电工电子技术教案 数控10级前8讲.docx

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电工电子技术教案数控10级前8讲

《电工电子技术》教案

数控教研室

黄学先

第一讲电路的基本物理量

教学重点：

1、电路，电路模型概念

2、电流，电压，电动势及其方向

教学难点：

2、电流，电压，电动势及其方向

教学方式：

理论教学

教学进程安排：

1、课程介绍

2、电路，电路模型概念

3、电流电压，电动势及其方向

4、要点总结

教学内容：

一、课程介绍

3内容:

《电工电子技术》主要包括三个方面的内容：

电路分析，模拟电子，数字电子。

4课时分配：

理论56学时，实验16学时

5重要性：

后续课程的学习基础，如：

电机拖动

6纪律要求：

（1）课堂出勤

（2）课堂纪律（3）作业（4）考核方式

二、电路与电路模型

电路的基本组成

1．什么是电路

电路是由各种元器件（或电工设备）按一定方式联接起来的总体，为电流的流通提供了路径。

图1-1简单的直流电路

2．电路的基本组成

电路的基本组成包括以下四个部分：

（2）电源（供能元件）：

为电路提供电能的设备和器件（如电池、发电机等）。

（3）负载（耗能元件）：

使用（消耗）电能的设备和器件（如灯泡等用电器）。

　（3）控制器件：

控制电路工作状态的器件或设备（如开关等）。

（4）联接导线：

将电器设备和元器件按一定方式联接起来（如各种铜、铝电缆线等）。

3．电路的状态

（1）通路（闭路）：

电源与负载接通，电路中有电流通过，电气设备或元器件获得一定的电压和电功率，进行能量转换。

（2）开路（断路）：

电路中没有电流通过，又称为空载状态。

（3）短路（捷路）：

电源两端的导线直接相连接，输出电流过大对电源来说属于严重过载，如没有保护措施，电源或电器会被烧毁或发生火灾，所以通常要在电路或电气设备中安装熔断器、保险丝等保险装置，以避免发生短路时出现不良后果。

电路模型（电路图）

由理想元件构成的电路叫做实际电路的电路模型，也叫做实际电路的电路原理图，简称为电路图。

例如，图1-2所示的手电筒电路。

理想元件：

电路是由电特性相当复杂的元器件组成的，为了便于使用数学方法对电路进行分析，可将电路实体中的各种电器设备和元器件用一些能够表征它们主要电磁特性的理想元件（模型）来代替，而对它的实际上的结构、材料、形状等非电磁特性不予考虑。

图1-1手电筒的电路原理图

表1-1常用理想元件及符号

三、电路最基本的电路物理量

电路分析的主要任务在于解得电路物理量，其中最基本的电路物理量就是电流、电压和功率。

1电流

电荷的定向移动形成电流。

电流的大小：

用电流强度表示，简称电流。

电流强度：

单位时间内通过导体截面的电荷量。

大写I表示直流电流

小写i表示电流的一般符号

电流的方向：

用一个箭头表示。

正电荷运动方向规定为电流的实际方向。

任意假设的电流方向称为电流的参考方向。

如果求出的电流值为正，说明参考方向与实际方向一致，否则说明参考方向与实际方向相反。

2电压、电位和电动势

电路中a、b点两点间的电压定义为单位正电荷由a点移至b点电场力所做的功。

电路中某点的电位定义为单位正电荷由该点移至参考点电场力所做的功。

电路中a、b点两点间的电压等于a、b两点的电位差。

电压的实际方向：

规定由电位高处指向电位低处。

与电流方向的处理方法类似，

可任选一方向为电压的参考方向

例：

当ua=3Vub=2V时

u1=1Vu2=－1V

最后求得的u为正值，说明电压的实际方向与参考方向一致，否则说明两者相反。

对一个元件，电流参考方向和电压参考方向可以相互独立地任意确定，但为了方便起见，常常将其取为一致，称关联方向；如不一致，称非关联方向。

如果采用关联方向，在标示时标出一种即可。

如果采用非关联方向，则必须全部标示。

电动势是衡量外力即非静电力做功能力的物理量。

外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功，称为电源的电动势。

电动势的实际方向与电压实际方向相反，规定为由负极指向正极。

3电功率

电场力在单位时间内所做的功称为电功率，简称功率。

功率与电流、电压的关系：

关联方向时：

p=ui

非关联方向时：

p=－ui

p＞0时吸收功率，p＜0时放出功率。

例：

求图示各元件的功率.

