电路分析电子教案第1章.ppt

主讲教师 曾祥华Email gnsyzxh 电话 13970145219 1 本课程的性质 学科基础类必修课 12门专业学位课程之一 为模电 高频 信号处理和自动控制课程服务 2 特点 非纯理论 数学 性课程 实践性很强 以工程实践的观点来处理电路中的一些问题 3 研究内容 电路的基本概念与定律 电路的基本分析方法 常用的电路定律 动态电路的时域分析 正弦电路的稳态分析 4 教学目标 能够对一般性的 常用的复杂电路进行分析 计算和设计 前言 5 学习方法 重点掌握基本概念 基本电路的分析方法和解题技巧 6 成绩评定 平时 作业10 中考10 读书笔记和上课提问10 末考 70 7 参考书 李瀚逊主编 电路分析基础 第三版 高等教育出版社 张永瑞主编 电路分析基础教程 第二版 西安电子科技大学出版社 秦曾煌主编 电工学上册电工技术 第五版 高等教育出版社 教学内容 1 电路模型和电路定律 4 电路定理 9 正弦稳态电路的分析 2 电阻电路的等效变换 3 电阻电路的一般分析 5 含有运算放大器的电阻电路 6 储能元件 7 一阶电路和二阶电路的时域分析 8 相量法 10 含有耦合电感的电路 11 电路的频率响应 12 三相电路 13 非正弦周期电流电路和信号的频谱 第1章电路模型和电路定律 本章教学内容 返回 本章教学重点 本章教学时数 4 6学时 1 1电路和电路模型 1 实际电路 功能 a能量的传输 分配与转换 b信息的传递 控制与处理 建立在同一电路理论基础上 由电工设备和电气器件按预期目的连接构成的电流的通路 下页 上页 共性 返回 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 2 电路模型 电路图 理想电路元件 有某种确定的电磁性能的理想元件 电路模型 下页 上页 返回 5种基本的理想电路元件 电阻元件 表示消耗电能的元件 电感元件 表示产生磁场 储存磁场能量的元件 电容元件 表示产生电场 储存电场能量的元件 电压源和电流源 表示将其它形式的能量转变成电能的元件 5种基本理想电路元件有三个特征 a 只有两个端子 b 可以用电压或电流按数学方式描述 c 不能被分解为其他元件 下页 上页 注意1 返回 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 其电路模型可以有不同的形式 下页 上页 例 电感线圈的电路模型 注意2 返回 1 2电流和电压的参考方向 本节应掌握的重要知识点 1 什么是电流 电压的参考方向 2 如何表示电流 电压的参考方向 3 电流 电压参考方向关联是如定义 1 2电流和电压的参考方向 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 电流 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 下页 上页 返回 方向 规定正电荷的运动方向为电流的实际方向 单位 1kA 103A1mA 10 3A1 A 10 6A A 安培 kA mA A 元件 导线 中电流流动的实际方向只有两种可能 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 下页 上页 问题 返回 参考方向 任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向 i 0 i 0 实际方向 实际方向 电流的参考方向与实际方向的关系 下页 上页 表明 返回 IAB 电流参考方向如何表示 用箭头表示 箭头的指向为电流的参考方向 用双下标表示 如iAB 电流的参考方向由A指向B 下页 上页 返回 电压U 单位 2 电压的参考方向 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 电位 单位正电荷q从电路中一点移至参考点 0 时电场力做功的大小 实际电压方向 电位真正降低的方向 下页 上页 V 伏 kV mV V 返回 例 已知 4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力做功8J 由b点移动到c点电场力做功为12J 若以b点为参考点 求a b c点的电位和电压Uab Ubc 若以c点为参考点 再求以上各值 解 1 下页 上页 返回 解 2 下页 上页 结论 1电路中电位参考点 电位为0的点 可任意选择 2参考点一经选定 电路各点的电位值就唯一确定 3当选择不同的电位参考点时 电路中各点电位值将改变 但任意两点间电压保持不变 返回 复杂电路或交变电路中 两点间电压的实际方向往往不易判别 给实际电路问题的分析计算带来困难 电压 降 的参考方向 假设高电位指向低电位的方向 下页 上页 问题 返回 电压参考方向如何表示 1 用箭头表示 2 用正负极性表示 3 用双下标表示 U U UAB 下页 上页 返回 元件或支路的u i采用相同的参考方向称之为关联参考方向 反之 称为非关联参考方向 关联参考方向 非关联参考方向 3 关联参考方向 i i u u 下页 上页 返回 分析电路前必须选定电压和电流的参考方向 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 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 例 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 下页 上页 注意 返回 1 3电功率和能量 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 下页 上页 返回 本节应掌握的重要知识点 在电流 电压参考方向确定条件下 1 如何计算功率的大小 2 如何判断功率的性质 2 电路吸收或发出功率的判断 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 下页 上页 返回 例 求图示电路中各方框所代表的元件吸收或产生的功率 下页 上页 已知 U1 1V U2 3V U3 8V U4 4V U5 7V U6 3V I1 2A I2 1A I3 1A 返回 解 对一完整的电路 满足 发出的功率 吸收的功率 下页 上页 注意 返回 解题原则 先判断u i方向的关联性 再确定电路的性质 P251 2 1 a 参考方向相关联 b 参考方向非关联 2 a 吸收功率 b 发出功率 3 a 实际是发出功率 b 实际是发出功率 P251 1 a 图 NA非关联 NB关联 NA发出功率 NB吸收功率 b 图 NA关联 NB非关联 NA吸收功率 NB发出功率 下页 上页 1 4电路元件 是电路中最基本的组成单元 1 电路元件 返回 5种基本的理想电路元件 电阻元件 表示消耗电能的元件 电感元件 表示产生磁场 储存磁场能量的元件 电容元件 表示产生电场 储存电场能量的元件 电压源和电流源 表示将其它形式的能量转变成电能的元件 注意 如果表征元件端子特性的数学关系式是线性关系 该元件称为线性元件 否则称为非线性元件 2 集总参数电路 由集总元件构成的电路 集总元件 假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行 集总条件 下页 上页 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 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出的电流 端子间的电压为单值量 注意 返回 l 实际电路的尺寸 电磁波的波长 1 5电阻元件 2 线性时不变电阻元件 电路符号 电阻元件 对电流呈现阻力的元件 其特性可用u i平面上的一条曲线来描述 任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件 1 定义 伏安特性 下页 上页 0 返回 u i关系 R称为电阻 单位 Ohm 满足欧姆定律 单位 G称为电导 单位 S Siemens u i取关联参考方向 下页 上页 伏安特性为一条过原点的直线 返回 如电阻上的电压与电流参考方向非关联 公式中应冠以负号 说明线性电阻是无记忆 双向性的元件 欧姆定律 只适用于线性电阻 R为常数 则欧姆定律写为 u Rii Gu 公式和参考方向必须配套使用 下页 上页 注意 返回 3 功率和能量 电阻元件在任何时刻总是消耗或吸收功率 p ui Ri i i2R u2 R p ui i2R u2 R 功率 下页 上页 表明 返回 从t0到t电阻消耗的能量 4 电阻的开路与短路 能量 短路 开路 下页 上页 0 0 返回 下页 上页 返回 实际电阻器 小结 1 电导G的定义G 1 R和量纲 西门子 S 2 在电压 电流参考方向确定的情况下 如何写出欧姆定律 3 电阻器件是消耗功率的元件 课后资料检索 如何测量或判断电阻的大小 万用表法或色标法 1 6电压源和电流源 本节应掌握的重要知识点 1 理想电压源的表示方法 参考方向 性质 2 理想电流源的表示方法 参考方向 性质 1 6电压源和电流源 电路符号 1 理想电压源 定义 下页 上页 其两端电压总能保持定值或一定的时间函数 其值与流过它的电流i无关的元件叫理想电压源 返回 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 通过电压源的电流由电源及外电路共同决定 理想电压源的电压 电流关系 直流电压源的伏安关系 下页 上页 例 外电路 电压源不能短路 0 返回 电压源的功率 电压 电流参考方向非关联 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 发出功率 起电源作用 物理意义 下页 上页 电压 电流参考方向关联 物理意义 电场力做功 电源吸收功率 吸收功率 充当负载 返回 例 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 下页 上页 返回 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u无关的元件叫理想电流源 电路符号 2 理想电流源 定义 下页 上页 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 与外电路无关 与它两端电压方向 大小无关 返回 电流源两端的电压由电源及外电路共同决定 直流电流源的伏安关系 下页 上页 0 例 外电路 电流源不能开路 返回 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子被激发产生一定值的电流等 下页 上页 实际电流源的产生 电流源的功率 电压 电流的参考方向非关联 发出功率 起电源作用 电压 电流的参考方向关联 吸收功率 充当负载 返回 例 计算图示电路各元件的功率 解 发出 吸收 满足 P 发 P 吸 下页 上页 返回 问题 如何判断电压源 电流源的功率性质 由u i的参考方向确定 实际电源 干电池 钮扣电池 1 干电池和钮扣电池 化学电源 干电池电动势1 5V 仅取决于 糊状 化学材料 其大小决定储存的能量 化学反应不可逆 钮扣电池电动势1 35V 用固体化学材料 化学反应不可逆 下页 上页 返回 氢氧燃料电池示意图 2 燃料电池 化学电源 电池电动势1 23V 以氢 氧作为燃料 约40 45 的化学能转变为电能 实验阶段加燃料可继续工作 下页 上页 返回 3 太阳能电池 光能电源 一块太阳能电池电动势0 6V 太阳光照射到P N结上 形成一个从N区流向P区的电流 约11 的光能转变为电能 故常用太阳能电池板 一个50cm2太阳能电池的电动势0 6V 电流0 1A 太阳能电池示意图 太阳能电池板 下页 上页 返回 蓄电池示意图 4 蓄电池 化学电源 电池电动势2V 使用时 电池放电 当电解液浓度小于一定值时 电动势低于2V 常要充电 化学反应可逆 下页 上页 返回 直流稳压源 变频器 频率计 函数发生器 下页 上页 返回 发电机组 下页 上页 返回 草原上的风力发电 下页 上页 返回 1 7受控电源 非独立源 本节应掌握的重要知识点 1 四种受控源的表达方法 2 四种受控源的性质 1 7受控电源 非独立源 电路符号 受控电压源 1 定义 受控电流源 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 或电流 控制的电源 称受控源 下页 上页 返回 电流控制的电流源 CCCS 电流放大倍数 根据控制量和被控制量是电压u或电流i 受控源可分四种类型 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 2 分类 四端元件 输出 受控部分 输入 控制部分 下页 上页 返回 受控源电路示意图 下页 上页 返回 g 转移电导 电压控制的电流源 VCCS 电压控制的电压源 VCVS 电压放大倍数 下页 上页 返回 电流控制的电压源 CCVS r 转移电阻 例 电路模型 下页 上页 返回 60 3 受控源与独立源的比较 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 独立源在电路中起 激励 作用 在电路中产生电压 电流 而受控源是反映电路中某处的电压或电流对另一处的电压或电流的控制关系 在电路中不能作为 激励 下页 上页 返回 理想电压源 理想电流源 受控源 例 求 电压u2 解 下页 上页 返回 1 8基尔霍夫定律 基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律 KCL 和基尔霍夫电压定律 KVL 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 下页 上页 返回 如何应用KCL和KVL求解各种电路的电压 电流 并计算功率 本节应掌握的重要知识点 1 几个名词 电路中通过同一电流的同一分支 b 3 a b 支路 结点 下页 上页 三条以上支路的连接点称为结点 n 2 返回 由支路组成的闭合路径 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 3 路径 回路 网孔 网孔是回路 但回路不一定是网孔 下页 上页 注意 返回 2 基尔霍夫电流定律 KCL 令流出为 有 例 在集总参数电路中 任意时刻 对任意结点流出 或流入 该结点电流的代数和等于零 流进的电流等于流出的电流 下页 上页 返回 例 列出各节点电流方程 三式相加得 KCL可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面 广义节点 下页 上页 表明 返回 3 基尔霍夫电压定律 KVL 下页 上页 标定各元件电压参考方向 选定回路绕行方向 顺时针或逆时针 在集总参数电路中 任一时刻 沿任一回路 所有支路电压的代数和恒等于零 返回 U1 US1 U2 U3 U4 US4 0 或 R1I1 R2I2 R3I3 R4I4 US1 US4 下页 上页 KVL也适用于电路中任一假想的回路 注意 返回 各电压的正 负是如何确定的 例 KVL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 KVL方程是按电压参考方向列写 与电压实际方向无关 下页 上页 明确 返回 下页 上页 例1 求电流i 解 例2 解 求电压u 返回 要求 要熟练掌握KCL和KVL的推广应用 下页 上页 例3 求电流i 例4 求电压u 解 解 要求 能熟练求解含源支路的电压和电流 返回 解 下页 上页 例7 求开路电压U 返回 I 0 KCL KVL小结 KCL是对支路电流的线性约束 KVL是对回路电压的线性约束 KCL KVL与组成支路的元件性质及参数无关 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 KCL KVL只适用于集总参数的电路 下页 上页 返回 补充例题 解 下页 上页 例5 求电流I 例6 求电压U 解 返回 附1 9 复习1 1 电流 电压的参考方向如何表示 3 如何判断元件的功率是产生还是吸收 2 电压电流相关联 非关联如何定义 4 欧姆定律的二种表达方式 复习2 1 理想电压源 理想电流源特性 2 受控源的类别 本章习题 第一次作业 P251 3 P261 5 第二次作业 P271 8 P291 15 P301 19 附 电子科学与技术专业12门学位课程 专业基础课 电路分析 模拟电路 数字电路 高频电路 单片机与接口技术 理论物理导论和固体物理 专业主干课程 半导体物理学 微电子器件原理 微电子工艺原理 电磁场与电磁波 微纳电子学概论 附 08电子 电信专业电路分析考试情况 08电子 最高分82 平均分50 35 及格率18 08电信 最高分77 5 平均分51 39 及格率26 123 下页 上页 思考 返回