電路原理01電路模型和電路定律學習教案

1、會計學1電路原理電路原理(yunl)01電路模型和電路定律電路模型和電路定律第一頁，共69頁。第1章 電路模型(mxng)和電路定律電路和電路模型1.1電阻元件1.5電流和電壓的參考方向1.2電壓源和電流源1.6電功率和能量1.3受控電源1.7電路元件1.4基爾霍夫定律1.8首 頁第1頁/共69頁第二頁，共69頁。1. 電壓、電流的參考(cnko)方向3. 基爾霍夫定律(dngl)2. 電阻(dinz)元件和電源元件的特性返 回本章重點第2頁/共69頁第三頁，共69頁。1.1 電路(dinl)和電路(dinl)模型1.實際(shj)電路功能(gngnng)a 能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換；b 信息的

2、傳遞、控制與處理。建立在同一電路理論基礎(chǔ)上。由電工設(shè)備和電氣器件按預(yù)期目的連接構(gòu)成的電流的通路。下 頁上 頁共性返 回第3頁/共69頁第四頁，共69頁。 反映實際電路(dinl)部件的主要電磁 性質(zhì)的理想電路(dinl)元件及其組合。2. 電路(dinl)模型sRLRsU10BASE-T wall plate導(dǎo)線電池開關(guān)燈泡電路圖l理想(lxing)電路元件有某種確定的電磁性能的理想元件。l電路模型下 頁上 頁返 回第4頁/共69頁第五頁，共69頁。5種基本(jbn)的理想電路元件：電阻元件：表示(biosh)消耗電能的元件電感元件：表示(biosh)產(chǎn)生磁場，儲存磁場能量的元件電容元件：表示

3、產(chǎn)生電場，儲存電場能量的元件電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成 電能的元件。5種基本理想電路元件有三個特征： （a）只有兩個端子； （b）可以用電壓或電流按數(shù)學方式描述； （c）不能被分解為其他元件。下 頁上 頁注意返 回第5頁/共69頁第六頁，共69頁。具有相同的主要電磁性能的實際電路部件(bjin)， 在一定條件下可用同一電路模型表示；同一實際電路部件(bjin)在不同的應(yīng)用條件下，其電路模型可以有不同的形式。下 頁上 頁例電感線圈的電路(dinl)模型注意返 回第6頁/共69頁第七頁，共69頁。1.2 電流(dinli)和電壓的參考方向 電路(dinl)中的主要物理量有電壓、電流

4、、電荷、磁鏈、能量、電功率等。在線性電路(dinl)分析中人們主要關(guān)心的物理量是電流、電壓和功率。1.電流(dinli)的參考方向l電流l電流強度帶電粒子有規(guī)則的定向運動單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量下 頁上 頁返 回第7頁/共69頁第八頁，共69頁。l方向(fngxing) 規(guī)定正電荷的運動(yndng)方向為電流的實際方向l單位(dnwi)1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（安培）、kA、mA、A元件(導(dǎo)線)中電流流動的實際方向只有兩種可能: 實際方向AB實際方向AB 對于復(fù)雜電路或電路中的電流隨時間變化時，電流的實際方向往往很難事先判斷。下 頁上 頁問題返 回第8頁

5、/共69頁第九頁，共69頁。l參考(cnko)方向 大小方向(正負）電流(代數(shù)量)任意(rny)假定一個正電荷運動的方向即為電流的參考方向。i 0i 0參考方向U+參考方向U+ 0 吸收正功率 (實際吸收)P0 發(fā)出正功率 (實際發(fā)出)P0 發(fā)出負功率 (實際吸收)l u, i 取非關(guān)聯(lián)參考方向下 頁上 頁+-iu+-iu返 回第19頁/共69頁第二十頁，共69頁。例 求圖示電路中各方框所代表(dibio)的元件吸收或產(chǎn)生的功率。下 頁上 頁已知： U1=1V, U2= -3V，U3=8V, U4= -4V,U5=7V, U6= -3V，I1=2A, I2=1A,，I3= -1A 564123

