第1章-电路的基本概念和基本定律.ppt

电工电子技术（上）,自动化学院电工教研组,第1章电路的基本概念和基本定律,1.1电路与电路模型1.2电路的基本物理量1.3电阻、电感和电容元件1.4独立电源与受控源1.5基尔霍夫定律1.6电位的计算思考与练习,09:05:31,2,HYIT,第1章电路的基本概念和基本定律,本章要求:1.理解电压与电流参考方向的意义；2.理解电功率的意义；3.理解电阻、电感和电容元件的伏安特性；4.理解基尔霍夫定律的内容并能正确应用；5.会计算电路中各点的电位。,09:05:31,3,HYIT,1.1.1电路,电路：是各种电气设备或元件为了某种需要按一定方式组成的总体，它为电流提供了通路。,电路的作用：,(1)实现电能的传输、分配与转换,（强电系统）,1.1电路和电路模型,09:05:31,4,HYIT,(2)实现信号的传递与处理,（弱电系统）,电路的组成部分（如图）,直流电源:提供能源,信号处理：放大、调谐、检波等,信号源:提供信息,负载,组成：电源/信号源、负载、中间环节三部分,1.1电路和电路模型,09:05:31,5,HYIT,电源:提供电能的装置,负载:取用电能的装置,中间环节：传递、分配和控制电能的作用,电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。,1.1电路和电路模型,09:05:31,6,HYIT,1.1.2电路模型,实际电路：由电阻器、电容器、线圈、变压器、晶体管、运算放大器、传输线、电池、发电机和信号发生器等实际电气器件和设备连接而成的电路。,1.1电路和电路模型,09:05:31,7,HYIT,电路模型：为了便于用数学方法分析电路，一般要将实际电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。,理想电路元件：主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。,实际电路,1.1电路和电路模型,09:05:31,8,HYIT,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。,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,1.2.1电流,1.2电路的基本物理量,09:05:31,9,HYIT,方向,规定正电荷的运动方向为电流的实际方向,单位,1kA=103A1mA=10-3A1A=10-6A,A（安培）、kA、mA、A,元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:,对于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。,问题,1.2电路的基本物理量,09:05:31,10,HYIT,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。,i0,i0吸收正功率(实际吸收),P0发出正功率(实际发出),P0发出负功率(实际吸收),u,i取非关联参考方向,1.2电路的基本物理量,09:05:31,21,HYIT,求图示电路中各方框所代表的元件吸收或产生的功率。,已知：U1=1V,U2=-3V，U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V，I1=2A,I2=1A,，I3=-1A,1.2电路的基本物理量,例1.2.3,09:05:31,22,HYIT,解：,对一完整的电路，满足：发出的功率吸收的功率,注意,1.2电路的基本物理量,09:05:31,23,HYIT,1.3.1电阻元件,电阻元件是由消耗电能的物理过程抽象出来的理想电路元件.例如:电阻器、白炽灯、电炉在一定条件下可用电阻元件模拟。,常用单位：、k、M,电阻元件的伏安特性满足欧姆定理。,1.3电阻、电感和电容元件,09:05:31,24,HYIT,电阻分为线性电阻和非线性电阻,伏-安特性曲线,1.3电阻、电感和电容元件,09:05:31,25,HYIT,特殊1、开路：R，即U=Ulimit，I0情况：2、短路：R=0，即I=Ilimit，U0,P=ui=iRu/R,电阻元件的功率及吸收的能量,电阻是耗能元件,1.3电阻、电感和电容元件,09:05:31,26,HYIT,1.3.2电感元件,u=-eL=Ldi/dt,由磁场储能的物理过程抽象出来的理想电路元件。