电路分析基础第五版第1章-电气课件

电路分析基础欢迎学习学时：64学时学分：4学分性质：考试沈阳化工大学信息工程学院主讲：张国光制作：电工教研室电气与电器电气：是以电能、电气设备和电气技术为手段来创造、维持与改善限定空间和环境的一门科学。主要是指电能传输以及使用的途径。主要有两种：（1）有直接的电的联系；（2）没有电的直接的联系。电器：凡是根据外界特定的信号和要求，自动或手动接通或断开电路，继续或连续地改变电路参数，实现对电路的切换、控制、保护、检测及调节的电气设备均称为电器。电器的分类方法:（1）按工作电压高低分高压电器和低压电器；（2）按动作方式分自动切换电器和非自动切换电器；（3）按执行功能分触点电器和无触点电器。电气是指这门技术，电器是指具体的用电器具。电气工程其自动化电气工程：是现代科技领域中的核心学科和关键学科。传统的电气工程定义为用于创造产生电气与电子系统的有关学科的总和。今天的电气工程涵盖了几乎所有与电子、光子（传递电磁）有关的工程行为。涉及电力电子技术、计算机技术、电机电器技术、信息与网络控制技术、机电一体化技术等诸多领域，是一门综合性较强的学科，其主要特点是强弱电结合，机电结合，软硬件结合。解决电气工程技术分析与控制问题。强电和弱电强电是用作一种动力能源，弱电是用于信息传递。（1）交流频率不同强电的频率一般是50Hz，称“工频”，意即工业用电的频率；弱电的频率往往是高频或特高频，以KHz、MHz计。一、课程简介

电路分析基础是自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器专业、电子信息类（电子信息科学与技术、电子信息工程、通信工程、电子科学与技术）和物联网工程专业等专业第一门专业技术基础课程，也是研究生入学考试课程之一。通过本课程的学习可以掌握电路的基本理论、基本分析方法和进行电路实验的基本技能，为后续专业课程学习打下必要的基础。1.课程性质：专业基础课研讨各种电路所共有的基本规律和分析计算方法。2.课程任务：3.基本目的及要求（1）使学生掌握电路分析的基本原理和基本分析方法。（2）使学生能应用所学原理和方法去理解和认识常用电路。（3）培养独立思考能力、科学思维方法和求知创新精神。绪论

20世纪30年代开始，电路理论已形成为一门独立学科，建立了各种元器件的电路模型。50年代末，电路理论在学术体系上基本完善，这个阶段称为经典电路理论。20世纪60年代以后的电路理论为近代电路理论。二、电路理论的发展历史和最新动态电路理论起源于物理学中电磁学的一个分支，若从欧姆定律(1826年)和基尔霍夫定律(1845年)的发表算起，至今已走过了一百多年的发展历程。目前已发展成为一门体系完整、逻辑严密、具有强大生命力的学科领域。电力和电信工程的发展要求对信号的传输进行系统的研究，并按照给定的特性来设计各种电路，促进了电路理论的早期发展。第二次世界大战中雷达和近代控制技术的出现，对电路理论的发展起了推进作用。（2）近代电路理论(20世纪60年代以后)，其主要特点:

①图论引入电路理论。

②出现大量新的电路元件、有源器件。

③电路分析和设计在计算机上的应用。1.经典电路理论和近代电路理论

（1）经典电路理论(二十世纪初至20世纪50年代末)

由时域分析发展到频域分析与电路设计。（1）电路分析（2）电路综合与设计（3）电路的“故障诊断”2.电路理论研究的问题3.

