个人介绍
电路原理(乙)

主讲教师:

教师团队:共2

  • 孙盾
  • 孙晖
学校: 浙江大学
开课院系: 电气工程学院
专业大类: 电气工程
开课专业: 电工理论与新技术

本系列介绍了电路原理(乙),由电路元件与电路定律、电路分析的基本方法、含运算放大器的电阻电路、一阶电路的瞬态分析构成,老师讲课从理论结合例题充分讲解了电路原理中的各种知识点,老师讲解精妙,易懂。

教师团队

孙盾

职称:副教授

单位:浙江大学

部门:电气工程学院

职位:副教授

孙晖

职称:副教授

单位:浙江大学

部门:电气工程学院

职位:副教授

电路

电路(英语:Electrical circuit)或称电子回路,是由电气设备和元器件, 按一定方式连接起来,为电荷流通提供了路径的总体,也叫电子线路或称电气回路,简称网络或回路。如电源、电阻、电容、电感、二极管、三极管、晶体管、集成电路和电键等,构成的网络、硬件。负电荷可以在其中流动。

电路 - 种类

电路规模的大小,可以相差很大,小到硅片上的集成电路,大到高低压输电网。 

根据所处理信号的不同,电子电路可以分为模拟电路和数字电路。 

模拟电路

是由自然界产生周期性变化的连续性的物理自然变量,在将连续性物理自然变量转换为连续的电信号,并通过运算连续性电信号的电路即称为模拟电路。 

模拟电路对电信号的连续性电压、电流进行处理。 

最典型的模拟电路应用包括:放大电路、振荡电路、线性运算电路(加法、减法、乘法、除法、微分和积分电路)。运算连续性电信号。 

数字电路

亦称为逻辑电路 

将连续性的电讯号,转换为不连续性定量的电信号,并运算不连续性定量电信号的电路,称为数字电路。 

数字电路中,信号大小为不连续并定量化的电压状态。 

多数采用布尔代数逻辑电路对定量后信号进行处理。典型数字电路有,振荡器、寄存器、加法器、减法器等。运算不连续性定量电信号。 

集成电路

集成电路亦称为IC (Integrated Circuit)。 

运用集成电路设计程式(IC设计),将一般电路设计到半导体材料里的半导体电路(一般为硅片),称为积体电路。 

利用半导体技术制造出集成电路(IC)。

电路 - 组成

电路由电源,负载,连接导线和辅助设备四大部分组成。实际应用的电路都比较复杂,因此,为了便于分析电路的实质,通常用符号表示组成电路实际原件及其连接线,即画成所谓电路图。其中导线和辅助设备合称为中间环节。

1.电源

电源是提供电能的设备。电源的功能是把非电能转变成电能。例如,电池是把化学能转变成电能;发电机是把机械能转变成电能。由于非电能的种类很多,转变成电能的方式也很多,所以,目前实用的电源类型也很多,最常用的电源是干电池、蓄电池和发电机等。

2.负载

在电路中使用电能的各种设备统称为负载。负载的功能是把电能转变为其他形式能。例如,电炉把电能转变为热能;电动机把电能转变为机械能,等等。通常使用的照明器具、家用电器、机床等都可称为负载。

3.导线

连接导线用来把电源、负载和其他辅助设备连接成一个闭合回路,起着传输电能的作用。

4.辅助设备

辅助设备是用来实现对电路的控制、分配、保护及测量等作用的。辅助设备包括各种开关、熔断器及测量仪表等。

电路 - 物理量

电路的作用是进行电能与其它形式的能量之间的相互转换。因此,用一些物理量来表示电路的状态及各部分之间能量转换的相互关系。

(1)电流

电流在实用上有两个含义:第一,电流表示一种物理现象,即电荷有规则的运动就形成电流。第二,本来,电流的大小用电流强度来表示,而电流强度是指在单位时间内通过导体截面积的电荷量,其单位是安培(库/秒),简称安,用大写字母A表示。但电流强度平时人们多简称电流。所以电流又代表一个物理量,这是电流的第二个含义。

