电路分析基础

2020/5/6,1,电路分析基础,2020/5/6,2,原2020/5/6,3,绪论,课程简况：课程地位、研究内容、教学要求课程特点：理论严谨、内容丰富、系统性强,2020/5/6,4,如何学好本课程？,抓住三个主要环节,处理好三个基本关系,课前预习课堂听课课后复习,听课与笔记作业与复习自学与互学,2020/5/6,5,参考书：邱关源主编电路（第5版）高等教育出版社周守昌主编电路原理（第2版）高等教育出版社,2020/5/6,6,1.1电路与电路模型1.2电路的基本物理量1.3理想电路元件1.4基尔霍夫定律1.5受控源1.6电阻的应用1.7小结,第1章电路的基本概念与定律,2020/5/6,7,基尔霍夫定律！功率的吸收与产生,重点内容和难点,第1章电路的基本概念与定律,(circuitelements),(circuitlaws),难点：关联参考方向，受控源,知识点,电路模型；电压、电流、功率及其参考方向；基尔霍夫定律；两类约束受控源,2020/5/6,8,1.1电路与电路模型,1.实际电路,功能,a能量的传输、分配与转换；b信息的传递与处理。,共性,建立在同一电路理论基础上,由电工设备和电气器件按预期目的连接构成的电流的通路。,由电阻器、电容器、线圈、变压器、晶体管、放大器、传输线、电池、发电机和信号发生器等组成的电路称为实际电路,2020/5/6,9,2.电路模型(circuitmodel),实际电器元件种类繁多、电磁性能复杂，不便于建立数学关系，很难定量地进行电路分析和电路设计。,2020/5/6,10,是由理想电路元件按一定方式相互连接而构成的。,理想电路元件,实际电器元件理想化的结果；在一定条件下忽略实际器件的次要性能，突出其主要性能。,电路模型,2020/5/6,11,理想电路元件连接起来所组成的电路模型，不仅能够反映实际电路及其器件的基本物理定律，而且能够对其进行数学描述。这就是电路理论把电路模型作为分析研究对象的实质所在。,2020/5/6,12,几种基本的电路元件：,电阻元件：表示消耗电能的元件,电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件,电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件,电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件,2020/5/6,13,电压源元件（US）,电流源元件（IS）,电感元件（L）,电容元件（C）,电阻元件（R）,2020/5/6,14,注,具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，在一定条件下可用同一模型表示；同一实际电路部件在不同的应用条件下，其模型可以有不同的形式,2020/5/6,15,例,2020/5/6,16,由集总元件构成的电路,集总元件,假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行,3.集总参数电路,2020/5/6,17,1.2电路的基本物理量,电路分析的目的是通过对电路模型的分析计算来预测实际电路的特性，从而改进实际电路的电气特性和设计出新的电路。电路分析的基本任务是计算电路中的电流、电压和功率。即在一定的外加电源（称为电路的“激励”）下，求解电路总的电压、电流（称为电路的“响应”）。,2020/5/6,18,1.2电路的基本物理量,电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。,2020/5/6,19,1.2.1电流,电流,电流强度,带电粒子有规则的定向运动,单位时间内通过导体横截面的电荷量,直流电流：I,交流电流：i,2020/5/6,20,单位,1kA=103A1mA=10-3A1A=10-6A,A（安培）、kA、mA、A,2020/5/6,21,方向,规定正电荷的运动方向为电流的实际方向,元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:,实际方向,实际方向,A,A,B,B,问题,复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断,2020/5/6,22,参考方向,i参考方向,任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。,A,B,i参考方向,i参考方向,i0,iVa=4V,2020/5/6,39,习题29页14题(b),解:（1）当S接a时电流大小、方向如图所示。