一章电路模型和电路定律ppt课件.ppt

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1、电路基础,本门课程性质：专业必修课 考核方法：考查,信息技术学院 谢志豪 13598084754,电路课程的基本结构,一个假设（集总假设） 两类约束（元件约束和拓扑约束） 基本方法（叠加、分解、变换域和系统分析） 叠加方法的理论基础是叠加定理（第4章） 分解方法的理论基础是置换定理、戴维南定理、诺顿定理和互易定理（第4章） 变换域方法包含相量分析法（第8章） 一般分析（第3章）,第一章 集总参数电路中电压、电流的约束关系,基本概念和基本变量； 集总参数电路基本定律-基尔霍夫定律； 定义四种常用的电路元件： 电阻元件、电压源、电流源和受控源； 电压和电流必须满足的两类约束；,重点：(1) 电流、

2、电压的参考方向与关联； (2)电路基本定律：KCL、KVL、VCR； (3)电路元件；,1-1 电路及集总电路模型,一、电路：,作用： （1）能量转换： 实现电能传送、转换等。 （2）信号处理： 实现电信号产生、加工、传输、变换，存储等。,定义：电器元件或设备按一定方式连接而构成的集合。,二、实际电路：,定义：电气器件和设备连接而成的电路。,构成实际电路的电器件,电源,电阻器,蓄电池,交流稳压电源,电容器,电感线圈,铁心电抗器,变压器,晶体管和集成电路,电路组成部分,负载：用电的设备。 根据这种因果关系，称为激励与响应 有时也称为输入与输出。,电源：对电路提供电能或电信号的设备。,电路理论研究

3、的方法、研究的内容、研究的对象。,集总参数电路：,分类： 实际电路几何尺寸(d )与其工作信号波长()的关系 (1)集总参数电路：满足d条件的电路。 (2)分布参数电路：不满足d条件的电路。 说明： 本课程只讨论集总参数电路（简称为电路）,二、关于电路理论,是一门研究网络分析与综合或设计的基础工程学科，与近代系统理论关系密切。 研究的方法：通过建立一种电路模型来分析电路中发生的电磁现象，并用电流、电压、电荷和磁通等物理量描述其中的过程。 研究的内容：本教材主要研究电路的基本定律、定理和各种计算方法，以便求解电路中的某些物理量。 一般不涉及器件内部发生的物理过程。 研究的对象：是电路模型而不是实

4、际电路。,电路理论涉及的物理量主要有：,电流、电压、电荷、磁通、磁链、电功率、电能量等； 时变量用小写字母表示： i(t) 、u(t) 、q(t) 、f (t) 、y (t) 、p(t) 、w(t),恒定量用大写字母表示： I 、U 、Q 、F 、Y 、P 、W,三、电路模型,集总参数元件：（模型元件）,电路模型： 模型元件组成的电路。,电 路 图： 电路模型画在一个 平面上所形成的图形。,只反映一种基本电磁现象，有数学方法精确定义。,图形 符号,电路模型,实际器件不只表现出一种电路性质 例如：一个线圈,而当频率较高时，还要考虑电容效应，其模型中还应包含电容元件。,在直流情况下的模型是一个电阻

5、元件；,在较低频率情况下的模型是一个电阻元件和一个电感元件的串联组合；,理想电路元件是具有某种确定电磁性质的假想元件，是一种理想化模型并具有精确的数学定义，即电压电流方程。,在电路模型中，各理想电路元件均由“理想导线”连接起来。 根据端子的数目，理想电路元件分为： 两端、三端和四端元件等。,电路模型是实际电路的理想化的模型。,为了分析方便 必须在一定的条件下，对实际器件加以理想化处理，即：忽略它的次要性质，用理想电路元件或它们的组合来表示实际器件(建模)。,实际电路与电路模型的关系,电路分析,电路综合,目的：通过对电路模型的分析计算来预测实际电路的特性，从而改进实际电路的电气特性和设计出新的电

