[山东大学]-电路分析基础-第一章-概论-电路分析基础

1电路分析基础山东大学信息科学与工程学院许宏吉[e-mail]2电路分析基础课程的作用和任务－－是研究电路理论及其分析方法的主干技术基础课程前期课程：高中物理相关内容后续课程：低频电子线路、高频电子线路、数字电路、信号与系统等3本课程在学科中的地位与重要性电子设备硬件－－研究电路构成软件学习顺序：材料－元件－电路－分系统－系统以后作具体工作时的顺序：系统－分系统－电路－元件－材料4本课程的学习方法和基本要求前期课程已讲过一些电路的简单例子，但其缺乏系统的分析和论述通过本门课学习培养正确地分析任一基本电路的能力。教学方式：课堂教学－获得知识实验教学－培养动手能力、实践能力（学以致用）基本要求：明确概念、掌握理论、学会分析、熟悉应用5教材《电路分析基础》第2版王德强许宏吉吴晓娟王书鹤编著国防工业出版社6参考书目[1]李翰逊主编.电路分析基础（第三版）.高教出版社，1997[2]邱关源主编.电路（第四版）.高教出版社，1999[3]周守昌主编.电路原理（上册）.高教出版社，1999[4]秦曾煌主编.电工学（上册）.高教出版社，1996[5]胡翔骏编.电路分析.高教出版社，2001[6]上官右黎编.电路分析基础.北京邮电大学出版社,20037联系方式许宏吉办公地点：中心校区信息学院5楼电话：88362323Email：[e-mail]8课堂要求听讲气氛互动9考核􀂄平时成绩：约占10％（或20％）实验成绩：约占20％（或20％）期末试卷成绩：约占70％（或60％）10课程内容电路的基本概念和基本定律线性电阻电路的分析方法电路基本定理动态元件与动态电路方程一阶电路与二阶电路正弦交流电路交流电路的频率特性含耦合电感的电路三相电路正弦周期电流电路的分析11第一章电路的基本概念和基本定律12内容提要电路和电路模型电流、电压的参考方向及功率基尔霍夫定律电阻元件独立源和受控源运算放大器131-1电路与电路模型电路的组成(component)简而言之，由电源、负载、中间联接部分构成电路组成部分中的设备或器件，例如供电设备(电源,source)、用电设备(负载,load)、电阻器、电感器、电容器、晶体管、电子管等。注意：激励－响应什么是电路(circuit)电流的通路叫电路。是由若干个电气设备或器件按照一定方式组合起来，亦称电网络或网络（Network）。141-1电路与电路模型电路的作用：能量和信息两大领域电力系统：实现电能的传输和转换。能量是主要的着眼点。涉及大规模电能的产生、传输和转换(为其他形式的能量)，构成现代工业生产、家庭生活电气化等方面的基础。信息与控制系统：信号的传递与处理。信息是主要的着眼点。电具有携带信息的能力，如日常的电话通信，计算机间信息的交流，工业生产的自动化控制等。电用作信息处理和交换的媒介已成为当代社会的显著特征。151-1电路与电路模型电路的分类集总参数电路－－当实际电路部件和电路的各向尺寸远小于电路最高工作频率所对应的波长时，此时电路参数的分布性不明显，可用集总参数元件构成。分布参数电路－－当实际电路部件和电路的各向尺寸远大于电路最高工作频率所对应的波长时，必须考虑分布参数。161-1电路与电路模型理想电路元件（元件模型）当实际电路的尺寸远小于最高工作频率所对应的波长时，可以定义出几种“集总参数元件”(LumpedParameterelements)，用来构成实际的模型，即：理想电路元件或元件模型。每一种集总参数元件(以后简称为元件)只反映一种基本电磁现象，电场、磁场被认为只集中在相应元件的内部，且可由数学方法精确定义。主要元件模型电阻元件：只涉及消耗电能的现象，为耗能元件；电容元件：只涉及与电场有关的现象，为电场储能元件；电感元件：只涉及与磁场有关的现象，为磁场储能元件；电压源、电流源等元件。