浙江大学 电路原理甲课件 第一章 基本概念.ppt

浙江大学电工电子教学中心 电路原理教程 PPT教学软件 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 电路原理课程介绍 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 5 Y 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 PIC系列单片机小系统 集成运放模拟电路 2 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 106J 1 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 线性电阻的电压电流特性符合欧姆定律U R I 金属膜电阻 排阻电阻 大功率电阻 水泥电阻 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 2 电容上储存的电荷与端电压U之间关系 电解电容 独石电容 CBB安规电容 电力电容器 4 电容电压具有 记忆 功能 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 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 Li 3 当电压和电流如图方向时 有 电感元件 半导体二极管的伏安特性及其模型 一 器件结构符号 点接触型 b 面结合型 c 平面型二极管 d 半导体二极管的伏安特性 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 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 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 I1 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 理想电压源 实际电压源 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 不同类型信号源传输特点 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 受控源类型 电流控制电压源 CurrentControlVoltageSource CCVS 含受控源电路计算 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 R3上电压 受控电压源电压 I 10 1 10V 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 解 I2 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 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 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 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 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 8V U3 Us3 I3 R3 Us3 Is3 R3 12 3 10 18V Uad U1 U2 U3 22 8 18 12V 解 功率 直流电路中某器件的功率是电压 伏 和电流 安 的乘积 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 关联参考方向 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 非关联参考方向 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 解 I Is 2AUR I R 2 10 20VUI UR Us 20 10 30V 最大功率传输 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 解 电阻R吸收的功率为 讨论 最大功率传输时 负载能获得最大功率 但系统效率为50 对于能量传输系统 电力系统 考虑的是系统效率 最大功率传输方式要根据具体情况而定 第三节基尔霍夫定律 支路 单个或若干个二端元件所串联成的电路 节点 两条以上支路的交汇点 回路 若干条支路组成的闭合路径 6条支路4个节点3条回路注意 该电路除上述3条回路外 还可选择多条不同的回路 支路 节点 回路的概念 KIRCHHOFF SLAW 1 基尔霍夫电流定律 电路中任一节点电流的代数和为零 其中流出节点的电流取正号 流入节点的电流取负号 节点1 I1 I2 I3 0节点2 I3 I4 I5 0 节点3 I2 I4 I6 0节点4 I1 I5 I6 0 Kirchhoff sCurrentLaw KCL 2 基尔霍夫电压定律 回路1 U2 U3 U4 0回路2 U1 U5 U3 0回路3U4 U6 U5 0注意 支路电压方向取为与支路电流方向一致 Kirchhoff sVoltageLaw KVL 回路1 I3 R3 I4 R4 Us2 0回路2 Us1 I5 R5 I3 R3 0回路3 I4 R4 I6 R6 I5 R5 0 把支路电压用支路元件电压来表示 得 讨论 电路中电压电流的变化遵循两类约束条件 第二类是元件连接关系 拓扑约束 基尔霍夫定律 第一类是元件特性关系 电压电流关系VCR 利用两类约束条件解复杂电路 右图电路 若电阻和电压源的数值均已知 则由KCL和KVL得方程 回路1 I3 R3 I4 R4 Us2回路2 I5 R5 I3 R3 Us1回路3 I4 R4 I6 R6 I5 R5 0 由上面6个方程可解出6个支路电流变量 第四节电压源和电流源的等效替换 对于任意变化的负载电阻R 若RS和US电路时的电压电流与RS和IS电路时完全一样 则在电路计算时 RS和US电路 电压源电路 与RS和IS电路 电流源电路 可等效替换 等效替换条件 左图 U US I RS 右图 U IS RS I RS等效的条件 US IS RS或IS US RS 在电路计算时 与电阻RS串联的电压源US可等效为与电阻并联的电流源IS 等效替换同时适用于独立源和受控源 例 求I的值 依此类推 可简化左侧电路 例 如图电路 已知IS1 1 5A R2 R3 8 4 求I2和I3 解 由电压源和电流源等效替换 把支路2的受控电压源转换为受控电流源 由分流公式可得 代入数据有I3 0 5 1 5 0 5I3 I3 1AI2 IS1 I3 0 5A 电压源和电流源的等效互换可简化电路计算 第五节无源电阻网络的简化 1 一端口网络的简化一端口网络 任一复杂电路通过两个连接端子与外电路相连 无源一端口网络 一端口网络内无独立电源 称为无源一端口网络 常用方框加P来表示一个无源网络 无源一端口网络可简化为一等值电阻 Ro R1 1 利用串并联方法简化 2 利用电路的对称性简化 例1图示电路 R1 1 R2 2 R3 2 R4 4 R5 1 求Rab 解 由于R1 R3 R2 R4 一端口网络为平衡电桥 电阻R5上的电压和电流为零 在电路计算时可移去R5电阻 可得 简化规则 电路中某一条支路电流为零 则该支路可开路电路中某一条支路电压为零 则该支路可短路 例2图示电路 所有电阻阻值均为R 求Rab 解 由电路的对称性可知 cdef为等位点 计算时dc和ef支路的电阻可移去 ab间为3条并联支路 Rab为 例3 图中各电阻都是R 求ab间的等效电阻 例4 图示电路为向右无限长电阻网络 各电阻值是R 求入端等效电阻R0 解 右侧为无限长 则去掉第一节两个电阻后 入端电阻值不变 2 Y 变换 Y 等效转换 如果左图中 连接的三个电阻R12 R23 R31用右图Y连接的三个电阻R1 R2 R3来替换 并使流入三个端部的电流和端部电压保持不变 对于外电路来说 Y或 电路等效 这种变换为Y 等效转换 为使得变换后外电路状况不变 Y和 连接的电阻数值要满足一定转换关系 Y 变换电阻等效公式 断开3端 1 2端电阻应相等 同理 分别断开2和1端 有等式 由上面三式 解得 上式为 Y变换式 已知 电阻 可由上式求Y电阻 由上面三式可求出逆变换 上式为Y 变换式 已知Y电阻 可由上式求 电阻 等效变换记忆法 特别当Y和 三个电阻相等时 有R 3RY 例1已知R1 20 R2 10 R