电路概述基本概念

1,第一章电路概述,2,1实际电路与电路模型,1）由电气设备或器件以各种方式连接组成的总体称为电路。简单电路如手电筒，包括电池、灯泡、开关及连线,复杂的电路如超大规模集成电路、通信网络、自动控制系统、高压电网等。,3,2）为了对实际电路进行分析研究，把各种各样的实际电路元件根据其主要物理性质，抽象成理想化的电路模型元件，这些元件包括电阻元件、电感元件、电容元件、独立电源元件、受控源元件、二端口和多端元件等。,3）两种电路模型根据实际电路的几何尺寸(d)与其工作信号波长()的关系，可以使用两种不同的电路模型：集总参数电路模型：满足d条件分布参数电路模型：不满足d条件,4,2.1电阻元件,电阻元件：体现电能转化为其它形式能量的二端器件，用字母R来表示，单位为欧姆。实际器件如灯泡，电热丝，电阻器等均可表示为电阻元件。,表示符号,2电路元件,线性电阻的电压电流特性符合欧姆定律,U=IR,5,电阻元件消耗的功率：,时变电阻伏安特性（无论线性还是非线性）随时间的变化而变化,非时变电阻伏安特性不随时间变化,伏安特性是用图形曲线来表示电阻端部电压和电流的关系，当电压电流成比例时（特性为直线），称为线性电阻，否则称为非线性电阻。,伏安特性,6,2.2电容元件,1）电容元件是体现电场能量的二端元件，用字母C来表示，其单位为法拉（F）。,2）电容上储存的电荷与端电压U之间关系,7,8,9,2.3电感元件,1）电感元件是体现磁场能量的二端元件，用字母L来表示，其单位为亨利（F）。,2）电感交链的磁通链与电流i之间有=Li,磁链,10,3）当电压和电流如图方向时，有,11,2.4独立电源元件,1）理想电压源理想电压源两端提供一个恒定或随时间按一定规律变化的电压，与流过电压源的电流无关。,右图是电压源的常用符号，Us表示电压源从正到负有Us伏压降。,非零电压源不能直接短路，两个不等值的电压源不能并联。当电压源数值Us=0时，相当于一根短路线。,12,实际电压源,13,2）理想电流源理想电流源端部流出一个恒定或随时间按一定规律变化的电流，与电流源端部电压无关。,右图是电流源的常用符号，Is表示电流源端部流出的电流值。,非零电流源不能开路，两个不等值的电流源不能串联。当电流源数值Is=0时，相当于电路开路。,14,实际电流源,15,受控电源是一些实际电路器件的理想化模型，它们的输出电压和电流受到电路中其它部分电压或电流的控制，故又称非独立电源。受控电源分受控电压源和受控电流源，它们为四端元件。,2.5受控源元件,16,受控源类型,17,电流控制电压源,CurrentControlVoltageSource(CCVS),18,三极管集电极电流IC受基极电流Ib控制。实际三极管元件等效于一个电流控制的电流源。,用受控源模型表征三极管,19,含受控源电路计算,例1图示电路，已知Us=10V,R1=R2=R3=10,r=10，求R3上电压为多少？,解：控制变量I=,R3上电压,受控电压源电压rI=101=10V,20,3电流、电压的参考方向,1）支路电流的参考方向是任意规定的正电荷运动方向，图示电路表示电流参考方向为从a流向b。,电流代数值是在指定参考方向下的数值。,如图电路，若I=1A，则表示实际电流方向与参考方向一致，若I=1A，则表示实际电流方向与参考方向相反。,21,2）电压参考方向是指电位降落的方向，可用+、符号表示，也可以用带箭头线表示，如图所示。,电路描述和计算时，首先要设定电压电流的参考方向，然后才能写出表达式，并进行计算。,22,若器件电压电流参考方向一致（称作关联参考方向），如图所示,关联参考方向,23,若器件电压电流参考方向不一致（称作非关联参考方向），如图所示,注意：式中U、I均为对应参考方向下的电压电流代数值。,非关联参考方向,P=UI,24,支路电压表达式书写,U=IRUs,U=IRUs,支路电压表达式（各串联元件电压降之和）,25,26,例电路及方向如图，已知Us=10V,Is=2A,R=10,求电压源、电流源和电阻的功率。,电阻功率：PR=URI=20(2)=40W（消耗功率）电压源功率：PU=USI=10(2)=20W（消耗功率）电流源功率：PI=UIIS=302=60W（发出功率）,解：I=Is=2AUR=IR=210=20VUI=URUs=2010=30V,27,1-3题图1-3所示电路中，电流源Is及其内阻R0为定值，改变负载电阻R，求R为何值时它可获得最大功率，最大功率为多少？