电分64—第1章(基本概念与定律)

电路课程的基本结构,一个假设（集总假设）两类约束（元件约束和拓扑约束）基本方法（叠加、分解、变换域和系统分析）叠加方法的理论基础是叠加定理（第3章）分解方法的理论基础是置换定理、戴维南定理、诺顿定理和互易定理（第3章）变换域方法包含相量分析法（第6-9章）域分析法一般分析（第2章）,第1章电路的基本概念与定律,内容：,基本概念和基本变量；集总参数电路基本定律-基尔霍夫定律；定义四种常用的电路元件：电阻元件、电压源、电流源和受控源；电压和电流必须满足的两类约束；,重点：(1)电流、电压的参考方向与关联；(2)电路基本定律：KCL、KVL、VCR；(3)电路元件；,本章目标知识：,概念理解：电路、电路模型；支路、回路、节点；电流、电压和电功率。掌握基本电路元件的电路符号和特性。掌握集总电路的基本定律（KCL和KVL）。掌握利用电路两类约束列写电路方程并求解。,本章目标能力：,简单的实际电路建立其电路模型求解简单电路，分析并解释电路现象利用基本电工仪表测量实际电路。,引例：,高压一定危险吗？,用电安全标志,电压、电流的问题？,电路模型的问题？,如何度量的问题？,1-1电路分析概述,电系统：按功能可以分为电力系统和信号处理系统。,电力系统：产生电能，并对电能进行传输和分配。信号处理系统：对承载信息的电信号进行处理。,电系统设计的概念模型,1-2实际电路和电路模型,一、实际电路,组成四要素：(1)电源(source)(2)用电设备，也称负载(load)(3)控制装置(4)导线(line),定义：由电源、导线及各种用电元器件或电气设备按一定顺序组成的网络。,构成实际电路的电器件,电源,电阻器,蓄电池,交流稳压电源,电容器,电感线圈,铁心电抗器,变压器,晶体管和集成电路,分类：,实际电路几何尺寸(L)与其工作信号波长()的关系(1)集总参数电路：满足L条件的电路。(2)分布参数电路：不满足L0支路吸收功率,计算：,练习:P25P1-1、P1-3、P1-24,作业：P28P1-4、P1-26,1-4基尔霍夫定律,基尔霍夫定律：任何集总参数电路都适用的基本定律KCL：描述电路中各电流的约束关系;KVL：描述电路中各电压的约束关系；,一、电路名词定义：,1.支路（branch）：一组流过同一电流的元件。2.节点（node）：两条或两条以上支路的连接点。3.回路（loop）：由支路组成的闭合路径。4.网孔（mesh）：内部不含有其他支路的回路。,5.网络（network）：由较多元件组成的电路。,二、基尔霍夫电流定律(KCL),1.KCL对于任一集中参数电路，在任一时刻，流入（或“流出”）任一节点的电流代数和等于零。记为：,注意：如果规定流出节点的电流为正，流入节点的电流取负。,KCL方程：以支路电流为变量在电路各节点处列写的方程式。,节点A:,-I1+I2+I3=0,节点B:,-I2+I4+I5=0,节点C:,节点D:,-I3-I4+I6=0,I1I5-I6=0,(I1=I5+I6),2.KCL推广：,对于任一集中参数电路，在任一时刻，流出任一节点的电流和等于流入该节点的电流和。即：,对于任一集中参数电路，在任一时刻，流出任一闭合面的电流代数和等于零。即：,闭合面也称为广义节点。,3.定律物理意义:,举例：图示电路，求I1和I2。,反映电荷的守恒性和电流的连续性。,练习:P27P1-14,三、基尔霍夫电压定律(KVL),1.KVL对于任一集总参数电路，在任一时刻，对任一回路，按一定绕行方向，其电压降的代数和等于零。记为：,注意：与绕行方向一致的电压为正，否则取负。,+u2-,-u6+,KVL方程：以支路电压在电路各回路列写的电路方程式。,回路1:,u1+us2-u5-us1=0,回路2:,u2-u4-us2=0,回路3:,-u6+u5+u4=0,(u1-u5=us1-us2),(u2-u4=us2),2.推广：,对于任一集中参数电路，在任一时刻，沿任一回路绕行方向，回路电压降的代数和等于回路电压源电压升的代数和。,3.定律物理意义:描述回路中支路电压约束关系；反映能量的守恒性。,练习：（两点间电压）图示电路，求Ucd和Ube。,即：,-11V,+,-,-9V,+,-,例1：,图示电路，电阻R有无电流？求电压u1和u2。,作业：P26P1-10、P1-17,练习:P27P1-21,练习:P27P1-17,练习:P25P1-13,1-5电路元件,分类：,元件的电特性：研究元件电压与电流之间的关系（VCR）。,能否独立产生电能：有源元件与无源元件；,与外电路连接端钮数目：二端元件、三端元件和四端元件等；,一、电阻元件,实际电阻的类型：,碳膜电阻,贴片电阻,水泥电阻,压敏电阻,热敏电阻,滑线电阻,电位器,作用：电能转换为热能。,电阻元件定义：,伏安关系可用u-i平面过坐标原点曲线来描述的二端元件。,线性电阻：伏安关系为u-i平面过坐标原点的直线。,非线性电阻：伏安关系为u-i平面过坐标原点的曲线。,从元件参数是否随时间变换的意义可分为：,时不变电阻：（定常电阻）伏安关系为u-i平面过坐标原点的一条直(曲)线。,时变电阻：伏安关系为u-i平面过坐标原点的一组直(曲)线。,线性时不变电阻特点：,1.伏安关系为u-i平面过坐标原点；一条直线，斜率为R。2.