电路原理课件

电路原理课件电路原理课件第一章第一章 电路模型和电路定电路模型和电路定律律1.电压、电流的参考方向3.基尔霍夫定律2.电阻元件和电源元件的特性重点：重点：1.1 电路和电路模型电路和电路模型功能功能a a 能量的传输、分配与转换；能量的传输、分配与转换；b b 信息的传递、控制与处理。信息的传递、控制与处理。建立在同一电路理论基础上。建立在同一电路理论基础上。由电路部件和电路器件按预期由电路部件和电路器件按预期目的连接构成的电流的通路。目的连接构成的电流的通路。共性共性1.实际电路1.1 电路和电路模型电路和电路模型 反映实际电路部件的主要电磁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。性质的理想电路元件及其组合。2.2.电路模型电路模型导线导线电电池池开关开关灯泡灯泡电路图电路图l理想电路元件理想电路元件有某种确定的电磁性能的理想有某种确定的电磁性能的理想元件。元件。l电路模型电路模型5种基本的理想电路元件：种基本的理想电路元件：电阻元件：电阻元件：表示消耗电能的元件表示消耗电能的元件电感元件：电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的表示产生磁场，储存磁场能量的元件元件电容元件：电容元件：表示产生表示产生电场电场，储存电场能量的元件，储存电场能量的元件电压源和电流源：电压源和电流源：表示将其它形式的能量转变成表示将其它形式的能量转变成 电能的元件。电能的元件。5种种基本理想电路元件有三个特征：基本理想电路元件有三个特征：（a a）只有两个端子；只有两个端子；（b b）可以用电压或电流按数学方式描述；可以用电压或电流按数学方式描述；（c c）不能被分解为其他元件。不能被分解为其他元件。注意1.1 电路和电路模型电路和电路模型具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，在在一定条件下可用同一电路模型表示；一定条件下可用同一电路模型表示；同一实际电路部件在不同的应用条件下，其电路同一实际电路部件在不同的应用条件下，其电路模型可以有不同的形式。模型可以有不同的形式。例例电感线圈的电路模型电感线圈的电路模型1.1 电路和电路模型电路和电路模型1.2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向 电电路路中中的的主主要要物物理理量量有有电电压压、电电流流、电电荷荷、磁磁链链、能能量量、电电功功率率等等。在在线线性性电电路路分分析析中中人人们们主主要要关心的物理量是电流、电压和功率。关心的物理量是电流、电压和功率。l电流电流l电流强度电流强度带电粒子有规则的定向运动带电粒子有规则的定向运动单位时间内通过导体横截面的电荷量单位时间内通过导体横截面的电荷量1.1.电流的参考方向电流的参考方向1.2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向l方向方向 规定正电荷的运动方向为电流的实际方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向l单位单位1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（安培）、（安培）、kA、mA、A元件元件(导线导线)中电流流动的实际方向只有两种可能中电流流动的实际方向只有两种可能:实际方向实际方向AB实际方向实际方向AB 对于复杂电路或电路中的电流随时间变化对于复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断。时，电流的实际方向往往很难事先判断。问题1.2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向l参考方向参考方向 大小大小方向方向(正负）正负）电流电流(代数量代数量)任意假定一个正电荷运动的方任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。向即为电流的参考方向。i 0i 0参考方向参考方向U+参考方向参考方向U+0U假设高电位指向低电假设高电位指向低电位的方向。位的方向。问题+实际方向实际方向+实际方向实际方向1.2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向电压参考方向的三种表示方式：电压参考方向的三种表示方式：(1)(1)用箭头表示：用箭头表示：(2)(2)用正负极性表示用正负极性表示(3)(3)用双下标表示用双下标表示UU+ABUAB1.2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向 元件或支路的元件或支路的u，i 采用相同的参考方向称之为采用相同的参考方向称之为关联关联参考方向。参考方向。反之，称为反之，称为非关联参考方向。非关联参考方向。关联参考方向关联参考方向非关联参考方向非关联参考方向i+-+-iuu3.3.