《电路原理》PPT课件.ppt

1. 电流、电压的参考方向3. 基尔霍夫定律第一章 电路模型和电路定律(circuit elements) (circuit laws) 2. 电路元件重点： 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 电阻元件 1.5 电压源和电流源 1.6 受控电源 1.7 基尔霍夫定律 1.1 电路和电路模型（model)一、 电路：电工设备构成的整体，它为电流的流通提供路径。 电路主要由电源、负载、连接导线及开关等构成。电源(source)：提供能量或信号。 负载(load)：将电能转化为其它形式的能量 或对信号进行处理. 导线(line)、开关（switch)等：将电源与负载接成通路. 电 源 负 载 机械能光能热能等供电设备用电设备电力系统信号处理：信号放大、调谐等。 电路的作用：核能 热能 势能 化学能 风能 2.信号的处理1.电能的传输3.电量的测量、控制计算等。 研究的目标：计算电路中各器件的端电压和流过器件的电流，而不涉及器件内部发生的物理过程。二、电路理论研究的内容 研究内容：研究电路中发生的电磁现象，而用电流或电荷、电压或磁通等物理量来描述其中的过程。 三、电路模型 (circuit model)1. 理想电路元件：几种基本的电路元件：电阻元件：表示消耗电能的元件电感元件：表示各种电感线圈产生磁场，储存电能的作用电容元件：表示各种电容器产生电场，储存电能的作用 电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件根据实际电路元件所具备的电磁性质所设想的具有某种单一电磁性质的元件，其u，i关系可用简单的数学式子严格表示。 2. 电路模型：* 电路模型是由理想电路元件构成的。 1 0 B A S E - T w a l l p l a t e导线电池 开关灯泡例 .负载电源理想导线由理想元件及其组合代表实际电路元件，与实际电路具有基本相同的电磁性质，称其为电路模型。开关 注意理想电路元件与实际器件的区别。低频率高频率 不同条件下可能要用不同的电路模型来模拟。今后我们所说的电路一般均指由理想电路元件构成的抽象电路而非实际电路。只要模型恰当，结果与实际电路中测量结果基本一致。电感线圈 四. 集总参数元件与集总参数电路集总参数元件：集总参数电路：一个实际电路要能用集总参数电路近似，要满足如下条件：即实际电路的尺寸必须远小于电路工作频率下的电磁波的波长。每一个具有两个端钮的元件中有确定的电流，端钮间有确定的电压。由集总参数元件构成的电路。 已知电磁波的传播速度与光速相同，即v=3105 km/s (千米/秒)(1) 若电路的工作频率为f=50 H z，则 一般电路尺寸远小于 。 (2) 若电路的工作频率为 f=50 MH z，则 此时一般电路尺寸均与 可比，所以电路不能视为集总参数电路。周期 T = 1/f波长 = 3105 0.02=6000 km周期 T = 1/f波长 = 3105 0.02106 = 6 m= 1/50 = 0.02 s= 0.02106 s = 0.02 s 五 本门课程的主要任务 1、了解电路的基本定律和定理。2、各种电路的分析、计算。主要是电压、电流、功率等参数的分析计算。思考：电路模型和实际电路有什么区别？ 一、电路中的主要物理量 二、电流 (current)： 1、电流的实际方向：为正电荷移动的方向。1.2 电压和电流的参考方向 (reference direction)A Bi A Bi主要有电压、电流、电荷、磁链等。在线性电路分析中常用电流、电压、电位等。带电质点的运动形成电流。电流的实际方向只有两种可能，从A流入B，或从B流入A。 电流的大小用电流强度表示：单位：A (安) (Ampere，安培)不正确大小方向电流(代数量)V10 K10电流为1mA单位时间内通过导体截面的电荷。 (b) 实际电路中有些电流是交变的，无法标出实际方向。标出参考方向，再加上与之配合的表达式，才能表示出电流的大小和实际方向。(a) 有些复杂电路的某些支路事先无法确定实际方向。为分析方便，只能先任意标一方向（参考方向），根据计算结果，才能确定电流的实际方向。为什么要引入参考方向 ？2、电流的参考方向 (reference direction) 任意假定其中一个方向作为电流的方向，这个方向就叫电流的参考方向。参考方向电流的参考方向与实际方向的关系：参考方向实际方向i 0A B A B i i 参考方向i 0参考方向 0 吸收正功率 (吸收)P0 发出正功率 (发出)P0 发出负功率 (吸收)2. u, i 非关联参考方向ui 例 U1=10V， U2=5V。 分别求电源、电阻的功率。I=UR/5PR= URIPU1= U1IPU2= U2I = 51 = 5 WP 发= 10WI1U 2U5RU =(U1U2)/5 =(105)/5=1 A= 51 = 5 W（吸收）= 101 = 10 W（发出）（吸收）P吸= 5+5=10 WP发=P吸 (功率守恒) A1 V2A3 V2 A2 V3mAe t25 V10V10 m A tcos2练习题求各元件吸收或发出的功率，并说明是吸收或发出功率。b.a.c. d.f. ui电阻器、灯泡、电炉等在一定条件下可以用电阻元件作为其模型。一 . 线性电阻元件：任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件，简称电阻。1. 符号R(1) 电压与电流的参考方向设定为一致的方向(关联参考方向) R2. 欧姆定律 (O hms Law) u R iR 称为电阻，是一个正的实常数。 1.4 电阻元件 (resistor) 伏安特性曲线: R tg 伏安特性：电阻元件电压与电流的关系曲线。令 G 1/R G称为电导则 欧姆定律表示为电阻的单位： (欧) (O hm，欧姆)u i0u R i电阻（R）既表示一个电阻元件，又可以表示此元件的参数。