电流的真实方向和正方向是两个不同的概念,不能混淆。

习惯上总是把正电荷运动的方向,作为电流的方向,这就是电流的实际方向或真实方向,它是客观存在,不能任意选择,在简单电路中,电流的实际方向能通过电源或电压的极性很容易地确定下来。

但是,在复杂直流电路中,某一段电路里的电流真实方向很难预先确定,在交流电路中,电流的大小和方向都是随时间变化的。这时,为了分析和计算电路的需要,引入了电流参考方向的概念,参考方向又叫假定正方向,简称正方向。

所谓正方向,就是在一段电路里,在电流两种可能的真实方向中,任意选择一个作为参考方向(即假定正方向)。当实际的电流方向与假定的正方向相同时,电流是正值;当实际的电流方向与假定正方向相反时,电流就是负值。

换一个角度看,对于同一电路,可以因选取的正方向不同而有不同的表示,它可能是正值或者是负值。要特别指出的是,电路中电流的正方向一经确定,在整个分析与计算的过程中必须以此为准,不允许再更改。

(2)电压与电位

从数值上看,AB两点之间的电压是电场力把单位正电荷从A点移动到B点时所做的功;而电场中某点的电位等于电场力将单位正电荷自该点移动到参考点所做的功。比较电压和电位的概念可以看出,电场中某点的电位就是该点到参考点之间的电压,电位是电压的一个特殊形式。对于电位来说,参考点是至关重要的。在同一电路中,当选定不同的参考点,同一点的电位数值是不同的。

原则上说,参考点可以任意选定。在电工领域,通常选电路里的接地点为参考点,在电子电路里,常取机壳为参考点。

在实际应用时,仅知道两点间的电压往往不够,还要求知道这两点中哪一点电位高,哪一点电位低。例如,对于半导体二极管来说,还有其阳极电位高于阴极电位时才导通;对于直流电动机来说,绕组两端的电位高低不同,电动机的转动方向可能是不同的。由于实际使用的需要,要求我们引入电压的极性,即方向问题。

(3)电动势 

电路中因其他形式的能量转换为电能所引起的电位差,叫做电动势。用字母E表示,单位是伏特。在电路中,电动势常用符号δ表示。 

(4)电功率 

在物理学中,用电功率表示消耗电能的快慢.电功率用P表示,它的单位是Watt,简称Wa,符号是W.电流在单位时间内做的功叫做电功率 以灯泡为例,电功率越大,灯泡越亮。灯泡的亮暗由电功率决定,不用所通过的电流、电压、电能决定! 

(5)电压与电流的关联正方向 

在电路中:如果指定流过元件的电流参考方向是从标以电压的正极性的一端指向负极性的一端,即两者的参考方向一致,则把电流和电压的这种参考方向称为关联参考方向。当两者不一致是,称为非关联参考方向。

提高电子电路抗干扰能力的方法

一、减小来自电源的噪声

电源在向系统提供能源的同时,也将其噪声加到所供电的电源上。电路中微控制器的复位线,中断线,以及其它一些控制线最容易受外界噪声的干扰。

电网上的强干扰通过电源进入电路。即使电池供电的系统,电池本身也有高频噪声。模拟电路中的模拟信号更经受不住来自电源的干扰。因此设计电源时要采取一定的抗干扰措施:(如输入电源与强电设备动力线分开;采用隔离变压器;采用低通滤波器;采用独立功能块单独供电等)。

二、减小信号传输中的畸变

微控制器主要采用高速CMOS技术制造。信号输入端静态输入电流在1mA左右,输入电容10pF左右,输入阻抗相当高。高速CMOS电路的输出端都有相当的带载能力,即相当大的输出值,将一个门的输出端通过一段很长线引到输入阻抗相当高的输入端,反射问题就很严重。它会引起信号畸变,增加系统噪声。当Tpd>Tr时,就成了一个传输线问题,必须考虑信号反射、阻抗匹配等问题。

信号在印制板上的延迟时间与引线的特性阻抗有关,即与印制线路板材料的介电常数有关。可以粗略地认为,信号在印制板引线的传输速度,约为光速的1/3到1/2之间。微控制器构成的系统中常用逻辑电子元件的Tr(标准延迟时间)为3到18ns之间。

