电路原理第一章基本概念（远程32）课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电路原理,32,1,范承志,电路原理,2011,年,1,月,远程教学课件,浙江大学电工电子教学中心,范承志,电路原理教程,电路原理课程介绍,1,）电路原理是研究电路中发生的电磁现象，利用电路基本理论和基本定律进行分析计算，是理工类学生的一门重要基础课程；,2,）本课程研究内容包括电网络分析计算方法,正弦稳态交流电路分析,动态电路分析等；,3,）课程知识的应用领域包括电气工程及自动化、电力电子、电气信息工程、通信工程、电子仪器及测量、计算机、光电工程等,.,课程特点：,本课程定位为理工类学生的基础课，主要讲述电路的一般分析计算方法，具有较强的理论性。,本课程研究内容是电子线路、信号处理、高频电子线路、自动控制理论、微机控制、计算机、电气驱动、电力电子、电力系统等后续课程的基础。,电路原理课程介绍,课程主要内容,基本概念,(,电路元件,参考方向,基尔霍夫定律,) ;,电路分析方法,(,支路法,回路法,节点法,) ;,电路定理,(,线性定理,戴微南定律, Y,转换,) ;,正弦交流电路的相量计算,阻抗导纳,功率,;,电路谐振,;,正弦交流电路互感现象,对称三相电路计算,;,一阶过渡过程（换路定律，,RL,，,RC,电路，）,主要教材：,电路原理,浙江大学出版社 周庭阳等,电路原理,机械工业出版社 范承志等,电路原理课程介绍,主要参考书：,电路,高教出版社 邱关源,第一章 电路的基本概念和基本定律,主要内容,:,1,电路元件,;,2,电压电流的参考方向,;,3,基尔霍夫定律,;,4,无源电阻网络的简化,;,5 Y,变换,.,第一节 电路和电路元件,1,）,由电气设备以各种方式连接组成的总体称为电路,。,简单电路如手电筒，包括电池、灯泡、开关及连线,复杂的电路如超大规模集成电路、通信网络、自动控制系统、高压电网等。,2,）实际电路元件根据其主要物理性质，抽象成理想化的电路模型元件，这些元件包括,电阻元件、电感元件、电容元件、独立电源元件、受控源元件、二端口和多端元件,等。,3,）电路计算基本物理量及单位：,电流（安培）,1,安培,=1,库仑,/,秒,1A=10,3,mA= 10,6,A,电压（伏特）,1,伏特,=1,焦尔,/1,库仑,1V=10,3,mV= 10,6,V,电功率（瓦特）,1,瓦特,=1,安培*,1,伏特,1KW=10,3,W,电能 （焦尔）,1,焦尔,=1,瓦特*秒,电能 （度）,1,度,= 1,千瓦小时（,KW,h,）,=3.610,6,J,1.1,电阻元件,电阻,：端电压与电流有确定函数关系，体现电能转化为其它形式能量的二端器件，用字母,R,来表示，单位为欧姆,。实际器件如灯泡，电热丝，电阻器等均可表示为电阻元件。,伏安特性是用图形曲线来表示电阻端部电压和电流的关系，当电压电流成比例时（特性为直线），称为,线性电阻,，否则称为,非线性电阻,。,表示符号,伏安特性,U =,f,(,I,),线性电阻的电压电流特性符合欧姆定律,U=RI,U,I,R =,电阻,:,电导,:,I,U,G =,电阻元件消耗的功率：,U,2,R,P=UI=I,2,R=,电阻元件消耗的能量：,W= =P,t,= I,2,R,t,1.2,电容元件,1,）电容元件是体现电场能量的二端元件，用字母,C,来表示，,其单位为法拉 （,F,）。,2,）电容上储存的电荷 与端电压,U,之间关系,3,）当电压和电流如图方向时，有,电容电压与电流具有动态关系,.,1.3,电感元件,1,）电感元件是体现磁场能量的二端元件，用字母,L,来表示，,其单位为亨利 （,F,）。