[工学]ch1电路基本概念.ppt

1. 电压、电流的参考方向 3. 基尔霍夫定律 l 重点： 第1章 电路模型和电路定律 2. 电路元件特性 1.1 电路和电路模型 电的特点 便于转换、输送、控制； 1、电能是一种优良的能量形式 2、电信号是一种良好的信息载体 电的应用技术 电力技术（强电） 电能的产生、输送、分配、转换 电子技术（弱电） 电信号的获取、传输、变换、处理 电力系统中电力系统中 负载：负载： 电路电路 由实际元器件构成的电流的通路电流的通路。 电路组成电路组成 电源：电源：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。 中间环节：中间环节：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。 电路的功能电路的功能 电子技术中电子技术中的电路可对电信号进行传递、变 换、储存和处理。 的电路可对电能进行传输、分配 和转换。 电的应用靠电路来实现 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，实际电路器件品种多，电磁特性多元而复杂， 直接画在电路图中困难而繁琐，且不易定量描述。直接画在电路图中困难而繁琐，且不易定量描述。 i R R L 消耗电消耗电能能的电 特性可用电阻电阻 元件元件表征 产生产生磁场磁场的电 特性可用电感电感 元件元件表征 由于白炽灯中由于白炽灯中耗能耗能 的因素远大于产生的因素远大于产生 磁场的因素磁场的因素，因此，因此 L L 可以忽略。可以忽略。 理想电路元件是实际电路器件的理想化和近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。似，其电特性惟一、精确，可定量分析和计算。 白炽灯电路白炽灯电路 2. 电路模型 (circuit model) 反映实际电路部件的主要电磁 性质的理想电路元件及其组合。 导线 电池 开关 灯泡 电路图 l理想电路元件有某种确定的电磁性能的理想元件， 可以用严格的数学表达式描述。 l电路模型 几种基本的电路元件： 电阻元件：表示消耗电能的元件；u = f (i) 电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件； = f (i) 电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件；q = f (u) 电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件 注 l 具有相同的主要电磁性能的实际电路部件， 在一定条件下可用同一模型表示；（如耗能 元件都可用电阻表示） l 同一实际电路部件在不同的应用条件下，其 模型可以有不同的形式 例 3. 集总参数电路 由集总元件构成的电路 集总元件假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行 集总条件 f(Hz) 5025k100M30G 6000km12km 3m0.01m 分布参数电路 ： 电器件的几何尺寸与其上通过的电压、电流的波长属同 一数量级。必须考虑电磁量的空间分布性。 注 集总参数电路中u、i可以是时间的函数，但与 空间坐标无关 集总参数电路元件的特征集总参数电路元件的特征 （2 2）元件中所发生的电磁过程都集中在元件内）元件中所发生的电磁过程都集中在元件内 部进行，和外界所发生的联系都是通过两端的端部进行，和外界所发生的联系都是通过两端的端 子。任何时刻从元件两端流入和流出的电流恒等子。任何时刻从元件两端流入和流出的电流恒等 ，且元件端电压值确定。，且元件端电压值确定。 （1 1）实际元件的尺寸远小于工作信号频率所对）实际元件的尺寸远小于工作信号频率所对 应的波长；应的波长； 1.2 电流和电压的参考方向 电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能 量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量 是电流、电压和功率。 1. 电流的参考方向 (current reference direction) l电流 l电流强度 带电粒子有规则的定向运动 单位时间内通过导体横截面的电荷量 l 方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向 l 单位 1kA=103A 1mA=10-3A 1 A=10-6A A（安培）、kA 、mA、A 元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能: 实际方向 实际方向 A AB B 问题 复杂电路或电路中的电流随时间变化时， 电流的实际方向往往很难事先判断 l参考方向 i 参考方向 大小 方向(正负） 电流(代数量) 任意假定的一个方向 A B i 参考方向 i 参考方向 i 0i 0 参考方向 U + + 实际方向 + 实际方向 参考方向 U + 0 吸收正功率 (实际吸收) p 0 发出正功率 (实际发出) p 0 发出负功率 (实际吸收) l u, i 取非关联参考方向 + - i u + - i u P吸= ui P发= ui u 与 i 关联时 ， u与 i 不关联时 ， 无论用上面的哪一个公式，其计算结果 若 ，表示该元件吸收功率； 若 ，表示该元件产生功率。 