第二章基本概念ppt课件

1、第二章第二章 根本概念根本概念本章主要内容2.1 电路模型及主要物理量2.2 基尔霍夫定律2.3 电阻元件2.4 电源元件2.5 储能元件2.6 运算放大器 2.1 电路模型及主要物理量 电路模型 理想化： 任何实践电路在运转过程中的表现相当复杂，性能多变，为了用数学的方法从实际上判别电路的主要性能，把实践器件在一定条件下按其主要性质加以理想化。理想化的元件称为实践器件的Model。 由理想化的元件组成的电路称为电路模型。 无源电路元件：电阻，电感，电无源电路元件：电阻，电感，电容。容。 有源电路元件：电压源，电流源。有源电路元件：电压源，电流源。 电路元电路元件件v实践电路与理想电路模型图对

2、照：v 电路模型图：将实践电路中各个部件用其模型符号表示而画出的图形。v. s123.ERISv电路模型中的几个小概念：v 支路branch：一个元件一条支路。另一说：经过同一电流的分支v 节点node：支路的衔接点。另一说：3条或3条以上的支路衔接点v 回路loop：支路组成的闭合途径。v 网孔 mesh：内部不含支路的loop。如以下图：支路、节点、回路、网孔个数分别为5，4，3，2。+USaR4R2I1I2I3+R4U+10 V4 A6 V+3 W2 Wb二. 六个根本物理量(电流、电压、电荷、磁通、功率、能量)：1. 电流i(t) ：带电粒子电子、离子等的规那么挪动。 单位时间内经过导

3、体横截面的电荷量定义为电流i(t)。 1) 国际单位制(SI)中，电荷的单位是库仑(C)，时间的单位是秒(s)，电流的单位是安培， 简称安(A)， 适用中还有毫安(mA)和微安(A)等。2) 当电流的大小和方向都不随时间变化时, 称为直流电流。 直流电流常用英文大写字母I表示。 当电流的大小和方向都随着时间而变化的电流, 称为交流电流, 常用英文小写字母i表示。dtdqti)(习惯上把正电荷运动的方向规定为电流的方向。元件参考方向实际方向I 0元件参考方向实际方向I 0在直流电路中，丈量电流时，应根据电流的实践方向将电流表串入待测支路中，如下图，电流表两旁标注的“+“号为电流表的极性。R1US

4、A1A2R2R3I2 1 AI1 2 A1)电路中两点间的电压又称为两点间的电位差。2)单位正电荷由A点挪动到B点能量的得失, 即3)电磁感应定律：磁通量的变化率。电压的SI单位是伏特, 符号为V。 常用的有千伏kV、毫伏mV、 微伏V等。 大小和方向都不随时间变化的直流电压, 用大写字母U表示：交流电压, 用小写字母u表示。dqdwtu)( 电路中，规定电位真正降低的方向为电压的实践方向。电压参考方向，就是恣意假设两点间电压的极性。(a)(b)uuABBA关联参考方向电流的流向是从电压的“+极经过元件流 向 “-极；反之为非关联参考方向。(由于标电压、电流的参考方向的恣意性，所以出现四种情况

5、但可以归为两类，即关联与非关联。_+uiu+_i 关联 非关联+US2US1V2+V1+R2+R1abc5)直流电压的丈量在直流电路中， 丈量电压时， 应根据电压的实践极性将直流电压表跨接在待测支路两端 。 如下图， 假设Uab=10V， Ubc=-3V， 丈量这两个电压时应按图示极性接入电压表。电压表两旁标注的“+、“-号分别表示电压表的正极性端和负极性端。 3.功率udqduidtdqudtdp 1 电路在单位时间内所耗费的能量瞬时功率。在直流电路中，UIP 2电能的SI主单位是焦耳, 符号为J, 在实践生活中还采用千瓦小时kWh作为电能的单位,简称为1度电。JhkW63106 . 336

6、00101 当电流与电压为关联参考方向时，一段电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：路或元件吸收的功率为： p=ui 或或 P= UI 当电流与电压为非关联参考方向时当电流与电压为非关联参考方向时 p=-ui 或或 P= -UI 由于电压和电流均为代数量，显然功率由于电压和电流均为代数量，显然功率也是代数量，二端电路能否真正吸收功率，也是代数量，二端电路能否真正吸收功率，还要看计算结果还要看计算结果p的正负而定，当功率为的正负而定，当功率为正值，表示确为吸收功率；反之负值，即正值，表示确为吸收功率；反之负值，即产生功率。产生功率。 2.2 基尔霍夫定律KCL、KVL基尔霍