,2,）电感交链的磁通链,与电流,i,之间有,= L,i,3,）当电压和电流如图方向时，有,磁链,电路原理,32,2,范承志,1.4,独立电源元件,1,）独立电压源,独立电压源两端提供一个恒定或随时间按一定规律变化的电压，与流过电压源的电流无关。,右,图是,电压源的常用符号，,Us,表示电压源从正到负有,Us,伏压,降。,非零电压源不能直接短路，两个不等值的电压源不能并联。,当电压源数值,Us = 0,时，相当于一根短路线。,2,）独立电流源,独立电流源端部流出一个恒定或随时间按一定规律变化的电流，与电流源端部电压无关。,右,图是,电流源的常用符号，,I,s,表示电流源端部流出的电流值。,非零电流源不能开路,，两个不等值的电流源不能串联。,当电流源数值,Is = 0,时，相当于电路开路,。,I,1,= Us,1,/ R,1,I,2,= Us,2,/ R,2,I,3,= (Us,1,Us,2,) / R,3,I,11,= I,1,I,3,I,22,= I,2,I,3,电流计算举例,当电压源数值,Us = 0,时，相当于一根短路线。,当,Us,2,= 0 V,时，,I,2,= 0,I,22,= I,3,受控电源是一些实际电路器件的理想化模型，它们的输出电压和电流受到电路中其它部分电压或电流的控制，故又称非独立电源。受控电源分受控电压源和受控电流源，它们为四端元件。,1.5,受控源元件,电流控制电流源,Current Control Current Source,简写为,CCCS,三极管,集电极电流,I,C,受基极电流,I,b,控制。实际三极管元件等效于一个电流控制的电流源。,受控源物理模型,三极管元件,Ic =,I,b,为电流放大系数,受控源模型,受控源类型,电压控制电压源,Voltage Control Voltage Source (VCVS),电压控制电流源,Voltage Control Current Source (VCCS),电流控制电压源,Current Control Voltage Source (CCVS),电流控制电流源,Current Control Current Source (CCCS),含受控源电路计算,例,1,图示电路，已知,Us=10V, R,1,=R,2,=R,3,=10,=10,， 求,R,3,上电压为多少？,解：控制变量,I=,R,3,上电压,受控电压源电压,I=101=10V,第二节 电压电流的参考方向,1,）支路电流的参考方向是任意规定的正电荷运动方向，图示电路表示电流参考方向为从,a,流向,b,。,I=1A,I=1A,电流代数值是在指定参考方向下的数值。,如图电路，若,I=1A,，,则表示实际电流方向与参考方向一致，若,I=,1A,，,则表示实际电流方向与参考方向相反。,2,）电压参考方向是指,电压降落,的方向，可用,+,、,符号表示，也可以用带箭头线表示，如图所示。,电路描述和计算时，首先要设定电压电流的参考方向，然后才能写出表达式，并进行计算。,电路原理,32,3,范承志,支路电压表达式书写,U=IR,U=IR,电阻上电压电流参考方向不同时，欧姆定律有不同的表达式,U=IRUs,U=IRUs,支路电压表达式（,各串联元件电压降之和,）,U=IRUs,U=IRUs,支路电压表达式（,各串联元件电压降之和,）,注意：熟练书写一段支路的电压表达式是书写各种电路方程的基础，必须熟练掌握！,参考方向是电路课程的重要概念，电路中电流的描述和计算都是在一定参考方向下进行，电流的表达式、数值和电路中电流的参考方向是密切相关的。,电路作业解题计算必须画出电路图,并标注电压电流参考方向！,注意：,电路及参考方向如图，已知,R,1,=R,2,=R,3,=10,，,U,s,1,=U,s,2,=U,s,3,=12 V, I,s,1,=1A, I,s,2,=2A, I,s,3,=3A,求,U,ad,。