CDIO电路课件第1章

CDIO电路课件第1章第一页，共79页。课程介绍定位：专业基础课目标：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实验技能，为进一步学习后续的专业课打下良好的基础。第二页，共79页。课程安排课程性质：考试课学时安排：64学时讲授考核方式：平时（作业、出勤和课堂提问）30%+期末考试70%要求：不得缺出勤，迟到。第三页，共79页。本章目标——知识：

概念理解：电路、电路模型；电流、电压和电功率。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（KCL和KVL）。掌握利用电路两类约束列写电路方程并求解。第一章电路模型和电路定律第四页，共79页。本章目标——能力：简单的实际电路建立其电路模型求解简单电路，并解释电路现象利用基本电工仪表测量实际电路。引例：高压一定危险吗？用电安全标志第五页，共79页。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：实现电能传送、转换等。信号处理系统：实现电信号产生、加工、传输、变换等。电系统设计的概念模型1-1电路和电路模型第六页，共79页。

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。

一、电路二、电路的作用

(1)实现电能的传输、分配与转换发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线第七页，共79页。放大器扬声器话筒(2)传递和处理信号第八页，共79页。2.电路的组成部分电源:提供电能的装置负载:取用电能的装置中间环节：传递、分配和控制电能的作用发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线第九页，共79页。直流电源直流电源:

提供能源负载信号源:

提供信息2.电路的组成部分放大器扬声器话筒

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。信号处理：放大、调谐、检波等第十页，共79页。1、激励： 电源或信号源的电压或电流。2、响应： 由于激励在电路各部分产生的电压和电流。3、电路分析： 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。三、电路分析第十一页，共79页。1、实际元件:

组成实际电路的元件。2、理想元件:

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。理想元件电阻R电压源3、电路模型:

理想电路元件组成的电路。四、电路模型电感L电容C电流源第十二页，共79页。构成实际电路的电器件

电源

电阻器蓄电池交流稳压电源第十三页，共79页。电容器

电感线圈铁心电抗器第十四页，共79页。变压器

晶体管和集成电路第十五页，共79页。电路图照明灯的电路模型第十六页，共79页。

电池是电源元件，其参数为电动势E和内阻Ro；

灯泡主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻R；

筒体用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。

开关用来控制电路的通断。

今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。+R0R开关EI电珠+U干电池导线第十七页，共79页。例注

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；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第十八页，共79页。1-2电流和电压的参考方向一、问题的引入5Ω3Ω10V9V考虑电路中每个电阻的电流方向电流方向？第十九页，共79页。1.2

电压和电流的参考方向

物理中对基本物理量规定的方向1.电路基本物理量的实际方向物理量实际方向电流I正电荷运动的方向电动势E

(电位升高的方向)

电压U(电位降低的方向)高电位低电位

单位kA、A、mA、μA低电位高电位kV、V、mV、μVkV、V、mV、μV第二十页，共79页。(2)参考方向的表示方法电流：Uab

双下标电压：(1)参考方向I

在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。Iab

双下标2.电路基本物理量的参考方向箭标abRI正负极性+–abUU+_+R0E3V注意：在参考方向选定后,电流(或电压)值才有正负之分。第二十一页，共79页。

任意指定一个方向作为电流的方向。把电流看成代数量:

若电流的参考方向与它的实际方向一致，则电流为正值；

若电流的参考方向与它的实际方向相反，则电流为负值。

2、参考方向：1、实际方向： 正电荷运动的方向。二、电流第二十二页，共79页。i

参考方向i

参考方向i>0i<0实际方向实际方向电流的参考方向与实际方向的关系图示：AABB第二十三页，共79页。3、电流参考方向的表示方法箭头或双下标iABiABAB第二十四页，共79页。三、电压1、实际方向：

高电位指向低电位的方向,电位真正降低的方向。2、参考方向：

任意选定一个方向作为电压的方向。 当电压的参考方向和它的实际方向一致时，电压为正值； 反之，当电压的参考方向和它的实际方向相反时，电压为负值。第二十五页，共79页。U>0参考方向U+–+实际方向+实际方向参考方向U+–<0U电压的参考方向与实际方向的关系图示：第二十六页，共79页。3．电压参考方向的三种表示方式：(1)用箭头表示:(2)用正负极性表示:(3)用双下标表示:UU+ABUAB第二十七页，共79页。

