n第1章電路模型和電路定律

1、第一章第一章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律測試與光電工程學院生物醫(yī)學工程系緒論緒論v 參考方向v 功率性質的判別v KCL、KVLv 理解電路模型的概念；v 牢固掌握基爾霍夫定律和電路基本元件的伏安關系；v 掌握電功率和能量的計算。v 參考方向v 功率性質的判別v 電路元件的伏安特性：電阻，獨立電源，受控電源v KCL、KVL1.1 電路和電路模型電路和電路模型1. 電路（Circuit） v定義： 電器元件或設備按一定方式連接構成的電流通路v電路的基本功能 能量轉換：傳輸電能、分配、控制、轉換 信號處理：電信號的產(chǎn)生、加工、傳輸、變換電路基本功能電路基本功能v電路的傳輸和轉換v信號的

2、傳遞和處理降壓變壓器降壓變壓器電燈電燈電動機電動機電爐電爐輸電線 發(fā)電機發(fā)電機升壓變壓器升壓變壓器電力系統(tǒng)電路示意圖中間環(huán)節(jié)負載擴音機電路示意圖信號源信號源（電源）（電源）放大器放大器揚聲器話筒電路組成電路組成電源（又稱激勵）：供給電能的設備。把其它形式的能量轉換為電能。負載： 消耗電能的設備。把電能轉換為其它形式的能量。中間環(huán)節(jié)（又稱傳輸控制環(huán)節(jié)）：各種控制電器和導線，起傳輸、分配、控制電能的作用。2. 電路理論主要研究電路中發(fā)生的電磁現(xiàn)象，并用電流、電荷、電壓、磁通等物理量描述其中的過程。3. 電路理論的目標是計算電路中各器件的端子電流和端子間的電壓，而不研究器件內部發(fā)生的物理過程。實際電

3、路實際電路電路模型電路模型電路分析電路分析電氣特性電氣特性電路綜合電路綜合4. 電路分類時不變時變集總參數(shù)分布參數(shù)動態(tài)靜態(tài)線性非線性 電路元件參數(shù)不隨時間變化。激勵與響應滿足疊加性和齊次性的電路。電路幾何尺寸遠小于最小工作波長的電路。含有動態(tài)元件的電路集總參數(shù)電路集總參數(shù)電路v根據(jù)實際電路的幾何尺寸(d)與其工作信號波長()的關系，可以將它們分為兩大類：(1)集總參數(shù)電路：滿足d條件的電路。(2)分布參數(shù)電路：不滿足d 0i 0 吸收功率功率Pa0 吸收功率功率Pa0 吸收功率功率Pa0 發(fā)出功率功率Pd0無記憶元件：無記憶元件：u(t) = Ri(t)1.5 電源元件（有源元件）電源元件（有

4、源元件）1. 理想電壓源（獨立電壓源）在某一時刻，無論流過其兩端的電流大小如何，都將保持端電壓為規(guī)定值的二端元件電路符號i+_usuabi0us(t)伏安特性Us(t)輸出電 壓不變，其值恒等于電動勢。即 uab uS (或uab US)；電源中的電流由外電路決定； 恒壓源可以開路，但不能短路；恒壓源可以串聯(lián)使用。 理想電壓源特點 電流（正電荷電流（正電荷 ）由低電位向高）由低電位向高電位移動，外力克服電場力作功，電源發(fā)出電位移動，外力克服電場力作功，電源發(fā)出功率。功率。電壓源功率電壓、電流方向不一致； （實際） 發(fā)出功率，起電源作用發(fā)出功率，起電源作用物理意義：物理意義：電壓、電流方向一致；

