《计算机电路基础》第1章：电路基本概念和基本定律.ppt

计算机电路基础,第1章 电路基本概念和基本定律,(时间: 2次课 4学时),第1章 电路基本概念和基本定律,教学提示：电路是学习电子技术的基础，是电子类专业的入门课程。本章主要是介绍电路的一些基本概念和基本的定律，是学习电路理论的基础知识。 教学目的： 1.了解电路模型和集总假设的意义; 2.理解电压、电流的参考方向和关联参考方向； 3.理解电压源，电流源的特性及功率计算； 4.理解支路、节点、回路的定义和电路的三种工作状态； 5.理解和掌握基尔霍夫电流和电压定律，要熟练地应用于 电路计算； 6.能分析和计算电路中各点电位。,第1章 电路基本概念和基本定律,1.1 电路 1.2 电流、电压和功率 1.3 二端元件和受控源 1.4 电路三种状态 1.5 基尔霍夫定律,1.1 电路,1.1.1 电路的作用 1.1.2 电路模型 1.1.3 集总假设,1.1.1 电路的作用,电路: 电流流通的路径。 电路的作用:电路是实现电能的传输和转换。 电路组成 : 电源: 是向电路提供电能的设备 负载: 是指各种用电设备和元器件总称 中间环节部分: 由电子元器件组成完成复杂功能的电子系统。,1.1.2 电路模型,实际的电元件往往都不是单一参数的理想元件。为了突出元件的主要特性，忽略其次要因素，把它近似地看成单一参数的理想电路元件 。 用理想电元件所组成的电路，称为实际电路的电路模型。电路模型是对实际电路抽象和概括。,1.1.3 集总假设,为了简化对器件性能的描述和简化对电路分析和计算，假设在一定的条件下，忽略其次要物理过场，只考虑实际元件的主要特性，这样假设称为集总假设。 集总假设的条件是：电场作用(充放电)只发生的电容元件上，磁场作用(磁能的贮存和释放)只发生在电感元件上，而且都没有电磁能量的损失。 集总假设的元件称为理想元件（集总参数元件，简称集总元件），简称电路元件。,1.2 电流、电压和功率,电流、电压和功率是电路中三个重要的物理量，是对电路分析和计算的重要参数。 1.2.1 电流 1.2.2 电压和电位 1.2.3 关联参考方向 1.2.4 功率,1.2.1 电流,电荷的定向运动产生电流。 单位：安培（安），用字母A表示 。 1A=1000 mA ； 1mA=1000 A 正电荷运动方向为电流的正方向。 大小和方向不随时间而变的电流为直流电流 （用大写字母I 表示 ）； 大小随时间变化而方向不随时间变化的电流称为变动电流 i ； 大小和方向都随时间而变化，这样的电流称之为交流电流 i 。,在分析和计算电路前假设流过元件上电流的方向称为电流参考方向 ； 当所求得电流为正值，说明流过元件上电流的实际方向与假设的电流参考方向一致； 当所求得电流为负值，则实际电流方向与电流参考方向相反 。 参考方向是一种分析方法，只有在参考方后，电流和电压才有正、负之分。,1.2.2 电压和电位,1.电压 ： 定义:单位正电荷在电场力的作用下，从电场中的a 点移到b点 所做的功，称为电场中a、b两点间电压。 单位：伏特（伏），用大写字母V表示。 1V=1000mV 1mV=1000V 电压方向规定：由高电位(“+”极性端)指向低电位(“-”极性端) ; 电压方向用下标方式表示，如a、b两点之间的 电压方向由a(+) 指向b(-)，可表示为Uab。 2.电位: 选定电路中的某一点作为电压的参考点，称为零电位点。 电路中的任一点到零电位点的电压称为该点的电位。,1.2.3 关联参考方向,分析电路的时候，设定的电流参考方向和电压参考方向 一致，称为关联参考方向。电流和电压的参考方向不一致，称为非关联参考方向。 关联参考方向 非关联参考方向,1.2.4 功率 正电荷从高电位移向低电位，是电场力对电荷作功的结果，电场的能量消耗在元件上。元件消耗电场的能量称为元件吸收能量或元件消耗功率。这时元件上的电流方向和电压的方向是一致的 . 正电荷从低电位移向高电位，必须由外力对电荷作用以克服电场力，元件需发出能量(元件向电路提供能量)，即元件向电路提供功率。这时元件上的电流方向和电压的方向是相反的。 元件上的功率计算公式：P = U I 元件上电流和电压的参考方向符合关联参考方向： 当P 0，元件消耗功率，该元件被称为电路的负载。 当P 0，元件向电路提供功率，该元件被称为电源。 当P 0，元件消耗功率，该元件被称为电路的负载。,【例题1.2】充电器A对手机电池E充电，如图所示。如果手机电池的电压已降到2.5V，现用20mA电流对其充电， 问手机电池和充电器的功率各为多少？各是何种功率？,【解】手机电池上的电压和电流为关联参考方向， P = E I = 2.5V0.02A = 0.5W P0，吸收功率，手机电池是负载。 充电器上的电压和电流为非关联参考方向， P =E I = 2.5V0.02A= 0.5W 功率P0，充电器向手机电池提供功率，是电源。,1.3 二端元件和受控源,1.3.1 电阻元件 物体对电流的阻碍作用称为该物体的电阻。 用符号R表示 ，单位：欧姆() 。 常有如下换算：1k(1千欧)=1000 1M(1兆欧)=1000 K 电阻的倒数G =1/R，称为电导。单位:西门子“S”。 在关联参考方向下，电阻上的电流和电压的关系为-欧姆定律 R=U/I可写成 U=RI 说明：通过电阻的电流与加在电阻上的电压成正比; 如果 R 值不随外加的电压(电流)变化，此电阻R 称为线性,1.3.2 电压源 独立电压源是一个二端元件，简称为电压源. 