電路原理——第1章 基本概念.ppt

電路分析 儲(chǔ)萍 3 228 TEL 600mail chuping zist 3 學(xué)習(xí)方法上與數(shù)學(xué) 物理等非專業(yè)基礎(chǔ)課有很大的不同 本課程的作用和特點(diǎn) 1 是所有信息技術(shù)類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課 2 是機(jī)電類專業(yè)第一門專業(yè)基礎(chǔ)課 4 是以后所有所學(xué)課程的基礎(chǔ) 前后續(xù)課程及聯(lián)系 模擬電子技術(shù) 高頻電子線路 自動(dòng)控制原理 信號(hào)與系統(tǒng) 傳感器及電子測量 高等數(shù)學(xué) 線性代數(shù) 積分變換 大學(xué)物理 復(fù)變函數(shù) 電路 數(shù)字電路 通信原理 EDA技術(shù) 課程安排 總學(xué)時(shí) 80學(xué)時(shí)其中 理論授課 68學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn) 12學(xué)時(shí)課題要求 1 按時(shí)到課 不遲到早退 2 上課期間 所有通訊工具關(guān)閉或靜音 3 自帶草稿紙 筆 4 積極開動(dòng)腦筋 參與討論 不清楚就問 作業(yè)上交 成績 考試60 實(shí)驗(yàn)20 作業(yè)和課堂20 學(xué)習(xí)方法 預(yù)習(xí) 聽講 筆記 復(fù)習(xí) 獨(dú)立完成作業(yè) 訂正 答疑 總結(jié) 推薦參考書及網(wǎng)站 簡明電路分析基礎(chǔ) 李瀚蓀 高等教育出版社 2004年 電路 第五版 邱關(guān)源 高等教育出版社 2006年 電子學(xué) 電路分析基礎(chǔ) 美 DavidMBuchla等著 施惠瓊等譯 清華大學(xué)出版社 2006年1月中國電子網(wǎng) 課程結(jié)構(gòu) 電阻電路的分析 動(dòng)態(tài)電路的分析 正弦穩(wěn)態(tài)的分析 電路 重點(diǎn) 1 電壓 電流的參考方向 2 基爾霍夫定律 3 電路元件特性 第1章基本概念 電路的組成及其功能 電路主要由電源 負(fù)載 連接導(dǎo)線及開關(guān)等構(gòu)成 1 1電路及電路模型 電源 提供電能的裝置 負(fù)載 取用電能的裝置 中間環(huán)節(jié) 傳遞 分配和控制電能的作用 電路 若干個(gè)電器設(shè)備或器件按照一定的方式組合起來 構(gòu)成電流的通路 1 實(shí)現(xiàn)電能的傳輸 分配與轉(zhuǎn)換 2 實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞與處理 電路的作用 電路的模型 集總參數(shù)元件與集總參數(shù)電路 集總參數(shù)元件 每一個(gè)具有兩個(gè)端鈕的元件中有確定的電流 端鈕間有確定的電壓 即每一種元件只反映一種基本電磁路現(xiàn)象 集總參數(shù)電路 由集總參數(shù)元件構(gòu)成的電路 集總假設(shè) 一個(gè)實(shí)際電路要能用集總參數(shù)電路近似 要滿足如下條件 即實(shí)際電路的尺寸必須遠(yuǎn)小于電路工作頻率下的電磁波的波長 已知電磁波的傳播速度與光速相同 即 v 3 105km s 千米 秒 1 若電路的工作頻率為f 50Hz 則周期T 1 f 1 50 0 02s波長 3 105 0 02 6000km 一般電路尺寸遠(yuǎn)小于 能用集總參數(shù)電路模擬 2 若電路的工作頻率為f 50MHz 則周期T 1 f 0 02 10 6s波長 3 105 0 02 10 6 6m 一般電路尺寸均與 可比 不能視為集總參數(shù)電路 