《電路基礎與實踐》是為高職高專電類專業電路課程編寫的，作者是劉科。本書是為高職高專電類專業電路課程編寫的，為適應高等職業教育人才培養目標要求，該書將理論與實踐項目相結合。
基本介紹
- 書名：電路基礎與實踐
- 作者：劉科
- 定價：31.00元
- 印刷日期：2012年8月
圖書基本信息,內容簡介,目錄,直流電路,交流電路,
圖書基本信息
電路基礎與實踐
作者：劉科
書號：ISBN 978-7-111-38556-1
叢書名：全國高等職業教育規
劃教材
定價：31.00元
印刷日期：2012年8月
配套資源： 電子教案、習題答案
本書特色：
★注重將電路基礎知識與實踐項目有機融合，通過教、學、做的有機結合循環，培養學生素質和技能。
★教學內容組織上，簡潔易懂地講述原理，同時以實踐項目為載體，融入工程規範、專業儀器使用。
★引入電路仿真、虛擬儀器等新方法、新工具套用，跟蹤行業發展。
內容簡介
電路基礎內容主要有：電路的基本概念與基本定律、直流電路的分析與計算、動態電路的時域分析、正弦交流電路、三相交流電路、互感電路及磁路、線性動態電路的復頻域分析、非正弦周期電流電路穩態分析等內容；實踐項目有：電位電壓的測定及電點陣圖的繪製、基爾霍夫定律的驗證、驗證疊加定理和替代定理、測試有源二端網路和驗證戴維南定理、一階電路的回響測試、交流電路的測量、並聯電容提高功率因數、選頻電路設計實現、三相電路的聯接和測量、互感線圈的測量等。
目錄
第1章電路的基本概念與基本定律
1.1電路與電路模型
電流流過的迴路叫做電路，又稱導電迴路。最簡單的電路，是由電源、負載、導線、開關等元器件組成。電路導通叫做通路。只有通路，電路中才有電流通過。電路某一處斷開叫做斷路或者開路。如果電路中電源正負極間沒有負載而是直接接通叫做短路，這種情況是決不允許的。另有一種短路是指某個元件的兩端直接接通，此時電流從直接接通處流經而不會經過該元件，這種情況叫做該元件短路。開路（或斷路）是允許的，而第一種短路決不允許，因為電源的短路會導致電源、用電器、電流表被燒壞。
電路（英語：Electrical circuit）或稱電子迴路，是由電器設備和元器件, 按一定方式連線起來，為電荷流通提供了路徑的總體，也叫電子線路或稱電氣迴路，簡稱網路或迴路。如電源、電阻、電容、電感、二極體、三極體、電晶體、IC和電鍵等，構成的網路、硬體。負電荷可以在其中流動。
電路模型是實際電路抽象而成，它近似地反映實際電路的電氣特性。電路模型由一些理想電路元件用理想導線連線而成。用不同特性的電路元件按照不同的方式連線就構成不同特性的電路。
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。
這種抽象的電路模型中的元件均為理想元件。
1.2 電路的基本物理量
1.3線性電阻元件
1.4獨立源和受控源
受控源又稱為非獨立源。一般來說，一條支路的電壓或電流受本支路以外的其它因素控制時統稱為受控源。受控源由兩條支路組成，其第一條支路是控制支路，呈開路或短路狀態；第二條支路是受控支路，它是一個電壓源或電流源，其電壓或電流的量值受第一條支路電壓或電流的控制。受控源可以分成四種類型。
受控源是一種四端元件，它含有兩條支路，一條是控制支路，另一條是受控支路。受控支路為一個電壓源或為一個電流源，它的輸出電壓或輸出電流（稱為受控量），受另外一條支路的電壓或電流（稱為控制量）的控制，該電壓源，電流源分別稱為受控電壓源和受控電流源，統稱為受控源。
1.5基爾霍夫定律
基爾霍夫定律Kirchhoff laws是電路中電壓和電流所遵循的基本規律，是分析和計算較為複雜電路的基礎，1845年由德國物理學家G.R.基爾霍夫（Gustav Robert Kirchhoff，1824～1887）提出。它既可以用於直流電路的分析，也可以用於交流電路的分析，還可以用於含有電子元件的非線性電路的分析。運用基爾霍夫定律進行電路分析時，僅與電路的連線方式有關，而與構成該電路的元器件具有什麼樣的性質無關。基爾霍夫定律包括電流定律（KCL)和電壓定律(KVL)，前者套用於電路中的節點而後者套用於電路中的迴路。
1.6實踐項目 電位、電壓的測定及電點陣圖的繪製
1.7 實踐項目 基爾霍夫定律的驗證
習題
第2章 直流電路的分析與計算
2.1線性電阻網路等效變換
2.2電源等效變換
2.3支路電流法
它是計算複雜電路的方法中,最直接最直觀的方法.前提是,選擇好電流的參考方向.