任何电压源都含有电动势E和内阻RS，它的模型如图 U:电压源的端电压。RL:外接的负载电阻。 U = I RL = E I RS 电源E输出功率为PE = I2 RL + I2 RS ， 这里:I2 RL 为负载功率, I2 RS 为电源内阻消耗功率. 当电源内阻 RS = 0 时，称为理想电压源电源. 电源内部无电压降， 输出一个恒定电压 U = 电动势E ，,理想电压源电源,电压源,1.3.3 电流源,独立电流源简称电流源. 图中虚线左边所示。IS是电流源的电流，RS是电流源的内阻。 当RS=或RSRL时,称为恒流源或理想电流源,流过负载电流I 恒等于电流源的电流IS. 当电路中不能满足条件RSRL 时，流过RL的电流等于被其内阻RS 分流后的剩余部分。 RS 越小，分流越大，流过负载的电流I越小。电流源的输出特性如图1.19中的斜线所示。 理想电流源端电压 的大小完全由外电路的负载所确定,【例题1.3】计算图1.20所示电路中独立电流源所提供的功率。,电阻的压降为： UR= I R=23= 6V 电流源两端的电压 UIS = UR + E = 6V+4V =10V 电流源两端的电压和电流是非关联方向,电流源功率为 : PIS = UIS I =10V2A=20W PIS 0，所以电流源是提供功率。 电压源的功率PE = EI= 42= 8W 由于流过电压源的电流和电压降方向一致，即关联参考方向， 而且PE 0，所以电压源是吸收功率。,1.3.4 受控源,电源中的电流或电压是受到电路中其他支路的电流或电压的控制，称此类电源为受控源。 它不是真正的电源，而是四端元件。 受控源有电压源和电流源之分，控制量有电压和电流之分，所以受控源共有四种类型 : 电压控制电流源(VCCS) :I2=U1， 是转移电导，导纳量纲。 电流控制电压源(CCVS) :U2 = I1， 是转移电阻，电阻量纲。 电流控制电流源(CCCS) : I2 = I1， 是电流控制比，无量纲。 电压控制电压源(VCVS) :U2 = U1， 是电压控制比，无量纲,四种类型受控源,1.4 电路三种状态,1.4.1 开路状态,电源与其负载相互间不连接，电源处于无负载状态，称为空载状态，又称为开路状态. 开路状态时特性为： UO = E I = 0 PE = 0,1.4.2 短路状态,电源两端连接在一起，外电路的电阻为零，称为短路状态，简称短路。短路时回路中产生很大的电流IS，称为短路电流。 电源在短路时的特征为： U = 0 IS = E/RS PS =IS RS 短路除了会发生在电源端处外，也可能发生在线路中的某一部分，称为局部短路，会造成电源供出超常的电流。 短路通常是一种严重的事故。为了防止短路事故的发生，除了认真操作外，更重要的是在电路中接入短路保护措施，一旦发生短路，能及时切断电源与负载的连接，以免发生事故。,1.4.3 有载状态,电源与负载接通形成电回路，称为有载状态。 电源向电路负载提供的电流： I = E /（RS+RL） 负载上的电压： UL = I RL 电源电动势输出的功率: PE = I E 电源内阻消耗的功率: PS= I2 RS 负载吸收的功率： PL = I2 RL 功率的单位是瓦特（瓦），用字母W表示。 大功率应用的场合，用kW(千瓦)， 小功率用mW(毫瓦)，其换算关系： kW = 1000 W ； 1 W = 1000 mW,1.5 基尔霍夫定律,基尔霍夫定律分为：基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律。,1.5.1 支路、结点和回路 支路：电路中流过同一个电流的分支称为 支路,支路上流过的电流称为支路电 流。 结点：支路的连接点称为结点(节点)。在电 路中三条或三条以上支路相连接的地 方形成一个结点。 回路：由一条或多条支路所组成的任何一个 闭合电路称为回路。,1.5.2 基尔霍夫电流定律（KCL）,定律表述： 在电路中的任一结点，在任一时刻，流进结点的 电流之和等于从该结点流出的电流之和。 式中的k表示该结点上联接的支路总数。 【例题1.5】列出图中结点a、b和c的电流方程。 【解】对结点a有 -I1 + I3 I4 = 0 对结点b有 I2 I3 I6 = 0 对结点c有 I1 I2 + I5= 0 提示：列结点电流方程时， 先标明支路电流的方向。 习惯上设流入结点的电流为正， 流出结点的电流为负。,1.5.3 基尔霍夫电压定律（KVL）,定律表述：在任一瞬间，沿任一回路设定方向(顺时针或逆时针)，回路中所有支路电压降的代数和为零。,【例题1.6】列出图中虚线绕行回路的基尔霍夫电压方程。 【解】 设定回路和中参考方向。支路原设定的方向若与之一致，则为正，否则为负。建立两个回路的电压方程如下： 回路：-E1 + I1 R1 + I2 R2 = O 回路：-E2 + I3 R3 + I2 R2 = 0,【例题1.7】如图已知： R1 =1， R2=2，R4=4，R5=5，R6=6，E3=2V，I2=1A，I4=1.5A，I5=2A。求E1，E2。,【解】据基尔霍夫电流定律， 结点b：I6= I2+I4=1A+1.5A = 2.5A结点c：I3= I2+I5=1A+2A = 3A 结点a：I1= I3+I4= 3A+1.5A = 4.5A 据基尔霍夫电流定律，在abda回路中： E1 = I1R1+ I4R4+I6R6 =4.5+1.54+2.56 =25.5(V) 在cdbc回路中： I5R5+ E3-I6R6 +E2- I2R2=0 E2= I6R6