研究热点与前沿课题电路的故障诊断与自动检测、有源与开关电容电路、微电子电路设计与应用、非线性电路的分析综合、器件建模和新器件的创制、电路的数学综合、人工神经网络等。三、课程任务

电路理论包括电路分析和电路综合两方面内容。电路分析的任务是根据已知的电路结构和元件参数，求解电路的特性；电路综合是根据所提出的对电路性能的要求，确定合适的电路结构和元件参数，实现所需要的电路性能。本课程着重在于“电路分析”

。 实际电路电路模型分析求解方程（代数、常微分、偏微分）结果电路分析电路综合3.主要内容概述：2-2-4-4-6-6

2：2种电路联接方式，串联/并联4：4类电路元件耗能元件：电阻/电导供能元件：电压源/电流源储能元件：电感（互感）/电容能量转换元件：受控源、（理想）变压器4：4种电路直流电阻电路动态电路正弦交流电路分布参数电路2：2个方向，电流和电压参考方向4.课时分配：共64学时第一章5学时第九章8学时第二章3学时第十章3学时第三章6学时第十一章3学时第四章4学时第十二章4学时第六章2学时第十五章6学时第七章10学时第十八章4学时第八章4学时总复习2学时电路分析相互融合的信息系统(无处不在的IT产业)公共基础专门技术应用领域电力系统(能量传输与处理)控制系统(信号反馈与处理)通信系统(信号传输与处理)信号处理系统计算机系统电力电子技术(关注大功率)通信电路(关注高频段)微电子技术(集成芯片设计)模拟电子技术数字电子技术信号与系统1.平时成绩

10％作业:平时随机收取点评（未抽到检查的作业取平均成绩）。课上提问、课堂小测验、作业等50分，占总成绩的10％。4.期末题库组题闭卷考试占总成绩的80％课堂教学内容、学习方式以多媒体讲授为主，辅以习题课、讨论、提问、测验等其它方式，检查和督促学习。六、考核方式及要求

2.课程小论文50分，占总成绩的10％包括题目、作者、摘要、正文、参考文献。可以是：①用电路理论解决实际问题，②某一部分内容总结，③不同分析方法对比应用，④电路理论中的数学方法，⑤与电路理论相关的其它问题。3.出勤：缺课(旷课、病事假)四次、旷课两次取消期末考试资格，旷课一次平时成绩扣50分。

1.课堂教学是当前主要的教学方式，也是获得知识的最快和最有效的学习途径。因此，务必认真听课，积极思考，主动学习，学习时要抓住物理概念、基本理论、工作原理和分析方法；七、学习方法2.要善于自学，善于思考问题，重在理解，并持之以恒；3.要善于总结，掌握重点。对每章节的重点和难点要系统地总结，运用所学的知识去理解各章节的内在联系；4.通过习题可以巩固和加深对所学理论的理解，并培养分析能力和运算能力。因此每章都布置适当数量的习题作为作业，必须作好规定的习题。5.珍惜实验课的基本训练，通过实验验证和巩固所学理论，强化实验技能的训练，并培养严谨的科学作风。课前预习，课堂理解，课后练习，温故知新；

把握重点，突破难点，注重特点，融会贯通；

重视实践，勤思多练，善于归纳，勇于创新。本课程的学习方法总结如下：学好本课程，应注意抓好四个主要环节：提前预习、认真听课、及时复习、独立作业。还要处理好三个基本关系：听课与笔记、作业与复习、自学与互学。衷心祝愿大家学有所成+理论实践是否高压一定危险？静电电压比能够引起伤害的电压高几百倍，为什么没有危害？电能能否造成伤害在于电流大小以及电流如何流过身体。确定一个电源是否存在危险电流，以及在什么条件下会存在潜在的危险电流，需要懂得一些电气知识。如：电压与电流如何产生以及它们之间的关系；如何确定复杂电路中的电压和电流；电路中电压与电流遵循什么规律；等等。引例：安全用电作用：提供能量、传送和处理信号、测量电路、存储信息§1-1电路和电路模型1．电路—实际电路（电流的通路）定义：由电路部件或器件相互联结而成的电流通路。电源—提供能量的部件，又称激励电路中的电压和电流称为响应负载—消耗能量的部件中间环节—连接电源与负载导线电池开关灯泡实际电路电路模型2．电路模型（电路、网络）反映实际电路部件的主要电磁性质的理想电路元件及其组合。理想电路元件有某种确定的电磁性能的理想元件。电路模型5种基本的理想电路元件：电阻元件：表示消耗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压源和电流源：表示将其它形式的能量转变成电能的元件。5种基本理想电路元件有三个特征：

