《電路原理與元件》課件

電路原理與元件課程概述基礎(chǔ)理論電路基本概念、分析方法元件特性電阻、電容、電感等基本元件分析技巧各種電路解析手段實(shí)際應(yīng)用第一章：電路基礎(chǔ)電路本質(zhì)電能傳輸與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)基本參量電壓、電流、電阻電路特性電路的基本概念電路定義能量傳輸與轉(zhuǎn)換的閉合通道閉合回路電流必須在閉合路徑中流動電子移動電流實(shí)質(zhì)是電荷的定向移動連接方式電流與電壓電流(I)單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量單位：安培(A)I=dq/dt電壓(U)單位電荷在電場中獲得的電勢能差單位：伏特(V)U=W/q電功率與能量電功率P=UI=I2R=U2/R電能W=Pt吸收功率元件從電路獲取能量提供功率元件向電路提供能量電路元件分類按性質(zhì)分類有源元件、無源元件按特性分類線性元件、非線性元件按記憶性分類存儲元件、非存儲元件第二章：基本電路元件電阻元件定義阻礙電流流動的元件歐姆定律U=IR溫度特性溫度系數(shù)：正、負(fù)、零類型固定電阻、可變電阻電阻的特性與應(yīng)用1分壓器Uout=Uin×R2/(R1+R2)2電流檢測通過測量分流電阻壓降3上拉/下拉確保信號線穩(wěn)定電平4限流保護(hù)限制電路最大電流電容元件定義存儲電荷的元件C=Q/U單位：法拉(F)常見類型電解電容陶瓷電容鉭電容薄膜電容電容的充放電特性充電電壓指數(shù)上升u(t)=U(1-e^(-t/RC))放電電壓指數(shù)下降u(t)=Ue^(-t/RC)時間常數(shù)τ=RC電感元件定義存儲磁場能量的元件單位：亨利(H)電感特性電流變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢u=L·di/dt類型空心線圈鐵心線圈片式電感電感的自感與互感效應(yīng)自感電流變化產(chǎn)生自感電動勢互感一線圈電流變化感應(yīng)另一線圈電動勢耦合系數(shù)k=M/√(L?L?)應(yīng)用變壓器、電感器、濾波器獨(dú)立電源定義能量轉(zhuǎn)換為電能的元件特性參數(shù)獨(dú)立于電路其他部分分類直流電源、交流電源實(shí)例電池、發(fā)電機(jī)、太陽能電池電壓源與電流源理想電壓源輸出恒定電壓內(nèi)阻為零能提供無限電流理想電流源輸出恒定電流內(nèi)阻為無窮大能提供無限電壓實(shí)際電源有內(nèi)阻電壓源：串聯(lián)內(nèi)阻電流源：并聯(lián)內(nèi)阻受控電源電壓控制電壓源輸出電壓由控制電壓決定電壓控制電流源輸出電流由控制電壓決定電流控制電壓源輸出電壓由控制電流決定電流控制電流源輸出電流由控制電流決定4第三章：基爾霍夫定律基爾霍夫電流定律（KCL）定義任何節(jié)點(diǎn)流入電流等于流出電流之和數(shù)學(xué)表達(dá)∑I=0物理解釋電荷守恒定律在電路中的應(yīng)用應(yīng)用節(jié)點(diǎn)分析、支路電流法基爾霍夫電壓定律（KVL）定義閉合回路中電壓升降之和為零數(shù)學(xué)表達(dá)∑U=0物理解釋能量守恒定律在電路中的應(yīng)用應(yīng)用回路分析、網(wǎng)孔電流法KCL和KVL的應(yīng)用3設(shè)置方向選擇參考方向和極性2建立方程應(yīng)用KCL、KVL寫出方程組1求解未知量解方程得到電流、電壓值∞驗(yàn)證結(jié)果檢驗(yàn)是否符合物理規(guī)律第四章：電路分析方法直接應(yīng)用法直接利用基本定律和元件關(guān)系等效變換法等效簡化復(fù)雜電路系統