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1、第一章 电路和电路元件,1.1.1 电路与电路模型,1.1.2 电压、电流及其参考方向,1.1.3 电路的功率和能量,1.2 无源电路元件,1.3 独立电源元件,1.4 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,1.2.1 电阻元件,1.2.2 电容元件,1.2.3 电感元件,学习电工电子技术中的电路基本组成及常用的电路元件，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。,第一章 电路和电路元器件,本章内容摘要,第一章 电路和电路元器件,1.1.1 电路与电路模型,一、
2、实际电路,系统,一定的目的,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，化工系统等。,1. 系统,1.1 电路和电路基本物理量,电路,元件,目的,组合方式,、器件,、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方式组合起来的电流通路。,元件：最小单位。,按联结电路的目的和电路的作用分：,力能电路,信号电路,2 电路,3 分类,元件构成器件、器件构成设备、设备组成系统。,1) 力能电路,电灯 电炉 . 电动机,光能,机械能,热能,中间环节,电源,负载,起传输和分配电能的作用,供电设备,吸收电能,电能传输效率高。,实现能量的传输和转换。,(强电),照明电路,动
3、力电路,电压高、电流和功率大 (106Kw、105Kw)。,380V、220V；50Hz,2) 信号电路,中间环节,源,负载,电信号转换、放大，传递给扬声器,保证信号传递质量。,功率低 (10-3w),(弱电),传递和处理信号。,处理：放大、变换,、滤波,16Hz20kHz 正弦、方波、三角波,信号,二、电路模型,元器件工作物理过程,表示耗能,无源元件,?,实际电气设备,电路模型,如何对应,表示建立电场,表示建立磁场,有源元件,电气设备,(多种物理现象),基本模型的组合,基本模型,实际电路,模型化,理论分析,+测量,由实际电路元件组成的电路称为电路实体。,可将电路实体中各个实际的电路元件都用表
4、征其物理性质的理想电路元件代替。,用理想电路元件组合成的电路称为电路实体的电路模型。,1.几种基本的电路元件：,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,注,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； 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,实物,下页,电阻器,电容器,线圈,电池,运算放大器,晶体管,反映实际电路部件的主要电磁 性质的理想电路元件及其组合。,导线,电池,开关,灯泡,2. 电路模型 (circuit mo
5、del),电路图,理想电路元件,有某种确定的电磁性能的理想元件,电路模型,图11 手电筒电路,常用电路图来表示电路模型,(a) 实际电路 (b) 电原理图 (c) 电路模型 (d) 拓扑结构图,图12 晶体管放大电路 (a)实际电路 (b)电原理图 (c)电路模型 (d)拓扑结构图,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。,图13 线圈的几种电路模型 (a)线圈的图形符号 (b)线圈通过低频交流的模型 (c)线圈通过高频交流的模型,电路模型是对实际电路电磁性能的科学抽象和概括,具有
6、一般性。,电路模型特点：,1) 只见参数，不见设备,2) 联结关系不变，但不表示联结形式不变。,源,力能: 电源 信号: 信号源,激励,输入,传输,负载(负荷),响应,发生在负载上的响应,输出,三、电路问题,1 激励、响应,激励-电源或信号源的电压(电流)，它推动电路工作。也称输入,响应-由激励在电路各个部分产生的电压和电流。也称输出,输出 Y,输入 X,(响应之一),2 电路问题,1) 系统分析,根据系统内部结构和参数，建立Y =f (X)关系。,2) 系统综合,根据激励X与响应Y的关系，构造系统的结构。通常所讲的设计。,3) 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Y与激
7、励X的关系。通常所讲的建模。,研究电路的,u,i 关系,功能关系,4) 系统故障,电路变量,时变量,非时变量,(小写字母),(大写字母),u、i、p,U、I、P,已知:激励、结构、参数,3 电路分析的基本方法,2) 根据不同元件电压和电流关系-平衡约束(由KCL、KVL),1) 根据各元件电压和电流关系-元件约束(由元件本身特点决定),U1=R1I U2=R2I U3=R3I,I,US =U1 + U2 + U3,然后,元件约束,平衡约束,-数学模型,最后 求解,首先确定,求解：电压、电流、功率,1.1.2 电流和电压的参考方向 (reference direction),电路中的主要物理量有
8、电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。,1. 电流的参考方向 (current reference direction),电流,电流强度,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,方向,规定正电荷的运动方向为电流的实际方向,单位,1kA=103A 1mA=10-3A 1 A=10-6A,A（安培）、kA、mA、A,元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:,实际方向,实际方向,A,A,B,B,问题,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,参考方向,i 参考方向,大小,方向,电流(代数量)
