[工学]电路分析第1章.ppt

1,课程简介,1.课程内容 电路的基本概念：电压、电流、电功率 基本原理：基尔霍夫定律、叠加定理 分析方法：支路电流法、结点电压法 分析求解各种电路：直流电路、一阶电路,2.重要性 电类专业基础课。考研课程。,课程名称：电路，电路分析，电路原理， 工程电路理论,已知电路图求电压、电流、功率等物理量 的大小和方向。,2,3.学习方法 基础课，理论性强，电路模型（要用到中学物理电学部分，高等数学的基础知识）。,思考问题的方式要改变。 例如：电流的参考方向，电源的电流方向。,学习环节： 看书（包括自学）、听课、做习题、做实验。,3,第1章 电路模型和电路定律,1.6 电压源和电流源,1.2 电流和电压的 参考方向,1.1 电路模型,1.7 受控电源,1.4 1.5 电路元件 电阻元件,1.3 电功率和能量,1.8 基尔霍夫定律,4,1.1 电 路 和 电 路 模 型,一、 电路的组成及功能,电路由实际元器件构成的电流的通路。,可将其他形式的能量转换成电能，向电路提供电能的装置。,可将电能转换成其他形式的能量，在电路中接收电能的设备。,电源和负载之间不可缺少的连接、控制和保护部件统称为中间环节，如导线、开关及各种继电器等。,例如手电筒电路、房间照明电路、手机,5,(1) 实现电能的传输、分配与转换,(2)实现信号的传递与处理,电路的功能：,6,电源:提供 电能的装置,负载: 取用 电能的装置,中间环节：起传递、分 配和控制电能的作用,7,直流电源: 提供能源,信号处理： 放大、调谐、检波等,负载,信号源: 提供信息,电源或信号源的电压(电流)称为激励（输入），它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应（输出）。,8,二、 电路模型,为了便于用数学方法分析电路,一般要将实际电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。,电源,负 载,负载,S,中间环节,手电筒的实际电路,手电筒的电路模型,电流 功率,9,白炽灯的电路模型可表示为：,实际电路器件品种多，电磁特性多元而复杂，,如,直接画在电路图中困难而繁琐，且不易定量描述。,R,L,消耗电能的电特性可用电阻元件表征,产生磁场的电特性可用电感元件表征,由于白炽灯中耗能的因素远大于产生磁场的因素，因此L 可以忽略。,理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似，其电特性惟一、精确，可定量分析和计算。,白炽灯电路,10,电流强度 单位时间内通过导体横截面的电荷量。,直流情况下：,1.2 电流和电压的参考方向,一、电流,电流是一个有方向的物理量，仅指出大小是不够的，规定以正电荷移动的方向为电流的真实方向。,电荷有规则的定向移动形成电流。电流的大小用电流强度表征，定义为：,1A=103mA=106A=109nA,电流的国际单位制是安培【A】，较小的单位还有毫安【mA】和微安【A】等，它们之间的换算关系为：,11,直流情况下,二、电压,电压的定义是：电场力把单位正电荷从电场中的一点移到另一点所做的功。其表达式为：,注意：变量用小写字母表示，恒量用大写字母表示。,电压的国际单位制是伏特V，常用的单位还有毫伏mV和千伏【KV】等，换算关系为：,1KV=103V=106mV=109V,通常规定电压的正方向由高电位指向低电位，因此电压又称作电压降。,从工程应用的角度来讲，电路中电压是产生电流的根本原因。数值上，电压等于电路中两点电位的差值。即：,12,三、电压、电位和电动势,a,b,+ U ,13,电位是一种由电路中的位置所确定的势能，具有明显的相对性其高低正负取决于电路参考点。 理论上电路参考点的选取是任意的，但实际应用中经常以大地作为零电位点。 通常，设备和仪器的底盘或机壳与接地装置相连，故常选取机壳作为电路参考点；电子技术中为分析方便，常把设备的公共连接点作为电路参考点。,某点电位在数值上等于该点与参考点之间的电压。当电路参考点改变时，该电位随参考点发生变化，但两点之间的差值（电压）不会发生改变。,电压和电位的关系：Uab=VaVb,14,电压、电位和电动势的区别,电压和电位是衡量电场力作功本领的物理量，电动势则是衡量电源力作功本领的物理量；电路中两点间电压的大小只取决于两点间电位的差值，是绝对的量；电位是相对的量，其高低正负取决于参考点；电动势只存在于电源内部。,15,基本物理量方向的规定,16,(2) 参考方向的表示方法:,(1) 参考方向,在分析与计算电路时，对电流和电压任意假定的方向。,四、 电流和电压的参考方向,17,实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值为正值； 实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。,(3) 实际方向与参考方向的关系,注意： 在参考方向选定后，电流 ( 或电压 ) 值才有正负之分。,若 I = 5A，则电流从 a 流向 b；,例：,若 I = 5A，则电流从 b 流向 a 。