,参考方向应用举例,解：,U,ad,=U,1,U,2,U,3,U,1,=U,s,1,+I,1,R,1,=U,s,1,I,s,1, R,1,=12,110=22 V,例,1,：,U,2,=I,2,R,2,U,s,2,=I,s,2, R,2,+U,s,2,=21012=8 V,U,3,=U,s,3,I,3,R,3,=U,s,3,I,s,3,R,3,=12310=18 V,U,ad,=U,1,U,2,U,3,= 22,(,8),(,18),=12 V,例,2,：,电路如图,已知,求,和电压,。,解：,功率,直流电路中某器件的功率是电,压,(,伏）和电流（安）的乘积,注意,:,上式中,U,、,I,均需设定参考方向,P=UI,功率的单位是瓦,(W),电路原理,32,4,范承志,若器件电压电流参考方向一致（,称作,关联参考方向,），如图所示,关联参考方向,P=UI,0,表示该器件,吸收功率,；,P=UI,0,表示该器件发出功率；,P=UI,0,表示该器件吸收功率；,则功率计算时：,P=UI,功率计算,例,1.,电路及方向如图，已知,Us=10V, Is=2A, R=10,R,求电压源、电流源和电阻的功率。,电阻功率：,P,R,= U,R,I=,20(,2)=40 W,（,消耗功率）,电压源功率：,P,U,= U,S,I=10(,2)=,20 W,（,消耗功率）,电流源功率：,P,I,= U,I,I,S,=302=60 W,（,发出功率）,解：,I=,Is=,2A,U,R,=,IR=,210=,20V,U,I,=,U,R,Us=20,10=30V,最大功率传输,如,图,电路，,R,0,和,U,0,已知，负载,R,可变，问当,R,为多大时它吸收的功率最大？,当,R,变化时，为求,P,的最大值，对,P,求导，并令,最大功率为：,解得,R=R,0,，,此时电阻,R,获得最大功率,解：电阻,R,吸收的功率为,第三节 基尔霍夫定律,支路：,单个或若干个二 端,元件所串联成的电路。,节点：,两条以上支路的交,汇点。,回路,：若干条支路组成的,闭合路径。,6,条,支路,4,个节点,3,条回路,注意：该电路除上述,3,条回路外，还可选择多条不同的回路。,支路、节点、回路的概念,KIRCHHOFFS LAW,1,）基尔霍夫电流定律,电路中任一节点电流的代数和为零,其中流出节点的电流取正号，流入节点的电流取负号。,节点,1,：,I,1,I,2,I,3,=0,节点,2,：,I,3,I,4,I,5,=0,节点,3,：,I,2,I,4,I,6,=0,节点,4,：,I,1,I,5,I,6,=0,Kirchhoffs Current Law (KCL),2,）基尔霍夫电压定律,电路任一闭合回路中各支路电压（元件电压）的代数和为零,支路（元件）电压方向与回路绕行方向一致时取正号，相反时取负号。,回路,1,：,U,2,U,3,U,4,=0,回路,2,：,U,1,U,5,U,3,=0,回路,3 U,4,U,6,U,5,=0,注意：支路电压方向取为与支路电流方向一致。,Kirchhoffs Voltage Law (KVL),回路,1,：,I,3,R,3,I,4,R,4,Us,2,=0,回路,2,：,Us,1,I,5,R,5,I,3,R,3,=0,回路,3,：,I,4,R,4,I,6,R,6,I,5,R,5,=0,把,支路电压用支路元件电压来表示，得：,回路,1,：,I,3,R,3,I,4,R,4,=,Us,2,回路,2,：,I,5,R,5,I,3,R,3,=,Us,1,回路,3,：,I,4,R,4,I,6,R,6,I,5,R,5,= 0,上式可写为,任一支路电阻压降代数和等于电压源代数和,，电阻电流方向与回路方向一致时，,RI,前取正号，反之为负；电压源压降方向与回路方向一致时，,Us,为负，反之为正。