浙江大学范承志电路原理课件第一章_基本概念(甲)

电路原理电路原理课程介绍1）电路原理是研究电路中发生的电磁现象，利用电路基本理论和基本定律进行分析计算，是理工类本科生的一门重要基础课程；2）电路研究内容一般分类及应用方向：a.强电部分：电能输送分配、电网、电功率计算、效率、电气安全等；b.弱电部分：电信号传输、处理、调制解调、滤波、畸变分析、模拟和数字信号、电路特性等；应用研究领域包括电气驱动、自动化工程、电力电子、电气信息工程、通信工程、电子仪器及测量、计算机、光电工程等.3）课程特点：本课程定位为理工类本科生的基础课，课程知识是对实际问题的抽象研究。课程不涉及具体电器元件，主要讲述电路的一般分析计算方法，具有较强的理论性。本课程研究内容是电子线路、信号处理、高频电子线路、自动控制理论、微机控制、计算机、电气驱动、电力电子、电力系统等后续课程的基础。本课程学习所需的准备知识包括物理学、微积分、微分方程、复变函数、线性代数、矩阵等。电路原理课程介绍主要教材：《电路原理》机械工业出版社范承志等电路原理课程介绍主要参考书：《FundamentalsofElectricCircuits》CharlesK.Alexander清华大学出版社《电路原理》浙江大学出版社周庭阳等《电路》高教出版社邱关源第一章电路的基本概念和基本定律主要内容:1电路元件;2电压电流的参考方向;3基尔霍夫定律;4无源电阻网络的简化;5Y－变换.第一节电路和电路元件1）由电气设备以各种方式连接组成的总体称为电路。简单电路如手电筒，包括电池、灯泡、开关及连线复杂的电路如超大规模集成电路、通信网络、自动控制系统、高压电网等。电池开关灯炮RUs123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:30-Dec-2002SheetofFile:E:\wyf\linearmotor\论文电路图\论文电路.ddbDrawnBy:Q1+C1R5321411U1AVCC567U1B1098U1C121314U1DR2R3VCCC2R4D1VCCR1VCCPRECVCON123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:30-Dec-2002SheetofFile:E:\wyf\linearmotor\论文电路图\论文电路.ddbDrawnBy:CLKRSTCSCKDAOEINTWVSGNDGNDWBVBUBWTVTUTVDDVDDU1SM2001RA0/AN02RA1/AN13RA2/AN2/VREF-4RA3/AN3/VREF+5RA4/T0CKI6RA5/AN4/SS7RB0/INT21RB122RB223RB3/PGM24RB425RB526RB6/PGC27RB7/PGD28RC0/T1OSO/T1CKI11RC1/T1OSI/CCP212RC2/CCP113RC3/SCK/SCL14RC4/SDI/SDA15RC5/SDO16RC6/TX/CK17RC7/RX/DT18MCLR/VPP/THV1OSC1/CLKIN9OSC2/CLKOUT10U2PIC16F873Y1C10C11123max809VCCVCONVCCVCC2）为了对实际电路进行分析研究，把各种各样的实际电路元件根据其主要物理性质，抽象成理想化的电路模型元件，这些元件包括电阻元件、电感元件、电容元件、独立电源元件、受控源元件、二端口和多端元件等。3）电路计算基本物理量及单位：电流（安培）1安培=1库仑/秒1A=103mA=106A电压（伏特）1伏特=1焦尔/1库仑1V=103mV=106V电功率（瓦特）1瓦特=1安培*1伏特1KW=103W电能（焦尔）1焦尔=1瓦特*秒电能（度）1度=1千瓦小时（KW•h）=3.6×106J1.1电阻元件电阻：端电压与电流有确定函数关系，体现电能转化为其它形式能量的二端器件，用字母R来表示，单位为欧姆。