（a）关联方向，

P=UI=5×2=10W，

P>0，吸收10W功率。

（b）关联方向，

P=UI=5×（－2）=－10W，

P<0，产生10W功率。

（c）非关联方向，

P=－UI=－5×（－2）=10W，

P>0，吸收10W功率。

四、要点总结

（1）注意实际方向和参考方向的意义区别。

实际方向是电路中电流电压的实际的方向，对于确定的电路它们是唯一确定的，而对于参考方向是我们为了分析问题的方便认为假定的，可以任意假定对最终结果没有影响。

（2）注意电压与电动势，它们虽然单位一样，但是含义不一样，并且方向规定刚好相反。

第二讲电路基本元件

教学重点：

1、电阻电感电容元件

2、电感电阻电容元件的特性

教学难点：

2、电感电阻电容元件的特性

教学方式：

理论教学

教学进程安排：

1、上节课程介绍回顾

2、电阻电感电容元件

3、电感电阻电容元件的特性

4、要点总结

教学内容：

一、上节课程介绍回顾

（1）电路，电路模型概念

（2）电流，电压，电动势及其方向

二、常见的电路元件有电阻元件、电容元件、电感元件、电压源、电流源。

电路元件在电路中的作用或者说它的性质是用其端钮的电压、电流关系即伏安关系（VAR）来决定的

电阻元件

电阻元件是一种消耗电能的元件。

伏安关系（欧姆定律）：

关联方向时：

符号：

u=Ri

非关联方向时：

u=－Ri

功率：

电感元件

电感元件是一种能够贮存磁场能量的元件，是实际电感器的理想化模型。

符号：

伏安关系：

只有电感上的电流变化时，电感两端才有电压。

在直流电路中，电感上即使有电流通过，但ｕ＝０，相当于短路

Ｌ称为电感元件的电感，单位是亨利（Ｈ）

电容元件

电容元件是一种能够贮存电场能量的元件，是实际电容器的理想化模型。

符号：

伏安关系伏安关系：

只有电容上的电压变化时，电容两端才有电流。

在直流电路中，电容上即使有电压，但ｉ＝０，相当于开路，即电容具有隔直作用。

C称为电容元件的电容，单位是法拉（F）。

第三讲电压源与电流源及其等效

教学重点：

1、电压源与电流源

2、电压源与电流源等效变换

教学难点：

2、电压源与电流源等效变换

教学方式：

理论教学

教学进程安排：

1、上节课程介绍回顾

2、电压源与电流源

3、电压源与电流源等效变换

教学内容：

理想电压源与理想电流源

理想电压源：

u=uS

端电压为us，与流过电压源的电流无关，由电源本身确定，电流任意，由外电路确定。

理想电流源：

i=iS

流过电流为is，与电源两端电压无关，由电源本身确定，电压任意，由外电路确定

特性曲线与符号

理想电压源

理想电流源

实际电压源：

可用一个理想电压源E和一个电阻r0串联的电路模型表示，其输出电压U与输出电流I之间关系为

U=E-r0I

　　电压源模型

实际电流源可以看成是理想电流源IS和一个电阻rS并联的电路模型表示，其输出电压U与输出电流I之间关系为

U=rSIS-rSI

对外电路来说，实际电压源和实际电流源是相互等效的，等效变换条件是

r0=rS　，E=rSIS或IS=E/r0

两种实际电源模型之间的等效变换

实际电源可用一个理想电压源E和一个电阻r0串联的电路模型表示，其输出电压U与输出电流I之间关系为

U=E-r0I

实际电源也可用一个理想电流源IS和一个电阻rS并联的电路模型表示，其输出电压U与输出电流I之间关系为

U=rSIS-rSI

对外电路来说，实际电压源和实际电流源是相互等效的，等效变换条件是

r0=rS　，E=rSIS或IS=E/r0

例：

如图所示的电路，已知电源电动势E=6V，内阻r0=0.2Ω，当接上R=5.8Ω负载时，分别用电压源模型和电流源模型计算负载消耗的功率和内阻消耗的功率。

解：

（1）用电压源模型计算：

，负载消耗的功率PL=I2R=5.8W，内阻的功率Pr=I2r0=0.2W

（2）用电流源模型计算：

电流源的电流IS=E/r0=30A，内阻rS=r0=0.2Ω

负载中的电流

，负载消耗的功率PL=I2R=5.8W，

