技能培训：电路模型与电路定理

一门重要的专业基础课电路理论电路理论1.性质：入门性专业基础课。一、本课程几点说明：本课程是电气、电子、计算机、电信、电科、自动化、测控等专业的一门专业基础课，是研究电方面的入门课程。通过本课程的学习，要求掌握电路的基本理论、基本分析方法和必要的实验技能，为后续课程的学习准备必要的电路知识，为进一步的学习电路理论打下良好的基础。线性电路非线性电路电路分析稳态电路暂态电路正弦稳态电路非正弦周期电路直流电路交流电路直流电路交流电路问题1为什么电力系统采用三相电路问题4为什么收音机调台旋钮调节时可以收到不同电台的信号问题3为什么我国电网频率为50Hz问题5为什么经常开、关灯容易出现灯坏掉的情况问题2为什么低压电力网采用四线制问题6滤波器如何实现滤波问题7交流电如何变成直流电问题8日光灯正常启动时所需的高电压时如何产生的问题9电器的插销断电时为什么会产生电火花先修课程后续课程高等数学大学物理线性代数电子技术、电机学、电力系统等后续专业课3先修与后续课程解决计算能力经典理论拉普拉斯变换直流电路分析电路理论动态电路分析正弦稳态（交流）电路分析网络拓扑1-46-78-131415现代理论20世纪50年代以前20世纪60年代至今二、要求重视听课；抓概念、抓基础、抓规律；课后复习;重视作业、作业要认真、规范（必须画电路图；给出主要的求解步骤），重视实验。考试：平时成绩：30%（作业、考勤）期末成绩：70%第1章电路模型和电路定律1.1电路和电路模型1.2电流和电压的参考方向1.4电路元件1.6电压源和电流源1.5电阻元件1.3电功率和能量1.7受控电源1.8基尔霍夫定律1.电压、电流的参考方向3.基尔霍夫定律（KCL、KVL）重点：2.理想元件的电压、电流关系（元件的VCR）1.1电路与电路模型一实际电路：由电工设备和电气器件按预期目的连接构成的电流通路。10BASE-Twallplate导线电池开关灯泡发电厂输电线路配电线路变压器变压器用户220kV10kV380V12kV实际电路的功能(1)能量的传输与转换主要应用于电力系统中，往往又称为强电电路。电磁波信号传送、转换、加工、处理调幅收音机原理框图高放中放检波低放主要在电子电路中，一般称为弱电电路。（2）信息的传递、控制与处理实际电路的功能电子技术发展第一代：电子管1904体积大、重量重、寿命短、耗电大第二代：晶体管1948第三代：集成电路1958集成电路技术是近50年来发展最快的技术按此比率下降，小汽车价格不到1美分年份特征参数19591970-19712000比率设计规则m2580.18140电源电压VDD(伏）551.53硅片直径尺寸（mm）53030060集成度6210321093108DRAM密度（bit)1K1G106微处理器时钟频率(Hz)750K1G103平均晶体管价格$100.310-6107电源：提供能量或信号的设备负载：指用电设备。是消耗电能的设备实际电路基本组成部分:电源负载中间环节10BASE-Twallplate导线电池开关灯泡电源负载中间控制环节由激励在电路中所产生的电压和电流称为响应。电路中各处的电压、电流是在电源的作用下产生的，因此电源又被称为激励源（激励）。在电路分析中电源或信号源都称为电源。电源激励（源）输入产生电流和电压响应输出实际电路基本组成部分:二、电路模型电阻丝实际电气器件便于计算电路模型消耗电能理想电阻元件理想电路元件：是组成电路模型的最小单元，是具有某种确定的电磁性质的假想元件，它是一种理想化的模型并具有精确的数学定义。理想元件理想电路元件电阻元件：表示消耗电能的元件电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件电压源和电流源（电源/激励）：表示将其它形式的能量转变成电能的元件。受控源：表示一处控制另一处的电磁现象。R+RoE-手电筒电路的电路模型灯泡开关电池导线S手电筒实际电路反映实际电路部件的主要电磁性质的理想电路元件及其组合。