电路ppt-1电路模型和电路定律.ppt

电路(一),第一章：电路模型和电路定律,第二章：电阻电路的等效变换,第三章：电阻电路的一般分析,第四章：电路定理,第五章：含有运算放大器的电阻电路,第六章：一阶电路,第七章：二阶电路,第八章：相量法,第一章 电路模型和电路定律,本章主要内容: 1. 电路和电路模型 2. 电压和电流的参考方向 3. 电功率和能量 4. 电路元件 5. 电压源和电流源,受控电源 6. 基尔霍夫定律, 1-1 电路和电路模型,实际电路：为完成某种预期的目的而设计，安装，运行，由电路器件和部件组成的电路 电源：电能或电信号发生器，又称激励源 负载：用电设备 响应：由激励在电路中产生的电压和电流 激励称为输入，响应称为输出,电路的作用:,实现电能的传输和转换,传递和处理信号 声音信号 图象信号,测量，控制，计算等,实际电气装置种类繁多，如自动控制设备，卫星接收设备，邮电通信设备等；电路中的实际元件也是多种多样的，如发电机、变压器、电动机、等等。实际电路的几何尺寸也相差甚大，如电力系统或通信系统可能跨越省界、国界甚至是洲际的，但集成电路的芯片有的则小如指甲。因此有必要采用模型化的方法，即用抽象的理想元件及其组合近似地代替实际的器件，从而构成了与实际电路相对应的电路模型,实际电路十分复杂,由理想电路元件组成的电路就是 实际电路的电路模型。,实际器件有多种物理性质,当电路中的器件同时存在多种物理现象时，我们假定这些现象可以分别研究，从而可以用“集总参数元件”来构成电路模型,一个实际元件在某种条件下都可以找到它的模型。有些实际元件的模型比较简单，可以由一种理想元件构成，有些实际元件的模型比较复杂，要用几种理想元件来构成,集总参数元件,理想电阻：只消耗电能的元件 理想电容：只储存电能的元件 理想电感：只储存磁能的元件 电压源： 以电压作为输出的电源 电流源： 以电流作为输出的电源,两端，三端，四端元件,二端元件：只有两个端点的元件（单口元件）,四端元件：有四个端点的元件（双口元件）,电路元件还可以分为有源元件和无源元件，线性元件和非线性元件，时不变元件和时变元件,如受控源、理想变 压器、耦合电感等,电路模型,实际电路：,电路模型：,1-2 电压和电流的参考方向,电流 概念: 电荷有规则的定向运动 大小: 单位时间通过导体横截 面的电荷量 方向: 正电荷移动的方向 单位: 安培(A) 毫安(mA) 微安(A),i =dq / dt I = q / t (直流),电流的实际方向和参考方向,习惯上规定正电荷的运动方向(或负电荷运动的相反方向)为电流的实际方向。,当电路比较简单，我们能够判断电流的实际方向时，往往设参考方向和实际方向一致。 在分析问题前，有时无法预知电流的实际方向；可按自己的习惯规定参考方向，规定不同，解的正负也不同，但实际方向总是一致的。,当所求的电流值为正时，实际方向与参考方向一致，当所求电流值为负时，实际方向和参考方向相反。,不标明参考方向，电流的正负毫无意义,今后，电路中用箭头标明的电流方向都是参考方向，并且一经标定，在整个分析过程中不能任意改变！,A,B,电流的参考方向一般用箭头表示，也可以用双下标表示 iAB表示参考方向由A到B,电压,u,同理，对电路中两点的电压可以指定参考方向，可以用箭头，+- 或双下标表示,实际方向：规定为高电位指向低电位，+ 指向 -， 也就是电位降低的方向。 在分析电路之前，可以任意选择某一方向为电压的参考方向。 求出的电压值为正时，实际方向和参考方向一致。 求出的电压值为负时，实际方向和参考方向相反。 单位：伏特(V) 千伏(kV) 毫伏(mV),电压,关联方向,关联方向 当a、b两点间所选择的电流参考方向由a流向b时，也同时选择电压的参考方向由a指向b，这种参考方向的定义方式成为关联方向。,关联,非关联,关联,在电路的分析和计算中，能量和功率的计算十分重要, 这是因为在电路工作过程中，总是伴随能量的相互转换，电路元件有发出功率的，有吸收功率的。 另一方面，消耗功率会引起发热，造成设备损坏，无用的能量损耗还将带来设备效率的下降，使设备的运行不经济。