(tǒng)方程法建立完整方程組求解定理法利用特定定理簡化分析支路電流法步驟一標(biāo)記各支路電流方向步驟二應(yīng)用KCL列節(jié)點(diǎn)方程步驟三應(yīng)用KVL列回路方程步驟四求解方程組得出結(jié)果節(jié)點(diǎn)電壓法選擇參考節(jié)點(diǎn)通常選擇"地"點(diǎn)為參考標(biāo)記節(jié)點(diǎn)電壓相對于參考節(jié)點(diǎn)的電位差列KCL方程每個非參考節(jié)點(diǎn)一個方程求解方程組得到所有節(jié)點(diǎn)電壓值網(wǎng)孔電流法標(biāo)記網(wǎng)孔每個基本回路標(biāo)一個網(wǎng)孔電流假設(shè)方向通常選擇順時針方向2列KVL方程每個網(wǎng)孔建立一個方程求解方程組得到所有網(wǎng)孔電流值疊加定理定義線性電路中各獨(dú)立源的單獨(dú)作用之和應(yīng)用步驟保留一個電源，其他替換為內(nèi)阻計算單獨(dú)效應(yīng)記錄每個電源單獨(dú)產(chǎn)生的響應(yīng)疊加結(jié)果對所有單獨(dú)響應(yīng)求代數(shù)和戴維南定理定理內(nèi)容任何含源線性電路等效為電壓源與電阻串聯(lián)等效電壓：開路電壓等效電阻：所有獨(dú)立源置零后端口電阻應(yīng)用步驟1.移除負(fù)載，測量開路電壓2.獨(dú)立源置零，計算等效電阻3.構(gòu)建等效電路4.連接負(fù)載，分析簡化電路諾頓定理定理內(nèi)容任何含源線性電路等效為電流源與電阻并聯(lián)等效電流端口短路時的電流等效電阻獨(dú)立源置零后的端口電阻與戴維南轉(zhuǎn)換UN=IN·RNIN=UN/RN第五章：一階電路定義含一個儲能元件的電路類型RC電路、RL電路特性一階微分方程描述響應(yīng)指數(shù)變化特性RC電路組成電阻與電容串并聯(lián)組合時間常數(shù)：τ=RC充電過程u(t)=U(1-e^(-t/RC))i(t)=(U/R)e^(-t/RC)放電過程u(t)=Ue^(-t/RC)i(t)=-(U/R)e^(-t/RC)RL電路組成電阻與電感串并聯(lián)組合時間常數(shù)τ=L/R通電過程i(t)=(U/R)(1-e^(-Rt/L))斷電過程i(t)=(U/R)e^(-Rt/L)一階電路的時域響應(yīng)零輸入響應(yīng)由初始條件決定的自由響應(yīng)零狀態(tài)響應(yīng)由激勵信號產(chǎn)生的強(qiáng)迫響應(yīng)全響應(yīng)零輸入響應(yīng)與零狀態(tài)響應(yīng)之和4穩(wěn)態(tài)響應(yīng)t→∞時的最終響應(yīng)第六章：二階電路1定義含兩個儲能元件的電路數(shù)學(xué)模型二階微分方程描述響應(yīng)類型過阻尼、臨界阻尼、欠阻尼RLC串聯(lián)電路時間(ms)過阻尼(V)臨界阻尼(V)欠阻尼(V)RLC并聯(lián)電路1阻抗特性RLC并聯(lián)的阻抗關(guān)系2諧振條件XL=XC時電路諧振3品質(zhì)因數(shù)Q=ωL/R=1/(ωCR)4應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)V波、調(diào)諧、振蕩電路二階電路的時域響應(yīng)1特征方程s2+2αs+ω?2=02過阻尼α>ω?，兩個不同實(shí)根3臨界阻尼α=ω?，兩個相等實(shí)根4欠阻尼α<ω?