电路基础知识——打下硬件基础

电路的研究方式：

从电路模型出发，研究电路基本理论、分析方法以及工程技术中典型类电路的特点和规律。 

电路的四类知识

基础知识

电路模型，电路基本物理量，电路基本元件，基尔霍夫定律，磁路的基础知识。。。

工具知识

支路电流法，网孔电流法，节点电压法，叠加定理，二端网络的等效变换，戴维南定理，诺顿定理。。。

应用知识

电路的暂态分析，正弦交流电路的稳态分析，电路的频率响应分析，耦合电感电路及双口网络。。。

技能知识

电工测量与安全用电知识，常用电工仪器的使用方法，基本实验技能，获取新知识的技能 。。。

本文仅涉及第一类“基础知识”

电路模型

电路：电流的通路。

电路由以下三个部分组成：

1、电源

2、负载

3、导线、开关

将以上电路建模，如下：

其中Rs是电源的寄生等效电阻。

那么，什么是电路模型？

一定条件下对实际电路的科学抽象与近似描述，是电气系统的近似数学模型。

基本物理量-电流

电子的定向移动形成电流。

电子本身会永无休止地做着热运动，但还不足以形成电流，当外加电压后，电子之间会因为相互排斥的关系在电路中定向流动，从而形成电流。

电子是从电源负极流向正极，但因为历史原因，正电流定义（注意，是一种定义）的方向和电子流动的方向是相反的，所以正电流的定义中，是从电源正极流向负极（可以看做正电荷从正极流向负极，但别忘了实际上是因为电子运动带来的相对性），因此，在电源内部，可以看做电流是从负极流向正极，从而形成整个的回路。

这个只是理解上面的，实际的问题复杂得多，需要牵扯到麦克斯韦电磁理论、光子理论以及量子理论等等，而这些又不是三言两语能说的清楚的，就不赘述了。

电流强度

单位时间内通过导体横截面的电荷量定义为电流强度，用以衡量电流的大小：i=dq/dt

这里的d是微分中的符号，dq表示电量的极小变化量，dt表示极短的时间，相除就表示单位时间内通过的的电荷量。

基本单位 安培A

辅助单位：毫安
(mA)
微安
(u
A)

电流分类：

直流：DC，一般用大写字母I表示，电流方向不随时间变化

交流：
AC，一般用小写字母i表示，
电流方向随时间变化

如果只从定义上来看，直流和交流的区别就是电流方向是否改变。

但是，另外还有一些电流，方向不变，但是大小改变，比如单方向的正弦波，单方向的方波。就拿单方向的方波来说，从定义上来看是直流电，很多地方称它为脉冲直流电，但同时，它也具备交流电的一些特点，比如有频率，能过电容。这样一来，就很难归类了。

既然不好归类，那就统一按照定义来，是直流电，看做是一种特殊的直流电。

还有一类单方向的正弦波形，可以称作脉动直流电。

另外，在很多场合中，我们所说的直流电就是恒定直流电。

转成直流电，就是指转成恒流电。

不必过于纠结到底是直流还是交流。

基本物理量-电压

电路中a、b两点间的电压，是指单位正电荷从a点移到b点电场力所做的功。

单位伏特V，辅助单位：千伏（kV）、毫伏（mV)和微伏(uV)