关联参考方向关联参考方向1.2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向分析电路前必须选定分析电路前必须选定电压电压和和电流电流的参考方向的参考方向参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注 (包括方向和包括方向和符号符号)，在计算过程中不得任意改变在计算过程中不得任意改变参考方向不同时，其表达式相差一负号，但电压、参考方向不同时，其表达式相差一负号，但电压、电流的实际方向不变。电流的实际方向不变。例例电压电流参考方向如图中所标，电压电流参考方向如图中所标，问：对问：对A、B两部分电路电压电两部分电路电压电流参考方向关联否？流参考方向关联否？答：答：A电压、电流参考方向非关联；电压、电流参考方向非关联；B电压、电流参考方向关联。电压、电流参考方向关联。注意uBAi1.3 电功率和能量电功率和能量1.1.电功率电功率功率的单位：功率的单位：W(瓦瓦)()(Watt，瓦特，瓦特)单位时间内电场力所做的功。单位时间内电场力所做的功。1.3 电功率和能量电功率和能量2.2.功率的计算功率的计算u,i 取取 关联参考方向关联参考方向：u,i 取非取非关联参考方向关联参考方向：功率正负的含义：功率正负的含义：正正值表示元件消耗（吸收、获得）能量，为负载值表示元件消耗（吸收、获得）能量，为负载负负值表示元件产生（释放、提供）能量，为电源值表示元件产生（释放、提供）能量，为电源1.3 电功率和能量电功率和能量+-IU+-IU 元件上元件上U、I参考方向关联参考方向关联该元件为该元件为电源电源器件器件 元件上元件上U、I参考方向非关联参考方向非关联该元件为该元件为负载负载器件器件1.3 电功率和能量电功率和能量3.3.能量能量一段时间内所做的电功率之和。一段时间内所做的电功率之和。能量的单位：能量的单位：J(J(焦焦)(Joule)(Joule，焦耳，焦耳)正负含义：正负含义：1.4 电路元件电路元件是电路中最基本的组成单元。是电路中最基本的组成单元。1.1.电路元件电路元件常常用用电电路路元元件件负载元件负载元件电源元件电源元件电阻元件电阻元件电容元件电容元件电感元件电感元件独立源独立源受控源受控源电压源电压源电流源电流源1.4 电路元件电路元件2.2.集总参数电路集总参数电路由集总元件构成的电路由集总元件构成的电路集总元件集总元件假定发生的电磁过程都集中在元假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行。件内部进行。集总参数电路中集总参数电路中u、i 可以是时间的函可以是时间的函数，但与空间坐标无关。因此，任何时刻，流数，但与空间坐标无关。因此，任何时刻，流入两端元件一个端子的电流等于从另一端子流入两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。出的电流；端子间的电压为单值量。注意本课程研究：集总参数电路本课程研究：集总参数电路1.5 电阻元件电阻元件l 电路符号电路符号R电阻元件电阻元件对电流呈现阻力的元件。其特性可对电流呈现阻力的元件。其特性可用用ui平面上的一条曲线来描述：平面上的一条曲线来描述：iu任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。伏安伏安特性特性1.1.定义定义2.2.线性时不变电阻元件线性时不变电阻元件伏安特伏安特性为一性为一条过原条过原点的直点的直线线ui01.5 电阻元件电阻元件l ui 关系关系R 称为电阻，衡量电阻元件阻碍电流称为电阻，衡量电阻元件阻碍电流的作用。单位：欧姆的作用。单位：欧姆，(Ohm)满足欧姆定律满足欧姆定律l 单位单位G 称为电导，衡量电阻元件的导电称为电导，衡量电阻元件的导电能力。单位能力。单位：西门子，：西门子，S(Siemens)G=1/R。u R i i G uu R i i G u注意：注意：公式和参考方向必须配套使用！公式和参考方向必须配套使用！Rui-+Rui+-1.5 电阻元件电阻元件电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。p -u i-(-Ri)i i2 R u2/Rp u i i2R u2/Rl 功率功率Rui+-表明Rui-+3.3.功率和能量功率和能量1.5 电阻元件电阻元件从从 t0 到到 t 电阻消耗的能量电阻消耗的能量：l 能量能量uil 短路短路l 开路开路uiRiu+u+i004.4.电阻的开路与短路电阻的开路与短路1.6 电压源和电流源电压源和电流源l电路符号电路符号1.1.理想电压源理想电压源l定义定义i+_其两端电压总能保持定值或一定其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其值与流过它的电的时间函数，其值与流过它的电流流 i 无关的元件叫理想电压源。无关的元件叫理想电压源。1.6 电压源和电流源电压源和电流源电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；与流经它的电流方向、大小无关。