9、,任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。,A,B,i 参考方向,i 参考方向,i 0,i 0,实际方向,实际方向,电流的参考方向与实际方向的关系：,A,A,B,B,电流参考方向的两种表示：, 用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。, 用双下标表示：如 iAB , 电流的参考方向由A指向B。,电压U,单位：V (伏)、kV、mV、V,2. 电压的参考方向 (voltage reference direction),单位正电荷q 从电路中一点移至另一点时电场力做功（W）的大小,电位,单位正电荷q 从电路中一点移至参考点（0）时电场力做功的大小,实际电压方向,电位真正降低的方向,例,已知
10、：4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力做功8J，由b点移动到c点电场力做功为12J， (1) 若以b点为参考点，求a、b、c点的电位和电压Uab、U bc; (2) 若以c点为参考点，再求以上各值,a,解,b,(1),以b点为电位参考点,解,(2),电路中电位参考点可任意选择；参考点一经选定，电路中 各点的电位值就是唯一的；当选择不同的电位参考点时， 电路中各点电位值将改变，但任意两点间电压保持不变。,结论,以c点为电位参考点,问题,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。,电压(降)的参考方向,U, 0, 0,U,假设的电压降低方向,电压参考
11、方向的三种表示方式：,(1) 用箭头表示,(2) 用正负极性表示,(3) 用双下标表示,U,U,+,A,B,UAB,元件或支路的u，i 采用相同的参考方向称之为关联参考 方向。反之，称为非关联参考方向。,关联参考方向,非关联参考方向,3. 关联参考方向,i,+,-,+,-,i,U,U,注,(1) 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 (包括方向和符号），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 方向不变。,例,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？,答： A 电压、电流
12、参考方向非关联； B 电压、电流参考方向关联。,1.1.3 电路的功率和能量,一、电功率,功率的单位：W (瓦) (Watt，瓦特),能量的单位： J (焦) (Joule，焦耳),单位时间内电场力所做的功。,1. 电路吸收或发出功率的判断方法,u, i 取关联参考方向,P=ui 表示元件吸收的功率,P0 吸收正功率 (实际吸收),P0 吸收负功率 (实际发出),p = ui 表示元件发出的功率,P0 发出正功率 (实际发出),P0 发出负功率 (实际吸收),u, i 取非关联参考方向,二、功率的正负,例,求图示电路中各方框所代表的元件消耗或产生的功率。已知： U1=1V, U2= -3V,
13、U3=8V, U4= -4V, U5=7V, U6= -3V I1=2A, I2=1A, I3= -1A,解,注,对一完整的电路，发出的功率消耗的功率, = U I 或 =U I ， 是否涉及到 U 、 I 的具体数值？,关联参考,非关联参考,吸收,供出,供出,吸收,?,判断那个是吸收功率? 那个是供出功率?,三、 电能 功率也可以定义为单位时间内所消耗（或产生）的电能，即 式中若时间t的单位为（h）；功率P的单位为（W），则电能的单位为（J）。电能的单位常用千瓦小时（kWh），工业上用“度”表示。 1度电1kW.h3.6106J,分析与思考,下一题,上一题,返回分析与思考题集,答：电源的电功
14、率P 0,说明电源输出电功率;负载的电功率P 0,说明负载取用（输入）电功率。,解答,1.2.1 电阻元件,1. 电阻概念,1) 线性电阻,1.2 无源电路元件,2) 非线性电阻,通过原点,iu 0,无源，反映耗能这种物理现象,R,R,2 外部特性概念,电路元件或电路某部分端 口处电压与电流之间的关系,外特性 或 伏安特性,u = Ri,对电流呈现阻力的元件。其伏安关系用ui平面的一条曲线来描述,实验表明：在低频工作条件下，电阻器的电压电流关系是ui平面上通过坐标原点的一条直线。,用晶体管特性图示仪测量二端电阻器的电压电流关系。,实验表明：在低频工作条件下，晶体二极管的电压电流关系是ui平面上
15、通过坐标原点的一条曲线。,用晶体管特性图示仪测量晶体二极管的电压电流关系。,3. 功率和能量,1) 对于线性电阻元件，,当激励的输出为恒定时，,2) 电阻元件描述实际耗电能设备，注意额定值,额定电流IN - 耐热限度,额定电压UN - 耐压限度,长时间工作的限额,可用功率表示。从 t 到t0电阻消耗的能量：,4. 电阻的开路与短路,能量：,短路,开路,分析与思考,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，该负载是增加了？还是减小了？,解答,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P=U2/RL,蓄电池电压一定即式中U不变，当RL增加时，P 减小，故该负载减
16、小了。,分析与思考,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。,解答,常用的各种二端电阻器件,电阻器,晶体二极管,电阻器,电阻器的色环,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
