何10dl-01電路模型與定律.ppt

1、1-1電路及電路模型,1,電路分析,前言,2,Preface,課程介紹 電路分析與其它課程的關(guān)系 實驗 成績考核 要求及其他,前言,3,一、課程介紹,1有關(guān)電路方面的討論通常分為兩大類： （1）電路分析：在已知電路的結(jié)構(gòu)、元件、參數(shù)的情況下，分析該電路的特點和功能。 （2）電路綜合：在給定性能指標(biāo)的情況下建立起相應(yīng)的電路，即為電路設(shè)計。 電路分析是以討論電路性質(zhì)為目標(biāo)的。,前言,4,2課程的主要內(nèi)容： （1）電阻性電路分析 Chapter 15 （2）動態(tài)電路分析 Chapter 67 （3）正弦穩(wěn)態(tài)電路分析 Chapter 812 （4）電路的復(fù)頻域分析 Chapter 14 （5）網(wǎng)絡(luò)分析

2、 Chapter 16,前言,5,二、電路分析與其它課程的關(guān)系,電路分析是其它電類課程的先修課，是重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。要注重學(xué)習(xí)和掌握電路的基本概念、計算和分析電路的基本方法，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。,1-1電路及電路模型,6,三、實驗,電路分析實驗獨立開課，單獨考核。 1）預(yù)習(xí)有關(guān)實驗內(nèi)容，寫出預(yù)習(xí)報告。 2）按照正確的操作規(guī)程進(jìn)行實驗。 3）對實驗結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，寫出實驗報告。,前言,7,成績以期末考試為主，平時成績?yōu)楦薄?總成績構(gòu)成: 期末考試成績占70%； 平時作業(yè)占10%； 期中考試成績占20%。 期末考試采用國家教委統(tǒng)一試題庫命題。,四、成績考核,前言,8,五、要求及其他,

3、1作業(yè) 書寫規(guī)范、獨立完成、按時交納。 2參考書 電路分析基礎(chǔ) 李翰蓀 高等教育出版社 電路理論基礎(chǔ)張秀然 中國水利水電出版社 電路原理 江緝光 清華大學(xué)出版社 3、答疑安排,NEXT,1-1電路及電路模型,9,第1章 電路模型和電路定律 Circuit（ Network ）models and Law,電路和電路模型 電流、電壓和功率 電阻元件 電源元件 受控電源 基爾霍夫定律,1-1電路及電路模型,10,1-1 電路及電路模型,一、電路 (Circuit) 定義：由電工或電子器件、功能塊（如電阻器、電容器、變壓器、放大器、濾波器、電機、電池、發(fā)電機和信號發(fā)生器等）構(gòu)成的電流通路稱電路。,電

4、路的基本功能：傳輸電能、處理信號、測量、控制和計算等。,轉(zhuǎn)元器件圖,轉(zhuǎn)燈泡電路,1-1電路及電路模型,11,電阻器,電容器,線圈,電池,運算放大器,晶體管,回1-1,1-1電路及電路模型,12,1-1電路及電路模型,13,二、電路模型（Circuit models） 電路的工作是以其中的電壓、電流、電荷、磁鏈等物理量來描述的。 電路理論是建立在模擬概念的基礎(chǔ)上，即用理想化的模型來描述實際電路，而理想化的模型是由一些理想元件所構(gòu)成。 理想元件能夠反映實際電路中的電磁現(xiàn)象，表征其電磁性質(zhì)。,1-1電路及電路模型,14,幾個常用的理想電路元件： 電阻元件消耗電能的器件； 電感元件儲存磁能的器件； 電

