第1章-电路模型和电路定律

1、 绪绪 论论一、课程定位一、课程定位二、电路理论及相关科学技术的发展简史二、电路理论及相关科学技术的发展简史三、电路理论的应用三、电路理论的应用四、电路理论和四、电路理论和“电路电路”课程课程 电电 路路数字电子技术数字电子技术信号与系统信号与系统模拟电子技术模拟电子技术课程的主要内容课程的主要内容一、电阻性电路分析一、电阻性电路分析 Chapter15 二、动态电路分析二、动态电路分析 Chapter6、7、11、14、16三、正弦稳态电路分析三、正弦稳态电路分析 Chapter810、12、13本课程的学习要求本课程的学习要求 掌握基本概念、基本定理、基本分析掌握基本概念、基本定理、基本分

2、析方法。方法。 培养独立分析、解决问题的能力。培养独立分析、解决问题的能力。 培养严谨、科学的作风和治学态度。培养严谨、科学的作风和治学态度。如何学好本课程？如何学好本课程？u抓住三个主要环节抓住三个主要环节u处理好四个基本关系处理好四个基本关系 课前预习课前预习课堂听课课堂听课课后复习课后复习听课与笔记听课与笔记作业与复习作业与复习自学与互学自学与互学理论与实践理论与实践u掌握理论知识，大量演算习题掌握理论知识，大量演算习题u把握电路规律，注意知识内在联系把握电路规律，注意知识内在联系u思考，讨论，实验，交流思考，讨论，实验，交流u完成课程总结完成课程总结u保持良好的课堂秩序保持良好的课堂秩

3、序u认真完成课后作业认真完成课后作业u积极完成实验教学内容积极完成实验教学内容知识点小节知识点小节分析方法小节分析方法小节学习体会学习体会第第1 1章章 电路模型和电路定律电路模型和电路定律(Circuit Models and Laws)电路和电路模型电路和电路模型1.1电阻元件电阻元件1.5电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向1.2电压源和电流源电压源和电流源1.6电功率和能量电功率和能量1.3受控电源受控电源1.7电路元件电路元件1.4基尔霍夫定律基尔霍夫定律1.8本章重点本章重点1. 1. 电压、电流的参考方向电压、电流的参考方向4. 4. 基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：KCLKCL

4、、KVLKVLl 重点重点：3. 3. 电阻元件和电源元件的特性电阻元件和电源元件的特性拓扑约束拓扑约束2. 2. 功率计算、功率的吸收和释放功率计算、功率的吸收和释放元件约束（元件约束（VCRVCR）难点难点1-1 1-1 电路和电路模型电路和电路模型1.1.实际电路实际电路由电工设备和电气器件按预期目的由电工设备和电气器件按预期目的连接构成的电流的通路。连接构成的电流的通路。1.1.实际电路实际电路功能功能a a 能量转换：实现电能的传输、分配与能量转换：实现电能的传输、分配与转换；转换；b b 信号处理：实现电信号的传递、控制信号处理：实现电信号的传递、控制与处理。与处理。a a 借助于

5、电压、电流来完成；借助于电压、电流来完成；b b 建立在同一电路理论基础上。建立在同一电路理论基础上。共性共性组成组成电源（电源（source）负载（负载（load）电源电源: : 激励源激励源( (激励激励) )电压、电流电压、电流: :响应响应、输入、输入、输出、输出例：电池、发电机例：电池、发电机例：日光灯例：日光灯电力系统电力系统发电机发电机升压升压变压器变压器降压降压变压器变压器电动机、电动机、电炉等电炉等输电线输电线10BASE-T wall plate反映实际电路部件的主要电磁性质的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。理想电路元件及其组合。2. 2. 电路模型电

6、路模型l理想电路元件理想电路元件具有严格数学定义，用来模拟某一具有严格数学定义，用来模拟某一电磁现象的元件。电磁现象的元件。l电路模型电路模型5种基本的理想电路元件种基本的理想电路元件：电阻元件：表示消耗电能的元件电阻元件：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：表示将其它形式的能量转变成电能的元件电压源和电流源：表示将其它形式的能量转变成电能的元件1、具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，、具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，在一

7、定条件下可用同一电路模型表示；在一定条件下可用同一电路模型表示；2、同一实际电路部件在不同的应用条件下，其、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。电路模型可以有不同的形式。例例电感线圈的电路模型电感线圈的电路模型注意注意LR电路图电路图sU+_sR1-2 1-2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向(Reference Direction) 电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁通、磁通链、能量、功率等。在线性电路分析中人通、磁通链、能量、功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。们主要关心的物理量是

