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電工電子學(全).ppt

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第一章 電路和電路元件 上海大學 自動化系林小玲§1.1.1 電路與電路模型 §1.1.2 電壓、電流及其參考方向 §1.1.3 電路的功率和能量§1.2 無源電路元件 §1.3 獨立電源元件 §1.4 電路的工作狀態和電器設備的額定值 第一章 電路和電路元件 §1.1 電路和電路基本物理量 §1.2.1 電阻元件 §1.2.2 電容元件 §1.2.3 電感元件 學習電工電子技術中的——電路基本組成及常用的電路元件,是學習以下各章節的基礎。介紹電阻元件,電感元件,電容元件,獨立電源元件,半導體二極管和三極管等器件的工作原理、特性曲線和參數。第一章 電路和電路元器件 本章內容摘要第一章 電路和電路元器件 §1.1.1 電路與電路模型一、實際電路 系統 = △ 一定的目的一定的組合方式 系統的概念是廣義的,如天氣系統、食物鏈系統、機械系統,化工系統等。 部件{ }1. 系統§1.1 電路和電路基本物理量電路 元件= △目的 組合方式 、器件、設備 電路是為了某種需要由某些電器設備或器件或元件按一定方式組合起來的——電流通路。 元件:最小單位。 按聯結電路的目的和電路的作用分: 力能電路 信號電路 2 電路3 分類元件構成器件、器件構成設備、設備組成系統。 1) 力能電路 電燈 電爐 ... 電動機發 電機 升壓 變壓器 降壓 變壓器 光能 機械能 熱能 ...輸電線 中間環節 電源 負載 非電能 電能 起傳輸和分配電能的作用 供電設備 吸收電能 非電能 電能 電能傳輸效率高。 實現能量的傳輸和轉換。 (強電)照明電路動力電路 電壓高、電流和功率大 (106Kw、105Kw)。380V、220V;50Hz音頻信號:2) 信號電路 放大器 中間環節源負載非電信號 電信號 電信號轉換、放大,傳遞給揚聲器非電信號 電信號 保證信號傳遞質量。 … 功率低 (10-3w)(弱電) 傳遞和處理信號。處理:放大、變換 、濾波16Hz~20kHz 正弦、方波、三角波 信號二、電路模型 元器件工作物理過程 表示耗能電能非電能 電能 電場能 電能 磁場能 非電能 電能 RC無源元件L? 實際電氣設備電路模型如何對應表示建立電場表示建立磁場有源元件對應! 不對應! 電氣設備(多種物理現象)基本模型的組合基本模型 實際電路模型化理論分析+測量 由實際電路元件組成的電路稱為電路實體。 可將電路實體中各個實際的電路元件都用表征其物理性質的理想電路元件代替。用理想電路元件組合成的電路稱為電路實體的電路模型。1.幾種基本的電路元件:電阻元件:表示消耗電能的元件電感元件:表示產生磁場,儲存磁場能量的元件電容元件:表示產生電場,儲存電場能量的元件電源元件:表示各種將其它形式的能量轉變成電能的元件注 具有相同的主要電磁性能的實際電路部件, 在一定條件下可用同一模型表示; 同一實際電路部件在不同的應用條件下,其 模型可以有不同的形式實物下頁電阻器電容器線圈電池運算放大器晶體管 反映實際電路部件的主要電磁 性質的理想電路元件及其組合。導線電池開關燈泡2. 電路模型 (circuit model)電路圖理想電路元件有某種確定的電磁性能的理想元件電路模型圖1-1 手電筒電路常用電路圖來表示電路模型(a) 實際電路 (b) 電原理圖 (c) 電路模型 (d) 拓撲結構圖圖1-2 晶體管放大電路(a)實際電路 (b)電原理圖 (c)電路模型 (d)拓撲結構圖 電路模型近似地描述實際電路的電氣特性。根據實際電路的不同工作條件以及對模型精確度的不同要求,應當用不同的電路模型模擬同一實際電路?,F在以線圈為例加以說明。 圖1-3 線圈的幾種電路模型 (a)線圈的圖形符號 (b)線圈通過低頻交流的模型 (c)線圈通過高頻交流的模型 電路模型是對實際電路電磁性能的科學抽象和概括,具有一般性。 電路模型特點: 1) 只見參數,不見設備 2) 聯結關系不變,但不表示聯結形式不變。 源力能: 電源 信號: 信號源激勵 輸入 傳輸負載(負荷)響應 發生在負載上的響應 輸出 三、電路問題1 激勵、響應 激勵--電源或信號源的電壓(電流),它推動電路工作。也稱輸入 響應--由激勵在電路各個部分產生的電壓和電流。也稱輸出 系 統 輸出 Y 輸入 X (響應之一)2 電路問題1) 系統分析 根據系統內部結構和參數,建立Y =f (X)關系。