第1章电路的基本概念和分析方法部分

1、电路与电子技术北 京 理 工 大 学信息与电子学院谢民课时安排总学时64成绩评定： 理论教学48，实验教学16（8次）成绩20分：作业及随堂测验10分，实验10分。80分期末电路与电子技术（第二版）（上，下）李燕北京理工大学参考书：电工和电子技术学习指导编李燕民温照方 郜志峰编，北京理工大学电工与电子技术实验 （第二版）李燕民，温照方主编北京理工大学电路和电子技术实验安排实验前要写预习报告！周次内容地址5周实验1.1 电工测量理学楼B-301/3027周实验1.3 RC电路的暂态过程（）理学楼B-4049周实验1.4 单相交流电路理学楼B-10211周实验2.1 电压放大电路（硬）理学楼B-3

2、01/30212周实验2.2 集成运算放大器的应用理学楼B-301/30213周实验2.3 整流、滤波、稳压电路理学楼B-301/30214周实验3.1 组合逻辑电路及其应用理学楼B-301/30215周实验3.2 触发器和移位寄存器的应用实验3.3 计数、译码、显示电路理学楼B-301/302与Tel：xiemin号：trager_122002727 办公室：中关村校区4#1371、请各班的班长或学委课后留一下方式。2、包括课程安排、课件、试验相关材料通过的方式共享云盘3、建议：统一个群，今后与课程的相关信息都会发布在群里电路和电子技术(上)电路的基本概念和分析方法（1章）电路电路的暂态分析

3、（2章）交流电路（3章）原理电路和电子技术(下)半导体器件（1章）交流放大电路（2章） 集成运算放大器（3章） 电源技术（4章）模拟电路数字电路组合逻辑电路（5章）时序逻辑电路（6章）第1章电路的基本概念和分析方法1.11.21.31.41.51.61.71.81.9电路的基本概念理想电路元件基尔霍夫定律电路的一般分析方法叠加原理无源二端网络的等效变换(部分)电阻星形联与三角形联接的等效变换电源模型的等效变换 戴维宁定理和诺顿定理含受控源电路的分析 非线性电阻电路的分析电器设备的额定值(自学)ÐÐ 1.10Ð 1.111.12第1章电路的基本概念和分析方法电路模型

4、、电压、电流的参考方向分析电路本章主要内容电路基本概念基本定律基尔霍夫定律的依据！支路电流法叠加原理电源模型的等效变换戴维宁定理分析计算电路的方法第1章电路的基本概念和分析方法1.11.21.31.41.51.61.71.81.9电路的基本概念理想电路元件基尔霍夫定律电路的一般分析方法叠加原理无源二端网络的等效变换(部分)电阻星形联与三角形联接的等效变换电源模型的等效变换 戴维宁定理和诺顿定理含受控源电路的分析 非线性电阻电路的分析电器设备的额定值(自学)ÐÐ 1.10Ð 1.111.12电路的基本概念u 电路的作用与组成u 电路模型u 电压、电流的参考方向电路的

5、基本概念电路（英语：Electrical circuit）或称电子回路，是由电气设备和元器件, 按一定方式连接起来，为电荷流通提供了路径的总体，也叫电子线路或称电气回路，简称网络或回路。引自百科电路的作用与组成1、电能的传输与转换输电线发电机负载电源中间环节2、传递与处理信号扬声器话筒话筒把声音（信息）®电信号扬声器把电信号®声音（信息）信号源负载放大器升压变压器降压变压器电灯电¬¬¬¬¬¬1.1电路的作用与组成电气部件中通常将能把其他形式的能量转换为电 能的设备成为电源。反之，将由电能转换为其他形式 能量的设备称

6、为负载。电路的基本组成部分： 电源负载连接导线电路中电源和信号源的电压或电流称为激励，它推动电路的工作。由激励在电路中产生的电压和电流称为响应。电路分析是在已知电路结构和参数的条件下，响应激励与的关系。讨论电路模型讨论电路问题实际涉及到两方面的问题电路分析电路设计为了实现对具体电路的分析，进而根据功能去设计一个电路，就需要建模！构建电路模型！1.1电路模型实际的电路是由一些按需要起不同作用的元件或器件所组成，如发电压器、电、电池、电阻器等，它们的电磁性质是很复杂的。例如：一个白炽灯在有电流通过时消耗电能（电阻性）R忽略L产生磁场储存磁场能量（电感性）iRL为了便于分析与计算实际电路，在一定条件

