1、第一章 電路和電路元件,上海大學 自動化系 林小玲,1.1.1 電路與電路模型,1.1.2 電壓、電流及其參考方向,1.1.3 電路的功率和能量,1.2 無源電路元件,1.3 獨立電源元件,1.4 電路的工作狀態(tài)和電器設備的額定值,第一章 電路和電路元件,1.1 電路和電路基本物理量,1.2.1 電阻元件,1.2.2 電容元件,1.2.3 電感元件,學習電工電子技術中的電路基本組成及常用的電路元件，是學習以下各章節(jié)的基礎。介紹電阻元件，電感元件，電容元件，獨立電源元件，半導體二極管和三極管等器件的工作原理、特性曲線和參數。,第一章 電路和電路元器件,本章內容摘要,第一章 電路和電路元器件,1.

2、1.1 電路與電路模型,一、實際電路,系統(tǒng),一定的目的,一定的組合方式,系統(tǒng)的概念是廣義的，如天氣系統(tǒng)、食物鏈系統(tǒng)、機械系統(tǒng)，化工系統(tǒng)等。,1. 系統(tǒng),1.1 電路和電路基本物理量,電路,元件,目的,組合方式,、器件,、設備,電路是為了某種需要由某些電器設備或器件或元件按一定方式組合起來的電流通路。,元件：最小單位。,按聯(lián)結電路的目的和電路的作用分：,力能電路,信號電路,2 電路,3 分類,元件構成器件、器件構成設備、設備組成系統(tǒng)。,1) 力能電路,電燈 電爐 . 電動機,光能,機械能,熱能,中間環(huán)節(jié),電源,負載,起傳輸和分配電能的作用,供電設備,吸收電能,電能傳輸效率高。,實現能量的傳輸和轉

3、換。,(強電),照明電路,動力電路,電壓高、電流和功率大 (106Kw、105Kw)。,380V、220V；50Hz,2) 信號電路,中間環(huán)節(jié),源,負載,電信號轉換、放大，傳遞給揚聲器,保證信號傳遞質量。,功率低 (10-3w),(弱電),傳遞和處理信號。,處理：放大、變換,、濾波,16Hz20kHz 正弦、方波、三角波,信號,二、電路模型,元器件工作物理過程,表示耗能,無源元件,?,實際電氣設備,電路模型,如何對應,表示建立電場,表示建立磁場,有源元件,電氣設備,(多種物理現象),基本模型的組合,基本模型,實際電路,模型化,理論分析,+測量,由實際電路元件組成的電路稱為電路實體。,可將電路實

4、體中各個實際的電路元件都用表征其物理性質的理想電路元件代替。,用理想電路元件組合成的電路稱為電路實體的電路模型。,1.幾種基本的電路元件：,電阻元件：表示消耗電能的元件,電感元件：表示產生磁場，儲存磁場能量的元件,電容元件：表示產生電場，儲存電場能量的元件,電源元件：表示各種將其它形式的能量轉變成電能的元件,注,具有相同的主要電磁性能的實際電路部件， 在一定條件下可用同一模型表示； 同一實際電路部件在不同的應用條件下，其 模型可以有不同的形式,實物,下頁,電阻器,電容器,線圈,電池,運算放大器,晶體管,反映實際電路部件的主要電磁 性質的理想電路元件及其組合。,導線,電池,開關,燈泡,2. 電路

5、模型 (circuit model),電路圖,理想電路元件,有某種確定的電磁性能的理想元件,電路模型,圖11 手電筒電路,常用電路圖來表示電路模型,(a) 實際電路 (b) 電原理圖 (c) 電路模型 (d) 拓撲結構圖,圖12 晶體管放大電路 (a)實際電路 (b)電原理圖 (c)電路模型 (d)拓撲結構圖,電路模型近似地描述實際電路的電氣特性。根據實際電路的不同工作條件以及對模型精確度的不同要求，應當用不同的電路模型模擬同一實際電路?，F在以線圈為例加以說明。,圖13 線圈的幾種電路模型 (a)線圈的圖形符號 (b)線圈通過低頻交流的模型 (c)線圈通過高頻交流的模型,電路模型是對實際電路電

