A第一章基本概念和定律.ppt

,南昌航空大学电工电子教研部,第一章电路模型和电路定律,教学目的和要求：1、理解电路模型的概念；2、牢固掌握基尔霍夫定律和电路基本元件的伏安关系；3、掌握电功率和能量的计算。,重点：1、参考方向2、功率性质的判别3、电路元件的伏安特性4、KCL、KVL,难点：1、参考方向2、功率性质的判别3、KCL、KVL,1.1电路和电路模型（model),定义：电器元件或设备按一定方式连接而构成的电流的通路。作用：（1）能量转换：实现电能传送、分配、控制、转换等。（2）信号处理：实现电信号产生、加工、传输、变换等。,1、电路：,（1）电能的传输和转换,（2）信号的传递和处理,（1）电源：供给电能的设备。,（2）负载：消耗电能的设备。,（3）中间环节（又称传输控制环节）：,把其它形式的能量转换为电能。,把电能转换为其它形式的能量。,各种控制电器和导线，起传输、分配、控制电能的作用。,组成：,2、电路理论主要研究电路中发生的电磁现象，并用电流、电荷、电压、磁通等物理量描述其中的过程。,3、电路理论的目标是计算电路中各器件的端子电流和端子间的电压，而不研究器件内部发生的物理过程。,4、电路分类：,线性非线性,时变时不变,集中参数分布参数,静态动态,激励与响应满足叠加性和齐次性的电路。,电路元件参数不随时间变化。,电路几何尺寸远小于最小工作波长的电路。,含有动态元件的电路。,C=3108m/s,实际电路,电路模型,开关,5.电路模型(circuitmodel),电路模型：理想元件组成的电路。,？,理想元件：为了对实际电路进行分析研究，把各种各样的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。,理想电阻元件：表示消耗电能的元件,理想电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件,理想电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件,理想电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件,注意:,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,例,1.2电流和电压的参考方向(referencedirection),电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。,1.电流的参考方向(currentreferencedirection),电流定义,电流强度,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,a.实际正方向即物理中规定的方向,正电荷移动的方向,电流方向,电流方向,单位,1kA=103A1mA=10-3A1A=10-6A,A（安培）、kA、mA、A,方向,电路分析中的假设正方向（参考方向）,问题的提出：在复杂电路中难于判断元件中物理量的实际方向，电路如何求解？,电流方向AB？,电流方向BA？,b.参考正方向:,1.任意假定;,2.若实际方向与参考正方向相同,则I为正值;,3.若实际方向与参考正方向相反,则I为负值;,I=1A,I=-1A,箭头,双下标,Iab,电流：,c.表示方法,在分析电路时,首先要假定电流的参考正方向,并以此为准去分析计算,最后从答案的正负来判定电流的实际方向.,=-Iba,单位,方向,a.实际方向规定:从高电位点指向低电位点，即电压降的方向。,b.参考正方向：,；若实际方向与参考正方向相同,则为正值；,否则为负值,任意假定,2.电压的参考方向(voltagereferencedirection),电压定义,单位正电荷q从电路中一点移至另一点时电场力做功（W）的大小,V(伏)、kV、mV、V,c.表示方法,元件的电压和电流取一致的参考方向；即满足“水”往低处流的方向。,3.关联参考方向,u,支路电压表达式书写,关联方向U=IR,非关联方向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）,a,b,c,U=IRUs,U=IRUs,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！,注意：参考方向是电路课程的重要概念，电路中电压及电流的描述和计算都是在一定参考方向下进行，电压及电流的表达式、数值和电路中电压及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！,关于电路中物理量的方向,实际（正）方向：是一种物理现象（实际存在的）。电流：正电荷移动的方向。电压：高电位指向低电位。,关联参考方向：电压、电流的参考方向相互关联，即只能任意假定两个量中的一个量的参考（正）方向，另一个物理量的参考（正）方向必须以该物理量的方向来确定。,参考（正）方向：为分析电路模型而任意假设的电流、电压方向。可从计算结果验证所取参考（正）方向是否为实际（正）方向。,1.3电路元件的功率(power),1.电功率,功率的单位：W(瓦)(Watt，瓦特),能量的单位：J(焦)(Joule，焦耳),单位时间内电场力所做的功。,如果u、i方向不一致结果如何？,功率有无正负？,2.电路吸收或发出功率的判断,u,i取关联参考方向,p=ui,u,i取非关联参考方向,p=-ui,p=ui0表示该器件吸收功率；p=ui0表示该器件吸收功率；P=-ui05）无记忆元件：u(t)=Ri(t),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。,pui(Ri)ii2Ru(u/R)u2/R,puii2Ru2/R,功率：,从t到t0电阻消耗的能量：,4.电阻的开路与短路,能量：,短路,开路,5.其它电阻元件,时变：,负电阻：,随时间变化,伏安特性在二、四象限；,实际为一个发出电能的元件；,一般需要专门设计。,1.5电源元件(independentsource),1.理想电压源(简称电压源),能独立向外电路提供恒定电压的二端元件。,特点：(1）输出电压不变，其值恒等于电动势。即uabuS(或uabUS)；,（3）电压源可以开路，但不能短路；,（4）电压源可以串联使用。