内阻中的电流

，内阻的功率Pr=Ir2r0=168.2W

两种计算方法对负载是等效的，对电源内部是不等效的。

例：

如图3-19所示的电路，已知：

E1=12V，E2=6V，R1=3Ω，R2=6Ω，R3=10Ω，试应用电源等效变换法求电阻R3中的电流。

上例中两个电压源等效成两个电流源

解：

（1）先将两个电压源等效变换成两个电流源，

两个电流源的电流分别为

IS1=E1/R1=4A，IS2=E2/R2=1A

（2）将两个电流源合并为一个电流源，得到最简等效

电路，如图3-21所示。

等效电流源的电流

IS=IS1-IS2=3A

其等效内阻为

R=R1∥R2=2Ω

（3）求出R3中的电流为

第四讲基尔霍夫定律

教学重点：

1、常用电路名词

2、基尔霍夫电流定律（节点电流定律）

3、基夫尔霍电压定律（回路电压定律）

教学难点：

2、基尔霍夫电流定律（节点电流定律）

3、基夫尔霍电压定律（回路电压定律）

教学方式：

理论教学

教学进程安排：

1、上节课程介绍回顾

2、常用电路名词

3、基尔霍夫电流定律（节点电流定律）

4、基夫尔霍电压定律（回路电压定律

教学内容：

一、上节课程介绍回顾

1、理想电流源，理想电压源

2、实际电流源实际电压源及其等效

二、常用电路名词

以图3-1所示电路为例说明常用电路名词。

1.支路：

电路中具有两个端钮且通过同一电流的无分支电路。

如图3-1电路中的ED、AB、FC均为支路，该电路的支路数目为b=3。

2.节点：

电路中三条或三条以上支路的联接点。

如图3-1电路的节点为A、B两点，该电路的节点数目为n=2。

3.回路：

电路中任一闭合的路径。

如图3-1电路中的CDEFC、AFCBA、EABDE路径均为回路，该电路的回路数目为l=3。

4.网孔：

不含有分支的闭合回路。

如图3-1电路中的AFCBA、EABDE回路均为网孔，该电路的网孔数目为m=2。

图3-1　常用电路名词的说明

5.网络：

在电路分析范围内网络是指包含较多元件的电路。

三、基尔霍夫电流定律（节点电流定律）

1．电流定律（KCL）内容

电流定律的第一种表述：

在任何时刻，电路中流入任一节点中的电流之和，恒等于从该节点流出的电流之和，即

例如图3-2中，在节点A上：

I1+I3=I2+I4+I5

图3-2电流定律的举例说明

电流定律的第二种表述：

在任何时刻，电路中任一节点上的各支路电流代数和恒等于零，即

　　一般可在流入节点的电流前面取“+”号，在流出节点的电流前面取“-号，反之亦可。

例如图3-2中，在节点A上：

I1-I2+I3-I4-I5=0。

在使用电流定律时，必须注意：

（1）对于含有n个节点的电路，只能列出（n-1）个独立的电流方程。

（2）列节点电流方程时，只需考虑电流的参考方向，然后再带入电流的数值。

为分析电路的方便，通常需要在所研究的一段电路中事先选定（即假定）电流流动的方向，叫做电流的参考方向，通常用“→”号表示。

电流的实际方向可根据数值的正、负来判断，当I>0时，表明电流的实际方向与所标定的参考方向一致；当I<0时，则表明电流的实际方向与所标定的参考方向相反

2．KCL的应用举例

（1）对于电路中任意假设的封闭面来说，电流定律仍然成立。

如图3-3中，对于封闭面S来说，有I1+I2=I3。

（2）对于网络（电路）之间的电流关系，仍然可由电流定律判定。

如图3-4中，流入电路B中的电流必等于从该电路中流出的电流。

　　（3）若两个网络之间只有一根导线相连，那么这根导线中一定没有电流通过。

（4）若一个网络只有一根导线与地相连，那么这根导线中一定没有电流通过

　例1如图3-5所示电桥电路，已知I1=25mA，I3=16mA，I4=12A，试求其余电阻中的电流I2、I5、I6。

解：

在节点a上：

I1=I2+I3，则I2=I1-I3=25-16=9mA

在节点d上：

I1=I4+I5，则I5=I1-I4=25-12=13mA

在节点b上：

I2=I6+I5，则I6=I2-I5=9-13=-4mA