与流经它的电流方向、大小无关。通过电压源的电流由电源及通过电压源的电流由电源及外电路共同决定。外电路共同决定。l理想电压源的电压、电流关系理想电压源的电压、电流关系ui直流电压源直流电压源的伏安关系的伏安关系例例Ri-+外电路外电路电压源不能短路！电压源不能短路！01.6 电压源和电流源电压源和电流源例例 计算图示电路中的电流、电压，并验证功率平计算图示电路中的电流、电压，并验证功率平衡。衡。解解发出发出吸收吸收吸收吸收满足满足：P（发发）P（吸吸）i+_+_10V5V-+1.6 电压源和电流源电压源和电流源其输出电流总能保持定值或一定的其输出电流总能保持定值或一定的时间函数，其值与它的两端电压时间函数，其值与它的两端电压u 无关的元件叫理想电流源。无关的元件叫理想电流源。l 电路符号电路符号2.2.理想电流源理想电流源l 定义定义u+_l 理想电流源的电压、电流关系理想电流源的电压、电流关系电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关；与它两端电压方向、大小无关。关；与它两端电压方向、大小无关。1.6 电压源和电流源电压源和电流源电流源两端的电压由电源及外电路共电流源两端的电压由电源及外电路共同决定。同决定。ui直流电流源的直流电流源的伏安关系伏安关系0例例Ru-+外电路外电路电流源不能开路！电流源不能开路！1.6 电压源和电流源电压源和电流源计算图示电路各元件的功率计算图示电路各元件的功率解解发出发出吸收吸收满足满足：P（发）（发）P（吸）（吸）u2Ai+_5V-+is1.7 受控电源受控电源(非独立源非独立源)l 电路符号电路符号+受控电压源受控电压源1.1.定义定义受控电流源受控电流源 电压或电流的大小和方向不是给定电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是受电路中某个地方的电压的时间函数，而是受电路中某个地方的电压(或电或电流流)控制的电源，称受控源。控制的电源，称受控源。1.7 受控电源受控电源(非独立源非独立源)电流控制的电流源电流控制的电流源 (CCCS):电流放大倍数电流放大倍数 根据控制量和被控制量是根据控制量和被控制量是电压电压u 或或电流电流i，受控源，受控源可分可分四种类型四种类型：当被控制量是电压时，用受控电压：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。源表示；当被控制量是电流时，用受控电流源表示。2.2.分类分类四端元件四端元件输出：受控部分输出：受控部分输入：控制部分输入：控制部分 i1+_u2i2_u1i1+1.7 受控电源受控电源(非独立源非独立源)g:转移电导转移电导 电压控制的电流源电压控制的电流源 (VCCS)电压控制的电压源电压控制的电压源 (VCVS):电压放大倍数电压放大倍数 gu1+_u2i2_u1i1+i1u1+_u2i2_u1+_1.7 受控电源受控电源(非独立源非独立源)电流控制的电压源电流控制的电压源 (CCVS)r:转移电阻转移电阻 例例电路模型电路模型ibicibri1+_u2i2_u1i1+_1.7 受控电源受控电源(非独立源非独立源)3.3.受控源与独立源的比较受控源与独立源的比较独独立立源源电电压压(或或电电流流)由由电电源源本本身身决决定定，与与电电路路中中其其它它电电压压、电电流流无无关关，而而受受控控源源电电压压(或或电流电流)由控制量决定。由控制量决定。独独立立源源在在电电路路中中起起“激激励励”作作用用，在在电电路路中中产产生生电电压压、电电流流，而而受受控控源源是是反反映映电电路路中中某某处处的的电电压压或或电电流流对对另另一一处处的的电电压压或或电电流流的的控控制制关关系系，在电路中不能作为在电路中不能作为“激励激励”。1.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律例例电路的约束电路的约束元件约束元件约束拓扑约束拓扑约束电压电流关系（电压电流关系（VCRVCR）基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律（基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律（KCLKCL）和基）和基尔霍夫电压定律尔霍夫电压定律(KVLKVL)。它反映了电路中所有支路。它反映了电路中所有支路电压和电流所遵循的基本规律，是分析集总参数电压和电流所遵循的基本规律，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。了电路分析的基础。1.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律例例1.1.几个术语几个术语电路中通过同一电流的分支。电路中通过同一电流的分支。元件的连接点称为结点。元件的连接点称为结点。