谢静《电路与电子技术》第一章 电路的基本概念.ppt

1、h,1,电路与电子技术,谢 静,TELQQ:182246569,h,2,是计算机、电子信息、地理信息系统等电类专业和 部分非电类专业本科生的必修课,计算机科学与技术专业,课程性质,电路与电子技术,教学目标,通过对常用电路、电子器件、模拟电路及其系统 的分析和设计的研究，使学生获得电路和模拟电 子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能， 为深入学习电子技术某些领域中的内容， 以及电子技术在专业中的应用打下基础,h,3,电路与电子技术,生活需要,h,4,电路与电子技术,科技需要,h,5,电路与电子技术,学习方法,参考书目的选择,避轻就重的技巧,理论联系实际的重要,h,6,

2、第一章 电路的基本概念The Basic Conception of Circuit,h,7,第一章 电路的基本概念,本章主要内容（6学时） 电路 1.1 电路和电路模型 1.2 电路的基本物理量 电路的基本概念 1.3 电功率和电能量 1.4 无源二端元件 1.5 有源二端元件 1.6 受控源,电路的基本定律 1.7 基尔霍夫定律,h,8,1.1 电路和电路模型,实际电气装置 种类繁多 如自动控制设备，卫星接收设备，邮电通信设备等 几何尺寸相差也很大 如电力系统或通信系统可能跨越省界、国界甚至是洲际的，但集成电路的芯片有的则小如指甲。 电路模型 为了分析研究实际电气装置的需要和方便，常采用模

3、型化的方法； 用抽象的理想元件及其组合近似地代替实际的器件，从而构成了与实际电路相对应的电路模型,h,9,1.1 电路和电路模型,电路模型（简称电路） 在电路中将实际电路中使用电气元器件用理想的模型符号表示,实际电路组成： 电源：提供电能的能源。 负载：即用电装置，它将电能转换为其他形式的能量。 导线：连接电源与负载传输电能的金属导线,h,10,1.1 电路和电路模型,电路元件按端口可分为： 二端元件：电阻、电容、电感 三端元件：三极管、场效应管 多端元件：受控源、变压器、集成运放 电路元件按对外是否提供能量可分为： 有源元件：电压源、电流源 无源元件：电阻、电容、电感 电路元件按电磁特性可分

4、为： 集总元件：电磁过程在元件内部进行 非集总元件,h,11,1.1 电路和电路模型,具有相同的电磁性能，可以用同一模型表示 同一个实际电路部件在不同的应用条件下，它的模型也有不同的形式,低频电路,高频电路,超高频电路,集总元件,h,12,1.2 电路的基本物理量,一 电流 定义：在电场作用下，电荷有规则的移动形成电流。 大小： 单位：安培（A），简称安。 方向：规定为正电荷运动的方向。 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,1kA=103A 1mA=10-3A 1 A=10-6A,h,13,1.2 电路的基本物理量,参考方向：任意选定一个方向即为电流的参考方向,i

5、参考方向,i 参考方向,i 参考方向,i 0,i 0,实际方向,实际方向,电流的参考方向与实际方向的关系,h,14,1.2 电路的基本物理量,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。 为什么要引入参考方向 ？ 有些复杂电路的某些支路事先无法确定实际方向。为分析方便，只能先任意标一方向（参考方向），根据计算结果，才能确定电流的实际方向。 实际电路中有些电流是交变的，无法标出实际方向。标出参考方向，再加上表达式，才能表示出电流的大小和实际方向。 分类： 直流电流(DC):大小和方向均不随时间变化的电流, 用I来表示

6、； 交流电流(AC):大小和方向随时间变化的电流. 用i来表示,h,15,1.2 电路的基本物理量,二 电压 定义：电场力把单位正电荷从A点移动到B点所做的功。 大小： 单位：伏特（V） 三 电位 电路中某点的电位，是将单位正电荷沿电路中任一路径到参考点时，电场力所做的功。 参考点的电位常设为零。 讨论电路中各点的电位时，必须先选定一个参考点，否则无意义,h,16,1.2 电路的基本物理量,电压方向,实际方向,实际方向,U, 0,0,U,h,17,1.2 电路的基本物理量,电压参考方向的三种表示方式： 用箭头表示：箭头指向为电压（降）的参考方向 用正负极性表示：由正极指向负极的方向为电压 (降

