电工与电子技术电子商务电子课件chapter1-电路模型和电路定律ppt

1、电子课件chapter1-电路模型和电路定律第一章 电路的基本概念与定律1.1 实际电路与电路模型1.1 实际电路与电路模型功能a 能量的传输、分配与转换；b 信息的传递与处理。实际电路 Circuit若干个电气设备或电子器件，按照一定的方式相互连接起来所形成的电流的通路，就是实际电路。1.1 实际电路与电路模型2. 电路的组成 电源能够提供电能和电信号的装置。如：电池、发电机、信号源等。负载连接电源和负载并对电路的工作状态进行控制的装置。如：传输线、开关、变压器、继电器等中间环节吸收电能或电信号的装置。如：电灯、电动机等。1.1 实际电路与电路模型由理想电路元件组合构成的反映实际电路部件主要

2、电磁性质的系统，是分析实际电路的近似模型。理想电路元件具有某种确定的电磁性质并能用数学精确定义的理想化元件3. 电 路 模 型 Circuit Model实际器件：有大小、尺寸，具有多种电磁现象理想电路元件电磁性质电阻元件消耗电能电容元件储存电场能量电感元件储存磁场能量独立电源将其它形式的能量转变成电能受控源电路变量间的耦合关系1.1 实际电路与电路模型导线电池开关灯泡电路模型电池导线灯泡开关+_实际电路抽象例注意 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Rs1.1 实际电路与电路模型 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 不考虑空间大小的电路模

3、型集中元件(lumped parameter element)假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行集中条件1.1 实际电路与电路模型4. 集中参数假设 Lumped Parameter Hypothesis集中参数电路当电路的几何尺寸远远小于电路中信号的波长时，电路周围的辐射效应很小，可以忽略不记，这时电流的能量完全分布在金属导线和电路元件内，这样的电路称为集中参数电路。这种电路往往可以用简化的电路模型来描述。分布参数电路当电路的几何尺寸与电路中信号的波长相当时，电磁波的辐射效应明显，电路各处的电流都不一样，电流的能量在空间分布，这样的电路称为分布参数电路。抓主要矛盾1.1 实际电路与电路模

4、型4. 集中参数假设Lumped parameter Assumption例我国工业用电的频率为50Hz，请分析实验室的示波器是集中参数电路还是分布参数电路？解：频率为50Hz的电磁波波长为示波器尺寸d 0电流的参考方向与实际方向的关系：参考方向实际方向AB参考方向iii 0电压的参考方向与实际方向的关系：参考方向实际方向AB参考方向UUU 0 表示元件吸收正功率 （实际吸收）P 0 表示元件发出正功率 （实际发出）P 0 表示元件发出负功率 （实际吸收）1.2 电路变量及其参考方向例3电路各元件的电压电流参考方向如图所示，已知：U1=3V， U2=1V， U3=2V， U4=-2V， I1=

5、2A， I2=-3A， I3=1A 。试求每个元件的功率，并说明各元件的实际工作状态是吸收功率还是发出功率。解：32I1+一U241+一U3I2I3+一一U4U1吸收功率发出功率发出功率吸收功率功率守恒1.2 电路变量及其参考方向本讲小节Summary 电流及其参考方向 电压及其参考方向 关联参考方向 电功率电路分析目标建立电路模型选择分析方法计算电路变量校验计算结果第一章 电路的基本概念与定律1.3 电 阻 元 件1.3 电 阻 元 件电路符号定义对电流呈现阻碍作用的元件。电阻元件R2. 线性定常电阻元件任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件iu伏安特性f (u , i ) = 0单位电阻R

6、： (欧) (Ohm，欧姆) 电导G：S (西门子) (Siemens，西门子)1.3 电 阻 元 件贴片电阻热敏电阻滑线电阻压敏电阻电位器碳膜电阻高端电阻也是卡脖子清单里的一项尽管中国是全球最大的基础电子元件生产国，但是整体产业的发展水平较低，在精密器件、关键工艺和材料上存在短板，在质量管控和产品稳定性上存在不足。你知道吗1.3 电 阻 元 件单位服从欧姆定律（Ohms Law）。u-i 关系R伏安特性u=Ri R=u/i i=u/R= uGiu u-i 取关联 参考方向ui+一电阻R： (欧) (Ohm，欧姆) 电导G：S (西门子) (Siemens，西门子)1.3 电 阻 元 件注意只

7、适用于线性定常电阻（R为常数）R欧姆定律u= -Ri i= -u/R= - uG u-i 取非关联参考方向ui+一若电阻上的电压电流取非关联参考方向， 则计算公式中应冠以负号线性定常电阻上是无记忆、双向的元件公式和参考方向必须配套使用！1.3 电 阻 元 件3. 电阻的功率和能量功率电阻元件在任何时刻总是消耗功率的，是无源元件。ui+一Rui+一p=ui =i2R=u2/Rp=ui =(-Ri)i= -i2R=u(-u/R) = -u2/RR1.3 电 阻 元 件3. 电阻的功率和能量能量电阻元件在t0, t时间段内吸收的能量：4. 电阻的开路与短路ui+一Riu开路短路1.3 电阻元件本讲小