5、容元件儲存電能的器件； 電源元件將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電能的器件。,1-1電路及電路模型,15,例1-1：手電筒電路,實際電路,電路模型,例1-2：線圈,線圈,直流下,交流下,1-1電路及電路模型,16,關(guān)于電路模型要注意以下幾點： 1一個器件的電路模型及參數(shù)與該器件的工作條件有關(guān)。 2電路模型是一種數(shù)學(xué)模型。 理想元件：具有精確數(shù)學(xué)運算關(guān)系的電路元件，如R、C、L等。 3.電路模型只是對實際物理過程的一種近似描述，模型的繁簡與實際工程計算要求的精度有關(guān)。,1-2 電流、電壓及功率,17,1-2 電流、電壓和功率,一電流（I，i）（Current） 帶電粒子(電子、離子)定向移動形成電流。 定

6、義：單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量稱電流強度（電流）。 數(shù)學(xué)表達(dá)式：,單位：安培A。1A=1C/1s(秒) 。 1kA=1000A，1mA=10-3A，1A=10-6A，1nA=109A,1-2 電流、電壓及功率,18,交流(AC),實際方向： 習(xí)慣上把正電荷運動的方向規(guī)定為電流方向。 幾個名詞： 恒定電流，簡稱直流(dc或DC)，一般用I表示。,交流電流，簡稱為交流(ac或AC)，一般用i表示。,1-2 電流、電壓及功率,19,參考方向(Reference direction )：假設(shè)的電流正方向。,i0,i0,iab,1-2 電流、電壓及功率,20,二、電壓（U，u）（Voltage） 定

7、義：在電場中，單位正電荷由a點 移到b點時的能量之差稱電壓。 數(shù)學(xué)表達(dá)式：,單位：伏特 V，kV，mV，V,實際方向： 電壓降方向，即由高電位指向低電位。,1-2 電流、電壓及功率,21,u0,u0,參考方向(Reference polarities)：假設(shè)的電壓正方向。,uab,1-2 電流、電壓及功率,22,關(guān)聯(lián)參考方向： 如果電流從標(biāo)以“+”號的端點流入，并從標(biāo)以“-”號的端點流出，則電流的參考方向與電壓參考方向一致，稱為關(guān)聯(lián)參考方向。,1-2 電流、電壓及功率,23,(1) 在解題前必須先設(shè)定電壓、電流參考方向，參考方向一經(jīng)選定，必須在圖中相應(yīng)位置標(biāo)注（包括符號和方向），在解題過程中不

8、得任意改變。,(3) 根據(jù)計算結(jié)果確定實際方向： 計算結(jié)果為正，則實際方向與參考方向一致； 計算結(jié)果為負(fù)，則實際方向與參考方向相反。,(2) 根據(jù)電路的定律、定理，列出物理量間相互 關(guān)系的代數(shù)表達(dá)式。,電路分析中參考方向應(yīng)用,1-1電路及電路模型,24,已知：Us=2V, R=1 問： 當(dāng)U分別為 3V 和 1V 時，IR=?,Us,R,a,b,U,+,-,+,-,1-1電路及電路模型,25,(3) 數(shù)值計算,（實際方向與參考方向一致）,（實際方向與參考方向相反）,Us,R,a,b,U,+,-,+,-,1-2 電流、電壓及功率,26,三、功率（P，p）（Power）,定義：元件吸收或釋放能量的

9、速率。,在電路中為：,單位：瓦特 W ，kW，1mW,數(shù)學(xué)表達(dá)式：,1-2 電流、電壓及功率,27,方向：在電壓、電流取關(guān)聯(lián)參考方向下，p=ui 表示的是該元件“消耗”（吸收）的電功率的大小。即為：,p0,p0,在電壓、電流取非關(guān)聯(lián)參考方向下，p=ui 表示的是該元件“發(fā)出”（產(chǎn)生）的電功率的大小。即為,p0,p0,1-2 電流、電壓及功率,28,p=(2)(3)=6 W, 由該元件吸收6W 。,p=(2)(3)=6 W, 由該元件吸收6 W 。,p=(4)(5)= 20 W, 由該元件產(chǎn)生20W 。,練習(xí):,轉(zhuǎn) 1-3,1-1電路及電路模型,29,1-3 電路元件,一、電路元件分類,1 二端