電路中的主要物理量主要有 電流 電壓 電荷 磁鏈 電功率 電能等 相應(yīng)的符號(hào)是i u q p w 1 電流 current 帶電質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)形成電流 單位 A 安 1 2電路的主要物理量 1 2 1電流 常用的單位 2 表示方法 1 概念 在分析計(jì)算電路時(shí) 對電量任意假定的方向 2 電流的參考方向 電流為1mA I Iab 1mA I Iba 1mA 實(shí)際方向與參考方向一致 i 0 實(shí)際方向與參考方向相反 i 0 3 實(shí)際方向與參考方向的關(guān)系 注意 在參考方向選定后 電流 或電壓 值才有正負(fù)之分 對任何電路分析時(shí)都應(yīng)先指定各處的i u的參考方向 例 若I 5A 則實(shí)際方向與參考方向一致 若I 5A 則實(shí)際方向與參考方向相反 1 電壓 voltage 電場中某兩點(diǎn)A B間的電壓 降 UAB等于將點(diǎn)電荷q從A點(diǎn)移至B點(diǎn)電場力所做的功WAB與該點(diǎn)電荷q的比值 即 單位 V 伏 1 2 2電壓及電位 2 電位 電路中為分析的方便 常在電路中選某一點(diǎn)為參考點(diǎn) 把任一點(diǎn)到參考點(diǎn)的電壓稱為該點(diǎn)的電位 參考點(diǎn)的電位一般選為零 所以參考點(diǎn)也稱為零電位點(diǎn) 電位用 或V表示 單位與電壓相同 也是V 伏 3 電壓與電位的關(guān)系 仍設(shè)c點(diǎn)為電位參考點(diǎn) c 0 Uac a Udc d Uad Uac Udc a d 例 結(jié)論 電路中任意兩點(diǎn)間的電壓等于該兩點(diǎn)間的電位之差 例 1 5V 1 5V 已知Uab 1 5V Ubc 1 5V 1 以a點(diǎn)為參考點(diǎn) a 0 Uab a b b a Uab 1 5V Ubc b c c b Ubc 1 5 1 5 3V Uac a c 0 3 3V 2 以b點(diǎn)為參考點(diǎn) b 0 Uab a b a a Uab 1 5V Ubc b c c b Ubc 1 5V Uac a c 1 5 1 5 3V 結(jié)論 電路中電位參考點(diǎn)可任意選擇 當(dāng)選擇不同的電位參考時(shí) 電路中各點(diǎn)電位均不同 但任意兩點(diǎn)間電壓保持不變 4 電壓 降 的參考方向 可以任意選定一個(gè)方向作為電壓的參考方向 實(shí)際方向與參考方向一致 U 0 實(shí)際方向與參考方向相反 U 0 當(dāng)電壓的參考方向指定后 指定電流從標(biāo)以電壓參考方向的 極性端流入 并從標(biāo) 端流出 即電流的參考方向與電壓的參考方向一致 也稱電流和電壓為關(guān)聯(lián)參考方向 反之為非關(guān)聯(lián)參考方向 關(guān)聯(lián)參考方向 i u 定義 電路中某一段所吸收或提供能量的速率 單位 瓦特 w 1 2 3功率和能量 1 u i關(guān)聯(lián)參考方向 p ui P 0吸收正功率 吸收 P 0吸收負(fù)功率 發(fā)出 2 u i非關(guān)聯(lián)參考方向 p ui 小結(jié) 1 電壓和電流的參考方向是任意假定的 分析電路前必須先選定并標(biāo)明電壓和電流的參考方向 參考方向一經(jīng)假定 必須在圖中相應(yīng)位置標(biāo)注 包括方向和符號(hào) 在計(jì)算過程中不得任意改變 參考方向不同時(shí) 其表達(dá)式符號(hào)也不同 但實(shí)際方向不變 u Ri u Ri 4 元件或支路的u i常采用關(guān)聯(lián)參考方向 以減少公式中負(fù)號(hào) 5 參考方向也稱為假定方向 