電路分析和綜合實踐

1、電路分析和綜合實踐課程類型：必修，專業(yè)必修課學(xué)分：5學(xué)時：80（大班理論講授50學(xué)時，小班討論14學(xué)時，實驗16學(xué)時）先修課程：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理使用教材：電路邱關(guān)源高教出版社(第5版)參考書：電路分析基礎(chǔ)李翰遜高教出版社 電路原理周守昌高教出版社教學(xué)要求與內(nèi)容1、授課內(nèi)容 第一、二、三章全部第四章第1-4節(jié)第六章全部第七章第1-5節(jié)第八、九章全部第十章第1、5節(jié)第十一章第1、2節(jié)2、理論課時分配：共64學(xué)時 內(nèi)容講課時數(shù)內(nèi)容講課時數(shù)第一章6+2第七章6+2第二章4第八章4+2第三章4+2第九章10+4第四章4+2第十章2第六章2第十一章2總復(fù)習(xí)24、要求（1）出勤：不定期抽查點名、記錄，占1

2、0% 。 注：缺課(曠課、病事假) 超過1/3學(xué)時的，期末不允許考試!（2）實驗：共4次，占20%。要求每次都要參加，還要完成實驗報告。（3）討論：共7次，占10%。每位同學(xué)必須匯報一次。（4）作業(yè)：定期批改，占10%。 3、考核形式 平時（出勤、實驗、討論、作業(yè)）占50% 期末考試占 50% 第一章 電路模型和電路定律本章主要內(nèi)容：電路和電路模型電流和電壓的參考方向電功率和能量電路元件：電阻、獨立源和受控源電路的基本定律基爾霍夫定律基本要求牢固掌握理想元件、電路模型、參考方向及關(guān)聯(lián)參考方向等概念。 深刻理解電壓、電流、功率等物理量的意義和各量之間的關(guān)系。 牢固掌握和熟練應(yīng)用元件(電阻、電壓源

3、、電流源和受控源)的伏安關(guān)系和基爾霍夫電壓定律及電流定律。 樹立用電路基本定律分析電路的觀念。 作用：提供能量、傳送和處理信號、 測量電路、存儲信息1-1 電路和電路模型1電路實際電路( 電流的通路） 定義：由電路部件或器件相互聯(lián)結(jié)而成的電流通路。 電源提供能量的部件，又稱激勵 由激勵在電路中產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng) 負載消耗能量的部件 中間環(huán)節(jié)連接電源與負載 在一定條件下，能足夠準(zhǔn)確地反映實際電路及其部件的主要電磁性能的抽象模型。l電阻元件R電路中能量損耗的電路參數(shù)l電容元件C電路中儲存電場能量的電路參數(shù)l電感元件L電路中儲存磁場能量的電路參數(shù) 2電路模型（電路、網(wǎng)絡(luò)）上述元件是人為引入元件

4、抽象元件（電路元件），抽象元件構(gòu)成的電路是電路模型。研究模型是一種工程觀點。1-2 電流和電壓的參考方向一、電流和電壓的基本知識（一）電流（電流強度）1、定義：單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量。 用符號i表示，即 i(t)=dq/dt2、分類：(1) 直流（DC）：電流的大小和方向不隨時間變化。 I=q/t (2) 交流（AC）：電流的大小和方向隨時間變化。3、單位：安培（安），符號A（二）電壓1、定義：單位正電荷由a點轉(zhuǎn)移到b點所獲得或失去的能量。也稱電位差。 用 u表示, 即 u(t)=dw/dq2 、單位：伏特（伏），符號V。3、 分類：(1)直流電壓：電壓的大小和極性都不隨時間變化。用U

5、表示。(2)交流電壓：電壓的大小和極性隨時間變化。例、已知：4C正電荷由a點均勻移動至b點電場力做功8J，由b點移動到c點電場力做功為12J，（1）若以b點為參考點，求a、b、c點的電位和電壓Uab、U bc;（2）若以c點為參考點，再求以上各值。解：(1)acbacb(2)結(jié)論電路中電位參考點可任意選擇；參考點一經(jīng)選定，電路中各點的電位值就唯一確定；當(dāng)選擇不同的電位參考點時，電路中各點電位值將改變，但任意兩點間電壓保持不變。4、電流的正負僅對參考方向有意義。參考方向的假設(shè)是任意的，但一經(jīng)假定就不得更改。abIR參考方向二、電流的參考方向（電流的正方向）1 、電流的實際方向正電荷在電場力作用下

