电路分析基础-课堂教学演示文稿【PPT课件】.ppt

电路分析基础 课堂教学演示文稿 吴晓娟 绪论 一 本课程的作用 电路分析基础 课程是电子与电气信息类专业的技术基础课 也是电子与电气信息类所有专业的必修课 它既是电子与电气信息类专业课程体系中数学 物理学等基础课的后续课程 又是后续技术基础课 高 低频电子线路 信号与系统 和专业课 通信原理等 的基础 它是由逻辑思维过渡到工程思维的桥梁课 在整个电子与电气信息类专业的人才培养和课程体系中起着承前启后的重要作用 通过本课程的学习 对培养学生严肃认真的科学作风和理论联系实际的工程观点 以及科学的思维能力 归纳能力 分析计算能力 实验研究能力都有重要的作用 邓小平同志曾精辟的指出 21世纪是高科技发展的世纪 21世纪将是知识经济占国际经济主导地位的世纪 面向21世纪的高等教育质量目标 概括地说 就是培养和造就全面适应新世纪的人才 要实现这个目标 研究型大学和创新性人才的培养是摆在我们面前的两大任务 为此必须加快教育改革的步伐 我们编写本教材就是本着以适应当前高等学校教育改革中注意素质培养和能力培养的精神 加强基础 拓宽专业的原则 以适应21世纪对信息类专业人才的要求 二 学习本课程目的 就是使学生获得有关电路分析方面的基本理论 基本知识和基本技能 为学习后续课程以及今后从事工程技术工作打好基础 本课程基本上是一个技术基础理论课 是不可能讲很多实际应用的 我们培养的是高等专业人才 一定要有雄厚的理论基础和广博的专业知识 而不是技工 不能一进门就讲基本操作 也不能是讲一条理论就有一条应用 这样的理论是浅薄的 我们是要学会高瞻远瞩 电路分析 在已知电路结构和元件参数的条件下 讨论电路的激励与响应之间的关系 激励 电源或信号源的电压或电流 它推动电路工作 即产生电路各部分电压或电流的原因 响应 激励在电路各部分产生的电压和电流 即研究电路中因果关系的学科 二 学习方法 1 要找出与中学物理 电学 部分的联系与不同 是在其基础上的延续和加深 中学 是从研究某一问题的特殊性入手 大学 是从问题的普遍性 共性 入手 建立物理量间的函数关系 得到其特殊性 例 电流的概念 中学 I I q t单位时间内流过导体横截面积的电量 直流 大学 电流是电荷随时间的变化率 是时间的函数 当 常数 不随时间变化时 恒定电流 直流 建立数学模型 学会分析和处理问题的方法 而不是用大量的 习题来验证一个概念 与高三应试教育不同 三 讲授方式和课程安排 分讲授 自学 详讲 略讲相结合 平时讲课配有配套习题 阶段总结安排习题课 参考书目 电路分析 李瀚荪北京理工大学 电路 上邱关源西安交通大学 电工学 上秦曾煌哈尔滨工业大学 电工学 上罗守信浙江大学 第一章电路的基本概念和基本定律 人们想要成功 但却常常回避问题 只要抓住问题并处理问题才能取得成功 乔赛亚 博尼尔 目录 绪论第一章 电路的基本概念和基本定律 1 1电路与电路模型 1 2电流和电压的参考方向及功率 1 3基尔霍夫定律 1 4电阻元件 1 5独立电源 1 6受控源 1 7运算放大器 内容提要 本章主要讨论了电路的基本物理量 电路模型 电压和电流的参考方向以及独立电源 受控源等电路元件的基本概念 着重阐述了集总电路中电压和电流间的约束关系 这是分析集总参数电路的基本依据 1 1电路和电路模型 一 电路 电流的通路叫电路 它是由若干电气设备或器件按一定方式结合起来的 1 电路的作用 1 实现电能的传输和转换 发电设备 变电 输电设备 其他形式能量 电能 机械能 热能 光能 化学能 2 传递和处理信号 例1 卡拉OK 例2 打电话 将一个用户的信息传送给另一个用户通过通信系统 完成信息的传递和交换 此外还有收音机 电视 自动控制 2 理想元件 实际的电路都是由电气设备和器件组成 如 发电机 变压器 电动 电池 晶体管 电阻 电容 