7、低)的参考方向 用双下标表示：如 UAB , 由A指向B的方向为电压 (降)的参考方向,U,U,A,B,UAB,h,18,例,已知：4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力作功8J，由b点移动到c点电场力作功为12J， 若以b点为参考点，求a、b、c点的电位和电压uab、u bc; 若以c点为参考点，再求以上各值,解,1,h,19,例,已知：4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力作功8J，由b点移动到c点电场力作功为12J， 若以b点为参考点，求a、b、c点的电位和电压uab、u bc; 若以c点为参考点，再求以上各值,解,1,h,20,例,已知：4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力作功8J，由b点

8、移动到c点电场力作功为12J， 若以b点为参考点，求a、b、c点的电位和电压uab、u bc; 若以c点为参考点，再求以上各值,结论：电路中电位参考点可任意选择；参考点一经选定，电路中各点的电位值就唯一确定；当选择不同的电位参考点时，电路中各点电位值将改变，但任意两点间电压保持不变,h,21,1.2 电路的基本物理量,四 电流和电压的参考方向 电压和电流的参考方向是任意假定的。分析电路前必须标明。 参考方向一经假定，必须在图中相应位置标注 (包括方向和符号），在计算过程中不得任意改变。参考方向不同时，其表达式符号也不同，但实际方向不变,u = Ri u，i为关联方向,u = Ri u，i为非关

9、联方向,h,22,1.3 电功率和电能量,一 电功率 定义：单位时间内元件吸收或发出的电能。 单位: 瓦特(W) 1w= 1 J/s 1度=1 kW/h 计算：当电流与电压为关联参考方向时，一段电路（或元件）吸收的功率为： p= ui (交流) 或 P= UI (直流) 物理意义 该元件或电路吸收(或消耗)电能 该元件或电路产生(或提供)电能,h,23,1.3 电功率和电能量,二电路吸收或发出功率的判断 u，i取关联参考方向：p=ui 表示元件吸收的功率 p0 吸收正功率（实际吸收或消耗） p0 发出正功率 （实际发出） p0 发出负功率 （实际吸收或消耗,h,24,例,求图示电路中各方框所代

10、表的元件消耗或产生的功率。已知： U1=1V, U2= -3V, U3=8V, U4= -4V, U5=2V, U6= -2V I1=2A, I2=1A, I3= -3A,解,注,对一完整的电路，发出的功率消耗的功率,U3,6,5,4,1,2,3,I2,I3,I1,_,_,_,_,_,U6,U5,U4,U2,U1,_,h,25,1.4 无源二端器件,一 电阻元件 电阻模型：电阻值不随其上的电压u 、电流i和时间t 变化的电阻，叫线性非时变电阻,线性非时变电阻模型及伏安特性,非线性非时变电阻模型及伏安特性,h,26,1.4 无源二端器件,电阻元件欧姆定律 电阻的功率 电阻消耗的能量,h,27,1

11、.4 无源二端器件,二 电容元件 结构：由两块互相绝缘的金属极板所组成,单位：法拉（F,电容C,h,28,1.4 无源二端器件,电容方程 电流方程（隔直通交） 电压方程（记忆元件） 能量方程（储能元件-无源元件,h,29,1.4 无源二端器件,三 电感元件 是实际线圈的理想化模型. 电感L： 单位：亨利（H,h,30,1.4 无源二端器件,电感方程 电压方程（动态元件） 电流方程（记忆元件） 能量方程（储能元件-无源元件,h,31,1.5 有源二端元件,一 电压源 定义：端电压总能保持定值或一定的时间函数的电源。 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,特点: 电源两端的

12、电压由电源本身决定，与外电路无关 。 通过它的电流是任意的，由外电路决定,h,32,1.5 有源二端元件,伏安特性：电压源的伏安特性曲线是平行于i 轴值为 uS(t) 的直线,US,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。 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,h,33,1.5 有源二端元件,二 电流源 定义：端电流总能保持定值或一定的时间函数的电源。 理想电压源：电源输出电流为iS，其值与此电源的端电压 u 无关,特点: 电源电流由电源本身决定，与外电路无关。 电源两