,（2）电源中的电流由外电路决定；,+US1-,+US2-,+US-,US=US1+US2,+US1-,-US2+,US=US1-US2,电压源中的电流由外电路决定,设:US=10V,当R1R2同时接入时：I=10A,电压源特点（续）,5、电压源可能发出功率,也可能电压源吸收功率。,I,E,+,_,a,b,U,R1,R,求I、U,与R1支路无关。,(6)与电压源并联的电路对其它部分电路来说相当于开路.,例1:,求下列各电路的等效电源,解:,2.理想电流源(简称电流源),能独立向外电路提供恒定电流的二端元件。,特点：（1）输出电流不变，其值恒等于电流源电流IS；,（2）输出电压由外电路决定；,（4）电流源可以并联使用；,（3）电流源不可以开路，但可以短路；,（5）电流源可能发出功率也可能吸收功率。,IS1,IS2,IS1,IS2,IS,IS=IS1+IS2,IS=IS1-IS2,电流源两端电压由外电路决定,设:IS=1A,I,US,R,_,+,a,b,Uab=?,Is,原则：Is不能变，US不能变。,电压源中的电流I=IS,电流源两端的电压,当IS=1A,US=2V,R=1时,电路中各元件功率消耗情况?若R=2,4时又怎样?,例题,I,U,IS,求I、U？,I、U与R1无关。,R1,（6）与电流源串联的电路对其它部分电路来说相当于短路.,例:,求下列各电路的等效电源,解:,电压源与电流源特性比较,Uab的大小、方向均为恒定，外电路负载对Uab无影响。,I的大小、方向均为恒定，外电路负载对I无影响。,输出电流I可变-I的大小、方向均由外电路决定,端电压Uab可变-Uab的大小、方向均由外电路决定,1、定义：受控电压源的电压和受控电流源的电流都不是给定的时间函数，而是受电路中某部分的电压或电流控制的，故受控源又称为非独立电源。,2、电路结构特征：具有两条支路：受控电流源或电压源所在支路受控支路控制电流或电压所在支路控制支路,1.6受控电源(非独立源)(controlledsourceordependentsource),3、受控源电路模型（四端元件）：,（1）电压控制电压源,（2）电压控制电流源,U1,gU1,VoltageControlledVoltageSource,U1,U1,（VCVS),（VCCS),VoltageControlledCurrentSource,U2=U1,I2=gU1,例:电子三极管,例:场效应管,g:转移电导（具有电导量纲）,:电压放大倍数（量纲为一）,+U2_,I2,（3）电流控制电压源,（4）电流控制电流源,I1,I1,I1,I1,CurrentControlledVoltageSource,（CCVS),（CCCS),CurrentControlledCurrentSource,U2=I1,I2=I1,例:直流发电机,例:晶体三极管,:电流放大倍数（量纲为一）,r:转移电阻（具有电阻的量纲）,4、受控源特点：,（1）非独立的电源：不能独立向外电路提供能量。,（2）具有两重性：电源性、电阻性。,注意：独立电源在电路中可以独立地起“激励”作用，是实际电路电能或电信号的“源泉”。,受控源是描述电子器件中某一支路对另一支路控制作用的理想模型，表示一处的电路变量与另一处电路变量之间的耦合关系，本身不直接起“激励”作用。,支路：流过同一电流的分支。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8个回路,支路、节点、回路的概念,1.7基尔霍夫定律(KirchhoffsLaws),(一)基尔霍夫电流定律（KCL）,对任何集总参数电路的任何节点，在任一瞬间，流入节点的电流等于由节点流出的电流,基尔霍夫电流定律的依据：电流的连续性,例,或者说，在任一瞬间，一个节点上电流的代数和为0。,节点1：I1I2I3=0节点2：I3I4I5=0,节点3：I2I4I6=0节点4：I1I5I6=0,*正负号约定,电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。,I1+I2=I3,I=0,基尔霍夫电流定律的扩展,I=?,(二)基尔霍夫电压定律（KVL）,在集总参数电路中，对电路中的任一回路，沿任意循行方向转一周，其电位升等于电位降。或各电压的代数和为0。,即：,回路1：I3R3+I4R4+US2=0回路2：-I3R3-I5R5+US1=0回路3:I4R4+I6R6-I5R5=0注意：支路电压方向与支路电流方向尽量选取一致。,*正负号约定,基尔霍夫电压定律的推广：可应用于回路的部分电路,UUAUBUAB=0或UABUAUB,E=U+RI或UERI,注,列方程时，要先在电路图上标出电流、电压或电动势的参考方向。,讨论:电路中电压电流的变化遵循两类约束条件:第一类是元件特性关系(电压电流关系VCR),第二类是元件连接关系(拓扑约束)基尔霍夫定律,例题,图示电路，求电压U和电流I及受控源的功率。,解：,-2-2I-2I-6U+10=0,由KVL，有,-4I-6U=-8,又有,U=2I+2,联立解得,U=1.5v,I=-0.25A,受控源:,(具有电源性),P=6UI,=-2.25W,若受控源:6UU,U,U=4VI=1A,(具有电阻性),例题,P=UI,=4W,例：电路及参考方向如图，已知R1=R2=R3=10，Us1=Us2=Us3=12V,Is1=1A,Is2=2A,Is3=3A,求Uad。解：Uad=U1U2U3U1=Us1+I1R1=Us1Is1R1=12110=22V,例题,U2=I2R2Us2=Is2R2+Us2=21012=8VU3=Us3I3R3=Us3Is3R3=12310=18VUad=U1U2U3=22(8)(18)=12V,例：电路及参考方向如图，求Uab。解：I2=0I3=5AI1=20/(12+8)=1AUab=8I1+2I2+2-3I3=-5V,例题,I2,I3,I1,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表明在每一节点上电荷是守恒的；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。,3,3,解,解,解,本章小结,1）电路基本器件：电阻元件；独立电压源，独立电流源；受控电源：VCVS，VCCS，CCVS，CCCS2）参考方向：电路分析与计算必须先标出参考方向，功率判别。功率的计算3）基尔霍夫定律：KCLKVL,本章作业：,P24P301-3、1-5、1-10、1-16、1-19、1-20,本章作业：,P24P301-3、1-5、1-10、1-16、1-19、1-20,课堂练习：1-4、1-8、1-9、1-17,