,1.3电阻、电感和电容元件,09:05:31,27,HYIT,特点：1、变化的电流产生电压。直流稳态电路中I=常数，UL=0；所以在直流稳态电路中电感可视为短路。2、电感元件是储能元件。,电感元件中的磁场能量,1.3电阻、电感和电容元件,09:05:31,28,HYIT,1.3.3电容元件,是由电场储能的物理过程抽象出来的理想电路元件。,特点：1、电容两端电压变化，才会产生电流。u=常数时，i=0。所以在直流稳态电路中，电容相当于开路。,2、电容元件是储能元件。,线性电容C=常数伏安特性：i=dq/dt=Cdu/dt,单位：F,F,pF,1.3电阻、电感和电容元件,09:05:31,29,HYIT,电容元件中的电场能量,电容的串、并联,1、串联,2、并联,1.3电阻、电感和电容元件,09:05:31,30,HYIT,实际元件的主要参数,实际的电阻器、电感器、电容器在多数情况下可以只考虑其主要的物理性质，将他们近似看成理想元件，分别只有电阻、电感和电容。当需要考虑次要的物理性质时，可用它们的串、并联组合模型来表示。,1.3电阻、电感和电容元件,09:05:31,31,HYIT,电源元件在电路中的作用是提供能量或信号。有两种类型：电压源和电流源。,独立电源是指能向电路独立地提供电压、电流的的器件或装置。（？非独立受控）,1理想电压源（简称电压源）,电压源图形符号：,对于电源来说U和I采用了非关联参考方向。,1.4独立电源与受控源,1.4.1电压源,09:05:31,32,HYIT,理想电压源两端的电压与通过它的电流无关，总保持为某给定值或给定的时间函数。(恒压源)它的电流不是由电压源本身就能确定的，而是与相连接的外电路共同决定的。,恒压源的性质,1.4独立电源与受控源,09:05:31,33,HYIT,恒压源中的电流由外电路决定,设:U=10V,当R1R2同时接入时：I=10A,例,1.4独立电源与受控源,09:05:31,34,HYIT,一个实际的电源一般不具有理想电源的特性。当外接负载电阻R变化时，电源提供的电压和电流都会发生变化。,2实际电压源的模型,若实际电源输出的电压变化不大，可用电压源和电阻相串联的电源模型表示，即实际电源的电压源模型。,1.4独立电源与受控源,09:05:31,35,HYIT,伏安特性,实际电压源模型,开路电压U=US,该模型中，电源内阻Ro越小(RoRL)，输出电流I就越接近IS，该实际电源的特性就越接近电流源,1.4独立电源与受控源,09:05:31,40,HYIT,电路符号,受控电压源,1.定义,受控电流源,1.4.3受控源,电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是受电路中某个地方的电压(或电流)控制的电源，称受控源。,1.4独立电源与受控源,09:05:31,41,HYIT,电流控制的电流源(CCCS),:电流放大倍数,根据控制量和被控制量是电压u或电流i，受控源可分四种类型：当被控制量是电压时，用受控电压源表示；当被控制量是电流时，用受控电流源表示。,2.分类,四端元件,输出：受控部分,输入：控制部分,1.4独立电源与受控源,09:05:31,42,HYIT,g:转移电导,电压控制的电流源(VCCS),电压控制的电压源(VCVS),:电压放大倍数,1.4独立电源与受控源,09:05:32,43,HYIT,电流控制的电压源(CCVS),r:转移电阻,例,电路模型,1.4独立电源与受控源,09:05:32,44,HYIT,3.受控源与独立源的比较,独立源电压(或电流)由电源本身决定，与电路中其它电压、电流无关，而受控源电压(或电流)由控制量决定。,独立源在电路中起“激励”作用，在电路中产生电压、电流，而受控源是反映电路中某处的电压或电流对另一处的电压或电流的控制关系，在电路中不能作为“激励”。,1.4独立电源与受控源,09:05:32,45,HYIT,求：电压u2,解：,1.4独立电源与受控源,例1.4.1,09:05:32,46,HYIT,支路：电路中的每一个分支。一条支路流过一个电流，称为支路电流。,结点：三条或三条以上支路的联接点。,回路：由一条或多条支路组成的闭合路径。,网孔：内部不含支路的回路。,1.5基尔霍夫定律,09:05:32,47,HYIT,例：,支路：ab、bc、ca、（共6条）,回路：abda、abca、adbca（共7个）,结点：a、b、c、d(共4个）,网孔：abd、abc、bcd（共3个）,1.5基尔霍夫定律,09:05:32,48,HYIT,1定律,即:入=出,在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结点的电流。