单片机原理及应用第1章 电路基本概念和基本定律

20 10 + 20V
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22
电路与 模拟电 子技术
实际电流源(非理想电流源)
I

Is R0
U
斜率G0
U

0
I
伏安关系
I I S G0U 或 U R0 I S R0 I
G0 越小，R0越大，直线越垂直，越接近理想电流源
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23
电路与 模拟电 子技术
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电路与 模拟电 子技术
举 例 1.5.3
已知US1=6V，US2=4V，R1=4，R2= R3=2，求电流和 电压Uab。
I1
R1
R2
+ U S1 -
a
U S1 6 I1 I 2 A 1A R1 R2 4 2
U ab R2 I 2 U S 2 I 3 R3 [2 (1) 4 0]V 2V
U ac [3 10 (7)]V 44V
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电路与 模拟电 子技术
1.6 电路的工作状态
S + I S 1R 2 R F1L R1 R1 R1 S1 S2 F2 S2 R2
开路 短路
R0 R 0 R0 + R0 US + + - U+ US S US
电位、电位差
电位：单位正电荷在电场中某一点具有的电位能。用 “V ” 表示，与参考点有关（参考点电位为零 ）。单位： 伏
A点电位：VA= VAO B点电位： VB= VBO
O A B
电位差：两点电位之差。UAB=VA-VB （实际上是两点间电压） 参考点不同，电位不同，但电位差相同。
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i
具有存储磁场能量的元件称为电感元件
定义：
L
i


iL
L
电感的伏安关系式
uL

关联方向下：
非关联方向下：
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d iL uL L dt d iL uL L dt
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电路与 模拟电 子技术
电感的储能
p u L iL
t ' t
电感的功率：
d iL 因为 u L L dt
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2
电路与 模拟电 子技术
电 路 模 型
导线：有电阻、磁场；
开关：有接触电阻。
实际电路元件不是理想的：
电池：端电压不恒定；
灯泡：有磁场；
电路元件模型：实际元件理想化 在一定条件下得出； 表征了实际元件的主要特性和 物理现象； 是一种近似关系。如：
L
L
L
R
R
C
一般情况下看成理想电感 低频时 高频时

3V
A

24 V


29
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电路与 模拟电 子技术
举 例
1.5.2
在图示电路中，已知U1=-2V，U2=1V，U3=4V，求电 压U4。
解：绕行方向，列出 KVL方程： -U1+U2+U5=0
+ U2 + U3 -
+ U1 Ⅰ
+ U5 Ⅱ
+ U4
U3+U4-U5=0
消去U5得
-
-
-
U4=U1-U2-U3=(-2-1-4)V=-7V
P2 2 U 2
元件2电流与电压方向非关联 (发出功率)
P2 U 2 I
P 16 U 2 2 8V I 2
2
P 3
+
3 + U3
-
总功率P=P1+P2+P3=（8+16-12）W=12W(消耗功率)
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电路与 模拟电 子技术
1.3 电阻、电感、电容元件


u3
d
回路：


c
u1 u2 u3 u4 0
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28
电路与 模拟电 子技术
注
意：
KVL 是支路电压的线性约束；
推广到“假想回路”的KVL：
例：如图所示电路中， 求A、B间的电压。
B

5V

U AB (3 24 5)V 16V
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I2
I3
+ US2 -
R3
b
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31
电路与 模拟电 子技术
习题 1.5
10Ω R b 3A a
求图中R和Uab Uac 。 解:对d点 ,KCL
I db [3 (7)]A 4A
对R，非关联U=-IR
4 R 1 4
d
2Ω -7A c
- 4V+
Uab (310 4)V 26V
' t
d iL ' 电感的贮能： wL pdt u L iL dt iL L ' dt dt t 1 2 2 L iL diL L [ iL (t ) iL ()] 2 令： iL () 0
所以
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1 2 wL L iL 2
电能：时间T 内吸收的能量。 单位：焦耳（J）。实际生活中采用千瓦时（kW.h）
1kW.h 3.6 106 J
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电路与 模拟电 子技术
举 例
图示各元件功率均为10W(吸收), 则U=____V，I=____A。 -5 -5
2A

I

U
(1)
2V
(2)
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电路与 模拟电 子技术
注
意：
KCL 是支路电流的线性约束；
KCL 是“电荷守恒原理”的反映，在任一节 点上，电荷不会产生或消灭，也不会积累。 推广到“广义节点”的KCL：
ia
i
k 1
n
k
0
i b i2 i3 c i
ib i4
i1
ia
iac
in
b
封 闭 c 面
i5
ie
广义节点
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电路与 模拟电 子技术
电压源电流的大小、方向由外电路决定
I=1A I=3A

10V
5
10

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19
电路与 模拟电 子技术
实际电压源(非理想电压源)
I
U

