东北大学电工学课件直流电路.ppt

教材：,实验教材：,课程简介,电工学是非电专业一门技术基础课。通过本课程的学习，获得电工技术、电子技术方面必要的基本知识、基本理论和基本实践技能，为学习后续专业课程及与从事有关的工程技术工作打下一定基础。通过电工学实验,学会识别各种电子元器件以及电路仿真分析方法；学习常用电工、电子仪器仪表的使用方法,锻炼电工方面的动手能力及实验技能。,电子技术：第1章半导体器件44第2章基本放大电路102第3章运算放大器42第5章数字电路124第6章整流电路和直流稳压电源42,电工技术：理论学时(52)实验学时(20)第1章直流电路72第2章单相交流电路72第3章三相交流电路42,教学内容及学时安排（72学时）,成绩评定:实验20分；平时考核(出勤.测验.作业)10分；期末考试70分。,教学要求:不旷课，不迟到；课上认真听，课后做作业。,第一章直流电路,1.1电路和电路的主要物理量1.2电路的基本定律1.3电路中电位的计算1.4电路的几种状态和电气设备额定值1.5电压源、电流源及其等效变换1.6线性网络的分析方法小结本章要点作业：教材29页习题4、11、12、13、22、23、31、35,(1)电流I(2)某点电位UA(3)电功率PUs、PIs，并会判断是电源还是负载,电路的分析方法：,(1)电源等效变换法(2)支路电流法(3)节点电压法(4)叠加原理(5)戴维南定理,主要知识点,计算：,电流定律(KCL)、电压定律(KVL),电路的基本定律：,I2,1.1电路和电路主要物理量,理想电路元件：电阻（R）、电感（L）、电容（C）和理想电源（Us、Is）等。,1.1.1电路和电路模型,1.1.2电路的主要物理量,1.电流（I）,大小：,方向:正电荷运动的方向,单位:安培(A),毫安(mA),微安(A),(1)先设定一个参考方向，作为电流的假想方向；,(2)根据参考方向和电路的基本定律，列出物理量间相互关系的代数方程式；,(3)根据计算结果的正负，确定电流的实际方向。,即正方向，是任意设定的假想方向，电路中用箭头表示。,分析计算电路时，往往先设定电流的参考方向,求电流IR：,注意：参考方向是任意设定的。,根据结果的正负，确定实际方向：若I>0(见a图)，则实际方向与参考方向一致；若I<0(见b图)，则实际方向与参考方向相反。,只有在参考方向设定后，电流值才有正负之分。,(a),(b),I,I,2.电压（U）,大小：,方向:从高电位指向低电位。（电位降方向）,分析计算时，也要设参考方向。,然后根据结果的正负判断实际方向,单位:伏(V)，千伏(kV)，毫伏(mV)，微伏(V),对电阻来说，电流方向就意味电位降方向,3.电动势（E）,大小：,方向:电源内部由低电位指向高电位。（电位升方向）,分析计算时，也要假设参考方向。,根据结果的正负确定实际方向,忽略电源内阻时，,单位：伏(V)，千伏(kV),4.电功率（P）,对电阻:,或恒压源：,对恒流源：,对电动势：,电阻在电路中一定消耗功率，起负载作用;恒压源或恒流源在电路中可能吸收功率（负载），也可能发出功率（电源）。,单位:w,kw等,如何判断电路中的元件是发出功率（即电源）还是吸收功率（即负载）？,根据电压、电流的实际方向判断：,若电流从高电位端流出，低电位端流入，则为电源；否则为负载。,在一个完整的电路内，电功率平衡，即总的发生功率等于总的吸收功率。P发生=P吸收,5.电能（W）,电能等于功率乘以时间，即：,单位：,或者电压与电流的实际方向相反时为电源；否则为负载。,图中已知U1=-1V，U2=-3V，U3=-1V，U4=1V，U5=2V，I1=4A，I5=-2A,I3=-2A试判断各元件是电源还是负载。,元件1，3，4，5为负载；元件2为电源,根据电压、电流的实际方向判断：,例1,U与I的正方向一致时,U=IR,U与I的正方向相反时,U=IR,1.2电路的基本定律,1.2.1欧姆定律,1.