10、元件、三端元件、四端元件。 2 有源元件、無源元件。 3 線性、非線性元件。 4 時不變、時變元件,二、集總假設(shè)（Lumped hypothesis）,根據(jù)實際電路的幾何尺寸(d）與其工作信號波長()的關(guān)系，可將電路分為兩大類： (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 條件的電路。,1-1電路及電路模型,30,集總參數(shù)元件的一個主要特點是外形尺寸很?。ㄍ９ぷ黝l率所對應(yīng)的波長相比較而言）。 對二端集總參數(shù)元件來說，在任何時刻流經(jīng)元件的電流以及元件的端電壓完全是確定量。對多端的集總參數(shù)元件來說，在任何時刻流入任一端的電流以及任意兩端之間的電壓完全是確定量。,說明

11、：本書只討論集總參數(shù)電路,今后簡稱為電路。,1-1電路及電路模型,31,為了顯示限制電路尺寸的含義，研究以下幾種情況： （1）音頻電路 最高工作頻率可為25kHz，對應(yīng)的波長,（2）對計算機電路 其頻率可達(dá)500MHz，此時,（3）對電力電路 頻率為50HZ，此時,1-3 電阻元件,32,1-4 電阻元件,一、電阻元件 (Resistor),定義：在關(guān)聯(lián)參考方向下，如果一個二端元件 在任意時刻t，其電壓與電流的關(guān)系服從歐姆定律，即： u=R i 則該元件稱線性二端電阻元件。 在電路中的符號:,1-3 電阻元件,33,討論： R是表征電阻元件伏安關(guān)系的一個參數(shù)，為正實常數(shù)，單位：歐姆() 。 另

12、一個表征電阻元件的一個參數(shù)為G ，單位：西門子(S)。 二者關(guān)系：R=1/G 電壓、電流取關(guān)聯(lián)參考方向：u = R i 為非關(guān)聯(lián)參考方向： u = - R i 電阻元件是無記憶性的元件，即f (u，i，t )=0 電阻元件吸收的功率： p=ui=i2R=u2/R or p=ui=u2G=i 2/G,1-3 電阻元件,34,開路,短路,開路、短路：,1-6 電壓源和電流源,35,1-5 電壓源和電流源,一、電壓源（Voltage source） 定義：如果一個二端元件接到任一電路后，其兩端的電壓us(t)總能保持規(guī)定值，與通過它的電流大小無關(guān)，則該二端元件就稱為電壓源。,電路符號,1-1電路及電

13、路模型,36,伏安關(guān)系(或特性)： （1）電壓源兩端的電壓由電壓源本身決定，與外電路無關(guān)；與流經(jīng)它的電流的方向、大小無關(guān)。 （2）通過電壓源的電流由電壓源和外電路共同決定。,直流電壓源的伏安特性曲線,1-6 電壓源和電流源,37,例1-4： 已知 : Us=3V, 求:流過R (分別取2、20時)的電流 I=?,解： R=2，I = 1.5A; R=20，I = 0.15A 若：在短路情況下，R=0，I =，則P=UI=。 在實際電路中不存在。也不允許。,1-6 電壓源和電流源,38,電壓源的功率： （1）電壓、電流習(xí)慣上采用非關(guān)聯(lián)參考方向,在這種情況下，p=ui代表電壓源向外電路提供的功率。

14、,1-1電路及電路模型,39,理想電壓源在實際中不存在。 在一定范圍內(nèi)，一些實際電壓源可近似為理想電壓源。如蓄電池：當(dāng)工作電流小于3A的情況下，可以近似看成是一個理想電壓源。,1-6 電壓源和電流源,40,二、電流源（Ideal current sources） 定義：如果一個二端元件接到任一電路后，該元件能夠?qū)ν怆娐诽峁┮?guī)定的電流is(t)，與其端電壓的大小無關(guān)，則該元件就稱為電流源。,電路符號,1-1電路及電路模型,41,伏安關(guān)系(或特性): （1）電流源向外電路提供的電流由電流源本身決定，與外電路無關(guān)；與它兩端電壓大小、方向無關(guān)。 （2）電流源兩端電壓由電流源和外電路共同決定。,直流電流