元件电流的参考方向与电压的参考方向一致，则把电流和电压的这种参考方向称为关联参考方向; 否则为非关联参考方向。四、关联参考方向关联参考方向非关联参考方向i+-+-iUU第二十八页，共79页。注(1)分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。(2)电路中电流或电压的参考方向可以独立地任意指定；参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注(包括方向和符号），在计算过程中不得任意改变。（3）参考方向不同时，其表达式相差一负号，但实际方向不变。ABABi例＋－U电压电流参考方向如图中所标，问：对A、B两部分电路，电压电流参考方向关联否？答：A电压、电流参考方向非关联；

B电压、电流参考方向关联。第二十九页，共79页。五、电位

在电路中任选一点，设其电位为零（用接地符号“

┻

”标记），此点称为参考点。其它各点对参考点的电压，便是该点电位。记为：“VX”

注意：电位为单下标。比参考点电位高为正，否则为负。电位：电位值是相对的，参考点选得不同，电路中其它各点的电位也将随之改变;电压：电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而改变。电位和电压的区别：第三十页，共79页。a为参考点：Va=0Vb=10VUbc=Vb-VcVc=Vb-Ubc=10-3=7VVd=3Vb为参考点：Va=-10VVb=0VVc=Vb-Ubc=0-3=-3VVd=Vc-Ucd=-7V+3V-abcd10V4V6Ω6Ω第三十一页，共79页。1-3电功率和能量(power)

一.电功率电压的定义：电功率：电流的定义：功率的单位：W(瓦)(Watt，瓦特)能量的单位：J(焦)(Joule，焦耳)第三十二页，共79页。

u,i

取关联参考方向P=ui表示元件吸收的功率P>0

吸收正功率(实际吸收)P<0

吸收负功率(实际发出)p=ui

表示元件发出的功率P>0

发出正功率(实际发出)P<0

发出负功率(实际吸收)

u,i

取非关联参考方向+-iu+-iu二.判断元件是吸收功率还是发出功率第三十三页，共79页。例解注对一完整的电路，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件消耗或产生的功率。已知：

U1=1V,I1=2A，U2=-3V,I2=1A,U3=8V,I3=-1AU4=-4V,U5=7V,U6=-3V第三十四页，共79页。1-4电路元件(circuitelements)

一、集总电路1、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。当构成电路的器件以及电路本身的尺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间可认为是瞬时的，这种理想电路元件称为集总元件或集总参数元件。集总条件l<<d第三十五页，共79页。由集总元件构成的电路称为集总电路。

例如日光灯，50Hz工频情况下，电磁波长为6000公里，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。

再例如收音机，收听北京音乐台FM97.4MHz，取近似值100MHz，电磁波波长λ=?

C=λ·f

λ=3米

电路为非集总路。2、集总电路注集总参数电路中u、i可以是时间的函数，但与空间坐标无关。第三十六页，共79页。二、电路元件的分类1、按与外部连接的端子数目

二端元件、三端元件、四端元件2、从是否源分

有源元件、无源元件3、从性质关系

线性元件、非线性元件4、和时间关系

时变元件、 时不变元件第三十七页，共79页。1-5电阻元件(resistor)

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：

u=±i·R在电压和电流的关联方向下u=i·R在电压和电流非关联方向下u=

-i·RRi+_uRi+_u一、欧姆定律第三十八页，共79页。实际电阻的类型：碳膜电阻

贴片电阻

水泥电阻

压敏电阻

热敏电阻

滑线电阻

电位器第三十九页，共79页。1、定义

G=1/R2、单位

S（西门子），电阻的单位为Ω(欧姆)， 计量高电阻时，则以kΩ和MΩ为单位。Oui二、电导

以电压和电流为坐标，画出电压和电流的关系曲线。三、电阻元件的伏安特性第四十页，共79页。四.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。p

ui(–Ri)i-i2R

u(–u/R)-u2/Rp

uii2Ru2/R功率：Rui+-Rui+-第四十一页，共79页。可用功表示。从t

到t0电阻消耗的能量：Riu+–五.电阻的短路与开路能量：

短路

开路ui第四十二页，共79页。1-6电压源和电流源(independentsource)1、特点：（1）电压u(t)的函数是固定的，不会因它所联接的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。2、图形符号：+-只用来表示直流0tt0既可以表示直流也可以表示交流t0一、理想电压源第四十三页，共79页。Ri-+外电路电压源不能短路！空载3、电压源的不同状态第四十四页，共79页。电场力做功，电源吸收功率。（1）电压、电流的参考方向非关联；物理意义：+_iu+_+_iu+_发出功率，起电源作用（2）电压、电流的参考方向关联；吸收功率，充当负载4.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电源发出功率。

