第1章-电路及其分析方法-课件.ppt

1、电工电子技术课程的作用和任务 电工学包括“电工技术”和“电子技术”，电子部分又包括模拟电子技术和数字电子技术两部分 本课程是工科非电类专业技术基础课程，研究电工技术和电子技术的理论和应用 要求学生掌握电工学基本理论，培养分析问题解决问题的能力，具备一定的实验技能放放大大器器扬声器扬声器话筒话筒 电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成的。备或电路元件按一定方式组合而成的。发电机发电机升压升压变压器变压器降压降压变压器变压器电灯电灯电动机电动机电炉电炉.输电线输电线电源电源:提供提供电能的装置电能的装置负载负载:取用取用电能的

2、装置电能的装置中间环节：中间环节：传递、分传递、分配和控制电能的作用配和控制电能的作用发电机发电机升压升压变压器变压器降压降压变压器变压器电灯电灯电动机电动机电炉电炉.输电线输电线直流电源直流电源:提供能源提供能源信号处理：信号处理：放大、调谐、检波等放大、调谐、检波等负载负载信号源信号源:提供信息提供信息放放大大器器扬声器扬声器话筒话筒 电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。手电筒的电路模型手电筒的电路模型 为了便于用数学方法分析电路为了便于用数学方法分析电路,一

3、般要将实际电路一般要将实际电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。相对应的电路模型。R+RoES+UI电池电池导线导线灯泡灯泡开关开关 手电筒由电池、灯手电筒由电池、灯泡、开关和筒体组成。泡、开关和筒体组成。理想电路元件主要有理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。电容元件和电源元件等。R+RoES+UI电池电池导线导线灯泡灯泡开关开关 电池电池是电源元件，其是电源元件，其参数为电动势参数为

4、电动势 E 和内阻和内阻Ro；灯泡灯泡主要具有消耗电能主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，的性质，是电阻元件，其参数电阻其参数电阻R；筒体筒体用来联接电池和灯用来联接电池和灯泡，其电阻忽略不计，泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导认为是无电阻的理想导体。体。开关开关用来控制电路的通用来控制电路的通断。断。物理量物理量实实 际际 方方 向向电流电流 I正电荷运动的方向正电荷运动的方向电动势电动势E (电位升高的方向电位升高的方向)电压电压 U(电位降低的方向电位降低的方向)高电位高电位 低电位低电位 单单 位位kA、A、mA、A低电位低电位 高电位高电位kV、V、mV、VkV、V、mV、V电

5、流：电流：Uab 双下标双下标电压：电压：IE+_ 在分析与计算电路时，对在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。电量任意假定的方向。Iab 双下标双下标aRb箭箭 标标abRI正负号正负号+abU U+_实际方向与参考方向实际方向与参考方向一致一致，电流，电流(或电压或电压)值为值为正值正值；实际方向与参考方向实际方向与参考方向相反相反，电流，电流(或电压或电压)值为值为负值负值。注意：注意：在参考方向选定后，电流在参考方向选定后，电流(或电压或电压)值才有正负值才有正负之分。之分。若若 I=5A，则电流从，则电流从 a 流向流向 b；例：例：若若 I=5A，则电流从，则电流从 b 流向流

6、向 a。abRIabRU+若若 U=5V，则电压的实际方向，则电压的实际方向从从 a 指向指向 b；若若 U=5V，则电压的实际方向，则电压的实际方向从从 b 指向指向 a。欧姆定律欧姆定律U、I 参考方向相同时参考方向相同时:RU+IRU+I 表达式中有两套正负号：表达式中有两套正负号：式前的正负号由式前的正负号由U、I 参考方向的关系确定；参考方向的关系确定；U、I 值本身的正负则说明实际方向与参考值本身的正负则说明实际方向与参考 方向之间的关系。方向之间的关系。通常取通常取 U、I 参考方向相同。参考方向相同。U=I R解：解：对图（对图（a）有，）有，U=IRRU6V+I2AR+U6V

