模电第一章 220课堂.ppt

第1章电路的基本概念与基本定律 1 1电路的基本变量 1 2电路的基本元件 1 3基尔霍夫定律及其应用 实际电路是由各种电器元件按一定的方式连接起来的电流通路 由电源 中间环节 负载三部分组成 1 1电路的基本变量 电源 提供电能和电信号的装置 中间环节 传递 分配和控制电能的作用 负载 将电能转化成其它形式能的装置 Us Rs S RL 1 1电路的基本变量 一 电流的定义 电荷的定向移动形成电流 电流的大小用电流强度来描述 符号为I或i 电流强度定义为电位时间流过导体横截面的电量 即 如果电流的大小方向随时间变化 称为交流电流 i 若电流的大小方向不随时间变化 称为直流电流 I 在国际单位制中 电流的单位为安培 A 对于较小的电流可以用毫安 mA 微安 A 纳安 nA 来描述 他们之间的关系是1A 103mA 106 A 109nA 电流的方向 电流的方向规定为正电荷移动的方向 但在实际电路中 往往很难事先确定电流的实际方向 而且交变电流的实际方向又是随时间不断变化的 为了电路分析和计算的需要 人们任意假定一个电流的正方向作为电流的参考方向 用箭头标在电路图上 在求解电路中的电流时 应该首先选定电流的参考方向 正方向 然后根据假设的电流方向进行分析求解 若求得I 0 则电流的实际方向与参考方向一致 若求得I 0 则电流的实际方向与参考方向相反 二 电压的定义 电场力将单位正电荷从a点移到b点所做的功称为a b两点间的电压 用uab表示 即 在国际单位制中 电压的单位为伏特 V 对于较小的电压可以用毫伏 mV 微伏 V 来描述 电压的方向 电压的实际方向是从实际的高电位指向地电位 然而电路中各电压的实际方向或极性往往不能事先确定 在分析电路时 假定一个电压的参考方向或参考极性 用 分别标注出来 在电路中电压和电流的参考方向均可以任意假定 两者独立无关 但为了电路分析上的方便 对一个元件或一段电路上的电压和电流习惯上采用关联参考方向 即电流的参考方向与电压降的方向一致 电压 电流的关联参考方向 电路中的元件总的来说可以分为无源元件和有源元件两大类 其中无源元件主要包括电阻 电容 电感元件等 有源元件包括电压源 电流源 受控源 本节主要介绍电阻 电压源 电流源 受控源的特性 其它元件留待后续相关章节讨论 1 2电路的基本元件 一 线性电阻 1 电路符号 2 伏安关系 在关联参考方向下 u Ri 在非关联参考方向下 u Ri 电阻的单位 欧姆 符号 电阻 在电路分析中 为了分析上的方便 还常采用电导G来表征电阻 G为R的倒数 即 3 电导 电导的单位 西门子 符号S 采用电导后 欧姆定律可表示为 i Gu 二 非线性电阻 如果一个电阻的伏安特性是过原点的一条曲线 则该电阻为非线性电阻 非线性电阻的阻值有两种表征方法 1 静态电阻 2 动态电阻 静态电阻 直流电阻 是指过曲线某一点Q上电压和电流的比值 即 RQ uQ iQ 动态电阻 交流电阻 它是指过曲线某一点Q电压微变量 u和电流微变量 i之比的极限值 即 工作点不同 静态电阻和动态电阻的阻值也不同 在同一工作点 动态电阻和静态电阻也不相等 电源 理想电源是实际电源在一定条件下的理想化模型 包括理想电压源和理想电流源 一 理想电压源 2 电路符号 1 定义 如果一个二端元件其输出电压保持常量Us或按给定的时间函数us t 变化 则称这个二端元件为理想电压源 3 伏安关系 从其伏安特性可知 理想电压源具有如下基本性质 1 理想电压源的输出电压恒定不变 与外接电路无关 2 理想电压源流过的电流可以是任意的 由外接电路决定 二 理想电流源 2 电路符号 1 定义 如果一个二端元件其输出电流保持常量Is或按给定时间函数is t 变化 则此二端元件为理想电流源 3 伏安关系 从其伏安特性可知 理想电流源具有如下基本性质 1 理想电流源的输出电流恒定不变 与外接电路无关 2 理想电流源两端的电压可以是任意的 由外接电路决定 综上所述 理想电压源具有恒压不恒流的性质 而理想电流源具有恒流不恒压的性质 所以在电路理论中也称理想电压源为恒压源 理想电流源为恒流源 电压源 电流源均可以独立向外电路提供能量 所以也称其为独立源 