《电路原理》课件邱关源

1、电路教学课件主讲：徐 霞联系地址：重庆理工大学 电子信息与自动化学院邮政编码：400050电子信箱：联系电话第一章 电路模型和电路定律1.6 电压源和电流源 1.7 受控电源1.8 基尔霍夫定律1.1 电路和电路模型1.2 电流和电压的参考方向1.3 电功率和能量1.4 电路元件1.5 电阻元件 重点：1. 电压、电流的参考方向2. 电阻、电源元件特性3. 基尔霍夫定律1.1 电路和电路模型（model)1、概念： 电路-是电流的通路，是为了某种需要由某些电工设备 或 元件（电气器件）按一定的方式组合起来的。电路主要由电源、负载、连接导线及开关等构成。电源(sourc

2、e)：提供能量或信号.由于电路中的电压和电流是在电源的作用下产生的，所以又称激励。负载(load)：将电能转化为其它形式的能量，或对 信号进行处理.响应：由激励在电路中产生的电压、电流。导线(line)、开关（switch)等：将电源与负载接成通路.2、作用： 1. 实现电能的传输、分配与转换 电池灯泡2.实现信号的传递与处理放大器扬声器话筒4、电路模型：R+RoE-手电筒的电路模型灯泡开关电池导线S 为了便于用数学方法分析电路,一般要将实际电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。5、几种基本的电路元件电阻元件：表示消耗

3、电能的元件电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件理想电路元件：有某种确定的电磁性能的理想元件（1）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；（2） 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例1.2 电流和电压的参考方向 物理中对电量规定的方向。物理量单 位实 际方 向电流IA、mA、A正电荷运动的方向电动势 EV、kV、mV、V电位升高的方向(低电位 高电位) 电压U、V、kV、mVV电位降低的方向 (高电位 低电位)1、实际方向：电流单位时间内通过导体横

4、截面的电荷量电压U单位正电荷q 从电路中一点移至另一点时电场力做功（W）的大小为什么要设电流参考方向？ 简单电路 R2 USI2 U6IS R1 I1 R4 I4 R3 I3 I5 电流的实际方向可知各电流的实际方向未知复杂电路a+UUabIbE+2. 电流参考方向i 参考方向大小方向(正负）电流(代数量)任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。ABi 参考方向i 参考方向i 0i 0 吸收正功率 (实际吸收)P吸0 发出正功率 (实际发出)P发0 发出负功率 (实际吸收) u, i 取非关联参考方向+-iu+-iu例564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1求图示电路中各方框

5、所代表的元件消耗或产生的功率。已知： U1=1V, U2= -3V,U3=8V, U4= -4V,U5=7V, U6= -3VI1=2A, I2=1A, I3= -1A 解注对一完整的电路，发出的功率吸收的功率1.4 电路元件集总元件假定： 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，两个端子之间的电压为单值量。 端子数目可分为二端、三端、四端元件等。电路元件是电路中最基本的组成单元。 每种元件通过端子的两种物理量反映一种确定的电磁性质。端子特性（元件特性）：元件的两个端子的物理量之间的代数函数关系。 电阻元件特性：电容元件特性：电感元件特性：1.5 电阻元件电阻是一

6、种将电能不可逆地转化为其它形式能量（如热能、机械能、光能等）的元件。1. 符号R2. 欧姆定律 (Ohms Law)(1) 电压与电流的参考方向设定为一致的方向Riu+u R iR 称为电阻，电阻的单位： (欧) (Ohm，欧姆) 伏安特性曲线: R tg 线性电阻R是一个与电压和电流无关的常数。令 G 1/RG称为电导则 欧姆定律表示为 i G u .电导的单位： S (西) (Siemens，西门子)uiO电阻元件的伏安特性为一条过原点的直线(2) 电阻的电压和电流的参考方向相反Riu+则欧姆定律写为u Ri 或 i Gu注意： 公式必须和参考方向配套使用！3. 功率和能量Riu+Rip吸

7、 ui (Ri)i i2 R u(u/ R) u2/ Rp吸 ui i2R u2 / R功率：u+任何时刻,电阻元件绝不可能发出电能，它只能消耗电能。因此电阻又称为“无源元件”和“耗能元件”。Riu+4、 开路与短路对于一电阻R当R=0，视其为短路。 i为有限值时，u=0。当R=，视其为开路。 u为有限值时，i=0。* 理想导线的电阻值为零。能量：可用功表示。从 t 到t0电阻消耗的能量：负电阻: (negative resistance)，在u、i 取关联参考方向时，负电阻的电压、电流关系位于、象限，即R0，G0 。负电阻将输出电功率（电功率小于零），对外提供电能。所以负电阻是一种有源元件(

8、active element)。 非线性电阻：电压、电流关系不是过 ui 平面原点的直线，称为非线性电阻(nonlinear resistance)。 5.其他电阻元件1.6 电压源和电流源1、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。(2) 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(1)电路符号uS+_i(3). 伏安特性US(a) 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。 (b) 若uS