二、电路模型(a)实际电路(b)电路模型1、具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，在一定条件下可用同一电路模型表示。注意电阻元件2、同一实际电路部件在不同的应用条件下，其电路模型可以有不同的形式。电感线圈的电路模型注意电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、能量、电功率等，但是电路分析中主要关心的物理量是电流、电压、功率以及能量。电压:单位时间内通过导体横截面的电荷量1.2电压和电流的参考方向电流：单位电荷由a点到b点电场力所做的功tqtqitddΔΔlim)(0Δdeftqwudd)t(def1.2电压和电流的参考方向1.电压、电流的实际方向及其单位物理量实际方向电流I正电荷运动的方向电压U(电位降低的方向)高电位低电位国际单位制(SI)kA、A、mA、μAkV、V、mV、μVA实际方向正电荷的运动方向为电流的实际方向。元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:实际方向AB实际方向AB电流电流的实际方向：R10V＋＋－－1051025V＋－8V复杂电路判断流过2电阻的电流、两端电压的实际方向？实际方向不易判断电流的参考方向引入参考方向后，电流成为代数量。任意假定一个方向为电流的正方向，这个假定的正方向称为电流的参考方向。i0i0实际方向实际方向电流的参考方向与实际方向的关系：i参考方向ABi参考方向ABi参考方向AB注意电压的参考方向U0参考方向U+–参考方向U+–0U假设的高电位指向低电位的方向。+实际方向–+实际方向–(1)分开指定电压、电流的参考方向电压、电流的参考方向的几点说明IE+_aRbU+_1电流参考方向的表示方法：用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。用双下标表示：如iAB,电流的参考方向由A指向B。i参考方向ABiABABABi（2）参考方向的表示方法：2电压参考方向的三种表示方式：(1)用箭头表示:(2)用正负极性表示:(3)用双下标表示:UU+ABUAB电流(或电压)值为正值，实际方向与参考方向一致；电流(或电压)值为负值，实际方向与参考方向相反。（3）实际方向与参考方向的关系若I=5A，则电流从a流向b；例：若I=–5A，则电流从b流向a。abRIabRU+–若U=5V，则电压的实际方向从a指向b；若U=–5V，则电压的实际方向从b指向a。同一元件或支路的u，i采用一致的参考方向称之为关联参考方向，反之，称为非关联参考方向。关联参考方向非关联参考方向i+-+-iuu（4）电压电流参考方向的关联性IU元件元件元件元件IUIIUU关联参考方向非关联参考方向习惯取法：负载取关联参考方向、电源取非关联参考方向。例电压电流参考方向如图中所标，问：对A、B两部分电路电压电流参考方向关联否？答：A电压、电流参考方向非关联；B电压、电流参考方向关联。＋－uBAiREIUI+-UREIUI+-U设E=4V，R=2Ω，求U、I？可知R上电压大小为4V，流过电流大小为2A。U=4V、I=-2A问题：参考方向不同会不会使得结果不同呢？U=-4V、I=2A1、引入参考方向后，电流、电压是代数量；4、缺少参考方向的物理量，其数值含义不清。说明3、分析的第一步，重要，不难，但容易忽视；2、参考方向一经选定不能再改变;分析时，必须在电路图中标注电压、电流的参考方向！5、参考方向不同时，其表达式相差一负号，但电压、电流的实际大小、方向都不会改变。1.3电功率和能量1.电功率twpdduitqqwtwpdddddd功率的单位：W(瓦)(Watt，瓦特)单位时间内电场力所做的功。qwuddtqiddu,i取关联参考方向P=ui表示元件吸收的功率P0吸收正功率(实际吸收)P0吸收负功率(实际发出)P=ui表示元件发出的功率P0发出正功率(实际发出)P0发出负功率(实际吸收)u,i取非关联参考方向+-iu+-iu2元件吸收或者发出功率的判断例求图示电路中各方框所代表的元件吸收或产生的功率。