第1章 电路的基本概念和基本定律.ppt

第1章电路的基本概念和基本定律 1 1电路与电路模型 1 2电压 电流及其参考方向 1 3电路的功和功率 1 4基尔霍夫定律 1 5无源电路元件 1 6有源电路元件 1 7受控源 1 8电路的基本状态和电气设备的额定值 本章基本要求1 理解和掌握电路的基本物理量及其应用 电压 电流参考方向的意义 电位和功率的计算 2 理解和掌握无源电路元件R L C的伏安特性 3 理解和掌握电压源 电流源的外特性及实际有源元件的两种电路模型 4 理解和掌握电路的基本定律 基尔霍夫定律 5 了解电气设备的额定值 一 电路的组成1 电路 将一些电气设备或器件按照一定的方式连接的电流通路 2 电路的组成 电源 负载 中间环节 1 1电路与电路模型 电源 提供电能的元件 将非电能转换为电能 负载 将电能转换为非电能或电信号元件 中间环节 连接电源和负载的导线 开关 二 电路的功能和分类 1 力能 强电 电路 起传输和分配电能的作用 特点 电压高 电流和功率大 要求 功率损耗小 电能转换和传输的效率高 2 信号 弱电 电路 起传递和处理信号的作用 特点 电压低 电流和功率小 要求 输出信号强 传递信号不失真 理想电路元件 具有单一性能的电路元件 分类 有源元件和无源元件 有源元件 电压源和电流源 无源元件 电阻R 电容C 电感L 电路模型 由理想电路元件或它们的组合表示的实际电路元件 三 电路模型 一个实际的电感线圈在不同频率下的电路模型 四 网络和系统 一 术语1 结点 电路中三个或三个以上元件的公共连接点 2 支路 由一个或几个电路元件串联构成的一段无分支电路 3 回路 由一条或多条支路组成的闭合回路 4 网孔 除组成回路本身的支路外 内部不包含其他支路的回路 有源支路 无源支路 二 网络和系统网络 比较复杂的电路 分类 有源网络和无源网络 系统 完成一定功能的复杂电路 端钮 端钮 端钮 四端网络 二端网络 端口 端口 端口 一端口网络 二端口网络 分立元件单管放大电路 中规模集成电路 大规模集成电路 练习与思考 图1 1 6有几个结点 几条支路 几个回路和几个网孔 图1 1 6 自由电子 1 2电流 电压及其参考方向 一 电流电流 电荷的定向运动 变动电流 直流 电流的实际方向 正电荷运动的方向 e 正离子 负离子 电极 电解液 二 电位 电压和电动势 例 设c点为参考点 即则 1 电位任选电路中的一点作为参考点 参考点用 符号表示 参考点的电位为零 电路中其它各点的电位是相当于参考点的电压 定义 2 电压大小 方向 a b3 电动势大小 方向 b a 再设b点为参考点 即则 三 电压 电流的参考方向 练习与思考 3 在图1 2 4电路中 分别以C D为参考点 计算各点电位及电压UAB UBD 图1 2 4 练习与思考 4 画出图1 2 5电路的原电路 图1 2 5 练习与思考 画出右图电路的原电路 并计算A B点的电位及电压UAB 解 VA 5 3 2V VB 5 3 4 2VUAB VA VB 4V 1 3电路的功和功率 负载吸收或消耗的电能 单位 1J 1W 1s 1Ws工程单位 1kWh 1000W 3600s 俗称1度 功率 单位 例1 3 1 图1 3 1电路中 U 5V I 2A 试判断元件A是电源还是负载 图1 3 1 解 P UI 5 2 10W 0故可以判定元件A为电源 如果I为 2A 或箭头与图示相反 P 10W 则A为负载 练习与思考 图1 3 2电路中 US 10V 思考电压源US供出的功率和电阻消耗的功率各为多少 图1 3 2 功率的判定 1 4基尔霍夫定律 基尔霍夫定律 是电路理论的核心 是分析电路的依据 一 基尔霍夫电流定律 KCL KCL是确定连接在同一结点上的各支路电流之间的关系定律 结点B 结点C 结点D 结点A 广义结点 图1 4 3为一NPN晶体管电路符号 可以将其视为一广义结点则 请思考 图1 4 4中2 电阻支路的电流为多少 图1 4 4 图1 4 3 二 基尔霍夫电压定律 KVL KVL描述了电路中任意闭合回路中各部分电压之间的关系 对网孔ABCA 对网孔ACDA 对网孔BDCB 对不闭合回路 KVL 1 的解释 沿任一回路绕行一周 电位有升有降 总电位升之和等于总电位降之和 例 图1 4 5中ABEDA是闭合回路 按顺时针方向循行 其KVL方程为 图1 4 5 KVL 2 的解释 沿任一回路循行一周 回路中各部分电压的代数和等于零 各部分电压参考方向与循行方向一致取 相反者取 而BCFEB不是闭合回路 其KVL方程为 可得 练习与思考 图1 4 7 在图1 4 7的电路中 已知网孔的KVL方程为 1 标出各元件的参考方向和循行方向 2 确定U1的电压值 1 5无源电路元件 一 电阻元件 0 25W金属膜电阻 