US
Rs

U
斜率Rs

0
I
伏安关系
U U S RS I
Rs 越小，直线越平，越接近理想电压源
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电路与 模拟电 子技术
电路的习惯画法
R1
A
R2
R1
E1
E1
A
R2
E2
E2
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8
电路与 模拟电 子技术
电功率和电能
i
网
络
在关联参考方向下： p u i 0 消耗功率 p u i 0 发出功率 对整个网络而言，功率总是平衡的，即 u 消耗功率＝发出功率 在非关联参考方向下： p u i 判断某元件是消耗功率还是发出功率，方法 同上。
所以
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1 2 wC C uC 2
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电容元件也称储能元件
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16
电路与 模拟电 子技术
作业:
P18
1.1
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下一节
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17
电路与 模拟电 子技术
1.4 电压源和电流源
电压源
理想电压源
+ u i u US
+ US -
0
i
基本性质： ｕs(t)或Ｕs为定值，与ｉ无关 ｉ（大小和方向）由与之相连接的外电路确定
IS
c
P1 =-IU1 =-2U1
PR =I2R =4R
PU =-IUS =-8W(发出功率)
PR = 8W 16W 4W
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4Ω, =8V, 4V, 1 =0W(不消耗也不发出功率) 当R= 2Ω, UR =4V, U1 = 0V, PP1 =4W(消耗功率) 1Ω, =2V, -2V, =-8W(放出功率)
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20
电路与 模拟电 子技术
电流源
i u IS i
理想电流源
+ u -
基本性质： ｉS(t)或IS 为定值，与ｕ无关 ｕ（大小和方向）由与之相连接的外电路确定
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电路与 模拟电 子技术
电流源电压的大小、方向由外电路决定
3A U=30V U=70V U=90V
U
-
负载状态
-
-
R2
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33
电路与 模拟电 子技术
作业
P19: 1.4, 1.7
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34
电源的功率
方法: 关联参考方向下：Ｐ＝ＵＩ 例1.4.1:IS=2A,US=4V,求R分别为4Ω、2Ω、1Ω时, 电阻和电流源上的电压,并计算各元件的功率。 非关联参考方向：Ｐ＝-ＵＩ
P＞0 解:I=IS=2A UR 对计算的结果： =IR=2R P＜0 U1 = Uac= Uab+ Ubc= UR -US= UR-4 吸收功率 a 放出功率 R I b US + + UR + U1 -
第1章 电路基本概念和基本定律
什么是电路？电路分析研究的对象是什么？ 电路的基本定律及应用。 电路元件及特性。
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1
电路与 模拟电 子技术
1.1
电路和电路模型
最简单的电路必须有： 电源：供给能量 负载：消耗能量 开关：控制能量 导线：传输能量
手电筒电路
电路分类
电能传输和转换：如手电筒电路 信号的传递和处理：如扩音机电路
A
i
i 5A
R
A
i
R
i 5A
A
U
R
A
U R
U 5V
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U 5V
5
电路与 模拟电 子技术
关联参考方向
非关联方向 关联方向

I
i
N1

u
非关联方向
U


N2
关联方向
I + E U _
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I1
R E
_
I2
R
+ + I3 U _
6
电路与 模拟电 子技术
i ＞０ i ＜０

电流方向与参考方向一致； 电流方向与参考方向相反。
注意：分析、计算电路必须先设参考方向，参考方向一经设定就不 可随意改动。在未标出参考方向的情况下，电流的正、负是毫无意 义的。
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4
电路与 模拟电 子技术
电压及其参考方向
u AB dw dq
R A +
u
_
B
如：
24
电路与 模拟电 子技术
1.5
基尔霍夫定律
③ i5

几个电路名词：
1.支路;2.节点;3.回路;4.网孔
5
④
1

KCL：
ik 0
k 1
b
i1
①
2
i2
3
4
i4
6
i6
i3 ②
对节点①
对节点②
i1 i2 i3 0 i4 i3 i6 0
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25
i
R _

电阻元件 伏安关系： 关联参考方向下：
uRi
分类：
线性电阻
或
i Gu u R i
+ u
非关联参考方向下：
u i
非线性电阻 负电阻
电阻吸收的功率：
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u2 p i2R R
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ｐ>0 ： 耗能元件
12
电路与 模拟电 子技术
电感元件

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3
电路与 模拟电 子技术
1.2
电路中的基本物理量
dq i dt
电流及其参考方向
方向：正电荷流向。 为什么要用参考方向？ 在复杂电路中，特别是交流电路中，电流的方向是随时变化的， 电流的真实方向事先是很难确定的。需要假定一个参考方向，作为 计算的标准。 解决的方法：电流只有两个方向，可用正、负号表示。
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10
电路与 模拟电 子技术
举例 1.2.1
已知I=2A,U1=4V,P2=16W,U3=6V,求P1、P3、U2及整个电 路总功率。 元件3电流与电压方向非关联 元件1电流与电压方向关联
P U1I 4 2 8W(吸收功率) 1
I
+
U1
-
1
P1
P U3 I (6 2)W 12W 3
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26
电路与 模拟电 子技术
举例： 求下图中电流
i3 ?
1A
2A
ii55
5A 10A 3A
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5A
6A
I=?
I=？
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电路与 模拟电 子技术
基尔霍夫电压定律来自KVL : uk 0
k 1
n
a

u4
u1

b

u2
注意：先设回路方向，沿回路 方向电压降为正，电压 升为负。
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电感元件也称储能元件
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14
电路与 模拟电 子技术
电容元件
电容器储存电荷的能力称为电容 ｑ ＝ Cｕ C ＝ q/u 6 12 μ 电容单位：Ｆ(法拉) １Ｆ＝10 μ F 10 μ F(pF) ＝ 电容的伏安关系式

iC
C
duC iC C dt
uC

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15
电路与 模拟电 子技术
电容的储能
p uC iC
t ' t
电容的功率：
duC 因为 iC C dt
' t
duC ' 电容的储能： wC pdt uC iC dt uC C ' dt dt t 1 2 2 CuC duC C[uC (t ) uC ()] 2 令： uC () 0