7、下常忽略实际部件的次要因素而突出其主要电磁性质，把它看成理想电路元件。电路模型S+开关UR负载连接导线R0电路模型电路实体电池用理想电路元件组成的电路，称为实际电路的 电路模型。电压电流的参考方向对电路进行分析计算时，不仅要算出电压、电流、 功率值的大小，还要确定这些量在电路中的实际方向。但是，在电路中各处电位的高低、电流的方向等很难事先出来。因此电路内各处电压、电流的实际方向也就不能确定。为此引入参考方向的规定。电流、电压、电动势的参考方向可以任意假定， 在确定参考方向后：1、当实际方向与参考方向一致时，数值取正值2、当实际方向与参考方向相反时，数值取负值1.1电压电流的参考方向电压、电流的

8、实际方向？电流（英文：Current）是指一群电荷的。电流的实际方向：与正电荷在电路中移动的方向相同。实际上并不是正电荷移动，而是负电荷移动。电压（英语：Voltage），也称作电势差或电位差，是衡量电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。电压的实际方向：与电场力方向一致，从高电位到低电位电压电流的参考方向电动势定义：在电源内部推动电荷移动的力成为电源力，电源力使将正电荷从电源的负极移动到正极所做的功称为电动势。电动势的实际方向：由低电位端指向高电位端。电压电流的参考方向电压、电流的参考方向的表示电压、电流的参考方向：任意假定。电流的参考方向用箭头表示；电压的参考方向除用极性“+”、

9、“”外，还下标或箭头表示。当电压、电流参考方向与实际方向相同时，其数值为正；相反时，则其数值为负。I例如：图中若I = 3A，则表明电流的实际方向与参 考方向相同;反之，+E若 I = 3A，则表明电流的实际方向与参考方向相反 。在电路图中所标电压、电流、电动势的方向，一般均为参考方向。RR0电压电流的参考方向I例如：图中若UAB =5V，则表明电压的实际方向与参 考方向相同 ；反之，若UBA = 5V，则表明电压的实际方向与参考方向相反 。+AEURBA+R0B电压电流的参考方向关联参考方向：电压、电流的参考方向一致+uuii关联参考方向非关联参考方向在电路中通常选择为关联参考方向。电源与负

10、载的判别Ø 根据电压、电流的实际方向进行判别，若：U 和 I 的实际方向相反，则是电源，发出功率；U 和 I 的实际方向相同，是负载，取用功率。理解：P=UI<0,说明正电荷通过这段电路时,低电位向高电位移动,因此正电荷获得了能量,表明在这段电路中外力克服电场力做功,发出功率 (提供功率)P=UI>0,说明正电荷通过这段电路时,由高电位到低电位,即失去了电能, (或储存起来转化成其它形式的能量,吸收了电能(取用功率)I+E+U RLR0-电源与负载的判别Ø 根据电压、电流的参考方向判别若电压、电流的参考方向相同(关联参考方向）Ø P = UI 为负值，

11、是电源，提供功率；Ø P = UI 为正值，是负载，消耗功率。A理解：P=UI >0 ，即UI的实际方向与参考方向相同，都为正值或相反都为负值，但无论哪种 情况，电压电流的实际方向是相同的，这说明 正电荷通过该段电路时由高电位到低电位，失 去了电能，所以消耗电能，当P=UI <0 ，说明这段电路电压和电流的实际方向相反，正电荷 通过这段电路由低电位向高电位移动，获得电能I+ U-B若电压、电流的参考方向相反(非关联参考方向） P= UIN电源与负载的判别AI例已知：图中U=3V， I = 2AAB+ U-求：N的功率，并说明它是电源还是负载。B解P=UI = (2)

12、15;3= 6W因为此例中电压、电流的参考方向相同而P为负值，所以N发出功率,是电源。想，若据电压电流的实际方向应如何分析？N电源与负载的判别方框N的电压和电流的参考方向如图所示，（1)求当U=4V,I=2A时N的功率，并指出是吸收功率还是提供功率?(2)当U=5V,I=-3A时，再求N的功率。解:（1）电压电流为非关联参考方向，可由P=-UI=- 4×2=-8W<0所以N是电源，提供功率。例AI-U+B(2) P=-UI=- 5×(-3)=15W>0所以N是负载，吸收功率。N电源与负载的判别练习 ：方框代表电源或负载，U=220V，试问哪些方框是电源，哪些是负

