电工电子第一章

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2 理想元件和电路模型
电工电子技术
将实际电路中的元件用理想元件来表示，构成的电 路图——电路模型
①常用的理想元件
R
R
L
电阻 电感
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+
+
C _E
Is
电容
恒压源 恒流源
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② 电路元件分类 线性元件 非线性元件
时变元件 非时变元件
有源元件 无源性元件
③ 电路模型 电路模型是实际电路的科学抽象
问题与讨论
a
I
Is
b
Uab R
否 因为R = ∞时
Uab Is
恒流源两端 可否开路？
恒流源特性中不变的是：_______I_s_____
恒流源特性中变化的是：______U_a_b_____ ___外__电__路__的__改__变____ 会引起 Uab 的变化。
Uab的变化可能是 ____大__小_ 的变化，
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1.1 电路元件
1.1.1 电路及电路模型
电路——电流流通的路径。
1.电路的组成和作用
电路是由若干电路元件或设备组成的，能够传输能 量、转换能量；能够采集电信号、传递和处理电信号 的有机整体。
①电路的组成：
电源 信号源
中间环节
负载
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•电源：非电能 电能
2 R1
R2
2
当R1 R2 同时接入时：I=10A
b
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问题与讨论
Ia
+
US _
R
b
否 因为R = 0 时
I US
Uab
0
恒压源两端
可否短路？
恒压源特性中不变的是：__ __U_S________
恒压源特性中变化的是：_____I________
___外__电__路__的__改__变____ 会引起 I 的变化。
I
a ①电流： I E
Ro +
E_
R R
O
L
+ RL_
Uab ②电压： Uab E IRo
b RO ↓→I RO ↓→ Uab ↑
③功率：PRL PE PRO EI I 2Ro UabI
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④电气设备的额定值
额定值: 电气设备在正常运行时的规定使用值 额定电压UN、额定电流IN 和额定功率PN
⑴ 额定值反映电气设备的使用安全性；
⑵ 额定值表示电气设备的使用能力。 例：灯泡：UN = 220V ，PN = 60W
电阻： RN = 100 ，PN =1 W
电气设备的三种运行状态:
额定工作状态： I = IN ，P = PN (经济合理安全可靠)
过载(超载)： I > IN ，P > PN (设备易损坏)
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（3）恒流源的电流 IS为 零时，恒流源视为开路。
IS=0
（4）与恒流源串联的元件对外电路而言为可视为短路。
E
+ _
R2
Is
a
R1 b
Is
a R1
b
例 设: IS=1 A
I
则: R=1 时， U =1 V Is R=10 时， U =10 V
UR
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I1=2A，U2=10V，I2=-1A， U3= -10V，I3 = -3A，试求
I1 1 U1
3 U3
元件的功率，并说明性质。
I3
I2
4 U2 2
解： 元件1功率 P1 U1I1 20 2 40W 元件2功率 P2 U2I2 10(1) 10W
元件3功率 P3 U3I1 (10) 2 20W
+
+ US1 UR US2
—
—
解： I US1 US2 15 5 2A
R
5
PS1 US1I 15 2 30W
PS2 US2 I 5 2 10W
PR I 2R 22 5 20W
根据能量守恒定律 电路中的功率平衡
∑P = 0
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例 已知：U1 = 20V，
关联时： 非关联时：
I
+U — I
+U —
(3)功率的正负：
P= U I P = -U I
若 P 0 吸收（取用）功率，元件为负载
若 P 0 发出（产生）功率，元件为电源
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例 已知：US1 = 15V，US2 = 5V，
+ R —I
R = 5Ω，试求电流I 和各 元件的功率。
解：(1) 假定电路各电量的参考方向如图所示；
(2) 列电路方程： U UR E UR U E
IR
UR R
U
E R
(3) 数值计算
U 3V
IR
3 1
2
1A
（实际方向与假设方向一致）
1 2 U 1V I R 1 1A
（实际方向与假设方向相反）
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1.1.3 电阻元件
电动势 E V, kV,mV,μV 电源力作用,电位升高的方向
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2. 参考方向（假设方向、正方向） 分析计算电路时，人为任意设定的电量方向
电流方向 a b？
电流方向 b a？
例a
I = 5A ba
R
I′ = －5A
b R
注意：引入参考方向后，物理量为代数量
若计算结果为正(I > 0)，则实际方向与参考方向一致；