7、 I2A例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。（a）（b）对图（对图（b）有，）有，U=IR326 IUR326 IUR1.4 电源有载工作、开路与短路电源有载工作、开路与短路 开关闭合开关闭合,接通接通电源与负载电源与负载RREI 0负载端电压负载端电压U=IR 1.特征特征:IRoR EU I 电流的大小由负载决定。电流的大小由负载决定。在电源有内阻时，在电源有内阻时，I U 。或或 U=E IRo电源的外特性电源的外特性EUI0 开关闭合开关闭合,接通接通电源与负载电源与负载RREI 0U=IRIRoR EU 电流的大小由负载决定。电

8、流的大小由负载决定。在电源有内阻时，在电源有内阻时，I U 。或或 U=E IRoUI=EI I2RoP=PE P负载负载取用取用功率功率电源电源产生产生功率功率内阻内阻消耗消耗功率功率 电源输出的功率由负载决定。电源输出的功率由负载决定。U、I 参考方向不同，参考方向不同，P=UI 0，电源电源；P=UI 0，负载负载。U、I 参考方向相同，参考方向相同，P=UI 0，负载负载；P=UI 0，电源电源。电源：电源：U、I 实际方向相反，即电流从实际方向相反，即电流从“+”+”端流出，端流出，（发出功率）（发出功率）；负载：负载：U、I 实际方向相同，即电流从实际方向相同，即电流从“+”端流入

9、，端流入，（吸收功率）（吸收功率）。额定值额定值:电气设备的安全使用值电气设备的安全使用值：I IN，P IN，P PN 额定工作状态：额定工作状态：I=IN，P=PN 1.额定值是电气设备额定的工作条件。额定值是电气设备额定的工作条件。2.额定值是电气设备的工作能力。额定值是电气设备的工作能力。例：例：灯泡：灯泡：UN=220V，PN =60W电阻：电阻：RN=100 ，PN =1 W 特征特征:开关开关 断开断开I=0电源端电压电源端电压(开路电压开路电压)负载功率负载功率U=UO=EP=01.1.开路处的电流等于零；开路处的电流等于零；I =02.2.开路处的电压开路处的电压 U 视电路

10、情况而定。视电路情况而定。电路中某处断开时的特征电路中某处断开时的特征:I+U有有源源电电路路IRoR EUO 特征特征:电源外部端子被短接电源外部端子被短接IRoR EU 0REIIS U=0 PE=P=IROP=01.1.短路处的电压等于零；短路处的电压等于零；U =02.2.短路处的电流短路处的电流 I 视电路情况而定。视电路情况而定。I+U有有源源电电路路支路：支路：电路中的每一个分支。电路中的每一个分支。一条支路流过一个电流，称为支路电流。一条支路流过一个电流，称为支路电流。三条或三条以上支路的联接点。三条或三条以上支路的联接点。由支路组成的闭合路径。由支路组成的闭合路径。内部不含支

11、路的回路。内部不含支路的回路。I1I2I3ba E2R2 R3R1E11 12 23 3 在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结点的电流。点的电流。实质：实质：或或:=0I1I2I3ba E2R2 R3R1E1对结点对结点 a：I1+I2=I3或：或：I1+I2I3=0I=?例例:广义结点广义结点I=0ABCIAIBICIA+IB+IC=02+_+_I5 1 1 5 6V12V1列方程前列方程前标注标注电流参考方向；电流参考方向；2应用应用 =0项前符号的确定：项前符号的确定：3.结点可以推广为一个任意闭合面。结点可以推广为一个任意闭合面。注意：注

12、意：即：即：U=0 在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿回路循行在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿回路循行一周，则在这个方向上电位升之和等于电位降之和。一周，则在这个方向上电位升之和等于电位降之和。对回路对回路1：对回路对回路2：E1=I1 R1+I3 R3I2 R2+I3 R3=E2或：或：I1 R1+I3 R3 E1=0 或：或：I2 R2+I3 R3 E2=0 I1I2I3ba E2R2 R3R1E11 12 21列方程前列方程前标注标注回路循行方向；回路循行方向；电位升电位升=电位降电位降 E2=UBE +I2R2 U=0 I2R2 E2+UBE=0E1UBEE+B+R1+E2R2I2_