端电压与通过的电流成正比；即：u=Ri或U=RI注意：电流、电压为关联参考方向；3.具有双向性:伏安特性对原点对称；4.耗能元件：p=ui=Ri2=u2/R05.无记忆元件：u(t)=Ri(t),R单位：(欧姆),电导：,表征电阻元件的另一参数。,线性电阻的开路和短路特殊情况,(b)短路的电压电流关系曲线,(a)开路的电压电流关系曲线,电流为零，电压可以是任意值,电压为零，电流可以是任意值,注意：具体电路的电流电压是一个明确的值。,应用电阻色环表示方法,电阻色环图,电阻颜色代码表,容差：金色5；银色10；无圈：20。,二、理想电源,电源：电路中提供能量的器件或装置。,电压源和电流源：各种实际电源的理想化模型（理想元件）。,1、理想电压源,实际模型：,电池,稳压电源,理想电压源定义：,能独立向外电路提供恒定电压的二端元件。,符号表示:,伏安关系：,+us-,特点：,平行于i轴的一条直线。,恒压不恒流,2.电流i由u和外电路共同确定；,1.端电压u恒定与i无关；,us,us=10V,电压源的功率：,p=ui,既可提供功率，也可吸收功率。,+u-,实际电压源特性,实际电压源可用一个理想电压源Us和电阻Rs的串联表示。,Rs称为实际电压源的内阻。（Rs越小的电压源，其电压越稳定）,(b)伏安特性,(a)电路,u=Us-iRs,2、理想电流源：,光电池,能独立向外电路提供恒定电流的二端元件。,符号表示：,伏安关系：,Is,特点：,1.电流i与u无关；,恒流不恒压,2.端电压u由外电路确定；,电流源的功率：,p=ui,既可提供功率，也可吸收功率。,实际电流源特性,实际电流源可用一个理想电流源Is和电阻Rs的并联表示。,Rs称为实际电流源的内阻。（Rs越大的电流源，其电流越稳定）,(b)伏安特性,(a)电路,u=Us-iRs,i=Is-u/Rs,三、受控源,又称为非独立电源，即电压或电流大小及方向受电路中其它支路的电压或电流控制的电源。,受控电源实际模型,三极管,运算放大器,受控源电路结构特征：,具有两条支路（四端元件）；,四种常见模型：,受控电流源或电压源所在支路受控支路控制电流或电压所在支路控制支路,(a)电流控制电流源,i1,i1,(CCCS),u1=0i2=i1,：电流控制系数（电流放大倍数）例:晶体三极管,(b)电流控制电压源,(c)电压控制电流源,i1,i1,(CCVS),u1=0u2=i1,:电压控制系数（转移电阻）例:直流发电机,(VCCS),u1,gu1,i1=0i2=gu1,g：电流控制系数（转移电导）例:场效应管,(d)电压控制电压源,受控源简化图:,(VCVS),u1,u1,i1=0u2=u1,：电压控制系数（电压放大倍数）例:电子三极管,i1,(VCVS),(VCCS),(CCVS),(CCCS),作业：P28P1-19,两类约束和电路方程,支路约束（支路VCR)：,电路分析基本依据：利用两类约束，列写电路方程，求解电路的支路电压和支路电流。,与电路支路性质无关，只取决于电路的连接结构；,（结构约束）,取决于支路元件的性质；,（元件约束）,拓扑约束（KCL，KVL）：,练习：,图示电路，i1=3A,u2=4V。求电流i、电压u、us和电阻R,并求电源、受控源提供的功率。,us,us=30V,u=20V,i=2A,R=10,Pus=90w,P4u1=-24w,u1=6V,例1-5-1：,电路如图所示：已知uS1=12V,uS2=6V,R1=0.2,R2=0.1,R3=1.4,R4=2.3。求电流i和电压uab。,R1,i,R2,R3,R4,解题依据：,基尔霍夫定律和电阻元件的VCR。,解：,设电流参考方向如图中所示，,则各电阻上电压标注如图。,由KVL可得：,沿右边路径求电压uab:,也可由左边路径求电压uab：,例1-5-2：计算图示电路中3电阻的电压以及电流源的端电压及功率。,解：由电流源的性质有：,电流源的端电压极性标注如图：,电流源的功率为：,由电阻元件的VCR得：,u1,uR,i,极性如图所示,（非关联参考方向）,0,提供功率,例1-5-3：,图示电路，求电压U和电流I。,解：,-2-2I-2I-6U+10=0,由KVL，有,-4I-6U=-8,又有:,U=2I+2,联立解得:,U=1.5V,I=-0.25A,受控源:,(提供功率),P=6UI,=-2.25W,若受控源:6UU,U,求得：U=4VI=1A,电阻性,-2-2I-2I-U+10=0,U=2I+2,电源性,(吸收功率),P=UI,=4W,例1-5-4：,图示电路，求电压u、电流I1和电阻R。,I1,I2,I3,I4,解：,I3=-1A,I2=3A,u=2I2-2,=4V,由KVL，有：,U1=-2I3+2+u,I4=U1/8=1A,I1=I4-I3,由KCL，有：,=2A,由KVL，有：,U1=3U1RI1,故：R=8,U1=8V,16技术实践,用电安全分析,不同电流下人体的生理反应,人体电路模型,P25例题161：,电费计算?,某电力设备可能使人遭到250V电击，试分析由此产生的电流是否构成危险，以便张贴警告标志或采取其它预防措施。假定电源电压250V，臂电阻RA为400，躯干电阻RT为50，腿电阻RL为200。,解：电路模型如下：,解得：,几乎足以使人致命。,思考:P31P1-27,17计算机辅助分析,计算机辅助工