电路与电子学第一章总结

第一章 电路分析基础 一、 基本要求 1. 能熟练应用电路的基本定律； 2. 深刻理解电压、电流正方向的意义； 3. 了解电路的各种工作状态、额定值及功率平衡的意义； 4. 理解电流源和电压源模型及其等效变换； 5. 能熟练分析与计算电路中各点的电位； 6. 掌握电路的几种基本分析方法并能熟练应用。 二、 主要内容 本章着重讲授电压和电流的参考方向、基尔霍夫定律、电位的计算、电压源和电流源的概念及复杂电路的基本分析方法。这些基本概念和基本方法，如：参考方向、等效、额定值、功率平衡、参考电位、复杂电路的分析方法等，对电工电子技术来讲都是很重要的。本章主要内容是本课程的分析依据和基础。 1. 电压、电流的参考方向 参考方向是一个假设的方向，也称正方向，当参考方向选定以后，电流和电压的值才有正负之分。在学习过程中，读者一定要知道什么是参考方向（假设方向、正方向），什么是实际方向，参考方向和实际方向的关系。对于电流来讲 ，按照设定的参考方向，当计算结果为正时，说明电流的实际方向与其参考方向一致；当计算结果为负时，说明电流的实际方向与其参考方向相反。对于电压和电源的电动势，一般规定高电位端为正，低电位端为负，电压的正方向由高电位指向低电位，电源电动势的正方向由低电位指向高电位。它们的实际方向同样由计算结果的正、负号来判断。 2. 欧姆定律 欧姆定律是我们熟悉的定律之一，这里要注意两点：第一，应用欧姆定律列式子时，首先要标出电流、电压或电动势的正方向，当电压和电流的正方向相同（称关联方向）时，欧姆定律表达式应取正号，当电压和电流的正方向相反（称非关联方向）时，欧姆定律表达式应取负号；第二，在正方向选定后，电压和电流本身也有正值和负值之分，所以这里有两套正负号，这一概念应明确。 3. 电路的有载、开路与短路工作状态 电路的有载、开路与短路这三种状态在电流、电压和功率方面的特点，我们应弄清下面几个问题。 （1） 功率的平衡 在一个电路中，电源产生的功率与负载取用的功率、电源内阻及线路电阻所损耗的功率 是平衡的。 （2） 电源与负载 具体电路中，根据电压和电流的实际方向可判断一个元件是电源还是负载。 当U和I的实际方向相同，且电流从“+”极 流入，是负载； 当U和I的实际方向相反，且电流从“+”极 流出，是电源。 （3）额定值与实际值 额定值是一个重要的概念，它是厂家对设备综合各种因素后规定的值，各种电气设备使用时的实际值（电流和功率等）不一定等于它们的额定值。电源输出的（实际）功率和电流的大小决定于负载的大小，负载需要多少功率和电流，电源就供给多少，所以通常电源不一定处于额定工作状态，这是一个很重要的概念。如电动机运行状态中，它的实际功率和电流取决于它轴上所带的机械负载的大小，不一定处于额定工作状态，故有满载、欠载、超载的概念。 （4）电源的开路和短路 电源开路时，I=0，U =U0=E 电源短路时，U=0， 电源开路和短路的特点一方面说明了实际电路中开路和短路状态的电路特征，我们应注意到，实际电路中是要严禁短路的。另一方面电源的开路和短路可作为分析电路的一种手段，在电路分析计算中经常用到。 4.基尔霍夫定律 （1）基尔霍夫电流定律（KCL）∑I=0，描述了电路中任一节点的各支路电流间的关系， 即流向节点的电流必然等于流出这个节点的电流；基尔霍夫电流定律同时适用于任意假想的闭合面。 （2）基尔霍夫电压定律（KVL）∑U =0，描述了回路中各段电压间的相互关系，即从回路中任一点出发，沿回路循行一周，电位降之和必然等于电位升之和，基尔霍夫电压定律同样适用于开口电路。 （3） 基尔霍夫定律具有普遍适用性，直流、交流电路，线性、非线性电路均可适用，所以基尔霍夫定律是贯穿电工电子技术课程的基本定律之一。 （4） 应用基尔霍夫定律列式子时，也要在电路图上标出电压、电流和电动势的正方向， 按照所标正方向确定式子中各项的正负号。今后在分析计算电路问题时，首先必需的第一步是标出各电压、电流和电动势的正方向，然后分析解题，这是一部分同学易忽视的问题。 5. 电阻的串并联 电阻的串并联早在物理课中学过，同学们应注意以下几点。 （1） 电路结构上看懂电阻的串并联关系，即串联电阻通过的是同一电流，并联电阻两端承受的是同一电压。 （2） 电阻串联起分压作用，并联电阻起分流作用，两个电阻的分压公式和两个电阻的分流公式在分析计算电路问题时经常用到，应熟记。 （3） 几个串联电阻或几个并联电阻可以用一个等效电阻来代替。“等效”的概念很重要，是分析电路的一种方法，在本课程中常用到。所谓等效（如等效电阻、等效电路、等效电源），就是在一定条件下，两种不同的事物在某些方面具有相等的效果。 6.电路中电位的计算 电位是指某一点到参考点的电压。