大学课程电路课件全

11.1电路和电路模型（model)一、电路(Circuit)定义：由电工或电子器件、功能块（如电阻器、电容器、变压器、放大器、滤波器电机等等）构成的电流通路称电路。电路的基本功能：传输电能、处理信号、测量、控制和计算等。二、电路模型（Circuitmodels）电路的工作是以其中的电压、电流、电荷、磁链等物理量来描述的。电路理论是建立在模拟概念的基础上，即用理想化的模型来描述实际电路，而理想化的模型是由一些理想元件所构成。2理想元件：1）一个二端电子元件的数学模型。2）可由端口的电压、电流关系完全描述其性质。3）不能被分解为其他二端元件。理想元件能够反映实际电路中的电磁现象，表征其电磁性质：电阻元件——消耗电能的器件；电感元件——储存磁能的器件；电容元件——储存电能的器件；电源元件——将其他形式的能量转换成电能的器件。3手电筒电路电池灯泡实际电路电路模型线圈线圈直流下R交流下rLLor+–RiUsR4关于电路模型要注意以下几点：1、一个器件的电路模型及参数与该器件的工作条件有关。2、电路模型只是对实际物理过程的一种近似描述，模型的繁简与实际工程计算要求的精度有关。51.2电压和电流的参考方向(referencedirection)单位名称：安（培）符号：A（Ampere）一.电流(current)1.电流：直流DC交流AC单位时间内通过导体横截面的电量称电流强度（电流）。62.电流的参考方向参考方向：任意选定的一个方向作为电流的参考方向,但不一定就是电流的实际方向。i参考方向例I1=1A10V10I1I1=-1A10V10I171.电压(voltage)：单位名称：伏(特)符号：V（Volt）二.电压(voltage)2.电压(降)的参考方向+实际方向+实际方向+（参考方向）U+（参考方向）UU0U0在电场中，单位正电荷由a点移到b点时的能量之差称电压。abw1w28例U1=10V10V10+U110V10+U1U1=10V三.电位abcd设c点为电位参考点，则c=0a=Uac，b=Ubc，d=UdcUab=a-b9四、小结(1)分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。(2)参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注(包括方向和符号），在计算过程中不得任意改变。(3)关联参考方向和非关联参考方向。+UI+UI关联参考方向非关联参考方向(4)参考方向也称为假定正方向，以后的讨论均在参考方向下进行，不考虑实际方向。101.3电路元件的功率(power)一、电功率uitwpdd功率的单位名称：瓦（特）符号（W）能量的单位名称：焦（耳)符号（J）定义：元件吸收或释放能量的速率。11二．功率的计算1.u,i取关联参考方向p吸=uip吸0实际发出5W+–iu2.u,i取非关联参考方向+–iup发=uip发0实际吸收5W例u=5V，i=-1Ap吸=ui=5(-1)=-5W例u=5V，i=-1Ap发=ui=5(-1)=-5W根据能量守衡关系p（吸收）=p（发出）12p吸=(2)×(3)=6W,由该元件吸收功率。+3A2Vp吸=(–2)×(3)=-6W,由该元件发出功率。+2V3Ap发=(4)×(5)=20W,由该元件发出功率。-+5A4V练习:p发=(4)×(–5)=–20W,由该元件吸收功率。-+5A4V131.4电阻元件(Resistor)一、电阻元件(Resistor)+uiR定义：如果一个二端元件在任意时刻t，其电压与电流的关系（伏安关系，VAR）服从欧姆（Ohm）定律，即u=Ri则该元件称线性二端电阻元件。电阻元件的电路符号:14(1)电压与电流取关联参考方向1.欧姆定律(Ohm’sLaw)uRiR称为电阻单位名称：欧(姆)符号:R+ui令G1/RG称为电导则欧姆定律表示为iGu.单位名称：西(门子)符号:S(Siemens)15ui0线性电阻元件的伏安特性为一条过原点的直线(2)电阻的电压和电流的参考方向相反R+ui则欧姆定律写为u–Ri或i–Gu公式必须和参考方向配套使用！tgiuR162.功率和能量非关联参考方向下:p吸–ui–(–Ri)ii2R–u(–u/R)=u2/R功率：R+ui能量：可用功率表示从t0到t电阻消耗的能量ttttRiupW00ξdξd关联参考方向下:p=ui=i2R=u2/Rorp=ui=u2G=i2/G结论：电阻元件永远吸收功率。17Riu+–3.短路与开路当R=0(G=)，视其为短路。i为有限值时，u=0。当R=(G=0)，视其为开路。u为有限值时，i=0。ui0开路ui0短路181.5电源元件(source，independentsource)一、理想电压源1.特点：(a)端电压由电源本身决定，与外电路无关；(b)通过它的电流是任意的，由外电路决定。电路符号uS2.伏安特性uS+_iu+_uSui0193.理想电压源的开路与短路uS+_iu+_(1)开路i=0u=uS(2)理想电压源不允许短路。注：实际的电压源也不允许短路。因其内阻小，若短路则电流很大，可能烧毁电源204.功率i,uS关联p吸=uSip发=–uSii,us非关联p发=uSip吸=-uSiuS+_iu+_uS+_iu+_21二、理想电流源1.特点：(a)电源电流由电源本身决定，与外电路无关；(b)电源两端电压是由外电路决定。电路符号iS2.伏安特性iSui0iSiu+_223.理想电流源的短路与开路(2)理想电流源不允许开路。(1)短路：i=iS，u=0iSiu+_4.实际电流源的产生：稳流电子设备，如光电池，晶体三极管235.电流源两端电压由外电路决定:iusisR设:iS=1AR=10时，us=10VR=1时，us=1V则:例256.