（a）只有两个端子；

（b）可以用电压或电流按数学方式描述；（c）不能被分解为其他元件。注意§1-2电流和电压的参考方向一、电流和电压的基本知识（一）电流（电流强度）1、定义：单位时间内通过导体横截面的电量。用符号i表示，即i(t)=dq/dt2、分类：(1)直流（DC）：电流的大小和方向不随时间变化。I=q/t(2)交流（AC）：电流的大小和方向都随时间变化。3、单位：安培（安），符号A（二）电压1、定义：单位正电荷由a点转移到b点所获得或失去的能量。也称电位差。用u表示,即u(t)=dw/dq2、单位：伏特（伏），符号V。3、分类：(1)直流电压：电压的大小和极性都不随时间变化。用U表示。(2)交流电压：电压的大小和极性都随时间变化。4、电流的正负仅对参考方向有意义。参考方向的假设是任意的，但一经假定就不得更改。abIR参考方向二、电流的参考方向（电流的正方向）1、电流的实际方向—正电荷在电场力作用下的运动方向2、参考方向—人为规定的电流方向，用箭头或双下标表示，为代数量。3、与实际方向的关系：如果电流的实际方向与参考方向一致，电流为正值；否则，为负值。+四、电流与电压关联参考方向（一致参考方向）1、关联参考方向（一致参考方向）：电流从电压高电位端流向低电位端（电压降方向）。电流与电压只标一个方向即可。2、非关联参考方向（相反参考方向）：电流从电压低电位端流向高电位端（电压升方向）。电流与电压两个方向必须同时标出。+电路仿真实践参考方向电流参考方向电压参考方向++--++--EWB软件（ElectronicsWorkbenchEDA），是用于电子电路仿真分析的虚拟“电子电路工作实验台”。其特点是图形界面操作，易学、易用，快捷、方便，真实、准确。软件平台可进行电路的瞬态分析、时域和频域分析、线性和非线性分析、噪声及失真度分析、零-极点和蒙特卡罗等分析、离散付里叶分析等等。电路仿真电路仿真就是设计好的电路图通过仿真软件进行实时模拟，模拟出实际功能，然后通过其分析改进，从而实现电路的优化设计。是EDA（ElectronicDesignAutomation）的一部分。几种常用电路仿真软件Multisim仿真软件：EWB软件的升级版，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作MATLAB仿真软件：商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。PSPICE仿真软件：主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。1、电流与电压为关联参考方向时，吸收功率p(t)=u(t)i(t)2、电流与电压为非关联参考方向时，吸收功率p(t)=-u(t)i(t)§1-3电功率和能量一、电功率p(t)=dw/dt二、能量在t0到t的时间内，元件吸收的能量为当p(t)为正时，元件实际吸收功率（能量），将电能转换为其它能量，起负载作用。当p(t)为负时，元件实际发出功率（能量），将其它能量转换为电能，起电源作用。三、功率的正负例1、已知电路如图(a)、(b)所示，I=2A，求P(1)图(a)中：I与U是关联参考方向I+(a)+I(b)解：P=UI=1×2=2WP>0，表示元件吸收功率（能量），是负载(2)图(b)中：I与U是非关联参考方向P=-UI=-(-1)×2=2WP>0，表示元件吸收功率（能量），是负载例2、已知如图所示电路，产生功率为4W，求I。+I注意：功率公式中有两套“正负”号。解：I与U是非关联参考方向一个是由电压、电流的参考方向决定的（选公式），另一个电压、电流的实际方向决定的（代数值）。§14电路元件集总（参数）元件：一个器件可以用一个模型来描述,也可以用多个模型来描述同一器件在不同工作环境、条件下，模型不同今后讨论的电路都是电路模型，一般是集总参数电路。(1)条件：电路辐射、电磁能量损耗可以忽略不计。(2)判断：电路的几何尺寸远小于电路工作频率对应的波长。电路元件是电路中最基本的组成单元。集总参数电路中u、i