在印制线路板上,信号通过一个7W的电阻和一段25cm长的引线,线上延迟时间大致在4~20ns之间。也就是说,信号在印刷线路上的引线越短越好,最长不宜超过25cm。而且过孔数目也应尽量少,最好不多于2个。

当信号的上升时间快于信号延迟时间,就要按照快电子学处理。此时要考虑传输线的阻抗匹配,对于一块印刷线路板上的集成块之间的信号传输,要避免出现Td>Trd的情况,印刷线路板越大系统的速度就越不能太快。

用以下结论归纳印刷线路板设计的一个规则:信号在印刷板上传输,其延迟时间不应大于所用器件的标称延迟时间。

·电源电路:产生各种电子电路的所需求电源。

·电子电路:亦称电气回路。

·基频电路,基频,低频率,使用基频元件。

·高频电路,高频,高频率,使用高频元件。

·基频、高频混合电路

·被动元件:如电阻、电容、电感、二极体…等,有分基频被动元件、高频被动元件。

·主动元件:如电晶体、微处理器…等有分基频主动元件、高频主动元件。

【微处理器电路】:亦称微控制器电路,形成计算机、游戏机、(播放器影、音)、各式各样家电、滑鼠、键盘、触控…等。

【电脑电路】:为微处理器电路进阶电路,形成桌上型电脑、笔记型电脑、掌上型电脑、工业电脑…各样电脑等。

【通讯电路】:形成电话、手机、有线网路、有线传送、无线网路、无线传送、光通讯、红外线、光纤、微波通讯、卫星通讯…等。

【显示器电路】:形成萤幕、电视、仪表等各类显示器。

【光电电路】:如太阳能电路。

【电机电路】:常运用於大电源设备、如电力设备、运输设备、医疗设备、工业设备…等。

【串联电路】:使同一电流通过所有相连接器件的联结方式

正弦稳态电路

定义

线性时不变动态电路在角频率为ω的正弦电压源和电流源激励下,随着时间的增长,当暂态响应消失,只剩下正弦稳态响应,电路中全部电压电流都是角频率为ω的正弦波时,称电路处于正弦稳态。满足这类条件的动态电路通常称为正弦电流电路或正弦稳态电路。

意义

分析正弦稳态的重要性在于:

1. 很多实际电路都工作于正弦稳态。例如电力系统的大多数电路。

2. 用相量法分析正弦稳态十分有效。

3. 已知线性动态电路的正弦稳态响应,可以得到任意波形信号激励下的响应。

分析方法

分析正弦稳态的有效方法是相量法,相量法的基础是用一个称为相量的向量或复数来表示正弦电压和电流。

用相量法求解电路正弦稳态响应的方法和步骤如下:

1. 画出电路的相量模型,用相量形式的KCL,KVL和VCR直接列出电路的复系数代数方程。

2. 求解复系数代数方程得到所感兴趣的各个电压和电流的相量表达式。

3. 根据所得到的各个相量,写出相应的电压和电流的瞬时值表达式。

用相量法分析正弦稳态响应的优点有:

1. 不需要列出并求解电路的n阶微分方程。

2. 可以用分析电阻电路的各种方法和类似公式来分析正弦稳态电路。

3.读者采用所熟悉的求解线性代数方程的方法,就能求得正弦电压电流的相量以及它们的瞬时值表达式。

4. 便于读者使用计算器和计算机等计算工具来辅助电路分析。

功率

工作在正弦稳态下负载的瞬时功率:

平均功率:

由此式看出正弦稳态的平均功率不仅与电压电流有效值乘积UI有关,还与电压电流的相位差j=yu-yi有关,式中的因子cosj称为功率因数。平均功率是一个重要的概念,得到广泛使用,通常说某个家用电器消耗多少瓦的功率,就是指它的平均功率,简称为功率。

正弦交流电路

正弦交流电路是交流电路的一种最基本的形式,指大小和方向随时间作周期性变化的电压或电流。正弦交流电需用频率、峰值和位相三个物理量来描述。交流电正弦电流的表示式中I = Imsin(ωt+φ0)中的ω称为角频率,它也是反映交流电随时间变化的快慢的物理量。