由图可知，I2和I流过的电阻并联。R并=1.5K,R总=4.5K所以I1=10/3mA,I2=5/3mA,I=-5/3mAUc0=Vc-0=U2=5/33=5V,2020/5/6,40,（2）当S接b时C处于+15V与-15V的中间，所以，Vc=0V,I=0A,2020/5/6,41,例试求下图中电压Umn,2020/5/6,42,1.2.3功率与能量,1.功率的定义,功率的单位：W(瓦)(Watt，瓦特),单位时间内电场力所做的功。,2020/5/6,43,2.功率的计算,u,i取关联参考方向,p吸=ui,p0吸收功率(负载),p0吸收功率，负载,p0,有源元件：p(t)05）无记忆元件：u(t)=R*i(t),2020/5/6,60,电导(G)：电阻的倒数定义为电导,G单位：S(西门子),2020/5/6,61,2.电阻元件的性质,（1）电阻元件均是无记忆的。,（2）短路和开路（两种特殊的情况）线性电阻当（或）时，称为短路，短路时电阻两端电压为零；,理想导线的电阻值为零，电压也为零。,当R=（或G=0）时，称为开路，开路时流过电阻的电流为零。,2020/5/6,62,3.电阻元件的功率,显然若，则，为耗能元件，且为无源元件。通常我们遇到的电阻，大都属于此种情况,2020/5/6,63,在实际设计装配电路时，不但应按所需电阻值大小来选电阻，还应根据电阻在电路中所消耗的功率选择电阻型号。,2020/5/6,64,1.3.2理想电压源,若一个二端元件接到任何电路后，该元件两端电压总能保持给定的时间函数，与通过它的电流大小无关，则此二端元件称为理想电压源(亦称独立电压源)，简称为电压源(voltagesource)。,电路符号,1.理想电压源的定义,定义,2020/5/6,65,2.电压源的性质,特点：（1）内阻为零（2）端电压恒定或是给定的时间函数（3）电流随外接电路的不同而不同。,独立电压源,2020/5/6,66,补充：电压源置零Us=0时，电压源相当于一条导线，即将电压源从电路中拿走，用导线替代电压源。,2020/5/6,67,电压源不能短路！,2020/5/6,68,3.电压源的功率,发出功率，起电源作用,吸收功率，充当负载,2020/5/6,69,1.3.3理想电流源,如果一个二端元件的输出电流总能保持给定的电流，与该元件两端电压无关，则称此二端元件为理想电流源，简称为电流源(currentsource)。,电路符号,1.理想电流源的定义,定义,伏安特性曲线,模型实例：光电池,2020/5/6,70,2.电流源的性质,特点：（1）内阻无穷大（2）电流恒定或是给定的时间函数（3）端电压随外接电路的不同而不同。,独立电流源,2020/5/6,71,补充：电流源置零当Is=0时，电流源相当于开路，即：将电流源从电路中拿走即可。,2020/5/6,72,电流源不能开路！,2020/5/6,73,3.电流源的功率,发出功率，起电源作用,吸收功率，充当负载,2020/5/6,74,例,计算图示电路各元件的功率。,解,发出功率,吸收功率,满足：P（发）P（吸）,2020/5/6,75,习题25页第5题,解：电压源的电流与电压非关联所以P电压源=-401=-40W（提供）电阻的电流与电压为关联参考，所以PR=101=10W（吸收）根据功率守恒，所以电流源吸收功率30W,2020/5/6,76,1.4基尔霍夫定律(KirchhoffsLaws),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所遵循的基本规律，是分析集总参数电路的基本定律。,2020/5/6,77,1.4.1电路图的几个名词,电路中通过同一电流的分支。(b),三条或三条以上支路的连接点称为节点。(n),b=3,a,n=2,b,（1）支路(branch),(2)节点(node),b=5,2020/5/6,78,由支路组成的闭合路径。(l),l=3,3,(3)回路(loop),m=2,2020/5/6,79,对平面电路，其内部不含任何支路的回路称网孔。,(4)网孔(mesh),网孔是回路，但回路不一定是网孔,判断：1.电路中任意两个结点之间连接的电路统称为支路。（）2.网孔都是回路，而回路则不一定是网孔。（）,2020/5/6,80,1.4.2基尔霍夫电流定律(KCL),在集总参数电路中，任意时刻，对任意节点流出或流入该节点电流的代数和等于零。