电导的单位： S (西) (Siemens，西门子)i G u电阻元件的伏安特性是一条过原点的直线。 (2) 电阻的电压和电流的参考方向相反（非关联参考方向）则欧姆定律写为u Ri 公式必须和参考方向配套使用！ 任何时刻线性电阻元件的电压（或电流）完全由同一时刻的电流（或电压）所决定，而与该时刻以前的电流（或电压）无关，这样，电阻元件常常说成是无记忆元件。ui R或 i Gu 3. 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吸 uip吸 ui功率：Rui ui i2R u2 / R (Ri)i i2 R u(u/ R) u2/ R ui能量：可用功率表示。从 t 到t0电阻消耗的能量： ttR pW 0 d4. 开路与短路对于一电阻R，当 R=0当 R=* 理想导线的电阻值为零。i u0 i u0短路开路R i为有限值时，u=0。u为有限值时，i=0。短路开路 tt ui0 d tt Ri0 2 d iu0 二. 线性时变电阻元件时变电阻：u、I 仍是比例关系，但电阻R是时间t的函数。伏安特性曲线随时间改变。电压电流的约束关系： ut = Rt itit = gt ut三、非线性电阻 非线性电阻元件的伏安特性曲线不是通过原点的直线，电压电流关系不服从欧姆定律，元件的电阻将随电压或电流的变化而改变。)(tu)(ti )(tR u i0 1t 2t 例：有一个100 、1W的碳膜电阻使用于直流电路，问在使用时电流、电压不得超过多大的数值？解：电阻消耗电能而发热利用它来发光发热等电子电路中使用的电阻器及电动机、变压器若电流过大，温度过高，设备会损坏。电压、电流、功率的额定值。铭牌参数中标明。如市售的碳膜、金属膜电阻通常有1/8、1/4、1/2、1及2W各挡，功率损耗较大时选用绕线电阻。 100 、1W uiRPI 1001 mA100RIU 310100100 V10故在使用时电流不能超过100mA，电压不能超过10V。 思考题：如果未标参考方向，欧姆定律应写为 ？还是 ？还是这两式都不对？RiuiRu 一、理想电压源：1. 特点：(a) 电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；(b) 通过它的电流由外电路决定。直流：uS为常数交流： u S是确定的时间函数，如 uS=Umsint电路符号 1.5 电源元件 (source，independent source)实际电源有电池、发电机、信号源等。电源两端电压为uS，其值与流过它的电流 i 无关。su sU直流电压源一般电压源 2. 伏安特性(1) 若u S = 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。 u iO USisu u外电路(2) 若uS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。u i)( 1tu )( 2tu )( 3tu 3. 理想电压源的开路与短路(1) 开路：R(2) 短路：R=0* 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。u=U Sri实际电压源isu usu Ri usUr iu0 sUi=0，u=uS。i ，理想电源出现病态，因此理想电压源不允许短路。 4. 功率：或p吸=uSip发 uS i isu u isu u(i , u s非关联）( i, uS关联 ) 二、理想电流源：1. 特点：(a) 电源电流由电源本身决定，与外电路无关；(b) 电源两端电压由外电路决定。直流：i S 为常数交流: iS是确定的时间函数，如 电路符号iS=Imsint电源输出电流为iS，其值与此电源的端电压 u 无关。iS u 2. 伏安特性IS(1) 若 iS = IS u i0i usi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。直流电源(2) 若i S为变化的电流源i)( 1ti)( 2ti)( 3ti u电流为零的电流源，伏安曲线与 u 轴重合,相当于开路元件。 3. 理想电流源的短路与开路(2) 开路：R(1) 短路：R=04. 实际电流源的产生： i usi R i= iS ，u=0 ，电流源被短路。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。 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。 i uA1 R 一个高电压、高内阻的电压源，在外部负载电阻较小，且负载变化范围不大时，可将其等效为电流源。r =1000 ，US =1000 V， R =12 时 当 R =1 时，u=0.999 V 当 R =2 时，u=1.999 V将其等效为1A的电流源： 当 R =1 时，u=1 V 当 R =2 时，u=2 V与上述结果误差均很小。i usUr R 5. 功率p 发=uis p吸=uis i usi i usi 1. 定义：电路符号受控电压源受控电流源 1.6 受控电源 (非独立源)(controlled source or dependent source)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。受控源又称“非独立”电源。 例:用以前讲过的元件无法表示此电流关系,为此引出新的电路模型电流控制的电流源.一个三极管可以用CCCS模型来表示CCCS可以用一个三极管来实现.RcibRb ic受控源是一个四端元件:输入端口是控制支路，输出端口是受控支路. bi bi控制部分受控部分 bc ii (a) 电流控制的电流源 ( Current Controlled Current Source ) : 电流放大倍数r : 转移电阻 2. 