物理意义：第四十五页，共79页。例+_i+_+_10V5V计算图示电路各元件的功率。解发出吸收吸收满足：P（发）＝P（吸）第四十六页，共79页。1、特点（1）电流i(t)的函数是固定的，不会因它所联接的外电路的不同而改变；（2）电压则随与它所联接的外电路的不同而不同。2、图形符号二、理想电流源直流：tO第四十七页，共79页。外电路电流源不能开路！Ru-+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。3、电流源的不同状态短路第四十八页，共79页。（1）电压、电流的参考方向非关联；发出功率，起电源作用（2）电压、电流的参考方向关联；吸收功率，充当负载u+_u+_4.功率第四十九页，共79页。例1计算图示电路各元件的功率。解:吸收满足：P（发）＝P（吸）+_u+_2A5Viis发出第五十页，共79页。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？IR+10=20得I=1A则10V++__20VI10Ω(a)解：例2第五十一页，共79页。(-10)+10I

=20

得I=3A则:(b)20V++_I10V10Ω_解：第五十二页，共79页。1-7受控电源

(controlledsourceordependentsource)一、电源的分类电源独立电源受控源电压源的电压和电流源的电流,不受外电路的影响。作为电源或输入信号时，在电路中起“激励”作用。

受控电压源的电压和受控电流源的电流不是给定的时间函数，而是受电路中某部分的电流或电压控制的。又称为非独立电源。第五十三页，共79页。

电路符号+–受控电压源受控电流源第五十四页，共79页。(1)电流控制的电流源(CCCS):电流放大倍数四端元件bi1+_u2i2_u1i1+输出：受控部分输入：控制部分二、受控源的类型第五十五页，共79页。g:转移电导(2)电压控制的电流源(VCCS)u1gu1+_u2i2_i1+(3)电压控制的电压源(VCVS)u1+_u2i2_u1i1++-:电压放大倍数第五十六页，共79页。ri1+_u2i2_u1i1++-(4)电流控制的电压源(CCVS)r:转移电阻例:电路模型第五十七页，共79页。三.受控源与独立源的比较(1)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)由控制量决定。(2)独立源在电路中起“激励”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端的受控关系。第五十八页，共79页。例:求：电压u2。解:5i1+_u2_u1=6Vi1++-3第五十九页，共79页。1-8基尔霍夫定律(Kirchhoff’sLaws)

用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系，其中包括基尔霍夫电流和基尔霍夫电压两个定律。第六十页，共79页。一.几个名词电路中通过同一电流的分支。(b)三条或三条以上支路的连接点称为结点。(

n

)b=3an=2b+_R1uS1+_uS2R2R3（1）支路(branch)电路中每一个两端元件就叫一条支路i3i2i1(2)结点(node)b=5第六十一页，共79页。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。对平面电路，其内部不含任何支路的回路称网孔。l=3+_R1uS1+_uS2R2R3123(3)路径(path)(4)回路(loop)(5)网孔mesh)网孔是回路，但回路不一定是网孔第六十二页，共79页。二.基尔霍夫电流定律(KCL)令流出为“+”，有：例:流进的电流等于流出的电流在集总电路中,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。or:第六十三页，共79页。1

32例:三式相加得：表明KCL可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面明确（1）KCL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；（2）KCL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；（3）KCL方程是按电流参考方向列写，与电流实际方向无关。第六十四页，共79页。（2）选定回路绕行方向，顺时针或逆时针.三.基尔霍夫电压定律(KVL)

在集总电路中，任一时刻，沿任一闭合路径绕行，所有支路电压的代数和等于零。（1）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一致者，该电压前面取“+”号；支路电压的参考方向与回路的绕行方向相反者，该电压前面取“-”号。第六十五页，共79页。–U1–US1+U2+U3+U4+US4=0I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4U2+U3+U4+US4=U1+US1

或：–R1I1+R2I2–R3I3+R4I4=US1–US4例1:–U1+U2+U3+U4=US1-US4第六十六页，共79页。例2KVL也适用于电路中任一假想的回路aUsb__-+++U2U1明确（1）KVL的实质反映了电路遵从能量守恒定律;（2）KVL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，与电压实际方向无关。第六十七页，共79页。四.KCL、KVL小结：(1)KCL是对支路电流的线性约束，KVL是对回路电压的线性约束。(2)KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。(3)

KCL表明在每一结点上电荷是守恒的；KVL是能量守恒的具体体现(电压与路径无关)。(4)KCL、KVL只适用于集总参数的电路。第六十八页，共79页。1.2.练习题：第六十九页，共79页。++--4V5Vi