13、2应用应用 U=0项前符号的确定：项前符号的确定：3.开口电压可按回路处理开口电压可按回路处理 注意：注意：1 1对回路对回路1：对网孔对网孔abda：对网孔对网孔acba：对网孔对网孔bcdb：R6I6 R6 I3 R3+I1 R1=0I2 R2 I4 R4 I6 R6=0I4 R4+I3 R3 E=0对回路对回路 adbca，沿逆时针方向循行，沿逆时针方向循行：I1 R1+I3 R3+I4 R4 I2 R2=0应用应用 U=0列方程列方程对回路对回路 cadc，沿逆时针方向循行，沿逆时针方向循行：I2 R2 I1 R1+E=0adbcE+R3R4R1R2I2I4I6I1I3IURRRU21

14、11 URRRU2122 IRRRI2121 IRRRI2112 21111 RRR 当不需求当不需求a、c和和b、d间的电流时，间的电流时，(a、c)(b、d)可分别看成一个结点。可分别看成一个结点。支路数支路数b=4，且恒流，且恒流源支路的电流已知。源支路的电流已知。I1=2A，I2=3A，I3=6A 例例3：试求各支路电流。试求各支路电流。对结点对结点 a：I1+I2 I3=7对回路对回路1：12I1 6I2=42对回路对回路2：6I2 +UX=0baI2I342V+I112 6 7A3 cd123+UX对回路对回路3：UX+3I3=0支路电流法小支路电流法小结结解题步骤解题步骤结论与引

15、申结论与引申12对每一支路假设对每一支路假设一未知电流一未知电流1.假设未知数时，正方向可任意选择。假设未知数时，正方向可任意选择。4解联立方程组解联立方程组#1#2#3根据未知数的正负决定电流的实际方向。根据未知数的正负决定电流的实际方向。3对每个节点有对每个节点有0I列电流方程：列电流方程：对每个回路有对每个回路有UE列电压方程：列电压方程：2.原则上，有原则上，有B个支路就设个支路就设B个未知数。个未知数。（恒流源支路除外）（恒流源支路除外）例外？例外？若电路有若电路有N个节点，个节点，则可以列出则可以列出？个独立方程。个独立方程。(N-1)I1I2I32.独立回路的选择：独立回路的选择

16、：1.未知数未知数=B，已有已有(N-1)个节点方程，个节点方程，需补足需补足 B-（N-1）个方程。个方程。一般按网孔选择一般按网孔选择2121RREII SIRRRI2121 SIRRRRREIII21221111 SIRRRI2112 SIRRRRRE21121 12112112111211)(RIRIRIIRIP A15510322 RREIV55122 RIUSA50501 222.III A5015553232.IRRRIS V5.255.0 22RIUSV57525.UUUSSS 0REIS 0RUIIS设设 IS=10 A，接上，接上RL 后，恒流源对外输出电流。后，恒流源对外

17、输出电流。RL IUIS0IISU+_电压源中的电流电压源中的电流 I=IS原则原则：I Is s 不能变，不能变，E E 不能变。不能变。恒流源两端的电压？恒流源两端的电压？电压源中的电流电压源中的电流如何决定？电流如何决定？电流源两端的电压等源两端的电压等于多少？于多少？IE R_+abUab=?Is+_0REIS 注意事项：注意事项：+abU2 5V(a)+abU5V(c)+a5AbU3(b)+a+-2V5VU+-b2(c)+(b)aU 5A2 3 b+(a)a+5V3 2 U+A122228 IA524420402121.RREEI A213230303 RREIA215512211.

