华中科技大学电路理论课件(汪建版)ch1讲稿.ppt

序言 一 本课程的性质与任务 学科基础课程 先修课程 高等数学 大学物理 电路理论研究的三个分支 电路分析 电路综合 故障诊断 电路理论和电磁场理论是两个基本理论 电路理论对电气信息学科各专业领域的深入研究极有价值 是最重要的专业基础课之一 电路理论涉及高等数学 应用数学 物理学和拓扑学等基础学科的知识 2 认真听课 课前应尽可能预习 适当作听课笔记 3 学习中要注重基本概念 并在自己的实践中加深理解 4 善于总结5 遵守学习纪律6 重视作业 独立完成作业 加强课后练习 三 关于教学内容的安排 Ch1电路的基本定律和电路元件课内学时8 Ch2电路的分析方法之一 等效变换法课内学时6 序言 二 怎样学好 电路理论 课程 1 正确认识学科基础课程的重要性 对本课的学习予以重视 Ch7三相电路课内学时6 Ch8周期性非正弦稳态电路课内学时6 Ch9二端口网络课内学时8 Ch10动态电路的时域分析课内学时14 Ch11网络的复频域分析课内学时6共88学时 序言 Ch3电路的分析方法之二 电路方程法课内学时8 Ch4电路的分析方法之三 运用电路定理法课内学时6 Ch5正弦稳态电路分析课内学时12 Ch6谐振电路与互感耦合电路课内学时8 参考书目 1 电路 邱关源主编高等教育出版社出版 2 电路原理 周守昌主编高等教育出版社出版3 新编电路题解 汪建主编华中科技大学出版社出版 教材 第一章电路的基本定律和电路元件 描述电路特性的两个基本物理量 电压和电流的参考方向 基尔霍夫电流定律和电压定律 电路分析的基本依据之一 1 1电路的基本概念 明确讨论对象 1 1 1电路 电路元件 电阻 电容 电感 独立电源和受控电源等 奇异函数及波形的表示法 电路 电网络 是互相连接起来的电源与负载的总体 电流能在其中流通 电路中存在三种基本电磁效应 电源 负载 中间环节 1 1电路的基本概念 1 1 1电路 2 集中参数电路和分布参数电路 集中参数电路 u t i t 常微分方程 分布参数电路 u x t i x t 偏微分方程 dmax 0 01 min dmax 0 01 min 1 1 2理想电路元件 电路模型 理想电路元件 电路元件 单一电磁性质可用数学加以严格定义 电路模型 由理想元件构成 1 2电压和电流及其参考方向 1 2 1电压和电位 1 电压 概念和定义式 dq 实际电器件 备注 电压的单位 直流和交流电压 电压是代数量 库仑电场的基本特点 两点间电压与所经过的路径无关 电动势的概念 非库仑电场对正电荷施力的特点 2 电位 概念 参考点 电压 电位差 电位的相对性 3 电压的参考方向 或参考极性 电压真实方向的习惯规定 从高电位指向低电位 电压参考方向的表示 意义 u 以端点标号为下角标表示 uab 应用电位概念时的隐含表示 参考点为 参考方向的任意性 真实方向的客观性 1 2 2电流 1 电流的含义 物理现象 物理量 电流强度 单位 直流及交流电流 三种形式的电流及全电流的连续性传导电流 c 导电媒质中自由电子或离子在电场作用下的有规则的运动对流电流 带电粒子在自由空间运动形成的电流 又称徙动电流位移电流 D 变化的电场使电介质中的束缚电荷位移形成的电流 全电流的连续性 2 电流的参考方向 电流实际方向的习惯规定 电流参考方向的表示 意义 1 2 3电流和电压的关联参考方向 电功率 关联参考方向的含义 电压的参考方向 或参考极性 电流的参考方向 电压与电流的关联参考方向 电流从电压的正极性端流入 也称关联正向电功率的定义及其计算 p dW dtp ui p ui p ui 两式都表示元件 或该段电路 吸收的功率 P UI 20 I 40 I 2A P UI 20 I 40 I 2A 例已知u 20V 吸收的功率为40w 求电流的大小并标出其真实方向 p ui p ui 功率能量 有源和无源电路 强调 分析电路时必须给出电量的参考方向 问题 一个电路的各部分电压之间或电流之间是如何互相联系的 1 3基尔霍夫定律 一些术语 二端元件 或称一端口元件 支路 branch 支路电流 支路电压 节点 node 回路 loop 1 1 3 1基尔霍夫电流定律 KCL 1 定律内容 ik t 0 1 3 1基尔霍夫电流定律 KCL 1 定律内容 ik t 0 例 2 备注 定律与电路元件的性质无关 需注意的问题练习 接地电流等 定律对包围部分电路的任一闭合曲面也适用 1 3 2基尔霍夫电压定律 KVL 