已知：U1=1V,U2=-3V，U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V，I1=2A,I2=1A,，I3=-1A564123I2I3I1++++++－－－－－U6U5U4U3U2U1－解）（发出W221111IUP）（发出W62)3(122IUP（吸收）W1628133IUP（吸收）W3)1()3(366IUP）（发出W7)1(7355IUP）（发出W41)4(244IUP功率守恒：对任意电路，满足：发出的功率＝吸收的功率U6U1564123I2I3I1++++++－－－－－U5U4U3U2－注意已知：U1=1V,U2=-3V，U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V，I1=2A,I2=1A,，I3=-1A从t0时刻到t时刻能量的变化：ttttξuiξpW00dd能量单位：J(焦)(Joule，焦耳)根据图所示的参考方向和电压、电流的数值确定各元件电流和电压的实际方向，并计算各元件的功率，说明元件是吸收功率还是发出功率。在图所示电路中，试求：(1)若元件A吸收10W功率，求其电压UA；(2)若元件B吸收－10W功率，求其电流IB；(3)若元件C发出10W功率，求其电流IC；(4)若元件D吸收－10W功率，求其电流ID。＋A－UA4A＋B－10VIB－C+6VIC＋D－10VID例题某家用电器一天所消耗的电功率如图示，求：（a）该电器消耗的平均功率。（b）消耗的总能量，以kWh表示。6128612812400W1000W200W1200W400Wt/小时p(t)中午1.4电路元件是电路中最基本的组成单元。如果表征元件特性（元件性质）的数学关系式是线性关系，该元件称为线性元件，否则称为非线性元件。电路元件由集总元件构成的电路集总元件任何时刻，流入元件一个端子的电流等于从另一端子流出的电流。集总条件集总参数电路电路符号R电阻元件端电压与端电流可以表示为代数关系的元件。其特性可用u～i平面上的一条曲线来描述。0),(iufiu任何时刻端电压与其端电流成正比的电阻元件。伏安特性01定义2线性电阻元件1-5电阻元件u～i关系（VCR）R称为电阻，单位：(Ohm)满足欧姆定律GuRuiiuR单位G称为电导，单位：S(Siemens)u、i取关联参考方向Riu伏安特性为一条过原点的直线ui0Rui+－②如电阻上的电压与电流参考方向非关联，公式中应冠以负号；③线性电阻是无记忆、双向性的元件。欧姆定律①只适用于线性电阻(R为常数）；则欧姆定律写为u–Rii–Gu公式和参考方向必须配套使用！注意Rui-+通常电阻元件的电压电流取关联参考方向！解：对图(a)有,U=IR例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。对图(b)有,U=–IRΩ326:IUR所以Ω326:IUR所以RU6V+–2AR+–U6VI(a)(b)I–2A电阻元件在任何时刻总是消耗功率的，因此电阻又称为“耗能元件”。pui(–Ri)i–i2R-u2/Rpuii2Ru2/RRui+-Rui-+4电阻元件的功率与能量从t0到t电阻消耗的能量：ttttRξuiξpW00dd能量普通金属膜电阻绕线电阻电阻排变频器铝合金线绕电阻大功率电阻器精密电阻器水泥电阻器贴片超低阻值电阻热敏电阻压敏电阻光敏电阻电阻成型机1-6理想电压源和理想电流源（独立源/激励源）电路符号1.理想电压源定义端电压与端电流i无关，端电压保持定值或一定的时间函数的元件叫理想电压源。+_Su①电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；与流经它的电流方向、大小无关。②电压源的电流受外电路的影响。理想电压源的电压、电流关系直流电压源的伏安关系例Ri-+Su外电路RuiS)(0Ri)0(Ri电压源不能短路！0uiSU示波器稳压电源用示波器观测稳压电源波形uS(t0)ui0uS(t1)uS(t2)uS(t3)uS(t4)交