电路基础-1-孔亮亮.ppt

1,电路基础理论,上海第二工业大学计算机与信息学院 计算机科学与技术系 孔亮亮 ,2,引 言,课程的性质、任务及地位 本课程是电类本科学生的第一门专业基础课。是后续课程“模拟电路”、“数字电路”等课程的基础 通过本课程的学习应掌握电路分析的基本概念、基本理论和基本分析方法,3,学习要求、学习方法 预习、听讲、笔记、复习、独立完成作业、答疑、总结 作业要求：抄题目、画电路、及时订正、每周交一次 主要参考书 电路（第四版）邱关源 高教出版社 1999 电路分析基础（第三版）李瀚荪 高教出版社 1992 计算机电路基础魏淑桃 高教出版社 2005 电路理论复习指导周树棠 化学工业出版社 2001 考试方法 平时成绩10，期末成绩90,4,目 录,第一章 电路的基本规律,第二章 电阻电路分析,第七章 线性电路动态过程的时域分析,第三章 电路的基本定理,第四章 正弦电流电路的稳态分析,第五章 三相电路,第六章 非正弦周期电流电路,5,第一章 电路的基本定律,11 电路和电路元件,12 元件中的电流、电压和功率,17 含独立源电路的等效变换,13 无源二端元件,14 有源二端元件,15 基尔霍夫定律,16 无源电路的等效变换,6,11 电路和电路元件,电路的作用 电能的应用 实现电能的传递、分配和转换 信号处理 实现信号的传递、分配和转换,7,11 电路和电路元件,电路元件 定义：理想化电气器件（或部件）的抽象模型,例,直流,低频交流,高频交流,8,11 电路和电路元件,电路元件 几种基本的电路元件 电阻R：表示消耗电能的元件 反映电热效应 电感L：表示产生磁场，储存磁场能量的元件 反映磁场效应 电容C：表示产生电场，储存电场能量的元件 反映电场效应 电源U：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件 注：具有相同的主要电磁性能的实际电气器件，在一定条件下可用同一模型表示；同一实际器件在不同的应用条件下，其模型可以有不同的形式,9,11 电路和电路元件,电路模型 定义：由若干个电路元件连接而成的理想化电路，简称电路,导线,电池,开关,灯泡,电路图,电源,负载,激励,响应,输入,输出,10,11 电路和电路元件,元件的分类 集总参数元件 分布参数元件 时变参数元件 非时变参数元件 线性元件 非线性元件,11,12 元件中的电流、电压和功率,电流 定义：单位时间内通过导体横截面的电荷量 电流的大小用电流强度来衡量 恒定电流：大小和方向都不随时间变化的电流。 或称直流电流(Direct Current)，用I 表示,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。,A、kA、mA、A,1kA=103A 1mA=10-3A 1 A=10-6A,12,12 元件中的电流、电压和功率,电流的方向 参考方向：可以任意选定一个方向作为电流的参考方向 实际方向：规定正电荷的运动方向为电流的实际方向,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：,A,A,B,B,13,12 元件中的电流、电压和功率,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 注：实际方向不受参考方向影响。,14,12 元件中的电流、电压和功率,电压 定义：电场力对单位正电荷从电路中a点移至b点时所做的功 恒定电压:大小和方向不随时间变化的电压, 或者称为直流电压(Direct Voltage)，用U表示。 电位 定义：单位正电荷从电路中一点移至参考点时电场力做功的大小(或空间一点到选定参考点之间的电压为该点的电位，参考点 的电位为零) uabuaub,V、kV、mV 、V,1kV=103V 1mV=10-3V 1 V=10-6V,15,12 元件中的电流、电压和功率,电压的方向 参考方向：假设的电位降低方向 实际方向：电位真正的降低方向,16,12 元件中的电流、电压和功率,电压参考方向的三种表示方式：,(1) 用箭头表示,(2) 用正负极性表示,(3) 用双下标表示,U,U,+,UAB,17,例,已知：4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力做功8J，由b点移动到c点电场力做功为12J， (1) 若以b点为参考点，求a、b、c点的电位和电压Uab、U bc; (2) 若以c点为参考点，再求以上各值,解,(1),以b点为电位参考点,18,解,(2),电路中电位参考点可任意选择；参考点一经选定，电路中 各点的电位值就是唯一的；当选择不同的电位参考点时， 电路中各点电位值将改变，但任意两点间电压保持不变。