6、的運動方向2、 參考方向人為規(guī)定的電流方向，用箭頭或雙下標(biāo)表示，為代數(shù)量。3、與實際方向的關(guān)系：如果電流的實際方向與參考方向一致，電流為正值；否則，為負值。U = 5V+三、電壓的參考方向1、電壓的實際方向高電位指向低電位2、參考方向人為規(guī)定的電壓方向，用正負號或雙下標(biāo)表示，為代數(shù)量。4、參考方向的假設(shè)是任意的，但一經(jīng)假定就不得更改。不加聲明的方向都是參考方向。3、與實際方向的關(guān)系：如果電壓的實際方向與參考方向一致，電壓為正值；否則，為負值。四、電流與電壓關(guān)聯(lián)參考方向 （一致參考方向）1、關(guān)聯(lián)參考方向（一致參考方向）：電流從電壓高電位端流向低電位端（電壓降方向）。2、非關(guān)聯(lián)參考方向（相反參考方

7、向）：電流從電壓低電位端流向高電位端（電壓升方向）。+1、電流與電壓為關(guān)聯(lián)參考方向時p(t) = u(t) i(t)2、電流與電壓為非關(guān)聯(lián)參考方向時p(t) = - u(t) i(t)1-3 電功率和能量一、電功率 p(t)=dW/dt二、能量在 t0 到 t 的時間內(nèi)，元件吸收的能量為當(dāng) p(t)為正時，元件實際吸收功率（能量），將電能轉(zhuǎn)換為其它能量，負載作用。當(dāng) p(t)為負時，元件實際發(fā)出功率（能量） ，將其它能量轉(zhuǎn)換為電能，電源作用。三、功率的正負例1、已知電路如圖(a) 、 (b)所示 ，I=2A，求P。(1) 圖(a)中：I與U是關(guān)聯(lián)參考方向I+(a)+I(b)解：P = UI =

8、 12 = 2WP 0，表示元件吸收功率（能量），是負載(2) 圖(b)中：I與U是非關(guān)聯(lián)參考方向P = -UI = -(-1)2 = 2WP 0，表示元件吸收功率（能量），是負載例2、已知如圖所示電路，產(chǎn)生功率為4W，求I。+I注意：功率公式中有兩套“正負”號。解：I與U是非關(guān)聯(lián)參考方向一個是由電壓、電流的參考方向決定的（選公式） ， 另一個電壓、電流的實際方向決定的（代數(shù)值）。例3、已知：U1 = 1V, U2 = -3V，U3 = 8V, U4= -4V,U5 = 7V, U6 = -3V，I1 = 2A, I2 = 1A, I3 = -1A。求（1）電路中各元件吸收的功率。（2）電路總

9、的吸收功率。564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1解:對一完整的電路，滿足：發(fā)出的功率吸收的功率14 電路元件集總（參數(shù)）電路： 一個器件可以用一個模型來描述,也可以用多個模型來描述。 同一器件在不同工作環(huán)境、條件下，模型不同。 今后討論的電路,都是電路模型,一般是集總參數(shù)電路 。(1)條件：電路輻射、電磁能量損耗可以忽略不計。(2)判斷：電路的幾何尺寸遠小于電路工作頻率對應(yīng)的波長。電路元件是電路中最基本的組成單元。一個二端元件，如其端電壓u和端電流i之間的關(guān)系可用代數(shù)方程 f (u, i)0 表示，該二端元件稱為電阻元件。如f (u, i) 0是線性代數(shù)方程，則該二端元件為線性電

