电路原理第5版邱关源编著(高等教育出版社).ppt

2013年秋季,电路原理,2,雷伏容 联系方式： 1369 339 7376 LEIFRMAIL.BUCT.EDU.CN,电路原理,3,电系统与人们工作、生活息息相关： 通信系统：信息的产生、传送和分配 计算机系统：用电信号处理信息 控制系统：用电信号控制生产过程 电力系统：产生和分配电力 信号处理系统：将电信号转换为有用的信息 各类电系统的共性电路 电气信息类核心课程，是后续课程的技术基础 数字电子技术，模拟电子技术，电力电子技术，电机与拖动基础，自动控制原理，自动检测技术及仪表，计算机原理及应用等等,学习本门课程的意义,4,本门课程的主要内容,电气工程是将物理学家的自然现象模型和数学家的数学工具结合在一起，并运用这些模型系统以满足实际的需要。 电路是实际电气系统行为的近似数学模型。 课程主要讲授电路的基本概念、基本理论和分析方法，主要内容包括： 电路模型与电路理论 电路的分析方法（如何求电压、电流和功率） 分析和解决实际电系统的电路问题,5,答疑安排,北区实验楼205室 提前约定的其他时间、地点 电子邮件：LEIFRMAIL.BUCT.EDU.CN,6,参考书,James W. Nilsson, Susan A. Riedel, 电路（第六版，英译版）北京：电子工业出版社，2002 Charies K. Alexander, Matthew N. O. Sadiku, 电路基础（英文影印版）北京：清华大学出版社，2000 William H. Hayt,Jr., Jack E. Kemmerly, Steven M. Durbin, 工程电路分析（第六版，英文影印版）北京：电子工业出版社，2002 周守昌电路原理北京：高等教育出版社，1999 李瀚荪电路分析基础（第三版）北京：高等教育出版社，1993 6. 郭维林. 电路习题全解（修订版）. 北京：中国建材工业出版社，2004,7,有关规定,无故旷课情节严重者，按学籍规定处理； 必须独立完成课外作业，严禁抄袭； 在每周的第一次课课前，交上次布置的作业，逾期不收； 缺交作业1/3以上者，作业成绩按零分计算。,8,教学安排,18周教学，讲授56学时； 实验地点：实验楼106、107 电工实验室； 实验时间：待定,9,考试与成绩评定,期中考试 期末考试 成绩评定： 作 业： 5% 考 勤： 5% 实 验： 10% 平时测验： 10 期末考试： 70%,电路模型和电路定律,(circuit elements),(circuit laws),1. 电压、电流的参考方向,3. 基尔霍夫定律, 重点：,2. 电路元件特性,11,1.1 电路和电路模型(Circuit model),一、电路（circuit)： 电路是为了传输、转换电能或传递、处理信号，由一些电气设备或元件按一定方式联结起来的电流通路。 主要由电源、负载、连接导线及开关等构成。,电源(source)：提供能量或信号。 负载(load)： 将电能转化为其它形式的能量，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,12,3 负载,1 电源,1）电能的传输与转换（电力系统）,1.1 电路和电路模型(Circuit model),13,2）信号的传递与处理,1.1 电路和电路模型(Circuit model),14,二、电路的模型（ circuit model）,当有电流通过时：,L,实际的电路元件或器件其电磁性质很复杂,例如：白炽灯 ( lamp ),电压电场储存电场能量 C,C,电流磁场储存磁场能量L,15,二、电路的模型,工程上，为了简化计算，常忽略实际部件的次要因素 而突出其主要电磁性质，而把它看成理想电路元件。,16,1. 理想电路元件：根据实际电路元件所具备的电磁性质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式子严格表示。,几种基本的电路元件：,电阻元件（R）：消耗电能的元件 电感元件（L）：各种电感线圈产生磁场，储存磁能的作用 电容元件（C）：产生电场，储存电能的作用 电源元件：各种提供电能的元件,二、电路的模型,17,构造手电筒的电路模型,2. 理想电路模型：由理想电路元件及其组合相互连接而成的，与实际电路具有基本相同的电磁性质的数学模型，称为实际电路的电路模型。,18,电路实体,电路模型,二、电路的模型,19,汽车点火电路的建模,20,电压（U）、电流（I）、电荷（Q）、磁通（）、 电功率（P）、电能量（W）等。 在线性电路分析中常用电流、电压、电位等。,1). 电流 I (current)：,单位：A (安) ( Ampere，安培 ),2). 电压 U (voltage)：,单位：V (伏) ( Volt，伏特 ),一、电路中的主要物理量,1.2 电压和电流的参考方向 (reference direction),21,安培 (Ampere),Andre-Marie Ampere (1775-1836), A French mathematician and physicist, laid the foundation of electrodynamics. He defined the electric current and developed a way to measure it in the 1820s.,Born in Lyous, France, Ampere at age 12 mastered Latin in a few weeks, as he was intensely interested in mathematics and many of the best mathematical works were in Latin. He was a brilliant scientist and a prolific writer. He formulated the law of electromagnetics. He invented the electromagnet and the ammeter. The unit of electric current, the ampere, was named after him.,22,Alessandro Antonio Volta (1745-1827), an Italian physicist, invented the electric battery which provided the first continuous flow of electricity and the capacitor.,伏特 (Volta),23,1. 