b=3an=4b+_R1uS1+_uS2R2R3支路支路电路中每一个两端元件就叫电路中每一个两端元件就叫一条支路。一条支路。i3i2i1结点结点b=5或三条以上支路的连接点称或三条以上支路的连接点称为结点。为结点。注意 两种定两种定义分别用在不同义分别用在不同的场合。的场合。n=21.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律例例由支路组成的闭合路径。由支路组成的闭合路径。两结点间的一条通路。由支路两结点间的一条通路。由支路构成构成对对平面电路平面电路，其内部不含任其内部不含任何支路的回路称网孔。何支路的回路称网孔。l=3123路径路径回路回路网孔网孔网孔是回路，但回路不一定是网孔。网孔是回路，但回路不一定是网孔。+_R1uS1+_uS2R2R3注意m=21.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律(KCL)例例2.2.基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律 (KCL)令流出为令流出为“+”，流入为，流入为“-”-”有：有：例例 在在集集总总参参数数电电路路中中，任任意意时时刻刻，对对任任意意结结点点流流出（或流入）该结点电流的代数和等于零。出（或流入）该结点电流的代数和等于零。流进流进的电的电流等流等于流于流出的出的电流电流1.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律(KCL)例例例例三式相加得：三式相加得：KCL可推广应用于电路中包围多个结点可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面。的任一闭合面。1 3 2表明1.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律(KCL)KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中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；任意结点处的反映；KCL是对结点处支路电流间的约束，与支路是对结点处支路电流间的约束，与支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；非线性无关；KCL方程是按电流参考方向列写的，与电方程是按电流参考方向列写的，与电流实际方向无关。流实际方向无关。明确1.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律(KVL)3 3.基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律 (KVL)U3U1U2U4标标定定各各元元件件电电压压参参考方向考方向 选选定定回回路路绕绕行行方方向向，顺时针或逆时针顺时针或逆时针.I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_在在集总参数电路中，任一时刻，集总参数电路中，任一时刻，沿任一回路，沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零所有支路电压的代数和恒等于零。与与 绕绕 行行 方方 向向 一一 致致 取取“+”+”，相反取，相反取“-”-”1.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律(KVL)U1US1+U2+U3+U4+US4=0U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4U3U1U2U4I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_KVL也适用于电路中任一假想的回路。也适用于电路中任一假想的回路。注意1.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律(KVL)例例KVL的实质反映了电路遵从能量守恒定律的实质反映了电路遵从能量守恒定律;KVL是对回路中的支路电压间的约束，与回路是对回路中的支路电压间的约束，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；还是非线性无关；KVL方程是按电压参考方向列写，与电压实际方程是按电压参考方向列写，与电压实际方向无关。方向无关。明确aUsb_-+U2U11.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律例例1解解I1-10V10V+-1AI=?10求电流求电流 I例例2求电压求电压 U解解4V+-10AU=?2+-3AI1.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律解解10V+-3I2U=?I=055-+2I2 I25+-例例3求开路电压求开路电压 U