一段无源电路欧姆定律,U=Uab=Uac+Ucb=EIR,2.有源支路欧姆定律,U=Uab=Uac+Ucb=E+IR,(a),(b),U=E1-IR1,3.简单闭合电路欧姆定律,U=E2+IR2,左侧：,右侧：,即:,E1-IR1=E2+IR2,分子E中，与电流I的正方向一致的电动势取“+”号，反之取“-”号。,支路：共3条,回路：共3个,节点：a、b(共2个）,1.2.2基尔霍夫定律（克希荷夫定律）,包括电流定律(KCL)和电压定律(KVL)两个定律。,名词概念：,1.基尔霍夫电流定律（KCL）-应用于节点,在任一瞬间，流入某节点的电流之和等于由该节点流出的电流之和。,基尔霍夫电流定律的依据：电流的连续性,例,或：,若流入为正则流出为负,或者说，在任一瞬间，一个节点上电流的代数和为0。,电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。,I1+I2=I3,I=0,I=?,广义节点,对电路中的任一回路，沿任意绕行方向转一周，其电压的代数和为0。或者，电位降等于电位升。,例如：回路#1,即：,对回路#2：,对回路#3：,若电位降为正则电位升为负,2.基尔霍夫电压定律（KVL）-应用于回路,电压定律还可以扩展到开口（不闭合）电路。,(a),-U+EIR=0,(b),-U+E+IR=0,即U=EIR,即U=E+IR,例1：已知I2=2A，I3=2A，R1=10，R2=6，(书上例1-3)Uab=24V，E2=48V，求I1，E1，R3。,解：对节点A：,对回路I：,所以：R3=18,I1=I2+I3=2+2=4A,-E1+I1R1+I2R2+E2=0,所以：E1=100V,对回路：,-Uab-I3R3+I2R2+E2=0,Uab,(1)先设定参考方向；,(2)根据参考方向和电路基本定律，列出电压、电流之间相互关系的代数表达式；,(3)根据计算结果的正负，确定电流的实际方向。,小结：分析电路时必须先设定参考方向,求电流I步骤：,电路中某点电位：,Ua=Uab=,a点电位：,Ub=Uba=,b点电位：,1.3电路中电位的计算,就是该点相对于参考点之间的电压。,例：,+5V,Ub=0V,Ua=0V,（注意：电位记为：“UX”，为单下标）。,-5V,注意:电位值是相对的。两点之间的电位差即为两点之间的电压值是绝对的。,已知I1=4A，I2=2A，I3=2A，R1=10，R2=6，Uab=24V，E2=48V，E1=100V，R3=18。,b点为参考点，求电位Ua，Uc和电压Uac,2)c点为参考点，求电位Ua，Ub和电压Uab,例1：,I1=4AI2=2AI3=2AR1=10R2=6R3=18E1=100VE2=48V,结论：参考点不同，各点电位不同，但任意两点间的电位差（即电压）保持不变。,2）以c点为参考点，Uc=0,Uab=24V,1）以b点为参考点，Ub=0,I1=4AI2=2AI3=2AR1=10R2=6R3=18E1=100VE2=48V,特征:,开关S断开,1.断路状态,1.4电路的几种状态和电气设备额定值,开关S闭合,接通电源与负载,U2=IRL,特征:,2.负载状态,U2,+,-,负载取用功率,电源产生功率,内阻、线路损耗功率,负载大小的概念:负载增加指负载取用的电流和功率都增加。(电压一定时，负载增加意味着负载电阻RL减小。),电气设备的额定值（UN，IN，PN）,额定值:电气设备在正常运行时的规定使用值,电气设备的三种运行状态,欠载(轻载)：U<UN，I<IN，PUN，I>IN，P>PN(设备易损坏),额定工作状态：U=UN，I=IN，P=PN(满载)(经济合理安全可靠),电源外部端子被短接,3.短路状态,I,U1,+,-,为避免短路，电路中要加入熔断器(俗称保险丝)。,R0越小斜率越小,1.