本课程是一门实践性较强的专业基础课。
学习目的:掌握电路基础知识和模拟电子的基本理论及分析方法,为后续课打基础,为工程实践培养操作技能。
共 11章,1-5章 电路基础知识,6-10章 模拟电子技术,11章 技能训练及应用实践三个部分 。 章末有小结和习题便于自学 。
,电路与模拟电子技术,
绪论电路是学习电子技术的基础。
本章主要介绍:
三个物理量 ( 电流,电压,功率 )
三种状态 ( 开路,负载和短路 )
三个定律 ( 欧姆定律,电流定律和电压定律 )
一个概念 ( 电位 )
上篇 电路基础知识第 1章 电路的基本概念和基本定律电路是电流流通的路径
1.1.1 电路的作用电路的作用是进行电能的传输和转换,或是实现信号的传递和处理 。
1.1.2 电路的组成电路是由某些电气设备和元器件按一定方式连接组成 。
电路可分成电源,负载和中间环节三个部分电源是提供电能的设备,是电路工作的能源,电源的作用是将非电能转换成电能 。
负载是用电设备,是电路中的主要耗电器件 。 负载的作用是将电能转换成非电能 。
中间环节是指电源与负载之间的部分 。
1.1 电路
1.1.3 电路模型忽略电路元器件的次要因素,将其理想化,并用规定的电气图形符号表示所组成的电路,称为电路电荷的定向运动形成电流 。 电流的方向不变为直流 I。
方向和大小都变化为交流 i。
1A= 103 mA= 106μA,1 kA= 103A
规定:正电荷运动的方向为电流的实际方向。
假设的电流流向称为电流的参考方向。
1.2 电流、电压、功率
1.2.1 电流电场力将单位正电荷从电场中的 a 点移到 b点所做的功,
称其为 a,b两点间的电压 。 直流电压 Uab,交流电压 uab。
1V= 103mV= 106μV,1kV= 103V
习惯上把电位降低的方向作为电压的实际方向 。
电压实际方向和电压参考方向
1.2.2 电压
1.电压电压等于电路中两点间的电位差 Uab= Ua- Ub
电位是电路中某点到参考点之间的电压参考点是任意选择的一点,⊥,( 零电位点,,接地,
点 ),
选 b点为参考点 Ub= 0,Uab= Ua- Ub= Ua。
2.电压与电位
E是电源力将单位正电荷从低电位点 b移动到高电位点 a所做的功
E的方向是从低电位 ( 电源负极 ) 指向高电位 ( 电源正极 )
3.电动势 E
电场力在单位时间内所做的功,单位 瓦 W。
关联参考方向:元件上电流和电压的参考方向一致 。
P= U I ( 1.1)
非关联参考方向:电流和电压的参考方向不一致 。
P=- U I ( 1.2)
P> 0 吸收功率(消耗功率)为负载;
P< 0 发出功率(产生功率)为电源。
1.2.3 功率有一个收录机供电电路,用万用表测出收录机的供电电流为 80mA,供电电源为 3V,忽略电源的内阻
,收录机和电源的功率各是多少? 根据计算结果说明是发出功率还是吸收功率?
解,收录机 流与压是关联参考方向
P= U I= 3V× 80mA= 240mW= 0.24W
结果为正,说明收录机是吸收功率 。
电池 流与压是非关联参考方向
P=- U I= - 3V× 80mA=- 0.24W
结果为负,说明电池是发出功率 。
【 例 1.1】
如果例 1.1题中的电池已经降为 2V,现将收录机换为充电器,充电电流为- 150mA,问此时电池的功率为多少,是吸收功率还是发出功率? 充电器的功率为多少,
是吸收功率还是发出功率?
解,电池为非关联
P=- U I=- 2V× ( - 150mA) = 0.3W
结果为正吸收功率,电池是充电器的负载 。
充电器为关联
P= U I= 2V× ( - 150mA) =- 0.3W
结果为负发出功率,充电器是电路中的电源 。
规定,1千瓦的用电设备使用 1小时消耗的电量为 1度电 。
1kW× 1h= 1度电 (1.3)
【 例 1.2】
有一个电饭锅,额定功率为 750W,每天使用
2小时;一台 25吋电视机,功率为 150W,每天使用 4小时;
一台电冰箱,输入功率为 120W,电冰箱的压缩机每天工作
8小时 。 计算每月 ( 30天 ) 耗电多少度?