后續(xù)討論均在參考方向下進(jìn)行 1 3基爾霍夫定律 Kirchhoff sLaws 基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律 KCL 和基爾霍夫電壓定律 KVL 它反映了電路中所有支路電壓和電流的約束關(guān)系 是分析集總參數(shù)電路的基本定律 電路中電壓 電流的約束關(guān)系有兩類 1 電路元件本身所具有的伏安關(guān)系 VCR 2 電路元件的互連方式 拓?fù)浼s束 基爾霍夫定律 1 有關(guān)術(shù)語 1 支路 branch 電路中通過同一電流的每個(gè)分支 b 2 節(jié)點(diǎn) node 三條或三條以上支路的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn) n 3 回路 loop 由支路組成的閉合路徑 l b 3 4 網(wǎng)孔 mesh 對平面電路 每個(gè)網(wǎng)眼即為網(wǎng)孔 網(wǎng)孔是回路 但回路不一定是網(wǎng)孔 1 2 3 a b l 3 n 2 例 支路 ab bc ca 共6條 回路 abd abcd 共7個(gè) 節(jié)點(diǎn) a b c d 共4個(gè) b 網(wǎng)孔 abd bcd 共3個(gè) 2 基爾霍夫電流定律 KCL 物理基礎(chǔ) 電荷守恒 電流連續(xù)性 令流出為 支路電流背離節(jié)點(diǎn) i1 i2 i3 i4 0i1 i3 i2 i4 i1 i2 10 12 0 i2 1A 例 4 7 i1 0 i1 3A 在任何集總參數(shù)電路中 在任一時(shí)刻 流出 流入 任一節(jié)點(diǎn)的各支路電流的代數(shù)和為零 即 KCL可推廣到一個(gè)封閉面 i1 i2 i3 0 其中必有負(fù)的電流 思考 首先考慮 選定一個(gè) 繞行方向 R1I1 US1 R2I2 R3I3 R4I4 US4 0 R1I1 R2I2 R3I3 R4I4 US1 US4 例 如順時(shí)針方向繞行 3 基爾霍夫電壓定律 KVL 在任何集總參數(shù)電路中 在任一時(shí)刻 沿任一閉合路徑 按固定繞向 各支路電壓的代數(shù)和為零 即 推論 電路中任意兩點(diǎn)間的電壓等于兩點(diǎn)間任一條路徑經(jīng)過的各元件電壓的代數(shù)和 元件電壓方向與路徑繞行方向一致時(shí)取正號(hào) 相反取負(fù)號(hào) UAB 沿l1 UAB 沿l2 電位的單值性 圖示電路 求U和I 解 3 1 2 I 0 I 2 A U1 3I 6 V U U1 3 2 0 U 5 V 1 列方程前標(biāo)注回路循行方向 UBE E2 I2R2 2 正負(fù)號(hào)選擇 當(dāng)E I的參考方向與回路繞向相同取正 當(dāng)E I的參考方向與回路繞向相反取負(fù) 3 開口電壓可按回路處理 注意 例 I3 E4 E3 R3 R6 R4 R5 R1 R2 a b c d I1 I2 I5 I6 I4 回路1 I1R1 I2R2 I3R3 E3 回路2 I4R4 I1R1 I6R6 E4 回路3 I2R2 I5R5 I6R6 0 KCL KVL小結(jié) 1 KCL是對支路電流的線性約束 KVL是對支路電壓的線性約束 2 KCL KVL與組成支路的元件性質(zhì)及參數(shù)無關(guān) 3 KCL表明在每一節(jié)點(diǎn)上電荷是守恒的 方程的具體形式僅依賴于支路與節(jié)點(diǎn)的聯(lián)接關(guān)系和支路電流的參考方向 KVL是電位單值性的具體體現(xiàn) 電壓與選擇的路徑無關(guān) 4 KCL KVL只適用于集總參數(shù)的電路 伏 安特性 線性電阻 非線性電阻 1 4電阻元件 注意 用歐姆定律列方程時(shí) 