,结论,以c点为电位参考点,19,12 元件中的电流、电压和功率,关联参考方向 定义：元件或支路的u，i 采用相同的参考方向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,i,+,-,+,-,i,U,U,20,注,(1) 分析电路前必须选定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) 参考方向不同时，其表达式相差一负号，但实际 方向不变。,i,例,U,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关联否？,答： A 电压、电流参考方向非关联； B 电压、电流参考方向关联。,21,12 元件中的电流、电压和功率,电流和电压的参考方向(正方向) 关联参考方向 U = IR 非关联参考方向 U = IR,22,A、C,B、D,23,12 元件中的电流、电压和功率,功率 定义：电功率是指单位时间内元件所吸收或发出的电能，在电路中，电功率常简称为功率。 设在时间dt内电路转换的电能为dW，则有 能量,W kW mW,1kW=103W 1mW=10-3W,J,24,12 元件中的电流、电压和功率,供出与吸收 结论：当i实际方向与u实际方向相同时，P0，吸收功率；相反时，P0，供出功率,25,a, d,b, c,26,27,13 无源二端元件,电路元件的无源和有源性 当u(t)和i(t)在关联参考方向下 设u()=u(-)=0, i()=i(-)=0,28,13 无源二端元件,电阻元件 电阻元件有线性电阻元件和非线性电阻元件 线性电阻的特点是元件的电阻值为一常数，与通过它的电流或其两端电压的大小无关。 非线性电阻的电阻值不是常数，而与通过它的电流或作用其两端的电压大小有关。,29,13 无源二端元件,电阻元件 伏安特性(VCR) (Voltage Current Relationship, VCR) 线性电阻元件的电阻值可由其伏安曲线的斜率确定 电阻的功率 在关联参考方向下 结论：正电阻是耗能元件,无源、有损,30,短路,开路,13 无源二端元件,电阻的开路与短路,31,13 无源二端元件,电容元件 定义：能够储存电场能量的电路元件叫电容 电容器 在外电源作用下，两极板上分别带上等量异号电荷，撤去电源，板上电荷仍可长久地集聚下去，是一种储存电能的部件。 电路符号,32,13 无源二端元件,库伏特性 线性电容 qCu， Cq/u 电容 法拉 F 在电路中，如果流过一个电容的电流为i(t)，在其电容上建立的电压为u(t)，那么，它们就有如下的伏安关系,注：i 的大小取决于 u 的变化率, 与 u 的大小无关，电容是动态元件；当 u 为常数(直流)时，i =0，电容相当于开路，电容有隔断直流作用；实际电路中通过电容的电流 i为有限值，则电容电压u必定是时间的连续函数。,33,13 无源二端元件,库伏特性 线性电容 如果i0，电容充电，电压增高（充电）； 如果i0，电容放电，电压减小（放电） 设t-时，u(-)=0 能量,记忆元件,无源、无损元件,34,13 无源二端元件,电感元件 定义 P13 电感器 把金属导线绕在一骨架上构成一实际电感器，当电流通过线圈时，将产生磁通，是一种储存磁能的部件。 电路符号,磁链（t)N (t),35,13 无源二端元件,韦安特性 线性电感 电感（自感） 亨利（亨）H 电感线圈在通过交流电流i时，线圈周围就会建立磁场，而在线圈两端会出现感应电压u。流过线圈的电流i与线圈两端的感应电压u之间存在如下关系,注:电感电压u 的大小取决于i的变化率, 与i的大小无关，电感是动态元件；当i为常数(直流)时，u =0，电感相当于短路；实际电路中电感的电压u为有限值，则电感电流i不能跃变，必定是时间的连续函数,36,13 无源二端元件,线性电感 上式就是电感的伏安关系表达式。当i (-)= 0时，上式也可写成： 能量,记忆元件,无源、无损元件,37,13 无源二端元件,线性电感 电动势e 变动的电流产生变动的磁链，变动的磁链产生感应电动势(自感电动势) 方向：从低电位指向高电位 楞次定律 线性 物理意义：总是力图反抗磁链的变动,38,14 有源二端元件,电压源us 定义：端电压为确定值或确定的时间函数，与流过的电流无关的二端元件 流过电流的方向从低电位到高电位，电流值取决于外接电路 恒定的电压 Us,i,39,14 有源二端元件,电压源us 功率： 能量：,40,14 有源二端元件,电流源is 定义：端口电流恒定或是一定的时间函数，与端口电压无关的二端元件 端口电压取决于外接电路 恒定的电流Is,41,14 有源二端元件,电流源is 功率 能量,42,15 基尔霍夫定律,电流（KCL),电压（KVL),( Kirchhoffs Laws ),43,支路：没有分支的电路称为支路。 （支路电压、支路电流） 节点：若干条支路的端点的结合点。（广义节点） 回路：电路中任意一个闭合路径。 网孔：回路平面上不含支路的回路。,几个重要的术语,44,15 基尔霍夫定律,基尔霍夫电流定律（KCL） 对集总电路的任一节点，任何时刻，所有连于此节点的支路电流的代数和恒等于零 流出节点的电流总和恒等于流入节点的电流总和,电荷守恒,令流入为“+”，有：,45,例,三式相加得：,表明KCL可推广应用于电路中包围多个节点的任一闭合面,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是对支路电流加的约束，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。,15 基尔霍夫定律,46,15 基尔霍夫定律,基尔霍夫电流定律的推广 KCL还可以推广到电路中任意一个闭合面。将闭合面S看成一个广义节点，可得 -I1-I2 + I3=0 即 I3=I1+I2,结论：在任一时刻，流入任一闭合面的电流之和等于流出该闭合面的电流之和。,47,KCL：,流出结点a,流入结点a,48,ac点,49,50,51,15 基尔霍夫定律,基尔霍夫电压定律（KVL） 对集总电路的任一闭合回路，任何时刻，沿此回路的所有支路电压的代数和恒等于零 与循行方向一致为正，与循行方向相反为负,（2）选定回路循行方向，顺时针或逆时针,U1US1+U2+U3+U4+US4= 0,（1）标定各元件电压参考方向,U2+U3+U4+US4=U1+US1,R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4,52,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。,电路中任意两点之间的电压：等于以这两点作为端点的任意路径上各个电压之和。,15 基尔霍夫定律,基尔霍夫电压定律（KVL）,53,P2223 例题一、二,54,55,56,16 无源电路的等效变换,等效概念 外特性从电路的外部端子的u和i之间的伏安特性 等效若两电路N1和N2的外特性完全相同，就称N1和N2是等效的。 等效电路的内部结构和元件参数可能完全不同，但对其外部电路，无论接入N1或N2 ，效果完全相同,57,16 无源电路的等效变换,例,58,16 无源电路的等效变换,电阻的串并联、分压公式、分流公式 串联,59,16 无源电路的等效变换,电阻的串并联、分压公式、分流公式 并联,60,16 无源电路的等效变换,串联的分压公式,并联的分流公式,只有两个电阻时的串并联,P2526 例题一,串联电路中各电阻上电压的大小与其阻值成正比，即 UU1U2=RR1R2,并联电路中电流的分配与电阻的阻值成反比，电阻值大时，通过电阻的电流就小,61,16 无源电路的等效变换,星形连接与三角形连接的等效互换,62,16 无源电路的等效变换,63,16 无源电路的等效变换,对称星形电路,对称三角形电路,电容、电感的串联和并联 P2931,64,65,P28 例题二,66,17 有源（含独立源）电路的等效变换,理想电源的串联和并联,67,17 有源（含独立源）电路的等效变换,68,17 有源（含独立源）电路的等效变换,非理想电源模型的等效互换,69,17 有源（含独立源）电路的等效变换,非理想电源模型的等效互换,70,17 有源（含独立源）电路的等效变换,非理想电源模型的等效互换,71,17 有源（含独立源）电路的等效变换,只对外电路等效，对电源内部不一定等效 理想电源之间不能转换 电压源不能短路，电流源不能开路 P36 例题,P供出UI,P供出UI,72,第一章(电路的基本规律) 复习,电路与电路模型 电路：将电气设备和电器元件根据功能要求按一定方式连接起来而构成的集合体 电路模型：把各种理想的电路元件连接而成的电路为理想电路又称电路模型 电流与电压的关联参考方向 电流：电荷的定向移动形成电流，规定正电荷移动方向为正方向 电压：电场中a、b两点之间的电位之差为a、b之间的电压，表示为uab 关联参考方向：对一个确定的电路元件或支路而言，若电流的参考方向是从电压参考