2W金属膜电阻 瓷釉电阻 电阻排 电位器 可调电阻 伏安特性关系 功率 取关联参考方向 伏安特性曲线 电阻的功率为正值 是耗能元件 空心电感 电感线圈 二 电感元件 环形电感 可调电感 韦安特性关系 自感系数 伏安特性 取关联参考方向 三 电容元件 CBB聚丙烯电容 钽电解电容 铝电解电容 独石电容 q u特性关系 电容 伏安特性 关联正方向下 练习与思考 2 已知通过R L C三个元件的电流为 求各元件的端电压 并画出与i对应的波形 3 上题图中 在t T 2时 i T 2 0 u是否为零 1 找出电感元件与电容元件对偶的特征 1 6有源电路元件 一 电压源1 理想 电压源 提供一个恒定不变的电压 电压源输出电压与负载无关 输出电流由外电路负载决定 2 电压源模型 实际电压源 伏安特性 实际电压源输出电压 电流都与负载有关 二 电流源1 理想 电流源 能够提供恒定不变的电流 电流源输出电流与负载无关 输出电压由外电路负载决定 2 电流源模型 实际电流源 伏安特性 实际电流源输出电压 电流都与负载有关 三 两种电源组合模型的等效互换 练习与思考 2 电流源的外接电阻越大 其端电压越高 对吗 3 某实际电源的外特性为U 10 5I 外接负载R 2 供出的电流为多少 4 图1 6 8 a 电路中R1增大时 U2如何变化 图1 6 8 b 电路中R1增大时 I2如何变化 1 电压源与电流源为什么不能等效互换 图1 6 8 b 图1 6 8 a 5 图1 6 9 a b 电路中 哪个有源元件供出功率 图1 6 9 a 图1 6 9 b 6 图1 6 10 a b 电路中 哪个有源元件供出功率 图1 6 10 a 图1 6 10 b 1 7受控源 1 8电路的基本状态和电气设备的额定值 一 电路的基本状态 1 通路 根据KVL 2 开路 空载 开路电压 3 短路短路电流 二 电气设备的额定值 额定电压过电压 电击穿 额定电流过电流 热损坏 额定功率 练习与思考 2 一只220V 40W的白炽灯与一只220V 100W的白炽灯并联 接于220V的电源上 那只亮 为什么 若串联呢 3 将一只220V 40W的白炽灯接到220V 1kW的电源上 白炽灯能否正常工作 为什么 1 额定功率相同的两个电阻 阻值大的额定电流大还是小 额定电压大还是小 本章学习小结 本章内容的重点为电压 电流的参考方向 元件约束和结构约束以及电压源 电流源的特性 1 电压 电流的参考方向是为分析电路而假设的 在参考方向下 电压 电流 功率都是代数量 在分析计算电路时 电压 电流的参考方向通常采用关联参考方向 即一致方向 如果电路中的某无源元件的电压 电流的参考方向不关联 相反 则其元件约束方程前加 号 如电阻元件的电压 电流参考方向如图1 1所示时 其约束方程为u Ri图1 1 2 计算电路元件消耗的功率时 要考虑其电压 电流是否为关联参考方向 是 用p ui计算 否 用p ui计算 无论哪种情况 若P 0 说明此电路元件消耗了功率 在电路中的作用为负载 若P 0 说明此电路元件供出功率 在电路中的作用为电源 3 电压源 电流源为本章的难点 尤其是电流源 初学者总觉得难以理解和掌握 电压源 电流源都是理想的有源元件 当一个实际电源的内阻远远小于负载电阻时 可近似看成电压源 而当它的内阻远远大于负载电阻时 改变负载电阻 电源供出的电流变化不大 则可近似看成电流源 电压源与电流源为对偶元件 它们都有两个基本特性 可以对照理解和掌握 电压源的端电压为恒定值或为一定的时变电压 与它供出的电流无关 其供出电流由外电路决定 电流源供出的电流为恒定值或为一定的时变电流 与其端电压无关 它的端电压由外电路决定 因此 如果一个电压源与一个电流源串联时 则此支路电流被电流源所确定 而电流源的端电压要根据 列方程确定 如果一个电压源与一个电流源并联 则电流源的端电压被电压源确定 而电压源提供的电流要根据 确定 例如右图所示电路 若US1 4V IS1 2A IS2 4A US2 10V R 2 由于电压源US1与电流源IS1串联 则支路电流为IS1 2A 而电流源IS2的端电压被US2确定 即UIS2 UAB US2 10V 而电阻的电流I US2 R 10 2 5A根据KCL 电压源US2支路电流为I I IS1 IS 5 A 根据KVL 电流源IS1的端电压为UIS1 US US1 V V 基尔霍夫定律是电路的基本定律 不仅是本章的重点内容 而且是全书电路部分的重点内容 所以要熟练掌握 正确运用 学习基尔霍夫定律首先要正确理解关于节点 支路 回路 网孔的定义 然后逐一掌握基尔霍夫电流定律 i 0和基尔霍夫电压定律 u 0使用时必须注意到两套正负号的问题 一套是个各项前的运算正负号 另一套为电流i 电压u本身代数量的正负号 i 0中的