13、载？I=-1AIIII+ U-+ U- U+- U+电源负载(d)(c)(a)(b)负载电源第1章电路的基本概念和分析方法1.11.21.31.41.51.61.71.81.9电路的基本概念理想电路元件基尔霍夫定律电路的一般分析方法叠加原理无源二端网络的等效变换(部分)电阻星形联与三角形联接的等效变换电源模型的等效变换 戴维宁定理和诺顿定理含受控源电路的分析 非线性电阻电路的分析电器设备的额定值(自学)ÐÐ 1.10Ð 1.111.12理想电路元件理想电路元件电容 C电感 L电阻 R理想电流源理想电压源理想无源元件理想电源元件1.2电路元件Lumped Param

14、eter集总参数是相对于分布参数提出的一个概念，在元件d<<工作波长Lamda或元件的分布参数在特定问题中可以忽略时，那么就可以用几个特定参数来表示该元件（Component）的特性。波长(l) = 光速(v)频率( f )例1 我国电力用电的频率是50Hz，则该频率对应的波长l = c / f= (3´108 / 50)km = 6000km可见，对以此为工作频率的设备来说，其远小于这一波长，因此它能满足集中化条件。而对于数量级为103km的远距离输电线来说，则不满足集中化条件，不能按集中参数电路处理。例2 对无线电的天线来说，如果所接收到信号频率为400MHz，则对应

15、的波长为l = c / f= 3´108 /(400 ´106 )m = 0.75m因此，即使天线的长度只有0.1m，也不能把天线视为集中参数元件。1.2电路元件之电阻凡是对电流有阻碍作用，并把电能转换为其它形式的能量的二端元件称为电阻。地iU /V+Ru_I /A0u = Rii = uG欧姆定律1G =为西门子（S）R电导线性电阻伏安特性1.2+IIIRRR或UUU+图A图B图C欧姆定律：通过电阻的电流与电压成正比。U 、I参考方向相同U、 I参考方向相反U= IR U = R表达式I图B中若I = 2A，R = 3W，则 U = (2)×3 = 6V电压与电

16、流参考方向相反电流的参考方向与实际方向相反1.2电路元件之电阻瞬时功率：p = ui = R·i 2= u2/ Ri+0 到 t 时间内电阻消耗的电能Ru_2ttòòui dt =R × i dt00上式表明电阻将全部电能消耗掉，转换成热能。R是耗能元件电路元件之电阻1.2电路元件之电感iNiN FL=+ui+u FeL+LF电路符号L称为电感或自感。线圈的匝数越多，其电感越大；线圈电流中产生的磁通越大，电感也越大。在图示u、i 、e 假定参考方向的前提下，当通过线圈的磁通或 i 发生变化时，线圈中产生感应电动势为N dFL d i e=dtdtL电感1

17、.2电路元件之电感电压电流关系i= L di+uu = -eLeL+dtL在直流稳态时，电感相当于短路。若用电感两端电压表示电流，则i = 1t 1L 1Lt 1Ltudt0òòòòudt =udt +udt = i(0) +L-¥-¥00有记忆！1.2电路元件之电感电压电流关系i+ueL+Lp = ui = Li di瞬时功率dtP > 0,P < 0,L把电能转换为磁场能，吸收功率。L把磁场能转换为电能，放出功率。储存的磁场能12tiòòw =pdt =Lidi =2Li00：焦耳（J）L是储能元件

18、u = L didt环形电感各种电感节能灯电感镇流器电路元件之电容电容元件的参数iquC =+uC1 pF = 10-12 F1mF = 10-6 F当通过电容的电荷量或电压 发生变化时，则在电容中引起电流。在直流稳态时，I = 0，电容隔直流。12tuòòw =uidt =Cudu =2储存的电场能Cu00：焦耳（J）C是储能元件i = dq = C du dtdt涤纶电容电解电容贴片电容陶瓷电容钽电容电路元件之电源1、理想电压源在电路中，能够提供一个定值电压的电源称为 理想电压源 或 恒压源。直流理想电压源及伏安特性曲线电路符号IaU/V+u+U=U+S_U _RLU_

19、SI/Ab特点：U=USI=US/RL电流由外电路决定两端电压为一定值USSO电路元件之电源1、理想电压源实际直流电源的电压源模型及伏安特性曲线aU/V+US_+IU= USURLR0_I/AUSOIS =bR0特点：当R0一定时，电压U随电流增加而降低。U = US R0 I电路元件之电源2、理想电流源在电路中，能够提供一个定值电流的电源称为理 想电流源或恒流源。直流理想电流源及伏安特性曲线电路符号IaU/V+iSISRU_LI/AOI = ISb特点：I = ISU= ISRL两端电压由外电路决定电流为一定值iS1.2电路元件之电源2、理想电流源直流电源的电流源模型及伏安特性曲线U/VIa