10、阻元件。 如f (u, i) 0是非線性代數(shù)方程，則該二端元件為非線性電阻元件。 15 電阻元件 線性電阻元件u(t) = R i(t) i(t) = G u(t) R 歐姆（）G 西門子（S）滿足歐姆定律電導(dǎo)注意：電流與電壓為關(guān)聯(lián)參考方向。伏安關(guān)系（ VAR ）（元件特性）：非時變電阻元件時變電阻元件注意：對線性非時變電阻元件R為常數(shù)，G也為常數(shù) 。R=0，R ，短路；開路。u(t) Ri(t) i(t) = Gu(t) 線性電阻元件吸收的功率關(guān)聯(lián)參考方向時 p(t) u(t)i(t)非關(guān)聯(lián)參考方向時 p(t)-u(t)i(t)電流與電壓為非關(guān)聯(lián)參考方向無論參考方向如何線性電阻元件吸收的能量

11、p(t) Ri2(t) = u2(t)/R實際電阻器元件模型：+-usus為電壓源的電壓，“+”、“-”為參考極性Us16 電壓源和電流源一、電壓源1、定義：是一個理想的二端元件，元件兩端的電壓與通過它的電流無關(guān)，電壓總保持為某給定的時間函數(shù)。電壓源和電流源都是獨立源如果是直流電壓源，元件模型如下：2、性質(zhì)（特點）l該元件電壓不隨電流大小變化，在u-i平面上為一條直線l電壓為時變時，平面上直線平移l us(t)=0 相當(dāng)于短路l元件電流由電源與外電路共同決定 3、伏安特性曲線uUSi表明端電壓與電流大小無關(guān)。二、電流源l該元件電流不隨電壓大小變化，在u-i平面上為一條直線l 電流為時變時，平面

12、上直線平移l is(t)=0 相當(dāng)于開路l 元件電壓由電源與外電路共同決定 1、定義：是一個理想的二端元件，通過元件的電流與它兩端的電壓無關(guān)，電流總保持為某給定的時間函數(shù)。2、性質(zhì)（特點）4、伏安特性曲線uISi表明通過的電流與端電壓大小無關(guān)。3、元件模型箭頭表示電流的參考方向is表示電流的大小注意：1、電壓源不允許短路，電流源不允許開路。2、端電壓不等的電壓源，不允許并聯(lián)； 電流不等的電流源，不允許串聯(lián)。is、IS實際電源干電池鈕扣電池1. 干電池和鈕扣電池（化學(xué)電源）干電池電動勢，僅取決于（糊狀）化學(xué)材料，其大小決定儲存的能量，化學(xué)反應(yīng)不可逆。鈕扣電池電動勢V，用固體化學(xué)材料，化學(xué)反應(yīng)不可

13、逆。 氫氧燃料電池示意圖2. 燃料電池（化學(xué)電源） 電池電動勢。以氫、氧作為燃料。約40-45%的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋嶒炿A段加燃料可繼續(xù)工作。 3. 太陽能電池（光能電源） 一塊太陽能電池電動勢。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?，故常用太陽能電池板?一個50cm2太陽能電池的電動勢0.6V,電流。太陽能電池板 太陽能電池示意圖蓄電池示意圖4. 蓄電池（化學(xué)電源） 電池電動勢2V。使用時，電池放電，當(dāng)電解液濃度小于一定值時，電動勢低于2V，常要充電，化學(xué)反應(yīng)可逆。電壓控電壓源 VCVS電壓控電流源 VCCSu2 = u1i2 = gm u117

14、受控源非獨立源，其電壓（或電流）受同一電路中另一支路電壓或電流控制。電流控電流源 CCCS電流控電壓源 CCVS i2 = i1u2 = rm i1系數(shù) 、 gm、 rm 為常數(shù)時，為線性受控源；否則，稱為非線性受控源。 例、求i解:-+-說明：l 線性受控源中的系數(shù)( 、 gm、 rm )都是常數(shù)l 受控源是一個元件涉及兩條支路l受控源可以吸收功率，也可以發(fā)出功率l控制變量為零時，受控量無條件為零l非獨立源（受控源為能量轉(zhuǎn)換元件） 具有明確網(wǎng)絡(luò)（受控支路與控制支路必在同一電路中，且同時存在，缺一不可）即：基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律電路中所有元件的電流和電壓自應(yīng)遵循的，由元件相互聯(lián)接關(guān)

