清华大学电路基础第一章.ppt

1,电路基础绪论,课程性质、任务 课程基本内容 电路基础课程的核心问题及其研究方法,2,课程性质、任务,本课程电工技术的一门基础课，在电子技术的各个应用领域具有广泛的应用，是电气和电子类专业的基础理论。通过本课程学习，要求掌握电路的基本模型及解决电路问题的基本规律，掌握电路分析的基本理论，了解工程应用中的主要问题，具备电路分析的实践应用能力。,3,课程基本内容,电路的模型化 电路参量及其满足的基本规律 各种电路的基本模型及其分析方法 实践应用,4,电路基础的核心问题及其研究方法,本课程的核心问题是电路基础理论的掌握。特点是理论性强，概念多而抽象。 研究方法是理论联系实际，限于学时侧重于基本概念和基本方法的掌握。 习题作业用于巩固课堂讲授内容，学生可通过认真独立完成作业，加强理论分析能力，并辅助理解相关的基本概念 本课程安排一定量的实验，实现理论与实验结合，以加深电路基本理论的理解。,5,第1章 电路和基尔霍夫定律,6,1.1 实际电路和电路模型化,实际电路和电路模型比较,7,1.1.1实际电路,设计实际电路为了实现某种特定功能 谐振电路、调制电路和放大电路等 实际电路一般由电路器件和联接导线组成，它提供了电流流通的途径，具有传输电能、信号处理、计算和自动化控制等功能。,1.1 实际电路和电路模型化,8,手机接收基本原理图,1.1 实际电路和电路模型化,世界上第一枚0.13微米工 艺的TD-SCDMA 3G手机基 带芯片高度集成化,9,电源：电能或电信号的发生器 负载：用电设备 激励：电源在电路中产生电压和电流 响应：电源产生的激励通过电路变换，从电路 中输出所需要的电压和电流 输入过程激励；输出过程响应 电路的作用：将激励（输入）处理成所要的响 应（输出）,1.1 实际电路和电路模型化,10,从功和能的角度观察电路 伴随电流在电路中流通，电路完成了电能和其他形式的能（比如化学能、太阳能等）的转化以及电能的传输、分配和储存过程。 电路可看成由电源、负载和联接导线三部分组成，电源将其他能转化成电能供给电路，负载吸收电能，而联接导线负责电能的传输和分配。,1.1 实际电路和电路模型化,11,1.1.2 电路模型化,1.1 实际电路和电路模型化,理论模型的特点 反映事物的主要问题 由模型得到的分析结果与实际测量进行比较，二者误差应在要求的范围之内 模型的建立存在着前提条件的限制，要分清主次因素的影响，理论模型是否合理最终要接受实践的检验。,12,1.1.2 电路模型化,1.1 实际电路和电路模型化,电路模型 实际电路中电路元件模型化 将电路元件用模型来替代得到电路模型 电路模型的特点 电路元件的模型化是电路模型化的关键 模型化的电路元件是构成电路模型的最小单元，它是在一定条件下抽象出来的足以反映实际元件电磁性质的理想器件。,13,一个实际电路的模型化举例,1.1 实际电路和电路模型化,14,一个实际电路的模型化举例,1.1 实际电路和电路模型化,电源的模型化：分清主次 考虑电源能够提供多大电动势，而不考虑它的内部如何产生电动势。 电阻的模型化：集总 集总原件：实际电源内部存在电阻，且电阻沿着整个电池分布。在电路模型中，我们把它抽象为一个电阻，电阻特性集总在一点上。,15,1.1 实际电路和电路模型化,整个电路模型化： 电源模型化为一个电压源Us和一个电阻元件Rs串连。 负载小灯泡，考虑到它是一个发热发光元件，主要特点是消耗电能，将它模型化为一个集总电阻元件。,16,1.1 小结,整个电路的模型化带给我们的思考： 电路进行模型化时要具体问题具体分析。 