讨论题 三 实际电压源 1 实际电压源的电路模型 2 实际电压源的伏安关系 由实际电压源的电路模型可以得出其伏安关系为 由实际电压源的伏安特性曲线 可以看出 实际电压源的输出电压 即端电压 是随着它上面流过电流的增大而逐渐减小的 其内阻RS越小 曲线越平坦 就越接近理想电压源 在实际使用中 希望电压源的内阻RS越小越好 3 实际电压源的三种工作状态 加载 开路 短路 端电压 开路电压 短路电流 四 实际电流源 1 实际电流源的电路模型 2 实际电流源的伏安关系 由实际电压源的电路模型可以得出其伏安关系为 由实际电流源的伏安特性曲线 可以看出 实际电流源的输出电流是随着它两端电压的增大而逐渐减小的 其内阻RS越大 曲线越平坦 就越接近理想电流源 在实际使用中 希望电流源的内阻RS越大越好 五 实际电源的等效变换 实际电压源和实际电流源其内部结构不同 但其外特性在一定条件下可以相同 当两种实际电源外特性相同时 对外电路来说 他们就是完全等效的 即它们之间可以进行等效变换 实际电压源的伏安关系为 实际电流源的伏安关系为 上式可改写为 比较 1 式和 3 式 如果要两者伏安关系完全相同 则必须满足 注意 实际电源的等效变换只是对外电路而言 其电源内部并不等效 对理想电源因其伏安关系不可能相同 故不能进行等效变换 例1 2 如图 a 所示电路 求电流I 解 利用实际电源等效的概念可将图 a 所示电路等效变换为图 b 所示电路 由图 b 电路可得 受控电源 一 受控源的性质 2 受控电源与独立电源一样可以为电路提供功率 3 是非独立的 其输出电压或电流的大小和方向均受电路中某条支路的电压或电流控制 二 受控源的类型 电压控制电压源 VCVS 电流控制电压源 CCVS 电压控制电流源 VCCS 电流控制电流源 CCCS 1 受控电源是半导体电路元件在一定条件下的理想化模型 三 受控源的符号 电压控制电压源 电压控制电流源 电流控制电压源 电流控制电流源 电路中的受控源 独立源在电路中可以直接起激励作用 为电路提供信号或能量 而受控源则不能直接起激励作用 它仅描述电路中两条支路电压和电流间的一种约束关系 对受控源来说 若控制量存在 则受控源存在 若控制量变为0 则受控源也为0 注意 独立源和受控源存在本质的差异 1 3基尔霍夫定律 在电路理论中 电路元件的电压 电流受自身伏安关系的约束 当各元件联接成一个电路以后 电路中的电压 电流除了必须满足元件自身的约束方程以外 还必须同时满足电路结构的约束 这种约束体现为基尔霍夫的两个定律 即基尔霍夫电流定律 Kirchhoff sCurrentLaw 简写为KCL 和基尔霍夫电压定理 Kirchhoff sVoltageLaw 简写为KVL 支路 每一个二端元件构成一个支路 实际分析中 常把通过同一电流的路径定义为一个支路 电路分析中的几个概念 网孔 内部不含支路的回路称为网孔 节点 三条或三条以上支路的连接点定义为节点 回路 由支路构成的闭合路径称为回路 支路上流过的电流称为支路电流 支路两端的电压称为支路电压 它们是电路分析的主要对象 基尔霍夫电流定律 KCL 基尔霍夫电流定律 在任一电路中 任何时刻每一个节点上电流的代数和为零 其数学表达式为 节点1 节点2 节点3 节点4 基尔霍夫电压定律 KVL 基尔霍夫电压定律 在任一电路中 任何时刻沿任一回路 各元件上电压降的代数和等于零 即 元件电压的正负号随元件电压参考方向和回路绕行方向而定 当元件上电压的参考方向与绕行方向一致时取正号 支路电压参考方向与绕行方向相反时取负号 例 如图所示回路 若绕行方向为顺时针方向 则KVL方程为 若绕行方向为逆时针方向 则KVL方程为 上式还可改写为 沿绕行方向电压降之和等于电压升之和 应用条件 基尔霍夫电压和电流定律阐明了电路中各元件电流 电压之间的关系 这种关系与元件自身的特性无关 体现的是电路结构上的内在联系 因此不论电路中元件是线性 非线性 时变 非时变 基尔霍夫定律均适用 基尔霍夫定律的应用 电路中的元件构成电路时 要受两类约束 一类是元件自身伏安关系的约束 另一类是电路结构的约束 即各元件的电压 电流要满足KVL和KCL 元件约束和结构约束是电路分析的依据