15、源的伏安關(guān)系,1-6 電壓源和電流源,42,例1-5： 已知 : Is=5A, 求:電流源兩端的電壓 U=? (R分別取1、2時),解： R=1，U = 5V; R=2，U = 10V 若：在開路情況下，R= , U , P 在實際電路中不存在，也不允許。,1-6 電壓源和電流源,43,電流源的功率： （1）電壓、電流習(xí)慣上采用非關(guān)聯(lián)參考方向,（在這種情況下，p=ui代表電流源向外電路提供的功率。,1-6 電壓源和電流源,44,I,US,R,_,+,a,b,Uab=?,Is,原則：Is不能變，US不能變。,電壓源中的電流 I= IS,恒流源兩端的電壓,45,恒壓源與恒流源特性比較,Uab的大小

16、、方向均為恒定， 外電路負(fù)載對 Uab 無影響。,I 的大小、方向均為恒定， 外電路負(fù)載對 I 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,1-7 受控源,46,1-6 受控源(Controlled sources),兩大類電源： 獨立電源（Independent source）：能夠獨立地向外電路提供能量，即稱為激勵（或輸入）。 非獨立電源（Dependent source）：為分析有源器件（如晶體管、運算放大器等）提出的電路模型。 一、定義 受控電源是一個具有兩條支路的雙口元件，其輸出端口的電壓（或電流）

17、受控于輸入端口的電壓（或電流）。,轉(zhuǎn)下一頁,轉(zhuǎn) 舉例,1-7 受控源,47,* 雙口網(wǎng)絡(luò)（Two-port network）,* 單口網(wǎng)絡(luò)（One-port network）,回上頁,1-7 受控源,48,例如：電壓放大器,u2=Au1，即u2受到u1的控制。,u2=rmi1，即u2受到i1的控制。,又如：電流、電壓轉(zhuǎn)換器,1-1電路及電路模型,49,二、符號,受控電壓源,受控電流源,1-7 受控源,50,三、分類 根據(jù)控制變量與被控制變量的不同，受控電源可以分成四類：,為電壓傳輸比，量綱為一,g為轉(zhuǎn)移導(dǎo)納，量綱為西門子,1-7 受控源,51,r為轉(zhuǎn)移阻抗，量綱為歐姆。,為電流傳輸比，量綱為一

18、。,1-7 受控源,52,四、受控源與獨立源的比較,（1） 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)，而受控電源的電壓（或電流）由控制量決定。 （2）獨立電源在電路中起“激勵”作用，在電路中產(chǎn)生電壓、電流，而受控電源只是反映控制回路與被控制回路之間的一種耦合關(guān)系，在電路中不能作為激勵。,1-7 受控源,53,例1-6：求i2=?,解：,1-8 基爾霍夫定律,54,1-7 基爾霍夫定律,電路的基本規(guī)律包含兩方面的內(nèi)容（即兩大類約束關(guān)系）： 其一，電路中的各種元件本身具有的約束關(guān)系元件的伏安關(guān)系； 其二，電路的結(jié)構(gòu)整體所遵循的約束關(guān)系結(jié)構(gòu)約束。 兩類約束是解決集總參數(shù)電路問題

19、的基本依據(jù)。,1-8 基爾霍夫定律,55,3回路：在電路中，從某一節(jié)點出發(fā)，又回到該節(jié)點的任一閉合路徑。且同一節(jié)點，同一支路只能經(jīng)過一次。 4網(wǎng)孔：回路內(nèi)部不另含回路的回路。,一、幾個有關(guān)電路結(jié)構(gòu)的名詞,1支路：一個具有兩個端鈕而由一個或多個元件串聯(lián)而成的組合，且在電路中一段無分支的電路。,2節(jié)點：支路的連接點。,1-8 基爾霍夫定律,56,二、基爾霍夫電流定律 （Kirchhoffs current law，簡寫KCL） 1定律表述：在集總參數(shù)電路中，任一時刻，流入任意節(jié)點的電流之和等于流出該節(jié)點的電流之和。數(shù)學(xué)表示為：,若流出節(jié)點的電流規(guī)定為正，流入節(jié)點的電流為負(fù)，則KCL可以表示為：,1