一段金属导线，有时传直流电时可以近似为理想导线，但当传送高频交变信号时，不能再近似成理想导线。 电路模型化要适当。 电路模型化的目的是简化实际电路的分析和设计，模型建立适当，电路的分析和计算结果就会较好的反映实际情况。判定一个模型是否可取，取决于该模型的理论分析和计算结果是否在容差范围之内。模型太复杂，会造成分析困难，计算难度大；模型太简单，又会造成很大误差。,17,1.1 思考题,一个由金属导线缠成的线圈，如果两端分别接直流电源和交流电源，线圈模型化时有何不同？,18,1.2 电路参量,1.2.1 电流及参考方向,电流定义：单位时间内流过元件的电荷量,国际单位制（SI）中，电量单位为库仑（大写C表示）；时间单位是秒（小写s表示）；电流单位为安培，（大写A表示）,19,1.2 电路参量,电流参量特点： 即时性：电路中电流可随时间变化而变化 流向性：电流具有一定的流向 参考方向：电流方向可能无法预知，可先假定一个方向为电流方向，这个假定的方向称为电流的参考方向。 参考方向的任意性：在电路分析中电流的参考方向可任意选择，但一旦选定，在整个分析过程中就不能改变。 注意：参考方向不一定是电路元件上电流的真实方向。,20,1.2 电路参量,元件上的电流方向、电流参考方向以及电流的大小关系,计算,计算,21,1.2.1 电流参量思考题,思考题：一般我们规定电流的实际方向为正电荷移动的方向，在我们选定参考方向后，计算元件的电流时，电流可能为正，也可能为负，如果算得， ，是否说明该元件电流的大小为-1?负号的真正意义是什么？,22,1.2 电路参量,1.2.2 电压及参考方向,电压的定义：根据电路元件上功能转化分析，正电荷从A点移动到B点时，电场力所作的功：,即为A、B两点间电位差，也称为A点对B点的电压。,23,1.2 电路参量,电压参量特点： 电压为代数量：正值表示A点电位高于B点电位；负值表示A点电位低于B点电位。 高低极性：元件两端的电位有高有低。 参考极性：通常用“”、“”符号分别表示元件两端电位的参考极性，“”表示该端为高电位，“”表示该端为低电位，电压的参考方向为“”指向“”极性。 极性判断：计算结果为正，则真实极性与参考极性相同；反之则真实极性与参考极性相反。,24,1.2 电路参量,参考极性的任意性：元件上电压的参考方向可任意选取，且电压和电流的参考方向可以分别独立选取。 关联选择：电流的参考方向选择为从元件的“”流向“”极性端，电流参考方向与电压参考方向选择一致， 非关联选择；如果不一致，则称为非关联选择。,25,1.2 电路参量,参考极性、真实极性与计算结果关系,注：元件两端参考极性选择的“”、“”和我们日常见到的电路图中某点相对零电位“5伏”或者“5伏”等符号意义不一样，前者的“”和“”是该元件两端电位比较的结果，而后者是和零电位比较的实际电位值。,26,1.2.2 电压参量思考题,思考题：某电路元件两端参考极性“”和“”的选择，是否是和电路中零电位比较得出的？计算得出的实际极性是否是和电路中零电位比较得出的？,27,1.2 电路参量,1.2.3 电功率、电能,功率和能量计算目的：提高能量传输效率和合理地在电路中分配能量。,注：计算没有考虑元件的实际做功过程，认为在时间内做功是均匀的。,平均电功率：,28,1.2 电路参量,即时吸收电功率：,在实际电路中，电路元件上的电压和电流一般随时变化，做功并不均匀。即时功率 与 时刻的电压和电流密切相关。在电路分析中，电流和电压都为代数量，它们的正负由实际方向与参考方向的关系决定。上式推导前提是电流和电压的参考方向为关联选择。 ，表明元件确实吸收电能；反之表明元件确实释放电能。 电流和电压的参考方向为非关联选择时， ，表明元件确实释放电能；反之表明元件确实吸收电能。 。,29,1.2 电路参量应用,例1.2.1：如下图所示电路，已知电阻元件两端电压， ， A点电位高于B点电位，电阻元件 ，试求元件R和电源的功率。,30,1.2 电路参量应用,31,1.2.3 电功参量思考题,思考题：如果将解（一）中的S元件上的电流参考方向改为反向，试求元件R和S的功率。并检验电流参考方向的任意选取是否会改变电路元件的计算结果和实际结果。,32,1.3 基尔霍夫定律,可化简的简单电路,33,1.3 基尔霍夫定律,难于化简的复杂电路,34,1.3 基尔霍夫定律,复杂电路的求解方法基尔霍夫定律 基尔霍夫电流定律（简称KCL） 电压定律（简称KVL）,35,1.3.1 支路、节点和回路,支路：可以包含多个元件，但要求同一支路中的元件只能串联而不能再有分支,无分支电路,三条支路电路：AR1Us1B；AR3B； AR2Us2B,A,B,R1,R2,Us1,Us2,R3,36,1.3.1 支路、节点和回路,节点：三条或三条以上支路的联接点,节点A和节点B,37,1.3.1 支路、节点和回路,回路：由支路构成的闭合路径。 独立回路：回路中至少包含一条其他回路所不包含的支路 独立回路具有相对性,只有两条独立回路,38,1.3.1 支路、节点和回路,支路、节点和回路关系,P：支路数；n:节点数；m：独立回路数,P=6；n=4；m=3,39,1.3.2 基尔霍夫定律,1基尔霍夫第一电流定律（KCL） 任一瞬间，流入电路任一节点的电流等于从该节点流出的电流。 另一种表述： 任一瞬间电路中流出任一节点的各支路电流代数和为零。,40,1.3.2 基尔霍夫定律,参考方向与电流代数表示,41,1.3.2 基尔霍夫定律,KCL应用：,例：桥式电路中 ，,，求解图中电流,解：对于节点a，由支路电流的参考方向和基尔霍夫电流定律得：,求得：,电流真实方向,电流参考方向,42,1.3.2 基尔霍夫定律,任一闭合面KCL,电流真实方向,43,1.3.2 基尔霍夫定律,例：桥式电路中 ，,，求解图中电流,解：选闭合面S如图虚线所示，闭合面有两个通道让电流流入或者流出根据基尔霍夫电流定律：,求得：,44,1.3.2 基尔霍夫定律,2基尔霍夫第二电流定律（KVL） 任一瞬间，沿电路中任一闭合回路的各支路电压的代数和为零,符号选择规则：任意选定一个绕行回路的方向（叫做绕行方向），当支路电压的参考方向（参考极性）与回路的绕行方向一致时，该电压前面取“”号，当支路电压的参考方向（参考极性）与回路的绕行方向相反时，该电压前面取“”号。,45,1.3.2 基尔霍夫定律,绕行方向与电压表示,回路,根据KVL得到：,回路,根据KVL得到：,计算可知： 任意两点间的电压与路径无关,46,1.3.2 基尔霍夫定律,例：已知， ， 求电压 。,KVL应用,47,1.3.2 基尔霍夫定律,48,1.3.3 基尔霍夫定律应用举例,49,1.3.3 基尔霍夫定律应用举例,例: 惠斯登通电桥电路，这个电路可以用于测量电阻等，试推导电桥中电流计、电源和各臂电阻的关系。,本例中共有,个节点，A、B、C和D；,个支路，可以构成独立回路数,三个回路、和，绕行方向如图。,50,1.3.3 基尔霍夫定律应用举例,（1）结合节点，可以列出n-1=3个KCL方程：,（2）结合独立回路数m=3，可以列出3个KVL方程：,回路：,回路：,回路：,51,1.3.3 基尔霍夫定律应用举例,的条件：,6个方程联立解得：,