18、RREI A8051012432.RREI R0abR3R4R1R2A1260108 520.RREIGG 例例3 （练习）（练习）电路如图，求：电路如图，求：U=?返回返回后一页后一页前一页前一页4 4 50 5 33 AB1ARL+_8V_+10VCDEU+_V9540100 EBDECDACUUUUU第一步：求开端电压第一步：求开端电压U0。此值是所求此值是所求结果结果U吗？吗？返回返回后一页后一页前一页前一页_ACD+4 4 50 B+_8V10VEU01A5 +第二步：第二步：求等效电源求等效电源的内阻的内阻 R0R05754/4500R4 4 50 5 _AD+4 4 50 5 B

19、1A+_8V10VCE返回返回后一页后一页前一页前一页等效电路等效电路返回返回后一页后一页前一页前一页4 4 50 5 33 AB1ARL+_8V_+10VCDEU+_+_ER0 57 9V33+第三步：第三步：V3.33333579U二、举例二、举例 求图示电路中求图示电路中各点的电位各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd 。解：解：设设 a为参考点，为参考点，即即Va=0V设设 b为参考点，即为参考点，即Vb=0V20 5 bca4A6 10AE290V E1140V6A d+90V20 5+140V6 cdbca20 4A6 10AE290V E1140V5 6A d图示电路，计算开关图示电

20、路，计算开关S S 断开和闭合时断开和闭合时A点点 的电位的电位VA解解:（1）当开关当开关 S S 断开时断开时（2）当开关闭合时，电路当开关闭合时，电路 如图（如图（b）电流电流 I2=0，电位电位 VA=0V 。电流电流 I1=I2=0，电位电位 VA=6V 。2K+6VA2K SI I2 2I I1 1（a）2K A+I I1 12K I I2 26V（b）电流在闭合电流在闭合路径中流通路径中流通A+12V12VBRPR1R212V 12V BARPR2R1I 稳定状态：稳定状态：在指定条件下电路中电压、电流已达到稳定值。在指定条件下电路中电压、电流已达到稳定值。Ru+iu+LeL+-

21、iiRu 02 Riuip dtdiLeuL dtdiLiuip，短路为常数，若0 ui吸收能量0,吸收能量0,放出能量 2021LidtdiLiwtCu+i dtduCi dtduCuuip0,吸收能量0,放出能量 2021CudtduCuwt：参考方向的设定。如果参考方向的设定。如果u,i参考方向不一致，参考方向不一致，则各个则各个u,i关系式前要带负号。关系式前要带负号。若若u为常数，为常数，i=0,开路开路。隔直通交。隔直通交。合合S后：后：电流电流 u随电压随电压 比例变化。比例变化。电阻电路不存在过渡过程电阻电路不存在过渡过程(R耗能元件耗能元件)。图图(a)：合合S前：前：003

22、21 RRRuuuiI(a)S+-R3R22i+-R1 L储能：储能：221LLLiW 换路换路:不能突变不能突变Cu不不能能突突变变Li C 储能：储能：221CCCuW 由于物体所具有的能量不能跃变而造成由于物体所具有的能量不能跃变而造成若若cu发生突变，发生突变，dtduicc不可能！不可能！一般电路一般电路则则)0()0(CCuu注：换路定则仅用于换路瞬间来确定暂态过程中注：换路定则仅用于换路瞬间来确定暂态过程中 uc、iL初始值。初始值。设：设：t=0 表示换路瞬间表示换路瞬间(定为计时起点定为计时起点)t=0-表示换路前的终了瞬间表示换路前的终了瞬间 t=0+表示换路后的初始瞬间（

23、初始值）表示换路后的初始瞬间（初始值）)0()0(LL )0()0(LCiu0000)(,)(LCiu0)0()0(CCuu0)0()0(LL U+-U iC(0+)uC(0+)iL(0+)uL(0+)_u2(0+)u1(0+)i1(0+)R1+_+-t=0+等效电路等效电路00)(Cu,00)(L,RUC)()(001 )0)0(C 0)0(2 uUuuL )0()0(1)0)0(LuiC、uL 产生突变产生突变U+-(2)由由t=0+电路，求其余各电流、电压的初始值电路，求其余各电流、电压的初始值+_+_解：解：1）由）由t=0-电路求电路求 uC(0)、iL(0)换路前电路处以稳态：换路

