1、2018/9/3,电工电子学C,电路的基本概念 南京工业大学信息科学与工程学院电子系,第一章,2018/9/3,电工电子学C,第一章 电路的基本概念,1.1 电路的作用和组成 1.2 电路的基本物理量 1.3 电阻、电容和电感元件 1.4 电源元件 1.5 电路的工作状态 1.6 电路的基本定律 1.7 电路中电位的概念及计算,2018/9/3,电工电子学C,本章的基本要求：,一、理解电压与电流参考方向的意义 二、能正确而熟练的应用电路基本定律 三、了解电路的三种状态及额定值的意义 四、会计算电路中某点的电位,2018/9/3,电工电子学C,1.1 电路的作用和组成,电路：由各种元件相互连接而
2、构成的电流的通路。,1、实现电能的传输、转换；,2、实现信号的传递与处理。,一、电路的作用：,2018/9/3,电工电子学C,二、电路的组成及模型：,1、组成：电源、负载和中间环节。,电源: 提供 电能的装置,负载: 取用 电能的装置,中间环节：传递、分 配和控制电能的作用,2018/9/3,电工电子学C,2、模型：,为了便于用数学方法分析电路,一般要将实际电路模型化，用足以反映其主要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相对应的电路模型。,手电筒的电路模型,灯 泡,开关,电 池,导线,2018/9/3,电工电子学C,几个概念：,激励：作用于电路上的电源或信号
3、源的电压或电流，也称为输入。,响应：由激励在电路各部分产生的电压或电流，也称为输出。,电路分析：在已知电路结构和元件参数的条件下，分析电路的激励与响应之间的关系。,2018/9/3,电工电子学C,1.2 电路的基本物理量,一、电流及其参考方向：,1、电流：电荷在导体中有规则的定向移动形成电流，其大小被称为电流强度，简称电流i。,3、实际方向：习惯上规定正电荷移动的方向为电流的实际方向。(约定俗成),4、参考方向：任选某一方向为其参考方向，也叫其正方向。(人为指定),2、分类：直流电流I、交流电流i。,2018/9/3,电工电子学C,5、正负：当电流的实际方向与其参考方向一致时，其值为正；当电流
4、的实际方向与其参考方向相反时，其值为负。,I1=1A,I1=-1A,2018/9/3,电工电子学C,6、表示方法：a、用箭头来表示，箭头的方向为其参考方向；b、用双下标表示，例如Iab表示电流参考方向由a指向b。,7、单位：安培（A：Ampere） 毫安mA 微安uA换算：1mA = 10-3A 1uA = 10-6A,2018/9/3,电工电子学C,二、电压和电动势及其参考方向：,（1）电压：电场力把单位正电荷从电路中的一点移到另外一点所作的功，为这两点之间的电压。,（3）实际方向：规定由高电位端指向低电位端。(约定俗成),（4）参考方向：任选某一方向为其参考方向，也叫其正方向。 (人为指定
5、),1、电压：,（2）分类：直流电压U、交流电压u。,2018/9/3,电工电子学C,（5）正负：电压值为正时，电压的实际极性和参考极性相同，否则相反。,U0,U0,2018/9/3,电工电子学C,（6）表示方法：a、用极性“”、“”表示，参考方向由正指向负；b、用双下标表示，例如Uab表示其参考方向由a指向b。,（7）单位：伏特（V：Volt)毫伏mV 微伏uV 千伏kV 换算：1mV 103V 1uV 106V 1kV 103V,2018/9/3,电工电子学C,2、关联与非关联参考方向：,关联参考方向,非关联参考方向,关联参考方向：电流和电压的参考方向一致；,非关联参考方向：电流和电压的参
6、考方向不一致；,2018/9/3,电工电子学C,3、电动势： （1）概念：描述了电源中外力做功的能力，它的大小等于外力在电源内部克服电场力把单位正电荷从负极移到正极所做的功。,（2）实际方向：在电源内部由负极指向正极。,（3）单位：伏特（V：Volt),2018/9/3,电工电子学C,三、电功率：,1、概念：描述电路元件中电能变换的速度，其值为单位时间内元件所吸收或输出的电能。,2、单位：瓦（W）,3、计算： （1）当电流和电压为关联参考方向时： （2）当电流和电压为非关联参考方向时： （3）若 ，表示该元件吸收功率； （负载）若 , 表示该元件产生功率。（电源）,举例：教材P4 例11,20