7、夫定律是电路中电压和电流所遵照的根本规律，也是分析和计算电路的根底。一. 基尔霍夫电流定律(KCL)：1)其根本内容是：在集总参数电路中，任一节点，在任一时辰流入该节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。或言：流出/流入该节点的一切支路的电流的代数和为零，或归定流出为正，那么流入为负号；当然反过来也可。 例如对图中所示电路a节点，有 i1= i2+i3+ i4 或 i1-i2-i3-i4=02143ai2i4i3i10I 2) KCL的推行 00000321653542461321IIIIIIIIIIIIIII节点：1节点：2节点：3将以上三式相加,得 1I6I1I2I3I4I523 二、二、

8、 基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律(KVL) (KVL) KVL KVL的根本内容是：在集总参数电路中，任一时辰，沿的根本内容是：在集总参数电路中，任一时辰，沿回路的各元件上电压的代数和为零。回路的各元件上电压的代数和为零。 如图从如图从a a点开场按顺时针方向点开场按顺时针方向( (也可按逆时针方向绕也可按逆时针方向绕行一周，有：行一周，有： u1- u2- u3+ u3=0u1- u2- u3+ u3=0当绕行方向与电压参考方向当绕行方向与电压参考方向一致从正极到负极，电一致从正极到负极，电压为正，反之为负。压为正，反之为负。步骤：步骤： 1 1标电压参考方向、标电压参考方向、 2 2 标

9、巡回方向、标巡回方向、 3 3 取正负，列方程取正负，列方程 0U1234+_u4u1u2u3abcd2.3 电阻元件 一. 电阻元件及伏安特性 OUI(a)(b)URI1. 1. 线性电阻及其伏安特性曲线线性电阻及其伏安特性曲线 电流和电压的大小成正比的电阻元件叫线性电阻元件。电流和电压的大小成正比的电阻元件叫线性电阻元件。 元件元件的电流与电压的关系曲线叫做元件的伏安特性曲线。线性电阻元的电流与电压的关系曲线叫做元件的伏安特性曲线。线性电阻元件的伏安特性为经过坐标原点的直线件的伏安特性为经过坐标原点的直线, , 这个关系称为欧姆定律。这个关系称为欧姆定律。IU2. 线性电阻元件有两种特殊情

10、况值得留意: 一种情况是电阻值R为无限大, 电压为任何有限值时, 其电流总是零, 这时把它称为“开路; 另一种情况是电阻为零, 电流为任何有限值时, 其电压总是零, 这时把它称为“短路。3.电阻元件上吸收的功率与能量 (对于正电阻R0来说，吸收的功率总是大于或等于零。)Riuip2ttdpw0)( 假设线性电阻元件的电流和电压的参考方向不关联, 那么欧姆定律的表达式为G称为电导，电阻的倒数，国际单位为西S222GuRuRiuipGuiiRuU= IR 在式中，R是一个与电压和电流均无关的常数,称为元件的电阻。在SI中，电阻的单位为欧姆，简称欧()。常用单位还有千欧(k),兆欧(M)等。在电流和

11、电压关联参考方向下, 任何瞬时线性电阻元件接受的电功率为四、电阻的种类：引见色码电阻压敏电阻碳膜电阻贴片电阻热敏电阻水泥电阻滑线电阻电位器五、等效电路概念的运用五、等效电路概念的运用1. 1. 等效二端电路的定义等效二端电路的定义 假设两个二端电路假设两个二端电路N1N1与与N2N2的伏安关系的伏安关系 完全一样完全一样, ,从而对衔从而对衔接到其上同样的外部电路的作用效果一样接到其上同样的外部电路的作用效果一样, ,那么说那么说N1N1与与N2N2是是等效的。等效的。 如以下图中，当如以下图中，当R=R1 +R2+R3R=R1 +R2+R3时，那么时，那么N1N1与与N2N2是是等效的等效的