,1-3 :电功率和能量,电功率的计算,正电荷从a运动到b，电场力对电荷做正功，电势能减小 设dt时间内从a运动到b的电荷量为dq，移送dq所失去的能量为dw=udq,dw=udq,元件吸收的功率,dw=udq,单位：能量-焦耳（J），功率-瓦特（W） 注意：当电压和电流的参考方向关联时，乘积ui表示元件吸收的功率，当p0时，元件吸收功率，当p0时，元件发出功率。 如果电压和电流的参考方向非关联时，结论和以上相反。 一个元件吸收100W，可以认为它发出-100W,例,U=5V, i=2A, p=10W 关联-吸收功率,U=-5V, i=2A, p=-10W 不关联-吸收功率,则吸收功率,根据关联参考方向计算功率：,若,则实际发出功率,若,则发出功率,根据非关联参考方向计算功率：,若,则吸收功率,若,电路元件是电路中最基本的组成单元，每一种元件反映某种确定的电磁性质。 集总参数元件假定：在任何时刻，流入二端元件的一个端子的电流一定等于从另一端子流出的电流，两个端子之间的电压为单值量。 由集总元件构成的电路称为集总电路,1-4 :电路元件,1-5 电阻元件,对电流呈现阻力的集总元件的模型，在电流电压参考方向关联时，电压电流伏安特性满足欧姆定律。,电阻的单位： 欧姆() 或者为千欧(k) 、兆欧(M),伏安特性,过原点的一条直线 直线的斜率与电阻有关 电压坐标的标尺mu 电流坐标的标尺mi,G电导，单位西门子（S）,不同标尺时电阻的伏安特性,R=1，mi=1A/cm, mu=1V/cm,不同标尺时电阻的伏安特性,R=1，mi=1A/cm, mu=0.5V/cm,开路和短路,当一个线性电阻元件的端电压不论为何值时，流过它的电流恒为零，就把它称为开路，它的伏安特性与电压轴重合，这时R=,开路和短路,当流过一个线性电阻元件的电流不论为何值时，它的端电压恒为零，就把它称为短路，它的伏安特性与电流轴重合，这时R=0,电路中一对端子的开路和短路,a,b之间呈开路状态，相当于a,b之间接有R=的电阻,a,b之间呈短路状态，相当于a,b之间用理想导线连接起来，称端子被短路,电阻消耗的功率,R为正实数，p0, 消耗功率，因此电阻是一种无源元件,这些电能转换为热能消耗掉,电阻的非线性,电阻率和温度有关，电阻通电后发热，电阻会发生变化，因此有非线性的因素，其伏安特性是一条近似的直线，但许多电阻，如金属膜电阻，线绕电阻都可以理想化为线性电阻。 非线性电阻： 时变电阻： 特殊电阻：R0，线性负电阻，需专门设计,电路中，常用的电阻有碳膜电阻，金属膜电阻，线绕电阻，我们不仅要关心电阻的阻值，还要注意电阻标明的额定功率。 我们常见的应用在电子电路中的碳膜电阻，金属膜电阻有1/8，1/4，1/2，1，2W等，大功率电阻常常采用线绕电阻,实际电源有：电池，发电机，信号源等 电压源和电流源是从实际电源抽象得到的电路模型，是两端有源元件。 电压源是一个理想的电路元件，它的端电压为定值或一定的时间函数，与流过的电流无关，流过它的电流为不定值，其大小由外电路决定。,两端有源元件,1-8 电压源和电流源,电压源,电压源的图形符号,电压源在t1时刻的伏安特性,当us(t)为恒定值时,Us,电压源的图形符号,电压源的伏安特性,理想电压源和电阻元件的串联组合可以构成实际电压源的模型。 如发电机，蓄电池,图中，电压源两端的电压的参考方向和电流的参考方向通常取非关联，此时,电压源功率,电压源开路,电压源不接外电路时，电流i=0, 电压源处于开路状态,u=us i=0 p=0,电压源短路,如果令一个电压源的us=0，电压源相当短路,u=0 p=0,电压源短路是没有意义的,电压源的两种工作状态：,1. 吸收电功率， 作为负载工作。,2. 发出电功率， 作为电源工作。,电流源,电流源供出定值的电流或一定时间函数的电流，电流大小与端电压无关，电压为不定值，由外电路决定。,电流源性质： （1）电流源发出的电流 is(t)为给定的时间函数， i(t)与端电压无关 （2）电流源的端电压由外电路决定,理想电流源和电阻元件的并联组合可以构成实际电流源的模型。 如：光电池,电流源,电流源的图形符号,电压源在t1时刻的伏安特性,当is(t)为恒定值时,Is,电流源的图形符号,电流源的伏安特性,图中，电压源两端的电压的参考方向和电流的参考方向通常取非关联，此时,电流源功率,电流源短路,电流源两端短路时，u=0，I=is,电流源开路,如果令一个电流源的is=0,它相当于开路,电压源开路是没有意义的,电流源的两种工作状态：,1. 吸收电功率， 作为负载工作。,2. 发出电功率， 作为电源工作。,例1：已知 iS =3A， us =5V，R5， 求Pus、Pis、PR。,解：,正弦电流源，电压源,习题,1-2，1-3, 1-4,受控电源,独立电源：电压源的电压和电流源的电流与电路中其它支路的电流，电压无关。 受控电源：受控电压源的电压和受控电流源的电流受电路中其它支路的某一电流，电压控制 例如：晶体管的集电极电流受基极电流的控制，运算放大器的输出电压受输入电压的控制，这类器件的模型就要用到受控电源。,四种形式的受控源 1 受电压控制的电压源，即VCVS. 2 受电流控制的电压源，即CCVS. 3 受电压控制的电流源，即VCCS. 4 受电流控制的电流源，即CCCS.,受控源,四种受控源模型,(c) CCVS,由于以上的系数为常数, 被控制量和控制量成正比, 这种受控源为线性受控源。本课程只讨论线性受控源，因此在以后的讨论中，常常省略“线性”二字。 上图中把受控源表示为4个端子的电路模型，控制端分别是开路电压或短路电流，但在一般情况下，不一定专门标出控制量所处的端子。,独立电源是电路中的输入,激励,它表示的是外界对电路的作用 受控源反映电路中某处的电压或电流能控制另一处的电压或电流,例：已知u2=0.5u1, is=2A, 求i,在一般情况下，不一定要在图中专门标出控制量所在处的端子,例：求uo, 受控源的功率,受控源发出功率,+,-,受控源是有源元件，在电路中它可能放出电能，也可能吸收电能。,求受控源的功率,例：,解：,（吸收）,1-10基尔霍夫定律,基尔霍夫定律分为两个部分，即： 1.基尔霍夫电流定律(KCL) 应用于节点 2.基尔霍夫电压定律(KVL) 应用于回路,本节讨论的基尔霍夫定律，它是分析与计算电路的基本定律。,名词、概念,1. 支路b：集总电路中的二端元件,2. 结点n：支路的连接点,3. 回路： 闭合电路。,6个元件，4个结点，6条支路,回路（2，3，4，6）回路（1，3，4，6） 回路（2，3，5，6）回路（1，3，5，6） 回路（1，2） 回路（4，5）,约束,支路电流和支路电压受到两类约束 1。元件特性造成的，如线性电阻元件 u=IR 2。元件的相互连接给支路电流间和支路电压间带来的约束关系，称“拓扑”约束，这类约束由基尔霍夫定律体现，基尔霍夫定律是集总电路的基本定律,一.基尔霍夫电流定律KCL,1.基尔霍夫电流定律：在集总电路中，任何时刻，对任一结点，所有流出结点的支路电流的代数和恒等于零。,根据参考方向的规定：流出结点的电流为正，流进结点的电流为负。它可以理解为流出结点的支路电流等于流出结点的支路电流。,I=0,可以把结点的概念推广到任意闭合面,KCL的推广：流出封闭面的支路电流的代数和为零。 或者说：流出闭合面的电流等于流入同一闭合面的电流,KCL是电流连续性和电荷守恒的体现,i3-i2-i1=0,IAIABICA,IBIBCIAB,ICICAIBC,IA+IB+IC=0,IA+IB+IC=0 即 I=0,例,例,对闭合面而言,闭合面包含结点1，2，3 ，对这三点的三式相加,二.基尔霍夫电压定律KVL,基尔霍夫电压定律：在集总电路中，任何时刻，沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零。,取和时，需要指定一个回路的绕行方向，凡支路电压的参考方向与回路的绕行方向一致，该电压前取“+”号，凡支路电压的参考方向与回路的绕行方向相反，该电压前取“-”号。,回路一: u1 + u2 + u4 + u6 =0,回路二: -u2 - u3 - u5 = 0,回路三： u1 + u3 - u4 + u5 - u6 = 0,u1 + u2 + u4 + u6 =0 u4 = u1 u2 -u6,任何两点间的电压与计算时所选择的路径无关。,cb之间的电压是单值的，无论沿支路4，还是沿支路1，2，6 ，cb之间的电压是相等的,KVL实质上是电压与路径无关这一性质的反映,