1 定律内容 uk t 0 i1 i2 i4 0 i1 i3 i6 0 i1 i2 i5 i6 0 1 3 2基尔霍夫电压定律 KVL 1 定律内容 uk t 0 例 2 备注 定律与电路元件的性质无关 需注意的问题 对虚拟回路也适用 与引入电位概念的等价性 u1 u6 u7 u4 0 u35 u4 u2 u3 0 1 4奇异函数及波形的表示法 1 4 1定义与波形 1 单位斜坡函数r t unitramp 定义 波形 0t 0 tt 0 r t 导函数的波形 奇异函数的概念 2 单位阶跃函数1 t unitstep 1 波形 定义式 1 4奇异函数及波形的表示法 例1延迟单位阶跃函数 f t 1 t t0 单位阶跃函数的特点 1 波形 定义式 例2画出1 t 的波形 2 单位阶跃函数在电路分析中的应用 用来表示电源从某时刻起接入电路 用来表示波形或函数的起止时间 例画出1 t t 1 和1 t 1 t 1 的波形 普通函数f t 与单位阶跃函数1 t t0 的乘积 1 t t0 f t 1 t 2 sint 0 91 3 单位脉冲函数p t unitpulse 定义 波形 0t 0t 0 特点 用单位阶跃函数的线性组合表示 波形界定的面积A 1 4 单位冲激函数 t unitimpulse 1 物理背景 电压源对电容充电 2 波形与定义 i 0 0t 0 t 3 一些重要性质 与单位阶跃函数的关系 与普通函数f t 的乘积 冲激函数是偶函数 即 t t 筛分性 抽样性 延迟单位冲激函数 t t0 t f t t f 0 t t 1 t 1 t f 0 1 4 2波形的表示 f t 2p2 t 1 t 2 f t 1 t 1 1 t 3 2 t 1 t 1 2 t 1 t 3 t 2 f t 1 t 1 1 3 t 2 t t 1 t 3 1 t 1 1 t 3 5 单位对偶冲激函数 t unitdoublet f t 1 t 1 t 1 t 1 t 1 1 t 2 2 t 1 t t 21 t 1 t 1 1 t 2 t 2 1 t 1 2 d 0 5 1 t 1 1 t 3 1 t 2 2 1 t 3 2 d 二端电路元件 一端口元件 关于电路元件的划分 哪些物理量的瞬时值之间构成确切的代数关系 电阻性元件 任一时间的电压和电流之间构成确切代数关系 1 5电阻元件 主要电磁特性 2 1电阻元件 1 5 1元件的定义与分类 定义 定义式 定义曲线 特性曲线 分类 1 特性曲线与方程 u Ri i Gu 1 5电阻元件 1 5 2线性时不变 LTI 电阻元件 2 功率 p ui Rii p ui Ri i 实际应用中应注意电阻的功率不可超过其标称值 3 两个特殊情况 开路 i 0 u 任意有限值 短路 u 0 i 任意有限值 1 特性曲线与方程 u Ri i Gu 负电阻的概念 1 5电阻元件 1 5 3线性时变 LTV 电阻元件 1 特性曲线与方程 u R t i i G t u 2 与LTI电阻元件的比较 设i Imsin 0t 产生与输入不同频率的输出 调制作用 输出信号的频率与输入信号的频率相同 R t Ra Rbsin t 1 5电阻元件 1 5 4非线性时不变电阻元件 1 定义 一般非线性电阻元件的电路符号 2 一些典型的非线性时不变电阻元件的特性曲线 2 理想二极管 1 5电阻元件 1 5 4非线性时不变电阻元件 1 定义 一般非线性电阻元件的电路符号 2 一些典型的非线性时不变电阻元件的特性曲线 2 理想二极管 1 5 4非线性时不变电阻元件 3 非线性电阻元件的静态电阻与动态电阻 静态电阻 tg 动态电阻 tg 4 与线性电阻元件的比较 静态电阻 动态电阻都随工作点变化 1 5 4非线性时不变电阻元件 4 与线性电阻元件的比较 1 线性 可加性与齐次性 例u Ri u i2 2 双向性与非双向性 3 压控 流控与单调型 4 负阻特性 压控 i g u 流控 u f i 动态电阻可能为负值 1 5 4非线性时不变电阻元件 1 5 5无源性与有源性 1 概念 无源 对所有u与i可能的组合及所有时间t 有源 只要出现 表示二端元件或二端电路中能量为零的时刻 用 试探法 1 5 6无源性与有源性 2 二端电阻性元件无源或有源的直观判别 无源 特性曲线在所有时间都处于u i平面的第一 三象限 有源 特性曲线只要有处于u i平面的第二或第四象限的情况 1 6电容元件 电容器的主要电磁性质 1 6 1电容元件的定义与分类 定义 