在规定中，正电压方向是电位降低的方向。

电位

电路中，电场力将单位正电荷从电路中某点移到参考点所作的功定义为该点的电位。

从定义可以看出，电位大小和参考点有关。

参考点，通常都规定为零电位点，电路中常见的就是接地点，通常是以电源负极作为参考点。

虽然电位是个相对值，但电压是个绝对值。

也就是说，电位值会根据不同的参考点而有所不同，但是电压值是两点的电位差，是个绝对值。这就是电压和电位的关系。

因为引入了电位的概念，所以我们通常在电路模型中将电源符号省略，从而采用电位的标注方法，如下所示：

基本物理量-功率

P=U*I=I*I*R

p >
0
元件吸收（消耗）功率，比如电阻；

p
< 0
元件发出（产生）功率，比如电源，电压方向从正到负，电流方向从负到正，反向；

基本元器件

电路元件的分类

按引出端（子）的数目分，可分为二端元件与多端元件

从能量角度分，分为无源元件和有源元件

无源元件：从不向外电路提供能量的元件

三大无源器件：

其中：

电阻是耗能元件；

电容和电感是储能元件

注意：理想电容不消耗能量、理想电感不消耗能量，但实际会有寄生电阻。

关于电阻、电容和电感，会有专门文章介绍，此处不赘述。 

有源元件

有源元件：能够提供能量的元件。

有源元件分为两类：

受控源；

独立电源；

从是提供电压还是提供电流又可以分为：

电压源；

电流源；

从而，可以衍生出4种：

受控电压源；

受控电流源；

独立电压源；

独立电流源；

理想独立电压源

端口电压始终保持给定的电压
U
s
/u
s
(
t
)
，而与通过它的电流无关的二端元件。

比较常见的有干电池。

实际独立电压源

理想独立电流源

从实际电源抽象出来的一种模型，是一种能够产生电流的装置。

端口电流始终保持给定的电流
I
s
/
i
s
(
t
)
，而与它的端口电压无关的二端元件。

实际独立电流源

为什么是并联一个电阻？因为如果是串联一个电阻，那么电流就和两端电压有关了。

受控源，以集成运放为例，输出电压/电流受输入电压/电流的控制。具体略。

基尔霍夫定律

先了解常用术语。

支路(BRANCH)： 电路中通过同一个电流的一段路径。

节点(NODE)： 三条或三条以上支路的连接点。

注意，如果两点的电位是一样的，那么，属于同一节点，比如：

回路(LOOP)：
电路中任一闭合路径。

网孔(MESH)：
电路中未被其它支路分割的最简回路。

平面电路(PLANAR CIRCUIT)和非平面电路

平面电路：能画在平面上不出现任何交叉现象的电路。

基尔霍夫电流定律（KCL）

对于集总参数电路中的任一节点，在任一时刻，流进该节点的电流代数和为零。

流出的算作负流入。

换种说法就是：

在任一瞬时，流入任一节点的电流之和等于从该节点流出的电流之和。

由此可知，同一支路上的电流处处相等，并联电路的电流按照支路电阻大小反比例分配（阻碍越小，流入的越多）。

基尔霍夫电压定律（KVL）

集总参数电路，在任一时刻，沿任一回路绕行一周，各支路（元件）电压降的代数和为零。

也就是说，任一时刻，任一回路上的电位升之和等于电位降之和。

由此可知，电路中，电源电压绝对值等于所有负载电压之和；

注意：

对回路中各支路电压要规定参考方向。

设定回路的绕行方向，选顺时针绕行和逆时针绕行均可。绕行中，遇到与绕行方向相反的电压取负号。

KVL实质上是能量守恒原理在集总电路中的体现。

KCL和KVL是集总参数电路的基本规律。 是元件互连的拓扑约束关系（非元件约束）。

到底什么是接地？

接地并非是一种东西，而是一种措施。

当我们看到山川时，我们会有一个想法，这些大山有多高？想要知道山有多高，很简单，看看百度地图，简单地搜索一下就可以了。然而这里有一个重要的前提，就是要确定零高程点。

我国是以青岛验潮站求得的1956年黄海平均海水面作为“全国统一高程基准面”。

电路也是如此。在电路里，我们必须知道电路中的零电位参考点。我们看下图：

电路里有了零电位参考点，我们就可以求得电路各点处的电压。例上图中，B点的电位是零，A点的电位是+8V，而C点的电位是-2V。

我们把电路的零电位参考点叫做参考地，它的电位就是零。所谓接地，指的就是与参考地相接。

注意，图中的零电位参考点设置在正、负电源的中间。事实上，它可以设置在电路的任意点。然而，如此设置的零电位点与大地零电位之间存在一定的电压差。所以，电路的零电位参考点电压相对大地的零电位是悬浮的。如果我们把电路的零电位参考点与大地直接相接，则电路零电位参考点的电位就是真正意义上的零电位。

对于一般的电器，例如手机，我们没有必要把它内部电路板上的零电位参考点与大地相接。为何？手机的电路尺寸有限，零电位参考点不接地，不会有什么问题。但对于配电系统来说，它的电流大，电压也高，系统必须满足工作接地的要求。

现在，我们来考虑另外一个问题。

当我们手边的用电电器，突然发生相线对金属外壳的短接，如果恰好有人在触摸这台电器，那么此人就必定会被电击。如何保障人体的用电安全？这时我们就要采取一项专门措施，就是把用电电器的金属外壳接大地，简称接地。

为何要接大地？因为我们都站在大地上，或者站在某个与大地等电位的楼层上。如果用电电器的外壳能与大地等电位，则即便发生了碰壳事故，用电设备的外壳依然保持大地的电位，确保我们的人身安全。

我们在中学都读过法拉第的笼子。法拉第站在接了高压电的笼子里，为何不会被电击？因为金属笼子是等电位的，法拉第在笼子里无论触碰何处，因为不存在电势差，所以不会被电击。同样的道理，如果用电电器的外壳接大地，而我们人体又站在大地上，尽管我们触碰了带电的用电电器金属外壳，但我们不会被电击。这就是保护接地和接地体等电位联结的意义。

现在，我们就可以建立接地的概念了。

接地有两种，第一种是为了给电路构建零电位参考点，我们把这种接地叫做系统接地，又叫做工作接地；我们把用电设备的外壳与大地连接，以确保人身安全，我们把这种接地叫做保护接地。

工作接地和保护接地的统一体，叫做接地形式。