7、18/9/3,电工电子学C,1.3 电阻、电感和电容元件,一、电阻元件：,线性电阻元件：伏安曲线为通过坐标原点的一条直线。,欧姆定律：,R为电阻，单位：欧姆（）,令G 1/R G 称为电导 单位：西门子（S：Siemens）,2018/9/3,电工电子学C,功率：,能量：,非线性电阻元件：伏安曲线不是通过坐标原点的一条直线。,（耗能元件）,2018/9/3,电工电子学C,二、电容元件：,线性电容元件：库伏特性曲线在uq平面上为通过原点的直线。,对线性电容元件有：q = Cu,C 称为电容器的电容,单位：法拉（F）微法F 纳法nF 皮法pF1F=10-6F 1nF=10-9F 1pF=10-12
8、F,2018/9/3,电工电子学C,电压、电流关系：,（直流相当于断路）,电场能量：,非线性电容元件：库伏特性曲线在uq平面上不是通过原点的直线。,（储能元件）,2018/9/3,电工电子学C,三、电感元件：,线性电感元件：韦安特性曲线在i平面上为通过原点的直线。,对线性电感元件有：,L 称为电感器的电感,单位：亨利（H）微亨H 毫亨mH 1H=10-6H 1mH=10-3H,2018/9/3,电工电子学C,由电磁感应定律可得，自感电动势为：,端电压：,（直流相当于短路）,磁场能量：,（储能元件）,2018/9/3,电工电子学C,1.4 电源元件,能够独立向外电路提供能量的电源，分为电压源和电
9、流源。,一、独立电源：,1、理想电源：,是实际电源的理想化模型，分为理想电压源和理想电流源。,（1）理想电压源：,能向负载提供一个恒定值的电压直流电压US或频率和幅值不变的交流电压us。,2018/9/3,电工电子学C,图形符号,伏安特性,特点：,（1） 恒压源两端的电压与流过电源的电流无关；,（2）恒压源输出电流的大小取决于所连接的外电路。,2018/9/3,电工电子学C,（2）理想电流源：,向负载提供一个恒定值的电流直流电流IS或频率和幅值不变的交流电流is。,图形符号,伏安特性,特点：,（1） 恒流源输出的电流与恒流源的端电压无关；,（2） 恒流源的端电压取决于与恒流源相连接的外电路。,
10、2018/9/3,电工电子学C,其电路模型通常为电源元件和电阻元件的 组合。,1、实际电源：,（1）电压源模型：,2018/9/3,电工电子学C,（2）电流源模型：,2018/9/3,电工电子学C,二、受控电源（？）：,1、定义:电压源的电压或电流源的电流是受电路中其他部分的电压或电流控制。,2、电路符号：,2018/9/3,电工电子学C,三、分类：,1、电流控制的电流源 ( Current Controlled Current Source ),2、电流控制的电压源 ( Current Controlled Voltage Source ), :电流放大倍数,r : 转移电阻,2018/9/
11、3,电工电子学C,3、电压控制的电流源 ( Voltage Controlled Current Source ),4、电压控制的电压源 ( Voltage Controlled Voltage Source ),g: 转移电导, :电压放大倍数,2018/9/3,电工电子学C,1.5 电路的工作状态,一、有载状态：,1、特性：,开关闭合,负载电流：,端 电 压：,U = IR,负载功率：,2018/9/3,电工电子学C,2、额定值及运行状态:,额定值:电器设备的安全使用值，用UN、IN和PN表示。,运行状态:,2018/9/3,电工电子学C,二、开路状态：,开关断开,特征:,负载功率：,电
12、流:,开路电压：,2018/9/3,电工电子学C,三、短路状态：,导线短接,特征:,端 电 压:,负载功率:,电源功率:,短路电流:,2018/9/3,电工电子学C,1.6 电路的基本定律,对于一个线性电阻元件而言，流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。,一、欧姆定律：,关联参考方向：,非关联参考方向：,2018/9/3,电工电子学C,二、基尔霍夫(Kirchhoff)定律：,1、几个术语：,（1）支路(branch)：电路中流过同一电流的分支。(b),（2）节点(node): 电路中三条或三条以上支路的连接点称为节点。(n),（3）回路(loop)：由一条或多条支路组成的闭合路径。(l),(