6、I2I3I1+U6U5U4U3U2U1返 回第20頁/共69頁第二十一頁，共69頁。解）（發(fā)發(fā)出出W221111IUP）（發(fā)發(fā)出出W62)3(122IUP（吸收）W1628133IUP（吸收）W3) 1()3(366IUP）（發(fā)發(fā)出出W7) 1(7355IUP）（發(fā)發(fā)出出W41)4(244IUP對一完整的電路(dinl)，滿足：發(fā)出的功率吸收的功率下 頁上 頁564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1注意返 回第21頁/共69頁第二十二頁，共69頁。下 頁上 頁1.4 電路(dinl)元件是電路中最基本(jbn)的組成單元。1. 電路(dinl)元件返 回5種基本的理想電路元件：電阻元

7、件：表示消耗電能的元件電感元件：表示產(chǎn)生磁場，儲存磁場能量的元件電容元件：表示產(chǎn)生電場，儲存電場能量的元件電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成 電能的元件。注意 如果表征元件端子特性的數(shù)學關(guān)系式是線性關(guān)系，該元件稱為線性元件，否則稱為非線性元件。第22頁/共69頁第二十三頁，共69頁。2.集總參數(shù)(cnsh)電路由集總元件構(gòu)成(guchng)的電路集總元件(yunjin)假定發(fā)生的電磁過程都集中在元件內(nèi)部進行。集總條件d下 頁上 頁 集總參數(shù)電路中u、i 可以是時間的函數(shù)，但與空間坐標無關(guān)。因此，任何時刻，流入兩端元件一個端子的電流等于從另一端子流出的電流；端子間的電壓為單值量。注意返

8、回集總電路（Lumped circuit）：在一般的電路分析中,電路的所有參數(shù),如阻抗、容抗、感抗都集中于空間的各個點上,各個元件上,各點之間的信號是瞬間傳遞的,這種理想化的電路模型稱為集總電路。 這類電路所涉及電路元件的電磁過程都集中在元件內(nèi)部進行。 第23頁/共69頁第二十四頁，共69頁。1.5 電阻(dinz)元件2.線性時不變電阻(dinz)元件l 電路(dinl)符號R電阻元件對電流呈現(xiàn)阻力的元件。其特性可用ui平面上的一條曲線來描述：0),(iufiu任何時刻端電壓與電流成正比的電阻元件。1.定義伏安特性下 頁上 頁0返 回第24頁/共69頁第二十五頁，共69頁。l ui 關(guān)系(g

9、un x)R 稱為(chn wi)電阻，單位： (Ohm)滿足(mnz)歐姆定律GuRuiiuR l 單位G 稱為電導(dǎo)，單位：S (Siemens) u、i 取關(guān)聯(lián)參考方向Riu 下 頁上 頁伏安特性為一條過原點的直線ui0Rui+返 回第25頁/共69頁第二十六頁，共69頁。如電阻上的電壓與電流參考方向(fngxing)非關(guān) 聯(lián)，公式中應(yīng)冠以負號；說明(shumng)線性電阻是無記憶、雙向性的元 件。歐姆定律只適用(shyng)于線性電阻( R 為常數(shù)）；則歐姆定律寫為u R i i G u公式和參考方向必須配套使用！下 頁上 頁注意Rui-+返 回第26頁/共69頁第二十七頁，共69頁。3

10、.功率(gngl)和能量電阻(dinz)元件在任何時刻總是消耗功率的。p u i (R i) i i2 R - u2/ Rp u i i2R u2 / Rl 功率(gngl)Rui+-下 頁上 頁表明Rui-+返 回第27頁/共69頁第二十八頁，共69頁。ui從 t0 到 t 電阻(dinz)消耗的能量：ttttRuipW00dd4.電阻的開路(kil)與短路l 能量(nngling)l 短路0 0uiGor R 0l 開路0 0ui0 Gor Rui下 頁上 頁Riu+u+i00返 回第28頁/共69頁第二十九頁，共69頁。下 頁上 頁實際(shj)電阻器返 回第29頁/共69頁第三十頁，共