13、端电压是任意的，由外电路决定,h,34,1.5 有源二端元件,伏安特性：电流源的伏安特性曲线是平行于u 轴值为 iS(t)的直线,IS,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。 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,h,35,1.5 有源二端元件,三 独立源的等效变换 电压源的等效：几个电压源相串联的二端电路,可等效成一个电压源，其值为个电压源电压值的代数和,电压源串联等效,h,36,1.5 有源二端元件,电流源的等效：几个电流源并联，可以等效为一个电流源，其值为各电流源电流值的代

14、数和,请注意: 电压值不同的电压源不能并联，电流值不同的电流源不能串联,h,37,1.5 有源二端元件,四 实际电压源模型: 实际电压源与理想电压源是有差别的，它总有内阻，其端电压不为定值，可以用一个电压源与电阻串联的模型来表示实际电压源,h,38,1.5 有源二端元件,五 实际电流源模型: 实际电流源与理想电流源也有差别，其电流值不为定值，可以用一个电流源与电阻相并联的模型来表示实际电流源,比较,h,39,1.5 有源二端元件,六 由电压源变换为电流源,七 由电流源变换为电压源,h,40,2) 等效是对外部电路等效，对内部电路是不等效的,注意,开路的电流源可以有电流流过并联电导Gi,电流源短

15、路时, 并联电导Gi中无电流,电压源短路时，电阻中Ri有电流,开路的电压源中无电流流过 Ri,3) 理想电压源与理想电流源不能相互转换,表现在,h,41,1.6 受控源,受控源 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,受控电压源,受控电流源,: 电流放大倍数,分类：根据控制量和被控制量是电压u或电流i ，受控源可分为四种基本类型。 电流控制的电流源(Current Controlled Current Source,h,42,1.6 受控源,电流控制的电压源 ( Current Controlled Voltage Source,r : 转移

16、电阻,g: 转移电导,电压控制的电流源 ( Voltage Controlled Current Source,h,43,1.6 受控源,电压控制的电压源 ( Voltage Controlled Voltage Source,:电压放大倍数,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)直接由控制量决定。 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,h,44,1.7 基尔霍夫定律,支路（branch） :电路中通过同一电流的每个分支,节点(node):一般三条或三

17、条以上的支路连接点才叫节点. 注：短路线两端为同一节点,网孔(mesh)：对平面电路，每个网眼即为网孔。 网孔是回路，但回路不一定是网孔,回路(path): 电路中由支路构成的闭合路径称为回路,h,45,1.7 基尔霍夫定律,一 基尔霍夫电流定律(KCL) 定义：对于集总电路的任一节点，在任一时刻流入该节点的电流之和等于流出该节点的电流之和,物理基础:电荷恒定，电流连续性,h,46,1.7 基尔霍夫定律,其中必有负的电流,KCL可推广到一个封闭面,h,47,1.7 基尔霍夫定律,二 基尔霍夫电压定律(KVL) 定义：对于任何集总电路中的任一回路，在任一瞬间，沿回路的各支路电压的代数和为零,首先

18、考虑（选定一个)绕行方向：顺时针或逆时针. 当元件电压参考方向与路径绕行方向一致时取正号，相反取负号,h,48,1.7 基尔霍夫定律,UAB (沿l1)=UAB (沿l2） 电压的单值性 （电场力作功与路径无关,推论：电路中任意两点间的电压等于两点间任一条路径经过的各元件电压的代数和,h,49,1.7 基尔霍夫定律,三 KCL、KVL小结： KCL是对支路电流的线性约束，KVL是对支路电压的线性约束。 KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。 KCL表明在每一节点上电荷是守恒的；KVL是电位单值性的具体体现(电压与路径无关)。 KCL、KVL只适用于集总参数的电路,h,50,例题,例：求下图中各受控源吸收的功率,解：由KVL得,由KCL,而,受控电压源3i所吸收得功率,受控电压源2i