以支路電流為求解對象的電路計算方法。用此法計算一個具n個節點和b條支路的電路時，因待求的支路電流數為b，故需列出b個含支路電流的獨立方程。根據電路內的支路電流在節點上必須服從基爾霍夫電流定律(KCL)的約束,支路電壓沿迴路必須服從基爾霍夫電壓定律(KVL)的約束（見基爾霍夫定律）,而支路電流和支路電壓在每條支路上又必須滿足該支路的特性方程（即支路的電壓-電流關係，VCR）,可以導出這b個方程。首先，對除參考節點外的所有節點,利用KCL寫方程,可得(n-1)個只含支路電流的獨立方程；對所選定的基本迴路，利用KVL寫方程，可得（b-n+1）個只含支路電壓的獨立方程。再根據各支路的連線形式和所含元件的類型寫出b個既含支路電流又含支路電壓的支路方程。最後利用支路方程消去(b-n+1)個方程中的支路電壓,便得到總數為(n-1)+(b-n+1)=b個只含支路電流的方程。有了這些方程，就可用適當的數字方法求解。
用支路電流法計算電路的具體步驟是：①為電路的支路電壓和支路電流選定參考方向。選一個節點為參考節點，並根據基本迴路的定義（見網路拓撲）選定一組這種迴路（如果電路是平面網路，則可選區域網路孔），最後為這組迴路定好繞行方向。②對除參考點外的所有節點寫出(n-1)個KCL方程。③對基本迴路（或網孔）寫出(b-n+1)個KVL方程。④寫出各支路的方程。⑤將支路方程代入KVL方程，消去電路電壓後，得出(b-n+1)個含支路電流的方程。⑥用適當的數學方法從第1步和第5步得到的(n-1)+(b-n+1)=b個方程組成的方程組中解出支路電流。⑦將求得的支路電流代入支路方程，求出支路電壓。
對於線性電路，套用支路電流法時，電路內不能含有壓控元件構成的支路。因為這種支路的電壓無法通過電流來表達,從而也就無法從KVL方程中消去該支路的電壓。另外，當遇到電路（不管是線性還是非線性）含僅由獨立電流源構成的支路時，最好使用電源轉移法將該電流源進行轉移（見電路變換）以後，再用支路電流法進行計算。算法特點
優點：直觀，所求就是支路電流。
缺點：當支路數目較多時，變數多，求解過程麻煩，不宜於手工計算。
2.4節點電位法
2.5網孔電流法
電路基本分析方法的一種
根據基爾霍夫定律：可以提供獨立的KVL方程的迴路數為b-n+1個，
網孔只是其中的一組。
網孔電流：沿每個網孔邊界自行流動的閉合的假想電流。 一般對於M個網孔，自電阻×本網孔電流 + ∑（±）互電阻×相鄰
網孔電流 + ∑本網孔中電壓升
1、Rii：自電阻
2、Rij ( i≠ j )：互電阻
3、自電阻前面取正號，互電阻前面正負號取決於兩網孔電流在公共支路上方向是否相同
4、Usii：沿網孔電流方向全部電壓升的代數和
5、當電路中無受控源時，Rij =Rji
1、選網孔電流為變數，並標出變數方向（常設為順時針方向）
2、按照規律，採用觀察法列網孔方程
3、解網孔電流
4、由網孔電流計算其它待求量
注意：電流源及受控源的處理
2.6疊加定理、齊性定理與替代定理
疊加定理陳述為：由全部獨立電源線上性電阻電路中產生的任一電壓或電流，等於每一個獨立電源單獨作用所產生的相應電壓或電流的代數和。
線上性電路中，任一支路的電流（或電壓）可以看成是電路中每一個獨立電源單獨作用於電路時，在該支路產生的電流（或電壓）的代數和（疊加）。
線性電路的這種疊加性稱為疊加定理。
也就是說，只要電路存在惟一解，線性電阻電路中的任一結點電壓、支路電壓或支路電流均可表示為以下形式：
y=H1us1+H2us2+…Hmusm+K1is1+K2is2+…+Knisn
式中uSk(k=1,2,…,m)表示電路中獨立電壓源的電壓；
iSk(k=1,2,…,n)表示電路中獨立電流源的電流。
Hk(k=1,2,…,m)和Kk(k=1,2,…,n)是常量，它們取決於電路的參數和輸出變數的選擇，而與獨立電源無關