6、磁性能的科學抽象和概括,具有一般性。,電路模型特點：,1) 只見參數，不見設備,2) 聯(lián)結關系不變，但不表示聯(lián)結形式不變。,源,力能: 電源 信號: 信號源,激勵,輸入,傳輸,負載(負荷),響應,發(fā)生在負載上的響應,輸出,三、電路問題,1 激勵、響應,激勵-電源或信號源的電壓(電流)，它推動電路工作。也稱輸入,響應-由激勵在電路各個部分產生的電壓和電流。也稱輸出,輸出 Y,輸入 X,(響應之一),2 電路問題,1) 系統(tǒng)分析,根據系統(tǒng)內部結構和參數，建立Y =f (X)關系。,2) 系統(tǒng)綜合,根據激勵X與響應Y的關系，構造系統(tǒng)的結構。通常所講的設計。,3) 系統(tǒng)辨識,系統(tǒng)存在，但內部結構及系統(tǒng)

7、功能未知，建立系統(tǒng)響應Y與激勵X的關系。通常所講的建模。,研究電路的,u,i 關系,功能關系,4) 系統(tǒng)故障,電路變量,時變量,非時變量,(小寫字母),(大寫字母),u、i、p,U、I、P,已知:激勵、結構、參數,3 電路分析的基本方法,2) 根據不同元件電壓和電流關系-平衡約束(由KCL、KVL),1) 根據各元件電壓和電流關系-元件約束(由元件本身特點決定),U1=R1I U2=R2I U3=R3I,I,US =U1 + U2 + U3,然后,元件約束,平衡約束,-數學模型,最后 求解,首先確定,求解：電壓、電流、功率,1.1.2 電流和電壓的參考方向 (reference directi

8、on),電路中的主要物理量有電壓、電流、電荷、磁鏈、能量、電功率等。在線性電路分析中人們主要關心的物理量是電流、電壓和功率。,1. 電流的參考方向 (current reference direction),電流,電流強度,帶電粒子有規(guī)則的定向運動,單位時間內通過導體橫截面的電荷量,方向,規(guī)定正電荷的運動方向為電流的實際方向,單位,1kA=103A 1mA=10-3A 1 A=10-6A,A（安培）、kA、mA、A,元件(導線)中電流流動的實際方向只有兩種可能:,實際方向,實際方向,A,A,B,B,問題,復雜電路或電路中的電流隨時間變化時，電流的實際方向往往很難事先判斷,參考方向,i 參考方向

9、,大小,方向,電流(代數量),任意假定一個正電荷運動的方向即為電流的參考方向。,A,B,i 參考方向,i 參考方向,i 0,i 0,實際方向,實際方向,電流的參考方向與實際方向的關系：,A,A,B,B,電流參考方向的兩種表示：, 用箭頭表示：箭頭的指向為電流的參考方向。, 用雙下標表示：如 iAB , 電流的參考方向由A指向B。,電壓U,單位：V (伏)、kV、mV、V,2. 電壓的參考方向 (voltage reference direction),單位正電荷q 從電路中一點移至另一點時電場力做功（W）的大小,電位,單位正電荷q 從電路中一點移至參考點（0）時電場力做功的大小,實際電壓方向,

10、電位真正降低的方向,例,已知：4C正電荷由a點均勻移動至b點電場力做功8J，由b點移動到c點電場力做功為12J， (1) 若以b點為參考點，求a、b、c點的電位和電壓Uab、U bc; (2) 若以c點為參考點，再求以上各值,a,解,b,(1),以b點為電位參考點,解,(2),電路中電位參考點可任意選擇；參考點一經選定，電路中 各點的電位值就是唯一的；當選擇不同的電位參考點時， 電路中各點電位值將改變，但任意兩點間電壓保持不變。,結論,以c點為電位參考點,問題,復雜電路或交變電路中，兩點間電壓的實際方向往往不易判別，給實際電路問題的分析計算帶來困難。,電壓(降)的參考方向,U, 0, 0,U,

11、假設的電壓降低方向,電壓參考方向的三種表示方式：,(1) 用箭頭表示,(2) 用正負極性表示,(3) 用雙下標表示,U,U,+,A,B,UAB,元件或支路的u，i 采用相同的參考方向稱之為關聯(lián)參考 方向。反之，稱為非關聯(lián)參考方向。,關聯(lián)參考方向,非關聯(lián)參考方向,3. 關聯(lián)參考方向,i,+,-,+,-,i,U,U,注,(1) 分析電路前必須選定電壓和電流的參考方向。,(2) 參考方向一經選定，必須在圖中相應位置標注 (包括方向和符號），在計算過程中不得任意改變。,（3）參考方向不同時，其表達式相差一負號，但實際 方向不變。,例,電壓電流參考方向如圖中所標，問：對A、B兩部分電路電壓電流參考方向關