6、路。,任务：掌握电路的基本理论和电路的基本分析方法。,说明：本书只对集总电路模型中的线性、时不变、静态、动态电路进行分析。牢固建立“电路模型”概念。,最简单的实际电路和它的理想化模型,图11 手电筒电路,(a) 实际电路 (b) 电原理图（电气图）(c) 电路模型（电路图）(d) 拓扑结构图,1-2 电路分析常用基本变量,电路分析目的：得出给定电路的电性能。 描述电性能的变量：电流、电压、功率。 电路分析任务：求解变量。,方向：1）实际正方向：规定为正电荷运动的方向。 2）参考正方向：任意假定的方向。,带电质点的定向运动,定义：,一、电流：,注意：必须指定电流参考方向，这样电流的正或负值才有意

7、义。,二、电压：,三、电压与电流关联参考方向：,方向：1）实际正方向：规定为从高电位指向低电位。 2）参考正方向：任意假定的方向。,电流参考方向是从电压参考正极流入，负极流出。,电场力把单位正电荷从一点移向另一点所做的功。,定义：,注意：必须指定电压参考方向，这样电压的正值或负值才有意义。,+ u(t) -,i(t),- u(t) +,i(t),关联,非关联,四、功率：,定义：,+ u(t) -,i(t),- u(t) +,i(t),2 . 电压与电流采用非关联参考方向： p(t)=u(t)i(t)0 支路提供功率,1. 电压与电流采用关联参考方向： p(t)=u(t)i(t) 0 支路吸收功

8、率,计算：,练习题 :P12 11,作业：P52 习题13,1-3 基尔霍夫定律（Kirchhoffs Law),基尔霍夫定律： 任何集总参数电路都适用的基本定律 KCL：描述电路中各电流的约束关系; KVL：描述电路中各电压的约束关系；,一、电路名词定义：,1.支路： 流过同一电流的分支。 2.节点： 两条以上支路的连接点。 3.回路： 由支路构成的闭合路径。 4.网孔： 将电路画在平面上内部不 含有支路的回路，称为网孔。,二、基尔霍夫电流定律(KCL),1. KCL 对于任一集中参数电路，在任一时刻，流出（或流入） 任一节点的电流代数和等于零。 记为：,注意： 流出节点的电流为正，流入节点

9、的电流取负。,KCL方程：以支路电流为变量在电路各节点处列写的方程式。,节点A:,- I1 + I2 + I3=0,节点B:,- I2 + I4 + I5=0,节点C:,节点D:,- I3 - I4 + I6=0,I1 I5 - I6=0,( I1 = I5 + I6 ),2. KCL推广：,对于任一集中参数电路，在任一时刻，流出任一节点的电流和等于流入该节点的电流和。即：,对于任一集中参数电路，在任一时刻，流出任一闭合面的电流代数和等于零。即：,闭合面也称为广义节点。,3. 定律物理意义:,举例：图示电路，求I1和I2。,反映电荷的守恒性和电流的连续性。,三、基尔霍夫电压定律( KVL),1

10、. KVL 对于任一集总参数电路，在任一时刻，对任一回路，按一定绕行方向，其电压降的代数和等于零。 记为：,注意： 与绕行方向一致的电压为正，否则取负。,+ u2 -,- u6 +,KVL方程： 以支路电压在电路各回路列写的电路方程式。,回路1:,u1 + us2 - u5 - us1 =0,回路2:,u2 - u4 - us2=0,回路3:,- u6 + u5 + u4=0,( u1 - u5 = us1 - us2 ),(u2 - u4 = us2 ),2. 推广：,对于任一集中参数电路，在任一时刻，沿任一回路绕行方向，回路电压降的代数和等于回路电压源电压升的代数和。,3. 定律物理意义:

11、 描述回路中支路电压约束关系； 反映能量的守恒性。,练习： 图示电路，求Ucd和Ube。,即：,-11V,+,-,-9V,+,-,例1：,图示电路，电阻R有无电流？求电压u1和u2 。,作业：P54 习题15 、17 、110,练习题：P53 16,1-4 电阻元件,一、定义：,伏安关系可用u-i平面过坐标原点曲线来描述的二端元件。,电阻元件作用：电能转换为热能。,常用的各种二端电阻器件,电阻器,晶体二极管,二、电阻的分类：,线性电阻：伏安关系为u-i平面过坐标原点的直线。,非线性电阻：伏安关系为u-i平面过坐标原点的曲线。,电阻符号：,非线性电阻,线性电阻,从元件参数是否随时间变换的意义可分