电流I2与I5均为正数，表明它们的实际方向与图中所标定的参考方向相同，I6为负数，表明它的实际方向与图中所标定的参考方向相反。

三、基夫尔霍电压定律（回路电压定律）

图3-6电压定律的举例说明

　　1.电压定律（KVL）内容

在任何时刻，沿着电路中的任一回路绕行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零，即

　　以图3-6电路说明基夫尔霍电压定律。

沿着回路abcdea绕行方向，有

Uac=Uab+Ubc=R1I1+E1，Uce=Ucd+Ude=-R2I2-E2，Uea=R3I3

则Uac+Uce+Uea=0

即R1I1+E1-R2I2-E2+R3I3=0

上式也可写成

R1I1-R2I2+R3I3=-E1+E2

对于电阻电路来说，任何时刻，在任一闭合回路中，各段电阻上的电压降代数和等于各电源电动势的代数和，即。

2．利用∑RI=∑E列回路电压方程的原则

（3）标出各支路电流的参考方向并选择回路绕行方向（既可沿着顺时针方向绕行，也可沿着反时针方向绕行）；

（4）电阻元件的端电压为±RI，当电流I的参考方向与回路绕行方向一致时，选取“+”号；反之，选取“-号；

（5）电源电动势为±E，当电源电动势的标定方向与回路绕行方向一致时，选取“+”号，反之应选取“-号。

第五讲支路电流法

教学重点：

1、支路电流法

2、支路电流法接地步骤

教学难点：

2、支路电流法接地步骤

教学方式：

理论教学

教学进程安排：

1、上节课程介绍回顾

2、支路电流法

3.支路电流法接地步骤

4.举例

5.要点总结

教学内容：

一、上节课程介绍回顾

1、常用电路名词（支路，节点，回路，网孔，网络）

2、基尔霍夫电流定律（节点电流定律）

3、基夫尔霍电压定律（回路电压定律）

二、支路电流法

支路电流法是以支路电流为未知量，直接应用KCL和KVL，分别对节点和回路列出所需的方程式，然后联立求解出各未知电流。

三、支路电流法解题步骤

一个具有b条支路、n个节点的电路，根据KCL可列出（n－1）个独立的节点电流方程式，根据KVL可列出b－（n－1）个独立的回路电压方程式。

图示电路

1）电路的支路数b=3，支路电流有i1、i2、i3三个。

（2）节点数n=2，可列出2－1=1个独立的KCL方程。

i1+i2=i3

（3）独立的KVL方程数为3－（2－1）=2个。

回路I

i1R1+i3R3=us1

回路Ⅱ

i2R2+i3R3=us2

（4）联立方程求解

四、例题：

如图3-7所示电路，已知E1=42V，E2=21V，R1=12Ω，R2=3Ω，R3=6Ω，试求：

各支路电流I1、I2、I3。

解：

该电路支路数b=3、节点数n=2，所以应列出1个节点电流方程和2个回路电压方程，并按照∑RI=∑E列回路电压方程的方法：

（1）I1=I2+I3　　　　（任一节点）

（2）R1I1+R2I2=E1+E2　（网孔1）

（3）R3I3-R2I2=-E2　　（网孔2）

代入已知数据，解得：

I1=4A，I2=5A，I3=-1A。

电流I1与I2均为正数，表明它们的实际方向与

图中所标定的参考方向相同，I3为负数，表明它们

的实际方向与图中所标定的参考方向相反。

五、要点总结：

（1）步骤要清晰

（2）支路要数清，支路数为未知量的数目

（3）列回路电压方程时注意各元件前电压的符号，如果元件电压降的方向与回路绕行方向一致，则此电压降前符号为正，否则为负。

第六讲叠加原理

教学重点：

1、叠加原理的内容

2、利用叠加原理分析复杂直流电路思路解析

教学难点：

2、利用叠加原理分析复杂直流电路

教学方式：

理论教学

教学进程安排：

1、叠加原理的内容

2、利用叠加原理分析复杂直流电路思路解析

3、例题

4、要点总结

教学内容：

一、叠加定理的内容

当线性电路中有几个电源共同作用时，各支路的电流（或电压）等于各个电源分别单独作用时在该支路产生的电流（或电压）的代数和（叠加）。

在使用叠加定理分析计算电路应注意以下几点:

（1）叠加定理只能用于计算线性电路（即电路中的元件均为线性元件）的支路电流或电压（不能直接进行功率的叠加计算）；

（2）电压源不作用时应视为短路，电流源不作用时应视为开路；

（3）叠加时要注意电流或电压的参考方向，正确选取各分量的正负号。

二、利用叠加原理分析复杂直流电路思路解析

根据叠加原理，对由多个独立电源共同作用的复杂直流电路分析，求支路电流或电压，可以将复杂电路拆分成若干个单独电源作用的简单电路，计算出单个电源作用产生的量，然后将这些量进行叠加，得到多个电源共同作用产生的电压和电流。

三、应用举例

例：

如图3-8（a）所示电路，已知E1=17V，E2=17V，R1=2，R2=1，R3=5，试应用叠加定理求各支路电流I1、I2、I3。

例图

解：

（1）当电源E1单独作用时，将E2视为短路，设

R23=R2∥R3=0.83

则

（2）当电源E2单独作用时，将E1视为短路，设

R13=R1∥R3=1.43

则

（3）当电源E1、E2共同作用时（叠加），若各电流分量与原电路电流参考方向相同时，在电流分量前面选取“+”号，反之，则选取“”号：

I1=I1′I1″=1A，I2=I2′+I2″=1A，I3=I3′+I3″=3A

四、要点总结

（1）叠加原理只适用于多个电源共同作用的线性电路。

（2）支路上的电路和电压可以叠加，但是功率不能叠加。

求电流电压用叠加原理，但是求功率注意先求出总的电流或电压，然后再求。

第七讲戴维宁定理

教学重点：

1、戴维宁定理的内容

2、利用戴维宁定理分析复杂直流电路思路解析

教学难点：

2、利用戴维宁定理分析复杂直流电路

教学方式：

理论教学

教学进程安排：

1、戴维宁定理的内容

2、利用戴维宁定理分析复杂直流电路思路解析

3、例题

4、要点总结

教学内容：

一、二端网络的有关概念

1.二端网络：

具有两个引出端与外电路相联的网络。

又叫做一端口网络。

2.无源二端网络：

内部不含有电源的二端网络。

3.有源二端网络：

内部含有电源的二端网络。

二端网络

二、戴维宁定理

任何一个线性有源二端电阻网络，对外电路来说，总可以用一个电压源E0与一个电阻r0相串联的模型来替代。

电压源的电动势E0等于该二端网络的开路电压，电阻r0等于该二端网络中所有电源不作用时（即令电压源短路、电流源开路）的等效电阻（叫做该二端网络的等效内阻）。

该定理又叫做等效电压源定理。

三、利用戴维宁定理分析复杂直流电路思路解析

求复杂直流电路某条支路上的电流或者电压，我们可以根据戴维南定理将待求支路拆开，然后将留下的有源二端网络等效成一个实际电压源，然后将待求支路接到这个实际电压源上形成一个简单电路，再在这个简单电路中求有关的量。

四、例题

例题：

如图3-10所示电路，已知E1=7V，E2=6.2V，R1=R2=0.2，R=3.2，试应用戴维宁定理求电阻R中的电流I。

图3-11　求开路电压Ua

解：

（1）将R所在支路开路去掉，如图3-11所示，求开路电压Uab：

，Uab=E2+R2I1=6.2+0.4=6.6V=E0

（2）将电压源短路去掉，如图3-12所示，求等效电阻Rab：

图3-12　求等效电阻Rab图3-13　求电阻R中的电流I

Rab=R1∥R2=0.1=r0

（3）画出戴维宁等效电路，如图3-13所示，求电阻R中的电流I：

例题：

如图3-14所示的电路，已知E=8V，R1=3，R2=5，R3=R4=4，R5=0.125，试应用戴维宁定理求电阻R5中的电流I。

图3-14　图3-15　求开路电压Uab

解：

（1）将R5所在支路开路去掉，如图3-15所示，求开路电压Uab：

Uab=R2I2R4I4=54=1V=E0

（2）将电压源短路去掉，如图3-16所示，求等效电阻Rab：

图3-16　求等效电阻Rab图3-17　求电阻R中的电流I

Rab=（R1∥R2）+（R3∥R4）=1.875+2=3.875=r0

（3）根据戴维宁定理画出等效电路，如图3-17所示，求电阻R5中的电流

四、要点总结

（1）用戴维南定理时，注意将待求支路拆开后，是对剩下的一个有源二端网络进行分析等效，这个有缘二端网络的开路电压与原电路中这两点的电压不一样。

（2）有源二端网络的等效是对外电路等效，其内部不一定等效。