20、-8 基爾霍夫定律,57,解：各支路電流的參考方向如圖所示。根據(jù)KCL，對a節(jié)點，電流方程為：,(7)-(4)- i1=0 則 i1=3A 對b節(jié)點，電流方程為： i1+ i2 +（-2）-(10)=0，則 i2=9A 所得結(jié)果表明：未知電流i1與i2的真實方向與圖中的參考方向相同。,例1-7 應(yīng)用KCL求圖示電路中的未知電流i1和i2。,1-8 基爾霍夫定律,58,由此例可知： （1）把KCL應(yīng)用到某一節(jié)點時，首先要指定每一支路電流的參考方向。 （2）應(yīng)用KCL時必須要和電流的兩套符號打交道： 其一，列KCL方程時，有關(guān)支路電流前的正負(fù)號的選擇。 其二，各支路電流本身數(shù)值的正負(fù)號的選擇。,1

21、-8 基爾霍夫定律,59,.說明 KCL適用于任何集總參數(shù)電路，反映了電路的互聯(lián)性質(zhì)，與電路元件的性質(zhì)無關(guān)。 KCL揭示了在每一節(jié)點上電荷的守恒。在a節(jié)點處：,其中dq/dt 為節(jié)點a處電荷的變化率或積聚速率。,1-8 基爾霍夫定律,60,3. KCL的推廣應(yīng)用,KCL對于一個封閉面（常稱廣義節(jié)點）也是適用的。即：在集總參數(shù)電路中，任一時刻流出（或流入）任意一個封閉面的電流之代數(shù)和為零。,I1+I2=I3,1-8 基爾霍夫定律,61,三、基爾霍夫電壓定律 （Kirchhoffs voltage law 簡寫KVL）,1定律表述 在集總參數(shù)電路中，任一時刻，對任意回路，按一定方向繞行一周，回路中

22、各支路電壓的代數(shù)和為零。數(shù)學(xué)表示為：,1-8 基爾霍夫定律,62,例如：在圖示電路中，取回路、，繞行方向皆為順時針，各支路電壓的參考方向如圖。,回路：u1 u3 u2 = 0 回路：u2 + us u4 = 0 回路：u3 + u5 us = 0,應(yīng)用KVL時，若規(guī)定支路電壓的參考方向與繞行方向相同時取正，反之取負(fù)，則有：,1-8 基爾霍夫定律,63,由此例可知， （1）應(yīng)用KVL時，應(yīng)首先標(biāo)定各支路電 壓的參考方向，然后規(guī)定回路的繞行方向。 （2）列KVL方程時亦有兩套符號問題。 2. 說明 KVL是能量守恒定律在集總參數(shù)電路中的具體反映。 KVL適用于任何集總參數(shù)電路，與電路元件的性質(zhì)無關(guān)

23、。,1-8 基爾霍夫定律,64,3KVL的推廣應(yīng)用 KVL既可以用于由導(dǎo)線連接起來的任何回路，也可以用于開口電路（即廣義回路）。 例1- 8 求圖示電路中的ucd。,解：在圖示電路中，對廣義回路bcdeb應(yīng)用KVL，有： ubc+ucd+ude+ueb =-4+ucd-2-5 =0 則：ucd=11V,1-8 基爾霍夫定律,65,四、舉例 例1-9 電路如圖所示,已知：U1 = 10V，R1 = 2，R2 = 4,R3 = 5，Us2 = 4V，Us3 = 20V，,解：由于cd間開路，所以Us3和R3中無電流通過，僅aefba回路中有電流，設(shè)其參考方向如圖。,由KVL得 Uab = U1 = I1R1 + I1R2 + Us2 由此求出,求：cd兩點間的開路電壓Ucd。,1-8 基爾霍夫定律,66,將KVL應(yīng)用于