可以是时间的函数，但与空间坐标无关。因此，任何时刻，流入二端元件一个端子的电流等于从另一端子流出的电流；端子间的电压为单值量。注意一个二端元件，如其端电压u和端电流i之间的关系可用代数方程f(u,i)＝0表示，该二端元件称为电阻元件。如f(u,i)＝0是线性代数方程，则该二端元件为线性电阻元件。如f(u,i)＝0是非线性代数方程，则该二端元件为非线性电阻元件。§15电阻元件线性电阻元件u(t)=Ri(t)i(t)=Gu(t)RΩ西门子(S)满足欧姆定律电导注意：电流与电压为关联参考方向。伏安关系（VAR，VCR）（元件特性）：非时变电阻元件时变电阻元件注意：对线性非时变电阻元件R为常数，G也为常数。R=0，R→∞，短路；开路。u(t)＝Ri(t)i(t)=Gu(t)线性电阻元件吸收的功率关联参考方向时p(t)＝u(t)i(t)非关联参考方向时p(t)＝-u(t)i(t)电流与电压为非关联参考方向无论参考方向如何线性电阻元件吸收的能量p(t)＝Ri2(t)=u2(t)/R实际电阻器元件模型：+-usus为电压源的电压，“+”、“-”为参考极性Us§16电压源和电流源一、电压源1、定义是一个理想的二端元件，元件两端的电压与通过它的电流无关，电压总保持为某给定的时间函数。电压源和电流源都是独立源2、性质（特点）(1)该元件电压不随电流大小变化，在u-i平面上为一条直线(2)电压为时变时，平面上直线平移(3)

us(t)=0相当于短路(4)元件电流由电源与外电路共同决定3、伏安特性曲线uUSi表明端电压与电流大小无关。二、电流源(1)该元件电流不随电压大小变化，在u-i平面上为一条直线(2)电流为时变时，平面上直线平移(3)

is(t)=0相当于开路(4)元件电压由电源与外电路共同决定1、定义是一个理想的二端元件，通过元件的电流与它两端的电压无关，电流总保持为某给定的时间函数。2、性质（特点）4、伏安特性曲线uISi表明通过的电流与端电压大小无关。3、元件模型is、IS箭头表示电流的参考方向注意：1、电压源不允许短路，电流源不允许开路。2、端电压不等的电压源，不允许并联；电流不等的电流源，不允许串联。实际电源1.干电池和钮扣电池（化学电源）干电池钮扣电池2.燃料电池（化学电源）

氢氧燃料电池示意图3.蓄电池（化学电源）蓄电池示意图4.太阳能电池（光能电源）太阳能电池示意图太阳能电池板5.发电机组6.草原上的风力发电直流稳压源变频器频率计函数发生器电压控电压源VCVSi1=0u2=u1§17受控源非独立源，其电压（或电流）受同一电路中另一支路电压或电流控制。+–受控电压源受控电流源电路符号电流控电流源CCCS电流控电压源CCVSu1=

0i2=i1u1=0u2=rm

i1电压控电流源VCCSi1=0i2=gmu1系数、、

gm、

rm

为常数时，为线性受控源；否则，称为非线性受控源。例、求i解:-++-(7)除特例外（应用叠加定理时）受控源在电路分析中，一律视为独立源处理说明：(1)线性受控源中的系数(、、gm、rm)都是常数(2)受控源是一个元件涉及两条支路(3)

