CDIO电路分析基础—基本概念与定律(第一章).ppt

电路分析基础,主讲：周蓉联系：科教楼自动化103室电话-mail:zhourlsf,教务处网络教学平台用户名+密码站内搜索自动电路分析基础选择周蓉,共80学时，64学时讲授，16学时实验。理论教学内容：（10章）总论和电阻电路的分析（1-3章）、动态电路的时域分析（4、5章）、动态电路的相量分析（6、7、8、9、10章）。实验教学内容：由电子实验中心统一安排。,授课计划,如何评价？,警告：出现下列情况任一项可取消考试资格（1）实验任一次未完成（未做或未交报告）；（2）作业1/3次数未交；（3）缺勤1/3次数；,第1章电路的基本概念与定律,内容：,电路分析概述电路和电路模型电路变量电路元件基尔霍夫定律技术实践计算机辅助分析,本章目标知识：,建立并深刻理解电路、电路模型；电路中支路、回路、节点等结构元素；电流、电压和电功率等电路变量的基本概念。学习并掌握组成电路模型的基本电路元件（电阻、电容、电感、独立电源、受控源）的特性、电路符号。学习并掌握集总电路的基本定律（基尔霍夫电压定律和电流定律）。学习并掌握利用电路两类约束列写电路方程并求解电路变量或（和）电路元件参数。,本章目标能力：,根据简单的实际电路建立其电路模型。根据电路问题合理假设电路变量参考方向（或极性）并求解简单电路，根据计算结果分析解释电路现象。利用基本的电工仪表正确测量实际电路中电压、电流值和电路元件的参数值。,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电路和电路模型,一、实际电路,组成四要素：(1)电源(source)，如电站的发电设备、电池等；(2)用电设备，也称负载(load)，如灯泡、电脑、电动机等；(3)控制装置，如自动、手动开关；(4)导线(line)，通常由铜或铝等电阻率小的金属制成。,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。,二、电路模型,实际器件理想元件（模型元件）：,只反映一种基本电磁现象，有数学方法精确定义。,图形符号,四种理想电路元件：（1）消耗电能（电阻）；（2）供给电能（理想电源）；（3）储存电场能量（理想电容）；（4）储存磁场能量（理想电感）。,电路模型：模型元件组成的电路。,电路图：电路模型画在一个平面上所形成的图形。,实际电路,电气图,电路图,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，表明实际方向与参考方向一致。,注意：在未标注参考方向时，电流的正、负无意义。,例1：已知电流的实际方向由a到b,大小为2A.问如何表示这一电流?,解：有两种表示法：,1、参考方向与实际方向一致,2、参考方向与实际方向相反,电流测量：,电流表串联接入待测支路。,思考P30P1-20,二、电压：,方向：1）实际正方向：规定为从高电位指向低电位。2）参考正方向：任意假定的方向。,电场力把单位正电荷从一点移向另一点所做的功。,定义：,注意：必须指定电压参考方向，这样电压的正值或负值才有意义。,3、实际极性习惯上认为电压的实际极性是从高电位指向低电位。高电位称为正极，低电位称为负极。4、参考极性在分析电路时，参考极性为任意假定，在元件或电路的两端用“+”和“”或双下标表示。,5、参考极性与实际极性的关系,注意：必须指定电压参考极性，这样电压的正或负值才有意义。,1）若u0，实际极性与参考极性相同2）若u0支路吸收功率,1.电压与电流采用关联参考方向：p(t)=u(t)i(t)0支路吸收功率,计算：,选做:P28P1-1,作业：P28P1-2、P31P1-26,注意:（1）计算功率时，一定要根据u、i方向的相互关系（关联或非关联），选用相应的计算公式。（2）不论用哪个公式算出的功率，只要p0，则表示该元件或电路吸收功率，p05.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-,请注意：1、电压源串联：,允许：u=us1+us2-us3,不允许：,2、电压源并联：要求：各电压源极性相同，大小相等请判断右图连接是否允许？,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。,请注意：1、电流源串联：,不允许：,允许:i=-is1+is2+is3,2、电流源并联时：,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：P291-9、1-12、1-18,上节课内容回顾,线性时不变电阻的VCR？独立电压源的特点？独立电流源的特点？受控源在电路分析时，可暂时当成什么处理？,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。,思考:P29P1-14,两个电流的关系？,此处电流i1=？,注意：在列写KCL方程时，要特别注意两套符号的含义：1）方程中各项前的正、负符号取决于电流参考方向对节点的相对关系。流进、流出两种表示可任意选择。流出节点为正，流入节点为负流入节点为正，流出节点为负两种表示可任意选择。2）电流本身数值的正、负号其取决于电流实际方向与参考方向的相对关系。,KCL定律的物理意义,在节点上只有电荷的移动，无电荷的积累和消失,反映电荷的守恒性和电流的连续性,KCL描述了电路中各电流之间的约束关系，只与电路元件之间的连接有关，与元件的性质无关，是给电路所加的拓扑约束。,KCL定律的实质,3、KCL定律的物理意义与实质,4、几点结论,KCL表达了电路中支路电流间的约束关系，体现在电路中的各个节点上。KCL与电路元件的性质无关。KCL物理意义:反映电荷的守恒性。KCL可推广用于电路中任意假想封闭面。,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：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:P29P1-15、P1-18,3、KVL方程:,以基尔霍夫电压定律在电路各回路列写的电压方程式。,在列写KVL方程时，要特别注意两套符号的含义：,1）方程中各项前的正、负符号，其取决于电压参考方向对所选回路绕行方向的相对关系。,2）电压本身数值的正、负号，其取决于电压实际方向与参考方向的相对关系。,KVL定律的物理意义,KVL是能量守恒法则和电荷守恒法则运用于集总电路的结果。,KVL描述了电路中各电压的约束关系，KVL方程式与元件的性质无关。,KVL定律的实质,4、KVL定律的物理意义与实质,5、几点说明KVL表达了电路中各支路电压间的约束关系，体现在电路的各个回路中。KVL与电路元件的性质无关。KVL的物理意义：能量守恒。KVL可推广用于任一假想回路。任何两点间的电压与计算时所选择的路径无关。,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,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。,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。,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：,u-U1-2I3+2=0,U1=8VI4=U1/8=1A,I1=I4-I3,由KCL，有：,=2A,由KVL，有：,U1=3U1RI1,故：R=8,4-U1+2+2=0,16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5