电路原理——第1章 基本概念.ppt

电路分析 储萍 3 228 TEL 600mail chuping zist 3 学习方法上与数学 物理等非专业基础课有很大的不同 本课程的作用和特点 1 是所有信息技术类专业的专业基础课 2 是机电类专业第一门专业基础课 4 是以后所有所学课程的基础 前后续课程及联系 模拟电子技术 高频电子线路 自动控制原理 信号与系统 传感器及电子测量 高等数学 线性代数 积分变换 大学物理 复变函数 电路 数字电路 通信原理 EDA技术 课程安排 总学时 80学时其中 理论授课 68学时实验 12学时课题要求 1 按时到课 不迟到早退 2 上课期间 所有通讯工具关闭或静音 3 自带草稿纸 笔 4 积极开动脑筋 参与讨论 不清楚就问 作业上交 成绩 考试60 实验20 作业和课堂20 学习方法 预习 听讲 笔记 复习 独立完成作业 订正 答疑 总结 推荐参考书及网站 简明电路分析基础 李瀚荪 高等教育出版社 2004年 电路 第五版 邱关源 高等教育出版社 2006年 电子学 电路分析基础 美 DavidMBuchla等著 施惠琼等译 清华大学出版社 2006年1月中国电子网 课程结构 电阻电路的分析 动态电路的分析 正弦稳态的分析 电路 重点 1 电压 电流的参考方向 2 基尔霍夫定律 3 电路元件特性 第1章基本概念 电路的组成及其功能 电路主要由电源 负载 连接导线及开关等构成 1 1电路及电路模型 电源 提供电能的装置 负载 取用电能的装置 中间环节 传递 分配和控制电能的作用 电路 若干个电器设备或器件按照一定的方式组合起来 构成电流的通路 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 电路的模型 集总参数元件与集总参数电路 集总参数元件 每一个具有两个端钮的元件中有确定的电流 端钮间有确定的电压 即每一种元件只反映一种基本电磁路现象 集总参数电路 由集总参数元件构成的电路 集总假设 一个实际电路要能用集总参数电路近似 要满足如下条件 即实际电路的尺寸必须远小于电路工作频率下的电磁波的波长 已知电磁波的传播速度与光速相同 即 v 3 105km s 千米 秒 1 若电路的工作频率为f 50Hz 则周期T 1 f 1 50 0 02s波长 3 105 0 02 6000km 一般电路尺寸远小于 能用集总参数电路模拟 2 若电路的工作频率为f 50MHz 则周期T 1 f 0 02 10 6s波长 3 105 0 02 10 6 6m 一般电路尺寸均与 可比 不能视为集总参数电路 电路中的主要物理量主要有 电流 电压 电荷 磁链 电功率 电能等 相应的符号是i u q p w 1 电流 current 带电质点的运动形成电流 单位 A 安 1 2电路的主要物理量 1 2 1电流 常用的单位 2 表示方法 1 概念 在分析计算电路时 对电量任意假定的方向 2 电流的参考方向 电流为1mA I Iab 1mA I Iba 1mA 实际方向与参考方向一致 i 0 实际方向与参考方向相反 i 0 3 实际方向与参考方向的关系 注意 在参考方向选定后 电流 或电压 值才有正负之分 对任何电路分析时都应先指定各处的i u的参考方向 例 若I 5A 则实际方向与参考方向一致 若I 5A 则实际方向与参考方向相反 1 电压 voltage 电场中某两点A B间的电压 降 UAB等于将点电荷q从A点移至B点电场力所做的功WAB与该点电荷q的比值 即 单位 V 伏 1 2 2电压及电位 2 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 参考点的电位一般选为零 所以参考点也称为零电位点 电位用 或V表示 单位与电压相同 也是V 伏 3 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 Udc a d 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 例 1 5V 1 5V 已知Uab 1 5V Ubc 1 5V 1 以a点为参考点 a 0 Uab a b b a Uab 1 5V Ubc b c c b Ubc 1 5 1 5 3V Uac a c 0 3 3V 2 以b点为参考点 b 0 Uab a b a a Uab 1 5V Ubc b c c b Ubc 1 5V Uac a c 1 5 1 5 3V 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时 电路中各点电位均不同 但任意两点间电压保持不变 4 电压 降 的参考方向 可以任意选定一个方向作为电压的参考方向 实际方向与参考方向一致 U 0 实际方向与参考方向相反 U 0 当电压的参考方向指定后 指定电流从标以电压参考方向的 极性端流入 并从标 端流出 即电流的参考方向与电压的参考方向一致 也称电流和电压为关联参考方向 反之为非关联参考方向 关联参考方向 i u 定义 电路中某一段所吸收或提供能量的速率 单位 瓦特 w 1 2 3功率和能量 1 u i关联参考方向 p ui P 0吸收正功率 吸收 P 0吸收负功率 发出 2 u i非关联参考方向 p ui 小结 1 电压和电流的参考方向是任意假定的 分析电路前必须先选定并标明电压和电流的参考方向 参考方向一经假定 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 参考方向不同时 其表达式符号也不同 但实际方向不变 u Ri u Ri 4 元件或支路的u i常采用关联参考方向 以减少公式中负号 5 参考方向也称为假定方向 后续讨论均在参考方向下进行 1 3基尔霍夫定律 Kirchhoff sLaws 基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律 KCL 和基尔霍夫电压定律 KVL 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 