电流 I (current)：,单位：A (安) (Ampere，安培),电流I :电荷流动的速率,电荷量q的单位：库仑，C 电流i的单位：安培，A 时间t的单位： 秒，s I与i: 大写字母代表恒定量 小写字母代表时变量 直流（DC）与交流（AC）,24,2.电 压 U（ voltage）,电荷分离需要消耗能量w，将单位电荷的耗能定义为电压：,单位：V (伏) (Volt，伏特),能量w的单位：焦尔，J 电荷量q的单位：库仑，C 电压v的单位：伏特，V V与v: 大写字母代表恒定量 小写字母代表时变量 直流（DC）与交流（AC）,25,3. 电位,电路中为分析的方便，常在电路中选某一点为参考点，把任一点到参考点的电压称为该点的电位。 参考点的电位则为零，所以，参考点也称为零电位点。,电位用 表示，单位与电压相同，也是V(伏)。,设c点为电位参考点，则 c = 0, a =Uac， b =Ubc， d =Udc,26,两点间电压与电位的关系：,仍设c点为电位参考点， c =0,Uac = a ， Udc = d,Uad= Uac+Ucd =UacUdc= ad,前例,结论：电路中任意两点间的电压等于该两点间的电位之差。,27,例 :,已知 Uab=1.5 V，Ubc=1.5 V,(1) 以a点为参考点，a = 0,Uab= ab b = a Uab= 1.5 V,Ubc= bc c = b Ubc= 1.51.5= 3 V,Uac= ac = 0 (3)=3 V,(2) 以b点为参考点，b=0,Uab= ab a = b +Uab= 1.5 V,Ubc= bc c = b Ubc= 1.5 V,Uac= ac = 1.5 (1.5) = 3 V,结论：电路中电位参考点可任意选择；当选择不同的电位参考点时，电路中各点电位将改变，但任意两点间电压保持不变。,28,二、电压、电流的参考方向 (reference direction),1. 电流的参考方向(或正方向、假定方向）,元件(导线)中电流流动的实际方向有两种可能。,参考方向：任意选定一个方向即为电流的参考方向。,i 0,i 0,电流方向的表示方法： i,29,2. 电压的参考方向,30,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：,31,小结：,(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，其表达式符号也不同，但实际方向不变。,32,（4）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,关联参考方向,33,试判断下图中的三个元件,哪个是关联参考方向?,34,1.3 电路元件的功率 (Power),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),35,二、功率的计算和判断,1. u, i 关联参考方向,P0 吸收功率,P0 发出功率,P0 吸收功率,P0 发出功率,2. u, i 非关联参考方向,p = ui,p = -ui,36,功率计算实例,P=87=56W 消耗功率的电路器件： 电阻（灯泡等）：电能热能 电动机：电能动能,P=-87=-56W 释放功率的电路器件： 电 池：化学能电能 发电机：机械能电能,37, 上述功率计算不仅适用于元件，也适用于任意二端网络。 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 U1=10V， U2=5V。 试分别求电源、电阻的功率。,解：I=UR/5=(U1U2)/5=(105)/5=1 A,PR = URI = 51 = 5 W,PU1= -U1I = - 101 = - 10 W,PU2= U2I = 51 = 5 W,P发= 10 W， P吸= 5+5=10 W P发=P吸 (功率守恒),38,电阻的外形图,电阻的尺寸与功率,1.5 电阻元件 (Resistor),39,欧姆（Ohm）,Georg Simon Ohm (1789-1854) was the German physicist who in 1827 discovered the law that the current flow through a conductor is proportional to the voltage and inversely proportional to the resistance. Ohm was then a professor of mathematics in Cologne. His work was coldly received. The Prussian minister of education announced that “a professor who preached such heresies was unworthy to teach science.“ Ohm resigned his post, went into academic exile for several years, and then left Prussia and became a professor in Bavaria.,1.5 电阻元件 (Resistor),40,3.电导,线性定常电阻元件：任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件。,41,伏安特性曲线:,R tan , 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,42,电阻阻值的色环表示,4700 4.7k,有效数字与倍乘数,偏差,43,4. 电阻元件的功率和能量,上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。,p ui (Ri)i i2 R u(u/ R) u2/ R,p ui i2R u2 / R,44,电阻的额定功率与电阻值无关，主要取决于其组成材料、尺寸及形状。,例：下图电路中电阻选多大功率的？,P=U2/R=100/120=0.833W,选择大于0.833W的临近数值，即1W的电阻即可。,45,能量：从t0到t电阻消耗的能量，可用功率表示,电阻消耗的能量,46,5.电阻的开路与短路,当R=0，视其为短路。 i为有限值时，u=0。,当R=，视其为开路。 u为有限值时，i=0。,理想导线的电阻值为零。,47,1、限制电流； 2、分压； 3、电位器收音机中调节音量； 4、与其它元件构成滤波电路、移相电路等等。,6.电阻的用途,48,1.6 电源元件 (independent source),电路符号,Vi关系,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。 特点： 电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关； 直流：uS为常数 交流： uS是确定的时间函数，如 uS=Umsint 通过它的电流是任意的，由外电路决定。,49,例：,若直流电源电压US=10V， # 对于R=1 的负载，则电流 I=U/R=10/1=10A; # 对于R=10 的负载，则电流 I=U/R=10/10=1A;,若交流电源电压为220V， #对于25W的灯泡，则电流 I=P/U=25/220=0.114A; #对于1000W的电炉子，则电流 I=P/U=1000/220=4.55A;,一.理想电压源,50,理想电压源的开路与短路,(1) 开路：R，i=0，u=uS。,(2) 短路：R=0，i ，理想电源出现病态，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=USri,实际电压源,51,二. 理想电流源,流过电源的电流为iS，与此电源的端电压u无关。 特点： 电源电流由电源本身决定，与外电路无关； 直流：iS为常数 交流：iS是确定的时间函数，如 iS=Imsint 电源的端电压是任意的，由外电路决定。,52,理想电流源的短路与开路,(2) 开路：R，i= iS ，u 。若强迫断开电流源回路，电路模型为病态，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。,实际电流源的产生： 可由稳流电子设备产生，有些电子器件输出具备电流源特性，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。,53,1.7 受控电源 (非独立源) (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。,54,例:,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:,输入端口是控制支路，输出端口是受控支路.,ic= ib,55,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)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”。,56,例题1,利用独立电源的定义，说明哪些互连是允许的？哪些由于理想独立电源的影响违反了约束？,57,例题2：哪些互连正确？,58,1.8基尔霍夫定律（Kirchhoffs Laws）,基尔霍夫电流定律 Kirchhoffs Current LawKCL 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。,59,基尔霍夫（Kirchhoff）,Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887), German physicist, announced the laws which allow calculation of the currents, voltages, and resistances of electrical networks in 1845 when he was only twenty-one. In further studies he demonstrated that current flows through a conductor at the speed of light. His other work established the technique of spectrum analysis which he applied to determine the composition of the Sun.,60,一 、 几个名词：(定义),1.支路(branch)：电路中通过同一电流的每个分支。 (b),2.节点(node): 三条或三条以上支路的连接点称为节点。( n ),4.回路(loop)：由支路组成的闭合路径。( l ),b=3,3.路径(path)：两节点间的一条通路。路径由支路构成。,5.网孔(mesh)：对平面电路，每个网眼即为网孔。网孔是回路，但回路不一定是网孔。,1,2,3,a,b,l=3,n=2,61,二、基尔霍夫电流定律 (KCL)：在任一时刻，流出(流入)任一节点的各支路电流的代数和为零。 即,电路中各支路的电流流向有两种，可任意设定一个参考方向。为清楚起见，本书统一令流出节点的支路电流为正，即其前取“ ” 。, i1 + i2 i3 + i4 = 0,例1:,应用KCL的步骤： 1、先标定各支路电流的参考方向； 2、对节点列KCL方程。,i1+ i3 = i2 + i4,整理得：,列KCL方程：,62,电路定理KCL,在任一时刻，流出(流入)任一节点的各支路电流的代数和为零。 即：,i1+i2i3+i4=0 i1+i3=i2+i4,利用广义KCL求i2,63,KCL可推广到一个封闭面：,-i1-i2-i3=0 i1+i2+i3=0,(其中必有负的电流),(1)KCL方程中各项前的正负符号，它取决于电流的参考方向与节点的相对关系； (2)电流数值本身的正负号，取决于电流的实际方向与参考方向间的关系；,应用KCL要注意两种符号的区别:,64,KCL可推广到一个封闭面：,以 P29 习题1-12为例说明：,2、对假想的大节点（闭合面）列KCL方程 :,i1,i2,1、设定待求支路电流的参考方向，并在图上画出；,6 3 4 i1 = 0,i1 = 1A,对左边的节点列KCL 方程：, 10 + i1 2 i2 = 0, 10 1 2 i2 = 0,i2 = 13A,65,思考：,66,绕行方向可任意选定:顺时针或逆时针.,对于回路ABCD设为顺时针方向绕行:,三、基尔霍夫电压定律 (KVL)：在任一时刻，沿电路中任一回路按