8、电流、电压和功率。电压电压 电流电流 电荷电荷 磁通磁通 磁通链磁通链 能量能量 功率功率UIQWPu i q w pl单位单位1kA=103A 1mA=10-3A 1 A=10-6AA(安培安培)、kA、mA、 A0d(t)limdtqqittl电流电流l电流强度电流强度带电粒子有规则的定向运动带电粒子有规则的定向运动单位时间内通过导体横截面的电荷量单位时间内通过导体横截面的电荷量1.1.电流的参考方向电流的参考方向元件元件(导线导线)中电流流动的实际方向只有两种可能中电流流动的实际方向只有两种可能: 实际方向实际方向AB 实际方向实际方向AB对于复杂电路或电路中的电流随时间变化时，对于复杂

9、电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断。电流的实际方向往往很难事先判断。l方向方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。i 0i 0参考方向参考方向U+参考方向参考方向U+ 0，W0 元件确实吸收功率和能量元件确实吸收功率和能量P0 ，W0 吸收正功率吸收正功率 ( (实际吸收实际吸收) )p0 发出正功率发出正功率 ( (实际发出实际发出) )p0 W(t)0P(t)0 W(t)0：必须靠外界的电源供电才能表现出其外特性的器：必须靠外界的电

10、源供电才能表现出其外特性的器件件。 P(t)0 W(t)0P(t)0 W(t)0（Resistor）l电路符号电路符号1.1.线性电阻元件线性电阻元件lui 关系关系u、i 取关联参考方向时，取关联参考方向时，满足欧姆定律满足欧姆定律/iu RGuuRi Rui+R 称为电阻，单位：称为电阻，单位： (Ohm)l 参数参数G 称为电导，单位称为电导，单位：S (Siemens) G = 1/R 1-5 1-5 电阻元件电阻元件如果电阻上的电压与电流参考方向取非关联参如果电阻上的电压与电流参考方向取非关联参考方向，则公式中应冠以负号。考方向，则公式中应冠以负号。则欧姆定律写为则欧姆定律写为u R

11、 i i G u公式和参考方向必须配套使用！公式和参考方向必须配套使用！Rui-+注意注意2.2.伏安特性伏安特性iu0aUI(1:mu)(1:mi) tan uuiimOUmuRimmOI tan iiuumOImiGummOU iu0iu03.3.电阻的开路与短路电阻的开路与短路l 短路短路 0iu 0 Ror G l开路开路 0u i 0Ror G Riu+Riu+i11Riu+11iu+4.4.功率和能量功率和能量电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。p ui-Ri2-u2/R -Gu2-i2/GpuiRi2u2/RGu2i2/Gl 功率功率Rui- -+

12、 +Rui+ +- -从从 t0 到到 t 电阻消耗的能量：电阻消耗的能量：ttttRuipW00ddl 能量能量5.5.其它其它非线性电阻元件非线性电阻元件( )uf i ( )ih u 或或时变电阻元件时变电阻元件( )( ) ( )u tR t i t ( )( ) ( )i tG t u t 或或负电阻元件：电阻元件的伏安特性曲线位于负电阻元件：电阻元件的伏安特性曲线位于2 2、4 4象限象限。实际电阻器实际电阻器 1-6 1-6 电压源和电流源电压源和电流源1.1.电压源电压源重点重点l电路符号电路符号l伏安关系伏安关系ui0 其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其两端电压总能保

13、持定值或一定的时间函数，其值与流过它的电流其值与流过它的电流 i 无关的元件叫理想电压源。无关的元件叫理想电压源。+_us(Us)i+_Su+_u外外电电路路12us(t1)ui0Us( )( ) ( )sp tu t i t 发出发出l功率功率 (Voltage Source and Current Source)RSuiR 0 ()iR (0)iR 恒压不恒流恒压不恒流（端电压（端电压u与与i无关，电流无关，电流i由外电路确定）由外电路确定）l特点特点外外电电路路电压源开路电压源开路不允许不允许例例i+_Su电压源短路电压源短路例例 计算图示电路各元件的功率。计算图示电路各元件的功率。解解

14、发出发出吸收吸收吸收吸收满足满足：P（发发）P（吸吸）5Ri+_Ru+_10V5V-+1055VRu 1ARuiR1010WVSPu i55WVSPu i25WRPRi2.2.电流源电流源l电路符号电路符号l伏安关系伏安关系ui0其输出电流总能保持定值或一定的时间函数，其其输出电流总能保持定值或一定的时间函数，其值与它的两端电压值与它的两端电压u无关的元件叫理想电流源。无关的元件叫理想电流源。is(t1)ui0Is( )( ) ( )sp tu t i t (发出发出)+_isui+_u外外电电路路isl功率功率l特点特点恒流不恒压恒流不恒压（电流（电流i与与u无关，端电压无关，端电压u由外电

15、路确定）由外电路确定）RSuR i ()uR 0 (0)uR 外外电电路路电流源开路电流源开路不允许不允许电流源短路电流源短路i+_uis3.3.正弦电压源（正弦电流源）正弦电压源（正弦电流源） 2( )coscos 2cossmmmu tUtUftUtT 例：例：例例 计算图示电路各元件的功率。计算图示电路各元件的功率。解解发出发出吸收吸收满足满足：P（发）（发）P（吸）（吸）u2Ai+_5V-+2ASii 22510WASPi u55 ( 2)10WVSPu i 4.4.实际电源实际电源锌锌-锰干电池锰干电池(1)(1)干电池和钮扣电池（化学电源）干电池和钮扣电池（化学电源） 锌锌- -锰

