大二上01電路和模型

本人簡介蔡小玲基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)樓339email:參考書目黃錦安主編，電路（第2版），機(jī)械工業(yè)出版社，2007年.邱關(guān)源編著，電路（第4版），高等教育出版社，2000年.錢建平主編?電路學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題詳解?機(jī)械工業(yè)出版社，2008年.A.H.Robbins,

W.C.Miller,Circuit

Analysis:Theory

and

Practice(Second

Edition),

2003.J.E.Kemmerly,

S.M.Durbin,

Engineering

Circuit

Analysis

(SixthEdition),

2002.課程的性質(zhì)電路課程是電氣信息類各專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，是研究電網(wǎng)絡(luò)的基本規(guī)律及其計算的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。電路的研究對象電路課程的研究對象是從實(shí)際電路中抽象出來的理想化電路，即實(shí)際電路的模型，研究其中的電壓、電流和功率等物理量的變化規(guī)律.課

程的重要性本課程是模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、信號與系統(tǒng)等課程的必要先修課，是構(gòu)架硬件知識體系的重要環(huán)節(jié)。課

程的目標(biāo)學(xué)習(xí)和掌握電路的基本理論和分析方法，并掌握初步的實(shí)驗(yàn)技能，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅實(shí)的基礎(chǔ).直流電阻電路分析（20學(xué)時）動態(tài)電路分析（12學(xué)時）正弦穩(wěn)態(tài)電路分析（22學(xué)時）其他（11學(xué)時）+實(shí)驗(yàn)（8學(xué)時）課

程

安

排1.

直流電阻電路分析（20學(xué)時）電路模型和電路定律（4學(xué)時）電路模型（2學(xué)時）電路定律（2

學(xué)時）電阻電路的分析（14學(xué)時）簡單電阻電路的分析（4

學(xué)時）電阻電路的一般分析（4

學(xué)時）電路定理（6學(xué)時）運(yùn)算放大器（2學(xué)時）2.

動態(tài)電路分析（12學(xué)時）一階電路的分析（10

學(xué)時）二階電路的分析（2

學(xué)時）3.

正弦穩(wěn)態(tài)電路分析（22學(xué)時）正弦交流電路基礎(chǔ)（4

學(xué)時）正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析（8

學(xué)時）含耦合電感的電路（4

學(xué)時）三相電路（4

學(xué)時）非正弦周期電流電路（2

學(xué)時）4.

其他（11學(xué)時）+實(shí)驗(yàn)（8學(xué)時）圖論和電路矩陣方程（4

學(xué)時）二端口網(wǎng)絡(luò)（4

學(xué)時）非線性電阻電路（3

學(xué)時）電路實(shí)驗(yàn)（8學(xué)時）電路實(shí)驗(yàn)各班班長與實(shí)驗(yàn)室俞老師（基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)樓337）聯(lián)系.帶預(yù)習(xí)報告，帶鞋套.地點(diǎn)：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)樓，電話：84303086.作業(yè)要求每次上課前交作業(yè)；獨(dú)立按時完成；畫電路圖；小的作業(yè)本。成績評定作業(yè)、到課、隨堂測驗(yàn)等計24分;實(shí)驗(yàn)計16分;卷面考試計60分。第1章電路模型和電路定律電路和電路模型電流和電壓的參考方向功率和能量電阻元件電壓源和電流源受控源基爾霍夫定律1.1電路和電路模型電路的概念電路是由用電設(shè)備或元器件（稱為負(fù)載）與供電設(shè)備（稱為電源）通過導(dǎo)線連接而構(gòu)成的提供給電荷流動的通路.電阻器電容器線圈電池運(yùn)算放大器晶體管1.1電路和電路模型1.1電路和電路模型電源：產(chǎn)生電能或提供電信號.負(fù)載：利用電能或電信號.中間環(huán)節(jié)：電源至負(fù)載的中間部分.¤

電路的組成1.1電路和電路模型電路的作用進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和傳輸（主要強(qiáng)電系統(tǒng)）.進(jìn)行信號的處理和傳遞（主要弱電系統(tǒng)）.進(jìn)行信息的存儲.1.1電路和電路模型電

源負(fù)

載中間環(huán)節(jié)激勵（輸入）響應(yīng)（輸出）1.1電路和電路模型¤

引入電路模型的原因構(gòu)成實(shí)際電路的元器件種類繁多，形狀各異，給分析和設(shè)計帶來困難.只有對各種元器件的特性建立了數(shù)學(xué)模型，才可能對電路進(jìn)行深入分析.1.1電路和電路模型電路電路模型對實(shí)際電路的特性進(jìn)行分析、抽象，將電路的主要性能用數(shù)學(xué)方法表達(dá)出來，再利用一些具有特定、理想化特性的元件（理想元件）重構(gòu)出來的電路，稱為原電路的模型.¤

什么是電路模型1.1電路和電路模型電路模型1.1電路和電路模型+R.S_

USRS理想電路元件電阻元件R電感元件L電容元件C無源元件..

