要讲授内容：,单元一 直流电路,知识目标：,电路的组成,及基本概念,电路,模型,电位的计算,电路分析的常用方法,能力目标：能用万用表测量直流电路中电流、电压、电阻,能解决直流电路中的联结问题,第一节 电路的组成及其基本概念,一 电路:,电流流经的,闭合路径,称为电路（由电,工,设备和,导线,联接组成）,电路的组成,电源（将非电能转化成电能的装置）,中间环节（把电源与负载连接起来）,负载（将电能转化成非电能的设备）,电路的分类,电力电路：,传输、转换和分配电能,电信电路,：,传递,、变换,和处理信号,由干电池（电源）、小电珠（负载）和开关（中间环节）三部分组成的手电筒电路是,电力电路,由话筒、放大器、扬声器组成的,扩音器电路是,电信电路,常见元件的图形符号,开关,干电池,灯泡,图,1-3,手电筒的电路模型,S,R,L,+,E,R,0,+,U,开关,灯泡,干电池,电流强度：,单位时间内通过导体某一横截面的电荷量称 为电流强度，简称,电流,电流的形成,：,带电粒子,（电子、离子等）在外力作用下,有规则,的,定向运动,就形成了电流。,二 电流,电流强度单位：,A,、,mA,、,A,电流参考方向：,可以任意假设，,选定参考方向之后，电流才有正负之分；,与实际方向一致时为正值与实际方向相反时为负值,I=？,电流实际方向：,习惯上规定正电荷移动的方向或负电荷移动的反方向为电流的方向,电流的方向,如不特别说明，以后在电路中标注的电,流,方向均为参考方向。,在分析电路时，首先假定电流的参考方向，并据此分析计算，然后再从答案的正、负值来确定电流的实际方向,“实际方向”是物理中规定的，而“假设 正方向”则,是人们在进行电路分析计算时,任意假设的。,直流电路与交流电路：,设在dt时间内通过导体某一横截面的电荷量为dq,则,任意瞬时,通过该截面的电流为,i=dq/dt,若i=dq/dt为常数，则这种电流为恒定电流，简称直流在直流电路中上式可以写:,I=Q/t,若i=dq/dt不是常数，大小与方向上都在发生变化，则这种电流为交流电路。,对电流要从,大小,、方向,及,单位,三个方面来进行描述，缺一项则没有意义。,电压：电场力把单位正电荷由,A,点移到,B,点所作的功在数值上等于,A,、,B,两点的电压，是衡量电场力做功能力的物理量,.,三 电压,u,ab,=dw/dq,电压单位：,V=10,-3,kV=10,3,mV,直流电压：,U=w/q,1V=,电压实际方向：,规定从高电位点指向低电位点为电压方向，即电压降的方向,电压参考方向：,可以任意假设，与实际方向一致时为正值与实际方向相反时为负值,电压的方向,电压是标量，但在分析电路时，和电流一样，也说他们具有方向。,关联方向：,电压与电流的参考方向一致，则称电流与电压为关联参考方向。,非关联方向：,若电流与电压的参考方向相反，则称电流与电压为非关联参考方向。,虽然电压的参考方向可以任意设定，但一般情况下总是选择关联参考方向。,如不特别说明，以后在电路中标注的电压方向均为参考方向。,电压,标注的方式有以下三种：,极性符号表示，参考方向由正指向负。,双下标表示，参考方向由,a,指向,b,。,箭头表示。,注意：,1.,电压是针对电路中某两点之间来说的，描述电路中的某一点或多于两点的电压是没有任何意义的。,2.,与电流一样，对电压的描述也要求指出电压的,大小、,方向,及,单位,，缺一不可。,练 习,1.在图中，U,ab,=-5V，试问a,b两点哪点电位高？,解：Uab的参考方向为由a指向b，而Uab0,表明该元件吸收功率，属于负载性质,，电流从“+”端流入。,2.若P0,表明该元件产生功率，属于电源性质,，电流从“+”端流出。,电源和负载的判断方法：,电源和负载分别是吸收功率还是释放功率？,电路有,空载、短路、有载工作,三种状态，现在以图1所示的简单直流电路为例来分析电路的各种状态。