《电路基础》

,电路基础,主编黄学良,1,学习交流PPT,第一章电路的基本概念和电压、电流约束关系,1.1电路的基本概念,1.2电路的主要物理量,1.3电路的无源元件,1.5常用多端电路元件介绍,1.6基尔霍夫定律,1.4电路的有源元件,2,学习交流PPT,1.1.1电路的组成及其功能,电路主要由电源、负载、连接导线及开关等构成。电源和负载是构成任一完整电路的两个基本部分。,电源(source)：提供能量或信号。比如发电机、电池、电信号发生器等。,负载(load)：用电设备。将电能转化为其它形式的能量，或对信号进行处理.,导线(line)、开关（switch)等：将电源与负载接成通路.,1.1电路的基本概念,电荷定向移动形成电流（Current）电流流过的路径称为电路（Circuit）,3,学习交流PPT,在火力发电厂中，发电机由汽轮机带动运转，将机械能转换成电能，经变压器将电压升高，由输电线送往用电地方，再经变压器将电压降低，送至各种用电设备，把电能转换成热能、光能、机械能等。,输电线,降压变压器,电灯,电动机,发电机,4,学习交流PPT,电路的主要功能及基本要求为：,1、转换与传输能量，要求在转换与传输过程中损耗小，效率高；,*电路实现任何一种功能，都需要有电源或信号源，它是电路中产生电压或电流的动力，称为激励。,由激励在电路各部分产生的电压或电流称为响应。,2、处理与传递信号，要求在处理与传递过程中失真小，灵敏度高。,5,学习交流PPT,1.1.2电路模型(circuitmodel),1.理想电路元件：根据实际电路元件所具备的电磁性质所设想的具有某种单一电磁性质的元件，其u，i关系可用简单的数学式子严格表示。,理想元件的分类：,按其与时间的关系分：时变元件和非时变元件,按其在电路中的作用分：有源元件和无源元件,按其对外连接个数分：二端元件、三端元件、多端元件等,按其性质分：线性元件和非线性元件,6,学习交流PPT,2.电路模型,电路模型：将实际电路中的元件由元件的模型（理想元件及其组合）来代替，就可得到实际电路的电路模型。简称电路。*电路模型是由理想电路元件构成的。,例.,实际电路元件的模型：将实际电路元件由理想元件及其组合来模拟，使得与实际元件具有基本相同的电磁性质。,实际电路,电路模型(电路),7,学习交流PPT,1.1.3两条公理和一条假设,本书所论述的电路分析遵循两条公理和一条假设。,电荷在电路中作定向移动形成电流。在运动过程中经过各个电路元件，在有的元件上吸收能量，有的元件上放出能量。实践证明，电荷的数量在运动过程中保持不变，即电荷守恒。,2、能量守恒,1、电荷守恒,电路是转换与传输能量的装置，在转换与传输过程中遵循能量守恒定律。,8,学习交流PPT,3、集中假设,集总参数电路：由集总参数元件构成的电路。,一个实际电路要能用集总参数电路模拟，要满足如下条件：即实际电路的尺寸必须远小于电路工作频率下的电磁波的波长。,*与分布参数电路相对。本课程主要针对集中参数电路。,集中假设：实际电路及其器件在空间上有一定的几何尺寸，若电路或器件的最大尺寸d与工作电流电磁波的波长比较，满足时，则此电路或器件可看成集中在空间一点，即它的实际几何尺寸不影响电路中的电磁关系，这就是“集中假设”，或称“集总假设”,9,学习交流PPT,已知电磁波的传播速度与光速相同，即,v=3105km/s(千米/秒),(1)若电路的工作频率为f=50Hz，则周期T=1/f=1/50=0.02s波长=31050.02=6000km,一般电路尺寸远小于。能用集总参数电路模拟。,(2)若电路的工作频率为f=50MHz，则周期T=1/f=0.02106s波长=31050.02106=6m,一般电路尺寸均与可比。不能视为集总参数电路。,10,学习交流PPT,1.1.4电路的分类,11,学习交流PPT,本书所说的电路均指非时变集中电路，而且又都是已完成器件建模的实际电路的理想模型，重点为非时变集中线性电路。,从不同的角度，电路有不同的分类，并可由此得出不同的电路名称。,按电路中的电流是否随时间变化，可分成直流电路和交流电路，交流电路中又分为正弦交流电路和非正弦交流电路。,若按电路的用途分有放大电路、整流电路、滤波电路、振荡电路等。,需要说明的是:,12,学习交流PPT,电路中的主要物理量主要有：电流、电压、电荷、磁链、电功率、电能等，相应的符号是i、u、q、p、w。,1.电流(current)：带电质点的运动形成电流。,电流的大小用电流强度表示：单位时间内通过导体横截面的电量。