电压源,伏安特性,U=USIR0,当R0=0时，U=US电压源就变成了恒压源,由源电压串联一个电阻构成,R0称为电源的内阻,1.5电压源、电流源及其等效变换,输出电压与电流的关系：,理想电压源（恒压源）,特点：(1）输出电压不变,其值恒等于源电压US；（2）输出电流I由外电路决定,当R1、R2同时接入时：I=10A,I=IS(Uab/R0）,当内阻R0=时，I=IS电流源就变成了恒流源,2.电流源,由电激流并联一个电阻构成,输出电流与电压的关系：,R0越大斜率越小,外特性,理想电流源（恒流源),a,b,I,Uab,Is,特点：(1）输出电流不变,其值恒等于源电流IS；（2）输出电压U由外电路决定,外特性,等效互换的条件：当接有同样的负载时，对外的电压电流相等。,I=IUab=Uab,即：,3.电压源与电流源的等效互换,或US=ISR0,R0=R0,IS=US/R0,等效变换关系式:,等效互换公式推导过程,I,R0,+,-,US,b,a,Uab,Uab=USIR0,则,US=ISR0,R0=R0,或IS=US/R0,为等效变换关系式,电压源与电流源的等效互换举例：,5A,10V/2=5A,2,5A2=10V,等效变换的注意事项,例如：当Us=10V，R0=2，RL=3时，内阻R0的功率在两种情况下是不同的。,又如：当RL=时，电压源的内阻R0中不损耗功率，而电流源的内阻R0则损耗功率。,所以求电源的功率时，必须从原始电路求。,注意变换前后Us与Is的对应方向,(2),(3)与恒压源并联的任何元件对外电路不起作用，对外可等效为一个恒压源；与恒流源串联的任何元件对外电路不起作用，对外可等效为一个恒流源。,(4)求恒压源和恒流源的功率时，必须从原始电路求。,对电激流Is：,对源电压Us：,利用电源等效变换可以将复杂电路简单化，以便求解。,任何一个源电流IS和电阻R并联的电路，都可化为一个源电压US和这个电阻R串联的电路。,已知：U1=12V,U3=16V,R1=2,R2=4,R3=4，R4=4,R5=5,IS=3A，用电源等效变换的方法求电流I，并计算恒流源IS功率。,例3：,(接上页),R1,R3,Is,R2,R5,R4,I3,I1,I,(接上页),IS,R5,R4,I,R1/R2/R3,I1+I3,代入数值计算即可,-,+,Is,R1,U1,+,-,R3,R2,R5,R4,I=？,U3,已知：U1=12V，U3=16V，R1=2，R2=4，R3=4，R4=4，R5=5，IS=3A,解得：I=0.2A(负号表示实际方向与假设方向相反),练习：（1）求电流I（2）电位UA（3）功率PIs，并判断是电源还是负载？,（1）I=-0.5A,（2）UA=,（3）PIs=UIsIs,UA=-22+UIs=9,UIs=13v,10V,2I+10=9V,=26w,或-UIs+22+2(-0.5)+10=0,电源还是负载？,电流从高电位流出低电位流入为电源,解：,节点A：I1+I2=I3,回路1：-U1+I1R1+I3R3=0,回路2：-I2R2+U2-I3R3=0,I1=1.75AI2=-0.5AI3=1.25A,1.6线性网络的分析方法,例2,电流方程：,电路如图，用支路电流法求电流I1，I2,注意：回路中含有恒流源时，恒流源两端有电压,电压方程：,支路电流法是最基本的分析方法，适合支路数较少的电路,内容:,2叠加原理,4V单独作用时：,2A单独作用时：,根据叠加原理：,10V单独作用时：,I=I+I"-I"=-0.5A,I,I",I",方向,方向,方向,“恒流源不起作用”时相当于开路,“恒压源不起作用”时相当于短路,1A,1A,2.5A,用叠加原理求电流I1、I2、I3,+,已知：U1=12V，U2=3V，R1=4，R2=4，R3=4,解：,U1单独作用时：,U2单独作用时：,根据叠加原理得：,例1,例2,用叠加原理求：I=?,I=2A,I"=1A,I=I-I"=1A,+,解：,“恒流源不起作用”就是“令Is等于0”，相当于开路。