11、69頁。 1.6 電壓(diny)源和電流源l電路(dinl)符號1.理想(lxing)電壓源l定義iSu+_下 頁上 頁其兩端電壓總能保持定值或一定的時間函數(shù)，其值與流過它的電流 i 無關(guān)的元件叫理想電壓源。返 回第30頁/共69頁第三十一頁，共69頁。電源兩端電壓由電源本身決定(judng)，與外電路無關(guān)； 與流經(jīng)它的電流方向、大小無關(guān)。通過電壓源的電流(dinli)由電源 及外電路共同決定。l理想(lxing)電壓源的電壓、電流關(guān)系uiSu直流電壓源的伏安關(guān)系下 頁上 頁例Ri-+Su外電路RuiS)( 0Ri)0( Ri電壓源不能短路！0返 回第31頁/共69頁第三十二頁，共69頁。l

12、電壓(diny)源的功率電壓、電流參考方向(fngxing)非關(guān)聯(lián)；+_iu+_SuiuPS 電流（正電荷 ）由低電位向高電位移動，外力克服(kf)電場力作功，電源發(fā)出功率。 iuPS發(fā)出功率，起電源作用物理意義：下 頁上 頁+_iu+_Su電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)；物理意義：電場力做功，電源吸收功率 iuPS吸收功率，充當負載返 回第32頁/共69頁第三十三頁，共69頁。例計算圖示電路(dinl)各元件的功率解V5)510(RuA155RuiRW5152 RiPRW1011010iuPSVW5155iuPSV發(fā)出(fch)吸收(xshu)吸收滿足：P（發(fā)）P（吸）下 頁上 頁5Ri+_Ru+_

13、10V5V-+返 回第33頁/共69頁第三十四頁，共69頁。其輸出電流(dinli)總能保持定值或一定的時間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u 無關(guān)的元件叫理想電流(dinli)源。l 電路(dinl)符號2.理想(lxing)電流源l 定義uSi+_下 頁上 頁l 理想電流源的電壓、電流關(guān)系電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無關(guān)。返 回第34頁/共69頁第三十五頁，共69頁。電流源兩端的電壓(diny)由電源及外電路共同決定。uiSi直流電流源的伏安(f n)關(guān)系下 頁上 頁0例Ru-+Si外電路SRiu )0( 0Ru)( Ru電流(dinli)源不能開路！返 回

14、第35頁/共69頁第三十六頁，共69頁。 可由穩(wěn)流電子設(shè)備產(chǎn)生(chnshng)，如晶體管的集電極電流與負載無關(guān)；光電池在一定光線照射下光電子被激發(fā)產(chǎn)生(chnshng)一定值的電流等。下 頁上 頁實際電流(dinli)源的產(chǎn)生：l 電流(dinli)源的功率u+_SiSuiP 電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；發(fā)出功率，起電源作用SuiP 電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；u+_Si吸收功率，充當負載SuiP 返 回第36頁/共69頁第三十七頁，共69頁。例計算圖示電路各元件(yunjin)的功率解A2SiiV5uW10522 uiPSAW10)2(55iuPSV發(fā)出(fch)吸收(xshu)滿足：P（發(fā)

15、）P（吸）下 頁上 頁u2Ai+_5V-+返 回第37頁/共69頁第三十八頁，共69頁。實際(shj)電源干電池鈕扣電池1. 干電池和鈕扣(ni ku)電池（化學電源） 干電池電動勢1.5V，僅取決于（糊狀）化學材料，其大小決定儲存的能量(nngling)，化學反應(yīng)不可逆。鈕扣電池電動勢1.35V，用固體化學材料，化學反應(yīng)不可逆。下 頁上 頁返 回第38頁/共69頁第三十九頁，共69頁。 氫氧燃料電池示意圖2. 燃料電池(rn lio din ch)（化學電源） 電池電動勢1.23V。以氫、氧作為燃料。約40-45%的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?dinnng)。實驗階段加燃料可繼續(xù)工作。 下 頁上 頁返