5、電壓、電流方向一致； （實際） 物理意義：物理意義： 電場力做功，電源吸收功率電場力做功，電源吸收功率吸收功率，充當負載吸收功率，充當負載P0+_iu+_Suus+_iu+_Suus例例2：求各電路：求各電路a、b端的等效電路（端的等效電路（a，b開路）開路）例例3：計算圖示電路各元件功率：計算圖示電路各元件功率5Ri+_Ru+_10V5V- -+ 當電路中含有多個電源時，某些情況電源也吸收能量，如蓄電池，可充電電池注意2. 理想電流源（獨立電流源）在某一時刻，無論流過端電壓大小如何，都將保持電流為規(guī)定值的二端元件電路符號伏安特性ui0u+_理想電流源特點輸出電流不變，其值恒等于電流源電流 I

6、S；輸出電壓由外電路決定；電流源不可以開路，但可以短路；恒流源可以并聯(lián)使用；恒流源可能發(fā)出功率也可能吸收功率。電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定。 電流源功率電壓、電流的方向不一致發(fā)出功率，起電源作用發(fā)出功率，起電源作用電壓、電流的方向一致；吸收功率，充當負載吸收功率，充當負載u+_u+_P0（實際）（實際）例例4：計算圖示電路各元件的功率：計算圖示電路各元件的功率u2Ai+_5V-+例5：電壓源中的電流如何決定？電流源兩端的電壓等于多少？原則：Is不能變，US不能變。電壓源中的電流電壓源中的電流 I= IS恒流源兩端的電壓恒流源兩端的電壓?當當IS=1A, US=2V, R=1 時時,電

7、路中各元件功率消耗情況電路中各元件功率消耗情況?若若R=2 , 4 時又怎樣時又怎樣?常用干電池和可充電電池常用干電池和可充電電池例例6：求電路的等效電路（：求電路的等效電路（a，b開路）開路）恒壓源與恒流源特性比較恒壓源與恒流源特性比較恒壓源恒流源不 變 量變 化 量Uab的大小、方向均為恒定，外電路負載對 Uab 無影響。Is 的大小、方向均為恒定，外電路負載對 Is 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1.6 受控電源受控電源(非獨立源非獨立源)1. 定義： 2. 電路結構特征：具有兩條支路受控電壓源的電壓

8、和受控電流源的電流都不是給定的時間函數(shù)，而是受電路中某部分的電壓或電流控制的，故受控源又稱為非獨立電源。電流源或電壓源所在支路電流源或電壓源所在支路受控支路受控支路控制支路控制支路控制電流或電壓所在支路控制電流或電壓所在支路電路符號+受控電壓源受控電壓源受控電流源受控電流源3. 受控源電路模型四種形式電壓控制電壓源電壓控制電壓源 ( VCVS )U2= U1 : 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) （無量綱）（無量綱）電壓控制的電流源電壓控制的電流源 ( VCCS )i2= gU1g: 轉移電導轉移電導 （具有電導量綱）（具有電導量綱）電流控制電壓源電流控制電壓源 ( CCVS )U2= i1 : 轉移

9、電阻轉移電阻 （具有電阻量綱）（具有電阻量綱）電流控制的電流源電流控制的電流源 ( CCCS )i = i1 : 電流控制系數(shù)電流控制系數(shù) （無量綱）（無量綱）4. 受控源特點u非獨立的電源：不能獨立向外電路提供能量。u具有兩重性：電源性、電阻性。u表示某處的電路變量與另一處電路變量之間的耦合關系，本身不直接起“激勵”作用。注意 獨立電源在電路中可以獨立地起“激勵”作用，是實際電路電能或電信號的“源泉”v課堂練習 1-4、1-8、1-91.7 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 基爾霍夫定律是任何集總參數(shù)電路都適用的基本定律，它包括電流定律和電壓定律?；鶢柣舴螂娏鞫擅枋鲭娐分懈麟娏鞯募s束關系，基爾霍夫