实际器件如灯泡，电热丝，电阻器等均可表示为电阻元件。伏安特性是用图形曲线来表示电阻端部电压和电流的关系，当电压电流成比例时（特性为直线），称为线性电阻，否则称为非线性电阻。RUIUI表示符号伏安特性U=f(I)RUI线性电阻的电压电流特性符合欧姆定律U=R×IUIR=电阻:电导:IUG=电阻元件消耗的功率：U2RP=U×I=I2×R=电阻元件消耗的能量：W==P×t=I2Rt0tpdt1.2电容元件1）电容元件是体现电场能量的二端元件，用字母C来表示，其单位为法拉（F）。UcCciEQci2）电容上储存的电荷与端电压U之间关系Cqcuq3）当电压和电流如图方向时，有ccdqduicdtdt电容电压与电流具有动态关系.UcCci4)电容电压具有“记忆”功能0()(0)1ccttdtcuuiVccVo记忆单元物理模型5)分布电容和杂散电容概念导体间电位差电场电荷积累电容效应1.3电感元件1）电感元件是体现磁场能量的二端元件，用字母L来表示，其单位为亨利（F）。2）电感交链的磁通链与电流i之间有=Li3）当电压和电流如图方向时，有LLddLdtdtuiULLiLi(A)(Wb)LiLUW磁链1.4独立电源元件1）独立电压源独立电压源两端提供一个恒定或随时间按一定规律变化的电压，与流过电压源的电流无关。右图是电压源的常用符号，Us表示电压源从正到负有Us伏压降。UsUs非零电压源不能直接短路，两个不等值的电压源不能并联。当电压源数值Us=0时，相当于一根短路线。2）独立电流源独立电流源端部流出一个恒定或随时间按一定规律变化的电流，与电流源端部电压无关。右图是电流源的常用符号，Is表示电流源端部流出的电流值。ISIS非零电流源不能开路，两个不等值的电流源不能串联。当电流源数值Is=0时，相当于电路开路。Us1Us2R1R2R3I11I22I1I2I3I1=Us1/R1I2=Us2/R2I3=(Us1＋Us2)/R3I11=I1＋I3I22=I2＋I3电流计算举例当电压源数值Us=0时，相当于一根短路线。当Us2=0V时，I2=0I22=I3理想电源与实际电源UsuiUs理想电压源实际电压源UsuiUsR0ui*电源信号的分类及意义*1)直流电信号2)正弦交流信号3)方波信号4)三角波信号5)一般信号Ustututututu不同类型信号源传输特点:电压型us(t)uO(t)RzRLi发送端接收端线路阻抗电流型uO(t)RzRLis接收端发送端线路阻抗电流环受控电源是一些实际电路器件的理想化模型，它们的输出电压和电流受到电路中其它部分电压或电流的控制，故又称非独立电源。受控电源分受控电压源和受控电流源，它们为四端元件。1.5受控源元件电流控制电流源CurrentControlCurrentSource简写为CCCS三极管集电极电流IC受基极电流Ib控制。实际三极管元件等效于一个电流控制的电流源。受控源物理模型三极管元件IbIc三极管Us1Us2UOR1R2Ic=Ib为电流放大系数受控源模型IbIb受控源类型UU电压控制电压源VoltageControlVoltageSource(VCVS)UgU电压控制电流源VoltageControlCurrentSource(VCCS)II电流控制电压源CurrentControlVoltageSource(CCVS)II电流控制电流源CurrentControlCurrentSource(CCCS)含受控源电路计算IIR1R2R3UsU例1图示电路，已知Us=10V,R1=R2=R3=10,=10，求R3上电压为多少？解：控制变量I=110110UsR3235IURVRRR3上电压受控电压源电压I=10×1=10VRUsI1I1I2例2图示电路，已知Us=10V,R=10,当=2，0，－2时，求I1为多少？特别当=-1时，I1为无穷大，电路无解。