我们研究的不是这些实际设备而是理想化了的元件 由于电磁能量的相互转换 变化的磁场 变化的电场 许多设备的性质往往比较复杂 表现出两重性或多重性 例如导线我们往往用电阻表示 但在一定的条件下它还表现出电容性 电感性 在一定的条件下可把实际元件理想化 用其主要的电磁性质来代替 理想元件 电阻元件 消耗电能R 电感元件 储存磁能L 电容元件 储存电能C 电池和发电机 供给电能 称为理想元件 集中 总 参数元件 这些元件分别由相应的参数来表征 根据端子数目不同理想元件可分为 二端元件 电阻 电容 电感等 三端元件 晶体管 场效应管等 四端元件 变压器 二 电路模型 由理想元件 集总参数元件 组成的抽象电路 电路模型 1 2电流 电压的参考方向及功率 组成电路的基本物理量是电流 电压和功率 中学我们都认为它们是不随时间而变化的 实际上它们都是时间的函数 一般用小写字母I u p表示 一 电流 电流的方向规定为正电荷运动的方向 在复杂的交流电路中 有时某一支路电流的方向很难一下子确定 例如图1 2 1 在交流电路中电流的方向和大小都是随时间变化的 无法用一个固定的箭头表示 为此我们提出参考方向的概念 图1 2 1电流参考方向示例图 当计算值为负 则实际方向与参考方向相反 为正 则实际方向与参考方向一致 在分析和计算电路时 事先选定某一方向为电流正方向 电流的方向和大小却是随时间变化的 无法用一个箭头来表示 而在分析和计算电路时 事先选定某一方向为电流的正方向 参考方向 参考方向一经规定 在求解过程中不得改动 上例中规定I2参考方向由左向右 若计算值为 表示电流正方向 a b 参考方向表示法 二 电压 电压的实际方向是高电位指向低电位 参考方向是任意规定的 当取电压的参考方向与实际方向一致 当取电压的参考方向与实际方向相反 大小相等方向相反 数值上 把单位正电荷由负极板通过电源内部移到正极板非静电力所作的功 表示方法 箭头 双下标 对于电源外部 电压 由高电位 低电位 电源内部 电动势 由低 高 电动势的实际方向 设Uba U2 U1 4 6 10vb点电位高 注 做题时只考虑参考方向 然后代入数值 再考虑实际方向 例 已知图中U1 6v U2 4v 问Uab 哪点电位高 设Uab U1 U2 6v 4 10vb点电位高 电压与电流参考方向一致 即U I一致在这样的规定下当只标明电流参考向时 电压降的参考向就不言而喻了 三 关联参考向 功率 电路在工作状态下总伴随有能量的流动 电路中某一段吸收或提供能量的速率即为功率 采用符号表示 如图1 2 4所示的方框 它可能是一个元件 一个电源 或是电路中的某一部分 它可能发出功率也可能吸收功率 当指定电压和电流为关联参考方向时 元件所吸收的瞬时功率为 与电压 电流是代数量一样 功率也是一个代数量 与电压 电流是代数量一样 功率也是一个代数量 元件吸收还是发出功率可以由两种方法判别 当时 表明该时刻该部分吸收功率 消耗能量 当时 表示该时刻该部分发出功率 提供能量 由和的实际方向也可以判定某一元件是发出功率 电源 还是吸收功率 负载 当和的实际方向相反 电流从 极流出 则该元件发出功率 起电源的作用 当和的实际方向相同 电流从 端流入 则该元件吸收功率 起负载的作用 1 3基尔霍夫定律 克希荷夫定律 定律 线性电阻元件电流间约束关系的定律 基尔霍夫定律 元件联接时 支路电压和支路电流满足的约束关系与元件本身无关 名词简介 1 支路 联接于电路中的每一个二端元件 即一个元件代表一条支路 每一条支路代表一个电路元件 便于用网络拓扑表示 中学 通过同一电流的每个分支叫支路 右图中有五条支路 ab ac ad cb db 无源支路 历史人物传略 欧姆 全名 GeorgSimonOhm 1787 1854 德国物理学家 1826年由实验得出最基本的表述电压 电流 电阻三者之间关系的欧姆定律 