12、( (等效电阻。即两个等效的电路替代后不影响其等效电阻。即两个等效的电路替代后不影响其外电路外电路R1R3R2Iab+_UN1Ra+_UbN2I 两个等效的二端电路IR1R2U1U2+_+_Uab2.串联分压和并联分流 1) 两个电阻R1 、R2串联，各自分得 的电压u1 、u2分别为：R=R1+R2+.Rn 两个电阻R1 、R2串联uRRRuuRRRu212221112)两个电阻R1 、R2并联i2i1iR2R1+_abu两个电阻并联iRRRiiRRRi21122121R=1/R1+1/R2+ (G=G1+G2+)R=(R1R2)/(R1+R2)US(a)US(b)UtO2.4 2.4 电源

13、元件电压源和电流源电源元件电压源和电流源它有两个根本性质:1、其端电压是定值或是一定的时间函数，与流过的电流无关。2、电压源的电压是由它本身决议的，流过它的电流那么是恣意的。另：对于交流情况那么是按照某一固有的规律随时间而变化的函数。IS(a)IS(b)IUO它有两个根本性质它有两个根本性质: :1 1、它输出的电流是定值或一定的时间函、它输出的电流是定值或一定的时间函数，与其两端的电压无关。数，与其两端的电压无关。 2 2、其电流是由它本身确定的，它两端、其电流是由它本身确定的，它两端的电压那么是恣意的。的电压那么是恣意的。另：对于交流情况那么是按照某一固有另：对于交流情况那么是按照某一固有

14、的规律随时间而变化的函数。的规律随时间而变化的函数。二、 实践电源的两种模型及相互转换1. 1. 实践电压源的模型实践电压源的模型实践电压源与理想电压源是有差别的，它总有内阻，其端实践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相串联的模型来电压不为定值，可以用一个电压源与电阻相串联的模型来表征实践电压源。如下图。表征实践电压源。如下图。( (电压源作电源或负载的断定电压源作电源或负载的断定 根据所衔接的外电路，电压源电流根据所衔接的外电路，电压源电流( (从电源内部看从电源内部看) )的实的实践方向，可以从电压源的低电位端流入，从高电位端流出，践方向，可

15、以从电压源的低电位端流入，从高电位端流出，也可以从高电位端流入，从低电位端流出。前者电压源提也可以从高电位端流入，从低电位端流出。前者电压源提供功率；后者电压源吸收供功率；后者电压源吸收( (耗费耗费) )功率，此时电压源将作为功率，此时电压源将作为负载出现负载出现 ) ) +-USRSI+-abU0UUSIU=USU=Us-RsI2.2.实践电流源的模型实践电流源的模型 实践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征实践电流源。如下图。 (电流源作电源或负载的断定 当实践电压降的方向与电流源的箭头指向相反时(即非关联方向)，电流源供出功率，起电源作

16、用；当实践电压降的方向与电流源的箭头指向一样时(即关联方向)，那么电流源吸收(耗费)功率，作负载。)RUIISSIS(c)IUOI ISURS(b)URSISRI(a)URSIS3. 实践电源两种模型是可以等效互换的。如下图。 电压源模型与电流源模型的等效变换 等效条件：假设知等效条件：假设知USUS与与RSRS串联的电压源模型，要等效变换为串联的电压源模型，要等效变换为ISIS与与RS RS 并联的电流源模型，那么电流源的电流应为并联的电流源模型，那么电流源的电流应为IS=US/RSIS=US/RS，并，并 联的电阻仍为联的电阻仍为RSRS；反之假设反之假设 : : 知电流源模型，要等效为电

17、压源模型，那么电压源知电流源模型，要等效为电压源模型，那么电压源的的 电压应为电压应为US=RSISUS=RSIS，串联的电阻仍为，串联的电阻仍为 RS RS 。等效方向等效方向: : 互换时电压源电压的极性与电流源电流的方向的关系。互换时电压源电压的极性与电流源电流的方向的关系。 ( (电流沿电压电位升的方向电流沿电压电位升的方向 两种模型中两种模型中RSRS是一样的，仅衔接方式不同。是一样的，仅衔接方式不同。 上述电源模型的等效可以进一步了解为含源支路的等效上述电源模型的等效可以进一步了解为含源支路的等效 变换，即一个电压源与电阻串联的组合可以等效为一个变换，即一个电压源与电阻串联的组合可

