《計算機(jī)電路基礎(chǔ)》第1章：電路基本概念和基本定律.ppt

計算機(jī)電路基礎(chǔ),第1章 電路基本概念和基本定律,(時間: 2次課 4學(xué)時),第1章 電路基本概念和基本定律,教學(xué)提示：電路是學(xué)習(xí)電子技術(shù)的基礎(chǔ)，是電子類專業(yè)的入門課程。本章主要是介紹電路的一些基本概念和基本的定律，是學(xué)習(xí)電路理論的基礎(chǔ)知識。 教學(xué)目的： 1.了解電路模型和集總假設(shè)的意義; 2.理解電壓、電流的參考方向和關(guān)聯(lián)參考方向； 3.理解電壓源，電流源的特性及功率計算； 4.理解支路、節(jié)點(diǎn)、回路的定義和電路的三種工作狀態(tài)； 5.理解和掌握基爾霍夫電流和電壓定律，要熟練地應(yīng)用于 電路計算； 6.能分析和計算電路中各點(diǎn)電位。,第1章 電路基本概念和基本定律,1.1 電路 1.2 電流、電壓和功率 1.3 二端元件和受控源 1.4 電路三種狀態(tài) 1.5 基爾霍夫定律,1.1 電路,1.1.1 電路的作用 1.1.2 電路模型 1.1.3 集總假設(shè),1.1.1 電路的作用,電路: 電流流通的路徑。 電路的作用:電路是實現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換。 電路組成 : 電源: 是向電路提供電能的設(shè)備 負(fù)載: 是指各種用電設(shè)備和元器件總稱 中間環(huán)節(jié)部分: 由電子元器件組成完成復(fù)雜功能的電子系統(tǒng)。,1.1.2 電路模型,實際的電元件往往都不是單一參數(shù)的理想元件。為了突出元件的主要特性，忽略其次要因素，把它近似地看成單一參數(shù)的理想電路元件 。 用理想電元件所組成的電路，稱為實際電路的電路模型。電路模型是對實際電路抽象和概括。,1.1.3 集總假設(shè),為了簡化對器件性能的描述和簡化對電路分析和計算，假設(shè)在一定的條件下，忽略其次要物理過場，只考慮實際元件的主要特性，這樣假設(shè)稱為集總假設(shè)。 集總假設(shè)的條件是：電場作用(充放電)只發(fā)生的電容元件上，磁場作用(磁能的貯存和釋放)只發(fā)生在電感元件上，而且都沒有電磁能量的損失。 集總假設(shè)的元件稱為理想元件（集總參數(shù)元件，簡稱集總元件），簡稱電路元件。,1.2 電流、電壓和功率,電流、電壓和功率是電路中三個重要的物理量，是對電路分析和計算的重要參數(shù)。 1.2.1 電流 1.2.2 電壓和電位 1.2.3 關(guān)聯(lián)參考方向 1.2.4 功率,1.2.1 電流,電荷的定向運(yùn)動產(chǎn)生電流。 單位：安培（安），用字母A表示 。 1A=1000 mA ； 1mA=1000 A 正電荷運(yùn)動方向為電流的正方向。 大小和方向不隨時間而變的電流為直流電流 （用大寫字母I 表示 ）； 大小隨時間變化而方向不隨時間變化的電流稱為變動電流 i ； 大小和方向都隨時間而變化，這樣的電流稱之為交流電流 i 。,在分析和計算電路前假設(shè)流過元件上電流的方向稱為電流參考方向 ； 當(dāng)所求得電流為正值，說明流過元件上電流的實際方向與假設(shè)的電流參考方向一致； 當(dāng)所求得電流為負(fù)值，則實際電流方向與電流參考方向相反 。 參考方向是一種分析方法，只有在參考方后，電流和電壓才有正、負(fù)之分。,1.2.2 電壓和電位,1.電壓 ： 定義:單位正電荷在電場力的作用下，從電場中的a 點(diǎn)移到b點(diǎn) 所做的功，稱為電場中a、b兩點(diǎn)間電壓。 單位：伏特（伏），用大寫字母V表示。 1V=1000mV 1mV=1000V 電壓方向規(guī)定：由高電位(“+”極性端)指向低電位(“-”極性端) ; 電壓方向用下標(biāo)方式表示，如a、b兩點(diǎn)之間的 電壓方向由a(+) 指向b(-)，可表示為Uab。 2.電位: 選定電路中的某一點(diǎn)作為電壓的參考點(diǎn)，稱為零電位點(diǎn)。 電路中的任一點(diǎn)到零電位點(diǎn)的電壓稱為該點(diǎn)的電位。,1.2.3 關(guān)聯(lián)參考方向,分析電路的時候，設(shè)定的電流參考方向和電壓參考方向 一致，稱為關(guān)聯(lián)參考方向。