2) 系統綜合根據激勵X與響應Y的關系,構造系統的結構。通常所講的設計。3) 系統辨識系統存在,但內部結構及系統功能未知,建立系統響應Y與激勵X的關系。通常所講的建模。研究電路的u,i 關系功能關系4) 系統故障系 統 輸出 Y 輸入 X 電路變量 時變量非時變量(小寫字母)(大寫字母)u、i、p U、I、P ? 已知:激勵、結構、參數 3 電路分析的基本方法 2) 根據不同元件電壓和電流關系--平衡約束(由KCL、KVL) 1) 根據各元件電壓和電流關系--元件約束(由元件本身特點決定) U1=R1I U2=R2I U3=R3II US =U1 + U2 + U3 Ul + _ U2 + _ U3 + _ + _ R3 US R2 Rl 然后 元件約束平衡約束--數學模型 最后 求解 首先確定 求解:電壓、電流、功率 §1.1.2 電流和電壓的參考方向 (reference direction) 電路中的主要物理量有電壓、電流、電荷、磁鏈、能量、電功率等。在線性電路分析中人們主要關心的物理量是電流、電壓和功率。1. 電流的參考方向 (current reference direction)電流電流強度帶電粒子有規則的定向運動單位時間內通過導體橫截面的電荷量 方向規定正電荷的運動方向為電流的實際方向 單位1kA=103A1mA=10-3A1 ? A=10-6AA(安培)、kA、mA、?A元件(導線)中電流流動的實際方向只有兩種可能: ?實際方向實際方向?AABB問題復雜電路或電路中的電流隨時間變化時,電流的實際方向往往很難事先判斷參考方向i 參考方向大小方向電流(代數量)任意假定一個正電荷運動的方向即為電流的參考方向。ABi 參考方向i 參考方向i > 0i < 0實際方向實際方向電流的參考方向與實際方向的關系:AABB電流參考方向的兩種表示:? 用箭頭表示:箭頭的指向為電流的參考方向。? 用雙下標表示:如 iAB , 電流的參考方向由A指向B。電壓U 單位:V (伏)、kV、mV、?V2. 電壓的參考方向 (voltage reference direction)單位正電荷q 從電路中一點移至另一點時電場力做功(W)的大。省略部分。)電感的儲能只與當時的電流值有關,電感 電流不能躍變,反映了儲能不能躍變;(2)電感儲存的能量一定大于或等于零。從t0到 t 電感儲能的變化量: 電感的儲能表明電容元件與電感元件的比較:電容 C電感 L變量電流 i磁鏈 ?關系式電壓 u 電荷 q (1) 元件方程的形式是相似的;(2) 若把 u-i,q-? ,C-L, i-u互換,可由電容元件的方程得到電感元件的方程;(3) C 和 L稱為對偶元件, ? 、q等稱為對偶元素。* 顯然,R、G也是一對對偶元素:I=U/R ? U=I/GU=RI ? I=GU結論4. 電感器的實物圖§1.3 獨立電源元件 其兩端電壓總能保持定值或一定的時間函數,其值與流過它的電流 i 無關的元件叫理想電壓源。 電路符號1. 理想電壓源 定義i+_ 電源兩端電壓由電源本身決定, 與外電路無關;與流經它的電流方 向、大小無關。 通過電壓源的電流由電源及外 電路共同決定。 理想電壓源的電壓、電流關系ui伏安關系例Ri-+外電路電壓源不能短路!電壓源的功率電場力做功 , 電源吸收功率。(1) 電壓、電流的參考方向非關聯;               物理意義:+_iu+_+_iu+_電流(正電荷 )由低電位向 高電位移動,外力克服電場力作功電源發出功率?!                “l出功率,起電源作用(2) 電壓、電流的參考方向關聯;               物理意義:吸收功率,充當負載或:發出負功例+_i+_+_10V5V計算圖示電路各元件的功率。解發出發出吸收滿足:P(發)=P(吸) 實際電壓源也不允許短路。因其內阻小,若短路,電流很大,可能燒毀電源。usuiO 實際電壓源i+_u+_考慮內阻伏安特性一個好的電壓源要求 其輸出電流總能保持定值或一定的時間函數,其值與它的兩端電壓u 無關的元件叫理想電流源。 電路符號2. 理想電流源 定義u+_(1) 電流源的輸出電流由電源本身決定,與外電路無關;與它兩端電壓方向、大小無關 電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定 理想電流源的電壓、電流關系ui伏安關系例外電路電流源不能開路!Ru-+實際電流源的產生可由穩流電子設備產生,如晶體管的集電極電流與負載無關;光電池在一定光線照射下光電池被激發產生一定值的電流等。