（3）应用欧姆定律列写式子时，式中有__两___套正负号。
列写公式时，根据U、I 的 参__考__方__向__ 得_公__式__中__的__正__负__号__
U、I 的值本身有正__值__和_负__值__之分
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例
a
R =1Ω IR
b
+
+ UR —
U
+
E=
—
2V
—
试求：当U 分别为 3V 和 1V 时的电流IR
aI_=-3A R
b
U= －6V +
R U 6 2 I 3
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问题与讨论
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（1）分析计算电路时，首先要画出 电路图 ，标出电 压、电流的 参考方向 。
（2）参考方向是_人__为__任__意_设定的。未标参考方向的前 提下，讨论电压、电流的正、负值是_没__有__意__义__的_ 。
电阻为耗能元件如电阻器、白炽灯、电炉等。 实物 1.电压与电流的基本关系
i uR
u iR
i u R
R u i
伏 安 特性
R 的单位为欧［姆］（Ω）
（R 常用单位：、k、M ）
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1.1.3 电阻元件
电阻为耗能元件如电阻器、白炽灯、电炉等。
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2. 电阻的伏安特性
i
ou
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i u
o
线性电阻的伏安特性
R u 常数 i
非线性电阻的伏安特性
R u 常数 i
注意: 欧姆定律仅适用于线性电阻电路。
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3.电阻元件的功率和能量 在关联参考方向下，电阻元件的功率为
p ui i 2 R u2 单位为瓦特（W） R
从t1到t2的时间内，电阻元件吸收的能量为
（2）电源中的电流 I 由外电路决定。
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（3）恒压源中的电压 US为 零时，恒压源视为短路。
+
_ US=0
（4）与恒压源并联的元件对外电路而言为可视为开路。
a
a
E+ _
R1
R2 Is
+ R2 _E
b
b
例 设: E=10V
Ia
则：
当R1接入时 ： E
I=5A
+ _
Uab
a
IR
+U _
b
非关联参考方向
U与 I 的方向相反
U = -I R
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例 应用欧姆定律求电阻R
a I=3A R
+ U=6V
_b
a I=-3A R
+ U=6V
_b
R U 6 2 I3
R U 6 2 I 3
a
I=3A R
_
U=
－6V
b
+
R U 6 2 I3
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w t2 Ri 2dt 单位为焦耳（J） t1
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1.1.4 独立电源元件
1. 理想电压源和理想电流源
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①理想电压源（恒压源）: RO= 0 时的电压源.
a
I
+
US _
U RL
U 外特性U = f (I) US
b
o
I
特点：(1）输出电 压 U 不变，即 Uab US ；
i
RO SБайду номын сангаас
+
_ US
RL
R
u L
手电筒电路模型
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日光灯电路的模型
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1.1.2 电流、电压的参考方向
1. 实际方向
+I- +U-E+
I
+
+
E
_ Us
R
U _
物理量 单 位
实际方向
电流 I A, kA,mA,μA 正电荷定向移动的方向
电压 U V, kV,mV,μV 电场力作用,电位降落的方向
本章要求:
1. 理解电压与电流参考方向的意义；
2. 理解电路的基本定律并能正确应用；
3. 了解电路的通路、开路与短路状态，
理解电功率和额定值的意义；
4. 会计算电路中各点的电位。 5. 了解实际电源的两种模型及其等效变换。 6. 掌握支路电流法、叠加原理和戴维宁定理等
电路的基本分析方法。
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开关
电池
灯泡 •负载：电能 非电能
手电筒电路
电源
·中间环节：连接电源和负载
负载
②电路的作用：
•电能的输送和转换（如电力工程） •信号的传递与处理（如信息工程）
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发电机
升压 变压
器
输电线
降压 变压
器
电力系统电路示意图
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电灯 电动机
电炉
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或者是 __方__向___的变化。
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例a
Is
RI
Uab=?
