1、第1章汽車照明電路設(shè)計(jì),1.1 電路與電路模型 1.2 電路的基本物理量 1.3 功率和電能 1.4 電壓源和電流源 1.5 受控電源 1.6 常見電路負(fù)載元件 1.7 汽車照明電路設(shè)計(jì),本章學(xué)習(xí)目的及要求,本章內(nèi)容是貫穿全課程的重要理論基礎(chǔ)，要求在學(xué)習(xí)中 給予足夠的重視。 通過本章學(xué)習(xí)要求理解理想電路元件和電路模型的概念； 理解電壓、電流及其參考方向的概念；深刻理解和掌握參 考方向在電路分析中的應(yīng)用。 在實(shí)際應(yīng)用中，利用電路元件的基本連接方法，進(jìn)行電動(dòng)車 照明電路的設(shè)計(jì)。,1.1 電路與電路模型,電力系統(tǒng)中:,負(fù)載：,1.1.1 電路,電路由實(shí)際元器件構(gòu)成的電流的通路。,電路組成,電源：,可

2、將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電能、向電路提供電能的裝置。,可將電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量、在電路中接收電能的設(shè)備。,中間環(huán)節(jié)：,電源和負(fù)載之間不可缺少的連接、控制和保護(hù)部件統(tǒng)稱為中間環(huán)節(jié)，如導(dǎo)線、開關(guān)及各種繼電器等。,電路的功能,電子技術(shù)中:,電路可對(duì)電信號(hào)進(jìn)行傳遞、變換、儲(chǔ)存和處理。,電路可對(duì)電能進(jìn)行傳輸、分配和轉(zhuǎn)換。,1.1.2 電路模型,在電路分析中，為了方便于對(duì)實(shí)際電氣裝置的分析研究，通常在一定條件下需要對(duì)實(shí)際電路采用模型化處理，即用抽象的理想電路元件及其組合近似地代替實(shí)際的器件，從而構(gòu)成了與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。,電源,負(fù) 載,負(fù)載,S,中間環(huán)節(jié),手電筒的實(shí)體電路,手電筒的電路模型,白熾

3、燈的電路模型可表示為：,實(shí)際電路器件品種多，電磁特性多元而復(fù)雜，,如,直接畫在電路圖中困難而繁瑣，且不易定量描述。,R,L,消耗電能的電特性可用電阻元件表征,產(chǎn)生磁場(chǎng)的電特性可用電感元件表征,由于白熾燈中耗能的因素遠(yuǎn)大于產(chǎn)生磁場(chǎng)的因素，因此L 可以忽略。,理想電路元件是實(shí)際電路器件的理想化和近似，其電特性惟一、精確，可定量分析和計(jì)算。,白熾燈電路,理想電路元件分有有源和無源兩大類,電阻元件 只具耗能的電特性,電容元件 只具有儲(chǔ)存電能的電特性,理想電壓源 輸出電壓恒定，輸出電流由它和負(fù)載共同決定,理想電流源 輸出電流恒定，兩端電壓由它和負(fù)載共同決定,無源二端元件,有源二端元件,電感元件只具有儲(chǔ)存

4、磁能的電特性,電路模型研究問題的特點(diǎn),1.主要針對(duì)由理想電路元件構(gòu)成的集總參數(shù)電路，,其中電磁現(xiàn)象可以用數(shù)學(xué)方式來精確地分析和計(jì)算；,2.研究與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型，實(shí)質(zhì)上就是,探討各種實(shí)際電路共同遵循的基本規(guī)律。,1.元件中所發(fā)生的電磁過程都集中在元件內(nèi)部進(jìn)行,其次要因素可以忽略的理想電路元件；,2.任何時(shí)刻從元件兩端流入和流出的電流恒等且元件端電壓的值確定。,集總參數(shù)電路元件的特征,檢驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)果,電路由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？,何謂理想電路元件？其中“理想”二字在實(shí)際電路的含義？,集總參數(shù)元件有何特征？,電流(強(qiáng)度) 單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷。,電流的大小：,穩(wěn)恒直流情

5、況下：,1.2 電路的基本物理量,1.2.1 電流,電流的單位及換算：安培(A)=庫侖(C)/秒(s),1A=103mA=106A=109nA,電流是一個(gè)有方向的物理量，僅指出大小是不夠,的，規(guī)定以正電荷移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯恼鎸?shí)方向。,(1)分析電路前應(yīng)選定電壓電流的參考方向，并標(biāo)在圖中；,(2)參考方向一經(jīng)選定，在計(jì)算過程中不得任意改變。參考方向是列寫方程式的需要，是待求值的假定方向而不是真實(shí)方向，因此不必追求它們的物理實(shí)質(zhì)是否合理。,(4) 參考方向也稱為假定正方向，以后討論均在參考方向 下進(jìn)行，實(shí)際方向由計(jì)算結(jié)果確定。,(3)電阻（或阻抗）一般選取關(guān)聯(lián)參考方向，獨(dú)立源上一般選取非關(guān)聯(lián)參考方