8、节Summary 电阻元件的VCR 电阻元件的功率和能量电路分析目标建立电路模型选择分析方法计算电路变量校验计算结果第一章 电路的基本概念与定律1.4 电 源 元 件1.4 电 源 元 件电路符号理想电压源两端电压始终保持给定的时间函数，与通过它的电流大小无关。定义iiu伏安特性u(t ) = uS(t ) uS+一1.4 电 源 元 件例（1）电压源两端电压由自身决定，与外电路无关，与通过它的电流的大小、方向无关。理想电压源的伏安关系iu伏安关系uS(t)（2）通过电压源的电流由电压源和外电路共同确定。uSi+一R电压源不能短路！1.4 电 源 元 件（1）非关联参考方向理想电压源的功率P=

9、uSi（2）关联参考方向uSi+一u+一uSi+一u+一电流由低电位向高电位移动，克服电场力做功，电源发出功率。电流由高电位向低电位移动，电场力做功，电源吸收功率。发出功率，充当电源P=uSi吸收功率，充当负载1.4 电 源 元 件好的电压源要求（1）电压源两端电压由自身决定，与外电路无关，与通过它的电流的大小、方向无关。实际电压源iu伏安关系uS(t)实际电压源不能短路！uSi+一u+一Rs考虑内阻1.4 电 源 元 件例13Au+一4Vi+一电压源与电流源串联电路如图所示，试分析两个电源的功率情况。(1)电流源的电压电流取关联参考方向解(2)电压源的电压电流取关联参考方向电流源发出功率电压

10、源吸收功率满足：P（发）P（吸）1.4 电 源 元 件电路符号2. 理想电流源输出电流始终保持给定的时间函数，与其两端的电压大小无关。定义ui(t ) = iS(t ) iS+一iu伏安关系iS(t)1.4 电 源 元 件例（1）电流源的输出电流由自身决定，与外电路无关，与其端电压的大小、方向无关。理想电流源的伏安关系（2）电流源的端电压由电流源和外电路共同确定。iSu+一R电流源不能开路！iu伏安关系iS(t)u= RiS 1.4 电 源 元 件（1）非关联参考方向理想电流源的功率P=uiS（2）关联参考方向电流由低电位向高电位移动，克服电场力做功，电源发出功率。电流由高电位向低电位移动，电

11、场力做功，电源吸收功率。发出功率，充当电源P=uiS吸收功率，充当负载iSu+一iSu+一1.4 电 源 元 件好的电流源要求实际电流源iu伏安关系iS(t)实际电流源不能开路路！考虑内阻iSu+一Rsi1.4 电 源 元 件例3Au+一4Vi+一电压源与电流源串联电路如图所示，试分析两个电源的功率情况。(1)电流源的电压电流取关联参考方向解(2)电压源的电压电流取关联参考方向电流源发出功率电压源吸收功率满足：P（发）P（吸）1.4 电源元件本讲小节Summary 理想电压源的特性 实际电压源的特性 理想电流源的特性 实际电流源的特性电路分析目标建立电路模型选择分析方法计算电路变量校验计算结果

12、勤奋学习要具备不受外界环境影响的稳定性第一章 电路的基本概念与定律1.5 受 控 源1.5 受 控 源电路符号定义电压或电流不是给定的时间函数，而是受到电路中某支路电压或电流的控制，自身不独立，称为受控源或非独立源。+一受控电压源受控电流源1.4 受控源2. 分类根据控制量和被控制量是电压或电流，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，用受控电流源表示。i2 = i1输入：控制量输出：受控量四端元件：电流放大倍数ib ic ib ic 电路模型1.5 受控源电压控制的电流源（VCCS）u2i2+一u1+一i1gu1i2 = gu1g：转移电导电流控制的电

13、流源（CCCS）u2i2+一u1+一i1i1i2 = i1：电流放大倍数1.5 受控源电流控制的电压源（CCVS）u2i2+一u1+一i1ri1+一u2 = ri1r：转移电阻电压控制的电压源（VCVS）u2i2+一u1+一i1u1+一u2 = u1：电压放大倍数1.5 受 控 源（1）独立电压源两端电压（或独立电流源的电流）由自身决定，与外电路无关，与电路中其他电压和电流的大小、方向无关；受控源电压源的电压（或受控电流源的电流）与控制量有关。（2）独立源在电路中起到“激励”作用，在电路中产生电压、电流；受控源只是反映输出端与输入端的受控关系，在电路中不能作为“激励”。3. 受控源与独立源的比

