电工学 第一章_直流电路

null教材：教材：实验教材：实验教材：课程简介课程简介 电工学是非电专业一门技术基础课。通过本课程的学习，获得电工技术、电子技术方面必要的基本知识、基本理论和基本实践技能，为学习后续专业课程及与从事有关的工程技术工作打下一定基础。 通过电工学实验, 学会识别各种电子元器件以及电路仿真分析方法；学习常用电工、电子仪器仪表的使用方法, 锻炼电工方面的动手能力及实验技能。教学内容及学时安排（72学时）教学内容及学时安排（72学时）电子技术： 第 1 章 半导体器件 4 4 第 2 章 基本放大电路 10 2 第 3 章 运算放大器 4 2 第 5 章 数字电路 12 4 第 6 章 整流电路和直流稳压电源 4 2 电工技术： 理论学时(52) 实验学时(20) 第 1 章 直流电路 7 2 第 2 章 单相交流电路 7 2 第 3 章 三相交流电路 4 2 成绩评定: 实验20分；平时考核(出勤.测验.作业)10分；期末考试70分。教学要求: 不旷课，不迟到；课上认真听，课后做作业。第一章 直流电路第一章 直流电路 1.1 电路和电路的主要物理量 ※ 1.2 电路的基本定律 ※ 1.3 电路中电位的分析 1.4 电路的几种状态和电气设备额定值 ※ 1.5 电压源、电流源及其等效变换 ※ 1.6 线性网络的分析方法 小结 本章要点 作业：教材29页习题 4、11、12、13、22、23、31、35※ 主要知识点 (1) 电流 I (2) 某点电位 UA (3) 电功率 PUs、 PIs ，并会判断是电源还是负载电路基本分析方法： (1) 电源等效变换法 (2) 支路电流法 (3) 节点电压法 (4) 叠加原理 ※ (5) 戴维南定理※ 主要知识点会计算：电流定律(KCL)、电压定律(KVL)电路的基本定律：null1.1电路和电路主要物理量理想电路元件：电阻（R）、电感（L）、电容（C） 和理想电源（Us 、Is）等。1.1.1电路和电路模型 null1.1.2 电路的主要物理量1. 电流（I）大小：方向: 正电荷运动的方向单位:安培(A), 毫安(mA),微安(μA)null(1) 先设定一个参考方向，作为电流的假想方向；(2) 根据参考方向和电路的基本定律，列出物理量间 相互关系的代数方程式；(3) 根据计算结果的正负，确定电流的实际方向。即正方向，是任意设定的假想方向，电路中用箭头表示。分析计算电路时，往往先设定电流的参考方向求电流IR：null注意 ：参考方向是任意设定的。根据结果的正负，确定实际方向： 若结果为正，则实际方向与参考方向一致(见a图)； 若结果为负，则实际方向与参考方向相反(见b图) 。只有在参考方向设定后，电流值才有正负之分。 实际方向(a)(b)IInull2. 电压（U）大小：方向: 从高电位指向低电位。 （电位降方向）分析计算时，也要设参考方向 。然后根据结果的正负判断实际方向 单位: 伏(V)，千伏 (kV)， 毫伏 (mV)，微伏(μV)null3. 电动势（E）大小：方向: 电源内部由低电位指向高电位。 （电位升方向）分析计算时，也要假设参考方向。根据结果的正负确定实际方向 忽略电源内阻时，单位：伏(V)，千伏 (kV) null4. 电功率（P）对电阻:或 恒压源：对恒流源：对电动势：电阻在电路中一定消耗功率，起负载作用; 恒压源或恒流源在电路中可能吸收功率（负载）， 也可能发出功率（电源）。单位: w, kw等null如何判断电路中的元件是发出功率（即电源）还是吸收功率（即负载）？根据电压、电流的实际方向判断：若电流从高电位端流出，低电位端流入，则为电源；否则为负载。在一个完整的电路内，电功率平衡，即总的发生功率等于总的吸收功率。∑P发生=∑P吸收5. 电能（W）电能等于功率乘以时间， 即 ： 单位：或者电压与电流的实际方向相反时为电源；否则为负载。null 图中已知U1= -1V，U2=-3V，U3=-1V，U4=1V，U5=2V，I1=4A，I5=-2A, I3=-2A 试判断各元件是电源还是负载。