电路分析基础复习.ppt

第1章 电路分析基础,1.1 电路元件,1.2 基尔霍夫定律,1.4 叠加原理,1.5 等效电源定理,1.3 电路中电位的概念及计算,本章要求: 1.理解电压与电流参考方向的意义； 2. 会计算电路中各点的电位； 3. 了解电路的有载工作、开路与短路状态， 理解电功率和额定值的意义，掌握各种基本元件的特性和用法； 4. 理解电路的基本定律和定理并能正确应用。,第1章 电路分析基础,1.1.1 电流、电压的参考方向,物理中对电学基本物理量规定的方向,1. 电路基本物理量的实际方向,(2) 参考方向的表示方法,电流：,电压：,(1) 参考方向（正方向）,在分析与计算电路时，为计算方便，对元件中的电流或其两端的电压所假定的方向。,2. 电路基本物理量的参考方向,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： 只有在参考方向选定后，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 。,2.电阻元件的功率和能量,在关联参考方向下，电阻元件的功率为,（W） 瓦,在t1到t2的时间内，电阻吸收的能量为,（J） 焦耳,实际的电阻，R为正值，所以，p及W为非负值，电阻是无源元件。,理想电压源（恒压源）,例1：,(2) 输出电压是一定值，不受外电路影响。 对直流电压，有 U E。,(3) 恒压源中的电流由外电路决定。,特点:,(1) 内阻R0 = 0,设 E = 10 V，接上RL 后，恒压源对外输出电流。,当 RL= 1 时， U = 10 V，I = 10A 当 RL = 10 时， U = 10 V，I = 1A,电压恒定，电 流随负载变化,1.1.3 理想电压源与理想电流源,理想电流源（恒流源),例1：,(2) 输出电流是一定值，不受外电路影响。,(3) 恒流源两端的电压 U 由外电路决定。,特点:,(1) 内阻R0 = ；,设 IS = 10 A，接上RL 后，恒流源对外输出电流。,当 RL= 1 时， I = 10A ，U = 10 V 当 RL = 10 时， I = 10A ，U = 100V,外特性曲线,I,U,IS,O,电流恒定，电压随负载变化。,受控源 （受控电源）,独立电源：指电压源的电压或电流源的电流不受 外电路的控制而独立存在的电源。,受控源的特点：受控源的输出与控制量成比例。 当控制电压或电流等于零时， 受控源 的输出电压或电流也将为零。,受控电源：指电压源的电压或电流源的电流受电路中 其它部分的电流或电压控制的电源。,四种理想受控电源的模型,电压控制电压源,电流控制电压源,电压控制电流源,电流控制电流源,1.1.4 元件的功率,当 U、I 参考方向相同： P =UI 若： P 0，负载 （吸收功率） P 0，电源 （发出功率）,元件的功率计算和参考方向设置有关,U、I 参考方向不同，P = UI 若 P 0，负载 P 0，电源。,不管参考方向如何设置，一定有 ：P吸= P发 即一个电路的总吸收功率等于总发出功率。 或 P=0 （将发出功率记为负值）。,电压源模型,由上图电路可得: U = E IR0 =Us-IR,若 R0 = 0,理想电压源 : U E,Us=E,电压源的外特性,1.电压源：是由电动势 E 和内阻 R0 串联的电源的电路模型。,若 R0 RL ，U E ， 可近似认为是理想电压源。,理想电压源,O,电压源,1.1.5实际电源的模型,2.电流源：,Us=ISR0,电流源的外特性,理想电流源,O,IS,电流源是由电流 IS 和内阻 R0 并联的电源的电路模型。,由上图电路可得:,若 R0 = ,理想电流源 : I IS,若 R0 RL ，I IS ，可近似认为是理想电流源。,电流源,电源与负载的判别,U、I 参考方向不同，P = UI 0，负载； P = UI 0，电源。,U、I 参考方向相同，P =UI 0，负载； P = UI 0，电源。,1. 根据 U、I 的实际方向判别,2. 根据 U、I 的参考方向和功率进行判别,电源： U、I 实际方向相反，即电流从“+”端流出 （发出功率）；,负载： U、I 实际方向相同，即电流从“+”端流入 （吸收功率）。