电路基础——基本概念、定律和定理(0)

基本功越扎实,心里才越踏实。

前言

这次学习的目标和原因:

  1. 硬件是个人职业短板,需要突破。
  2. 学的不扎实,知识碎片化,需要建立框架。
  3. 能够分析围绕mcu的外围电路,比如各种电源电路。

主要教材是《电路基础(原书第6版)》作者: [美]Charles K.、Matthew N.O.Sadiku 著;段哲民、周巍、李宏 译,网络资料辅助,还有一个数位板做笔记。

学习方法是:理解概念、建立框架、跳过习题、具体问题具体分析。

目录

基本概念

我们研究的是电路,这里面的各种被研究的量,我们称为“电量”,具体有以下5个基本电量概念。

电荷

电荷是构成物质的原子的一种电气特性,单位是库伦(C)。原子由原子核和电子组成。电子所带的电荷e是负的,其电荷量为1.602*10^-19C。

电流

电流是指电荷的时间变化率,单位为安培(A)。1A即表示:给定一点(该点可以是端点、元件、横截面),单位时间(即1秒)流过该点的电荷多少。

电压

电压是指移动单位电荷通过某个元件所需的能量,单位是伏特(V)。Uab = 1V即表示:给定两点a、b,将单位电荷(即1库存电荷)的电子从b点移动到a点所需要的能量,也可以说是指将单位电荷的质子从a点移动到b点所需的能量。

功率

功率是消耗或吸收能量的时间变化率,单位是瓦特(W)。1W即表示:N电荷量的电子在1秒内从b点移动到a点所需要的能量是1J。

能量

能量是指做功的能力,单位为焦耳(J)。电力公司以瓦特·小时(W·h)为单位度量能量,其中:1W·h = 3600J。1J即表示:看成是某种量,不懂能量是什么。

定律原理方法定理

公理(axiom)

是经过受逻辑限制的证明为真的陈述(一般在数学中,只有重要或有趣的陈述才叫定理)。最终不用再解释的基础。这个基础被认为是显而易见的,不言自明的。

定律(law)

是由不变的事实规律所归纳出的结论,是对客观事实的一种表达形式,是通过大量具体的客观事实经验累积归纳而成的结论。

定理(theorem)

由公理,原理,定律经过数学推导得出的结论。基于公理,可以推倒出方便使用的定理。

原理(principle)

既可以表示law or rule,又可以表示theory,应该不是一个正式的科学术语。

基本定律

欧姆定律

材料阻碍电流的能力称为“电阻”。电阻两端的电压v与流过该电阻的电流i成正比。

电荷守恒定律(law of conservation of charge)

电荷既不能被创造,也不能被消灭,只能转移。因此一个系统中电荷量的代数和是不变的。

基尔霍夫电流定律(KCL)

流入任一节点(或任一闭合界面)的电流代数和为零。
基尔霍夫电流定律是基于电荷守恒定律。

能量守恒定律(law of conservation of energy)

任何时刻电路中功率的代数和必须为零。

基尔霍夫电压定律(KVL)

任何闭合类路径(或回路)上全部电压的代数和为零。

基本原理

分压原理(principle of voltage division)

串联电阻,电源电压在各电阻之间的电压分配与各电阻的阻值成正比,电阻值越大,电阻上的电压越大。

分流原理(principle of current division)

并联电阻,总电流被多个支路分享,且支路电流与电阻值成反比,较小电阻的支路流过较大的电流。

电路电量分析方法

  • 节点分析法

如果要分析包含晶体管电路,需要先画出等效电路才能用节点分析法。因为晶体管各点电位不一样,所以不能用节点分析法。

  • 网孔分析法

用于直接分析包含晶体管的电路,可以直接使用网孔分析卡。

  • 应用叠加定理

优点是分析时简化电路,缺点是计算步骤多了。可用于三极管交直流信号分析。

  • 电源变换

基础是等效的概念,等效电路是指与原电路具有相同的u-i特性的电路。通过电源变换将戴维南定理和诺顿定理关联起来。

电路定理

  • 线性电路

下面介绍的两个定理仅适用于线性(liner)电路,线性电路含有比例性和叠加性。

比例性是指:如果输入(也称为激励)乘以一个常数,那么输出(也称为响应)也相应第乘以同一个常数。如电阻的电压和电流关系。

叠加性是指:各个输入之和的响应等于每个输入单独作用于系统时的响应之和。如电阻的电压和电流关系。

叠加定理(superposition theorem)

线性电路是叠加定理的基础。线性电路中元件两端电压(或流经元件的电流)是每个独立源单独作用下在该元件两端产生的电压(或流经元件的电流)的代数和。

戴维南定理(Thevenin’s theorem)

戴维南定理是指:线性二端电路可以用一个由电压源VTh和与之串联的电阻RTh组成的等效电路所替代,其中VTh为端口的开路电压,RTh为独立源关闭时端口的输入(或等效)电阻。

诺顿定理(Norton’s theorem)

诺顿定理是指:线性二端电路可以由电流源IN和与之并联的电阻RN构成的等效电路替代,其中IN为流过端口的短路电流,RN为独立电流源关闭时端口的输入电阻(或等效)电阻。

求戴维南/诺顿等效电路

  1. 求a-b两端的开路电压u或者短路电流i
  2. 所有独立源关闭时,a-b两端的输入电阻r

即通过开路测试和短路测试,就足以求出至少包含一个独立源电路的戴维南等效电路或诺顿等效电路。

参考资料

“如果觉得还不错,请我喝杯咖啡吧~”