受控源可以吸收功率，也可以发出功率(4)控制变量为零时，受控量无条件为零(5)非独立源（受控源为能量转换元件）(6)具有明确网络（受控支路与控制支路必在同一电路中，且同时存在，缺一不可）受控源实例1.他励直流发电机U=rII等效理想模型U=rII2.晶体三极管bceibubeuceibicβibrbe等效理想模型ic即：基尔霍夫电流定律和电压定律电路中所有元件的电流和电压自应遵循的，由元件相互联接关系所规定的约束关系。§18基尔霍夫定律电路中所有元件的电流和电压受到两类约束：1、元件特性约束由元件特性决定的，为元件的组成关系，即电压电流关系（伏安关系VCR、VAR）。2、拓扑约束（几何约束）电路术语:支路：在集总参数电路中，每一个二端元件构成一个支路。b节点：每条支路的端点。两条或两条以上支路接于一点时，此连接点只算做一个节点。n回路：任一闭合路径。网孔(独立回路)：对平面电路，内部不包含任何支路的回路。m或：流经同一电流的路径。或：三条以上支路汇聚点。例：b=7n=3m=5b、n、m=?6、4、3abcdi1i2i3i4

i5ei6KCL：对于集总参数电路中的任何一个节点而言，在任一瞬时，流入此节点的电流之和等于流出此节点的电流之和。使用条件——集总参数电路任意瞬时——必须是同一时刻任何一个节点流入、流出——参考方向基尔霍夫电流定律，缩写为KCL(4)电路中可列的KCL方程不是全部独立的，独立方程数为节点数减一。(1)

该定律与所接支路中元件无关(2)

数学形式：i入(t)=i出(t)i(t)=0流出或流入此节点的电流之代数和为零。(3)

KCL不仅可用于任意节点，而且可以推广到任意闭合曲面中——广义节点。节点1：节点2：节点3：节点4：节点5：例：广义节点：假想的闭合面包围着的节点和支路的集合。KCL是电流连续性原理在集总参数电路中的表现形式。KCL与元件的性质无关。i1=3A

i2=-2Ai3=？总结：(3)列KCL方程与支路中元件的性质无关，只与电路的几何形状有关，称为几何约束。(2)KCL方程有两套正负号（公式、电流本身）。(1)KCL方程是按电流参考方向列写的，与电流实际方向无关。例：KVL：在集总参数电路的任何一个回路中，任一瞬时，沿着任意选定的回路绕行方向，各支路电压的代数和恒等于零。使用条件——集总参数电路

任意瞬时——必须是同一时刻回路绕行方向——支路电压参考方向（电压降方向）与回路绕行方向一致时取正，反之取负。基尔霍夫电压定律，缩写为KVL(1)该定律与所接元件性质无关电路中可列的KVL方程不是全部独立的，独立方程数为b-(n-1)。b为支路数，n为节点数。回路1：(2)KVL不仅可用于任意回路，而且可以推广到假想回路中（广义回路）。回路2：回路3：总结：(1)KVL方程是按电压参考方向列写，与电压实际方向无关。应先设定回路中各支路电压的参考方向及回路绕行方向。(2)注意方程中有两套正负号。（参考方向与绕行方向一致性，电压本身的符号。）(3)KVL方程与元件性质无关(几何约束）。(4)电路中任意两点间电压与计算路径无关。U1+U2–U3–U4+U5=0U4+–U1U2abced++––+–U5U3+–R4例1

图中若U1=–2V，U2=8V，U3=5V，U5=–3V，R4=2，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。（–2）+8–5–U4+（–3）=0U4=–2VI=1A沿顺时针方向列写回路的KVL方程式，有代入数据，有U4=–IR4I例2图中U1=–2V，U2=8V，U3=5V，U5=–3V，U4=–2V，求电压

Uce

和Ubd

。U4+–U1U2abced++––+–U5U3+–R4解：沿顺时针方向列写回路的KVL方程式，有U1+U2+Uce

+U5=0Uce

=

–

U1–

U2–

U5

=

–3VUbd

–

U4+U5+U1=0Ubd

=

–U1+U4–

U5

=

3VUad

=U4–

U5

=

1VbeaUca

=–U1–

U2

=

–6Vabc总结：(4)KCL和KVL都只适用于集总参数电路。(1)KCL、KVL约束了电路的节点电流和回路电压的关系，是电路联接的约束。(2)

KCL、KVL方程为线性方程——线性约束。(3)

KCL可以推广到广义节点，KVL可以推广到广义回路中去。求任意两点之间电压的“爬高法”：电路中任意