9、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。uS+_iu+_uiO(4). 理想电压源的开路与短路uS+_iu+_R(a) 开路：R，i=0，u=uS。(b) 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。US+_iu+_RUsuiOu=USRi实际电压源(5). 功率：或p吸=uSi p发= uSi ( i, uS关联 )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 uS i (i , us非

10、关联）物理意义：uS+_iu+_uS+_iu+_2、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。(2). 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(1).电路符号iS+_u(3). 伏安特性IS(a) 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。 (b) 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uiOiSiu+_(4). 理想电流源的短路与

11、开路R(b) 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。(a) 短路：R=0， i= iS ，u=0 ，电流源被短路。iSiu+_(5). 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。isuiO 实际电流源考虑内阻伏安特性一个好的电流源要求u+_i(6). 功率p发= u is p吸= uisp吸= uis p发= uisiSu+_iSu+_u , iS 关联 u , iS 非关联 例计算图示电路各元件的功率。解满足：P（发）P（吸

12、）+_u+_2A5Vi1.7 受控电源 (非独立源)(controlled source or dependent source)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. 电路符号+受控电压源受控电流源(a) 电流控制的电流源 ( Current Controlled Current Source ) : 电流放大倍数r : 转移电阻 i2=b i1 u2=ri1CCCSb i1+_u2i2+_u1i13. 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，

13、用受控电流源表示。(b) 电流控制的电压源 ( Current Controlled Voltage Source )+_u1i1+_u2i2CCVS+_+_u1i1r i1+_u2i2CCVS+_g: 转移电导 :电压放大倍数i2=gu1u2= u1VCCSgu1+_u2i2+_u1i1(c) 电压控制的电流源 ( Voltage Controlled Current Source )+_u1i1 u1+_u2i2VCVS+_(d) 电压控制的电压源 ( Voltage Controlled Voltage Source )特点：1、是电源，它满足电路的基本定律。 2、它不是独立电源，大小和

14、方向受其它电压、电流的控制。当控制量发生变化 时（大小、方向），受控源的大小和方向也要发生改变。4. 受控源与独立源的比较(a) 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。(b) 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”。例解5i1+_u2_u1=6Vi1+-3求：电压u2。1.8 基尔霍夫定律 ( Kirchhoffs Laws )基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律(Kirchhoffs Current LawKCL )和基尔霍夫电压定律(Kirchhoffs

15、Voltage LawKVL )。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。基尔霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。1 、 几个名词：(定义)(1). 支路 (branch)：电路中通过同一电流的每个分支。 (b)(2). 节点 (node): 三条或三条以上支路的连接点称为节点。( n )(3). 回路(loop)：由支路组成的闭合路径。( l )b=3(4). 网孔(mesh)：对平面电路，中间是空心的回路。网孔是回路，但回路不一定是网孔。123ab+_R1uS1+_uS2R2R3l=3n=2123例：支路：ab、bc、ca （共6条）回路：abd、ab

16、cd （共7 个）结点：a、 b、c、d (共4个）bI6E5E6_+R6R3+R5R4R1R2acdI1I2I4I3I5-网孔：abd、bcd （共3 个）2、基尔霍夫电流定律 (KCL)：在任何集总参数电路中，在任一时刻，流出(流入)任一节点的各支路电流的代数和为零。 即物理基础:电荷守恒，电流连续性。i4i2i1i3令流出为“+”(支路电流背离节点)i1+i2i3+i4=0i1+i3=i2+i47A4Ai110A-12Ai2i1+i210(12)=0 i2=1A 例: 47i1= 0 i1= 3A (1) 电流实际方向和参考方向之间关系；(2) 流入 、流出节点。KCL可推广到一个封闭面

17、：两种符号:？广义结点I =?I = 0_RE2E3E1+_RR1R+_+I例:首先考虑（选定一个)绕行方向:顺时针或逆时针.R1I1US1+R2I2R3I3+R4I4+US4=0R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4例:顺时针方向绕行:3、基尔霍夫电压定律 (KVL)：在任何集总参数电路中，在任一时刻，沿任一闭合路径( 按固定绕向 )， 各支路电压的代数和为零。 即I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_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。元件电压方向与路径绕行方向一致时取正号，相反取负号。ABl1l2UAB (沿l1)=UAB

18、(沿l2）电位的单值性I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4AB1列方程前标注回路循行方向 E2 =UBE + I2R2 UBE = E2 I2R2E1+B+-R1+-E2R2EUBEI2_2. 开口电压可按回路处理 注意：例：I3E4E3_+R3R6+R4R5R1R2abcdI1I2I5I6I4-回路1： I1R1+I2R2+I3R3-E3 =0 回路2： I4R4+I1R1-I6R6=E4回路3： I2R2+I5R5+I6R6=0KCL、KVL小结：(1) KCL是对支路电流的线性约束，KVL是对支路电压的线性约束。(2) KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。(3) 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)。(4) KCL、KVL只适用于集总参数的电路。图示电路：求U和I。1A3A2A3V2V3UI例 1U1解：3+1-2+I=0，I= -2（A）U1=3I= -6（V）U+U1+3-2=0，U=5（V）例210V55i1i2ii2