11010RUs解：I2=112III3121112I101112I121112I当=2时，I1=当=0时，I1=当=-2时，I1=第二节电压电流的参考方向1）支路电流的参考方向是任意规定的正电荷运动方向，图示电路表示电流参考方向为从a流向b。UIRabURab1V1I1V1II=1AI=－1A电流代数值是在指定参考方向下的数值。如图电路，若I=1A，则表示实际电流方向与参考方向一致，若I=－1A，则表示实际电流方向与参考方向相反。2）电压参考方向是指电压降落的方向，可用+、－符号表示，也可以用带箭头线表示，如图所示。UIRabURab电路描述和计算时，首先要设定电压电流的参考方向，然后才能写出表达式，并进行计算。支路电压表达式书写RIUU=I×RRIUU=－I×R电阻上电压电流参考方向不同时，欧姆定律有不同的表达式RIUUsU=－I×R＋UsRIUUsU=I×R＋Us支路电压表达式（各串联元件电压降之和）U=I×R－UsU=－I×R－UsRIUUsRIUUs支路电压表达式（各串联元件电压降之和）注意：熟练书写一段支路的电压表达式是书写各种电路方程的基础，必须熟练掌握！参考方向是电路课程的重要概念，电路中电流的描述和计算都是在一定参考方向下进行，电流的表达式、数值和电路中电流的参考方向是密切相关的。电路作业解题计算必须画出电路图,并标注电压电流参考方向！注意：电路及参考方向如图，已知R1=R2=R3=10，Us1=Us2=Us3=12V,Is1=1A,Is2=2A,Is3=3A,求Uad。参考方向应用举例abcdIs1Us1R1U1R2Is2R3Is3I1I2I3Us2Us3U2U3解：Uad=U1－U2＋U3U1=Us1+I1×R1=Us1＋Is1×R1=12＋1×10=22V例1：U2=I2×R2＋Us2=－Is2×R2+Us2=－2×10＋12=－8VabcdIs1Us1R1U1R2Is2R3Is3I1I2I3Us2Us3U2U3U3=Us3－I3×R3=Us3－Is3×R3=12－3×10=－18VUad=U1－U2＋U3=22－(－8)＋(－18)=12V例2：电路如图,已知12IA4,0.5,URKK求3I和电压,abacUU。6V2U1KUU11I2KRI210acbI1I3解：11624UIV124281UKUIA320.554RIKIA112246abUUUKUV1310210(4)42acUUIV功率直流电路中某器件的功率是电压(伏）和电流（安）的乘积UI注意:上式中U、I均需设定参考方向P=U×I功率的单位是瓦(W)若器件电压电流参考方向一致（称作关联参考方向），如图所示UIRUI关联参考方向P=U×I0表示该器件吸收功率；P=U×I0表示该器件发出功率；则功率计算时：P=U×I若器件电压电流参考方向不一致（称作非关联参考方向），如图所示注意：式中U、I均为对应参考方向下的电压电流代数值。UIUI非关联参考方向P=U×I0表示该器件发出功率；P=U×I0表示该器件吸收功率；则功率计算时：P=U×I功率计算例1.电路及方向如图，已知Us=10V,Is=2A,R=10R,求电压源、电流源和电阻的功率。电阻功率：PR=UR×I=－20×(－2)=40W（消耗功率）电压源功率：PU=US×I=10×(－2)=－20W（消耗功率）电流源功率：PI=UI×IS=30×2=60W（发出功率）ISUIURUsRI解：I=－Is=－2AUR=I×R=－2×10=－20VUI=－UR＋Us=20＋10=30V最大功率传输R0U0RI如图电路，R0和U0已知，负载R可变，问当R为多大时它吸收的功率最大？当R变化时，为求P的最大值，对P求导，并令0dPdR20max04UPRmaxP最大功率为：解得R=R0，此时电阻R获得最大功率,20220()UPIRRRR解：电阻R吸收的功率为讨论:最大功率传输时,