12、聯(lián)否？,答： A 電壓、電流參考方向非關聯(lián)； B 電壓、電流參考方向關聯(lián)。,1.1.3 電路的功率和能量,一、電功率,功率的單位：W (瓦) (Watt，瓦特),能量的單位： J (焦) (Joule，焦耳),單位時間內電場力所做的功。,1. 電路吸收或發(fā)出功率的判斷方法,u, i 取關聯(lián)參考方向,P=ui 表示元件吸收的功率,P0 吸收正功率 (實際吸收),P0 吸收負功率 (實際發(fā)出),p = ui 表示元件發(fā)出的功率,P0 發(fā)出正功率 (實際發(fā)出),P0 發(fā)出負功率 (實際吸收),u, i 取非關聯(lián)參考方向,二、功率的正負,例,求圖示電路中各方框所代表的元件消耗或產生的功率。已知： U1

13、=1V, U2= -3V, U3=8V, U4= -4V, U5=7V, U6= -3V I1=2A, I2=1A, I3= -1A,解,注,對一完整的電路，發(fā)出的功率消耗的功率, = U I 或 =U I ， 是否涉及到 U 、 I 的具體數值？,關聯(lián)參考,非關聯(lián)參考,吸收,供出,供出,吸收,?,判斷那個是吸收功率? 那個是供出功率?,三、 電能 功率也可以定義為單位時間內所消耗（或產生）的電能，即 式中若時間t的單位為（h）；功率P的單位為（W），則電能的單位為（J）。電能的單位常用千瓦小時（kWh），工業(yè)上用“度”表示。 1度電1kW.h3.6106J,分析與思考,下一題,上一題,返回分

14、析與思考題集,答：電源的電功率P 0,說明電源輸出電功率;負載的電功率P 0,說明負載取用（輸入）電功率。,解答,1.2.1 電阻元件,1. 電阻概念,1) 線性電阻,1.2 無源電路元件,2) 非線性電阻,通過原點,iu 0,無源，反映耗能這種物理現象,R,R,2 外部特性概念,電路元件或電路某部分端 口處電壓與電流之間的關系,外特性 或 伏安特性,u = Ri,對電流呈現阻力的元件。其伏安關系用ui平面的一條曲線來描述,實驗表明：在低頻工作條件下，電阻器的電壓電流關系是ui平面上通過坐標原點的一條直線。,用晶體管特性圖示儀測量二端電阻器的電壓電流關系。,實驗表明：在低頻工作條件下，晶體二極

15、管的電壓電流關系是ui平面上通過坐標原點的一條曲線。,用晶體管特性圖示儀測量晶體二極管的電壓電流關系。,3. 功率和能量,1) 對于線性電阻元件，,當激勵的輸出為恒定時，,2) 電阻元件描述實際耗電能設備，注意額定值,額定電流IN - 耐熱限度,額定電壓UN - 耐壓限度,長時間工作的限額,可用功率表示。從 t 到t0電阻消耗的能量：,4. 電阻的開路與短路,能量：,短路,開路,分析與思考,某負載為一可變電阻器，由電壓一定的蓄電池供電，當負載電阻增加時，該負載是增加了？還是減小了？,解答,答：負載的增減指負載消耗的電功率的增減。負載消耗的電功率P=U2/RL,蓄電池電壓一定即式中U不變，當RL

16、增加時，P 減小，故該負載減小了。,分析與思考,答：燒壞電源。因為這時所有負載均被短路，電流不通過負載，外電路的電阻可視為零，回路中僅有很小的電源內阻，故會有很大的電流通過電源，將電源燒壞。,解答,常用的各種二端電阻器件,電阻器,晶體二極管,電阻器,電阻器的色環(huán),電阻器是利用電阻系數較大的物質所作成的。工作方式可分為固定電阻（Fixed resistor）和可變電阻（Variable resistor）兩大類。 1固定電阻： 固定電阻可依組成結構、制造方式的不同分為以下幾種 （1）炭膜電阻：,（2）金屬膜電阻：,它是用一支瓷管上利用真空噴涂技術在上面噴涂一層炭膜，再將炭膜外層加工車成螺旋紋狀，