電流和電壓的參考方向不一致，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。 關(guān)聯(lián)參考方向 非關(guān)聯(lián)參考方向,1.2.4 功率 正電荷從高電位移向低電位，是電場力對電荷作功的結(jié)果，電場的能量消耗在元件上。元件消耗電場的能量稱為元件吸收能量或元件消耗功率。這時元件上的電流方向和電壓的方向是一致的 . 正電荷從低電位移向高電位，必須由外力對電荷作用以克服電場力，元件需發(fā)出能量(元件向電路提供能量)，即元件向電路提供功率。這時元件上的電流方向和電壓的方向是相反的。 元件上的功率計算公式：P = U I 元件上電流和電壓的參考方向符合關(guān)聯(lián)參考方向： 當(dāng)P 0，元件消耗功率，該元件被稱為電路的負(fù)載。 當(dāng)P 0，元件向電路提供功率，該元件被稱為電源。 當(dāng)P 0，元件消耗功率，該元件被稱為電路的負(fù)載。,【例題1.2】充電器A對手機(jī)電池E充電，如圖所示。如果手機(jī)電池的電壓已降到2.5V，現(xiàn)用20mA電流對其充電， 問手機(jī)電池和充電器的功率各為多少？各是何種功率？,【解】手機(jī)電池上的電壓和電流為關(guān)聯(lián)參考方向， P = E I = 2.5V0.02A = 0.5W P0，吸收功率，手機(jī)電池是負(fù)載。 充電器上的電壓和電流為非關(guān)聯(lián)參考方向， P =E I = 2.5V0.02A= 0.5W 功率P0，充電器向手機(jī)電池提供功率，是電源。,1.3 二端元件和受控源,1.3.1 電阻元件 物體對電流的阻礙作用稱為該物體的電阻。 用符號R表示 ，單位：歐姆() 。 常有如下?lián)Q算：1k(1千歐)=1000 1M(1兆歐)=1000 K 電阻的倒數(shù)G =1/R，稱為電導(dǎo)。單位:西門子“S”。 在關(guān)聯(lián)參考方向下，電阻上的電流和電壓的關(guān)系為-歐姆定律 R=U/I可寫成 U=RI 說明：通過電阻的電流與加在電阻上的電壓成正比; 如果 R 值不隨外加的電壓(電流)變化，此電阻R 稱為線性,1.3.2 電壓源 獨(dú)立電壓源是一個二端元件，簡稱為電壓源. 任何電壓源都含有電動勢E和內(nèi)阻RS，它的模型如圖 U:電壓源的端電壓。RL:外接的負(fù)載電阻。 U = I RL = E I RS 電源E輸出功率為PE = I2 RL + I2 RS ， 這里:I2 RL 為負(fù)載功率, I2 RS 為電源內(nèi)阻消耗功率. 當(dāng)電源內(nèi)阻 RS = 0 時，稱為理想電壓源電源. 電源內(nèi)部無電壓降， 輸出一個恒定電壓 U = 電動勢E ，,理想電壓源電源,電壓源,1.3.3 電流源,獨(dú)立電流源簡稱電流源. 圖中虛線左邊所示。IS是電流源的電流，RS是電流源的內(nèi)阻。 當(dāng)RS=或RSRL時,稱為恒流源或理想電流源,流過負(fù)載電流I 恒等于電流源的電流IS. 當(dāng)電路中不能滿足條件RSRL 時，流過RL的電流等于被其內(nèi)阻RS 分流后的剩余部分。 RS 越小，分流越大，流過負(fù)載的電流I越小。電流源的輸出特性如圖1.19中的斜線所示。 理想電流源端電壓 的大小完全由外電路的負(fù)載所確定,【例題1.3】計算圖1.20所示電路中獨(dú)立電流源所提供的功率。,電阻的壓降為： UR= I R=23= 6V 電流源兩端的電壓 UIS = UR + E = 6V+4V =10V 電流源兩端的電壓和電流是非關(guān)聯(lián)方向,電流源功率為 : PIS = UIS I =10V2A=20W PIS 0，所以電流源是提供功率。 電壓源的功率PE = EI= 42= 8W 由于流過電壓源的電流和電壓降方向一致，即關(guān)聯(lián)參考方向， 而且PE 0，所以電壓源是吸收功率。,1.3.4 受控源,電源中的電流或電壓是受到電路中其他支路的電流或電壓的控制，稱此類電源為受控源。 它不是真正的電源，而是四端元件。 受控源有電壓源和電流源之分，控制量有電壓和電流之分，所以受控源共有四種類型 : 電壓控制電流源(VCCS) :I2=U1， 是轉(zhuǎn)移電導(dǎo)，導(dǎo)納量綱。 電流控制電壓源(CCVS) :U2 = I1， 是轉(zhuǎn)移電阻，電阻量綱。 電流控制電流源(CCCS) : I2 = I1， 是電流控制比，無量綱。 