171-1电路与电路模型实际电路部件与理想元件关系实际电路部件可以由一种或几种理想元件进行建模，以便于精确描述其电磁特性。例如，我们可以用电阻元件来描述灯泡，用电阻元件和理想电压源来描述干电池等。电路模型：由若干理想元件构成的电路即实际电路的电路模型。181-2电流、电压的参考方向及功率电路分析的目的分析计算电路中的某些电路变量及其变化规律。电路变量电流(单位：安培，A)电压(单位：伏特，V)功率(单位：瓦特，W)电流、电压的方向电流方向：正电荷的移动方向。电压方向：电位下降的方向。19电压与电流的参考方向参考方向：任意假定的电压、电流方向。为什么规定参考方向？在实际电路中，我们很难准确知道电流和电压在某个瞬时的实际方向。便于建立电路方程。如何表示参考方向？电压参考方向：+、-等电流参考方向：→等如何选择参考方向？电压、电流参考方向可以任意规定，不影响分析结果采用关联参考方向/一致参考方向更为方便，也更为常用+-ui关联/一致参考方向：指规定的电压参考方向与电流参考方向相互关联，相互一致。20电流的定义及其参考方向电流的实际方向：正电荷运动的方向。电流的参考方向：假设的电流方向，参考方向可以随意规定。为什么有了电流的实际方向还要提出参考方向呢？21电流参考方向的表示箭头双下标iab=-iba（iab，电流由a流向b）已知电流的参考方向连同它的值，则可知其实际方向。在规定的参考方向下，电流为正值时，其实际方向与其参考方向相同，否则相反。ab22电压的定义及其参考方向电压的实际方向：电位降低的方向。假设的电压降的方向。电压的参考方向也可以随意规定。电压的参考方向：23电压参考方向的表示电流的参考方向和电压的参考方向都可随意规定。但一经规定，在计算过程中便不得随意改变。箭头+-号双下标Uab=-Uba（Uab，a参考极性为+，b参考极性为-）已知电压的参考方向连同它的值，则可知其实际方向。在规定的参考方向下，电压为正值时，其实际方向与其参考方向相同，否则相反。ab24关联/一致参考方向电流从高电位流向低电位，或者说顺电流方向电位是降低的。+-ui25关联参考方向时功率的意义关联参考方向时，电压电流瞬时值的乘积表示二端元件/网络吸收的瞬时功率。瞬时功率大于零，表示二端元件/网络吸收能量瞬时功率小于零，表示二端元件/网络释放能量+-uipui26uipui关联参考方向－　非关联参考方向　p0负载（吸收功率）0　电源（发出功率）　当元件吸收的功率为正或释放的功率为负，称元件为负载。反之，则称元件为电源。关于电源与负载P为二端元件/网络吸收的瞬时功率27注意计算中涉及的两套正负号问题1、参考方向的正负号2、数值本身的正负号由以上两者决定电压/电流的实际方向Uab=U1-U2=(-6V)-(4V)=-10V281-3基尔霍夫定律KCL/KVL基尔霍夫定律是分析、计算电路的基本依据电路分析中的基本术语支路：每一个二端元件构成一个支路。（或电路中的每个分支为一个支路）节点：支路的连接点叫做节点。两个或两个以上的支路接于一点叫节点。简单节点：仅仅关联两个支路的节点。回路：由若干支路构成的，其中每一个节点只与两条支路相连接的闭合路径。网孔：内部不含其余支路的回路称作网孔。29支路、节点、回路、网孔支路：1、2、3、4、5、6、7节点：①、②、③、④、⑤简单节点：④回路：①-②-③-④-①①-②-⑤-①①-②-⑤-③-④-①等等。网孔：①-②-③-④-①①-②-⑤-①②-③-⑤-②30基尔霍夫电流定律（KCL）KCL是电荷守恒法则运用于集总电路的结果，反映电路中各支路电流间的约束关系。KCL的一般描述对于任一集总参数电路中的任一节点，在任意时刻，流入(或流出)该节点的所有支路电流的代数和为零。