,28,29,4基尔霍夫定律,支路：单个或若干个元件所串联成的分支。节点：三条或三条以上支路的连接点。回路：若干条支路组成的闭合路径。网孔：内部不含有支路的回路。,6条支路4个节点3个网孔R2、R3、US5和R5、R4这四条支路也组成回路,支路、节点、回路、网孔的概念,KIRCHHOFFSLAW,30,1）基尔霍夫电流定律,电路中任一节点电流的代数和为零,其中流出节点的电流取正号，流入节点的电流取负号。,节点1：I1I2I3=0节点2：I3I4I5=0,节点3：I2I4I6=0节点4：I1I5I6=0,KirchhoffsCurrentLaw(KCL),31,KCL还可以扩展到任一闭合面，即流出（流入）任一闭合曲面的所有支路电流的代数和为零。如图，所示-I1-I2+I3=0,32,2）基尔霍夫电压定律,电路任一闭合回路中各支路电压（元件电压）的代数和为零,支路（元件）电压参考方向与回路绕行方向一致时取正号，相反时取负号。,KirchhoffsVoltageLaw(KVL),33,沿任一回路，各元件（无源元件）上电压降的代数和等于该回路中各电压源电动势的代数和。各元件电压、各电压源电动势的参考方向(从负极指向正极)与回路绕行方向一致时取正号，相反时取负号。,34,回路1：I3R3I4R4Us2=0回路2：Us1I5R5I3R3=0回路3：I4R4I6R6I5R5=0,35,电压降,电压升,36,讨论:电路中电压电流的变化遵循两类约束条件:,第二类是电路结构的约束（基尔霍夫定律）,第一类是元件约束关系(电压电流关系VCR),37,1-5电路各参数如题图1-5所示，试求电流I为多少？,38,39,5无源电阻网络的简化,一端口网络：任一复杂电路通过两个连接端子与外电路相连。,无源一端口电阻网络：由电阻元件组成的任意复杂的二端网络。,无源一端口网络可简化为一等效电阻。,如果在端口施加电压为U时，其端电流为I，那么在端口电压、电流取为关联参考方向的情况下，端电压与端电流之比，称为该一端口电阻网络的输入电阻。也称入端电阻或等效电阻。,40,Ro=R1,5.1利用串并联及平衡电桥,41,例图示电路，R1=1，R2=2，R3=2，R4=4，R5=1，求Rab？,解：由于R1/R3=R2/R4，一端口网络为平衡电桥，电阻R5上的电压和电流为零，在电路计算时可移去R5电阻，可得,简化规则：电路中某一条支路电流为零，则该支路可开路电路中某一条支路电压为零，则该支路可短路,42,图示电路，R1=1，R2=2，R3=2，R4=4，,C、D两点电位恒等，称为自然等位点。这两点之间可以短接，也可以接任意阻值的电阻。,自然等位点,43,5.2Y变换,44,Y等效转换,如果左图中连接的三个电阻R12、R23、R31用右图Y连接的三个电阻R1、R2、R3来替换，并使流入三个端部的电流和端部电压保持不变，对于外电路来说，Y或电路等效，这种变换为Y等效转换。,为使得变换后外电路状况不变，Y和连接的电阻数值要满足一定转换关系。,45,46,47,上式为Y变换式，已知电阻，可由上式求Y电阻。,48,由上面三式可求出逆变换,上式为Y变换式，已知Y电阻，可由上式求电阻。,49,例1-5-3图1-5-6a所示电路中，求等效电阻Rab。,50,51,例已知R1=20，R2=10，R3=50，R4=30，R5=5，R6=4，US=10V，求支路电流I6=？,解：把连接R1、R3、R4转换为Y连接，如下图所示，由Y转换式，转换后电阻为：,52,由Ra=10,Rb=6,Rc=15,得,53,6电压源和电流源的等效转换,等效转换换是指：左图的Re和US替换为右图的Ri和IS，其端口电压U和电流I的关系不变。,对于任意变化的负载电阻R，若Re和US电路时的电压电流与Ri和IS电路时完全一样，则在电路计算时，Re和US电路（电压源电路）与Ri和IS电路（电流源电路）可等效转换。,54,等效转换条件,左图：Ue=USIeRe,右图：Ui=ISRiIiRi等效的条件：Re=RiUS=ISRi或Re=RiIS=US/Re,55,等效转换条件,等效的条件：US=ISRS或IS=US/RS,=,在电路计算时，与电阻RS串联的电压源US可等效为与电阻并联的电流源IS。理想电压源与理想电流源不能相互转换。等效转换同时适用于独立源和受控源。,56,例: