補充知識：電路的基本定律與分析方法.ppt

1,1.1 電路的基本概念,1.2 電路的基本定律,1.3 電路的分析方法,電路的基本定律與分析方法,第1章,2,1.1 電路的基本概念,1.1.1 電路的組成及作用,3,電源（或信號源）：,提供電能（或信號）的部分；,負(fù) 載：,吸收或轉(zhuǎn)換電能的部分；,中間環(huán)節(jié)：,連接和控制電源和負(fù)載的部分；,電路中各部分在正常工作時，必須工作在額定狀態(tài)！即電源、負(fù)載、導(dǎo)線等都有相應(yīng)的額定值。,注意！,4,1.1.2 電流和電壓的參考方向,電流和電壓的正方向：,實際正方向：,物理中對電量規(guī)定的方向。,電流I,電動勢E,電壓U,正電荷移動的方向,電位升高的方向,電位降落的方向,A, kA, mA, A,V, kV, mV, V,V, kV, mV, V,5,假設(shè)正方向（參考方向）,在分析計算時，對電量人為規(guī)定的方向。,在復(fù)雜電路中難于判斷元件中物理量的實際方向，電路如何求解？,問題的提出,電流方向 AB？,電流方向 BA？,參考方向的表示方法,電流：,電壓：,2. 電路基本物理量的參考方向,注意： 在參考方向選定后,電流(或電壓)值才有正負(fù)之分。,實際方向與參考方向一致，電流(或電壓)值為正值； 實際方向與參考方向相反，電流(或電壓)值為負(fù)值。,實際方向與參考方向的關(guān)系,I = 0.28A,I = 0.28A,電動勢為E =3V 方向由負(fù)極指向正極；,例: 電路如圖所示。,電流I的參考方向與實際方向相同，I=0.28A,由流向,反之亦然。,電壓U的參考方向與實際方向相反, U= 2.8V;,即: U = U,電壓U的參考方向與實際方向相同, U = 2.8V, 方向由 指向；,2.8V, 2.8V,1.1.3 歐姆定律,U、I 參考方向相同時,U、I 參考方向相反時,表達(dá)式中有兩套正負(fù)號： (1) 式前的正負(fù)號由U、I 參考方向的關(guān)系確定；,(2) U、I 值本身的正負(fù)則說明實際方向與參考方向 之間的關(guān)系。,通常取 U、I 參考方向相同。,U = I R,U = IR,解: 對圖(a)有, U = IR,例: 應(yīng)用歐姆定律對下圖電路列出式子，并求電阻R。,對圖(b)有, U = IR,電流的參考方向 與實際方向相反,電壓與電流參 考方向相反,10,練習(xí),R=3K ,Uab= -6V,I1=2A,I3=-3A,I2=1A,5 ,5 ,5 ,a,b,c,d,Uab =？ Ubc=？ Uca=？,11,負(fù)載電阻,1.1.4 電源的工作狀態(tài),1.有載工作狀態(tài),電源電動勢,電源內(nèi)阻,電路電流:,電源端電壓:,12,2.開路狀態(tài),I = 0,U=U0=E,3.短路狀態(tài),U = 0,13,1.理想電壓源 （恒壓源）:,特點：(1）輸出電 壓不變，其值恒等于電動勢。 即 Uab E；,（2）電源中的電流由外電路決定。,1.1.5 電路模型與理想電路元件,14,恒壓源中的電流由外電路決定,設(shè): E=10V,當(dāng)R1 R2 同時接入時： I=10A,15,2、理想電流源 （恒流源):,特點：（1）輸出電流不變，其值恒等于電 流源電流 IS；,IS,伏 安 特 性,（2）輸出電壓由外電路決定。,16,恒流源兩端電壓由外電路決定,設(shè): IS=1 A,17,恒壓源與恒流源特性比較,Uab的大小、方向均為恒定， 外電路負(fù)載對 Uab 無影響。,I 的大小、方向均為恒定， 外電路負(fù)載對 I 無影響。,輸出電流 I 可變 - I 的大小、方向均 由外電路決定,端電壓Uab 可變 - Uab 的大小、方向 均由外電路決定,18,3、理想受控源,在電路中起電源作用，但其電壓或電流受電路其他部分控制的電源。,受控源,壓控電壓源：VCVS,流控電壓源：VCCS,壓控電流源：CCVS,流控電流源：CCCS,19,理想受控源的分類,20,獨立源和受控源的異同,相同點：兩者性質(zhì)都屬電源，均可向電路 提供電壓或電流。,不同點：獨立電源的電動勢或電流是由非電 能量提供的，其大小、方向和電路 中的電壓、電流無關(guān)； 受控源的電動勢或輸出電流，受電 路中某個電壓或電流的控制。它不 能獨立存在，其大小、方向由控制 量決定。,21,歐姆定律 基爾霍夫定律 基爾霍夫電流定律（KCL） 基爾霍夫電壓定律（KVL）,1.2 電路的基本定律,22,注意：用歐姆定律列方程時，一定要在 圖中標(biāo)明正方向。,1.2.1 歐姆定律,1. 2.2 基爾霍夫定律,支路：電路中的每一個分支。 一條支路流過一個電流，稱為支路電流。,結(jié)點：三條或三條以上支路的聯(lián)接點。,回路：由支路組成的閉合路徑。,網(wǎng)孔：不含支路的回路。,24,支路：ab、ad、 . （共6條）,回路：abda、 bcdb、 . （共7 個）,節(jié)點：a、 b、 . (共4個）,25,1. 基爾霍夫電流定律(KCL),對任何節(jié)點，在任一瞬間，流入節(jié)點的電流等于由節(jié)點流出的電流?；蛘哒f，在任一瞬間，一個節(jié)點上電流的代數(shù)和為 0。, I = 0,即：,對a節(jié)點：,或：,設(shè)流入節(jié)點取“+”，流出節(jié)點取“-”。,26,KCL還適用于電路的任意封閉面。,I1+I2 + I3=0,基爾霍夫電流定律的擴(kuò)展,證明：,a:,b:,c:,I=0,I=?,計算圖示電路中的未知電流 I 。,I,解：,2 - 3 - 4 - I=0,I= 2 - 3 - 4=-5A,利用擴(kuò)展的KCL列方程：,28,例:,廣義結(jié)點,IA + IB + IC = 0,2 基爾霍夫電壓定律（KVL定律),1定律,即： U = 0,在任一瞬間，從回路中任一點出發(fā)，沿回路循行一周，則在這個方向上電位升之和等于電位降之和。 在任一瞬間，沿任一回路循行方向，回路中各段電壓的代數(shù)和恒等于零。,對回路1：,對回路2：,E1 = I1 R1 +I3 R3,I2 R2+I3 R3=E2,或 I1 R1 +I3 R3 E1 = 0,或 I2 R2+I3 R3 E2 = 0,基爾霍夫電壓定律（KVL） 反映了電路中任一回路中各段電壓間相互制約的關(guān)系。,1列方程前標(biāo)注回路循行方向；,電位升 = 電位降 E2 =UBE + I2R2, U = 0 I2R2 E2 + UBE = 0,2應(yīng)用 U = 0列方程時，項前符號的確定： 如果規(guī)定電位降取正號，則電位升就取負(fù)號。,3. 開口電壓可按回路處理,注意：,對回路1：,例：,對網(wǎng)孔abda：,對網(wǎng)孔acba：,對網(wǎng)孔bcdb：,R6,I6 R6 I3 R3 +I1 R1 = 0,I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0,I4 R4 + I3 R3 E = 0,對回路 adbca，沿逆時針方向循行：, I1 R1 + I3 R3 + I4 R4 I2 R2 = 0,應(yīng)用 U = 0列方程,對回路 cadc，沿逆時針方向循行：, I2 R2 I1 R1 + E = 0,32,33,練習(xí)：,求圖示電路中的電流I 1 、I 2,【解】 選擇回路1 的繞行方向如圖所示，列節(jié)點a 的電流方程 I1 - I 2+ 1=0 列回路1 的電壓數(shù)值方程 - 30+ 8I1+ 3 I2 = 0 解上面兩個方程得 I 1 = 3A I 2 =2 A,34,作業(yè)：,35,1.3 電路的分析方法,電路分析通常是已知電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，電路中的基本物理量。分析的依據(jù)是電路的基本定律。,對于簡單電路，通過串、并聯(lián)關(guān)系即可求解。如,36,對于復(fù)雜電路（如下圖）僅通過串、并聯(lián)無法求解， 必須經(jīng)過一定的解題方法，才能算出結(jié)果。,如：,37,未知：各支路電流,解題思路：根據(jù)電路的基本定律，列節(jié)點 電流和回路電壓方程，然后聯(lián)立求解。,1.3.1 支路電流法,已知：電路結(jié)構(gòu)和參數(shù),38,關(guān)于獨立方程式的討論,問題：在用基爾霍夫電流定律或電壓定律列方程時，可以列出多少個獨立的KCL、KVL方程？,3條支路；2個節(jié)點；3個回路，2個網(wǎng)孔,KCL方程：,節(jié)點a：,節(jié)點b：,KVL方程：,獨立方程只有 1 個,#1：,#2：,#3：,獨立方程只有 2 個,39,設(shè)：電路中有n個節(jié)點，b個支路,n=2、b=3,小 結(jié),40,用支路電流法解題步驟,1. 對每一支路假設(shè)一未知電流（I1Ib）；,4. 解聯(lián)立方程組，得 I1Ib 。,2. 列n-1個節(jié)點電流方程；,3. 列 b -（n-1）個回路（取網(wǎng)孔）電壓方程；,設(shè)：電路中有n個節(jié)點，b個支路,41,節(jié)點a：,列3個獨立KCL方程,節(jié)點c：,節(jié)點b：,節(jié)點數(shù) N=4 支路數(shù) B=6,列3個獨立KVL方程（網(wǎng)孔）,電壓、電流方程聯(lián)立求得：I1I6,42,支路電流法的優(yōu)缺點,優(yōu)點：支路電流法是電路分析中最基本的 方法之一。只要根據(jù)KCL、KVL、 歐姆定律列方程，就能得出結(jié)果。,缺點：電路中支路數(shù)多時，所需方程的個 數(shù)較多，求解不方便。,手算時，適用于支路數(shù)較少的電路。,43,1.電壓源與電流源的等效變換,伏安特性,實際電壓源模型,E,1.3.2 電源等效變換法,內(nèi)阻,串！,E/RO,開路點,短路點,I U ,44,實際電流源模型,并！,伏安特性,IS,ISRO,開路點,短路點,I U ,內(nèi)阻,45,兩種電源的等效互換,等效互換的條件：對外的電壓電流相等。,I = I Uab = Uab,即：外特性一致,46,47,等效變換的注意事項,（1）“等效”是指“對外”等效（等效互換前后對外伏-安特性一致），對內(nèi)不等效。,RO中不消耗能量,RO中則消耗能量,對內(nèi)不等效,對外等效,48,(2) 注意轉(zhuǎn)換前后 E 與 Is 的方向,E與IS方向一致！,49,(3) 恒壓源和恒流源不能等效互換,恒壓源和恒流源伏安特性不同！,(4) 在進(jìn)行等效變換時，與恒壓源串聯(lián)的電阻和與恒流源并聯(lián)的電阻可以作為其內(nèi)阻處理。,50,(5) 串聯(lián)的恒壓源可以合并，并聯(lián)的恒流源可以合并。,51,利用電源的等效變換分析電路,變換,合并,簡化電路,1、所求支路不得參與變換；,2、與恒壓源并聯(lián)的元件、與恒流源串聯(lián)的元件對外電路不起作用。,52,1.3.3 疊加原理,在多個電源同時作用的線性電路中，任何支路的電流或任意兩點間的電壓，都是各個電源單獨作用時所得結(jié)果的代數(shù)和。,+,概念,53,+,I1 =,I1 =,54,55,證明：,利用支路電流法求解,解得：,56,應(yīng)用疊加定理要注意的問題,1. 迭加定理只適用于線性電路中電壓電流的計算，不能計算功率；,57,58,名詞解釋,無源二端網(wǎng)絡(luò)： 二端網(wǎng)絡(luò)中沒有電源,有源二端網(wǎng)絡(luò)： 二端網(wǎng)絡(luò)中含有電源,1.3.4 等效電源定理,59,等效電源定理,有源二端網(wǎng)絡(luò)用電源模型替代，便為等效 電源定理。,60,戴維南定理,注意：“等效”是指對端口外（R）等效,有源二端網(wǎng)絡(luò)用電壓源模型等效。,61,等效電壓源的內(nèi)阻等于有源 二端網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)無源二端網(wǎng)絡(luò) 的輸入電阻。（有源網(wǎng)絡(luò)變 無源網(wǎng)絡(luò)的原則是：恒壓源 短路，恒流源開路）,等效電壓源的電動勢 （E）等于有源二端 網(wǎng)絡(luò)的開端電壓U0,62,戴維南定理的證明,=,原圖（ a ）用疊加原理計算，得,從（ a ）圖的戴維南等效電路（ b ）中計算，得,等效！,63,戴維南定理的應(yīng)用,應(yīng)用戴維南定理分析電路的步驟：,1,將待求支路畫出，其余部分就是一個有源二端網(wǎng)絡(luò)；,2,求有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓；,3,求有源二端網(wǎng)絡(luò)的等效內(nèi)阻；,4,畫出有源二端網(wǎng)絡(luò)的等效電路；,5,將（1）中畫出的支路接入有源二端網(wǎng)絡(luò)，由此電路計算待求量；,64,等效電源定理中等效電阻的求解方法,求簡單二端網(wǎng)絡(luò)的等效內(nèi)阻時，用串、并聯(lián)的方法即可求出。如前例：,65,不能用簡單 串/并聯(lián) 方法 求解， 怎么辦？,求某些二端網(wǎng)絡(luò)的等效內(nèi)阻時，用串、并聯(lián)的方法則不行。如下圖：,A,Ro,C,R1,R3,R2,R4,B,D,R0,66,求 開端電壓 Uo 與 短路電流 Is,開路、短路法,67,電位的概念：,1.3.5 電位的計算,68,電位值是相對的,參考點選得不同，電路中其它各點的電位也將隨之改變； 電路中兩點間的電壓值是固定的，不會因參考點的不同而改變。,電位和電壓的區(qū)別,注意,69,電路如圖示：,1、若選A為參考點，則各點電位如下,2