电路模型和电路定律.ppt

电 路,授课教师:王晓燕,江苏师范大学电气工程及自动化学院,第5版,只要涉及到电能的产生、传输和使用的地方，都有电路理论的应用，例如：手电筒、电视机、手机、电动玩具、电力系统、计算机互联网、卫星通信网等等。,绪 论,电力电网,高铁驾驶室,美X-47B无人战机遥控台,仿生四翼飞行机器人,电路分析课程为工科电类专业的专业基础课程，是后续各门专业基础课程、专业课程的前提与基础。,电路分析课程学习的目的与意义,与自动控制原理课程是工科研究生考试必考科目中的二选一关系。,电路,实际电路,电路模型,电路分析,求解方程 （代数、常微分、偏微分等）,结果,电路分析课程知识学习思路,学习过程中注意环节,注意解题方法和技巧，书写规范、参数标注规范完整。 随堂带作业本，独立完成作业，按时交作业。 作业本封皮：姓名、学号,紧跟讲课思路，对关键内容做好笔记。掌握基本概念、基本理论、基本原理和基本分析方法。,课堂理论教学（80学时，5学分）,实验课独立开课,1、平时成绩：占30% （1）考勤：占10% 迟到扣分依次递增翻倍：第一次扣0.5分；第2次扣1分；第三次扣2分；第4次扣4分 旷课一次扣5分。 （2）课堂表现：占10% 上课睡觉一次扣1分，叫不醒者一次扣5分； 上课手机应关机，用手机接打电话、收发短信一次扣5分；用手机上网浏览、玩游戏等一次扣10分。） （3）平时作业：占10%； 2、期末考核（闭卷）：占70%。,课程考核（百分制）与课堂纪律要求细则,单项扣分超出对应10%后从平时成绩总分值中扣。,学习辅助材料,1、刘崇新，罗先觉 编 电路（第5版）学习指导与习题分析 高等教育出版社 2、康巨珍 康晓明 编 电路原理 国防工业出版社 3、周守昌主编 电路原理（第2版） 高等教育出版社 4、胡翔俊主编 电路分析 高等教育出版社 5、网络课件、各工科学校对应的精品课程网站资源,1-1 电路和电路模型, 1-2 电流和电压的参考方向, 1-3 电功率和能量, 1-4 电路元件, 1-5 电阻元件, 1-6 电压源和电流源, 1-7 受控电源, 1-8 基尔霍夫定律,第一章 电路模型和电路定律,1.电压、电流参考方向的判断, 重点：,第一章 电路模型和电路定律,(circuit model),(circuit laws),3.基尔霍夫定律的应用,2.电压源、电流源、受控电源的基本特性, 1-1 电路和电路模型（model),（1）实现电能的传输、分配与转换,（2）实现信号的传递与处理,电路的作用：,电路是电流的通路，是为了某种功能需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。,一、 实际电路,电路两种表现形式：实际电路、电路模型,由电阻器、电容器、线圈、变压器、晶体管、运算放大器、传输线、电池、发电机和信号发生器等电气器件和设备连接而成的电路，称为实际电路。,电阻器,电容器,线圈,电池,运算放大器,晶体管,简单电路,复杂电路：低频信号发生器的内部结构,实际电路主要由电源、负载、连接导线及开关等构成。,导线,电池（电源）,开关,灯泡 （负载）,例 1：,电源(source)：电能或电信号发生器， 又被称为“激励源” （激励），提供能量或信号。,负载(load)：用电设备， 将电能转化为其它形式能量，或对信号进行处理。,导线(line)、开关（switch）等：将电源与负载接成通路。,由激励所产生的电压和电流称为响应。,手电筒的电路模型,实际电路与电路模型的对应举例,二、电路模型 (circuit model),电路模型：由理想电路元件相互连接而成，与实际电路具有基本相同的电磁性质。,理想电路元件：根据实际电路元件所具备的电磁性质所假想的具有某种单一电磁性质的元件，其u，i关系可用简单的数学公式严格表示。,几种基本的电工电路元件： 电阻元件、电感元件、电容元件、电源元件,二端元件、三端元件、四端元件等,实际器件的电路模型的建立：用理想电路元件或其组合，模拟实际电 路元器件。,1、集总（参数）元件：每一个二端元件，从其一个端子流入的电流等于从其另一个端子流出的电流；端子间的电压为单值量。,2、集总参数电路：由集总参数元件构成的电路。,每一种集总参数元件被假设集中由一种电磁现象所表征。,三、 集总参数元件与集总参数电路（1-4 ）,分布参数电路（P475 18-1）, 1-2 电流和电压的参考方向,一、电路中的主要物理量 主要有电压（u）、电流（i）、电荷（q）、磁通（）、电功率（p）、电能（W）等。,1. 电流 (current)：电荷的定向运动形成电流。,电流的大小用电流强度表示：单位时间内通过导体截面的电量。,单位：A (安) (Ampere，安培),电流的方向：正电荷移动的方向。（人为规定）,2. 电压 (voltage)：电场中某两点A、B间的电压(降)UAB， 等于电场力将单位正电荷从A点移至B点所做的功。,单位：V (伏) (Volt，伏特),实际电压方向,高电位指向低电位的方向。,二、电流、电压的参考方向 (reference direction),1. 电流的参考方向,例1：,电路中电流I的实际流向？,实际方向,I,参考方向(人为设定),?,例2：,对于复杂电路或电路中的电流是随时间而变化时，电流的实际方向往往很难事先判断。,电流参考方向的两种表示：, 用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。