18、以等效为一个 电流源与一个电阻并联的组合，反之亦然。电流源与一个电阻并联的组合，反之亦然。所以：等效时，要留意大小和方向两个方面。所以：等效时，要留意大小和方向两个方面。三、受控源为了描画一些电子器件实践性能的需求，在电路模型中常包含有另一类电源受控源，所谓受控源，即大小方向受电路中其他支路的电压或电流控制的电源。受控源受控电压源受控电流源电压控制电压源VCVS电流控制电压源CCVS电压控制电流源VCCS电流控制电流源CCCS(a) VCVS+_uU1U1+_(b) CCVSU1=0+_+_rI1I1(c) VCCSgU1+_U1(d) CCCSI1aI1 四、补充四、补充 含独立源的二端电路

19、的等效含独立源的二端电路的等效 1. 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。对以下图有：Us2+Us3Us1_abUs+_ab电压源串联等效US=US1-US2+US3 2.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 值的代数和。对于以下图电路，有： IS= IS1+ IS12-IS3 请留意:电压值不同的电压源不能并联，由于违背KVL；电流值不同的电流源不能串联，由于违背KCL 。Is3Is2Is1baIsba电流源并联等效五、补充五、补充 含受控源电路的等效化简含受控源电路的等效化简v1 .含受控源和电阻的二端电路可以等效为一个电阻，该

20、等效电阻的值为二端电路的端口电压与端口电流之比。v2 .含受控源、独立源和电阻的二端电路是一个电压源与电阻的串联组合或电流源与电阻并联组合的二端电路。例：求以下图电路a、b端钮的等效电阻Rab.ab+一UI+-5I5解：写出a、b端钮的伏安关系： U=8I+5I=13I 所以 Rab=U/I=13 欧2.5 储能元件iuqqCuqC 电容的SI单位为法拉, 符号为F; 1 F=1 CV。常采用微法F和皮法pF作为其单位。FpFFF126101101OquuqdtduCdtdqi 在电压和电流关联的参考方向下, 电容元件吸收的功率为：dtduuCuip电容元件吸收的电能为：)(21)(21022

21、)()(000tCutCuuduCddtduCupdwtttututtc例例 图图a所示电路中所示电路中, 电容电容C0.5F, 电压电压u的波形图如图的波形图如图b所示。求电容电流所示。求电容电流i, 并绘出其波形。并绘出其波形。uCi(a)10101 2 3 4 5 6 7 8 9u / Vt / s(b)551 2 345 6 7 8 9i / At / s(c)00解解 由电压由电压u的波形的波形, 运用电容元件的元件约束关系运用电容元件的元件约束关系, 可求可求出电流出电流i。 当当0t1s, 电压电压u从均匀上升到从均匀上升到 10V, 其变化率为：其变化率为：sVdtdu/101

22、010101066AdtduCi51010105 . 066 当1st3s, 5st7s及t8s时，电压u为常量, 其变化率为：0dtduAdtduCi5)1010(105 . 066 当 7st8s时, 电压u由10V均匀上升到, 其变化率为：sVdtdu/1010101)10(066故电流为：AdtduCi51010105 . 066电解电容钽电容LLN自感磁链LLiL称为电感元件的自感系数, 或电感系数, 简称电感。 ABiiuL ,L线圈的磁通和磁链iLu线性电感元件 电感SI单位为亨利, 符号为H; 1 H=1 WbA。通常还用毫亨mH和 微亨H作为其单位, 它们与亨的换算关系为HH

23、HmH63101,101Oii电感的特性曲线如图分为线性与非线性 在电压和电流关联参考方向下, 电感元件吸收的功率为 从t0到t时间内, 电感元件吸收的电能为dtdiiLuip)(21)(21022)()(00tLitLidiiLpdtitittLdtdiLudtLiddtduLiLL)(假设选取t0为电流等于零的时辰, 即i(t0)=,)(212tLiL从时间t1到t2, 电感元件吸收的能量为)()()(21)(21121222)()(21tttLitLidiiLLLtttiL例：电路如图例：电路如图a所示所示, L=200mH, 电流电流i的变化如图的变化如图b所示。所示。 1 求电压求电压uL, 并画出其曲线。并画出其曲线。 2 求电感中储存能量的最大值。求电感中储存能量的最大值。 3 指出电感何时发出能量指出电感何时发出能量, 何时接受能量？何时接受能量？iuLL(a)15012345678910(b)i / mAt / ms30(c)u / Vt / ms 3解解 1 从图从图b所示电流的变化曲线可知所示电流的变化曲线可知, 电流的变化周电流的变化周期为期为3ms,在电流变化每一个周期的第在