電流源的功率(1) 電壓、電流的參考方向非關聯;               發出功率,起電源作用(2) 電壓、電流的參考方向關聯;               吸收功率,充當負載或:發出負功u+_u+_例計算圖示電路各元件的功率。解發出發出滿足:P(發)=P(吸)i+_u+_2A5V 實際電流源也不允許開路。因其內阻大,若開路,電壓很高,可能燒毀電源。isuiO 實際電流源考慮內阻伏安特性一個好的電流源要求u+_i三、實際電源1.實驗 2.伏安特性US ? ? ? ? IR實 際 電 源U+ _ I(A) U(V) 0 ? ? ? ? U = US - RSI IS U = U1 + U2_ + USRS 電壓源模型RS I = I1 + I2U+ _ I開路電壓短路電流電流源模型 電壓源模型 電流源模型理想電壓源與電阻的串聯理想電流源與電阻的并聯(開路電壓)(短路電流)I U+ _ + _ IS 四 電壓源和電流源的串聯和并聯 1. 理想電壓源的串聯和并聯相同的電壓源才能并聯,電源中的電流不確定。o串聯等效電路+_uSo+_uS2+_+_uS1oo+_uS注意參考方向等效電路并聯uS1+_+_IoouS2+_uS+_iuRuS2+_+_uS1+_iuR1R2 電壓源與支路的串、并聯等效uS+_I任意元件u+_RuS+_Iu+_對外等效!2. 理想電流源的串聯并聯相同的理想電流源才能串聯, 每個電流源的端電壓不能確定 串聯 并聯iSooiS1iS2iSnooiS等效電路注意參考方向iiS2iS1等效電路 電流源與支路的串、并聯等效iS1iS2ooiR2R1+_u等效電路RiSooiSoo任意元件u_+等效電路iSooR對外等效!五、電壓源和電流源的等效變換 實際電壓源、實際電流源兩種模型可以進行等效變換,所謂的等效是指端口的電壓、電流在轉換過程中保持不變。u=uS – Ri ii =iS – Giui = uS/Ri – u/Ri比較可得等效的條件: iS=uS /Ri Gi=1/RiiGi+u_iSi+_uSRi+u_實際電壓源實際電流源端口特性由電壓源變換為電流源:轉換轉換由電流源變換為電壓源:i+_uSRi+u_iGi+u_iSiGi+u_iSi+_uSRi+u_(2) 等效是對外部電路等效,對內部電路是不等效的。注意開路的電流源可以有電流流過并聯電導Gi 。電流源短路時, 并聯電導Gi中無電流。? 電壓源短路時,電阻中Ri有電流; ? 開路的電壓源中無電流流過 Ri;iS(3) 理想電壓源與理想電流源不能相互轉換。方向:電流源電流方向與電壓源電壓方向相反。(1) 變換關系數值關系: iS ii+_uSRi+u_iGi+u_iS表現在電源等效變換動畫利用電源轉換簡化電路計算。例1.I=0.5A6A+_U5?5?10V10V+_U5∥5?2A6AU=20V例2.5A3?4?7?2AI=?+_15v_+8v7?7?IU=?例3.把電路轉換成一個電壓源和一個電阻的串連。10V10?10V6A++__70V10?+_6V10?2A6A+_66V10?+_例4.40V10?4?10?2AI=?2A6?30V_++_40V4?10?2AI=?6?30V_++_60V10?10?I=?30V_++_理想電流源的轉移iSiSiSiSiSiS (1) 把理想電流源沿著包含它所在支路的任意回路轉移到該回路的其他支路中去,得到電流源和電阻的并聯結構。 (2) 原電流源支路去掉,轉移電流源的值等于原電流源值,方向保證各結點的KCL方程不變。例1?I=?3A3?2?2?1A1?I=?3A3?2?2?1A3A1A1?I=?6V3?2?2?2V2V-+++--I=6/8=0.75A理想電壓源的轉移+-US+-US+US-+-US++--USUS (1) 把理想電壓源轉移到鄰近的支路,得到電壓源和電阻的串聯結構。 (2) 原電壓源支路短接,轉移電壓源的值等于原電壓源值,方向保證各回路的KVL方程不變。例2?I=?10V2?1?1?5V++--2?I=?10V2?1?1?5V++--+-10V5V+-I=?6V2?2/5?+-+-15V例題:利用電源等效互換方法求圖中電流I。解:原圖12V 6V 3? 6 ? + – + – 1? 2A 1? I 2? 2V 8V 2? 2? + – + – 2? II = 1A 2? IUs RS + – 2A 3? 2A 6? + – + – 2? 2V 2? + – 4A 2? + – 2? 2V 2? + – 謝謝!郁金香
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