,得,KVL,的另一个形式为：,电压降,电压升,利用基尔霍夫定律解复杂电路,右图电路，若电阻和电压源的数值均已知，则由,KCL,和,KVL,得方程：,节点,1,：,I,1,I,2,I,3,=0,节点,2,：,I,3,I,4,I,5,=0,节点,3,：,I,2,I,4,I,6,=0,回路,1,：,I,3,R,3,I,4,R,4,Us,2,=0,回路,2,：,I,5,R,5,I,3,R,3,Us,1,=0,回路,3,：,I,4,R,4,I,6,R,6,I,5,R,5,=0,由,上面,6,个方程可解出,6,个支路电流变量。,第四节 无源电阻网络的简化,1,）一端口网络的简化,一端口网络：任一复杂电路通过两个连接端子与外电路相连。,无源一端口网络：一端口网络内无独立电源，称为无源一端口网络，常用方框加,P,来表示 一个无源网络。,无源一端口网络可简化为一等值电阻。,Ro=R,1,1,利用串并联方法简化,串联电路电压计算,:,分压公式,并联电路电流计算,:,分流公式,2,利用电路的对称性简化,例,1,图示电路，,R,1,=1,，,R,2,=2,，,R,3,=2,，,R,4,=4,，,R,5,=1,，求,R,ab,？,解：由于,R,1,/R,3,=R,2,/R,4,，,一端口网络为平衡电桥，电阻,R,5,上的电压和电流为零，在电路计算时可移去,R,5,电阻，可得,简化规则：,电路中某一条支路电流为零，则该支路可开路,电路中某一条支路电压为零，则该支路可短路,2,）,Y,变换,1,）,Y,变换概念：,Y,型电路,型电路,Y,等效转换,如果左图中,连接的三个电阻,R,12,、,R,23,、,R,31,用,右图,Y,连接的三个电阻,R,1,、,R,2,、,R,3,来替换，,并使流入三个端部的电流和端部电压保持不变,，对于外电路来说，,Y,或,电路,等效，这种变换为,Y,等效转换。,为使得变换后外电路状况不变，,Y,和,连接的电阻数值要满足一定转换关系。,Y,变换电阻等效公式,断开,3,端，,1,2,端电阻应相等,同理，分别断开,2,和,1,端，有等式,由,上面三式，解得,上式为,Y,变换式，已知,电阻，可由上式求,Y,电阻。,由,上面三式可求出逆变换,上式为,Y, ,变换式，已知,Y,电阻，可由上式求,电阻。,等效变换记忆法,R,相邻电阻乘积,R,Y,=,R,R,Y,两两相乘之和,R,=,R,Y,相对电阻,特别当,Y,和,三个电阻相等时，有,R,= 3,R,Y,例,1,已知,R,1,=20,，,R,2,=10 ,，,R,3,=50 ,，,R,4,=30 ,，,R,5,=5 ,，,R,6,=4 ,，,U,S,=10V,，,求支路电流,I,6,=,？,解：把,连接,R,1,、,R,3,、,R,4,转换为,Y,连接，如下图所示，由,Y ,转换式，转换后电阻为：,20,10,50,30,5,6,10,15,10,5,4,由,Ra=10,R,b,=6,Rc,=15,得,6,10,15,10,5,4,例:,电阻网络的简化,.,求,图示电路的等效电阻,.,(1),(2),R,相邻电阻乘积,RY=,R,（3）,（4）,（5）,R,Y,两两相乘之和,R,=,R,Y,相对电阻,本章小结,1,）电路基本器件,：,电阻，电容，电感；,独立电压源，独立电流源；,受控电源：,VCVS,，,VCCS,，,CCVS,，,CCCS,2,）,参考方向：电路分析与计算必须先标出参考方向，功率判别。,3,）,基尔霍夫定律：,KCL KVL,4,）,电路的等效和简化：电压源,/,电流源、,Y/,、,对称性等。,