12、为：,时不变电阻：（定常电阻） 伏安关系为u-i平面过坐标原点的一条直(曲)线。,时变电阻： 伏安关系为u-i平面过坐标原点的一组直(曲)线。,三、线性时不变电阻：,1. 伏安关系为u-i平面过坐标原点； 一条直线，斜率为R。 2. 端电压与通过的电流成正比； 即： u=Ri 或 U=RI 注意：电流、电压为关联参考方向； 3.具有双向性: 伏安特性对原点对称； 4.耗能元件：p=ui=Ri2=u2/R0 5.无记忆元件：u(t)=Ri(t),R单位： (欧姆),特点：,电导：,表征电阻元件的另一参数。,线性电阻的开路和短路特殊情况,(b)短路的电压电流关系曲线,(a)开路的电压电流关系曲线,

13、作业：P57 习题112 、113,电流为零， 电压可以是任意值,电压为零， 电流可以是任意值,注意：具体电路的电流电压是一个明确的值。, 1-5 电压源,电源：电路中提供能量的器件或装置。,电压源和电流源： 各种实际电源的电路模型（理想元件）。,常用的干电池和可充电电池,实验室使用的直流稳压电源,用示波器观测直流稳压电源的电压随时间变化的波形。,示波器,稳压电源,一、电压源定义：,能独立向外电路提供恒定电压的二端元件。,二、符号表示:,+ us -,三、伏安关系：,四、特点：,平行于i轴的一条直线。,恒压不恒流,2. 电流i由u和外电路共同确定；,1. 端电压u恒定与i无关；,us,us=1

14、0V,五、电压源的功率：,p=ui,既可提供功率，也可吸收功率。,+ u -,P27例1-7 电路如图所示：已知uS1 =12V, uS2=6V, R1=0.2, R2=0.1, R3=1.4, R4=2.3 。,求电流i 和电压uab 。,R1,i,R2,R3,R4,解题依据：,基尔霍夫定律和电阻元件的VCR。,解：,设电流参考方向如图中所示，,则各电阻上电压标注如图。,由KVL可得：,沿右边路径求电压uab:,也可由左边路径求电压uab：,作业：P56 习题115, 1-6 电流源,一、定义：,二、符号表示：,三、伏安关系：,Is,四、特点：,Is,1. 电流i与u无关；,Is=2A,能独

15、立向外电路提供恒定电流的二端元件。,平行于u轴的一条直线。,恒流不恒压,2. 端电压u由外电路确定；,五、电流源的功率：,p=ui,既可提供功率，也可吸收功率。,P32例1-10：计算图示电路中3 电阻的电压以及电流源的端电压及功率。,解： 由电流源的性质有 ：,电流源的端电压极性标注如图：,电流源提供功率为：,由电阻元件的VCR得：,u1,uR,i,极性如图所示,（非关联参考方向）,0,提供功率,作业：P57 习题120 、121,六、实际电源的电路模型：,1、实际电压源模型 （1）伏安关系：,实际电压源模型可等效为一个理想电压源Us和电阻Rs的串联组合。 （Rs称为实际电压源的内阻） Rs

16、越小的电源，其电压越稳定。,u = Us - iRs 其中：Rs直线的斜率。,(a),(b),Us,Rs,Us,（2）电路模型:,2、实际电流源模型,实际电流源模型可等效为一个理想电流源Is和电阻Rs的并联组合。 Rs称为实际电流源的内阻。 Rs越大的电源，其电流越稳定。,i = Is - u/Rs = Is - uGs 其中：Gs直线的斜率。,(a),(b),Is,Rs,Is,（2）电路模型：,（1）伏安关系：,3、实际电源的等效变换,等效条件：保持端口伏安关系相同,u = Us - iRs,u = (Is - i) Rs = Is Rs - i Rs ,等效变换关系：,Rs = Rs,Is