_
Us
+
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恒压源中的电流 如何决定？恒流 源两端的电压等 于多少？
b
解： ∵串联电流相同。
∴电压源中的电流 I= IS
恒流源两端的电压取决外电路
Uab IR US
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例
Is
aI
Uab=?
若计算结果为负(I′<0)，则实际方向与参考方向相反。
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①参考方向的表示方法
I 箭标
R
双下标 a
Uab
b
参考极性 a
+
US_ b
②参考方向的作用
.便于列写电路方程 .便于确定实际方向
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③关联参考方向
aI R
+U _
b
关联参考方向
U与 I 的方向一致
U=IR
答:不存在40A.电源的输出功 率和输出电流取决于负载.
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2.开路：
Ro
+
E
+ Uo __
a I
RL
b
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特点：输出电流I = 0
输出功率P = 0
开路电压： Uo= E
a
有源
a
二端
RO=0时，U= US
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②电流源模型及外特性
Ia
U
IS RO
IS
RO RL U
RO越大 特性越陡
b
I
IS
Uab Ro
O
IS
外特性
RO=∞时，I= IS
恒流 I
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3.电源(电路)的三种状态
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通路、开路、短路
(1).通路：电路中有电流和功率的转换
欠载(轻载)： I < IN ，P < PN (不经济)
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电工电子技术 问题与讨论
（1）一个100Ω、1W的电阻器，在使用时允许 流过的电流和允许加的电压不得超过多少？
答: I 0.1A；U 10V。
（2）额定电流为100A的发电机，只接60A 的照明负载，还有电流40A流到哪里去了？
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模 块 1 —— 电路基础
第1章 电路分析基础 第2章 暂态电路分析 第3章 交流电路
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第1章 电路分析基础
1.1 电路元件 1.2 基尔霍夫定律 1.3 叠加定理 1.4 等效电源定理 1.5 含受控源电路的分析
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第1章 电路分析基础
I 的变化可能是 _大__小____ 的变化，
或者是__方__向___ 的变化。
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②理想电流源（恒流源): RO= 时的电流源.
Ia
Uab
外
Is
U RL
特
I性
b
o
IS
特点：（1）输出电流 I 不变，即 I IS （2）输出电压U由外电路决定。
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IR
+
R Us _
电工电子技术
恒压源中的电流 如何决定？恒流 源两端的电压等 于多少？
b
解： ∵并联电压相同。
∴恒流源两端的电压 Uab US
电压源中的电流取决外电路
I
IS
US R
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③ 电功率的正负
(1)概念： 负载消耗（吸收）的功率；
(2)公式： 电源产生（提供）的功率。
元件4功率 P4 U2I3 10(3) 30W
元件1、2发出功率是电源，元件3、4 吸收功率是负载。上述计算满足ΣP = 0 。
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2. 实际电压源的两种电路模型 ①电压源模型及外特性 U
Ro越小 斜率越小
恒压
I
RO
+
RL U
US
- US
O
US
RO I
外特性
U US IRo
信号源
话筒
（电源）
扬声器
放 大 器
负载
中间环节
扩音机电路示意图
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③电路系统的概念 系统是由若干互相关联的单元或设备组成 ，并具有一定功能的有机整体。
e(t)
激励
r f (e)
r(t)
响应
系统中电源（或信号源）的作用称为激励。
由激励引起的结果（如某个元件的电流、电 压）称为响应。