24、前电路处以稳态：电容元件视为开路；电容元件视为开路；电感元件视为短路。电感元件视为短路。由由t=0-电路可求得：电路可求得：A144442444)0(31311311 URRRRRURRRiL+_+_t=0-等效电路等效电路V414)0()0()0(3 LcCiRuu解：解：A1)0(Li+_+_t=0-等效电路等效电路由换路定则：由换路定则：V4)0()0(cCuuA1)0()0(LLii+_+_+_+_解：解：2)由由t=0+电路电路求求 iL(0+)、uC(0+)t=0+时等效电路时等效电路4V1A+_+_由图可列出由图可列出)0()0()0(2 cuiRiRUc)0()0()0(Lii

25、ic带入数据带入数据4)0(4)0(28 cii1)0()0(cii+_+_t=0+时等效电路时等效电路4V1A+_+_解：解：解之得解之得 A31)0(ci并可求出并可求出)0()0()0()0(32 LLiRuiRccuV311144314 +_+_电量电量LiCiCuLu 0t 0t41103104311LCiu、LCui、零输入响应零输入响应:无电源激励无电源激励,输输入信号为零入信号为零,仅由电容元件的初仅由电容元件的初始储能所产生的电路的响应。始储能所产生的电路的响应。零状态响应零状态响应:储能元件的初储能元件的初始能量为零，始能量为零，仅由电源激励仅由电源激励所产生的电路的响应。

26、所产生的电路的响应。uC(0-)=0 全响应全响应:电源激励、电源激励、储能元件的初始能量储能元件的初始能量均不为零时，电路中均不为零时，电路中的响应。的响应。U+-SR21+CiCu0 tRu+cuC(0-)=Uo+-SR21+CiCu0 tRu+cURCtUuC e0)0(e tCu t换路前电路已处稳态换路前电路已处稳态 UuC )0(t=0时开关时开关,1S电容电容C 经电阻经电阻R 放电放电)(0t电阻电压：电阻电压：RCtURiuCR eRCtRUdtduCiCC e放电电流放电电流RCtUuC e tCuCiRu3.、u uR CiCu2)物理意义物理意义RC 令令:1)作用作用

27、UUeuc008.361 t当当 时时RCtUtuC e)(008.36 时间常数时间常数等于电压等于电压Cu衰减到初始值衰减到初始值U 的的所需的时间。所需的时间。1.uC的变化规律的变化规律)(0t换路前电路已处稳态。换路前电路已处稳态。sRU+_C+_i0tucuC(0-)=0RCtCUeUu 暂态分量暂态分量稳态分量稳态分量电路达到电路达到稳定状态稳定状态时的电压时的电压tCu-UCu Cu+UCu仅存在仅存在于暂态于暂态过程中过程中 63.2%U-36.8%UCuCiCiCutCuCi当当 t=时：时：UeUuC%2.63)1()(1 )1(RCteUuC 0 teRUdtduCit

28、cC URUuC换路前电路已处稳态。换路前电路已处稳态。)0()1(0 teUeUuRCtRCtCuC(0-)=UosRU+_C+_i0tuc)0()1(0 teUeUuRCtRCtC)0()(0 teUUURCt稳态分量稳态分量零输入响应零输入响应零状态响应零状态响应暂态分量暂态分量全响应全响应稳态值稳态值初始值初始值)0(ft)(tf0)(f)0(f0)0()(fa0)0()(fb0)()(fct)(tf0t)(tf0)(f0)()(fdt)(tf0)0(f)(fuC(0-)=UosRU+_C+_i0tuc1.经典法经典法:根据激励根据激励(电源电压或电流电源电压或电流)，通过求解，通过求