17、 =Us / Rs,练习：,利用等效变换概念化简下列电路。,1、,2、,4、,3、,5,2,10V,16V,4A,8,9,3A,5,2A,8,32V,16V,3A, 1-7 受控源 （有源多端元件）,一、定义：,二、电路结构特征：,线 性 非线性,时 变 时不变,三、分类：,依靠其它支路的电流或电压向外电路提供恒定电流或电压的元件。,受控电流源或电压源所在支路 受控支路 控制电流或电压所在支路 控制支路,具有两条支路：,四、线性时不变受控源电路模型：,1. 电压控制电压源,2. 电压控制电流源,u1,gu1,Voltage Controlled Voltage Source,u1, u1,(V

18、CVS),(VCCS),Voltage Controlled Current Source,i1=0 u2= u1,i1=0 i2= gu1,例:电子三极管,例:场效应管,i1,3. 电流控制电压源,4. 电流控制电流源,i1, i1,Current Controlled Voltage Source,(CCVS),u1=0 u2= i1,例:直流发电机, i1,i1,(CCCS),Current Controlled Current Source,u1=0 i2= i1,例:晶体三极管,五、线性时不变受控源特点：,1. 非独立的电源：不能独立向外电路提供能量。,2.具有两重性：电源性、电阻性

19、。,受控源简化图：,(VCVS),(VCCS),(CCVS),(CCCS),作业：P57 习题123、124、125,与实际电源相似，受控源也可进行等效变换。,六、受控源的等效变换：,例：,图示电路，求电压U 和电流 I。,解：,-2-2I -2I -6U +10=0,由KVL，有,-4I -6U = - 8,又有:,U = 2I+2,联立解得:,U = 1.5V,I = - 0.25A,受控源:,(提供功率),P = 6UI,= - 2.25W,若受控源: 6UU,U,求得：U = 4V I=1A,电阻性,-2-2I -2I -U +10=0,U = 2I+2,电源性,(吸收功率),P =

20、UI,= 4W,18 分压电路和分流电路,一、分压公式：,由KVL及VCR有：,分压公式：,则：,可得：,分压电路,二、分流公式,由KVL及VCR有：,分流公式：,则：,可得：,分流电路,作业：P57 习题128、129, 1-9 两类约束和电路方程,一、 拓扑约束（KCL，KVL）：,二、 支路约束（支路VCR)：,电路分析基本依据：列写电路方程，求解电路。,与电路支路性质无关，只取决于电路的连接结构；,（结构约束）,取决于支路元件的性质；,（元件约束）,线性无关的方程为：( b条支路n个结点),求解2b个方程可得电路的全部支路电压和支路电流。,(n1)个KCL方程,b( n1)个KVL方程

21、,b 个VCR方程,2b个方程,例：,图示电路，求电压u、电流I1和电阻R。,I1,I2,I3,I4,解：,I3=-1A,I2=3A,u=2I2 -2,= 4 V,由KVL，有：,u - U1-2I3 + 2=0,U1=8V I4 =U1/8=1A,I1=I4-I3,由KCL，有：,=2A,由KVL，有：,U1=3U1 RI1,故： R=8,4 - U1+2+2=0,练习： 图示电路，i1 =3A, u2 =4V。求电流i、电压u、us 和电阻R,并求电源、受控源提供的功率。,us,us=30V,u=20V,i=2A,R=10,Pus=90w,P4u1=-24w,u1=6V,1. 电路及电路模型：,3. 基尔霍夫定律：,2. 电路分析基本变量：,4. 电路常用元件（元件的VCR）,5. 两类约束：,6. 分压公式和分流公式：,无源元件：电阻； 有源元件：理想电压源、理想电流源；实际电源 受控源：VCCS、CCCS、VCVS、VCVS； 实际电源以及受控源的等效变换,电路作用、分类、理想元件、理想电路模型,定义、大小、单位、方向；电流电压关联参考方向,KCL、KVL内容、推广形式；KCL、KVL方程的列写；,KCL、KVL和 VCR方程的约束,串联分压公式、并联分流公式,本章小结：,