，一對共軛復(fù)根第七章：正弦穩(wěn)態(tài)電路分析正弦波特性幅值、相位、頻率相量表示復(fù)數(shù)形式簡化計算頻率響應(yīng)幅頻特性、相頻特性正弦量與相量正弦量表達(dá)式u(t)=Um·sin(ωt+φ)角頻率：ω=2πf周期：T=1/f=2π/ω相量表示ū=Um∠φ=Um·e^jφ復(fù)數(shù)形式：ū=Um·(cosφ+jsinφ)直角坐標(biāo)：ū=a+jb阻抗與導(dǎo)納正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析方法阻抗法用復(fù)阻抗替代元件相量域分析應(yīng)用復(fù)數(shù)形式的歐姆定律和基爾霍夫定律求解相量方程獲得電壓電流相量值轉(zhuǎn)換回時域得到實(shí)際正弦響應(yīng)功率因數(shù)與功率因數(shù)校正有功功率P實(shí)際消耗的功率，單位瓦特(W)1無功功率Q交換的能量，單位乏(VAR)2視在功率S總功率，單位伏安(VA)功率因數(shù)cosφ=P/S諧振電路串聯(lián)諧振諧振頻率：f?=1/(2π√LC)特點(diǎn)：阻抗最小電流最大，電壓放大并聯(lián)諧振諧振頻率：f?=1/(2π√LC)特點(diǎn)：阻抗最大電流最小，高阻抗應(yīng)用濾波器調(diào)諧電路頻率選擇第八章：三相電路定義三個等幅相位差120°的交流電源優(yōu)勢功率傳輸效率高、功率恒定應(yīng)用電力傳輸、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動連接方式Y(jié)形連接、Δ形連接三相電源與負(fù)載連接Y形連接三相四線制線電壓：UL=√3·UP線電流：IL=IPΔ形連接三相三線制線電壓：UL=UP線電流：IL=√3·IP對稱三相電路分析1特點(diǎn)三相負(fù)載完全對稱2中性點(diǎn)電位Y形連接中性點(diǎn)電位為零3功率計算P=√3·UL·IL·cosφ4簡化方法可簡化為單相電路分析不對稱三相電路分析定義三相負(fù)載阻抗不相等中性線電流Y形連接中性線有電流解決方法分解為三個單相電路分析困難需要完整的三相分析三相功率計算3有功功率P=P?+P?+P?√3對稱系統(tǒng)P=√3·UL·IL·cosφ3無功功率Q=Q?+Q?+Q?2功率測量二瓦特表法、三瓦特表法第九章：互感與變壓器磁耦合兩個或多個電感通過磁場相互作用互感系數(shù)M=k·√(L?L?)感應(yīng)電動勢e?=M·di?/dt變壓器基于互感原理的電壓變換裝置互感原理1互感電感衡量磁耦合程度耦合系數(shù)0≤k≤1點(diǎn)號標(biāo)記表示互感電壓的極性關(guān)系4能量傳遞通過磁場實(shí)現(xiàn)能量傳輸理想變壓器定義無損耗、無漏感、鐵心無磁阻耦合系數(shù)k=1變壓比n=N?/N?=U?/U?=I?/I?功率守恒：P?=P?特性電壓變換電流變換阻抗變換：Z?'=n2·Z?實(shí)際變壓器的等效電路漏感未與次級耦合的磁通1勵磁支路表示鐵心磁化和損耗繞組電阻原、副邊繞組電阻3效率η=P?/P?<100%4第十章：非線性電路元件二極管及其應(yīng)用定義單向?qū)щ娖骷ぷ鳡顟B(tài)正向?qū)?、反向截止特性非線性伏安特性應(yīng)用整流、檢波、穩(wěn)壓晶體管及其應(yīng)用分類雙極型、場效應(yīng)型2工作模式放大、開關(guān)、振蕩3放大參數(shù)電流增益、輸入輸出阻抗運(yùn)算放大器及其應(yīng)用理想特性無窮大增益無窮大輸入阻抗零輸出阻抗基本配置同相放大器反相放大器電壓跟隨器應(yīng)用加法器積分器微分器第十一章：數(shù)字電路基礎(chǔ)1數(shù)字信號離散值表示信息2邏輯門基本數(shù)字運(yùn)算單元3組合邏輯輸出僅依賴當(dāng)前輸入4時序邏輯輸出依賴輸入和當(dāng)前狀態(tài)邏輯門電路非門(NOT)輸入信號取反與門(AND)全1輸入才得1輸出或門(OR)有1輸入就得1輸出異或門(