6、向。,(5)在分析、計(jì)算電路的過程中，出現(xiàn)“正、負(fù)”、“加、減”及“相同、相反”這幾個(gè)名詞概念時(shí)，切不可把它們混為一談。,參考方向,1.2.2 電壓,a,電位V是相對(duì)于參考點(diǎn)的電壓。參考點(diǎn)的電位:Vb=0；a點(diǎn)電位： Va=E-IR0=IR,電壓U是反映電場(chǎng)力作功本領(lǐng)的物理量，是產(chǎn)生電流的根本原因。電壓的正方向規(guī)定由“高”電位指向“低”電位。,b,+ U ,電壓的定義式為：,單位換算：,1V=10-3KV=103mV=106uv,電壓和電流一樣，也是一個(gè)有方向的物理量。,（1）實(shí)際正方向：規(guī)定為從高電位指向低電位。 （2）參考正方向：任意假定的方向。 注意：必須指定電壓參考方向，這樣電壓的正值

7、或負(fù)值才有意義。,（1-4）,列寫電路方程時(shí)，電壓、電流的正、負(fù)是以電路圖上預(yù)先假定的參考方向?yàn)橐罁?jù)的，若計(jì)算結(jié)果為正值，說明電壓、電流的真實(shí)方向與參考方向相符，否則相反。,注意,定義：電位是一種由電路中的位置所確定的勢(shì)能，具有明顯的相對(duì)性其高低正負(fù)取決于電路參考點(diǎn)。,1.2.3 電位,理論上電路參考點(diǎn)的選取是任意的，但實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常以大地作為零電位點(diǎn)。,有些場(chǎng)合下，設(shè)備和儀器的底盤或機(jī)殼與接地裝置相連時(shí)，也常選取與接地裝置相連的機(jī)殼作為電路參考點(diǎn)；電子技術(shù)中為方便于問題的分析和研究，還常常把電子設(shè)備的公共連接點(diǎn)作為電路參考點(diǎn)。,某點(diǎn)電位在數(shù)值上等于該點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的電壓。,當(dāng)電路參考點(diǎn)改變時(shí)

8、，該電位隨參考點(diǎn)發(fā)生變化，但它與原來參考點(diǎn)之間的差值不會(huì)發(fā)生改變。,電位的定義式為：,電壓和電位是衡量電場(chǎng)力作功本領(lǐng)的物理量；電路中兩點(diǎn)間電壓的大小只取決于兩點(diǎn)間電位的差值，是絕對(duì)的量；電位是相對(duì)的量，其高低正負(fù)取決于參考點(diǎn)。,電壓和電位的區(qū)別,電源和負(fù)載的區(qū)分,U、I非關(guān) 聯(lián)方向時(shí)， 假定元件 是電源。,為了便于分析電路，應(yīng)預(yù)先在電路圖上標(biāo)示出電壓、電流的方向，電路圖上的電壓、電流方向稱為參考方向，原則上可以任意假定。 元件究竟是電源還是負(fù)載，應(yīng)由元件上電壓、電流的實(shí)際方向決定：實(shí)際方向關(guān)聯(lián)時(shí)，元件是負(fù)載；實(shí)際方向非關(guān)聯(lián)時(shí)，元件是電源。,U、I關(guān)聯(lián) 方向時(shí)， 假定元件 是負(fù)載。,電路如圖所示

9、，分別以A、B 為參考點(diǎn)計(jì)算C 和D 點(diǎn)的電位及C 和 D兩點(diǎn)之間的電壓。,以A為參考點(diǎn)時(shí),VC = 3 3 = 9 V,VD= 3 2= 6 V,UCD = VC VD = 15 V,以 B 為參考點(diǎn)時(shí),VD = 5 V,VC = 10 V,UCD = VC VD= 15 V,練一練,1.2.3 功率和電能,單位時(shí)間內(nèi)電流做的功稱為電功率，用“P ”表示： 在直流電路中功率可表示為：P=UI,功率,當(dāng)電壓和電流為關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，用公式p=ui或P=UI計(jì)算；當(dāng)電壓和電流為非關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，用公式p=ui或P=UI計(jì)算。 當(dāng)計(jì)算的功率p0時(shí)，表明該時(shí)刻二端元件實(shí)際吸收（消耗）功率；當(dāng)計(jì)算的功率