17、依照螺旋紋的多寡來定其電阻值，最后在外層加上一層保護膜披覆，是我們最常使用的制品。,它是用一支瓷管上利用真空噴涂技術在上面噴涂一層金屬膜，并在金屬膜車上螺旋紋，內部構造與圖2相同，只是將炭膜換成金屬膜，并且于瓷棒兩端度上貴金屬，它的特色為穩(wěn)定、低雜音、誤差小及受溫度影響小。,（3）金屬氧化膜電阻：,（4）炭質電阻,它是用一支高熱傳導的基材（陶瓷）上利用高溫燃燒技術在上面燒附一層金屬氧化薄膜，并在金屬氧化薄膜車上螺旋紋，內部構造與圖2相同，只是將炭膜換成金屬氧化薄膜，并且于外層噴涂不然性涂料，它的特色為穩(wěn)定、低雜音及受溫度影響小。,它是利用石墨、碳等較大的電阻系數物質加上膠合劑加壓、加熱成棒狀，

18、并在制造時植入導線電阻的大小依成分配置及碳棒粗細長短而定，制造成本最為低廉。,（5）線繞電阻： 上述電阻都不能承受大功率的消耗，因此若要使用于大功率時就必須用線繞電阻。構造如圖9所示 它是在一只瓷管上以合金線（鐵、鎳）繞制而成，外層涂裝硅利康樹脂或不燃性涂料。 另外還有方形線繞電阻器，它是將線繞電阻器放入長方形的瓷框內，用特殊的不燃耐熱水泥充填密封而成，這種電阻我們也稱它為水泥電阻。,1.2.2 電容元件 (capacitor),電容器,在外電源作用下，,兩極板上分別帶上等量異號電荷，撤去電源，板上電荷仍可長久地集聚下去，是一種儲存電能的部件。,1. 定義,電容元件,儲存電能的元件。其特性可用

19、uq 平面上的一條曲線來描述,庫伏 特性,任何時刻，電容元件極板上的電荷q與電流 u 成正比。q u 特性是過原點的直線,電路符號,2. 線性定常電容元件,C 稱為電容器的電容, 單位：F (法) (Farad，法拉), 常用F，p F等表示。,單位,線性電容的電壓、電流關系,u、i 取關聯(lián)參考方向,電容元件VCR的微分關系,表明：,i 的大小取決于 u 的變化率, 與 u 的大小無關，電容是動態(tài)元件；,(2) 當 u 為常數(直流)時，i =0。電容相當于開路，電容 有隔斷直流作用；,實際電路中通過電容的電流 i為有限值，則電容電壓u 必定是時間的連續(xù)函數.,電容元件有記憶電流的作用，故稱電

20、容為記憶元件,（1）當 u，i為非關聯(lián)方向時，上述微分和積分表達式前要冠以負號 ; （2）上式中u(t0)稱為電容電壓的初始值，它反映電容初始時刻的儲能狀況，也稱為初始狀態(tài)。,電容元件VCR的積分關系,表明,注,關于電容電壓增量v,在t 時刻,在t+t 時刻,當|i(t)|M（M為有限常數），t0時v0，這說明只要電流是有界函數，電壓就是連續(xù)函數，即電容電壓值是不會發(fā)出跳變的。,v(t)是連續(xù)的v(0+)=v(0-)=0,3. 電容的功率和儲能,當電容充電， u0，d u/d t0，則i0，q ， p0, 電容吸收功率。,當電容放電，u0，d u/d t0，則i0，q ，p0, 電容發(fā)出功率.

21、,功率,表明,電容能在一段時間內吸收外部供給的能量轉化為電場能量儲存起來，在另一段時間內又把能量釋放回電路，因此電容元件是無源元件、是儲能元件，它本身不消耗能量。,u、 i 取關聯(lián)參考方向,（1）電容的儲能只與當時的電壓值有關，電容 電壓不能躍變，反映了儲能不能躍變； （2）電容儲存的能量一定大于或等于零。,從t0到 t 電容儲能的變化量：,電容的儲能,表明,例,求電流i、功率P (t)和儲能W (t),電源波形,解,uS (t)的函數表示式為:,解得電流,吸收功率,釋放功率,若已知電流求電容電壓，有,4. 電容的實物圖,鉬電解電容器,薄膜電容器,瓷介電容器,陶瓷貼片,1.2.3 電感元件 (

22、inductor),電感器,把金屬導線繞在一骨架上構成一實際電感器，當電流通過線圈時，將產生磁通，是一種儲存磁能的部件,（t)N (t),1. 定義,電感元件,儲存磁能的元件。其特性可用i 平面上的一條曲線來描述,韋安 特性,實際線圈的理想化模型， 假想由無阻導線繞制而成,任何時刻，通過電感元件的電流i與其磁鏈 成正比。 i 特性是過原點的直線,電路符號,2. 線性定常電感元件,L 稱為電感器的自感系數, L的單位：H (亨) (Henry，亨利)，常用H，m H表示。,單位,線性電感的電壓、電流關系,u、i 取關聯(lián)參考方向,電感元件VCR的微分關系,表明：,(1) 電感電壓u 的大小取決于i