20、U0 = IS R0+ISRLU_R0I/AOISbI = IS U/R0第1章电路的基本概念和分析方法1.11.21.31.41.51.61.71.81.9电路的基本概念理想电路元件基尔霍夫定律电路的一般分析方法叠加原理无源二端网络的等效变换(部分)电阻星形联与三角形联接的等效变换电源模型的等效变换 戴维宁定理和诺顿定理含受控源电路的分析 非线性电阻电路的分析电器设备的额定值(自学)ÐÐ 1.10Ð 1.111.12基尔霍夫定律麦克斯韦方程组基尔霍夫定律集总参数原则三大约束第一约束: 选择集总元件边界,使在任何时刻,经过元件外的任意闭合路径有¶fB=

21、0¶tÑò E · dl = - ¶fB法拉第电磁感应定律¶tE为电场强度fB是通过路径所包围的面积的磁通量基尔霍夫定律集总事务原则三大约束第二约束: 选择集总元件边界,使得¶q= 0¶tÑò J · dS = - ¶q连续性方程¶tJ为电流密度（矢量）q是闭合面中的总电荷量基尔霍夫定律集总事务原则三大约束第三约束: 集总元件工作在其中的信号的时间尺度比电磁波在其两端造成的多。延时大得基尔霍夫定律名词术语支路电路中的每一分支如 acbabadbR1R2cad结点电路

22、中三条或三条以上支路联接的点如 a、b由一条或多条支路组成的闭合路径+US_ISR3回路babcaadbaadbcaadba如未被其它支路分割的单孔，如 abca网孔基尔霍夫电流定律KCLKirchhoffs Electric Current Law基尔霍夫电流定律是用来确定联接在同一结点上的各支路电流之间的关系。根据电流连 续性原理（集中参数原则之约束2），电荷在任何一点均不能堆积（包括结点）。故有在任一瞬间，流向某一结点电流的代数和等于零。数学表达式为å i = 0å I = 0（对任意波形的电流）（在直流电路中）基尔霍夫电流定律KCL若以流入结点的电流为负，流出结点的

23、电流为正，则根据KCL，结点 a 可以写出I1I4aI2I I + I+ I = 0I31234例解上图中若I1= 9A， I2= 2A，I4= 8A，求 I3 。把已知数据代入结点 a 的KCL方程式，有92）+ I3 + 8 = 0（电流 所致。I3= 19AI3电流为负值，是由于参考方向与实际方向相反基尔霍夫电流定律KCL对A、B、C三个结点KCL 的推广应用应用KCL可列出：IA = IAB ICAIB = IBC IABIAAICAIABI= I IIBCCABC上列三式相加，便得IA + IB + IC = 0CBIBCICå I= 0即可见，在任一瞬间通过任一封闭面的电

24、流的代数和也恒等于零。基尔霍夫电压定律KVLKirchhoffs Electric Voltage Law基尔霍夫电压定律用来确定回路中各段电压之间的关系。由于电路中任意一点的瞬时电位具有单值性，故有在任一时刻，沿闭合回路绕行一周，各部分电压的代数和等于零。（集中参数原则之约束1）或 å E = å U = å RI即 å U = 0基尔霍夫电压定律KVLI2I1左图中，各电压参考方向均已标出，沿虚线所示循行方向，列出回路 cbdac KVL方程式。根据电压参考方向, 回路 cbdac KVL方程式, 为U1 U2 + U4 U3 = 0R2R1acd_

25、 _U + U34+_+E1_ U1U2E2b即 å U = 0上式也可改写为U4 U3 = E2 E1å U = å EI2 R2 I1R1å IR = å E即或即= E2 E1基尔霍夫电压定律KVLKVL推广应用于假想的闭合回路A+UA_+E_RIUABU_UB+CB根据å U = 0UA- UB- UAB = 0UAB = UA- UB根据KVL可列出E- IR- U = 0U = E- IR或例若图中U 1= 2V，U2= 8V，U3= 5V，U5 = 3V，R4 = 2W，求电阻 R4 两端的电压及流过它的电流。解 设电阻R4两端电压的极性及流过它的电流 I的参考方向如图示。沿顺时针方向列写回路的KVL方程式，有U1 + U2 U3 U4 + U5 = 0代入数据，有(2) + 8 5 U4 + (3) = 0U4 = 2 VU2+bcU1 +U3+daIUR45U4+U = IR44e关联参考方向I = 1A注意：列写KVL方程时会遇到两套符号：一是方程前面的正负号，规定各元件电压的正方向与所选回路绕行方向一致取正号，反之取负号，另一个是电压本身的正负号，由电压的参考方向与实际方向是否相同决定的，一致为正号，反之