CDIO电路课件 第1章

1、电路原理教材：电路(第五版) 邱关源 高等教育出版社定位：定位：专业基础课专业基础课目标：目标：通过本课程的学习，掌握电路的基本通过本课程的学习，掌握电路的基本理论知识、电路的基本分析方法和初步的理论知识、电路的基本分析方法和初步的实验技能，为进一步学习后续的专业课打实验技能，为进一步学习后续的专业课打下良好的基础。下良好的基础。本章目标本章目标知识知识： 概念理解：电路、电路模型；电流、电压和概念理解：电路、电路模型；电流、电压和电功率。电功率。掌握基本电路元件的电路符号和特性。掌握基本电路元件的电路符号和特性。掌握集总电路的基本定律（掌握集总电路的基本定律（KCL和和KVL）。）。掌握利用

2、电路两类约束列写电路方程并求解。掌握利用电路两类约束列写电路方程并求解。第一章第一章 电路模型和电路定律电路模型和电路定律本章目标本章目标能力能力：简单的实际电路建立其电路模型简单的实际电路建立其电路模型求解简单电路，并解释电路现象求解简单电路，并解释电路现象利用基本电工仪表测量实际电路。利用基本电工仪表测量实际电路。引例引例：高压一定危险吗高压一定危险吗 ？用电安全标志用电安全标志电系统：按功能可以分为电力系统和信号处理系统。电系统：按功能可以分为电力系统和信号处理系统。电力系统：电力系统：实现电能传送、转换等。实现电能传送、转换等。信号处理系统：信号处理系统：实现电信号产生、加工、传输、变

3、换等。实现电信号产生、加工、传输、变换等。电系统设计的概念模型电系统设计的概念模型1-1 1-1 电路和电路模型电路和电路模型 电路是电流的通路。实际电路是由电气器件相互电路是电流的通路。实际电路是由电气器件相互联接而构成的。由电源、负载和中间环节组成。联接而构成的。由电源、负载和中间环节组成。一、电路一、电路二、电路的作用二、电路的作用发电机发电机升压升压变压器变压器降压降压变压器变压器电灯电灯电动机电动机电炉电炉.输电线输电线放大器放大器扬声器扬声器话筒话筒(2)(2)传递和处理信号传递和处理信号电源电源: 提供提供电能的装置电能的装置负载负载: 取用取用电能的装置电能的装置中间环节：传递

4、、分中间环节：传递、分配和控制电能的作用配和控制电能的作用发电机发电机升压升压变压器变压器降压降压变压器变压器电灯电灯电动机电动机电炉电炉.输电线输电线直流电源直流电源: 提供能源提供能源负载负载信号源信号源: 提供信息提供信息放放大大器器扬声器扬声器话筒话筒 电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路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。工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。信号处理：信号处理：放大、调谐、检波等放大、调谐、检波等1、激励：、激励：电源或信号源的电压或电流。电源或信号源的电压或电流。2、响应：、响应：由于激励在电路各部分产生的

5、电压和电流。由于激励在电路各部分产生的电压和电流。3、电路分析：、电路分析： 在已知电路结构和元件参数的条件下，讨在已知电路结构和元件参数的条件下，讨论电路的激励与响应之间的关系。论电路的激励与响应之间的关系。三、电路分析三、电路分析1、实际元件、实际元件:组成实际电路的元件。组成实际电路的元件。2、理想元件、理想元件:将实际元件理想化，即在一定条件下突出将实际元件理想化，即在一定条件下突出其主要的电磁性质，忽略其次要因素。其主要的电磁性质，忽略其次要因素。理想理想元件元件电阻电阻 R电压源电压源3、电路模型、电路模型: 理想电路元件组成的电路。理想电路元件组成的电路。四、电路模型四、电路模型

6、电感电感 L电容电容 C电流源电流源构成实际电路的电器件构成实际电路的电器件 电源电源 电阻器电阻器蓄电池蓄电池交流稳压电源交流稳压电源电容器电容器 电感线圈电感线圈铁心电抗器变压器变压器 晶体管和集成电路晶体管和集成电路电路图电路图sRLRsU 电池电池是电源元件，其参数是电源元件，其参数为电动势为电动势 E 和内阻和内阻Ro； 灯泡灯泡主要具有消耗电能的主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数性质，是电阻元件，其参数为电阻为电阻R； 筒体筒体用来连接电池和灯泡，用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。阻的理想导体。 开关开关用来控制电路的通断