消耗電能R..

存儲電場能量C..存儲磁場能量L1.1電路和電路模型理想電路元件電壓源電流源有源元件獨(dú)立電源.Us.

..+us(t)_.is(t)..

.Is1.1電路和電路模型..RL.

.R直流低頻高頻

..RLC應(yīng)該說明，理想電路元件不完全等同于電路器件，就是同一個電路器件在不同的條件下其電路模型也可能不同.電感線圈1.1電路和電路模型“集中假設(shè)”及集中電路元件及電路各方向的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電路周圍的電磁波波長.1.1電路和電路模型電路的特性是由電流、電壓和功率等物理量描述的.電路分析的基本任務(wù)是計算電路中的電流、電壓和功率.1.2電流和電壓的參考方向¤

電流dt單位：安培（A）1安培=1庫侖/秒1kA=103A

；1mA=10-3A；1μA=10-6Ai

=

dq電流是由電荷（帶電粒子）有規(guī)則的定向運(yùn)動形成的.電流在數(shù)值上等于單位時間內(nèi)通過某一導(dǎo)體橫截面的電荷量：1.2電流和電壓的參考方向一些常用的十進(jìn)制倍數(shù)的表示方法：1.2電流和電壓的參考方向符號

T

G

M

k

c中文

太

吉

兆

千

厘m

μ

n

p毫

微

納

皮數(shù)量

1012

109

106

10310-210-3

10-610-9

10-12恒定電流量值和方向均不隨時間變化的電流，稱為恒定電流，簡稱為直流電流(dc或DC—Direct

current)，一般用符號I表示.時變電流量值和方向隨時間變化的電流，稱為時變電流，一般用符號i表示。時變電流在某一時刻t的值i

(t)，稱為瞬時值.交流電流量值和方向作周期性變化且平均值為零的時變電流，稱為交流電流，簡稱為交流(ac或AC—Alternatingcurrent).1.2電流和電壓的參考方向¤

為什么引入?yún)⒖挤较颍坑行?fù)雜電路的某些支路事先無法確定實(shí)際方向。為分析方便，只能事先任意標(biāo)定一方向（參考方向），根據(jù)計算結(jié)果，才能確定電流的實(shí)際方向.實(shí)際電路中有些電流是交變的，無法標(biāo)出實(shí)際方向。標(biāo)出參考方向，再加上與之配合的表達(dá)式，才能表示出電流的大小和實(shí)際方向.1.2電流和電壓的參考方向¤

電流的參考方向是一種任意選定的方向.

.iAB標(biāo)定方式：在連接導(dǎo)線上用箭頭表示；在不引起歧義的情況下：iAB.約定：當(dāng)i>0時參考方向與實(shí)際方向一致.當(dāng)i<0時參考方向與實(shí)際方向相反.1.2電流和電壓的參考方向重點(diǎn)¤

電壓abuq

dq=

Wa

-Wb

=

dW單位：伏特（V）1kV=103V

；1mV=10-3V；1μV=10-6V.abq+WaWb.電路中a、b兩點(diǎn)之間的電壓uab：將單位正電荷從a點(diǎn)移到b點(diǎn)所需的能量或功.失去能量Wa-Wb1.2電流和電壓的參考方向恒定電壓量值和方向均不隨時間變化的電壓，稱為恒定電壓，簡稱為直流電壓，一般用符號U表示時變電壓量值和方向隨時間變化的電壓，稱為時變電壓，一般用符號u表示。時變電壓在某一時刻t的值u(t)，稱為瞬時值.交流電壓量值和方向作周期性變化且平均值為零的時變電壓.1.2電流和電壓的參考方向¤

電壓的參考方向是一種任意選定的方向.標(biāo)定方式約定：當(dāng)u>0時參考方向與實(shí)際方向一致；當(dāng)u<0時參考方向與實(shí)際方向相反..

.uBuA+_uAB“+”為高電位端“－”為低電位端1.2電流和電壓的參考方向重點(diǎn)¤

電壓與電流的關(guān)聯(lián)參考方向電流與電壓的參考方向一致則稱為關(guān)聯(lián)參考方向，反之則為非關(guān)聯(lián)參考方向..

.iAu+_B1.2電流和電壓的參考方向重點(diǎn).iu(a)+_.

..iu(b)+_..iu(c)+_..iu(d)+_(a)、(b)為關(guān)聯(lián)參考方向.(c)、(d)為非關(guān)聯(lián)參考方向.1.2電流和電壓的參考方向¤

功率在關(guān)聯(lián)參考方向下瞬時功率：..i(t)u(t)A

+_

Bp(t)

=

dW

(t)

=

dW

(t)

dq(t)

=

u(t)

i(t)dt

dq

dt若u(t)與i(t)在非關(guān)聯(lián)參考方向下：

p(t)

=

-u(t)

i(t)必須加上負(fù)號！.

.i(t)u(t)+

BA

_1.3功率和能量¤

功率當(dāng)p>0時，吸收功率當(dāng)p<0時，發(fā)出功率單位：瓦特（W）1.3功率和能量¤

功率的計算..iAu+_Bp

=

ui..iBu+A_p

=

-ui1.3功率和能量¤

功率的計算解：P

=5·

2

=10W

（吸收功率）1.3功率和能量例：..2A5VA+B_¤

能量電路從0到t時刻所吸收的電能為：單位：焦耳(J)0tp(x)dxW

=1.3功率和能量電路中所有元件的功率之和為0！這一規(guī)則稱為功率平衡原理，常用作對分析結(jié)果的檢驗(yàn)準(zhǔn)則.功率平衡實(shí)際上是能量守恒的體現(xiàn)，任意時刻，電源發(fā)出的電能恰為負(fù)載所消耗.1.3功率和能量(二端)電阻元件若一個二端元件的電壓與電流之間的關(guān)系可以用u-i平面上的一條曲線表征時稱之為電阻.過原點(diǎn)的直線對應(yīng)的電阻稱為線性電阻.0iu充氣二極管為非線性電阻.1.4電阻元件常用的各種二端電阻器件電阻器晶體二極管1.4電阻元件電阻元件金屬膜電阻器METALFILM

FIXED

RESISTOR（MF

TYPE）金屬氧化物電阻器METALOXIDE

FILM

RESISTOR(MOF

TYPE)碳膜電阻器CARBON

FILM

FIXED

RESISTOR熔斷涂覆電阻器FUSIBLE

FILM

RESISTOR線繞涂覆電阻器WIRE

WOUND

RESISTOR(KNPTYPE)貼片電阻器CHIP

FIXED

RESISTOR

(Highprecision

TYPE)1.3電阻元件水泥充填密封而成。通常用于功率大，電流大的場合，有

2W，3W，5W，10W甚至更大的功率，像空調(diào)，電視機(jī)，等功率在百瓦級以上的電器中.1.3電阻元件0iu線性電阻..iu+_R（關(guān)聯(lián)）iR

=

u單位：歐姆（Ω）1kΩ

=103

Ω1.4電阻元件實(shí)驗(yàn)表明：在低頻工作條件下，電阻器的電壓電流關(guān)系是

u-i平面上通過坐標(biāo)原點(diǎn)的一條直線.用晶體管特性圖示器測量二端電阻器的電壓電流關(guān)系：實(shí)驗(yàn)表明：在低頻工作條件下，晶體二極管的電壓電流關(guān)系是u-i平面上通過坐標(biāo)原點(diǎn)的一條曲線.用晶體管特性圖示器測量晶體二極管的電壓電流關(guān)系：在電子設(shè)備中使用的碳膜電位器、實(shí)心電位器和線繞電位器是一種三端電阻器件，它有一個滑動接觸端和兩個固定端[圖(a)]。在直流和低頻工作時，電位器可用兩個可變電阻串聯(lián)來模擬[圖(b)]。電位器的滑動端和任一固定端間的電阻值，可以從零到標(biāo)稱值間連續(xù)變化，可作為可變電阻器使用.1.4

電阻元件歐姆定律..iu+_Ru

=

Ri..iu+_Ru

=

-Ri只有線性電阻才遵守歐姆定律.1.4

電阻元件歐姆定律的另一種形式..iu+_R

(G)Ri

=

1

u

=

GuRG

=

1單位：西門子(S)G

—電導(dǎo)1.4

電阻元件電阻功率的計算2

u2p

=

ui

=

Ri

=R2u2R.iu+_.

p

=

ui

=

Ri

=R..iu+_R2u2Rp

=

-ui

=

-(-Ri)i

=

Ri

=,電阻元件始終不產(chǎn)生功率.p

=

Ri2

?

0電源在電路中可能吸收功率，也可能發(fā)出功率.1.4

電阻元件1.5

電壓源和電流源電路中的耗能器件或裝置有電流流動時，會不斷消耗能量，電路中必須有提供能量的器件或裝置——電源.常用的直流電源有干電池、蓄電池、直流發(fā)電機(jī)、直流穩(wěn)壓電源和直流穩(wěn)流電源等.常用的交流電源有電力系統(tǒng)提供的正弦交流電源、交流穩(wěn)壓電源和產(chǎn)生多種波形的各種信號發(fā)生器等.1.4

獨(dú)立電源常用的干電池1.4

獨(dú)立電源常用的可充電電池1.5

電壓源和電流源實(shí)驗(yàn)室使用的直流穩(wěn)壓電源用示波器觀測直流穩(wěn)壓電源的電壓隨時間變化的波形示波器穩(wěn)壓電源.+us(t)_..

.Us1.5

電壓源和電流源為了得到各種實(shí)際電源的電路模型，定義兩種理想的電路元件——理想電壓源和理想電流源.電壓源理想電壓源若一個二端元件輸出電壓恒定則稱為理想電壓源.電路符號:1.5

電壓源和電流源基本性質(zhì):理想電壓源0UIUs輸出電壓恒定，和外電路無關(guān).其流過的電流由外電路決定.伏安特性曲線:思考：什么情況下U的曲線會出現(xiàn)在第二象限？sR

RU

U

=

Us

UI

=+Us

_IU+_R1.5

電壓源和電流源實(shí)際電壓源若一個二端元件所輸出的電壓隨流過它的電流變化而變化就稱為實(shí)際電壓源.一般地講，實(shí)際電壓源輸出電壓都會隨其電流的增大而降低，故可用一個電壓源Us和一個電阻Rs的串聯(lián)組合作為其電路模型.電路模型:+Us

_RsI.+U._U

=

Us

-

Rs

I重點(diǎn)伏安特性曲線:1.5

電壓源和電流源實(shí)際電壓源0UIUsRs

IU

=

Us

-

Rs

I+Us

_RsI.+U_.1.5

電壓源和電流源實(shí)際電壓源三種工作狀態(tài)加載:U

=

Us

-

Rs

I+Us

_I..U+Rs_RI

=

0,

Uoc

=

Us(Uoc:開路電壓)+Us

_Rs+._1.5

電壓源和電流源實(shí)際電壓源三種工作狀態(tài)開路:open

circuitI

=

0.UocsUsU

=

0,

Isc

=

Rsc(I

:短路電流)+Us_Rs1.5

電壓源和電流源實(shí)際電壓源三種工作狀態(tài)短路:short

circuitIscU

=

0+_實(shí)際電壓源器件不允許短路!×1.5

電壓源和電流源加載:U

=

Us

-

Rs

I開路:I

=

0,

Uoc

=

Us短路:scsRU

=

0,

I=

Us×+Us

_RsI..U+_R+Us

_Rs+_.I

=

0.Uoc+Us_RsIscU

=

0+_1.5

電壓源和電流源有些電壓源，如化學(xué)電池，其內(nèi)電阻Ro非常小，而電壓源電壓Us值一定，故短路電流Isc非常大，短時間內(nèi)即

可毀壞此電源。因此，實(shí)際生活中，實(shí)際電壓源器件不允許短路.+Us_RoIscU

=

0+_×1.5

電壓源和電流源電流源理想電流源若一個二端元件輸出電流恒定則稱為理想電流源..is(t)電路符號:..

.Is1.5

電壓源和電流源理想電流源輸出電流恒定，和外電路無關(guān).其兩端電壓由外電路決定.伏安特性曲線:0UIIsI

=

IsU

=

RI

RIsIs基本性質(zhì):IU+_R1.5

電壓源和電流源實(shí)際電流源若一個二端元件所輸出的電流隨其端電壓變化而變化稱為實(shí)際電流源.一般地講，實(shí)際電流源輸出電流都會隨著其電壓的升高而降低，故可用一個電流源Is和一個電導(dǎo)Gs的并聯(lián)組合作為其電路模型.電路模型:I

=

Is

-

GsUIsGsI

.+U._GsU1.5

電壓源和電流源伏安特性曲線實(shí)際電流源0UIIssG

UI

=

Is

-

GsUIsGsI

.+U._GsU1.5

電壓源和電流源實(shí)際電流源三種工作狀態(tài)加載:I