电压源与电流源特性比较恒压源恒流源不变量变化量u+_abiuabuab=u（常数）uab的大小、方向均为恒定，外电路负载对uab无影响。iabuabisi=is（常数）i的大小、方向均为恒定，外电路负载对i无影响。输出电流i可变-----i的大小、方向均由外电路决定端电压uab可变-----uab的大小、方向均由外电路决定27例15Vab5V5Vab10V2Aab2A5Aab2A5Vab2A根据理想电源的定义，说明下列连接是否允许？28例15Vab5V5Vab10V2Aab2A5Aab2A5Vab2A根据理想电源的定义，说明下列连接是否允许？29在图示电路中，求下列情形下电压源吸收的功率：（a）u=2V，i=4A；（b）u=3V，i=–2A；（c）u=–6V，i=–8A（a）p=24=8W；（b）p=3(–2)=–6W；（c）p=(–6)(–8)=48W+–ui例2解:301.8受控电源(非独立源)(controlledsourceordependentsource)一.定义：电压源电压或电流源电流不是给定函数，而是受电路中某个支路的电压(或电流)的控制。电路符号+–受控电压源受控电流源31(1)电流控制的电流源(CurrentControlledCurrentSource):电流放大倍数r:转移电阻i2=i1u2=ri1二.四种类型(2)电流控制的电压源(CurrentControlledVoltageSource)CCCSi1+_u2i2+_u1i1i2i1CCVSri1+_u2+_u1+_32g:转移电导:电压放大倍数i2=gu1u2=u1(3)电压控制的电流源(VoltageControlledCurrentSource)(4)电压控制的电压源(VoltageControlledVoltageSource)VCCSgu1+_u2i2+_u1i1VCVSu1+_u2+_u1+_i2i1*，g，，r为常数时，被控制量与控制量满足线性关系，称为线性受控源。33(1)受控源与独立源在电路中的作用不同。独立电源是激励，表示其对其它电路的一种作用；受控电源表示控制回路与被控制回路之间的一种耦合关系。（2）只要电路中有一条支路的电压（或电流）受到另外任意一条支路电压（或电流）控制时，它们就构成了一个受控电源。注意:34us=5Vix=3usabis=2Aux=4isabus=5Vux=3usabis=2Aix=3isab根据理想电源的定义，说明下列连接是否允许？例335223A61ku1u2i1i23iVku,Vu126262311Ai,Akui623326126212电路如下图所示。当k=2时，求?i2例4361.9基尔霍夫定律(Kirchhoff’sLaws)基尔霍夫电流定律(Kirchhoff’sCurrentLaw—KCL)基尔霍夫电压定律(Kirchhoff’sVoltageLaw—KVL)基尔霍夫定律与元件特性是电路分析的基础。37一.几个名词1.支路(branch)：电路中流过同一电流的每个分支。(b)2.节点(node):三个或三个以上支路的连接点称为节点。(n)4.回路(loop)：由支路组成的闭合路径。(l)b=33.路径(path)：两节点间的一条通路。路径由支路构成。5.网孔(mesh)：对平面电路，每个网眼即为网孔。网孔是回路，但回路不一定是网孔。l=3n=2ab+_R1uS1+_uS2R2R312312338支路：ab、ad、…...（b=6）回路：abda、bcdb、…...（l=7）结点：a、b、…...(n=4）例I3E3_+R3R6abcdI1I2I5I6I439若流出结点的电流规定为正，流入结点的电流为负，则KCL可以表示为：i1i2i3i4二、基尔霍夫电流定律（Kirchhoff’scurrentlaw，简写KCL）4321iiii对图示结点：04321iiii在电路中，任一时刻，流入任意结点的电流之和等于流出该结点的电流之和。数学表示为：titi出入01nkkti1、定律表述：40各支路电流的参考方向如图所示。根据KCL，对a结点，电流方程为：（7）（4）i1=0则i1=3A对b结点，电流方程为：i1+i2+（2）（10）=0，则i2=9A结果表明：未知电流i1与i2的真实方向与图中的参考方向相同。应用KCL求图示电路中的未知电流i1和i2。例14A10A7A2Ai2i1ab解：41由此例可知：（1）把KCL应用到某一结点时，首先要指定每一支路电流的参考方向。（2）应用KCL时必须要和电流的两套符号打交道：其一，列KCL方程时，有关支路电流前的正负号的选择。其二，各支路电流取值的正负号的选择。4204321dtdqiiiiik其中dq/dt为结点a处电荷的变化率或积聚速率。•KCL给一个结点上的各支路电流之间加上了线性约束。如上式是变量i1、i2、i3、i4的常系数线性齐次代数方程。i1i2i3i4a２、说明KCL的应用与电路元件的性质无关。KCL揭示了在每一结点上电荷的守恒。在a结点处：44ic+ib-ie=0例如，一个三极管的基极电流ib，发射极电流ie，集电极电流ic如图所示。SicibieS为封闭面，则KCL对于一个封闭面（常称广义结点）也是适用的。即：任一时刻流出（或流入）任意一个封闭面的电流之代数和为零。3、KCL的推广：45ABiABi2i1ABi3i2i10321iii两条支路电流大小相等，一个流入，一个流出。只有一条支路相连，则i=0。46？A==B?AB+_1111113+_2i2i1i1==i2?i1=i2A=B例247求图示电路中的io和uo。解：对结点a应用KCL，得3+0.5io=ioio=6A从4电阻，由欧姆定律得uo=4io=24Va+–uoio3A0.5iob4例348*若规定支路电压的参考方向与巡行方向相同时取正，反之取负，则有：回路Ⅰ：u1u3u2=0回路Ⅱ：u2+usu4=0回路Ⅲ：u3+u5u