,流入的电流之和等于流出的电流之和,2020/5/6,81,令流入为“+”，流出为“-”，有：,例,2020/5/6,82,1.4.2基尔霍夫电流定律(KCL),由KCL得：,例1.6,图1.16例1.6电路图,列出图1.16的方程，如果已知,求：,解：,2020/5/6,83,例：求电路中的u及4V电压源支路的电流,2020/5/6,84,基尔霍夫电流定律的推广应用,IC+IBIE0,1.4.2基尔霍夫电流定律(KCL),2020/5/6,85,例1.8,首先设定各支路电流的参考方向如图1.19所示，由于根据欧姆定律，有,在图1.19所示电路中，,，,求各支路电流。,解:,，,图1.19例1.8电路图,2020/5/6,86,对节点a由KCL得：,2020/5/6,87,例:求如图所示电路的电流I1、I2和I3,解：,则节点a的KCL方程为,同理节点c,节点b,2020/5/6,88,应用KCL解题步骤：（1）标出每一支路的电流参考方向。（2）列写，求解电流。,2020/5/6,89,说明：KCL是电荷守恒原理在集总电路的体现，即达到任何节点的电荷既不增加，也不消失，电流必须连续流动。KCL反映了电路中任一结点处各支路电流的约束关系,2020/5/6,90,1.4.3基尔霍夫电压定律(KVL),1.KVL定律内容：在集总参数电路中，任一时刻，沿任一闭合路径绕行，各支路电压的代数和等于零。,2020/5/6,91,（2）选定回路绕行方向，顺时针或逆时针。,U1US1+U2+U3+U4+US4=0,（1）标定各元件电压参考方向,R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4,2020/5/6,92,例1.9,假定电路的绕行方向如图所示，由KVL得：,在图1.20所示电路中，,，,求,解:,，,2020/5/6,93,例,KVL也适用于电路中任一假想的回路,P16例1.10自己看,2020/5/6,94,习题28页第10题（b）,2020/5/6,95,解：参考点与电流参考方向及回路参考方向如图所示I1=6/3=2AI2=6/3=2AKVL:-U-(I11)+(I22)=0=U=2V,2020/5/6,96,应用KVL解题步骤：（1）标出每一回路的电压参考方向。（2）假定回路的绕行方向。凡元件的电压参考方向与绕行方向一致时取“+”，反之取“-”。（3）列写KVL方程，求解各参数。,注：KVL方程中，各项前的正负号与电压本身数值的正负号区分开。,2020/5/6,97,明确,（1）KVL的实质反映了电路遵从能量守恒定律;,（2）KVL是对回路电压加的约束，与回路各支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；,（3）KVL方程是按电压参考方向列写，与电压实际方向无关。,2020/5/6,98,由元件的伏安关系和基尔霍夫定律所组成的电路基本定律是贯穿在电路理论始终的，是分析电路的根本依据。,2020/5/6,99,P2916求R,2020/5/6,100,1.5受控源(非独立源)(controlledsourceordependentsource),受控源，也是一种电源，其输出电压或电流受电路中其他地方的电压或电流控制;它不能直接起“激励”作用，其电压或电流都不是给定的时间函数，而受电路中另一支路的电压或电流的控制。,1.5.1定义,2020/5/6,101,电路符号,受控电压源,受控电流源,2020/5/6,102,受控源元件（有源多端元件）,受控源是一种有源元件，有控和被控的两条支路、四个端子。,控制电流或电压所在支路控制支路电流源或电压源所在支路受控支路,2020/5/6,103,1.5.2受控源的分类（按控制关系分）,（1）电压控制电压源（VCVS),（2）电压控制电流源（VCCS),模型实例：理想变压器,模型实例：场效应管,2020/5/6,104,（3）电流控制电压源（CCVS),（4）电流控制电流源（CCCS),模型实例：直流发电机,模型实例：晶体三极管,2020/5/6,105,线性时不变受控源特点：,（1）非独立的电源：不能独立向外电路提供能量。,（2）具有两重性：电源性、电阻性。,注意：独立电源在电路中可以独立地起“激励”作用，是实际电路电能或电信号的“源泉”。,受控源是描述电子器件中某一支路对另一支路控制作用的理想模型，本身不直接起“激励”作用。,2020/5/6,106,学习受控源要掌握它的受控关系、端口特性以及与独立源的区别。,2020/5/6,107,例：求电路中受控电压源的端电压和它的功率,2020/5/6,108,练习：求电路中受控电流源的电流和它的功率,2020/5/6,109,练习：求U，I2及各个元件的功率,2020/5/6,110,例1.11：,图示电路，求电压U和电流I。,解：-4I6U+10+2=0U+2-2