7、。用来控制电路的通断。+R0R开关开关EI电珠电珠+U干电池干电池 导线导线例例注注l 具有相同的主要电磁性能的实际电路部件具有相同的主要电磁性能的实际电路部件， 在一定条件下可用同一模型表示；在一定条件下可用同一模型表示；l 同一实际电路部件在不同的应用条件下，同一实际电路部件在不同的应用条件下，其模型可以有不同的形式其模型可以有不同的形式1-2 1-2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向一、问题的引入一、问题的引入5310V9V考虑电路中每个电阻的电流方向考虑电路中每个电阻的电流方向电流方向？电流方向？物理量物理量实实 际际 方方 向向电流电流 I正电荷运动的方向正电荷运动的方向电动

8、势电动势E ( (电位升高的方向电位升高的方向) ) 电压电压 U( (电位降低的方向电位降低的方向) )高电位高电位 低电位低电位 单单 位位kA 、A、mA、A低电位低电位 高电位高电位kV 、V、mV、VkV 、V、mV、V电流：电流：Uab 双下标双下标电压：电压：I 在分析与计算电路时，对在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。电量任意假定的方向。Iab 双下标双下标箭箭 标标abRI正负极性正负极性+abU U+_+R0E3V注意：注意： 在参考方向选定后在参考方向选定后,电流电流(或电压或电压)值才有正负之分。值才有正负之分。 任意任意指定一个方向作为电流的方向。指定一个方向作

9、为电流的方向。把电流看成代数量把电流看成代数量: :若电流的参考方向与它的实际方向若电流的参考方向与它的实际方向一致一致，则电，则电流为流为正值正值； 若电流的参考方向与它的实际方向若电流的参考方向与它的实际方向相反相反，则电，则电流为流为负值负值。2 2、参考方向：、参考方向：1 1、实际方向：、实际方向：正电荷运动的方向。正电荷运动的方向。二、电流二、电流i 参考方向参考方向i 参考方向参考方向i 0i 0参考方向参考方向U+实际方向实际方向+实际方向实际方向参考方向参考方向U+ 0 吸收正功率吸收正功率 (实际吸收实际吸收)P0 发出正功率发出正功率 (实际发出实际发出)P0 发出负功率

10、发出负功率 (实际吸收实际吸收)l u, i 取非取非关联参考方向关联参考方向+-iu+-iu二二. .判断元件是吸收功率还是发出功率判断元件是吸收功率还是发出功率例例解解（发发出出）WIUP221111 （发出）（发出）WIUP62)3(122 （消耗）（消耗）WIUP1628133 （消耗）（消耗）WIUP3)1()3(366 （发出）（发出）WIUP7)1(7355 （发发出出）WIUP41)4(244 注注对一完整的电路，发出的功率消耗的功率对一完整的电路，发出的功率消耗的功率+U3564123I2I3I1+U6U5U4U2U1求图示电路中各方框所代表的元求图示电路中各方框所代表的元件

11、消耗或产生的功率。已知：件消耗或产生的功率。已知： U1=1V, I1=2A， U2= -3V, I2=1A, U3=8V, I3= -1A U4= -4V, U5=7V, U6= -3V1-4 1-4 电路元件电路元件 (circuit elements) 一、集总电路一、集总电路1、集总元件、集总元件集总元件：集总元件：在任何时刻，流入二端元件的一个端子的在任何时刻，流入二端元件的一个端子的电流一定等于从另一端子流出的电流，两个端子之间电流一定等于从另一端子流出的电流，两个端子之间的电压为单值量。的电压为单值量。 当构成电路的器件以及电路本身的尺寸远小于电路当构成电路的器件以及电路本身的尺

12、寸远小于电路工作时的电磁波的波长，或者说电磁波通过电路的时工作时的电磁波的波长，或者说电磁波通过电路的时间可认为是瞬时的，这种理想电路元件称为间可认为是瞬时的，这种理想电路元件称为集总元件集总元件或集总参数元件。或集总参数元件。集总条件集总条件ld由集总元件构成的电路称为集总电路。由集总元件构成的电路称为集总电路。 例如日光灯，例如日光灯，50Hz工频情况下，电磁波长为工频情况下，电磁波长为6000公里，公里，日光灯电路为集总电路，日光灯电路为集总电路， 同样的波长对于远距离传输线来说，就是非集总电路。同样的波长对于远距离传输线来说，就是非集总电路。 再再例如收音机，收听北京音乐台例如收音机，