他的这些工作最初曾不被某些批评者所接受 连柏林学会也没有注意到它的重要性 欧姆非常失望 他辞去了在科隆的职务 又去当了几年私人教师 随研究电路工作的进展 人们逐渐认识到欧姆定律的重要性 欧姆本人的声誉也大大提高 1833年他被聘为纽伦堡工艺学校物理教授 1841年伦敦皇家学会授予他勋章 1849年他当上了慕尼黑大学物理教授 欧姆出生于巴伐利亚的埃尔兰根 有着艰苦的童年 欧姆一生从事电学的研究 建立了著名的欧姆定律 1841年 伦敦皇家学院授予他CopleyMedal奖 1849年 慕尼黑大学授予他物理学首席教授职位 出于对他的敬意 电阻单位即以欧姆命名 他在晚年还写了光学方面的教科书 1854年7月6日 欧姆在德国曼纳希逝世 基尔霍夫 全名 GustavRobertKirchhoff 1824 1887 德国物理学家 1847年提出了两个电路网络中电压与电流关系的基本定律 基尔霍夫定律和欧姆定律构成了电路分析理论的基础 基尔霍夫出生于东普鲁士Konigsberg一个律师的家庭 18岁就读于Konigsberg大学 毕业后在柏林就教担任讲师 它与德国化学家罗伯特 本生 RobertBunsen 在光谱学方面合作 发现了元素铯 1860年 和元素铷 1861年 基尔霍夫辐射定律也为他增添了荣誉 基尔霍夫在工程界 化学界和物理界都是著名的人物 cb db 含源支路 其余无源 2 节点 两条或两条以上支路的联接点 右图有4个节点 仅关联两个支路的节点 2个节点间的通路 支路 简单节点 例c d 简单节点不计时只有两个节点a b 元件的相互联接给支路电流和电压带来的约束 基尔霍夫定律 3 回路 电路中任一闭合的路径 上图有三个回路 4 网孔 不含支路的回路 上图有两个网孔 它是用来确定一个节点上各支路电流间关系的定律 一 基尔霍夫电流定律 KCL定律 基尔霍夫第一定律 1 物理意义和数学表达式 例图中 2 方向 原则上按电流参考方向来定 参考方向的选择是任意的 本书中流出为 流入为 也可流入为 流出为 3 KCL定律的推广 KCL定律不仅适用于节点 也适用于电路中任一假定的闭合面 例如 对晶体三极管做一闭合面通过这封闭面的电流的代数和为零 即 此闭合面 广义节点 对整个封闭面也有 对A 又如接成 或y的发电机的三相绕组 对每一个节点A B C来说均有 KCl定律揭示了电路中任一点处电流必须服从的规律 是电荷守恒定律的体现 二 基尔霍夫电压定律 KVL定律 克希荷夫第二定律 1 物理意义及数学表达式 沿任一闭合回路绕行一周 整个回路各部分的电位差 电压 的代数和等于零 U 0 第一种表达 方向 以大回路为例 首先确定各电压参考方向 我们指定回路的绕行方向为顺时针方向 各支路电压的参考方向如图示 根据KVL则有 移项有若 代入上式得 由此可见 间电压不论沿左边支路还是沿 构成的路径 其间电压是相等的 沿 也可得到同样的结论 KVL实际上是集总参数电路中任意两点间的电压与路径无关这一性质的体现 我们再将式作另外一种移项处理 1 3 5 将数值代入80 90 140 30 得170 170 这体现了KVL另一种表示形式即 在集总参数电路中沿任一闭合回路绕行一周 电压降的代数和 电压升的代数和 电压与绕行方向一致为 与绕行方向相反为 电压升 3 可用于部分电路 1 U E IR 2 由KVL定律 U 0 均有 可见 1 KCL是电荷守恒的结果 是任一点处电流必须服从的约束关系KVL是电压与路径无关这一性质的反映 是任一回路内电压必须服从的约束关系 2 两定律仅与元件的相互联接有关 而与元件的性质无关 这种约束关系 拓扑 约束 toplogy 3 无论是线性还是非线性 时变还是非时变 只要理想元件 集总参数元件 的电路均适用 注 拓扑 约束 数学的一个分支 研究几何图形在连续改变形状时 还能保留不变的一些特性 它只考虑物体之间的位置关系而不考虑它们的距离和大小 