16、 回第39頁/共69頁第四十頁，共69頁。3. 太陽能電池(dinch)（光能電源） 一塊太陽能電池(dinch)電動勢0.6V。太陽光照射到P-N結(jié)上，形成一個從N區(qū)流向P區(qū)的電流。約 11%的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，故常用太陽能電?dinch)板。 一個50cm2太陽能電池(dinch)的電動勢0.6V,電流0.1A 太陽能電池示意圖太陽能電池板下 頁上 頁返 回第40頁/共69頁第四十一頁，共69頁。蓄電池示意圖4. 蓄電池（化學(huxu)電源） 電池電動勢2V。使用時，電池放電，當電解液濃度小于一定(ydng)值時，電動勢低于2V，常要充電，化學反應(yīng)可逆。下 頁上 頁返 回第41頁/共69

17、頁第四十二頁，共69頁。直流穩(wěn)壓(wn y)源變頻器頻率計函數(shù)(hnsh)發(fā)生器下 頁上 頁返 回第42頁/共69頁第四十三頁，共69頁。發(fā)電機組下 頁上 頁返 回第43頁/共69頁第四十四頁，共69頁。草原(coyun)上的風力發(fā)電下 頁上 頁返 回第44頁/共69頁第四十五頁，共69頁。休息三分鐘第45頁/共69頁第四十六頁，共69頁。 電壓或電流的大小和方向(fngxing)不是給定的時間函數(shù)，而是受電路中某個地方的電壓(或電流)控制的電源，稱受控源。1.7 受控電源(dinyun)(非獨立源)l 電路(dinl)符號+受控電壓源1.定義受控電流源下 頁上 頁返 回第46頁/共69頁第四

18、十七頁，共69頁。電流(dinli)控制的電流(dinli)源 ( CCCS ) : 電流放大(fngd)倍數(shù) 根據(jù)控制(kngzh)量和被控制(kngzh)量是電壓u 或電流i，受控源可分四種類型：當被控制(kngzh)量是電壓時，用受控電壓源表示；當被控制(kngzh)量是電流時，用受控電流源表示。2.分類四端元件12 ii輸出：受控部分輸入：控制部分下 頁上 頁 i1+_u2i2_u1i1+返 回第47頁/共69頁第四十八頁，共69頁。g: 轉(zhuǎn)移(zhuny)電導(dǎo) 電壓控制(kngzh)的電流源 ( VCCS )12gui 電壓(diny)控制的電壓(diny)源 ( VCVS )12

19、uu: 電壓放大倍數(shù) gu1+_u2i2_u1i1+下 頁上 頁i1u1+_u2i2_u1+_返 回第48頁/共69頁第四十九頁，共69頁。電流控制(kngzh)的電壓源 ( CCVS )12riu r : 轉(zhuǎn)移(zhuny)電阻 例bicibcii 電路(dinl)模型ibicib下 頁上 頁ri1+_u2i2_u1i1+_返 回第49頁/共69頁第五十頁，共69頁。3.受控源與獨立(dl)源的比較獨立源電壓(或電流)由電源本身決定，與電路中其它電壓、電流無關(guān)(wgun)，而受控源電壓(或電流)由控制量決定。獨立源在電路中起“激勵”作用，在電路中產(chǎn)生電壓(diny)、電流，而受控源是反映電路