10、電壓定律描述電路中各電壓的約束關系。1. 五個名詞uS2uS1a+_R1+_R2R3bi3i2i1支路u電路中每一個兩端元件就叫一條支路。電路中每一個兩端元件就叫一條支路。u電路中通過同一電流的分支。電路中通過同一電流的分支。結點u元件的連接點稱為結點。元件的連接點稱為結點。u或三條以上支路的連接點稱為結點。或三條以上支路的連接點稱為結點。a+_R1uS1+_uS2R2R3b路徑由支路組成的兩個結點間由支路組成的兩個結點間的一條通路的一條通路回路由支路組成由支路組成閉合閉合路徑路徑12網(wǎng)孔對對平面電路平面電路，其內不含任何支路的回路稱為網(wǎng)孔，其內不含任何支路的回路稱為網(wǎng)孔6條支路4個節(jié)點 7個

11、回路2. 基爾霍夫電流定律在集總參數(shù)電路中，任意時刻，對任意結點流出（或流入）該結點電流的代數(shù)和等于零。b 1( )0mi t orii入出1i5i4i3i2i令流出為“+”，有：123450iiiii 12345iiiiiu結點1： I1 - I2 I3=0u結點2： - I3 I4 I5=0u結點3： - I1 - I4 I6=0u結點4： I2 - I5 - I6 =0結點1、2、3電流方程式相加等于結點4的電流方程KCL依據(jù)的是電流的連續(xù)性KCL可推廣應用于電路中包圍多個結點的任一閉合面1 3 2i3i2i5i4i1i63. 基爾霍夫電壓定律在集總參數(shù)電路中，任一時刻，沿任一回路，所有

12、支路電壓的代數(shù)和恒等于零。b 1( )0mu t oruu升降標定各元件電壓參考方向標定各元件電壓參考方向 選定回路繞行方向，順時選定回路繞行方向，順時針或逆時針針或逆時針.I1I3I2+R1US1I4_+US4R4R3R2_U1US1+U2+U3+U4+US4= 0U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：R1I1+R2I2+R3I3+R4I4=US1US4I1I3I2+R1US1I4_+US4R4R3R2_一般設電壓升為負，電壓降為正U3U1U2U4注意支路電壓方向取為與支路電流方向一致。123u回路1： -I3R3-I4R4-US1 =0u回路2： I3R3+I5R5-US2 =0u回

13、路3: I4R4+I6R6-I5R5 =0KVL可推廣應用于電路回路的部分電路 列方程前，一定要在電路上標出電流，電壓或電動勢的方向注意討論電路中電壓電流的變化遵循兩類約束條件: u第二類是元件連接關系第二類是元件連接關系(拓撲約束拓撲約束) 基爾霍夫定律基爾霍夫定律u第一類是元件特性關系第一類是元件特性關系(電壓電流關系電壓電流關系VCR)( , )0f u i b 1( )0mu tb 1( )0mi t+-+-E3E1E2-R1RRRI1I2I3I4I5I6例例7：求各支路電流：求各支路電流？+-+-E3E1E2-R1RRRI1I2I3I4I5I6例例8：求電壓：求電壓 U 和電流和電流

14、 I 及受控源的功率。及受控源的功率。I例例9：電路及參考方向如圖，已：電路及參考方向如圖，已知知R1=R2=R3=10 ，Us1=Us2=Us3=12 V, Is1=1A, Is2=2A, Is3=3A, 求Uad。 d例例10：電路及參考方向如圖，：電路及參考方向如圖，求求Uab。12823+20V-5A+2V-abI I2 2I I3 3I I1 14. KCL、KVL小結 KCL是對支路電流的線性約束，KVL是對回路電壓的線性約束。 KCL、KVL與組成支路的元件的性質及其參數(shù)無關。 KCL表明在每一節(jié)點上電荷是守恒的；KVL是能量守恒的具體體現(xiàn)(電壓與路徑無關)。 KCL、KVL只適用于集總參數(shù)的電路。思考題思考題i1=i2?UA =UB?AB+_13V+_2Vi111111i2例11求電流 i解例12解求電壓 u3A-2A33451?i+20V-+10V-5V+ u=？-+-4V5Vi =?3+-4V5V1A+-u =?3例13求電流 i例14求電壓 u解解解I1-10V10V+-1AI =?10例15求電流 I例16求電壓 U解4V+-10AU =?2+-3AI解10V+-3I2U=?I =055-+2I2