,单位：A(安)(Ampere，安培),1.2电路的主要物理量,1.2.1电流及其参考方向,13,学习交流PPT,当数值过大或过小时，常用十进制的倍数表示。,国际单位制(SI)中，一些常用的十进制倍数的表示法如下：,符号TGMkcmnp中文太吉兆千厘毫微纳皮数量10121091061031021031061091012,电荷有正负之分，正或负电荷定向流动都形成电流，规定正电荷流动的方向为电流的方向。,对于比较复杂的电路，很难凭观察来确定各条支路中电流的实际方向。故引入参考方向。,14,学习交流PPT,不正确,电流的参考方向,因为电流有大小，又有方向,15,学习交流PPT,元件(导线)中电流流动的实际方向有两种可能:,实际方向,实际方向,参考方向：任意选定一个方向即为电流的参考方向。,i参考方向,大小(绝对值),方向(正、负号),这时，代数量可以表示电流,16,学习交流PPT,电流参考方向的两种表示：,用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。,用双下标表示：如iAB,电流的参考方向由A指向B。,i参考方向,i参考方向,i0,i0吸收正功率(吸收),P0发出正功率(发出),P0，du/dt0，则i0，q，正向充电(电流由电容参考-极流向参考+极)；,(2)u0，du/dt0，则i0，q，正向放电(电流由电容参考+极流向参考-极)；,(3)u0，du/dt0，且不为常数。,螺管线圈的电感为,47,学习交流PPT,二、电感的伏安关系：,u,i取关联参考方向,u参考方向与呈右螺旋关系。则根据电磁感应定律与楞次定律,或,48,学习交流PPT,讨论：,(1)u的大小取决与i的变化率，与i的大小无关；(微分形式),(2)电感元件是一种记忆元件；(积分形式),(3)当i为常数(直流)时，di/dt=0u=0。电感在直流电路中相当于短路；,(4)表达式前的正、负号与u，i的参考方向有关。当u，i为关联方向时，u=Ldi/dt；u，i为非关联方向时，u=Ldi/dt。,49,学习交流PPT,2.电感的储能,由此可以看出，电感是无源元件，它本身不消耗能量。,从t0到t电感储能的变化量：,50,学习交流PPT,电容元件与电感元件的比较：,51,学习交流PPT,1.3.4互感（MutualInductance）,一、互感的物理概念,当穿过线圈的磁通链由线圈本身的电流和其它线圈电流共同产生时，其它线圈电流变化也会引起此线圈磁通链变化，从而在线圈中产生感应电压，称为互感电压。,图中表示两个有互感的线圈N1和N2，穿过线圈N1的磁通链1由两部分合成，其中11为线圈N1的电流i1产生，12为线圈N2的电流i2产生，即,1=11+12,52,学习交流PPT,线圈N2对线圈N1的互感为,互感是两个有耦合的线圈之间相互存在的，所以反过来电流i1产生的磁通也会穿过线圈N2，即有,M12与M21是相等的，即,M为两个耦合线圈的互感量，简称互感或耦合电感,53,学习交流PPT,互感的图形符号,“*”号表示互感的同名端,同名端的含义：,当变化i1流入线圈N1时，线圈N1、线圈N2中将同时感应出电压。若di1/dt0，则线圈N1中i1的流入端与线圈N2中感应电压的正极性端称为同名端。易知，这时i1的流入端为线圈N1中感应电压的正极性端，故同名端又称同极性端。,L1、L2代表自感,M代表互感,54,学习交流PPT,同名端的判别,1、楞次定律,2、实验测定,交流法测定同名端,直流法测定同名端,55,学习交流PPT,交流法测定同名端,1、2是一线圈两端，3、4为另一线圈两端。用导线将两线圈的一端相连（图中2、4），线圈12接交流电源，用交流电压表测量（1，3）端电压，若此电压比两个线圈各自的端电压都大，则（1，4）为同名端；否则，（1，3）端为同名端,线圈12通过开关s接通一直流电源，当开关闭合瞬间，若直流毫安表指针瞬时正偏，则表明1，3端为同名端；若直流毫安表指针瞬时反偏，则表明1，4端为同名端。,直流法测定同名端,56,学习交流PPT,二、互感的伏安关系,具有互感的线圈，其感应电压应由自感电压及互感电压合成。若互感电压的方向与自感电压方向相同，则感应电压为自感电压与互感电压相加；若两个电压方向相反，则感应电压应为自感电压与互感电压相减。,若将i2参考方向反过来设定，则：,57,学习交流PPT,若线圈与多个线圈之间有互感作用，则有,uk表示线圈k的感应电压；,为自感电压，uk与ik取关联参考方向；,为所有与线圈k有互感作用的其它线圈所产生的互感电压，当互感电压的正极与产生它的电流流入端是同名端时，取正号，否则，取负号。