, 用双下标表示：如 iAB , 电流的参考方向由A指向B。,i 参考方向,i 参考方向,i 0,i 0,实际方向,实际方向,电流的参考方向与实际方向的关系：,2. 电压的参考方向,u 0,u 0,电压参考方向的两种表示方式：,（1） 用正负极性表示：由正极指向负极的方向为电压 (降低)的参考方向,（2） 用双下标表示：如 UAB , 由A指向B的方向为电压 (降)的参考方向,uAB,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。,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，则电流的实际方向从 a 流向 b；,例：,若 I = 5A，则电流的实际方向从 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 。,总结：,电路中电压UAB= 10V，方向 从A指向B（实际方向）。,若U1电压参考方向如当前图中所示，电压参考方向与实际方向相同，则 U1 =10V。,若U1电压参考方向如当前图中所示，电压参考方向与实际方向相反，则 U1 = -10V。,小结：,（1） 分析电路前必须设定或明确电压和电流的参考方向。,（2）参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注 (包括方向和符号），在计算过程中不得任意改变。,（3） 元件或支路的u，i通常采用相同的参考方向以减少公式中负号，称之为关联参考方向。反之，称为非关联参考方向。,关联参考方向,非关联参考方向,u = Ri,u = Ri,（4） 参考方向也称为假定方向，以后讨论均在参考方向下进行。,解：对图(a)有, U = IR,例1：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。,对图(b)有, U = IR,例2：电压、电流参考方向如图中所标，问：对A、B两部分电路电压、电流参考方向是否关联？,A元件电压、电流参考方向非关联； B元件电压、电流参考方向关联。,解：, 1-3 电功率和能量,一、 （电）功率：单位时间内电场力所做的功。,功率的单位：W (瓦) (Watt，瓦特),能量的单位： J (焦) (Joule，焦耳),能量：一段时间内电场力所做的功。从 t0 到 t 电阻消耗的能量：,二、电压、电流采用参考方向时功率的计算和判断,1. u, i 关联参考方向,p = ui 表示元件吸收的功率,P0 吸收功率,P0 发出功率,p = ui 表示元件发出的功率,P0 发出功率,P0 吸收功率,2. u, i 非关联参考方向,吸,发,结论 ：,1、上述功率计算不仅适用于元件，也适用于任意二端网络；,一端口元件：由一对端钮构成，且满足从一个端钮流入的电流等于从另一个端钮流出的电流。,一端口（one-port）网络（二端网络）:,二端口（two-port）网络:,当一个电路与外部电路通过两个端口连接时称此电路为二端口网络。,2、电阻元件在电路中总是消耗(吸收)功率，而电源在电路中可能吸收，也可能发出功率。,例1: U1=10V， U2=5V。 分别求电源、电阻的功率。,I=UR/5=(U1U2)/5=(105)/5=1 A,PR吸= URI = 51 = 5 W,PU1发= U1I = 101 = 10 W,PU2吸= U2I = 51 = 5 W,P发= 10 W， P吸= 5+5=10 W P发=P吸 (功率守恒),R, 1-5 电阻元件 (resistor),线性电阻元件：任何时刻端电压与其电流成正比的元件。,1. 符号,R,（1）电压与电流的参考方向设定一致为关联参考方向,R,u,+,2. 欧姆定律 (Ohms Law)的表现形式,u R i,R 称为电阻，,电阻的单位： (欧) (Ohm，欧姆),R,伏安特性曲线:,R =cot ,线性电阻R是一个与电压和电流无关的常数。,电阻元件的伏安特性为 一条过原点的直线,令 G 1/R,G称为电导,则 欧姆定律表示为 i G u,电导的单位： S (西) (Siemens，西门子),（2） 电阻的电压和电流的参考方向相反 为非关联参考方向,R,u,+,则欧姆定律写为,u Ri 或 i Gu,公式必须和参考方向配合使用！,3.电阻在电路中的特殊情况, 开路（断路）：当一个线性电阻元件的端电压不论为何值时，流过它的电流恒为零值。, 短路：当流过一个线性电阻元件的电流不论为何值时，它的端电压恒为零值。,R= 或 G=0,R= 0 或 G= ,4. 电阻功率,R,u,+,R,结论：电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。,P发 ui (Ri)i i2 R u( u/ R) u2/ R0,p吸 ui （Ri）i = i2R u2 / R, 1-6 电压源和电流源（独立电源）,一、（理想）电压源：电源两端电压为uS，其值与流过它的电流 i 无关。,1. 特点：,（1）电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；,（2）通过它的电流是任意的，由外电路决定。