解:
( 0.75kW× 2 h+ 0.15kW× 4h + 0.12kW× 8h) × 30天
= ( 1.5度+ 0.6度 + 0.96度 ) × 30
= 91.8度答,每月耗电 91.8度
【 例 1.3】
流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比,与电阻本身成反比 。
I = (1.4)
式中 R为电阻,单位为欧姆 Ω,常用的单位还有 kΩ和 MΩ( 兆欧 ),1MΩ= 106Ω。
电阻一定时,电压愈高电流愈大;
电压一定,电阻愈大电流就愈小 。
根据欧姆定律可以推导出功率与电阻的关系式为:
P= U I= I 2 R= ( 1.5)
R
U
R
U2
1.3 欧姆定律在电路分析时,如果电流与电压的参考方向不一致,既为非关联参考方向时,如图 1.12 (b),(c)所示,欧姆定律的表达式为:
I=- 或 U=- I R ( 1.6)
R
U
已知图 1.12中的电阻为 6Ω,电流为 2A,求电阻两端的电压 U。
解,图 1.12( a) 关联 U= I R= 2A× 6Ω= 12V
图 1.12( b) 非关联 U=- I R=- 2A× 6Ω=- 12V
图 1.12( c) 非关联 U=- I R=- 2A× 6Ω=- 12V
计算结果图 1.12( a) 电压是正值,说明图 1.12( a) 中的电压实际方向与所标的参考方向一致;图 1.12( b),( c) 电压为负值,
说明图 1.12( b),( c) 中的电压实际方向与所标的参考方向相反 。
【 例 1.4】
一个 100W的灯泡,额定电压为 220V,
求灯泡的电流和电阻?
解,I= = = 0.45A
R= = = 489Ω
U
P
220
100
I
U
45.0
220
【 例 1.5】
电路如图 1.13 所示,E1= 40V,E2= 5V,R1= R2= 10Ω,R3= 5Ω,I1
= 3A,I2=- 0.5A,I3= 2A。 取 d点为参考点,求各点的电位及电压 Uab 和 Ubc。
解,各点的电位 d点为参考点,Ud= 0V
Ub= Ubd= I3R3= 2A× 5Ω= 10V
Ua= Uab+ Ubd= I1R1+ Ubd= 3A× 10Ω+ 10V= 40V
或 Ua= Uad= E1= 40V
Uc= Ucb+ Ubd= I2R2+ Ubd=- 0.5A× 10Ω+ 10V= 5V
或 Uc= Ucd= E2= 5V
电压 Uab = Ua - Ub = 40V- 10V = 30V
Ubc = Ub - Uc = 10V- 5V = 5V
【 例 1.6】
如果选取图 1.13中 b点为参考点,如图 1.14所示,再求各点的电位及电压 Uab 和 Ubc。
则可得出:
电位 Ub= 0V
Ud= Udb=- I3R3=- 10V
Ua= Uab= I1R1= 3A× 10Ω= 30V
Uc= Ucb= I2R2=- 0.5A× 10Ω=- 5V
电压 Uab = Ua - Ub = 30V- 0V = 30V
Ubc = Ub - Uc = 0V- ( - 5V) =5V
利用电位的概念可将图 1.13所示的电路简化为图
1.15所示的形式,不画电源,只标出电位值 。 这是电子电路惯用的画法 。
开路、负载和短路
1.4.1开路状态电源与负载断开,称为开路状态,又称空载状态 。
开路状态电流为零,负载不工作 U= IR= 0,而开路处的端电压 U0= E 。
1.4 电路的三种状态电源与负载接通,构成回路,称为有载状态 。
I = ( 1.7)
U= IR= E- IR0 (1.8)
有载状态时的功率平衡关系为:
电源电动势输出的功率 PE= E I
电源内阻损耗的功率 PR 0= I 2R0
负载吸收的功率 P= I 2R= PE- PR 0
功率平衡关系 PE= P+ PR0 ( 1.9)
用电设备都有限定的工作条件和能力,称为额定值 。 使用值等于额定值为额定状态;实际电流或功率大于额定值为过载;小于额定值为欠载 。
RR
E
0
1.4.2有载状态电源两端没有经过负载而直接连在一起时,称为短路状态 。
短路是电路最严重,最危险的事故,是禁止的状态 。
短路电流 IS= E / R0很大,如果没有短路保护,会发生火灾 。
产生短路的原因主要是接线不当,线路绝缘老化损坏等 。 应在电路中接入过载和短路保护 。
1.4.3短路状态基尔霍夫定律分为电流定律和电压定律 。
三个术语:
支路:电路中流过同一电流的分支,称为支路 。
图 1.19 中 共有三条支路 。
结点:三条或三条以上支路的连接点,称为结点 。
图 1.19中共有两个结点 。
回路:电路中任一闭合的路径,称为回路 。
图 1.19中共有三个回路 。
1.5 基尔霍夫定律在任一瞬间流入任一结点的电流之和等于流出该结点的电流之和 。
对结点 a可以写出:
I1+ I2= I3 ( 1.10)
改写成:
I1+ I2- I3= 0
即,ΣI= 0 ( 1.11)
这说明在任一瞬间,一个结点上电流的代数和等于零 。
KCL解题,首先应标出各支路电流的参考方向,列 ΣI= 0表达式时,流入结点的电流取正号,流出结点的电流取负号 。
1.5.1基尔霍夫电流定律 (KCL)
KCL 也可以推广应用于电路中任何一个假定的闭合面 。 对 虚 线 所 包 围 的 闭 合 面 可 视为一个结点,而 面 外 三 条 支 路 的 电 流 关 系 可应用 KCL得,IB+ IC= IE,或 IB+ IC- IE= 0
已知图 1.20中的 IC= 1.5mA,IE= 1.54 mA,
求 IB=?
解,根据 KCL可得
IB+ IC= IE
IB= IE- IC
= 1.54 mA- 1.5 mA
= 0.04 mA
= 40μA
【 例 1.7】
1.5.2基尔霍夫电压定律 (KVL)
在任一瞬间沿任一回路绕行一周,回路中各个元件上电压的代数和等于零 。 可用公式表示为
ΣU= 0 ( 1.12)
KVL解题,先标出回路中各个支路的电流方向,各个元件的电压方向和回路的绕行方向 ( 顺时针方向或逆时针方向均可 ),然后列 ΣU= 0 表达式 。
在列 ΣU= 0 表达式时,电压方向与绕行方向一致取正号,相反取负号 。
列出图 1.21所示电路中回路 Ⅰ 和回路 Ⅱ 的
KVL表达式 。
解,标出各支路的电流方向,各元件的电压方向和回路的绕行方向,如图 1.12中所示 。 列回路 ΣU= 0
表达式回路 Ⅰ,- UE1+ UR1+ UR3= 0
- E1+ I1R1+ I3R3= 0
回路 Ⅱ,- UE2+ UR2+ UR3= 0
- E2+ I2R2+ I3R3= 0
【 例 1.8】
1.三个物理量电流、电压的参考方向是任意假定的;
数值是正,实际方向与参考方向一致;
数值是负,实际方向与参考方向相反。
功率 P= UI,
如果电流和电压为非关联参考方向时
P=- UI。
功率是正值,吸收功率,为负载;
功率是负值,发出功率,为电源。
本章小结开路状态:负载与电源不接通,电流等零,负载不工作有载状态:负载与电源接通,有电流,电压,吸收功率 。
短路状态:故障状态,应该禁止 。
2.三种状态欧姆定律 I = U/R
应用时要考虑关联问题 。
KCL定律 ΣI= 0
应用时要先标出电流方向 。
KVL定律 ΣU= 0
应用时要先标出电流,电压及绕行方向 。
3.三个定律