元件1，3，4 ，5为负载；元件2为电源根据电压、电流的实际方向判断：例1nullU与I的正方向一致时U = IRU与I的正方向相反时U = – IR1.2 电路的基本定律1.2.1 欧姆定律1. 一段无源电路欧姆定律nullU = Uab= Uac+ Ucb =E– IR2. 有源支路欧姆定律U = Uab= Uac+ Ucb =E+ IR(a)(b)nullU=E1 - IR13. 简单闭合电路欧姆定律U=E2+IR2 左侧：右侧：即:E1 - IR1 =E2+IR2 分子∑E 中，与电流I的正方向一致的电动势取“+”号，反之取“-”号。null支路：共3条回路：共3个节点：a、 b (共2个）1.2 .2基尔霍夫定律（克希荷夫定律） 包括电流定律(KCL)和电压定律(KVL)两个定律。名词概念：※null1. 基尔霍夫电流定律（KCL）---应用于节点 在任一瞬间，流入某节点的电流之和等于由该节点流出的电流之和。基尔霍夫电流定律的依据：电流的连续性例若流入为正 则流出为负或者说，在任一瞬间，一个节点上电流的代数和为 0。null电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。I1+I2=I3I=0I=?广义节点2. 基尔霍夫电压定律（KVL） ---应用于回路 对电路中的任一回路，沿任意绕行方向转一周，其电压的代数和为 0。或者，电位降等于电位升。例如： 回路#1 对回路#2： 对回路#3： 若电位降为正 则电位升为负2. 基尔霍夫电压定律（KVL） ---应用于回路null电压定律还可以扩展到开口（不闭合）电路。(a)-U+E–IR = 0(b)-U+E+IR=0即U=E–IR即U=E+IRnull 例1：已知I2=2A，I3=2A，R1=10Ω，R2=6Ω， (书上例1-3) Uab=24V，E2=48V，求I1，E1，R3。解：对节点A：对回路I：所以：R3=18ΩI1=I2+I3=2+2=4 A-E1+I1R1+I2R2+E2=0所以：E1=100V对回路Ⅱ：-Uab-I3R3+I2R2+E2=0Uabnull(1) 先设定一个正方向，作为参考的方向；(2) 根据参考方向和电路的基本定律，列出物理量间 相互关系的代数表达式；(3) 根据计算结果的正负，确定电流的实际方向。小结：分析电路时必须先设定参考方向求电流IR步骤：1.3 电路中电位的分析电路中某点电位：Ua =Uab= a 点电位：Ub = Uba = b 点电位：1.3 电路中电位的分析就是该点相对于参考点之间的电压。例：+5VUb = 0VUa =0V（注意：电位记为：“UX” ，为单下标）。-5V注意: 电位值是相对的。两点之间的电位差即为 两点之间的电压值是绝对的。null 已知I1=4A， I2=2A，I3=2A，R1=10Ω，R2=6Ω， Uab=24V，E2=48V， E1=100V，R3=18Ω 。b点为参考点，求电位Ua，Uc和电压Uac2) c点为参考点，求电位Ua，Ub和电压Uab例1：null结论： 参考点不同，各点电位不同， 但任意两点间的电位差（即电压）保持不变。 2）以c点为参考点，Uc=0 Uab=24V 1）以b点为参考点，Ub=0 I1=4A I2=2A I3=2A R1=10ΩR2=6Ω R3 =18Ω E1=100V E2=48V1.4 电路的几种状态和电气设备额定值特征: 开关S 断开1.断路状态1.4 电路的几种状态和电气设备额定值null 开关S闭合,接通电源与负载U2 = IRL 特征:2.负载状态U2+ -负载 取用 功率电源 产生 功率内阻、 线路 损耗 功率负载大小的概念: 负载增加指负载取用的 电流和功率都增加。 (电压一定时，负载增加意味着负载电阻RL减小。)电气设备的额定值（ UN ， IN ，PN ）电气设备的额定值（ UN ， IN ，PN ）额定值: 电气设备在正常运行时的规定使用值电气设备的三种运行状态欠载(轻载)： U < UN ， I < IN ，P < PN (不经济) 过载(超载)： U > UN ， I > IN ，P > PN (设备易损坏)额定工作状态： U = UN ， I = IN ，P = PN (满载) (经济合理安全可靠) null电源外部端子被短接3.短路状态IU1+ -为避免短路，电路中要加入熔断器(俗称保险丝)。1.电压源1.电压源R0越小 斜率越小伏安特性U = US – IR0当R0 = 0 时， U = US 电压源就变成了恒压源由源电压串联一个电阻构成R0称为电源的内阻1.5 电压源、电流源及其等效变换输出电压与电流的关系：null理想电压源 （恒压源）特点：(1）输出电 压不变,其值恒等于源电压 US； （2）输出电流 I 由外电路决定当R1 、R2 同时接入时： I=10A2.电流源I = IS – (Uab / R0）当 内阻R0 =  时， I = IS 电流源就变成了恒流源2.电流源由电激流并联一个电阻构成输出电流与电压的关系：R0越大 斜率越小外特性null理想电流源 （恒流源)abIUabIs特点：(1）输出电流不变,其值恒等于源电流 IS； （2）输出电压 U 由外电路决定外特性3.电压源与电流源的等效互换等效互换的条件：当接有同样的负载时， 对外的电压电流相等。I = I ' Uab = Uab'即：3.电压源与电流源的等效互换或US = ISR0R0´= R0IS = US / R0等效变换关系式:null等效互换公式推导过程IR0+-USbaUabUab = US – IR0 则US = ISR0R0´= R0或 IS = US / R0为等效变换关系式null电压源与电流源的等效互换举例：5A 等效变换的注意事项 等效变换的注意事项 例如：当Us=10V，R0=2 ，RL=3 时， 内阻R0的功率在两种情况下是不同的。又如：当RL=  时，电压源的内阻 R0 中不损耗功率， 而电流源的内阻 R0 则损耗功率。所以求电源的功率时，必须从原始电路求。null注意变换前后 Us 与 Is 的对应方向(2)null (3) 与恒压源并联的任何元件对外电路不起作用， 对外可等效为一个恒压源； 与恒流源串联的任何元件对外电路不起作用， 对外可等效为一个恒流源。 (4) 求恒压源和恒流源的功率时，必须从原始电路求。 对电激流Is：对源电压Us：利用电源等效变换可以将复杂电路简单化，以便求解。任何一个源电流 IS和电阻 R并联的电路， 都可化为一个源电压US和这个电阻R串联的电路。null已知：U1=12V, U3=16V, R1=2,R2=4,R3=4， R4=4, R5=5, IS=3A，用电源等效变换的方法求电流I ，并计算恒流源 IS 功率。例3：null(接上页)R1R3IsR2R5R4I3I1Inull(接上页)ISR5R4IR1//R2//R3I1+I3代入数值计算即可null-+IsR1U1+-R3R2R5R4I=？U3已知：U1=12V， U3=16V， R1=2， R2=4， R3=4， R4=4， R5=5， IS=3A解得：I= – 0.2A (负号表示实际方向与假设方向相反)null练习：（1）求电流 I （2）电位 UA （3）功率PIs，并判断是电源还是负载？（1）I = -0.5 A（2）UA =（3） PIs =UIsIs 或UA = -2×2+UIs = 9 UIs = 13 v10V9 V=26 w电流从高电位端流出，低电位端流入，为电源。-UIs+2×2+2×(-0.5) +10=0null解：A节点： I1+I2=I3回路1： -U1+ I1 R1 +I3 R3 =0回路2： -I2R2 +U2 -I3 R3 =0I1 = 1.75A I2 = - 0.5A I3= 1.25A1.6 线性网络的分析方法null 例2电流方程：电路如图，用支路电流法求电流I1 ， I2注意：回路中含有恒流源时，恒流源两端有电压电压方程：支路电流法是最基本的分析方法，适合支路数较少的电路2 叠加原理概念:2 叠加原理 用叠加原理求电流I1 、I2 、 I3+已知：U1=12V， U2=3V， R1=4， R2=4， R3=4解：U1单独作用时：U2单独作用时：根据叠加原理得：例1 “恒压源不起作用”就是“令Us等于0”，相当于短路。null例2用叠加原理求：I= ?I'=2AI"= 1AI = I'- I"= 1A+解：“恒流源不起作用”就是“令Is等于0”，相当于开路。注意：功率P不能用叠加原理计算。此叠加原理法适于电源数较少的电路。 3 节点电压法 若电路中只有两个节点a、b，则可先求出两个节点之间的电压Uab ，然后再计算各支路的电流。 3 节点电压法abnull节点电压公式的推导各支路电流分别用Uab 表示 ：节点电流方程：a点：ab将各支路电流代入节点a电流方程，然后整理得：节点电压公式null节点电压公式:b(1)分母∑1/R 为各支路等效电阻的倒数和， 但不含与 Is串联的电阻；(2)分子∑U/R 中， U与节点电压Uab极性相同时,取“+”；(3)分子∑Is 中，电流流入节点a时,取“+”，否则取“-”；注意：此法适于只有两个节点或可等效为两个节点的电路。nulla例1已知：U1=12V， U2=3V， R1=4， R2=4，R3=4 用节点电压法求电流I1 、I2 、 I3b解：null用节点电压法求电流I。练习10VUab =IR+104 等效电源定理4 等效电源定理※戴维南定理※戴维南定理 任何一个有源二端网络都可以用一个等效电压源来代替。 2. 内阻R0就是无源二端网络 a 、b之间的等效电阻。 （恒压源US 短路，恒流源 IS开路） 1. 源电压US 就是有源二端网络的开路电压U0， 即将负载断开后 a 、b两端之间的电压其中此法适于求复杂电路中某一支路的电流。例1：例1： 电路如图，已知U1=4V，U2=2V，R1=R2=2， R3=3 ，用戴维南定理求电流I3。 ab有源二端网络等效电压源例1解：(1) 求等效电压源的源电压US (二端网络开路电压U0) US = U0= U2 + I R2 = 2 +0.5  2 = 3V或：US = U0 = U1 – I R1 = 4 –0.5  2 = 3Vnull解：(2) 求等效电压源的内阻R0 去掉所有电源（恒压源短路，恒流源开路）从a、b两端看进去， R1 和 R2 并联 电路如图，已知U1=4V，U2=2V，R1=R2=2， R3=3 ，用戴维南定理求电流I3。例1null解：(3) 画出等效电路求电流I3 电路如图，已知U1=4V，U2=2V，R1=R2=2， R3=3 ，用戴维南定理求电流I3。例1(2)诺顿定理(2)诺顿定理 任何一个有源二端网络都可以用用一个等效电流源来代替。 1、 源电流 IS 就是有源二端网络的短路电流， 即将 a 、b两端短接后其中的电流。等效电流源 2、内阻R0就是无源二端网络 a 、b之间的等效电阻。 （恒压源短路，恒流源开路）例1：例1： 电路如图，已知U1=4V，U2=2V，R1=R2=2， R3=3 ，用诺顿定理求电流I3。 ab有源二端网络等效电流源例解：(1) 求等效电流源的源电流 (2)求等效电流源的内阻R0 (3) 求电流I33A13null 电路如图，用戴维南定理求电流I。练习 (3) 画出等效电路, 求电流I(2) 求等效电阻R0 解：(1) 求二端网络开路电压U0 (源电压US)10Vnull功率P10v=? P2A=?判断电源、负载？第一章 小结一. 基本概念 电流、电压、电位、 电动势、电功率， 电源与负载的判断，电源等效变换， 有源二端网络的开路电压、无源二端网络的等效电阻等。二. 基本定律 基尔霍夫定律（电流定律KCL、电压定律KVL）三. 基本分析方法 1.电源等效变换法（将复杂电路简单化） 2.支路电流法（适于支路数较少的电路） 3.节点电压法（适于只有两个节点的电路） 4.叠加原理（适于电源数较少的电路） ※5.戴维南定理（适于求复杂电路中某一支路的电流） 第一章 小结null电路如图所示，已知（2）A点电位； （3）恒压源和恒流源 并判断它们是电源还是负载。 练习1：的功率，求：（1）用戴维南定理求null已知求：（1）用戴维南定理求解：练习1：null已知求：（ 2）A点电位；解：练习1：null已知求： （3）恒压源的功率，判断它们是电源还 是负载。 解：练习1：是电源是电源