2.7戴維南定理與諾頓定理
戴維南定理（Thevenin's theorem）：含獨立電源的線性電阻單口網路N，就連線埠特性而言，可以等效為一個電壓源和電阻串聯的單口網路。電壓源的電壓等於單口網路在負載開路時的電壓uoc；電阻R0是單口網路內全部獨立電源為零值時所得單口網路N0的等效電阻
戴維南定理（又譯為戴維寧定理）又稱等效電壓源定律，是由法國科學家L·C·戴維南於1883年提出的一個電學定理。由於早在1853年，亥姆霍茲也提出過本定理，所以又稱亥姆霍茲-戴維南定理。其內容是：一個含有獨立電壓源、獨立電流源及電阻的線性網路的兩端，就其外部型態而言，在電性上可以用一個獨立電壓源V和一個鬆弛二端網路的串聯電阻組合來等效。在單頻交流系統中，此定理不僅只適用於電阻，也適用於廣義的阻抗。
對於含獨立源，線性電阻和線性受控源的單口網路（二端網路），都可以用一個電壓源與電阻相串聯的單口網路（二端網路）來等效，這個電壓源的電壓，就是此單口網路（二端網路）的開路電壓，這個串聯電阻就是從此單口網路（二端網路）兩端看進去，當網路內部所有獨立源均置零以後的等效電阻。
uoc 稱為開路電壓。Ro稱為戴維南等效電阻。在電子電路中，當單口網路視為電源時，常稱此電阻為輸出電阻，常用Ro表示；當單口網路視為負載時，則稱之為輸入電阻，並常用Ri表示。電壓源uoc和電阻Ro的串聯單口網路，常稱為戴維南等效電路。
當單口網路的連線埠電壓和電流採用關聯參考方向時，其連線埠電壓電流關係方程可表為：U=R0i+uoc
諾頓定理(Norton's theorem)：含獨立源的線性電阻單口網路N，就連線埠特性而言，可以等效為一個電流源和電阻的並聯。電流源的電流等於單口網路從外部短路時的連線埠電流isc；電阻R0是單口網路內全部獨立源為零值時所得網路N0的等效電阻。
諾頓定理與戴維南定理互為對偶的定理。定理指出，一個含有獨立電源線性二端網路N(圖1a), 就其外部狀態而言,可以用一個獨立電流源isc和一個鬆弛二端網路N0的並聯組合來等效(圖1b)。其中，isc是網路N的短路電流，鬆弛網路N0是將網路 N中的全部獨立電源和所有動態元件上的初始條件置零後得到的網路。上述並聯組合稱為諾頓等效網路。在復頻域中等效網路由電流源Isc和運算元阻抗Yi(s)並聯而成（圖2）。Isc(s)是短路電流的拉普拉斯變換，Yi(s)是鬆弛網路N0的入端（策動點）導納。另外，還能導出網路N用於正弦穩態分析和直流分板的等效網路。
求等效電路的關鍵是求出網路N的短路電流和網路N0的入端（策動點）導納。它們均可通過電子計算機求得。
isc稱為短路電流。Ro稱為諾頓電阻，也稱為輸入電阻或輸出電阻。電流源isc和電阻Ro的並聯單口，稱為單口網路的諾頓等效電路。在連線埠電壓電流採用關聯參考方向時，單口的VCR方程可表示為i=u/Ro+ isc
2.8最大功率傳輸定理
最大功率傳輸定理（maximum power tramsfer，theorem on）是關於使含源線性阻抗單口網路向可變電阻負載傳輸最大功率的條件。定理滿足時，稱為最大功率匹配，此時負載電阻（分量）RL獲得的最大功率為：Pmax=Uoc^2/4R0。
最大功率傳輸定理是關於負載與電源相匹配時，負載能獲得最大功率的定理。定理分為直流電路和交流電路兩部分，內容如下所示。
直流電路
含源線性電阻單口網路(Ro>0)向可變電阻負載RL傳輸最大功率的條件是：負載電阻RL與單口網路的輸出電阻Ro相等。滿足RL=Ro條件時，稱為最大功率匹配，此時負載電阻RL獲得的最大功率為：Pmax=Uoc^2/4R0。
交流電路