,直流电压源：表示为“US”，为恒定常数,交流电压源： 表示为“uS”，是确定的时间函数，如 uS=Umsint,uS（US）,电路符号,2. 伏安特性,US,（1） 若uS = US ，即直流电源，则其伏安特性为平行于电流轴的直线，反映电压与 电源中的电流无关。,（2）若uS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是这样。电压为零的电压源，伏安曲线与 i 轴重合，相当于短路元件。,3. （理想）电压源的开路与短路,（1）开路：R，i=0，u=uS。,（2） 短路：u=0，与电压源的特性相矛盾，因此理想电压源不允许短路。,* 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。,u=USRSi,实际电压源,4. 电压源功率,i， uS关联， p吸 = uSi,i ，us非关联，p发 uS i,二、（理想）电流源：,1. 特点：,（1） 电源电流由电源本身决定，与外电路无关；,（2）电源两端电压是任意的，由外电路决定。,电路符号,直流电流源：表示为“IS”，为恒定常数,交流电流源： 表示为“iS”，是确定的时间函数，如 iS=Imsint,电源输出电流为iS，其值与此电源的端电压 u 无关。,2. 伏安特性,IS,（1） 若iS= IS ，即直流电源，则其伏安特性为平行于电压轴的直线，反映电流与端电压无关。,（2） 若iS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是这样 电流为零的电流源，伏安曲线与u 轴重合，相当于开路元件,3. （理想）电流源的短路与开路,（2） 开路：i=0，与电流源的特性相矛盾，理想电流源不允许开路。,（1） 短路：R=0， i= iS ，u=0 ，电流源被短路。,4. 电流源功率,iS， u关联， p吸 = uiS,i s，u非关联，p发 u iS,注意：首先根据分析计算的需要，在电路图中对将要用到的电压、电流进行字母定义和参考方向的标注！禁:直接数值列式求解！,例1：计算图示电路各元件的功率。,I,+,_,+,_,10V,5V,-,+,UR,解：,发出,吸收,吸收,满足：P发P吸,+ US2 -,+ US1 -,R,U,2A,+,_,5V,-,+,例2：计算图示电路各元件的功率。,解：,发出,吸收,满足：P发P吸,IS,US,IS, 1-7 受控电源 (非独立源),电源分类：,1、电源,实际电源,理想电源,（理想）电压源,（理想）电流源,2、电源,直流电源（DC）,交流电源（AC）,3、电源,独立电源,受控电源,(controlled source or dependent source),定义：电压源电压或电流源电流不是给定的时间函数，而是受电路中某个支路的电压(或电流)的控制。,电路符号：,受控电压源,受控电流源,1. 受控电源,例:,ic=b ib 用以前讲过的元件无法表示此 电流关系，为此引出新的电路模 型电流控制的电流源。,一个三极管可以用CCCS模型来表示；CCCS可以用一个三极管来实现。,受控源是一个四端元件（两端口网络）：,输入端口是控制支路，,输出端口是受控支路。,2. 分类：,受控电源,电流控制电压源（CCVS）,电流控制电流源（CCCS）,电压控制电流源（VCCS）,电压控制电压源（VCVS）,根据控制量和被控制量是电压u或电流i ，受控源可分为四种类型：, :电压放大倍数,（1） 电压控制电压源 ( Voltage Controlled Voltage Source ),g: 转移电导,（2） 电压控制电流源 ( Voltage Controlled Current Source ),r : 转移电阻,（3） 电流控制电压源 ( Current Controlled Voltage Source ),（4）电流控制电流源 ( Current Controlled Current Source ), : 电流放大倍数,3. 受控源与独立源的比较,（1） 独立源电压（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（电流）直接由控制量决定。,（2）独立源作为电路中“激励”，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关系，在电路中不能作为“激励”。,（3）含受控源电路的分析方法、原理和含独立电源的电路的相同，即先把受控源当作独立源来处理，最后再按照控制量和被控制量的关系进行相关参量的确定。, 1-8 基尔霍夫定律,基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律（Kirchhoffs Current LawKCL ）和基尔霍夫电压定律（Kirchhoffs Voltage LawKVL ）。它反映了电路中所有支路电压和电流的几何约束（拓扑约束）关系，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。,约束,元件电压电流关系（VCR）,“几何”约束（“拓扑”约束）,( Kirchhoffs Laws ),一 、 基本电路结构名词术语的定义:,1. 支路 (branch)：电路中通过同一电流的每个分支。 (b),2. 结点（节点 ）(node): 三条或三条以上支路的