14、较1.5 受 控 源例如图所示含有VCVS的电路，试分析电路各元件的功率情况。解发出满足：P（发）P（吸）R2i+一iS=2A+一u1u2=0.5u125R1发出吸收吸收1.5 受 控 源本讲小节Summary 受控源的概念 受控源的类型 受控源与独立源的比较 受控源的分析方法电路分析目标建立电路模型选择分析方法计算电路变量校验计算结果第一章 电路的基本概念与定律1.6 基尔霍夫定律1.6 基尔霍夫定律 基尔霍夫定律电路理论的基石基尔霍夫(Kirchhoff，Gustav Robert 1824-1887),1824年3月12日生于柯尼斯堡；1847年毕业于柯尼斯堡大学；1848年起在柏林大学

15、任教；18501854年在布累斯劳大学任临时教授；1854-1875年任海德堡大学教授；1874年起为柏林科学院院士；1875年重回柏林大学任理论物理学教授直到1887年10月17日在柏林逝世。 1845年刚满21岁的大学生基尔霍夫发表了划时代论文“关于研究电流线性分布所得到的方程的解”， 文中提出了分析电路的第一定律(电流定律KCL)和第二定律(电压定律KVL)， 同时还确定了网孔回路分析法的原理，解决了电器设计中电路方面的难题。 后来基尔霍夫研究了电路中电的流动和分布，从而阐明了电路中两点间的电势差和静电学的电势这两个物理量在量纲和单位上的一致，使基尔霍夫电路定律具有更广泛的意义。后人曾从

16、电磁场理论体系的核心麦克斯韦方程组推导出电路理论体系的核心KCL和KVL，这充分表明了电磁场问题与电路问题之间存在着必然的内在联系和辩证的统一。 1.6 基尔霍夫定律相关术语每一个二端元件构成一条支路 （简单支路）流过同一个电流的分支 （复合支路）支路（Branch）节点（Node）两条及两条以上支路的连接点称为节点注：两条支路的连接点称为节点 （简单节点）uS+一R1R2R3R4R5iS123451.6 基尔霍夫定律由支路组成的两节点间的一条通路路径（Path）网孔（Mesh）平面电路中，内部不含任何支路的回路称为网孔注：网孔是回路，但回路不一定是网孔uS+一R1R2R3R4R5iS由支路组

17、成的闭合路径。回路（Loop）32141.6 基尔霍夫定律能够画在平面上、且无支路在空间交叉的电路。平面电路1.6 基尔霍夫定律2. 基尔霍夫电流定律（KCL）( Kirchhoffs Current Law ) 在集中参数电路中，任何时刻，对任意节点流出或流入该节点电流的代数和等于零。例i入 = i出i1i2i3i4i5令流出为“+”，流入为“-”，有：i1 - i2 - i3 + i4 + i5 =0i2 +i3 =i1 + i4 + i5 或：1.6 基尔霍夫定律KCL可以推广运用到电路中的任一假想闭合面S，这种假想的闭合面包围支路和节点，又称为广义节点。例- i3 + i4 - iS

18、= 0i3i4i5uS+一R1R2R3R4R5iS12345- i4 + i5 + iS= 0- i3 + i5 = 0两式相加得： 注意：1.6 基尔霍夫定律3. 基尔霍夫电压定律（KVL）( Kirchhoffs Voltage Law ) 在集中参数电路中，任何时刻，沿任一回路绕行，该回路中各支路电压的代数和等于零。例u降 = u升（1）标明各元件电压参考方向；u1 + u2 + uS2 - u3 - u4 - uS1 = 0（2）选定回路绕行方向：顺时针或逆时针；（3）参考方向与绕行方向相同的电压取“+”； 参考方向与绕行方向相反的的电压取“-”。uS1+一R1R2R3R41u2+一+

19、一u1uS2一+一u4+一u3u1 + u2 + uS2 = u3 + u4 + uS1 或：或：1.6 基尔霍夫定律例uab = u1 + uS1+ u2 利用假想回路可以求出电路中任意两点间的电压：找到两点间的一条路径，然后从两点间的高电位端向低电位端移动，路径上元件电压参考方向与移动方向相同的电压取“+”；参考方向与移动方向相反的的电压取“-”。uS1+一R1a+一u1+一u2bKVL可以推广运用到电路中的任一假想回路。 注意：1.6 基尔霍夫定律4. 基尔霍夫定律小结（1）KCL是对支路电流的约束，KVL是对回路电压的约束；（2）KCL、KVL是拓扑约束，与组成支路的元件性质及参数无关；（3）KCL表明在任一节点上电荷是守恒的；KVL是电场能量守恒的具体表现。（4）KCL、KVL只适用于集中参数电路。1.6 基尔霍夫定律例1i +(-3) = 5i=?5AR1R2R3R4-3AR5例2abc31A22A5V求uab、uac 、ubc+-i= 5-(-3)=8A解解1.6 基尔霍夫定律例3abd32A22A3V求i、u 、ucd+-解c+-9V+-2ui1.6 基尔霍夫定律例4解：由KVL 得 求图示电路中的电流I21.6 基尔霍夫定律例5