工作於正弦穩態的單口網路向一個負載ZL=RL+jXL供電，如果該單口網路可用戴維寧(也叫戴維南)等效電路(其中Zo=Ro+jXo,Ro>0)代替，則在負載阻抗等於含源單口網路輸出阻抗的共軛複數（即電阻成份相等，電抗成份只數值相等而符號相反）時，負載可以獲得最大平均功率Pmax=Uoc^2/4R0。這種匹配稱為共軛匹配，在通信和電子設備的設計中，常常要求滿足共軛匹配，以便使負載得到最大功率。
滿足最大功率匹配條件(RL=Ro>0)時，Ro吸收功率與RL吸收功率相等，對電壓源uoc而言，功率傳輸效率為h=50%。對單口網路N中的獨立源而言，效率可能更低。電力系統要求儘可能提高效率，以便更充分地利用能源，不能採用功率匹配條件。但是在測量、電子與信息工程中，常常著眼於從微弱信號中獲得最大功率，而不看重效率的高低。
使用最大功率傳輸定理的注意事項：
1、最大功率傳輸定理用於一連線埠網路的功率給定，負載電阻可調的情況；
2、一連線埠網路等效電阻消耗的功率一般不等於連線埠網路內部消耗的功率，因此當負載獲取最大功率時，電路的傳輸效率並不一定等於50%；
3、計算最大功率問題結合套用戴維寧(也叫戴維南)定理或諾頓定理最方便。
2.9實踐項目 驗證疊加定理和替代定理
2.10實踐項目 測試有源二端網路和驗證戴維南定理
習題
第3章 動態電路的時域分析
3.1 動態元件
動態元件
dynamic element
在一階電路中,電容元件和電感元件這兩種元件的電壓和電流的約束關係是通過導數或積分來表達的,所以稱為動態元件. 即用微分的u~i關係來表征.
含有一個動態元件電容和一個電阻或一個動態元件的電感和一個電阻的電路,即為RC電路或RL電路,通稱為一階動態電路.
3.2 換路定律及初始值的確定
3.3一階電路的零輸入回響
3.4一階電路的零狀態回響
3.5 一階電路的全回響
3.6階躍函式和階躍回響
3.7 實踐項目 一階電路的回響測試
習題
第4章 正弦交流電路
4.1正弦量的基本概念
正弦波
頻率成分最為單一的一種信號，因這種信號的波形是數學上的正弦曲線而得名。任何複雜信號——例如音樂信號，都可以看成由許許多多頻率不同、大小不等的正弦波複合而成。
我們可以設一個函式為 y=sin X，當 X 分別取 0、30、60、90、120、150、180 時，Y 數值分別為 0、.5、.8660、1、.8660、.5、0。在坐標系中畫出對應的點就可以得出正弦波的圖像了。該圖像有一個特點，就是周期性變化，例如 X = 0 時，Y = 0，X = 180 時， Y = 0；若 X 取值【180~360】，則我們可以看到，圖像正好與原來的相反（在第四象限）。這就是正弦波的圖像了。
正弦量
電路中按正弦規律變化的電壓或電流，統稱為正弦量。
補充說明:餘弦波形式的電流或電壓,也叫正弦量.
4.2正弦量的相量表示
4.3 正弦交流電路中的元件
4.4 正弦交流電路的分析
4.5 正弦交流電路的功率
4.6 正弦交流電路中的諧振現象
4.7 實踐項目 交流電路的測量
4.8 實踐項目 並聯電容提高功率因數
4.9 實踐項目 選頻電路設計實現
習題
第5章 三相交流電路
5.1三相交流電源
5.2對稱三相電路的計算
5.3不對稱三相電路的概念
5.4三相電路的功率及其測量
5.5實踐項目 三相電路的聯接和測量
習題
第6章 互感電路及磁路
6.1 互感電路的基本知識
6.2互感電路的計算
6.3磁路的基本知識
6.4 磁路的分析
6.5實踐項目 互感線圈的測量
習題
第7章 線性動態電路的復頻域分析
7.1拉普拉斯變換及其性質
7.2拉普拉斯反變換
7.3動態線性電路的復頻域模型
7.4 線性電路的復頻域法求解
習題
第8章 非正弦周期電流電路穩態分析
8.1非正弦周期函式的傅立葉級數展開式
8.2非正弦周期量的基本知識
8.3 非正弦周期電流電路的穩態分析
習題
附錄Multisim8.0與電路仿真
習題答案
參考文獻