13、收听北京音乐台FM97.4MHz，取近，取近似值似值100MHz，电磁波波长，电磁波波长=?C = f=3米米 电路为非集总路。电路为非集总路。2 2、集总电路、集总电路注注集总参数电路中集总参数电路中u、i 可以是时间的函数，可以是时间的函数，但与空间坐标无关。但与空间坐标无关。二、电路元件的分类二、电路元件的分类1、按与外部连接的端子数目、按与外部连接的端子数目 二端元件、三端元件、四端元件二端元件、三端元件、四端元件2、从是否源分、从是否源分有源元件、无源元件有源元件、无源元件3、从性质关系、从性质关系线性元件、非线性元件线性元件、非线性元件4、和时间关系、和时间关系时变元件、时变元件、

14、时不变元件时不变元件1-5 1-5 电阻元件电阻元件 (resistor) 流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。根据欧姆定律，电阻两端的电压和电流之间的关系可写成：根据欧姆定律，电阻两端的电压和电流之间的关系可写成：u=iR在电压和电流的关联方向下在电压和电流的关联方向下u=iR在电压和电流非关联方向下在电压和电流非关联方向下u= - iRRi+_uRi+_u一、欧姆定律一、欧姆定律实际电阻的类型：实际电阻的类型：碳膜电阻碳膜电阻 贴片电阻贴片电阻 水泥电阻水泥电阻 压敏电阻压敏电阻 热敏电阻热敏电阻 滑线电阻滑线电阻 电位器电位器1、定义、定义G=1/

15、R2、单位、单位S（西门子），电阻的单位为（西门子），电阻的单位为(欧姆欧姆)，计量高电阻时，则以计量高电阻时，则以k 和和M 为单位。为单位。Oui二、电导二、电导以电压和电流为坐以电压和电流为坐标，画出电压和电流的关标，画出电压和电流的关系曲线。系曲线。三、电阻元件的伏安特性三、电阻元件的伏安特性四四. . 功率和能量功率和能量上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。p u i (R i) i -i2 R u(u/ R) -u2/ Rp u i i2R u2 / R功率：功率：Rui+-Rui+-可用功表示。从可用功表示。从 t 到到t0

16、电阻消耗的能量：电阻消耗的能量： ttttRuipW00ddRiu+五五. . 电阻的短路与开路电阻的短路与开路能量：能量：l 短路短路0 0ui G or R0l 开路开路00 ui 0 G or Rui1-6 1-6 电压源和电流源电压源和电流源 (independent source)1、特点：（、特点：（1）电压）电压u(t)的函数是的函数是固定固定的，不会因它所联接的的，不会因它所联接的 外电路的不同而改变。外电路的不同而改变。 （2）电流则随与它联接的外电路的不同而不同。）电流则随与它联接的外电路的不同而不同。2、图形符号：、图形符号：+-SuSU只用来表示直流只用来表示直流0t)

17、(tust)(tus0既可以表示直流既可以表示直流也可以表示交流也可以表示交流t)(tus0SU一、理想电压源一、理想电压源Ri-+Su外电外电路路RuiS )( Ri0)( 0 Ri电压源不能短路！电压源不能短路！空载空载3 3、电压源的不同状态、电压源的不同状态电场力做功电场力做功 ， 电源吸收功率。电源吸收功率。（1） 电压、电流的参考方向电压、电流的参考方向非关联非关联；物理意义：物理意义：+_iu+_Su+_iu+_SuiuPS iuPS 发出功率，起电源作用发出功率，起电源作用（2） 电压、电流的参考方向电压、电流的参考方向关联关联； iuPS 吸收功率，充当负载吸收功率，充当负载

18、4. 4. 功率功率电流（正电荷电流（正电荷 ）由低电位向）由低电位向 高电位移动，外力克服电场高电位移动，外力克服电场力作功电源发出功率。力作功电源发出功率。物理意义：物理意义：例例 5R+_i+_Ru+_10V5V计算图示电路各元件的功率。计算图示电路各元件的功率。解解VuR5510 )(ARuiR155 WRiPR5152 WiuPSV1011010 WiuPSV5155发出发出吸收吸收吸收吸收满足满足：P（发）（发）P（吸）（吸）1、特点、特点（1）电流）电流 i(t) 的函数是的函数是固定固定的，不会因它所联接的的，不会因它所联接的外电路的不同而改变；外电路的不同而改变；（2）电压则