分类：(b) 电流控制的电压源 ( Current Controlled Voltage Source )1i1i CCCS 1i1i CCVS g: 转移电导 :电压放大倍数(c) 电压控制的电流源 ( Voltage Controlled Current Source )(d) 电压控制的电压源 ( Voltage Controlled Voltage Source )1gu1u VCCS 1u1u VCVS 3. 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)直接由控制量决定。(2) 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”。 练习题：电路如图，求各元件的功率，并说明元件实际吸收还是发出功率。u2 u4A3受控源与独立电源有何区别？思考： 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 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。 1.7 基尔霍夫定律 ( Kirchhoffs Laws )一 、 几个名词：(定义)1. 支路 (branch)：组成电路的每一个二端元件，称为一条支路。 对平面电路，每个网眼即为网孔。网孔是 回路，但回路不一定是网孔。2. 结点 (node):4. 回路(loop)：3. 路径(path)：5. 网孔(mesh)：1 2341 2 3 4 56三条或三条以上支路的连接点称为结点。两结点间的一条通路。路径由支路构成。由支路组成的闭合路径。 1 2341 2 3 4 566条支路，4个结点。支路（1346）、（2356）、（1356）等也都构成回路。支路（2346）构成回路。支路（12）、（2346）、（45）构成网孔。 二、基尔霍夫电流定律 (KCL)：电流的代数和是根据电流是流出结点还是流入结点判断。若流出结点的电流前面取“+”号，则流入结点的电流前面取“-”。电流是流入还是流出结点，均根据电流的参考方向判断。对任一结点有在任何集总参数电路中，在任一时刻，对任一结点，所有流出结点的支路电流的代数和恒等于零。 1 23456 1i2i 3i 4i5i 6i7i8i 8条支路，6个结点。对结点1 0 641 iii 流出结点的电流取“+”号，流入结点的电流取“”。 641 iii 或对结点2 0542 iii对结点3 0653 iii 542 iii 635 iii 物理基础:电荷恒定，电流连续性。令流出为“+”(支路电流背离节点)例: 1i2i 3i4i 04321 iiii或4231 iiii A4A7 A10 A121i 2i例: 求i1、 i2 074 1 i Ai 31 0)12(1021 ii Ai 12 (1) 电流实际方向和参考方向之间关系；(2) 流入 、流出结点。KCL可推广到一个闭合面：两种符号: i1+i2+i3=0(其中必有负的电流)1i 2i3i？ 3i 1 23456 2i 4i5i 6i7i 8i 1i 0321 iii对于闭合面有：对结点1 0 641 iii对结点2 0542 iii对结点3 0653 iii 3式相加，即为闭合面S的电流代数和 S 三、基尔霍夫电压定律 (KVL)：对任一回路有上式取和时，需要任意指定一个回路的绕行方向，凡支路电压的参考方向与回路的绕行方向相同时，该电压前面取“+”号，支路电压参考方向与回路绕行方向相反时，该电压前面取“”。在集总电路中，在任一时刻，沿任一回路 ， 所有支路电压的代数和为零。 1 234 1 234 5 61u 3u 5u4u 2u 6u 04321 uuuu对指定回路有 4213 uuuu 由上式可得：上式表明，结点 之间的电压是单值的，不论沿支路3或沿支路1、2、4构成的路径，此两结点间的电压值是相等的。KVL实质上是电压与路径无关这一性质的反映。3 4 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。 bA1 V10V20aa bA1 V10思考题求下列各段电路的uab。a bA1 V10V20 a bA1 V10 思考题求下列各电压uab与电流 i 的关系式。ia bR sUia b sURia bsURia b sUR 例：121sU 2sU1R 2R3R3I 2I1I3U 2U1U。两端的电压求电阻。，电阻 11 21321 13321 UR VUVURRR SS 解：2 1 0221 UUU s 11212 UUUU s对回路2应用KVL，有0113 sUUU对回路1应用KVL，有 1113 3 UUUU s 对结点1应用KCL，有0321 III代入VCR，有0 332211 RURURU 0332 1 111 UUU代入U2和U3的表达式及各电阻值，VVU 8182.01191 121sU 2sU1R 2R3R3I 2I1I3U 2U1U 1R 2R 3Rsu ci例：。两端的电压。求电阻电流控制电流源的电流，电阻331321 50 10215.0 uRii VukRkRkR c S 1i 2i 2u 3u解：先求i1再求u3。 ciii 12 02211 iRiRus2、对回路1应用KVL，有11、对结点1应用KCL，有151i 代入us和R1、 R2及i2表达式，有Ai 31 105.51 103、 u3为13 50102 i ciu 33 102 V4.19 1R 2R 3Rsu ci1i 2i 2u 3u1 KCL、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表明在每一结点上电荷是守恒的；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。 练习题：求各电路的电压 u 和电流 i 。V20 u5 5A2V10i 5A6 V1 i1 A1 iA10u