1 4电阻元件 电阻元件分线性和非线性 时变和非时变 我们研究的电阻元件 1 是线性 非时变 二端元件 2 通过它的电流与加在它两端的电压服从 定律 i u取关联参考向时 U t Ri t I u取非关联参考向时 U t Ri t 3 其u I特性 伏安特性 VAR特性 曲线是通过原点的一条曲线 4 在并联电路中常用它的倒数G 1 R 电导单位S 西门子 5 电阻元件是将电能 热能的元件 在时间 t0 t 内电阻元件消耗的热能 中学已知 Q I Rt 焦尔热 6 R G对偶 1 5独立电源 电源 1 独立电源 u I是独立存在的 可以用两种不同的模型等效 电压源 电流源 2 受控源 相关电源 其电压和电流是受电路中其他部分的电压或电流控制的 这些电压或电流不存在时该电源也不复存在 一 电压源 理想电压源 是一个二端元件 过去我们学过 电源是一种电动势E 内阻相串联的模型 1 端电压 2 外特性 电源的VAR特性 一般 路端电压U E U E I的直线 2 特点 1 电压源两端的电压是固定不变的 不因外电路的改变而改变 与其通过的电流无关 与其并联的电阻影响可去掉 2 电压源中的电流随外电路的不同而不同 可以是任意的 3 外特性 R 0 在u I平面上的VAR特性是一条不通过原点且 i轴的直线 4 即可当负载 也可当电源 电源 u I反向 P t Us t i t 0发出功率 表示符号 方向由低电位 高电位 二 电流源 理想电流源 恒流源 1 电流源是一个二端元件 2 其两端电压由与它相连的外电路决定 2 特点 1 电流源中的电流i是固定不变的 与它两端的电压无关 不因外电路的不同而不同 与其串联的电阻影响可去掉 3 外特性 是 u的直线 此电源相当于 4 对u i取非关联参考向时 P 0发出功率 电源 P 0吸收功率 负载 在图中 一个理想电压源和一个理想电流源相联 试讨论它们的工作状态 即是负载还是电源 例1 5 1 电流源两端电压是由电压源决定的 解 在图示电路中 电压源中的电流是由电流源决定的 在图 a 中 电压源中的u I实际方向相反 对电流源u I 实际方向相同 故电压源是电源 电流源是负载 发出功率P ui吸收功率P ui 在图 b 中 情况与上相反 电压源是负载吸收功率 电流源 是电源 发出功率P ui 例1 5 2 在图示两电路中 1 负载电阻RL中的电流I及其两端的电压u各为多少 2 分析功率平衡关系 在图 a 中 在电压源旁并联电阻不影响其电压输出 u 10vI 10 5 5A 电流源的电流永为2A不受外电路影响 5 2 3A电流应是电压源支路中流出的 对电压源还是电流源来讲均有u I反相 均发出功率 Pe 2 10 3 10 50wPL i R 50w 在图 b 中 串联元件不影响其电流输出 i 2A 6v电压降在电流源两端 20 8 12w功率也应为其所吸收 u iRL 2 2 4v 对电流源 U i反相 发出功率 其两端电压为4v 电压源两端电压10v 发出功率20w 功率平衡 负载吸收功率 1 6受控源 受控源 非独立电源 相关电源 受控源中的电流及加在两端的电压是受电路中其它部分的电压或电流控制的 受控源的分类 根据受控电源是电压源还是电流源 以及控制量是电压还是电流 受控源可分成四种P17 以下四个特点也可不讲 1 VCVS 特点 左 右 电压比 2 VCCS 左 右 转移电导 3 CCVS 左 右 转移电阻 4 CCCS 左 转移电流比 二 特点 由左右两条支路表示的电流 四端 双口 元件 左边 开路或短路 右边 理想电压源或理想电流源 支路2是支路1的函数 这种电源不起 激励 作用 它是电路中某处的电压或电流控制另一处的电压或电流现象的反映而已 三 作用 1 模拟电子器件内部所发生的物理过程 表示同一电路内两支路之间电流或电压的控制关系 例1 6 1 