23、 的變化率, 與i 的大小無關，電感是動態(tài)元件；,(2) 當i為常數(直流)時，u =0。電感相當于短路；,實際電路中電感的電壓 u為有限值，則電感電流i 不能躍變，必定是時間的連續(xù)函數.,根據電磁感應定律與楞次定律,電感元件有記憶電壓的作用，故稱電感為記憶元件,（1）當 u，i為非關聯(lián)方向時，上述微分和積分表達式前要冠以負號 ; （2）上式中i(t0)稱為電感電流的初始值，它反映電感初始時刻的儲能狀況，也稱為初始狀態(tài)。,電感元件VCR的積分關系,表明,注,3. 電感的功率和儲能,當電流增大，i0，d i/d t0，則u0， p0, 電感吸收功率。,當電流減小，i0，d i/d t0，則u0，

24、p0, 電感發(fā)出功率。,功率,表明,電感能在一段時間內吸收外部供給的能量轉化為磁場能量儲存起來，在另一段時間內又把能量釋放回電路，因此電感元件是無源元件、是儲能元件，它本身不消耗能量。,u、 i 取關聯(lián)參考方向,（1）電感的儲能只與當時的電流值有關，電感 電流不能躍變，反映了儲能不能躍變； （2）電感儲存的能量一定大于或等于零。,從t0到 t 電感儲能的變化量：,電感的儲能,表明,電容元件與電感元件的比較：,電容 C,電感 L,變量,電流 i 磁鏈 ,關系式,電壓 u 電荷 q,(1) 元件方程的形式是相似的；,(2) 若把 u-i，q- ，C-L， i-u互換,可由電容元件的方程得到電感元件

25、的方程；,(3) C 和 L稱為對偶元件, 、q等稱為對偶元素。,* 顯然，R、G也是一對對偶元素:,I=U/R U=I/G,U=RI I=GU,結論,4. 電感器的實物圖,1.3 獨立電源元件,其兩端電壓總能保持定值或一定的時間函數，其 值與流過它的電流 i 無關的元件叫理想電壓源。,電路符號,1. 理想電壓源,定義,電源兩端電壓由電源本身決定， 與外電路無關；與流經它的電流方 向、大小無關。,通過電壓源的電流由電源及外 電路共同決定。,理想電壓源的電壓、電流關系,伏安關系,例,外電路,電壓源不能短路！,電壓源的功率,電場力做功 ， 電源吸收功率。,（1） 電壓、電流的參考方向非關聯(lián)；,物理

26、意義：,電流（正電荷 ）由低電位向 高電位移動，外力克服電場力作功電源發(fā)出功率。,發(fā)出功率，起電源作用,（2） 電壓、電流的參考方向關聯(lián)；,物理意義：,吸收功率，充當負載,或：,發(fā)出負功,例,計算圖示電路各元件的功率。,解,發(fā)出,發(fā)出,吸收,滿足：P（發(fā)）P（吸）,實際電壓源也不允許短路。因其內阻小，若短路，電流很大，可能燒毀電源。,實際電壓源,考慮內阻,伏安特性,一個好的電壓源要求,其輸出電流總能保持定值或一定 的時間函數，其值與它的兩端電壓u 無關的元件叫理想電流源。,電路符號,2. 理想電流源,定義,(1) 電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無關；與它兩端電壓方向、大小無關,電流源

27、兩端的電壓由電源及外電路共同決定,理想電流源的電壓、電流關系,伏安關系,例,外電路,電流源不能開路！,實際電流源的產生,可由穩(wěn)流電子設備產生，如晶體管的集電極電流與負載無關；光電池在一定光線照射下光電池被激發(fā)產生一定值的電流等。,電流源的功率,（1） 電壓、電流的參考方向非關聯(lián)；,發(fā)出功率，起電源作用,（2） 電壓、電流的參考方向關聯(lián)；,吸收功率，充當負載,或：,發(fā)出負功,例,計算圖示電路各元件的功率。,解,發(fā)出,發(fā)出,滿足：P（發(fā)）P（吸）,i,實際電流源也不允許開路。因其內阻大，若開路，電壓很高，可能燒毀電源。,實際電流源,考慮內阻,伏安特性,一個好的電流源要求,三、實際電源,1實驗,2伏安特性,US,U = US - R