例 5 6 4 1 2 3 I2I3 I1 + + + + + + U6 U5 U4 U3 U2 U1 求图示电路中各方框 所代表的元件消耗或 产生的功率。已知： U1=1V, U2= -3V, U3=8V, U4= -4V, U5=7V, U6= -3V I1=2A, I2=1A, I3= -1A 解 注对一完整的电路，发出的功率消耗的功率 电路元件特性描述：伏安关系（VCR) 1.4 电路元件 有源元件：在任意电路中，在某个时间 t 内，w(t)0 ，供出电能。 无源元件：该元件在任意电路中，全部时间里，吸 收的能量不为负。 即 如电压源 、电流源 等。 如R、L、C 二端元件：只有两个端子的元件（也 称为单口元件），以上所列的均为 二端元件，以后没有专门说明的元 件都是二端元件； 四端元件：有四个端子的元件，当满 足一定条件时成为双口元件，如受 控源、理想变压器、耦合电感等。 + uS R M L1 L2 1.5 电阻元件 (resistor) 2. 线性电阻元件 l 电路符号 R 电阻元件 对电流呈现阻力的元件。其伏安关系用ui 平面的一条曲线来描述： i u 任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件。 1. 定义 伏安 特性 l ui 关系 R 称为电阻，单位： (欧) (Ohm，欧姆) 满足欧姆定律 (Ohms Law) u i l 单位 G 称为电导，单位： S(西门子) (Siemens，西门子) u、i 取关联 参考方向 R u i + 伏安 特性 曲线 为一 条过 原点 的直 线 (2) 如电阻上的电压与电流参考方向非关联 公式中应冠以负号 注 (3) 说明线性电阻是无记忆、双向性的元件 欧姆定律 (1) 只适用于线性电阻，( R 为常数） 则欧姆定律写为u R i i G u 公式和参考方向必须配套使用！ R u i +- 3. 功率和能量 上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。 p u i (R i) i i2 R u(u/ R) u2/ R p u i i2R u2 / R 功率： R u i +- R u i + - 可用功率表示。从 t0 到t电阻消耗的能量： R i u + 4. 电阻的开路与短路 能量： l 短路 l 开路 u i 无源元件 1.6 电源元件 其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其 值与流过它的电流 i 无关的元件叫理想电压源。 l 电路符号 1. 理想电压源 l 定义 + _ (1) 电压源的端电压由电源本身决定， 与外电路无关；与流经它的电流方 向、大小无关。 (2) 流过电压源的电流由外电路决定。 l 理想电压源的电压、电流关系 u i 伏安关系 例 R i - + 外 电 路 电压源不能短路！ 恒压不恒流 l电压源的功率 电场力做功 ， 电源吸收功率。 （1） 电压、电流的参考方向非关联； 物理意义： + _ i u + _ + _ i u + _ 电流（正电荷 ）由低电位向 高电位移动，外力克服电场 力作功，电源发出功率。 发出功率，起电源作用 （2） 电压、电流的参考方向关联； 物理意义： 吸收功率，充当负载 例 + _ i +_ + _ 10V5V 计算图示电路各元件的功率。 解 发出 吸收 吸收 满足：P（发）P（吸） 实际电压源也不允许短路。因其内阻小，若 短路，电流很大，可能烧毁电源。 us u i O l 实际电压源 i + _ u + _ 考虑内阻 伏安特性 一个好的电压源要求 其输出电流总能保持定值或一定 的时间函数，其值与它的两端电压u 无关的元件叫理想电流源。 l 电路符号 2. 理想电流源 l 定义 u + _ (1) 电流源的输出电流由电源本身决定，与外 电路无关；与它两端电压方向、大小无关 (2) 电流源两端的电压由外电路决定 l 理想电流源的电压、电流关系 u i 伏安 关系 恒流不恒压 例 外 电 路 电流源不能开路！ R u - + 实际电流源的产生 可由稳流电子设备产生，如晶体管的集电极电流与负载无 关；光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的 电流等。 l电流源的功率 （1） 电压、电流的参考方向非关联； 发出功率，起电源作用 （2） 电压、电流的参考方向关联； 吸收功率，充当负载 u + _ u + _ 例 计算图示电路各元件的功率。 解 发出 发出-10W，即吸收10W功率 满足：p（发）p（吸） + _ u + _ 2A5V i 实际电流源也不允许开路。因其内阻大，若 开路，电压很高，可能烧毁电源。 is u i O l 实际电流源 考虑内阻 伏安特性 一个好的电流源要求 u + _ i 1.7 受控电源 (非独立源) 电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是 受电路中某个地方的电压(或电流)控制的电源，称受控源。 l 电路符号 + 受控电压源 1. 定义 受控电流源 (1) 电流控制电流源 ( CCCS ) : 电流放大倍数 转移电流比 无量纲 根据控制量和被控制量是电压u 或电流i ，受控源可分 四种类型：当被控制量是电压时，用受控电压源表示；当被 控制量是电流时，用受控电流源表示。 2. 分类 四端元件 双口元件 i1 i2i1 输出：受控部分 输入：控制部分 g: 转移电导，单位为s (2) 电压控制电流源 ( VCCS ) u1gu1 i2 _ + (3) 电压控制电压源 ( VCVS ) u1 + _ u2 _ u1 + - : 电压放大倍数 转移电压比 无量纲 ri1 + _ u2 i1 + - (4) 电流控制电压源 ( CCVS ) r : 转移电阻，单位 例 电 路 模 型 + u1 + u1 （a）VCVS + i1 ri1 （b）CCVS gu1 + u1 （c）VCCS i1 i1 （d）CCCS 受 控 电 压 源 受 控 电 流 源 电压控制型电流控制型 3. 受控源与独立源的比较 (1) 独立源电压(或电流)由电源本身决定，与电路中其它电压、 电流无关，而受控源电压(或电流)由控制量决定。 (2) 独立源在电路中起“激励”作用，在电路中产生电压、电 流，而受控源只是反映输出端与输入端的受控关系，本身不 直接起“激励”作用。 例 求：电压u2。 解 5i1 + _ u2 _ u1=6V i1 + +- 3 1.8 基尔霍夫定律 ( Kirchhoffs Laws ) 基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律 ( KCL )和基尔霍夫电压定律( KVL )。它反映 了电路中所有支路电压和电流所遵循的基本规 律，是分析集总参数电路的基本定律。基尔霍 夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。 1. 几个名词 电路中流过同一电流的几个元件串联的分支 三条或三条以上支路的连接点称 为节点。( n ) b=3 a n=2 b + _ R1 uS1 + _ uS2 R2 R3 （1）支路 (branch) 电路中每一个两端元件就叫一条支路（b） i3 i2 i1 (2) 结点 (node) b=5 由支路构成的、电路中的任意闭合 路径。( l ) 两节点间的一条通路。由支路构成。 对平面电路，其内部不含任何支路的回路称网孔。 l=3 + _ R1 uS1 + _ uS2 R2 R312 3 (3) 路径(path) (4) 回路(loop) (5) 网孔(mesh) 网孔是回路，但回路不一定是网孔 2. 基尔霍夫电流定律 (KCL) 令流出为“+”，有： 例 在集总参数电路中，任意时刻，对任一结点，流出（或流 入）该结点的所有支路电流的代数和等于零。 流入的电 流等于流 出的电流 1 3 2 例 三式相加得： 表明KCL可推广应用于电路中包 围多个结点的任一闭合面 明确 （1） KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任 意结点处的反映； （2） KCL是对支路电流的约束，与支路上接的是 什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关； （3）KCL方程是按电流参考方向列写，与电流实际 方向无关。 KCLKCL的推广范围的推广范围 两条支路电流大小相等， 一个流入、一个流出。 只有一条支路相连时： i=i=0 0。 A B i1 i3 i2 A B i i A B i （2）选定回路绕行方向， 顺时针或逆时针. U1US1+U2+U3+U4+US4= 0 3. 基尔霍夫电压定律 (KVL) 在集总参数电路中，任一时刻，沿任一回路，各支路 电压的代数和等于零。 I1 + US1 R1 I4 _ +US4 R4 I3 R3 R2 I2 _ U3 U1 U2 U4 （1）标定各元件电压参考方向 U2+U3+U4+US4=U1+US1 或： R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4 例 a Us b + _ - _ + + U2 U1 明确 （1） KVL的实质反映了电路遵 从能量守恒定律; （2） KVL是对回路电压加的约束， 与回路各支路上接的是什么元件无关 ，与电路是线性还是非线性无关； （3）KVL方程是按电压参考方向列写，与电压实际 方向无关。 a、b两点间的电压Ua