第1章 电路分析基础
电工电子技术的应用离不开电路.电路由电路元件构成.本章着重介绍电路的基本概念,常用电路元件,电路的基本定律和电路常用的分析方法,为学习各种类型的电工电子电路建立必要的基础.
1.1 电路的基本概念
1.1.1 电路的组成和作用
从日常生活和生产实践可以体会到,要用电一般要用导线,开关等将电源和用电设备或用电器连接起来,构成一个电流流通的闭合路径.这就是所谓电路.
电路的形式是多种多样的,但从电路的本质来说,其组成都有电源,负载,中间环节三个最基本的部分.例如图1-1所示的手电筒电路中,电池把化学能转换成电能供给灯泡,灯泡却把电能转换成光能作照明之用.凡是将化学能,机械能等非电能转换成电能的供电设备,称为电源,如干电池,蓄电池和发电机等;凡是将电能转换成热能,光能,机械能等非电能的用电设备,称为负载,如电热炉,白炽灯和电动机等;连接电源和负载的部分,称为中间环节,如导线,开关等.
电路的种类繁多,但从电路的功能来说,其作用分为两个方面:其一实现电能的传输和转换(如电力工程,它包括发电,输电,配电,电力拖动,电热,电气照明,以及交直流电之间的整流和逆变等等.);其二进行信号的传递与处理(如信息工程,它包括语言,文字,音乐,图象的广播和接收,生产过程中的自动调节,各种输入数据的数值处理,信号的存储等等.).电路的作用不同,对其提出的技术要求也不同,前者较多的侧重于传输效率的提高,后者多侧重于信号在传递过程中的保真,运算的速度和抗干扰等.
1.1.2 理想元件和电路模型
电路的作用虽然只有两个方面,但是实际电路的类型以及工作时发生的物理现象则是千差万别的.我们不可能也没有必要去探讨每一个实际电路,而只需找出它们的普遍规律.为此,我们把实际电路的元件理想化,忽略其次要的因素用以反映它们主要物理性质的理想元件来代替.这样由理想元件组成的电路就是实际电路的电路模型,它是对实际电路物理性质的高度抽象和概括.
用于构成电路的电工,电子元器件或设备统称为实际电路元件,简称实际元件.实际元件的物理性质,从能量转换角度看,有电能的产生,电能的消耗以及电场能量和磁场能量的储存.用来表征上述物理性质的理想电路元件(今后理想两字常略去)分别称为恒压源VS,恒流源IS,电阻元件R,电容元件C,电感元件L.图1-3是它们的电路模型图形符号.它们为电路结构的基本模型,由这些基本模型构成电路的整体模型.
例如手电筒电路的电路模型如图1-2所示.灯泡看成电阻元件RL,干电池看成恒压源E(或VS)和电阻元件(内阻)Ro串联.可见电路模型就是实际电路的科学抽象.采用电路模型来分析电路,不仅计算过程大为简化,而且能更清晰地反映电路的物理实质.
3电流,电压的参考方向
电流,电压,电动势的实际方向在物理学中已作过明确的规定:电路中电流的流动方向是指正电荷流动的方向,电路中两点之间电压的方向是高电位指向低电位的方向(即电位降落的方向),电动势的方向在电源内部由低电位指向高电位的方向(即电位升高的方向).图1-4所示电路中分别标出了电流,电压,电动势的方向.
但是在分析复杂电路时往往不能预先确定某段电路上电流,电压的实际方向.为了便于分析电路,电路中引出了参考方向的概念.电流,电压的参考方向是人为任意设定的,图1-5电路中箭头所示方向就是电流和电压的参考方向.电路中的电流和电压的参考方向可能与实际方向一致或相反,但不论属于哪一种情况,都不会影响电路分析的正确性.
按参考方向求解得出的电流和电压值有两种可能.得正值,说明设定的参考方向与实际方向一致,若为负值,则表明参考方向与实际方向相反.必须指出,电路中的电流或电压在未标明参考方向的前提下,讨论电流或电压的正,负值是没有意义的.
参考方向也称正方向,除了用箭标标示外,还可以用双下标标示.如图1-5中电流I3和电压V3也可以写为Iba和Vab.电压也可以用参考极性"+""-"标示.如图1-5中恒压源VS1,VS2,其中"+"表示高电位,"-"表示低电位.
当一个元件或一段电路上的电流,电压参考方向一致时,则称它们为关联的参考方向,如图1-6(a)所示.在分析电路时,尤其是分析电阻,电感,电容等元件的电流,电压关系时,经常采用关联参考方向.例如在应用欧姆定律时必须注意电流,电压的方向,如图1-6(a)中电流,电压采用了关联参考方向,这时电阻R两端电压为
(1-1)
若采用非关联参考方向,如图1-6(b)所示,则电阻R两端的电压为
(1-2
当电阻的单位为欧姆(Ω),电流的单位为安培(A)时,电压的单位为伏特(V).

下一页