电路中电压 电流的约束关系有两类 1 电路元件本身所具有的伏安关系 VCR 2 电路元件的互连方式 拓扑约束 基尔霍夫定律 1 有关术语 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 3 回路 loop 由支路组成的闭合路径 l b 3 4 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 例 支路 ab bc ca 共6条 回路 abd abcd 共7个 节点 a b c d 共4个 b 网孔 abd bcd 共3个 2 基尔霍夫电流定律 KCL 物理基础 电荷守恒 电流连续性 令流出为 支路电流背离节点 i1 i2 i3 i4 0i1 i3 i2 i4 i1 i2 10 12 0 i2 1A 例 4 7 i1 0 i1 3A 在任何集总参数电路中 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 KCL可推广到一个封闭面 i1 i2 i3 0 其中必有负的电流 思考 首先考虑 选定一个 绕行方向 R1I1 US1 R2I2 R3I3 R4I4 US4 0 R1I1 R2I2 R3I3 R4I4 US1 US4 例 如顺时针方向绕行 3 基尔霍夫电压定律 KVL 在任何集总参数电路中 在任一时刻 沿任一闭合路径 按固定绕向 各支路电压的代数和为零 即 推论 电路中任意两点间的电压等于两点间任一条路径经过的各元件电压的代数和 元件电压方向与路径绕行方向一致时取正号 相反取负号 UAB 沿l1 UAB 沿l2 电位的单值性 图示电路 求U和I 解 3 1 2 I 0 I 2 A U1 3I 6 V U U1 3 2 0 U 5 V 1 列方程前标注回路循行方向 UBE E2 I2R2 2 正负号选择 当E I的参考方向与回路绕向相同取正 当E I的参考方向与回路绕向相反取负 3 开口电压可按回路处理 注意 例 I3 E4 E3 R3 R6 R4 R5 R1 R2 a b c d I1 I2 I5 I6 I4 回路1 I1R1 I2R2 I3R3 E3 回路2 I4R4 I1R1 I6R6 E4 回路3 I2R2 I5R5 I6R6 0 KCL KVL小结 1 KCL是对支路电流的线性约束 KVL是对支路电压的线性约束 2 KCL KVL与组成支路的元件性质及参数无关 3 KCL表明在每一节点上电荷是守恒的 方程的具体形式仅依赖于支路与节点的联接关系和支路电流的参考方向 KVL是电位单值性的具体体现 电压与选择的路径无关 4 KCL KVL只适用于集总参数的电路 伏 安特性 线性电阻 非线性电阻 1 4电阻元件 注意 用欧姆定律列方程时 一定要在图中标明参考方向 欧姆定律 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 功率和能量 p吸 ui Ri i i2R u u R u2 R p吸 ui i2R u2 R 功率 任何时刻 电阻元件绝不可能发出电能 它只能消耗电能 因此电阻又称为 无源元件 和 耗能元件 特点 1 输出电压不变 u t us t us t 为电压源的电压 2 电源中的电流由外电路决定 1 5独立电源 1 5 1电压源 1 理想电压源 理想电压源的开路与短路 a 开路 R i 0 u uS b 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 US ri 2 实际电压源 特点 1 输出电流不变 其值恒等于电流源电流iS 即i t is t 2 输出电压由外电路决定 1 5 2电流源 1 理想电流源 理想电流源的短路与开路 b 开路 R i iS u a 短路 R 0 i iS u 0 电流源被短路 原则 Is不能变 Us不能变 解 电压源中的电流I Is 电流源两端的电压Uab IR Us 例 1 6受控电源 1 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 2 电路符号 受控电压源 受控电流源 a 电流控制的电流源 CurrentControlledCurrentSource 电流放大倍数 r 转移电阻 3 分类 根据控制量和被控制量是电压u或电流i 分为四类 b 电流控制的电压源 CurrentControlledVoltageSource g 转移电导 电压放大倍数 c 电压控制的电流源 VoltageControlledCurrentSource d 电压控制的电压源 VoltageControlledVoltageSource 求下图电路开关S打开和闭合时的i1和i2 S打开 i1 0 i2 1 5 A S闭合 i2 0 i1 6 A 例 已知R1 30 R2 15 US 120V 求图中电路的U和I以及各元件的功率 分析 KVL 30I 2U U 120I U R2 U 15联立以上两式 得I 8A U 120VR1 P1 I2R1 82 30 1920WR2 P2 I2R2 82 15 960WUS PS I US 8 120 960W 产生 VCVS PU I 2U 8 2 120 1920W 产生 4 受控源与独立源的比较 c 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 d 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 a 受控电压源的电流由外电路决定 受控电流源的电压由外电路决定 b 能对外提供能量 有源 1 7单口网络及等效 等效 是指 对外 等效 等效互换前后对外电路伏 安特性一致 对内不等效 1 电阻的串并联及等效 Req R1 R2 Rn Rk 1 Req 1 R1 1 R2 1 Rn Geq G1 G2 Gk Gn 或 2 电压源的串联及等效 注意参考方向 一致取正 不一致取负 3 电流源的并联及等效 注意参考方向 一致取正 不一致取负 4 电压源与元件的并联 5 电流源与元件的串联 注意 电压源只有大小和极性