,七,电路的三种状态：空载、短路、有载,图,1-,E,为电源电动势，,R,0,为电源内阻，,R,L,为负载电阻,有载工作状态,当上图开关,S,闭合时，电路中有电流流过，电源输出电功率，负载取用电功率，这称为有载工作状态。,有载工作状态特点：,1.,电路中电流,I=E/(R,0,+R,L,),2.,负载电阻两端的电压U=R,L,I=,E-R,0,I，,当,电源内阻极小时,，,UE,由上式可见，电源端电压小于电动势，两者之差为电流通过电源内阻所产生的电压降R,0,I。电流愈大，则电源端电压下降的愈多。,3.又因为,UI=,E,I,-R,0,I,2,则,P=P,E,-P,式中,P,E,=EI,，是电源产生的功率；,P=,R,0,I,2,，是电源内阻上损耗的功率；,P=UI,是电源输出的功率。,例：在下图中，U=220V，I=5A，内阻R,01,=R,02,=0.6,。（1）试求电源的电动势和负载的反电动势；（2）试说明功率的平衡,解：,（1）电源 U=E,1,-,U,1,=E,1,-R,01,I,E,1,=U+R,01,I=220V+0.65V=223 V,负载 U=E,2,+U,2,=E,2,+R,02,I,E,2,=U-R,02,I=220V-0.65=217 V,（2）有（1）中两式可得,E,1,=E,2,+R,01,I+R,02,I,等号两边同乘I，则得E,1,I=E,2,I+R,01,I,2,+R,02,I,2,E,1,I=223,5W=1115W是电源功率,E,2,I=2175W=1085W是负载取用功率,R,01,I,2,=15W电源内阻功率,R,02,I,2,=15W负载内阻功率,谁是电源？,谁是负载？,空载状态,当开关断开时，电路电流为零，这称为空载，也称为开路，电源端电压称为开路电压，等于电源的电动势，负载电压为零。,I=0,U,1,=E,；,U,2,=0,P,E,=P,2,=0,电路空载特征：,短路状态,当电路两端的导线由于某种事故而直接相连，这时电源输出电流不经过负载，只经过导线直接流回电源，这种状态称为短路状态，简称短路。,I=I,sc,=E/R,0,U,2,=0,P,E,=I,2,sc,R,0,=E,2,/R,0,P,2,=0,电路短路状态的特征：,为了保证电气设备和器件能安全、可靠和经济地工作，制造厂规定了每种设备和器件在工作时所允许的最大电流、最高电压和最大功率，称为电气设备和器件的额定值，常用下标符号N表示，如I,N,U,N,P,N,。又称铭牌值。,满载,：电气设备和器件应尽量的工作在额定状态，这中状态又称为满载。能保证电气设备工作可靠，而且具有足够的使用寿命。,轻载：,电气设备低于额定值的工作状态称为轻载，得不到正常的工作情况，不能充分利用设备的工作能力。,过载,：电气设备高于额定值的工作状称为过载，会导致过热，绝缘层破坏，长时间过载会缩短设备的使用寿命损坏电气设备。,1.,电路及电路模型,2.,电流,3.,电压,4.,电动势,5.,电位,6.,电功率,7,.电路的三种工作状态,8.电气设备的三种工作状态,第二节 电阻,电荷在电场力的作用下在导体中移动时遇到的阻力称为电阻，材料的电阻仅与自身因素有关，用公式表示：,上式中,是与材料有关的物理量，称为电阻率，其单位,m,，,L,为材料的长度，,S,为材料的横截面积。电阻的单位为,:,电阻的符号如图,1-,所示，,(a),图为线性电阻，,(b),为非线性电阻。,在关联参考方向下，当,=,是常数时，该电阻称为线性电阻，其伏安特性曲线为通过原点的一条直线。,电阻元件的功率为：,电阻是耗能元件，即总是消耗能量的。,在国际单位制中电阻单位：欧姆（欧）,线性电阻与非线性电阻,线性电阻：,如果电阻值始终为一常数，其大小仅取决于材料的性质，而与加在其两端的电压和与流过其电流无关，这种电阻称之为线性电阻。,非线性电阻：,如果电阻不是一个常数，其大小不仅取决于材料的性质，而与其所处的外界因素有关，例如温度、光照等，这种电阻称之为非线性电阻，如光敏电阻，其电阻值与光照有关。