19、随与它所联接的外电路的不同而不同电压则随与它所联接的外电路的不同而不同。2、图形符号、图形符号si二、理想电流源二、理想电流源直流：直流：ssIit)(tisO)(tIs外外电电路路)( 00 Ru)( Ru电流源不能开路！电流源不能开路！Ru-+Si实际电流源的产生实际电流源的产生可由稳流电子设备产生，如晶体管的集电极电流与负载无可由稳流电子设备产生，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。电流等。SRiu 3、电流源的不同状态、电流源的不同状态短路短路（1） 电压、电流的参考方向电压、电流的参考

20、方向非关联非关联；SuiP 发出功率，起电源作用发出功率，起电源作用（2） 电压、电流的参考方向电压、电流的参考方向关联关联；吸收功率，充当负载吸收功率，充当负载u+_SiSuiP SuiP u+_Si4. 4. 功率功率例例1计算图示电路各元件的功率。计算图示电路各元件的功率。解解:AiiS2 Vu5 WiuPV10)2(55 吸收吸收满足满足：P（发）（发）P（吸）（吸）+_u+_2A5ViisWuiPSA10522 发出发出计算图中电源、电阻及支路的功率，并说明是吸收功率计算图中电源、电阻及支路的功率，并说明是吸收功率还是产生功率？还是产生功率？ IR+10 = 20 得得 I =1A

21、则则吸吸收收功功率率 W10 1012 PR10V+_20VI 10( a )解：解：吸吸收收 W10 11010 PV吸收吸收支路支路 W20120 P例例2 (-10)+10I =20 得得 I=3A 则则:吸吸收收功功率率W9010322 RIPR( b )20V+_I10V 10_解解：产生功率产生功率W30310V10 P吸收功率吸收功率支路支路W60320 P1-7 1-7 受控电源受控电源 (controlled source or dependent source)一、电源的分类一、电源的分类电源电源独立电源独立电源受控源受控源电压源的电压和电流源的电压源的电压和电流源的电流电

22、流, ,不受外电路的影响。不受外电路的影响。作为电源或输入信号时，作为电源或输入信号时，在电路中起在电路中起“激励激励”作用。作用。 受控电压源的电压和受控电压源的电压和受控电流源的电流不是受控电流源的电流不是给定的时间函数，而是给定的时间函数，而是受电路中某部分的电流受电路中某部分的电流或电压控制的。或电压控制的。又称为非独立电源。又称为非独立电源。l 电路符号电路符号+受控电压源受控电压源受控电流源受控电流源(1) 电流控制的电流源电流控制的电流源 ( CCCS ) : : 电流放大倍数电流放大倍数四端元件四端元件 i1+_u2i2_u1i1+12 ii 输出：受控部分输出：受控部分输入：

23、控制部分输入：控制部分二、受控源的类型二、受控源的类型g : 转移电导转移电导 (2) 电压控制的电流源电压控制的电流源 ( VCCS )u1gu u1 1+_u2i2_i1+12gui (3) 电压控制的电压源电压控制的电压源 ( VCVS ) u1+_u2i2_u1i1+-12uu : 电压放大倍数电压放大倍数 ri1+_u2i2_u1i1+-(4) 电流控制的电压源电流控制的电压源 ( CCVS )12riu r : 转移电阻转移电阻 例例:bcii bi bi ci电电路路模模型型bici三三. . 受控源与独立源的比较受控源与独立源的比较(1) 独立源电压独立源电压(或电流或电流)由

24、电源本身决定，与电路中由电源本身决定，与电路中其它电压、电流无关，而受控源电压其它电压、电流无关，而受控源电压(或电流或电流)由由控制量决定。控制量决定。(2) 独立源在电路中起独立源在电路中起“激励激励”作用，在电路中产作用，在电路中产生电压、电流，而受控源只是反映输出端与输入生电压、电流，而受控源只是反映输出端与输入端的受控关系。端的受控关系。例例:求：电压求：电压u2。解解:5i1+_u2_u1=6Vi1+-3 Ai2361 Viu46106512 1-8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律( Kirchhoffs Laws ) 用来描述电路中各部分电压或各部分电用来描述电路中各部分电压或各部分电

25、流间的关系，其中包括流间的关系，其中包括基尔霍夫电流基尔霍夫电流和和基基尔霍夫电压尔霍夫电压两个定律。两个定律。一一. . 几个名词几个名词电路中通过同一电流的分支。电路中通过同一电流的分支。( (b b) )三条或三条以上支路的连接点称三条或三条以上支路的连接点称为结点。为结点。( n )b=3an=2b+_R1uS1+_uS2R2R3（1）支路）支路 (branch)电路中每一个两端元件就叫一条支路电路中每一个两端元件就叫一条支路i3i2i1(2) 结点结点 (node)b=5由支路组成的闭合路径。由支路组成的闭合路径。( ( l ) )两结点间的一条通路。由支路构成。两结点间的一条通路。

26、由支路构成。对对平面电路平面电路，其内部不含任何支路的回路称网孔。，其内部不含任何支路的回路称网孔。l=3+_R1uS1+_uS2R2R3123(3) 路径路径(path)(4) 回路回路(loop)(5) 网孔网孔mesh)网孔是回路，但回路不一定是网孔网孔是回路，但回路不一定是网孔二二. . 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律 ( (KCL) )令流出为令流出为“+”+”，有：，有：例例: mkti10)( 出出入入iior 流进的电流进的电流等于流流等于流出的电流出的电流1i5i4i3i2i054321 iiiii54321iiiii 在在集总电路中集总电路中, ,任何时刻，对任一结点，所

27、有与之相连支路任何时刻，对任一结点，所有与之相连支路电流的代数和恒等于零。电流的代数和恒等于零。or : :1 3 25i6i4i1i3i2i0641iii例例:0542iii0653 iii三式相加得：三式相加得：0321 iii表明表明KCLKCL可推广应用于电路中可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面包围多个结点的任一闭合面明确明确（1） KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任 意结点处的反映；意结点处的反映；（2） KCL是对支路电流加的约束，与支路上接的是是对支路电流加的约束，与支路上接的是 什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；什么元

28、件无关，与电路是线性还是非线性无关；（3）KCL方程是按电流参考方向列写，与电流实际方程是按电流参考方向列写，与电流实际 方向无关。方向无关。（2 2）选定回路绕行方向，）选定回路绕行方向， 顺时针或逆时针顺时针或逆时针. .三三. . 基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律 ( (KVL) ) 在在集总电路中，任一时刻，集总电路中，任一时刻，沿任一闭合路径绕沿任一闭合路径绕行，所有支路电压的代数和等于零行，所有支路电压的代数和等于零。 mktu10)( 升升降降uuor （1 1）标定各元件电压参考方向）标定各元件电压参考方向 凡支路电压的参考方向与回路的绕行方向凡支路电压的参考方向与回路的绕行方

29、向一致一致者，该电压前面取者，该电压前面取“+ +”号；支路电压的参考方向与号；支路电压的参考方向与回路的绕行方向回路的绕行方向相反相反者，该电压前面取者，该电压前面取“- -”号。号。U1US1+U2+U3+U4+US4= 0I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4例例1:U1+U2+U3+U4= US1-US4例例2KVL也适用于电路中任一假想的回路也适用于电路中任一假想的回路aUsb_-+U2U1SabUUUU 21明确明确（1） KVL的实质反映了电路遵的实质反

30、映了电路遵 从能量守恒定律从能量守恒定律;（2） KVL是对回路电压加的约束，与是对回路电压加的约束，与回路各支路上接的是什么元件无关，与回路各支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；电路是线性还是非线性无关；（3）KVL方程是按电压参考方向列写，与电压实际方程是按电压参考方向列写，与电压实际 方向无关。方向无关。四四. . KCL、KVL小结：小结：(1) (1) KCL是对支路电流的线性约束，是对支路电流的线性约束，KVL是对是对回回路电路电压的线性约束。压的线性约束。(2) (2) KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。与组成支路的元件性质及参数无关。(3)(3)

31、KCL表明在每一结点上电荷是守恒的；表明在每一结点上电荷是守恒的；KVL是是能能量守恒量守恒的具体体现的具体体现( (电压与路径无关电压与路径无关) )。(4) (4) KCL、KVL只适用于集总参数的电路。只适用于集总参数的电路。Ai523 )(A3A2 ? i 3 3 5 1 41.Vu1552010 V5 ? u V10 V202.练习题：练习题：+-4V5Vi =?3.3.Aii3543 Vu1275 3 +-4V5V1A+-u =?4.4.3 43u5 1010101 I解解AI21 AII31211 10V+-1A-10VI =?10 5.解解AI7310 024 IUVIU1041442 I14V+-10AU =?2 6.+-3AI10V+-3I2U=?I =05 5 -+2I2 I25 +-解：解：AI155102 VIIIIU2225532222 7.解：解：1111UUI 8. I1I2 3V+-1V10 2 +-1 +-U1=？I3 1 12 201212 UI2112 UI031013 UI10313 UI321III VU5 . 01 9. 下图电路中，求下图电路中，求（1）K打开时，打开时， Uab 、 Ubc 、I=？（2）K合