,电气设备的额定值,额定值: 电气设备在正常运行时的规定使用值,电气设备的三种运行状态,欠载(轻载)： I IN ，P PN (不经济),过载(超载)： I IN ，P PN (设备易损坏),额定工作状态： I = IN ，P = PN (经济合理安全可靠),3. 电压源与电流源的等效变换,由图a： U = E IR0,由图b： U = ISR0 IR0,对外有效！, 等效变换时，两电源的参考方向要一 一对应。, 理想电压源与理想电流源之间无等效关系。, 电压源和电流源的等效关系只对外电路而言， 对电源内部则是不等效的。,注意事项：,例：当RL= 时，电压源的内阻 R0 中不损耗功率， 而电流源的内阻 R0 中则损耗功率。, 任何一个电动势 E 和某个电阻 R 串联的电路， 都可化为一个电流为 IS 和这个电阻并联的电路。,支路：电路中的每一条分支。 一条支路流过一个电流，称为支路电流。,结点：三条或三条以上支路的联接点。,回路：由支路组成的闭合路径。,网孔：内部不含其它支路的单孔回路。,1. 2 基尔霍夫定律,1.2.1 基尔霍夫电流定律(KCL定律),1定律,即: in= out,在任一瞬间，流入任一结点的电流和恒等于流出该结点的电流和。,实质: 电流连续性的体现。,或: = 0,对结点 a：,I1+I2 = I3,或 I1+I2I3= 0,基尔霍夫电流定律（KCL）反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系。,电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。(广义节点),2推广,I =?,例:,广义结点,I = 0,IA + IB + IC = 0,在任一瞬间，沿任一回路绕行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。,1.2.2 基尔霍夫电压定律（KVL定律),1定律,即： U = 0,在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿回路绕行一周，则在这个方向上电位升之和等于电位降之和。,对回路1：,对回路2：,E1 = I1 R1 +I3 R3,I2 R2+I3 R3=E2,或 I1 R1 +I3 R3 E1 = 0,或 I2 R2+I3 R3 E2 = 0,基尔霍夫电压定律（KVL） 反映了电路中任一回路中各段电压间相互制约的关系。,1列方程前标注回路循行方向；,电位升 = 电位降 E2 =UBE + I2R2, U = 0 I2R2 E2 + UBE = 0,2应用 U = 0列方程时，项前符号的确定： 如果规定电位降取正号，则电位升就取负号。,3. 开口电路可按回路处理,注意：,对回路1：,两点之间电压与路径无关！,1.2.3 基尔霍夫定律的应用,1.支路电流法：以支路电流为未知量、应用基尔霍夫 定律（KCL、KVL）列方程组求解。,对上图电路 支路数： b=3 结点数：n =2,回路数 = 3 单孔回路（网孔）=2,若用支路电流法求各支路电流应列出三个方程,2. 结点电压法,结点电压的概念：,任选电路中某一结点为零电位参考点(用 表示)，其他各结点对参考点的电压，称为结点电压。 结点电压的参考方向从结点指向参考结点。,结点电压法适用于支路数较多，结点数较少的电路。,结点电压法：以结点电压为未知量，列电流方程求解。,在求出结点电压后，可应用基尔霍夫定律或欧姆定律求出各支路的电流或电压。,在左图电路中只含有两个结点，若设 b 为参考结点，则电路中只有一个未知的结点电压。,2个结点的结点电压方程（弥尔曼定理）,设：Vb = 0 V 结点电压为 U，参考方向从 a 指向 b。,2. 应用欧姆定律求各支路电流 ：,1. 用KCL对结点 a 列方程： I1 I2 + IS I3 = 0,将各电流代入 KCL方程则有：,整理得：,注意： (1) 上式仅适用于两个结点的电路。,(2) 分母是各支路电导之和, 恒为正值； 分子中各项可以为正，也可以可负。 当E 和 IS与结点电压的参考方向相反时取正号， 相同时则取负号。