,注意：功率P不能用叠加原理计算。,此叠加原理法适于电源数较少的电路。,若电路中只有两个节点a、b，则可先求出两个节点之间的电压Uab，然后再计算各支路的电流。,3节点电压法,a,b,节点电压公式的推导,各支路电流分别用Uab表示：,节点电流方程：,a点：,a,b,将各支路电流代入节点a电流方程，然后整理得：,节点电压公式,节点电压公式:,b,(1)分母(1/R)为各支路等效电阻的倒数和，但不含与Is串联的电阻；,(2)分子(U/R)中，U与节点电压Uab极性相同时,取“+”；,(3)分子(Is)中，电流流入节点a时,取“+”，否则取“-”；,注意：,此法适于只有两个节点或可等效为两个节点的电路。,a,例1,已知：U1=12V，U2=3V，R1=4，R2=4，R3=4用节点电压法求电流I1、I2、I3,b,解：,用节点电压法求电流I。,练习,10V,Uab=2I+10,a,b,4等效电源定理,戴维南定理,任何一个有源二端网络都可以用一个等效电压源来代替。,2.内阻R0就是无源二端网络a、b之间的等效电阻。（恒压源US短路，恒流源IS开路）,1.源电压US就是有源二端网络的开路电压U0，即将负载断开后a、b两端之间的电压,其中,此法适于求复杂电路中某一支路的电流。,例1：,电路如图，已知U1=4V，U2=2V，R1=R2=2，R3=3，用戴维南定理求电流I3。,a,b,有源二端网络,等效电压源,例1,解：(1)求等效电压源的源电压US(二端网络开路电压U0),US=U0=U2+IR2=2+0.52=3V,或：US=U0=U1IR1=40.52=3V,解：(2)求等效电压源的内阻R0去掉所有电源（恒压源短路，恒流源开路）,从a、b两端看进去，R1和R2并联,电路如图，已知U1=4V，U2=2V，R1=R2=2，R3=3，用戴维南定理求电流I3。,例1,解：(3)画出等效电路求电流I3,电路如图，已知U1=4V，U2=2V，R1=R2=2，R3=3，用戴维南定理求电流I3。,例1,电路如图，用戴维南定理求电流I。,练习,(3)画出等效电路,求电流I,(2)求等效电阻R0,解：(1)求二端网络开路电压U0(源电压US),10V,(2)诺顿定理,任何一个有源二端网络都可以用用一个等效电流源来代替。,1、源电流IS就是有源二端网络的短路电流，即将a、b两端短接后其中的电流。,等效电流源,2、内阻R0就是无源二端网络a、b之间的等效电阻。（恒压源短路，恒流源开路）,例1：,电路如图，已知U1=4V，U2=2V，R1=R2=2，R3=3，用诺顿定理求电流I3。,a,b,有源二端网络,等效电流源,例,解：(1)求等效电流源的源电流,(2)求等效电流源的内阻R0,(3)求电流I3,3A,1,3,电路如图，用诺顿定理求电流I。,练习,(3)画出等效电路,求电流I,(2)求等效电阻R0,解：(1)求二端网络短路电流ISC,10V,功率P10v=?P2A=?,判断电源、负载？,一.基本概念,电流、电压、电位、电动势、电功率，电源与负载的判断，电压源与电流源等效变换，有源二端网络的开路电压、短路电流，无源二端网络的等效电阻等。,二.基本定律,基尔霍夫定律（电流定律KCL、电压定律KVL）,三.基本分析方法,1.电源等效变换法（可以将复杂电路简单化）2.支路电流法（适于支路数较少的电路）3.节点电压法（适于只有两个节点的电路）4.叠加原理（适于电源数较少的电路）5.戴维南定理（适于求复杂电路中某一支路的电流）,第一章小结,电路如图所示，已知,（2）A点电位；（3）恒压源,和恒流源,并判断它们是电源还是负载。,练习1：,的功率，,求：（1）用戴维南定理求,已知,求：（1）用戴维南定理求,解：,练习1：,已知,求：（2）A点电位；,解：,练习1：,已知,求：（3）恒压源,和恒流源,的功率，判断它们是电源还是负载。,解：,练习1：,是电源,是电源,掌握电流、电位、功率的计算方法,图例列举:,