,若 U = 5V，则电压的实际方向从 a 指向 b；,若 U= 5V，则电压的实际方向从 b 指向 a 。,18,为什么要引入参考方向？,19,五、关联参考方向,电压与电流的参考方向一致，称为关联参考方向。 电压与电流的参考方向不一致，称为非关联参考方向。,20,电源和负载的区分,U、I实际方向相反时元件是电源。,元件究竟是电源还是负载，应由元件上电压、电流的实际方向决定：实际方向相同时，元件是负载；实际方向相反时，元件是电源(如上图)。 也可以根据消耗功率的正负判别。,U、I实际方向相同时，元件是负载,21,1.3 电功率和能量,电流能使电动机转动、电炉发热、电灯发光，说明电流具有做功的本领。电流做的功称为电功。做功的同时必然伴随着能量的转换，因此电功的大小可以用能量来量度，即：,式中单位：U【V】；I【A】；t【s】时，电功W为焦耳【J】,若U【KV】；I【A】；t【h】时，电功W为度【KWh】。,1度电的概念,1000W的电炉加热1小时；,40W的灯泡照明25小时。,电度表就是用来测量电功的装置。只要电器工作，电度表就会转动并显示耗电的多少，显然，电功的大小不仅与电压、电流的大小有关，还取决于用电时间的长短。,对于直流: W=UIt,22,单位时间内电流做的功称为电功率，用“p ”表示：,国际单位制：U 【V】，I【A】，电功率P用瓦特【W】。,电器铭牌数据上的电压、电流、功率值称为额定值。所谓额定值是制造厂为使产品在给定的工作条件下正常运行而规定的正常允许值，一般在出厂时标定。 实际值不允许超过额定值，但不一定等于额定值。,对于直流：P=UI,23,P0，说明元件确实吸收功率。,例: U = 5V， I = - 1A,P= UI = 5 (-1) = -5 W,功 率 的 计 算,1. u、i取关联参考方向时，p = u i 0 表示吸收功率,2. u、i取非关联参考方向， p = u i 0 表示发出功率,例 ： U = 5V， I = - 1A,P= UI = 5 (-1) =-5 W,P0，说明元件确实发出功率。,24,仔细读懂下面例题,右下图电路，若已知元件功率为20W，电压U=5V，求电流I。,由图可知UI为关联参考方向，因此:,右下图电路，若已知元件中电流为I=100A，电压U=10V，求电功率P，并说明元件是电源还是负载。,由图可知UI为非关联参考方向，因此:,发出的功率为负值，说明元件是负载。,25,电路原理主要针对由理想电路元件构成的集总参数电路进行分析和计算，其中的电磁现象可以用数学方式来精确地分析和计算。,集总参数电路元件：,元件发生的电磁过程都集中在元件内部进行，其次要因素可以忽略的理想电路元件；任何时刻从元件两端流入和流出的电流相等且元件端电压值确定。,1.4 电路元件,1.5 电阻元件,26,理想电路元件分有有源和无源两大类,电阻元件 只具耗能的电特性,电容元件 只具有储存电能的电特性,理想电压源 输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定,理想电流源 输出电流恒定，两端电压由它和负载共同决定,无源二端元件,有源二端元件,电感元件只具有储存磁能的电特性,27,电阻元件,电阻有线性电阻和非线性电阻之分。 线性电阻元件的电压、电流关系符合欧姆定律， 即： u=Ri 电阻的单位为欧姆（），1M=103K=106 电阻的倒数称为电导（其单位为：西门子S）,电阻产品实物图,28,欧姆定律是德国物理学家乔治欧姆（1787年1854年）在1826年发现的，是我们分析电路的主要的理论依据。,1）U=RI为关联方向得出的：,2）U= - RI为非关联方向：,使用时应注意：,29,电阻元件的电压、电流关系反映电阻的特性，称为伏安特性。 线性电阻的伏安特性为一条通过原点的直线（即线性关系）。,开路：不管u为何值，i恒等于零。相当于R=。 短路：不管i为何值，u恒等于零。相当于R=0。,非线性电阻的伏安特性不是一条通过原点的直线，一般为曲线。,30,电阻的电能,电阻元件通过电流就会发热，消耗的能量 全部转换为热能：,当 u、i取关联参考方向时，电阻消耗的功率为：,31,1.6 电压源和电流源,电源有两种电路模型。用电压形式表示的称为电压源，用电流形式表示的称为电流源。,一、 理想电压源,2. 特点：,能独立向外电路提供给定电压的二端元件。,输出电压（端电压）由自身确定，不受外电路影响；电流大小由电压源和外电路共同决定。,1. 定义及图形符号：,其端电压为：u(t) = us(t),32,3.伏安特性： 平行于电流轴的直线。,恒压源的伏安特性：,对于非恒压源，当us(t)随时间变化时，平行于电流轴的直线位置也相应改变。,正弦电压源:,Um称为正弦电压的最大值,33,开路,4.理想电压源的开路与短路：,短路,理想电压源 不允许短路！,5.理想电压源上的功率计算：,发出的功率为：p = us(t)i(t),34,二、 理想电流源,电路符号:,1. 定义及图形符号：,能独立向外电路提供给定电流的二端元件。,2. 特点：,输出电流由自身确定，不受外电路影响；而端电压大小由电流源和外电路共同决定。