正弦交流电的表示

大小及方向均随时间按正弦规律做周期性变化的电流、电压、电动势叫做正弦交流电流、电压、电动势,在某一时刻t的瞬时值可用三角函数式(解析式)来表示,即

i(t)=Imsin(wt+ji0)

u(t)=Umsin(wt+ju0)

e(t)=Emsin(wt+je0)

式中,Im、Um、Em分别叫做交流电流、电压、电动势的振幅(也叫做峰值或最大值),电流的单位为安培(A),电压和电动势的单位为伏特(V);w叫做交流电的角频率,单位为弧度/秒(rad/s),它表征正弦交流电流每秒内变化的电角度;ji0、ju0、je0分别叫

做电流、电压、电动势的初相位或初相,单位为弧度rad或度(0)

交流电与直流电

在现代共农业生产和日常生活中,广泛地使用着交流电。主要原因是与直流电相比,交流电在产生、输送和使用方面具有明显的优点和重大的经济意义。例如在远距离输电时,采用较高的电压可以减少线路上的损失。对于用户来说,采用较低的电压既安全又可降低电器设备的绝缘要求。这种电压的升高和降低,在交流供电系统中可以很方便而又经济地由变压器来实现。此外,异步电动机比起直流电动机来,具有构造简单、价格便宜,运行可靠等优点。在一些非用直流电不可的场合,如工业上的电解和电镀等,也可利用整流设备,将交流电转化为直流电。

正弦交流电的应用

正弦交流电在工业中得到广泛的应用,它在生产、输送和应用上比起直流电来有不少优点,而且正弦交流电变化平滑且不易产生高次谐波,这有利于保护电器设备的绝缘性能和减少电器设备运行中的能量损耗。另外各种非正弦交流电都可由不同频率的正弦交流电叠加而成(用傅里叶分析法),因此可用正弦交流电的分析方法来分析非正弦交流电。

正弦交流电在生活中有着广泛的应用,最基础的是照明,各类小电器,汽车的蓄电池也是由他转换。

但是,在各种广泛的用途中,我们并不能直接去应用交流电,这就需要稳压和滤波,你比如各类小家电的供电,如果直接引入交流电,脉动电流将会瞬间烧毁电器,这就需要我们知道电器需要的电压值和电流值,通过变压来适合电器工作,值得一提的是,多年的工作经验告诉我,稳压和滤波在电器的整体性能里面占非常重要的一面,很多的电器是因为滤波不良而导致电压不稳,烧毁用电器。

但是,汽车的蓄电池充电却对稳压和滤波相对宽容一些,这是因为普通的蓄电池本身就看做是一个电容,如果你用滤波后很平稳的涓涓细流来充盈她,那样将会是费时费力还做不出效果,蓄电池所需要就是脉动很大的电流,当然,这个环境就不是很严格的了。

其实,我们一直生活在交流电当中,手机寻呼机信号,各种电子的无线传输的辐射,人体功能,谐振原理等。

事实上以我个人很肤浅的知识来看,正玄交流电太深奥了,几乎宇宙中所有的生命体,未知生命,包括在人类看来没有生命特征的物体,差不多都存在交流电,只不过是细微之分,换句话说,在我看来他们都是有生命的,人类应该在这个专业进行更深入的研究。

参考教材


课程评价

教学资源
课程章节 | 文件类型   | 修改时间 | 大小 | 备注
62 电路元件与电路定律(一)
视频
.mp4
2021-08-26 85.71MB
63 电路元件与电路定律(二)
视频
.mp4
2021-08-26 78.04MB
64 电路元件与电路定律(三)
视频
.mp4
2021-08-26 87.95MB
65 电路元件与电路定律(四)
视频
.mp4
2021-08-26 72.32MB
66 电路元件与电路定律(五)
视频
.mp4
2021-08-26 82.54MB
67 电路元件与电路定律(六)
视频
.mp4
2021-08-26 74.52MB
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