,58,学习交流PPT,三、耦合系数,表征两个具有互感线圈的耦合松紧程度,k的大小与两个线圈的结构，相互位置及周围介质有关,当k=1时，称为全耦合，此时所有磁通全部同时穿过两个线圈。,59,学习交流PPT,1.4电路的有源元件,电源是组成电路的一个基本元件。当接通负载时，电源输出电压和电流，对电路提供电能。,实际电源因为有内电阻，所以随着输出电流增大，输出电压会降低,将实际电源抽象化，得出两个理想电源的电路模型电压源和电流源,电源外特性,60,学习交流PPT,一、理想电压源：电源两端电压为uS，其值与流过它的电流i无关。,1.特点：,(a)电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；,(b)通过它的电流是任意的，由外电路决定。,直流：uS为常数,交流：uS是确定的时间函数，如uS=Umsint,电路符号,1.4.1电压源,61,学习交流PPT,2.伏安特性,US,(1)若uS=US，即直流电源，则其伏安特性为平行于电流轴的直线，反映电压与电源中的电流无关。,(2)若uS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是这样。电压为零的电压源，伏安曲线与i轴重合,相当于短路元件。,电压源的电压电流一般取非关联参考方向,62,学习交流PPT,3.理想电压源的开路与短路,(1)开路：R，i=0，u=uS。,(2)短路：R=0，i，理想电源出现病态，因此理想电压源不允许短路。,*实际电压源也不允许短路。因其内阻小，若短路，电流很大，可能烧毁电源。,u=USri,实际电压源,63,学习交流PPT,4.功率：,或,p吸=uSip发=uSi(i,uS关联参考方向),电场力做功，吸收功率。,电流（正电荷）由低电位向高电位移动外力克服电场力作功发出功率,p发uSi(i,us非关联参考方向）,物理意义：,64,学习交流PPT,理想电流源：电源输出电流为iS，其值与此电源的端电压u无关。,1.特点：,(a)电源电流由电源本身决定，与外电路无关；,(b)电源两端电压是任意的，由外电路决定。,直流：iS为常数,交流：iS是确定的时间函数，如iS=Imsint,电路符号,1.4.2电流源,65,学习交流PPT,2.伏安特性,IS,(1)若iS=IS，即直流电源，则其伏安特性为平行于电压轴的直线，反映电流与端电压无关。,(2)若iS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是这样电流为零的电流源，伏安曲线与u轴重合,相当于开路元件,电流源的电压电流一般取非关联参考方向,66,学习交流PPT,3.理想电流源的短路与开路,(2)开路：R，i=iS，u。若强迫断开电流源回路，电路模型为病态，理想电流源不允许开路。,(1)短路：R=0，i=iS，u=0，电流源被短路。,4.实际电流源的产生：可由稳流电子设备产生，有些电子器件输出具备电流源特性，如晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的电流等。,67,学习交流PPT,一个高电压、高内阻的电压源，在外部负载电阻较小，且负载变化范围不大时，可将其等效为电流源。,r=1000，US=1000V，R=12时,当R=1时，u=0.999V,当R=2时，u=1.999V,将其等效为1A的电流源：,当R=1时，u=1V,当R=2时，u=2V,两者误差很小,68,学习交流PPT,电路符号,受控电压源,受控电流源,1.4.3受控源（DependentSource）,1.定义,电压源电压或电流源电流不是给定的时间函数，而是受电路中某个支路的电压(或电流)的控制。,2.分类,根据控制量和被控制量是电压u或电流i，受控源可分为四种类型：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。,69,学习交流PPT,(a)电流控制的电流源(CurrentControlledCurrentSource),:电流放大倍数,r:转移电阻,i2=bi1,u2=ri1,(b)电流控制的电压源(CurrentControlledVoltageSource),70,学习交流PPT,g:转移电导,:电压放大倍数,(c)电压控制的电流源(VoltageControlledCurrentSource),(d)电压控制的电压源(VoltageControlledCurrentSource),u2=u1,i2=gu1,*本课程只讨论线性受控源,71,学习交流PPT,3.