電壓控制電壓源(VCVS) :U2 = U1， 是電壓控制比，無量綱,四種類型受控源,1.4 電路三種狀態(tài),1.4.1 開路狀態(tài),電源與其負(fù)載相互間不連接，電源處于無負(fù)載狀態(tài)，稱為空載狀態(tài)，又稱為開路狀態(tài). 開路狀態(tài)時特性為： UO = E I = 0 PE = 0,1.4.2 短路狀態(tài),電源兩端連接在一起，外電路的電阻為零，稱為短路狀態(tài)，簡稱短路。短路時回路中產(chǎn)生很大的電流IS，稱為短路電流。 電源在短路時的特征為： U = 0 IS = E/RS PS =IS RS 短路除了會發(fā)生在電源端處外，也可能發(fā)生在線路中的某一部分，稱為局部短路，會造成電源供出超常的電流。 短路通常是一種嚴(yán)重的事故。為了防止短路事故的發(fā)生，除了認(rèn)真操作外，更重要的是在電路中接入短路保護(hù)措施，一旦發(fā)生短路，能及時切斷電源與負(fù)載的連接，以免發(fā)生事故。,1.4.3 有載狀態(tài),電源與負(fù)載接通形成電回路，稱為有載狀態(tài)。 電源向電路負(fù)載提供的電流： I = E /（RS+RL） 負(fù)載上的電壓： UL = I RL 電源電動勢輸出的功率: PE = I E 電源內(nèi)阻消耗的功率: PS= I2 RS 負(fù)載吸收的功率： PL = I2 RL 功率的單位是瓦特（瓦），用字母W表示。 大功率應(yīng)用的場合，用kW(千瓦)， 小功率用mW(毫瓦)，其換算關(guān)系： kW = 1000 W ； 1 W = 1000 mW,1.5 基爾霍夫定律,基爾霍夫定律分為：基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律。,1.5.1 支路、結(jié)點(diǎn)和回路 支路：電路中流過同一個電流的分支稱為 支路,支路上流過的電流稱為支路電 流。 結(jié)點(diǎn)：支路的連接點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn))。在電 路中三條或三條以上支路相連接的地 方形成一個結(jié)點(diǎn)。 回路：由一條或多條支路所組成的任何一個 閉合電路稱為回路。,1.5.2 基爾霍夫電流定律（KCL）,定律表述： 在電路中的任一結(jié)點(diǎn)，在任一時刻，流進(jìn)結(jié)點(diǎn)的 電流之和等于從該結(jié)點(diǎn)流出的電流之和。 式中的k表示該結(jié)點(diǎn)上聯(lián)接的支路總數(shù)。 【例題1.5】列出圖中結(jié)點(diǎn)a、b和c的電流方程。 【解】對結(jié)點(diǎn)a有 -I1 + I3 I4 = 0 對結(jié)點(diǎn)b有 I2 I3 I6 = 0 對結(jié)點(diǎn)c有 I1 I2 + I5= 0 提示：列結(jié)點(diǎn)電流方程時， 先標(biāo)明支路電流的方向。 習(xí)慣上設(shè)流入結(jié)點(diǎn)的電流為正， 流出結(jié)點(diǎn)的電流為負(fù)。,1.5.3 基爾霍夫電壓定律（KVL）,定律表述：在任一瞬間，沿任一回路設(shè)定方向(順時針或逆時針)，回路中所有支路電壓降的代數(shù)和為零。,【例題1.6】列出圖中虛線繞行回路的基爾霍夫電壓方程。 【解】 設(shè)定回路和中參考方向。支路原設(shè)定的方向若與之一致，則為正，否則為負(fù)。建立兩個回路的電壓方程如下： 回路：-E1 + I1 R1 + I2 R2 = O 回路：-E2 + I3 R3 + I2 R2 = 0,【例題1.7】如圖已知： R1 =1， R2=2，R4=4，R5=5，R6=6，E3=2V，I2=1A，I4=1.5A，I5=2A。求E1，E2。,【解】據(jù)基爾霍夫電流定律， 結(jié)點(diǎn)b：I6= I2+I4=1A+1.5A = 2.5A結(jié)點(diǎn)c：I3= I2+I5=1A+2A = 3A 結(jié)點(diǎn)a：I1= I3+I4= 3A+1.5A = 4.5A 據(jù)基爾霍夫電流定律，在abda回路中： E1 = I1R1+ I4R4+I6R6 =4.5+1.54+2.56 =25.5(V) 在cdbc回路中： I5R5+ E3-I6R6 +E2- I2R2=0 E2= I6R6