15、系所規(guī)定的約束關(guān)系。 18 基爾霍夫定律電路中所有元件的電流和電壓受到兩類約束：1、元件特性約束由元件特性決定的，為元件的組成關(guān)系，即電壓電流關(guān)系（伏安關(guān)系VCR、 VAR ）。2、拓撲約束（幾何約束）電路術(shù)語 :支路：在集總參數(shù)電路中，每個二端元件構(gòu)成一個支路。b節(jié)點：每條支路的端點。兩條或兩條以上支路接于一點時，此連接點只算做一個節(jié)點。 n回路：任一閉合路徑。網(wǎng)孔(獨立回路)：內(nèi)部不包含任何支路的回路。m或：流經(jīng)同一電流的路徑。或：三條以上之路匯聚點。例：b=7n=3m=5b、n、m = ?6、4、3abcdi1i2i3i4 i5i6KCL：對于集中參數(shù)電路中的任何一個節(jié)點而言，在任一瞬時

16、，流入與流出此節(jié)點的電流之代數(shù)和恒等于0。 使用條件集中參數(shù)電路任意瞬時必須是同一時刻任何一個節(jié)點 流入、流出參考方向 代數(shù)和 有正有負，假設(shè)流出為正，流入為負 基爾霍夫電流定律，縮寫為KCLl電路中可列的KCL方程不是全部獨立的，獨立方程數(shù)為節(jié)點數(shù)減一。l該定律與所接支路中元件無關(guān)l數(shù)學(xué)形式：i(t)=0lKCL不僅可用于任意節(jié)點，而且可以推廣到任意閉合曲面中廣義節(jié)點節(jié)點1：節(jié)點2：節(jié)點3：節(jié)點4：廣義節(jié)點：假想的閉合面包圍著的節(jié)點和支路的集合。 KCL是電流連續(xù)性原理在集中參數(shù)電路中的表現(xiàn)形式。 KCL與元件的性質(zhì)無關(guān)。 i1 =3A i2 =-2Ai3 =？強調(diào)：（3）列KCL方程與支路

17、中元件的性質(zhì)無關(guān)，只與電路的幾何形狀有關(guān)，稱為幾何約束。（2） KCL方程有兩套正負號（公式、電流本身）。（1）列KCL方程時，應(yīng)先設(shè)定各支路電流的參考方向。例：KVL：在集中參數(shù)電路的任何一個回路中，任一瞬時，沿著任意選定的回路繞行方向，各支路電壓的代數(shù)和恒等于零。 使用條件集中參數(shù)電路 任意瞬時必須是同一時刻 回路繞行方向支路電壓參考方向（電壓降方向）與回路繞行方向一致時取正，反之取負。 基爾霍夫電壓定律 ，縮寫為KVLl 該定律與所接元件性質(zhì)無關(guān) 回路1 ： 回路2 ： 回路3 ：強調(diào)： （1）列KVL，應(yīng)先設(shè)定回路中各支路電壓的參考方向及回路繞行方向。（2）注意方程中有兩套正負號。（參

18、考方向與繞行方向一致性，電壓本身的符號。） （3）KVL方程與元件性質(zhì)無關(guān) (幾何約束） 。（4）電路中任意兩點間電壓與計算路徑無關(guān)。（5）電路中可列的KVL方程不是全部獨立的，獨立KVL方程數(shù)為b-(n-1)。 b為支路數(shù)，n為節(jié)點數(shù)。例、求節(jié)點到節(jié)點的電壓和各節(jié)點的電位。 電壓大小與計算路徑無關(guān)。 （廣義回路）計算各節(jié)點的電位時，要先選擇一個電位參考點，即零電位點。 (1)如以節(jié)點作為電位參考點v = u =20 Vv = u = u + u =（2+20）V =18 V v = u =12 V v = u =24 V 即v=0 V(2) 如以節(jié)點作為電位參考點v = u = 2 V v = u = u + u = （62）V = 8 V v = u = 20 V v = u = u + u =（ 62）V = 4 V 各點電位將隨所選擇的電位參考點的不同而改變，但任意兩點間的電壓(即電位差