而与各支路电流的参考方向无关。,2个结点的结点电压方程的推导：,即结点电压方程：,电位：电路中某点至参考点的电压，记为“VX” 。 通常设参考点的电位为零。,1. 电位的概念,电位的计算步骤: (1) 任选电路中某一点为参考点，设其电位为零； (2) 标出各电流参考方向并计算； (3) 计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。,某点电位为正，说明该点电位比参考点高； 某点电位为负，说明该点电位比参考点低。,1.3 电路中电位的概念及计算,结论：,(1)电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中 各点的电位也将随之改变；,(2) 电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考 点的不同而变， 即与零电位参考点的选取无关。,借助电位的概念可以简化电路作图,1.4 叠加原理,叠加原理：对于线性电路，任何一条支路的电流，都可以看成是由电路中各个电源（电压源或电流源）分别作用时，在此支路中所产生的电流的代数和。P15,叠加原理,适用范围,适用变量,由图 (c)，当 IS 单独作用时,同理： I2 = I2 + I2,由图 (b)，当E 单独作用时,根据叠加原理, 叠加原理只适用于线性电路。, 不作用电源的处理(去源)： E = 0，即将E 短路； Is=0，即将 Is 开路 。 对实际电源应保留电源的内阻。, 线性电路的电流或电压均可用叠加原理计算， 但功率P不能用叠加原理计算。例：,注意事项：, 应用叠加原理时可把电源分组求解 ，即每个分电路 中的电源个数可以多于一个。, 解题时要标明各支路电流、电压的参考方向。 若分电流、分电压与原电路中电流、电压的参考方 向相反时，叠加时相应项前要带负号。,例2：,已知： US =1V、IS=1A 时， Uo=0V US =10 V、IS=0A 时，Uo=1V 求： US = 0 V、IS=10A 时， Uo=?,解：电路中有两个电源作用，根据叠加原理可设 Uo = K1US + K2 IS,当 US =10 V、IS=0A 时，,当 US = 1V、IS=1A 时，,得 0 = K1 1 + K2 1,得 1 = K1 10+K2 0,联立两式解得： K1 = 0.1、K2 = 0.1,所以 Uo = K1US + K2 IS = 0.1 0 +( 0.1 ) 10 = 1V,1.5 等效电源定理,二端网络的概念： 二端网络：具有两个出线端的部分电路。 无源二端网络：二端网络中没有电源。 有源二端网络：二端网络中含有电源。,无源二端网络,有源二端网络,电压源 （戴维宁定理）,电流源 （诺顿定理）,无源二端网络可化简为一个电阻,有源二端网络可化简为一个电源,1. 戴维宁定理,任何一个有源二端线性网络都可以用一个电动势为E的理想电压源和内阻 R0 串联的电源来等效代替。,等效电源的内阻R0等于有源二端网络中所有电源均除去（理想电压源短路，理想电流源开路）后所得到的无源二端网络 a 、b两端之间的等效电阻。,等效电源的电动势E 就是有源二端网络的开路电压U0，即将负载断开后 a 、b两端之间的电压。,等效电源,例1：,电路如图，已知E1=40V，E2=20V，R1=R2=4， R3=13 ，试用戴维宁定理求电流I3。,a,b,注意：“等效”是指对端口外等效,即用等效电源替代原来的二端网络后，待求支路的电压、电流不变。,有源二端网络,等效电源,2. 诺顿定理,任何一个有源二端线性网络都可以用一个电流为IS的理想电流源和内阻 R0 并联的电源来等效代替。,等效电源的内阻R0等于有源二端网络中所有电源均除去（理想电压源短路，理想电流源开路）后所得到的无源二端网络 a 、b两端之间的等效电阻。,等效电源的电流 IS 就是有源二端网络的短路电流，即将 a 、b两端短接后其中的电流。,等效电源,实际的电阻,电阻的主要指标 1. 标称值 2. 额定功率 3. 允许误差 种类: 碳膜、金属膜、 线绕、可变电阻,一般电阻器按标准化系列生产。,电阻的标称值,误差,标 称 值, 10%（E12）, 5% （E2