,实质:电流连续性的体现。,或:=0,对结点a：,I1+I2=I3,或I1+I2I3=0,基尔霍夫电流定律（KCL）反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系。,1.5.1基尔霍夫电流定律（KCL定律）,1.5基尔霍夫定律,09:05:32,49,HYIT,电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。,2推广,I=?,例:,广义结点,I=0,IA+IB+IC=0,1.5基尔霍夫定律,09:05:32,50,HYIT,在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。,即：U=0,在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿回路循行一周，则在这个方向上电位升之和等于电位降之和。,对回路1：,对回路2：,E1=I1R1+I3R3,I2R2+I3R3=E2,或I1R1+I3R3E1=0,或I2R2+I3R3E2=0,基尔霍夫电压定律（KVL）反映了电路中任一回路中各段电压间相互制约的关系。,1.5.2基尔霍夫电压定律（KVL定律）,1.5基尔霍夫定律,09:05:32,51,HYIT,1列方程前标注回路循行方向；,电位升=电位降E2=UBE+I2R2,U=0I2R2E2+UBE=0,2应用U=0列方程时，项前符号的确定：如果规定电位降取正号，则电位升就取负号。,3.开口电压可按回路处理,注意：,对回路1：,1.5基尔霍夫定律,09:05:32,52,HYIT,对网孔abda：,对网孔acba：,对网孔bcdb：,R6,I6R6I3R3+I1R1=0,I2R2I4R4I6R6=0,I4R4+I3R3E=0,对回路adbca，沿逆时针方向循行：,I1R1+I3R3+I4R4I2R2=0,应用U=0列方程,对回路cadc，沿逆时针方向循行：,I2R2I1R1+E=0,例：,1.5基尔霍夫定律,09:05:32,53,HYIT,求电流i,解：,解：,求电压u,1.5基尔霍夫定律,例1.5.1,例1.5.2,09:05:32,54,HYIT,求电流i,求电压u,解：,解：,要求,能熟练求解含源支路的电压和电流。,1.5基尔霍夫定律,例1.5.3,例1.5.4,09:05:32,55,HYIT,解：,求电流I,求电压U,解：,1.5基尔霍夫定律,例1.5.5,例1.5.6,09:05:32,56,HYIT,求开路电压U,1.5基尔霍夫定律,例1.5.7,解：,09:05:32,57,HYIT,电位：电路中某点至参考点的电压，记为“VX”。通常设参考点的电位为零。,电位的概念,电位的计算步骤:(1)任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；(2)标出各电流参考方向并计算；(3)计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。,某点电位为正，说明该点电位比参考点高；某点电位为负，说明该点电位比参考点低。,1.6电位的计算,09:05:32,58,HYIT,求图示电路中各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd。,Vb=Uba=106=60VVc=Uca=420=80VVd=Uda=65=30V,设b为参考点，即Vb=0V,Va=Uab=106=60VVc=Ucb=E1=140VVd=Udb=E2=90V,b,a,Uab=106=60VUcb=E1=140VUdb=E2=90V,Uab=106=60VUcb=E1=140VUdb=E2=90V,1.6电位的计算,例1.6.1,设a为参考点，即Va=0V,解：,09:05:32,59,HYIT,结论：,(1)电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中各点的电位也将随之改变；,(2)电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而变，即与零电位参考点的选取无关。,借助电位的概念可以简化电路作图,1.6电位的计算,09:05:32,60,HYIT,图示电路，计算开关S断开和闭合时A点的电位VA。,解:(1)当开关S断开时,(2)当开关闭合时,电路如图（b）,电流I2=0，电位VA