29、解电路的微分方程得出电路的响应电路的微分方程得出电路的响应(电压和电流电压和电流)。2.三要素法三要素法初始值初始值稳态值稳态值时间常数时间常数求求（三要素）（三要素）)(tf-)(f稳态值稳态值-)0(f-teffftf )()0()()(利用求三要素的方法求解暂态过程，称为利用求三要素的方法求解暂态过程，称为三要素法三要素法(1)由由t=0-电路求电路求)0()0(LCiu、(2)根据换路定则求出根据换路定则求出)0()0()0()0(LLCCiiuu(3)由由t=0+时时的电路，求所需其它各量的的电路，求所需其它各量的)0(i)0(u或或电容元件视为短路。电容元件视为短路。;0U其值等于

30、其值等于，若若 0)0(Cu(1)若若，0)0(0 UuC电容元件用恒压源代替，电容元件用恒压源代替，0 )0(0 IiL0)0(Li若若其值等于其值等于I0,电感元件视为开路。电感元件视为开路。(2)若若 ,电感元件用恒流源代替电感元件用恒流源代替，)0(f1)初始值初始值 的计算的计算 电容电容 C 视视为开路为开路,电感电感L视为短路，即求解直流电阻性电路视为短路，即求解直流电阻性电路中的电压和电流。中的电压和电流。V555510)(CumAiL36666)(2)稳态值稳态值 的计算的计算)(fuc+-t=0C10V1 fS例：例：5k+-Lit=03 6 6 6mAS 若不画若不画 t

31、=(0+)的等效电路，则在所列的等效电路，则在所列 t=0+时的方程中应有时的方程中应有 uc=uc(0+)、iL=iL(0+)。CR0 +-SRU21+CiCu0 tRu+cR0R1U+-t=0CR2R3SR2R3R13210)/(RRRR CR0 解：解：teuuuuCCCC )()0()(cuci2i电路如图，电路如图，t=0时合上开关时合上开关S，合，合S前电路已处稳前电路已处稳态。试求电容电压态。试求电容电压 和电流和电流 、。)0(cuV54106109)0(33 cuV54)0()0(ccuuS9mA6k 2 3k t=0ci2icu+-C Rt=0-等效电路等效电路)0(cu9

32、mA2 ci+-C6k R)(cu由换路后电路求稳态值由换路后电路求稳态值)(cuV18103/6109)(33 cuS104102103/63630 CR t=0-等效电路等效电路)0(cu9mA2 ci+-C6k R)0(cuV54106109)0(33 cuV54)0()0(ccuu)(cut 电路电路9mA2 ci+-C6k R RV54)0(cuV18)(cuS3104 V3618)1854(182503104tteeuc 18V54VtedtduCiCc250)250(361026 A018.0t250 etcu0例例2：由由t=0-时电路时电路Cu1iC 解：解：V333216)

33、0(Cu求初始值求初始值)0(CuV3)0()0(CCuu2i+-St=0C f 56V1 2 Cu3 2 1+-)0(Cut=0-等效电路等效电路1 2 6V3)0(i+-求稳态值求稳态值 Cu 0 CuVe35107.1t t66103e0 tCCCCUuuutu e)()0()()(+-St=0C f 56V1 2 Cu3 2 1+-Cf 52 Cu3 21+-S016105)3/2(660 CR 求时间常数求时间常数由右图电路可求得由右图电路可求得求稳态值求稳态值 Cu 0 CudtduCtiCC)(Ae3)(5107.12tCuti Ciiti 21)(tte5107.15107.1e5.2 Ae5.15107.1t (、关联关联)CCiu+-St=0C f 56V1 2 Cu3 2 1+-Ae5.25107.1t )(f)0(ft(1)求初始值、稳态值、时间常数；求初始值、稳态值、时间常数；(3)画出暂态电路电压、电流随时间变化的曲线。画出暂态电路电压、电流随时间变化的曲线。(2)将求得的三要素结果代入暂态过程通用表达式；将求得的三要素结果代入暂态过程通用表达式；)0()0()(6320 fff.