受控源与独立源的比较,(1)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)直接由控制量决定。,(2)独立源作为电路中“激励”，在电路中产生电压、电流。而受控源只是反映输出端与输入端的关系，在电路中不能作为“激励”。,72,学习交流PPT,1.5常用多端电路元件介绍,前两节介绍的电路元件仅有两个端纽，称为二端元件。若电路元件外接端子为两个以上，称为多端元件。,1.5.1晶体三极管(Transistor),晶体三极管是一种常用的半导体器件，它由三层半导体材料按一定的工艺制造的，从每层材料各引出一根接线，就是晶体管的三个电极，用e,b,c表示，分别称为发射极、基极和集电极,73,学习交流PPT,晶体三极管的图形符号及其等效电路模型,当接上电源时，三个电极的电流分别为ib、ic、ie,其关系为,为晶体管电流放大系数，在一定范围内，近似为常数，对小功率晶体管=（20200）。,集电极电流ic受基极电流ib控制，在电路中可用电流控制电流源来等效。,74,学习交流PPT,1.5.2理想变压器(IdealTransformer),一、实际变压器,实际变压器是在铁心上绕几个线圈（称为绕组）构成,利用互感来工作,当原边11接通交变电源u1时，产生电流i1和交变磁通，在各绕组中产生感应电压；若副边22接通负载时，产生副边电流i2，变压器将从电源吸收的功率传送至负载。,75,学习交流PPT,二、理想变压器构成的条件,（1）全耦合，即穿过每个线圈的磁通相同，无漏磁通，耦合系数k=1；,（2）无损耗，即各线圈的电阻为零，铁心中损耗亦为零；,（3）铁心导磁率趋于无限大，各线圈的电感及互感即L1、L2、M都趋于无限大，但,n为线圈的匝数比，称为变比。,76,学习交流PPT,理想变压器的电路模型：,变比,或,n=N1/N2，变比,用受控源表示的电路模型：,理想变压器原、副边电压和电流满足：,不是动态元件,三、理想变压器的伏安关系,77,学习交流PPT,理想变压器的性质：,将理想变压器的电压、电流方程相乘，可得：,u1i1+u2i2=0,物理意义：输入理想变压器的瞬时功率等于零。,故理想变压器既不耗能也不储能，它仅将能量由原边全部传输到副边，并由副边输出。在能量传输过程中，电压、电流按变比作数值变换。,(a)功率性质,78,学习交流PPT,(b)阻抗变换性质,正弦稳态情况下电路,当副边接入阻抗Z时，,则原边的输入阻抗为,79,学习交流PPT,1.电路符号,a、b是输入端。o是输出端。E+、E-分别连接直流电压(常称偏置电压)的正、负电压。,注意，这里的输入电压、输出电压、正电压、负电压，是相对于公共端(又称“地”)而言的，实际上相当于参考节点。,偏置电压是放大器正常工作所必需的。但在分析运放的放大作用时，可以不考虑此偏置电压。这样，电路符号往往可以简化。,1.5.运算放大器(operationalamplifier),简称运放,80,学习交流PPT,a：倒向输入端，或反相输入端。uo=-Au-(当只在a端加电压时),有时候，为简化起见，省略接地线，电路符号图中只有a,b,o三端。,A：(开环)电压放大倍数，或电压增益。可达几万、甚至十几万倍,a、b端的“+”和“-”号，并非表示参考方向,b：非倒向输入端，或同相输入端。uo=Au+(当只在b端加电压时),81,学习交流PPT,设在a,b间加一电压ud=u+-u-，则可得输出uo和差动输入ud之间的转移特性曲线(运放的外特性)如下：,Usat,-Usat,Uds,-Uds,分三个区域：,2.运算放大器的静特性,这里Uds是一个数值很小的电压，例如Usat=13V,A=105，则Uds=0.13mV。,82,学习交流PPT,3.电路模型,Ri：运算放大器两输入端间的输入电阻。,Ro：运算放大器的输出电阻。,83,学习交流PPT,基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律(KirchhoffsCurrentLawKCL)和基尔霍夫电压定律(KirchhoffsVoltageLawKVL)。它反映了电路中所有支路电压和电流的约束关系，是分析集总参数电路的基本定律。,1.6基尔霍夫定律(KirchhoffsLaws),电路中电压、电流的约束关系有两类：,1.电路元件本身所具有的伏安关系（VCR）,2.电路元件的互连方式（体现这种约束关系的是基尔霍夫定律）,84,学习交流PPT,一、几个名词：,1.支路(branch)：电路中通过同一电流的