,二、电阻器的分类与标记,电阻器是汽车电气电子设备中用得最多的基本元件之一。,1、电阻器的用途：,1,、控制和调节电路中的电流和电压。,2,、用作消耗电能的负载。,2、电阻器的分类：,按阻值分,固定电阻器和可调电阻器（常称为电位器）；,按材料分,-,碳膜电阻器、金属膜电阻器、线绕电阻等；,按功率分,-1/16,、,1/8,、,1/4,、,1/2,、,1,、,2,；,按精确度分,-,精确度为,5%,、,10%,、,20%,等普通电阻器，,精确度为,0.1%,、,0.2%,、,0.5%,、,1%,、,2%,的精密电阻器。,3、固定电阻器,电阻器型号,：,命名方法根据国家规定，如表,1-7,所示。,电阻器型号标称实例：,电阻型号命名方法,电阻器阻值的标注方法有两种：,直标法、色标法。,（1）直标法,3W3 ,表示阻值为,3.3W,，允许误差,5%,；,5M1 ,表示阻值为,5.1MW,允许误差,10%,；,1K8 ,表示阻值为,1.8KW,，允许误差,20%,将电阻器的阻值和误差直接用数字和字母印在电阻上（无误差标示为允许误差,20%,）。也有采用习惯标记法的，如：,（2）色标法,色标法,-,用颜色表示元件的各种参数并且直接标志在产品上的一种标志方法。,表,1-1,常用电阻器色码与数值的对应表,银,10%,36000,，5%,，1.87k,，1%,怎么用色标法表示,10,电阻器额定功率的识别：,电阻器的额定功率指电阻器在直流或交流电路中，长期连续工作所允许消耗的最大功率。,有两种表示方法：,2,以上的电阻器,-,直接用数字印在电阻体上；,2,以下的电阻,-,以自身体积大小来表示功率。,在电路图上表示电阻器功率时，采用图,1-12,所示的符号。,2、可调电阻器,一般称为电位器。,从形状分,-,圆柱形、长方体等；,从结构上分,-,直滑式、旋转式、带开关式、带锁紧装置式、多联式、多圈式、微调式、无接触式等；,从材料上分,-,碳膜、合成膜、有机导电体、金属玻璃釉、合金电阻丝等；,欧姆定律,欧姆定律的内容：,流过电阻上的电流与加在电阻上的电压成正比，与该电阻的阻值成反比。,当电流、电压参考方向选择相同（关联）时见图,1-,（,a,）所示，用公式表示为：,当电流、电压参考方向选择相反时（非关联）见图1-(b)所示，用公式表示为：,（,1-11,）,（,1-10,）,一个式子中有两套正负号，参考方向不同加负号，电压和电流本身还有正值和负值之分。,例1.应用欧姆定律对下图中的电路列出式子，并求电阻R。,解：a).R=U/I=(6/2),=3,b).R=-U/I=-6/(-2),=3,c).R=-U/I=-(-6/2),=3,d).R=U/I=(-6/-2),=3,解：,（a）U,ab,和I参考方向一致，故I=U,ab,/R=（-6/3,10,3,）=-2mA,IR,0,时，电压源的内部损耗可以不计，此时认为其内阻,R,0,为零，当,R,0,0,。从,U=Us-IR,0,中可知，此时电压源的端电压,U,将不随负载电流的变化而变化，其值为恒定值，这种电压源称为理想电压源。伏安特性曲线如上图示。,理想电压源,几个电压源可以将它们串联起来使用，等效为一个新的电压源，其电压值为几个电压源开路时的端电压之代数和，内阻为几个电压源内阻的串联等效电阻。,通常稳压电源和新干电池可近似地认为是理想电压源。,U,S,u,s,+,_,I,R,U,S,电池电源,理想电压源,实际电压源,电压源符号,定义,一个恒流源在实用中，在一定的电压范围内，可视为一个理想的电流源，即其输出电流不随负载两端的电压（亦即负载的电阻值）而变。,电流源,i,S,电路符号,和电压源一样，电流源在向负载提供电能的同时，自身也存在能量的损耗，其中,R,为电流源的等效内阻，,I,S,为电流源短路时对外提供的电流。,R,理想电流源,在实际电路中，有时负载电阻很小，当满足,RR,S,时，电流源的内部分流损耗可以不计，也就是当电流源的内阻,R,S,时，由式（,1-22,）可知，此时,I,S,为恒定值，这种电流源称为理想电流源。其伏安特性如图,1-24,中的实线。,与电压源类似，几个电流源也可以将它们并联起来用一个电流源来等效，其电流值为几个电流源的代数和，内阻为几个电流源内阻的并联值。,理想电流源,实际电流源,0,R,0,理想电压源与理想电流源区别,理想电压源,向外电路提供一个恒定电压值,电路中的电流,I,完全由外电路来决定，电流,I,的大小取决于负载,R,L,理想电流源,产生并输出恒定的电流值,负载两端电压,U,由外电路决定，电压,U,的大小取决于负载电阻,R,L,恒压源与恒流源特性比较,恒压源,恒流源,不 变 量,变 化 量,U,S,+,_,a,b,I,U,ab,U,ab,=U,S,（常数）,U,ab,的大小、方向均为恒定，,外电路负载对,U,ab,无影响。,I,a,b,U,ab,I,s,I=I,s,（常数）,I,的大小、方向均为恒定，,外电路负载对,I,无影响。,输出电流,I,可变,-,I,的大小、方向均,由外电路决定,端电压,U,ab,可变,-,U,ab,的大小、方向,均由外电路决定,R,电压源与电流源等效变换,电压源,电流源,U,=,U,s,I,R,0,U,=,I,0,R,0,I,0,=(,I,s,I,),R,0,=,I,s,R,0,I,R,0,R,R,R,0,R,0,=R,0,R,0,R,0,=,R,0,电源的等效变换注意以下几点,1,）电源之间的“等效”，是针对外电路来说的，在它们的内部并不等效。,2,）理想电压源与理想电流源之间不能进行等效变换。,3,）凡是与电压源相串联的电阻均可视为电压源内阻来进行等效变换，凡是与电流源相并联的电阻均可视为电流源内阻来进行等效变换。,4),电压源模型与电流源模型互换前后电流的方向保持不变，即,I,S,和,Us,方向一致。,有了电源之间的等效变换，我们便可将几个电源同时作用的复杂电路化简为一个电源作用的简单电路来进行分析。,+,-,I,R,0,R,L,E,例,：有一直流发电机，E=230V，R,0,=1,，当负载电阻R,L,时，用电源的两种电路模型分别求电压U和电流I，并计算电源内部的损耗功率和内阻压降，看是否相等？,计算电压U和电流I,IE（R,L,R,）A,UR,L,IV,I,I,S,R,0,R,L,计算电压U和电流I,II,S,R,（R,L,R,）A,UR,L,IV,计算内阻压降和电源内部损耗的功率,R,Iv,I,W,（UR,）,R,.W,例,:,求下列各电路的等效电源,解,:,+,a,b,U,2,5V,(a),+,+,a,b,U,5V,(c),+,a,+,-,2V,5V,U,+,-,b,2,(c),+,(b),a,U,5A,2,3,b,+,(a),a,+,5V,3,2,U,+,a,5A,b,U,3,(b),+,【,例,2】,图,1-25,中，已知,U,S,=12V,，,I,S,=1A,，,R,1,=6,，,R,2,=3,，,R,3,=4,，求流过,R,3,上的电流。,解：将,R,1,视为12V电压源的内阻，再将电压源化为等效的电流源，然后根据电流源合并的原则，将两个电流源合并成一个电流源,。,.,运用分流公式求出,R,3,上的电流：,其中：,例,3:,试用电压源与电流源等效变换的方法,计算,2,电阻中的电流。,解,:,8V,+,2,2,V,+,2,I,(d),2,由图,(d),可得,6V,3,+,+,12V,2A,6,1,1,2,I,(a),2A,3,1,2,2V,+,I,2A,6,1,(b),4A,2,2,2,2V,+,I,(c),例,4,：,解：,统一电源形式,试用电压源与电流源等效变换的方法计算图示,电路中,1,电阻中的电流。,2,+,-,+,-,6V,4V,I,2A,3,4,6,1,2A,3,6,2A,I,4,2,1,1A,I,4,2,1,1A,2,4A,解：,I,4,2,1,1A,2,4A,1,I,4,2,1A,2,8V,+,-,I,4,1,1A,4,2A,I,2,1,3A,例：求I、I,1,、U,S,；并判断20V的理想电压源和5A 的理想电流是电源还是负载？,例：计算电流I,3,例：计算电压U,5,例：计算图中2,电阻中的电流I,1.7 电路暂态分析,在自然界中，各种事物的运动过程通常都存在着两种状态：,稳定状态,和,过渡状态,。,稳态：,在一定条件下的稳定状态叫做稳态。,过渡状态,：,当条件改变时，它将从一种稳态转变到另一种新的稳态，这是需要一定时间的，这个转变过程称为过渡过程。,实例,1,：,电动机从接通电源开始启动，其转速逐渐增加，需要经过一段时间才能达到正常稳定运行状态，而拉断电源后，也要有一个减速的过程，才能从正常稳定运行状态逐步停下来。,实例,2,：电路的暂态与稳态,当开关断开时，稳态：,，,；,当开关闭合时，电路中的电容器被充电。观察到的现象：,灯泡,H,：开始最亮,-,变暗,-,熄灭,电流表：开始最大,(,/,)-,逐渐减小,-,为零,电压表：开始为零,-,逐渐增大,(,=,),电容器两极板带上带上等量而异号电荷的过渡过程后又达到一种稳态。,当开关打到,2,位置时，电容器放电。观察到的现象：,灯泡,H,：开始最亮,-,变暗,-,熄灭,电流表：开始最大（,/,）,-,逐渐减小,-,为零（）,电压表：开始为,逐渐下降为零,电容器经过两极板所带正负电荷中和的过渡过程后达到另一种稳态。,电路为什么会存在暂态过程呢？,具有储能元件、的电路存在暂态过程，是因为电感和电容中所储存的能量不能跃变。因为,=,，能量的跃变意味着其功率为无穷大，这实际上是不可能的。,电感的储能为,电容的储能为,因为能量不能跃变，故电感电流,和电容电压,只能逐渐变化，不能跃变。,1、换路定则,换路,：,电路的暂态过程是由于电路状态的改变如电路的接通或断开、电源的变化、电路参数的变化等原因而产生的，我们常把这种电路状态的变化叫做换路。,换路定则,：,在换路瞬间，电感电流,和电容电压,不能跃变，称为换路定则。,如果设,=0,时换路,-,表示换路前的终了一瞬间,-,表示换路后的初始一瞬间，则换路定则可表示为,意义：即从 到 瞬间，电感元件中的电流和电容元件中的电压不能跃变。利用换路定则，可以确定换路后的初始瞬间 时，电路中储能元件的电压、电流值，即暂态过程的初始值。,2、分析一阶电路暂态过程的三要素法,什么叫做一阶电路？,只包含一个储能元件，或者用串、并联方法化简后只包含一个储能元件的电路称为一阶电路，其暂态过程可用一阶线性微分方程来描述。,可以证明，对于直流电源作用下的任何一阶电路中的电流和电压，均可用三要素法来进行分析，写成一般形式为,暂态过程的三要素：,-表示暂态过程中电路的电压或电流；,-表示该电压或电流的稳态值；,-表示换路后一瞬间该电压或电流的初始值。,-,初始值可用电路的基本定律及换路定律求得；,-,的计算方法是在换路后的电路中，将电容开路，电感短路，再按电阻电路的分析方法求解。,时间常数,-,小结：,1,、稳态,2,、暂态（过渡状态）,3,、换路,4,、换路定则,5,、三要素法,本章小结,3,电路以及电路中设备的工作状态。,4,导线通过电流能力可用标称截面积表示,1,电路是由负载、电源、导线及控制部分组成的，将电路中各个元件理想化，然后按一定的方式连接便构成了电路图。,2,电流、电压、电动势是用来描述电路最基本的物理量，它们是既有大小，又有方向的物理量。电位相对于参考点而言的，只有大小没有方向,6,基尔霍夫定律是分析复杂电路的基本定律，它包含两个定律：基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律。,5,电路中的电阻、电容、电感。,