,其输出电流为：i(t) = is(t),35,3.伏安特性： 平行于电压轴的直线。,恒流源的伏安特性：,对于非恒流源，当is(t)随时间变化时，平行于电压轴的直线位置也相应改变。,36,开路,4.理想电流源的开路与短路：,短路,5.理想电流源上的功率计算：,理想电流源 不允许开路！,光电池、稳流三极管一般可视为实际电流源。,发出的功率为：p = u (t)is(t),37,1.7 受控电源,1. 定义,2. 电路图形符号,受控源的电压或电流不象独立源是给定函数，而是受电路中某部分电压（或电流）的控制。,受控源和独立源的相同点：两者都是电源，可向负载提供电压或电流。,受控源和独立源的不同点：独立电源的电动势或电流是由自身决定的，其大小、方向和电路中的其它电压、电流无关；受控源的电压或电流，受电路中某个电压或电流的控制，它不能独立存在，其大小、方向由控制量决定。,38,受控源分类, g r 为控制系数 没有单位 g是电导的单位；r是电阻的单位,39,先求控制电压U1,U1=25V=10V,则有,求电路中的电流I。已知U2=0.5U1 , IS=2A,40,1.8 基尔霍夫定律,基尔霍夫定律包括电流定律（KCL）和电压定律（KVL）两个定律。 欧姆定律阐明了线性电阻元件上电压、电流之间的相互约束关系（VCR），明确了元件特性只取决于元件本身而与电路的连接方式无关这一基本规律。 基尔霍夫定律解决了电路结构上整体的规律， 是集总电路必须遵循的，具有普遍性。 基尔霍夫两个定律和欧姆定律合称为电路的三大基本定律。,41,一、 几个常用的概念,b=3,l=3,n=2,1.支路：电路中流过同一电流的几个元件串联的分支。 （支路数b）,2.结点：支路的连接点。（结点数n）,3.回路：由支路构成的闭合路径。(回路数l）,4.网孔：不再包含其它支路的单一回路。网孔是回路，回路不 一定是网孔。平面电路的每个网眼都是一个网孔。,网孔=2,42,二、 电流定律（KCL）,KCL: 任何时刻，对任一结点，（流出该结点的）电流的代数和恒等于零。,KCL用来确定连接在同一结点上的各支路电流之间的关系。,根据：电流连续性原理，电荷在结点上不能堆积。,a,I1 + I2 I3 I4 = 0,若以指向结点的电流为正，背向结点的电流为负，则根据KCL，对结点 a 可以写出：,应用KCL解题时，要先指定各结点电流的参考方向。,43,求左图示电路中电流i1、i2。,整理为： i1+ i3= i2+ i4,可列出KCL方程：i1 i2+i3 i4= 0,i1i2+10 +(12)=0 i2=1A, 4+7+i1= 0 i1= 3A,其中i1得负值，说明它的实际方向与参考方向相反。,可得KCL的另一种形式i入=i出,44,KCL 推广应用,仍有 I = 0,IA + IB + IC = 0,可见，在任一瞬间通过任一封闭面的电流的代数和也恒等于零。,对A、B、C 三个结点 应用KCL可列出：,IA = IAB ICA,IB = IBC IAB,IC = ICA IBC,上列三式相加，便得,45,KCL的推广应用,二端网络的两个对外引出端子上电流相等，一个流入、一个流出。,只有一条支路相连时： i =0。 例如P20图112,46,三、 电压定律（KVL）,基尔霍夫电压定律（KVL）是用来确定回路中各段电压之间关系的电路定律。,根据：电位的单值性原理。绕回路一周，电位升高的数值必定等于电位降低的数值。,KVL: 任何时刻，沿任一回路指定绕行方向，回路中所有电压的代数和恒等于零。,数学表达式： u = 0,47,得：-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0,R1I1US1+R2I2R3I3+R4I4+US4=0,R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4,注意：列KVL方程时，首先要指定回路的绕行方向，凡电压的参考方向与绕行方向相同的取“+”值，参考方向与绕行方向相反的取“-”值。,48,可以根据电位和电压的定义说明KVL,UAB=U1+U2+U3,UAB=U1+U2+U3？,49,UAB=VAVB,UBC=VBVC,UCD=VCVD,UAD=VAVD=UAB+UBC+UCD,UAB+UBC+UCD-UAD=0 (KVL),UAD=UAE+UED,电路中任意两点的电压，与绕行路径无关。,推论：,求任意两点a、b之间的电压 在这两点之间找一条路径，方向从a到b， Uab等于这条路径上各段电压的代数和。某段电压方向与路径方向相同取正，否则取负。,50,UAB 沿左和沿右计算结果相同,UAB=U2+U3,UAB=US1+U1US4 U4,51,例：,对网孔abda：,对网孔acba：,对网孔bcdb：,R6,I1 R1 I3 R3 +I6 R6 = 0,I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0,I3 R3 +I4 R4U = 0,对回路 adbca，沿逆时针方向循行：, I1 R1 I2