交流小信号工作条件下的晶体管等效电路 两个PN结的非线性关系 解 三极管 晶体管 工作在放大状态时 由于三极管的集电极电流受基极电流的控制 所以可采用电流控制的电流源来表示 图 a 表示一个共发射极电路 设基极电路的电压和电流分别为和 当基极和发射极之间的电压在的基础上出现一个微小的变化量时 基极电流也产生一个变化量 因受控制 故集电极就产生和 例 补充 电路如附图 求电压 三极管的基极和发射极之间可以用输入电阻来等效 因三极管工作在放大区 其只受的控制 三极管的集电极和发射极之间可以用一个的电流源来等效 分析 首先分析是受控电流源还是受控电压源 从里面的横线一眼就看出是受控电流源VCCS 其两端电压由外电路决定 解 右回路中20中通过的电流为 左回路左支路电流由2A决定 P33 例 1 1图1 24所示电路中的CCVS的电压 设已知 求电压 和电流 分析 电压 在左右两个回路 中 但两个未知量均在右回路中 从左回路看用KVL 求得 代入 2 对大回路用KVL 注 此时受控源当电源处理 1 8支路分析法 电路结构 简单电路 用串并联方法能化简为单回路的电路复杂电路 用串并联方法不能化简为单回路的电路 复杂电路的分析方法 改变电路结构的分析方法 串并联化简 Y 变换电流等效变换 不改变电路结构的分析方法 电路方程法 支路法 支路电流法 支路电压法 节点法 回路法 各种电路定理 KCL和KVL的独立方程数 一 KCL的独立方程数 1 电路的 图 将电路元件抽去 把每一条支路画成抽象的 P62特勒根定理 线段 仅由点和线的集合组成的电路图 电路的 图 用 G 表示 2 有向图 表明各支路参考方向的 图 有向图 下面用有向图来理解KCL的独立性 b a 图 b 是图 a 的 图 对节点1 2 3 4分别列出KCL方程有 节点1 节点2 节点3 节点4 以上4个方程中只有3个是独立的 每一个方程都可由其它三个方程得到 这些方程中 每个支路电流均出现两次 一 正 一 负 这是因为每条支路均连在两节点间 对其中一个 流出 对另一个就是 流入 把以上任意三个方程加起来必然得到 另一个方程 独立方程只有3个 例 对于m个节点的电路只有m 1个独立方程 左 右 下 二 KVL的独立方程数 列 b 图的KVL方程 均按顺时针方向 左右下大 这四个方程中只有 个是独立的 其余任一个均能由其它三个得到 独立回路方程的个数 网孔数 独立回路数 每一条支路均用了两次 只有出现一个新的支路的回路才为独立回路 总的列方程数 支路数 其理论证明要用树的概念 略 二 支路电流法 简单节点不计 依据 KCL KVL定理 2 求解对象 支路电流 3 求解步骤 1 选定各支路电流的参考方向 2 根据KCL列m 1个独立节点方程 设该电路有4个节点 6条支路 简单节点不计 只能列3个节点方程节点间的通路 支路 1 2 3 节点 节点 节点 3 据KVL定理得到 b m 1 个独立回路方程 该题还须补充三个独立回路方程 一般选网孔为独立回路 特殊情况除外 并要指定绕行方向 对1 对2 对 电阻电压降的代数和 电压源电压升的代数和 与绕行方向一致带 相反 二 支路电压法 1 依据 KCL KVL2 求解对象 支路电压 求解步骤 同上 以支路电压代替支路电流 用的很少 略 例 P25例1 8 1 熟悉支路分析法的一般步骤 电流源支路的处理 应设其两端电压 电工P62 例2 11 用支路电流法求图示电路的电流 分析 右图为 个支路 个节点 将最右边电压源与电阻相串联的电路看成一条支路 但左边恒流源不用考虑 虽然只求 但找不到仅含一个未知量的方程 要联立 a b 解 各电流参考方向如图 对 列 方程 列 方程 分析 表面上有3个网孔 KVL方程的实质是用电流表示电压 对于左边含电流源支路是不可能表示成电压的 实际上只有两个网孔 对中间网孔有 右边网孔有 解 有 支路电流