10、p0時(shí)，表明該時(shí)刻二端元件實(shí)際發(fā)出（產(chǎn)生）功率。,電流能使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、電爐發(fā)熱、電燈發(fā)光，說明電流具有做功的本領(lǐng)。電流做的功稱為電功。電流做功的同時(shí)伴隨著能量的轉(zhuǎn)換，因此電功的大小可以用能量來量度，即：W=UIt,式中單位：U【V】；I【A】；t【s】時(shí)，電功W為焦耳【J】,若U【KV】；I【A】；t【h】時(shí)，電功W為度【KWh】。,電能,1度電的概念,1000W的電爐加熱1小時(shí)；,100W的燈泡照明10小時(shí)；,40W的燈泡照明25小時(shí)。,日常生活中，家用電度表就是用來測(cè)量電功的裝置。只要用電器工作，電度表就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)并且顯示電流作功的多少，即電功的大小不僅與電壓、電流的大小有關(guān)，還取決于用電時(shí)間

11、的長短。,【例1-1】如圖1-8所示的電路，已知元件A的電壓U=5V，電流I=2A；已知元件B的電壓U=4V，電流I=2A，試求元件A、B的功率是多少，并說明是吸收還是發(fā)出功率。,圖 1-8 例 1-1 圖,解： 圖1-8（a）中元件上的電壓與電流為關(guān)聯(lián)參考方向，在關(guān)聯(lián)參考方向下顯然是把元件假想為一個(gè)負(fù)載，因此元件吸收的功率為,元件吸收負(fù)功率，實(shí)際上發(fā)出功率，因此該元件實(shí)際上是一個(gè)電源。,圖1-8（b）中元件上的電壓與電流為非關(guān)聯(lián)參考方向，在非關(guān)聯(lián)參考方向下顯然是把元件假想為一個(gè)電源，因此元件發(fā)出的功率為,元件發(fā)出正功率，實(shí)際上吸收功率，因此圖1-8（b）中元件實(shí)際上是一個(gè)負(fù)載。,p吸 = u

12、 i,p吸 0 ，說明元件實(shí)際發(fā)出功率10W。,例 U = 10V， I = - 1A,P吸= UI = 10 (-1) = -10W,練一練,1. u、i取關(guān)聯(lián)參考方向,2. u、i取非關(guān)聯(lián)參考方向,p吸 = u i,例 U = 10V， I = - 1A,P吸= UI = 10 (-1) = 10 W,p吸 0 ，說明元件實(shí)際吸收功率10W。,1.4 電壓源和電流源,電源中能夠獨(dú)立向外提供電能的電源成為獨(dú)立源（電壓源和電流源）； 不能向外提供電源的稱為非獨(dú)立源（受控源）,3.伏安特性：,平行于電流軸的一條直線。,端電壓是一定值，即US恒定。I由電源和外電路共同決定。,2.基本特點(diǎn)：,電路符

13、號(hào),1.4.1 電壓源,能獨(dú)立向外電路提供恒定電壓的二端元件。,1.定義及符號(hào)：,開路,4.理想電壓源的開路與短路：,短路,理想電壓源 不允許短路！,5.理想電壓源上的功率計(jì)算：,關(guān)聯(lián)參考方向下,P發(fā)=UI P吸=UI,非關(guān)聯(lián)參考方向下,P發(fā)=UI P吸= UI,1.4.2 電流源,2. 基本特點(diǎn)：,3.伏安特性：,1. 定義及圖符號(hào)：,能獨(dú)立向外電路提供恒定電流的二端元件。,電源供出的電流恒定，電源兩端的電壓由它和外電路共同決定。,平行于電壓軸的一條直線。,開路,4.理想電流源的開路與短路：,短路,理想電流源 內(nèi)阻無窮大,理想電流源 不允許開路！,光電池、穩(wěn)流三極管一般可視為實(shí)際電流源。,5

14、.理想電流源上的功率計(jì)算：,關(guān)聯(lián)參考方向下,P發(fā)=ISU P吸=ISU,非關(guān)聯(lián)參考方向下,P發(fā)=ISU P吸= ISU,理想電壓源和理想電流源的串、并聯(lián),1.理想電壓源的串聯(lián),US= USk,注意參考方向,US= US1 U S2,串聯(lián),2.理想電壓源的并聯(lián),電壓相同的電壓源才能并聯(lián)，且每個(gè)電源的電流不確定。,并聯(lián),3.理想電流源的串聯(lián)與并聯(lián)：,IS= ISk,注意參考方向,IS= IS1+ IS2 IS3,電流相同的理想電流源才能串聯(lián)，且每個(gè)恒流源的端電壓均由它本身及外電路共同決定。,串聯(lián),并聯(lián),【例1-2】圖1-13所示電路，IS=1A，試分析電路中各元件的功率。,圖1-13 例1-2圖,

15、【解】,流過電壓源的電流由和它相連的電流源決定，IS=1A。電壓源的電壓和通過的電流為關(guān)聯(lián)參考方向，其功率為,P=UI=101=10W，大于0，所以，電壓源吸收的功率為10W。,P=UI=301=30W，小于0，電流源吸收的功率30W，即發(fā)出了30W的功率。,因此，整個(gè)電路中的總功率為零。,電流源的端電壓與它相連的電壓源決定，電流源的電壓電流為非關(guān)聯(lián)參考方向，其功率為,電阻的功率為 P=UI=201=20W，大于0， 即電阻吸收了20W的功率。,1.5 受控電源,1. 定義,2. 電路圖符號(hào),受控源的電壓或電流不像獨(dú)立源是給定函數(shù)，而是受電路中某個(gè)支路的電壓（或電流）的控制。,受控源和獨(dú)立源的

16、相同點(diǎn)：兩者都是電源，可向負(fù)載提供電壓或電流。,受控源和獨(dú)立源的不同點(diǎn)：獨(dú)立電源的電動(dòng)勢(shì)或電流是由非電能量提 供的，其大小、方向和電路中的電壓、電流無關(guān)；受控源的電動(dòng)勢(shì)或 電流，受電路中某個(gè)電壓或電流的控制，它不能獨(dú)立存在，其大小、 方向由控制量決定。,受控源分類,含有受控源的電路分析要點(diǎn)一,可以用兩種電源等效互換的方法，簡化受控源電路。但 簡化時(shí)注意不能把控制量化簡掉。否則會(huì)留下一個(gè)沒有控制 量的受控源電路，使電路無法求解。,含有受控源的電路分析要點(diǎn)二,如果一個(gè)二端網(wǎng)絡(luò)內(nèi)除了受控源外沒有其他獨(dú)立源， 則此二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓必為0。因?yàn)椋挥歇?dú)立源產(chǎn)生控 制作用后，受控源才能表現(xiàn)出電源性質(zhì)。

17、求含有受控源電路的等效電阻時(shí)，須先將二端網(wǎng)絡(luò)中 的所有獨(dú)立源去除(恒壓源短路處理、恒流源開路處理)， 受控源應(yīng)保留。 含受控源電路的等效電阻可以用“加壓求流法”求解。,【例1-3】求圖1-15中電路a、b端鈕的等效電阻Rab,圖1-15 例1-3圖,解,以上表明，受控源和電阻的二端電路可以等效為一個(gè)電阻，該電阻的值為二端電路的端口電壓與端口電流之比。 含受控源、獨(dú)立源和電阻的二端電路是一個(gè)電壓源與電阻的串聯(lián)組合或電流源與電阻的并聯(lián)組合的二端電路。,寫出a、b端鈕的伏安關(guān)系為 U=8I+5I=13I 所以 Rab=U/I=13,1.6 常見的電路負(fù)載元件,電路元件是組成電路最基本的單元，按照外部

18、端子的數(shù)目可以分為二端元件和多端元件。 從能量特征方面可以分為有源元件和無源元件。 前面介紹的電壓源和電流源都屬于有源元件，它們?cè)陔娐分械淖饔檬前l(fā)出功率。 負(fù)載元件在電路中的作用是消耗功率，把它們稱為無源元件。 本節(jié)將介紹常見的負(fù)載元件：電阻、電容和電感。,1.6.1 電阻元件,電阻元件是從實(shí)際電阻器抽象出來的理想模型，日常生活中常見的燈泡、揚(yáng)聲器、電爐等在一定條件下都可以等效為一個(gè)二端線性電阻元件。,常見的各種電阻元件,電阻元件具有把電能轉(zhuǎn)化為熱能的作用，是一個(gè)耗能元件。電阻上消耗的功率可以通過功率的公式計(jì)算：,【例1-4】試求圖1-18所示電路的未知量，R=10。 解 在圖1-18（a）中

19、，電壓和電流為關(guān)聯(lián)參考方向，所以： 在圖1-18（b）中，電壓和電流為非關(guān)聯(lián)參考方向，所以：,圖1-18 例1-4圖,1.6.2 電容元件,1電容元件 電容元件也是一種基本的電子元件，具有儲(chǔ)存電能的作用，它是各種電容器的理想化模型。,常用的電容單位還有微法（F）、皮法（pF），它們的換算關(guān)系為 1F=106F=1012pF,q=Cu,（1-14）,2電容元件的伏安關(guān)系 如果電容兩端的電壓和電流取關(guān)聯(lián)參考方向，那么有,式（1-15）表明電容上的電流與電容上的電壓變化率成正比。如果i0，表示電容在充電，電壓升高，電流的實(shí)際方向與圖中的參考方向一致；如果i0，表示電容在放電，電壓降低，電流的實(shí)際方向和參考方向不一致。,（1-15）,電容在充電時(shí)吸收的能量全部轉(zhuǎn)換為