20、中某處的電壓(diny)或電流對另一處的電壓(diny)或電流的控制關(guān)系，在電路中不能作為“激勵”。下 頁上 頁返 回第50頁/共69頁第五十一頁，共69頁。例求：電壓(diny)u2解Ai2361Viu4610 65125i1+_u2_i1+-3u1=6V下 頁上 頁返 回第51頁/共69頁第五十二頁，共69頁。1.8 基爾霍夫定律(dngl) 基爾霍夫定律(dngl)包括基爾霍夫電流定律(dngl) （KCL）和基爾霍夫電壓定律(dngl)( KVL )。它反映了電路中所有支路電壓和電流所遵循的基本規(guī)律，是分析集總參數(shù)電路的基本定律(dngl)。基爾霍夫定律(dngl)與元件特性構(gòu)成了電路

21、分析的基礎(chǔ)。下 頁上 頁返 回第52頁/共69頁第五十三頁，共69頁。1.幾個(j )名詞電路中通過同一(tngy)電流的分支。b=3ab+_R1uS1+_uS2R2R3支路(zh l)i3i2i1結(jié)點下 頁上 頁三條以上支路的連接點稱為結(jié)點。n=2返 回第53頁/共69頁第五十四頁，共69頁。由支路組成(z chn)的閉合路徑。兩結(jié)點間的一條(y tio)通路。由支路構(gòu)成對平面電路，其內(nèi)部(nib)不含任何支路的回路稱網(wǎng)孔。l=3123路徑回路網(wǎng)孔網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。下 頁上 頁+_R1uS1+_uS2R2R3注意返 回第54頁/共69頁第五十五頁，共69頁。2.基爾霍夫電流(d

22、inli)定律 (KCL)令流出為“+”，有：例 在集總參數(shù)電路(dinl)中，任意時刻，對任意結(jié)點流出（或流入）該結(jié)點電流的代數(shù)和等于零。mti1b0)(出入ii or流進的電流(dinli)等于流出的電流(dinli)1i5i4i3i2i054321 iiiii54321iiiii 下 頁上 頁返 回第55頁/共69頁第五十六頁，共69頁。0641iii例0542iii0653iii三式相加得：0321iiiKCL可推廣應(yīng)用于電路(dinl)中包圍多個結(jié)點的任一閉合面。下 頁上 頁1 3 25i6i4i1i3i2i表明返 回第56頁/共69頁第五十七頁，共69頁。KCL是電荷守恒(shu

23、hn)和電流連續(xù)性原理在電路中任意結(jié)點處的反映；KCL是對結(jié)點處支路電流加的約束，與支路上接的是什么元件(yunjin)無關(guān)，與電路是線性還是非線性無關(guān)；KCL方程是按電流參考(cnko)方向列寫的，與電流實際方向無關(guān)。下 頁上 頁明確返 回第57頁/共69頁第五十八頁，共69頁。3.基爾霍夫電壓(diny)定律 (KVL)mtu1b0)(升降uuor U3U1U2U4下 頁上 頁標定(bio dn)各元件電壓參考方向 選定(xun dn)回路繞行方向，順時針或逆時針.I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_在集總參數(shù)電路中，任一時刻，沿任一回路，所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零。返

24、回第58頁/共69頁第五十九頁，共69頁。U1US1+U2+U3+U4+US4= 0U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4下 頁上 頁U3U1U2U4I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_KVL也適用(shyng)于電路中任一假想的回路。注意返 回第59頁/共69頁第六十頁，共69頁。例SbaUUUU21KVL的實質(zhì)(shzh)反映了電路遵從能量守恒定律;KVL是對回路中的支路電壓(diny)加的約束，與回路各支路上接的是什么元件無關(guān)，與電路是線性還是非線性無關(guān)；KVL方程是按電壓參考方向(fngxing)列寫，與電壓實際方向(fngxing)無關(guān)。下 頁上 頁明確aUsb_-+U2U1返 回第60頁/共69頁第六十一頁，共69頁。4. KCL、KVL小結(jié)(xioji)：KCL是對支路電流(dinli)的線性約束，KVL是對回路電壓的線性約束。KCL、KVL與組成支路的元件性質(zhì)及參數(shù)(c