一定要在圖中標(biāo)明參考方向 歐姆定律 開路與短路 當(dāng)R 0 視其為短路 i為有限值時(shí) u 0 當(dāng)R 視其為開路 u為有限值時(shí) i 0 理想導(dǎo)線的電阻值為零 功率和能量 p吸 ui Ri i i2R u u R u2 R p吸 ui i2R u2 R 功率 任何時(shí)刻 電阻元件絕不可能發(fā)出電能 它只能消耗電能 因此電阻又稱為 無源元件 和 耗能元件 特點(diǎn) 1 輸出電壓不變 u t us t us t 為電壓源的電壓 2 電源中的電流由外電路決定 1 5獨(dú)立電源 1 5 1電壓源 1 理想電壓源 理想電壓源的開路與短路 a 開路 R i 0 u uS b 短路 R 0 i 理想電源出現(xiàn)病態(tài) 因此理想電壓源不允許短路 實(shí)際電壓源也不允許短路 因其內(nèi)阻小 若短路 電流很大 可能燒毀電源 u US ri 2 實(shí)際電壓源 特點(diǎn) 1 輸出電流不變 其值恒等于電流源電流iS 即i t is t 2 輸出電壓由外電路決定 1 5 2電流源 1 理想電流源 理想電流源的短路與開路 b 開路 R i iS u a 短路 R 0 i iS u 0 電流源被短路 原則 Is不能變 Us不能變 解 電壓源中的電流I Is 電流源兩端的電壓Uab IR Us 例 1 6受控電源 1 定義 電壓源電壓或電流源電流不是給定的時(shí)間函數(shù) 而是受電路中某個(gè)支路的電壓 或電流 的控制 2 電路符號(hào) 受控電壓源 受控電流源 a 電流控制的電流源 CurrentControlledCurrentSource 電流放大倍數(shù) r 轉(zhuǎn)移電阻 3 分類 根據(jù)控制量和被控制量是電壓u或電流i 分為四類 b 電流控制的電壓源 CurrentControlledVoltageSource g 轉(zhuǎn)移電導(dǎo) 電壓放大倍數(shù) c 電壓控制的電流源 VoltageControlledCurrentSource d 電壓控制的電壓源 VoltageControlledVoltageSource 求下圖電路開關(guān)S打開和閉合時(shí)的i1和i2 S打開 i1 0 i2 1 5 A S閉合 i2 0 i1 6 A 例 已知R1 30 R2 15 US 120V 求圖中電路的U和I以及各元件的功率 分析 KVL 30I 2U U 120I U R2 U 15聯(lián)立以上兩式 得I 8A U 120VR1 P1 I2R1 82 30 1920WR2 P2 I2R2 82 15 960WUS PS I US 8 120 960W 產(chǎn)生 VCVS PU I 2U 8 2 120 1920W 產(chǎn)生 4 受控源與獨(dú)立源的比較 c 獨(dú)立源電壓 或電流 由電源本身決定 與電路中其它電壓 電流無關(guān) 而受控源電壓 或電流 直接由控制量決定 d 獨(dú)立源作為電路中 激勵(lì) 在電路中產(chǎn)生電壓 電流 而受控源只是反映輸出端與輸入端的關(guān)系 在電路中不能作為 激勵(lì) a 受控電壓源的電流由外電路決定 受控電流源的電壓由外電路決定 b 能對外提供能量 有源 1 7單口網(wǎng)絡(luò)及等效 等效 是指 對外 等效 等效互換前后對外電路伏 安特性一致 對內(nèi)不等效 1 電阻的串并聯(lián)及等效 Req R1 R2 Rn Rk 1 Req 1 R1 1 R2 1 Rn Geq G1 G2 Gk Gn 或 2 電壓源的串聯(lián)及等效 注意參考方向 一致取正 不一致取負(fù) 3 電流源的并聯(lián)及等效 注意參考方向 一致取正 不一致取負(fù) 4 電壓源與元件的并聯(lián) 5 電流源與元件的串聯(lián) 注意 電壓源只有大小和極性