分类 1 6 2线性时不变 LTI 电容元件 1 特性曲线与约束方程 2 电压 电流关系 VCR C 1 6电容元件 q Cu 2 电容的记忆性 3 讨论 1 动态特性 如放大器电路中电容的耦合作用 2 电容的记忆性 0 t 1 0 5t u 1 0 5V 2 t 3 0 5 0 5 t 2 u 3 1V 1 t 2 3 电容电压的连续性 i t 有界 如果i t 在任一时间都有界 则u t 在任一时间的变化都是连续的 即在任一时间 电容电压都不可能即时地从一个值跃变到另一个值 特别 如果在t 0时有界 u 0 u 0 0 原始时刻 0 初始时刻 i t 无界 4 非零初始电压的电容元件的等效电路 4 储存的能量 无源性 0 5Cu2 t 电感器的主要电磁性质 1 7电感元件 磁通 和磁链 i e u参考方向的习惯规定及电磁感应定律的数学表达式 1 7电感元件 1 7 1电感元件的定义与分类 电路符号 定义 分类 1 7 2LTI电感元件 1 特性曲线与约束方程 2 VCR 3 讨论 1 动态特性 2 记忆性 3 电流的连续性 1 3电感元件 Li u t 有界 如果u t 在任一时间都有界 则i t 在任一时间的变化都是连续的 即在任一时间 电感电流都不可能即时地从一个值跃变到另一个值 特别 如果u t 在t 0时有界 i 0 i 0 u t 无界 4 非零初始电流电感元件的等效电路 4 储存的能量 无源性 1 8独立电源 实际电源及运行特点 1 8 1电压源 1 定义和特性曲线 2 备注 电压源的两个特性 如果us t 0 实际电源的一种模型 戴维南 Thevenin 电路 U US RSI 1 8独立电源 1 8 1电压源 1 8独立电源 1 8 2电流源 1 定义和特性曲线 2 备注 电流源的两个特性 电流源电压的确定 1 8独立电源 1 8 2电流源 2 备注 如果is t 0 实际电源的另一种模型 诺顿 norton 电路 U RPIS RPI 1 8独立电源 1 8 2电流源 U US RSI U IS RP I U U RPIS RPI 1 8独立电源 问题 实际电源的两种模型能相互转换吗 1 9受控电源 从属电源 1 9 1四种形式的受控电源 控制量电流电压 受控量电流电压 1 电流控制型电流源 CCCS 2 电流控制型电压源 CCVS 1 9 1四种形式的受控电源 4 电压控制型电压源 VCVS 3 电压控制型电流源 VCCS 备注 1 四种形式的受控电源属于线性时不变电阻性元件 2 关于控制支路 1 9 1四种形式的受控电源 备注 3 四种形式的受控电源是有源元件 1 9 2含受控电源的简单电路分析 3 5 I 2I 4I 0 I 3A U 12V I1 2A 1 9 2含受控电源的简单电路分析 1 9 3受控电源与独立电源的比较 实物背景 实际电源 两支路间的耦合联系 对电路的作用 能单独引起输出 不能 电压源电压或电流源电流 一般是给定的时间函数 控制量一般是未知的 U 2 5V U I 1 25 1 9 4受控电源与独立电源的比较 一支路的电压与本支路电流无关 或一支路的电流与本支路电压无关 将电压源电压置零或将电流源电流置零 根据需要可以置零 不可 除非控制量为零 1 10运算放大器 OPAMP OA 1 10 1器件简介及运算放大器的电路符号 多端钮 8 14 高放大倍数 集成电路器件 注 现在一些书上 运算放大器电路图中 公共端一般省略不画 由电阻 二极管 晶体管等组成的复杂整体 1 10 1器件简介及运算放大器的电路符号 特性曲线与线性放大区的方程 u0 Aud A u2 u1 同相 输入端与 反相 输入端 主要技术参数的典型值 开环放大倍数A 2 105 105 108 输入电阻Rin 2 106 106 1013 输出电阻Rou 10 100 Ud U2 U1 1 10 1器件简介及运算放大器的电路符号 实际应用时引入负反馈 表示输入 输出特性的电路模型 1 10 2理想运算放大器及其特性 理想条件 特性 A u0 Aud A u2 u1 Rin i1 0 i2 0 虚断路 Rou 0 1 10 2理想运算放大器及其特性 i1 0 i2 0 虚断路 运放属于有源元件 吸收的功率 p u1i1 u2i2 u0i0 p u0i0 p RLi0i0 RLi02 1 10 3运算放大器的一些基本电路及输入 输出关系 1 反相放大器 i1 u1 R1 i2 i1 2 同相放大器 i2 i1 u1 R1 u2