KCL的数学描述基尔霍夫电流方程，或节点电流方程1()0KkkitKCL同样适用于“广义网络节点”KCL的另一种描述：任意瞬时，流入某节点的电流之和等于流出电流之和。31KCL示例367()()()0ititit367()()()0ititit广义节点：节点①：节点⑤：164()()()0ititit注意：首先需规定各支路电流的参考方向，可规定流入节点为—，流出为+。节点a：32KCL示例33基尔霍夫电压定律（KVL）KVL是能量守恒法则运用于集总电路的结果，反映电路中各支路电压间的约束关系。KVL的一般描述对于任一集总参数电路中的任一回路，在任意时刻，沿着该回路所有支路电压的代数和为零。KVL的数学描述基尔霍夫电压方程，或回路电压方程1()0KkkutKVL同样适用于“假想回路”KVL的另一种描述：集总参数电路中，沿任意闭合回路绕行一周，电压降的代数和=电压升的代数和。34KVL示例回路1：136()()()0ututut回路2：253()()()0ututut回路3：4521()+()-()-()0utututut注意：首先需规定各支路电压的参考方向和回路的绕行方向。351-4电阻元件电阻元件(电阻)电阻元件是从实际电阻器抽象出来的模型，反映电阻器对电流呈现阻力的性能。电阻元件的基本属性：“耗能”电阻的表示以符号R表示，电阻值单位：欧姆(Ohm)以符号G表示，电导值单位：西门子(Seimens)电阻与电导关系：1GR36电阻元件电阻元件的U-I特性U-I特性：亦称伏安特性，反映元件电压与电流的关系。电阻元件在任一时刻的电压值(电流值)仅取决于电阻值和电阻元件的瞬时电流值（电压值），与其余时刻的电流值(电压值)无关。因此，电阻元件是一种“无记忆元件”。电阻元件分类线性电阻元件与非线性电阻元件（根据U-I曲线）非时变电阻元件与时变电阻元件（根据阻值的特性）分析重点：线性非时变电阻元件线性电阻元件的U-I特性(欧姆定律)：()()()()utRititGut前提条件为一致参考方向37电阻元件分类+-Ru(t)i(t)线性电阻元件的符号表示注意为一致参考方向38电阻元件的功率电压电流参考方向不一致时的欧姆定律电阻消耗的瞬时功率电阻消耗的能量22()()()()()utptutititRR()()or()()utRititGut-+Ru(t)i(t)22()()()()()utptutititRR一致方向非一致方向2222111()()()()ttttttwptdtutitdtitRdt391-5独立源术语激励(Excitation)：电路的输入信号，包括待处理的信号和为电路提供能源的电源。激励的分类：电压激励、电流激励。响应(Response)：经过电路传输或处理后输出的信号，可以是任何激励源在电路任一部分引起的电压、电流。激励源，又称独立源：是指不受电路其他部分控制的信号源。激励源(独立源)分类：电压源、电流源40一个实际电源模型0RLRUIE41电压源电压源(voltagesource)是一个二端元件，其端电压在任意瞬时与其端电流无关，（或者恒定不变--直流情况，或者按照某一固有的函数规律随时间变化）。电压源端电压特性电压源的端电流取决于负载电路电压源吸收的瞬时功率()()sutut与端电流无关负载网络+-us(t)i(t)()()()sptutit可见：电压源输出瞬时功率与瞬时电流成正比，电压源的负载能力为无穷大。电压源可与其他元件组合来模拟实际电压源。当电压源的电压为0时，可视作一个短路元件关联参考方向P(t)0吸收功率P(t)0发出功率42电压源的符号与U-I特性（VCR）()sutui0()sut电压源符号电压源U-I特性43电流源电流源是一个二端元件，其端电流在任意瞬时与其端电压无关，或者恒定不变(直流情况)，或者按照某一固有的函数规律随时间变化。电流源的端电流特性电流源的端电压取决于外接负载电流源吸收的瞬时