在一个电路中，求电位，必须设定一个参考点， 设其电位为零，其它各点的电位可用KVL来求，求电位可加深对KVL 的理解，这里要避免停留在物理课时的初级方法。另外，必须注意参考点选的不同，则各点的电位就不同，但任意两点间的电压不变。 7.电压源与电流源及其等效变换 （1）电压源引出电流源 我们经常接触的电源是电压源，电流源是从电压源变化而来，其根据是外特性相同，实际的电流源一般都是由电子线路搭成的。 （2）电源都可以等效为电压源或电流源这两种电路模型，而理想电压源和理想电流源是不能等效的，理想电压源和理想电流源实际上并不存在，只是一种抽象出来的理想元件模型。 （3）理想电压源和理想电流源必须建立恒压和恒流的概念，如图1-1，与理想电压源并联的电阻R1并不影响外电路电阻R2上的电压U2和电流I2，只是改变了理想电压源中的电流I。如图1-2与理想电流源串联的电阻R1也并不影响流过R2的电流和它的电压，只是改变了理想电流源上的电压U。                   图1-1                        图1-2 如图1-3中，对电阻R而言，理想电压源起决定作用；而在图1-4中，对电阻而言，理想电流源起决定作用。                 图1-3                    图1-4 （4）电压源与电流源的等效变换也是分析与计算电路的一种方法。只要是一个电动势为E的理想电压源与某个电阻R串联，都可以等效为一个电流为IS的理想电流源和这个电阻并联的电路。由此，可利用二者的等效关系对电路进行化简，以便于分析和计算。 8.电路的几种分析方法 (1) 支路电流法 支路电流法是最基本的一种方法,它应用基尔霍夫两个定律对电路列方程，然后联立求解。解题步骤：1）在电路图上标出各电流和电压的正方向；2）找出支路数b和节点数n，以支路电流为未知数，共需列出b个方程；3）用KCL 对节点列出n-1个独立方程；4）用KVL对网孔列出其余的个独立方程。而网孔数恰好等于。 （2）节点电压法 以节点电压为变量，通过对各个节点列写节点电流方程，求取各个节点电压来进行电路求解的方法。 自导与互导概念 以注入节点的电流方向为正方向，电阻和电压源的串联用电阻同电流源的并联替代列入方程中。 （3）叠加原理 叠加原理只适用于线性电路。在叠加过程中，应注意： 1)当设某一电源单独作用时，其余电源应设为零。理想电压源为零时，应短路；理想电流源为零时，应开路；2）每个电源单独作用时所产生电流或电压的正负号切不可忽视，叠加时应取代数和。 （4）等效电源定理 任何一个线性有源二端网络都可以简化为一个等效电源；这个等效电源可以是电压源，也可以是电流源。由此得出戴维宁定理和诺顿定理两个等效电源定理。 应重点掌握戴维宁定理，而应用戴维宁定理解题的关键是如何计算等效电动势E和等效内阻R0。其解题步骤： a）将待求支路从电路中断开，求剩下的有源二端网络的开路电压U0，即为戴维宁等效电路中的电动势E ； b）将有源二端网络变成无源二端网络，求无源二端网络的等效电阻R0，即为等效电源的内阻。 C）将待求支路接入所求出的等效电源，由全电路欧姆定律可求得待求支路电流。   应特别注意：U0为有源二端网络的开路电压，而非待求支路的端电压。 9.受控电源的几种形式 独立电源的电压或电流不受外电路的控制，独立存在。而在电子线路中还会遇到另一种电源，其电压和电流的大小是由电路中另一个电压或电流控制而不能独立存在，这种电源称为受控源。由于控制量的不同，受控源有教材中所述的四种形式。 受控源的大小是由控制量决定的，所以分析受控源电路时要同时考虑，不得分割，不得化简掉。当控制量为零时，受控电源的电压或电流也将为零。由于受控源不同于独立电源，求等效电阻时，受控源不能去除，所以，求等效电阻时要保留受控源，并采用加压求流法或开路短路法。除此以外，受控源在电路的处理方面和独立电源一样对待。 三、考试主要内容 以电路求解为目标，运用所学的电路求解方法： 基尔霍夫电压、电流定律 欧姆定律 节点电压法 支路电流法 叠加定理 戴维南定理 注意：题目中明确用什么方法的，必须采用该方法，用其他方法的不给分。未明确指出的可以采用任意方法。 + - 1试用支路电流法和节点电压法计算题1-1图中各支路电流。 2试用叠加原理求题1-2图示电路中的电流I。 图1-1                                图1-2 1-3 试用戴维宁定理计算题1-3图所示电路中1Ω电阻和4Ω电阻的电流。 1-4试用戴维宁定理计算题1-4图所示电路中R1上的电流I。 + -     图1-3                                图1-4 1KΩ 1-5试求题1-5图示电路中的电流I。 1-6试求题1-6图示电路的戴维宁等效电路。 题1-5图                              题1-6图