13、4) 网孔(mesh)：对平面电路，内部不含有支路的回路为网孔,即每个网眼就是网孔。网孔是回路，但回路不一定是网孔。,2018/9/3,电工电子学C,支路：b=3 节点：n=2 回路：l=3 网孔：2个,支路：b=6 节点：n=4 回路：l=7 网孔：3个,2018/9/3,电工电子学C,2、基尔霍夫电流定律(KCL)：,(1)内容：任何时刻，对任一节点，所有支路电流的代数和为零。即：,(2)符号的确定：选定参考方向后，习惯上取流出该节点的支路电流为负，流入为正。,i1- i2+ i3- i4= 0i1+ i3= i2+ i4,2018/9/3,电工电子学C,(3)另一种表达：在任一瞬时，流向
14、某一结点的电流之和等于由该结点流出的电流之和。即,(4)推广：对任一包围几个节点的闭合面而言，流入该闭合面（广义节点）的电流等于流出该闭合面的电流。,证明：结点A： IA = IAB ICA结点B： IB = IBC IAB结点C： IC = ICA IBC,左右两边相加可得 IA IB IC 0,2018/9/3,电工电子学C,3、基尔霍夫电压定律 (KVL),(1)内容：在集总参数电路中，任一时刻，任一回路中，所有支路电压的代数和等于零。即：,(2)符号的确定：a、任一选择一个绕行方向，可以顺时针也可以逆时针；b、电压的参考方向与绕行方向一直取正号，电压的参考方向与绕行方向相反则取负号。,
15、表达试：U1 U2 U3 U4 0,U1 U4 U2 U3,即：,2018/9/3,电工电子学C,（3）另一种表达：从任一回路中的任一点出发，沿任一方向绕行一周，则在该方向上电位降之和等于电位升之和。,即：,（4）推广：KVL定律不仅应用于闭合回路，也可以应用于回路的部分电路，即假想回路。,E RI U 0,2018/9/3,电工电子学C,定律应用中注意的问题：1、两个定律具有普遍性，它们适用于由不同元件所构成的电路，也适用于任一瞬时对任何变化的电流和电压；2、在运用定律时，首先要在电路中标注出电流、电压或电动势的参考方向；3、在应用KVL定律时，要选择一个绕行方向。,2018/9/3,电工电
16、子学C,例：有一个闭合回路如图所示，各支路的元件是任意的，但已知：UAB 5V，UDA 3V， UBC 4V。试求：（1）UCD；（2）UCA。,解：(1)由基本的KVL定律可得:,UAB UBC UCD UDA 0,即：5（4） UCD （3） 0 则 UCD 2V,2018/9/3,电工电子学C,(2)ABCA不是闭合回路，也可以应用KVL定律得到:,UAB UBC + UCA 0,即:5+（4）UCA 0 则 UCA 1V,2018/9/3,电工电子学C,1.7 电路中电位得概念及计算,一、电位:某点相对于参考点的电压。,二、计算：,电路中某点的电位等于从该点开始沿任一路径到达参考点的电
17、压降的代数和。,三、求解步骤：,1、任选参考点，设其电位为零；,3、以零电位参考点为准，逐点计算各点电位。,2、标出各电流参考方向并计算；,注意：电位为单下标，记为：“UX” 。,2018/9/3,电工电子学C,例1:,求图示电路中各点的电位Ua、Ub、Uc、Ud。,解：设 Ua = 0 V,Ub =106 =60 V Uc = 420 = 80 V Ud = 65 = 30 V,设 Ub= 0 V,Ua = 106 = 60 V Uc = E1 = 140 V Ud = E2 = 90 V,2018/9/3,电工电子学C,结论：,1、电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中其它各 点的电位也将随之改变；,2、电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而改变， 即与零电位参考点的选取无关。,四、电路的简化：,2018/9/3,电工电子学C,作业：1-1、1-12、1-19、1-21、1-22,