16、干电池电动势锰干电池电动势1.5V1.5V，仅取决于（糊状）化学材料，仅取决于（糊状）化学材料，其大小决定储存的能量，化学反应不可逆。其大小决定储存的能量，化学反应不可逆。水银钮扣电池水银钮扣电池 水银钮扣电池用固体化学材料，化学反应也不可逆。水银钮扣电池用固体化学材料，化学反应也不可逆。蓄电池示意图蓄电池示意图(2)(2)蓄电池（化学电源）蓄电池（化学电源） 电池电动势电池电动势2V。使用时，电池放电，当电解液浓度小。使用时，电池放电，当电解液浓度小于一定值时，电动势低于于一定值时，电动势低于2V，常要充电，化学反应可逆。，常要充电，化学反应可逆。(3)(3)太阳能电池（光能电源）太阳能电池

17、（光能电源） 一块硅太阳能电池电动势一块硅太阳能电池电动势0.6V。太阳光照射到。太阳光照射到P-N结结上，形成一个从上，形成一个从N区流向区流向P区的电流。约区的电流。约 11%的光能转变的光能转变为电能，故常用太阳能电池板。为电能，故常用太阳能电池板。硅太阳能电池示意图硅太阳能电池示意图太阳能电池板太阳能电池板直流稳压源直流稳压源变频器变频器频率计频率计函数发生器函数发生器1-7 1-7 受控电源受控电源(Controlled Source)2.2.电路符号电路符号+受控电压源受控电压源1.1.定义定义受控电流源受控电流源 输出的电压或电流不是给定的时间函数，输出的电压或电流不是给定的时间

18、函数，而是受电路中某个地方的电压而是受电路中某个地方的电压(或电流或电流)控控制的电源，称受控源。制的电源，称受控源。 IbIcbcII三极管三极管3.3.分类分类g: 转移电导转移电导 电压控制电流源电压控制电流源 ( ( VCCS ) )12gui 电压控制电压源电压控制电压源 ( ( VCVS ) )12 uu: 电压放大倍数电压放大倍数 四端元件四端元件输出：受控部分输出：受控部分输入：控制部分输入：控制部分gu1_u1+i2u1+_u2_u1+_重点重点 电流控制电流源电流控制电流源 ( CCCS ) : 电流放大倍数电流放大倍数12 ii 电流控制电压源电流控制电压源 ( ( CC

19、VS ) )12riu r : 转移电阻转移电阻 i1i2i1ri1+_u2i1+_4.4.受控源与独立源的比较受控源与独立源的比较 独立源电压独立源电压( (或电流或电流) )由电源本身决定，与电路中由电源本身决定，与电路中其它电压、电流无关，而其它电压、电流无关，而受控源电压受控源电压( (或电流或电流) )由由控制量决定控制量决定。 独立源在电路中起独立源在电路中起“激励激励”作用，在电路中产生作用，在电路中产生电压、电流，电压、电流，是实际电路电能或电信号的是实际电路电能或电信号的“源泉源泉”；而而受控源受控源是反映电路中某处的电压或电流对是反映电路中某处的电压或电流对另一处的电压或电

20、流的控制关系，另一处的电压或电流的控制关系，在电路中不能在电路中不能起起“激励激励”作用作用，不能独立向外电路提供能量。不能独立向外电路提供能量。例例+_u15+_u2gu1iiS图中图中iS=2A，VCCS的控制系数的控制系数g=2S，求，求u。解解:u1=5 iS=10Vu=2gu1=40V162A3i 211531064Vuii 例例求求图中图中电压电压u2。解解:u1=6V5i1+_u2_i1+-3 1-8 1-8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电压定律（KVL）。它反映了电路中所。它反映

21、了电路中所有支路电压和电流所遵循的基本规律，是分析集总有支路电压和电流所遵循的基本规律，是分析集总参数电路的基本定律。基尔霍夫定律与元件特性构参数电路的基本定律。基尔霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。成了电路分析的基础。重点重点（Kirchhoffs Laws） 1.1.几个名词几个名词支路的连接点称为结点。支路的连接点称为结点。 支路支路电路中每一个两端元件就叫一条电路中每一个两端元件就叫一条支路。支路。 结点结点236145由支路组成的闭合路径。由支路组成的闭合路径。 回路回路(branch)(node)(loop)2.2.基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律 (KCL) 在集总参数电路

22、中，任意时刻，对任意结点流在集总参数电路中，任意时刻，对任意结点流出（或流入）该结点电流的代数和等于零。出（或流入）该结点电流的代数和等于零。 根据电流的参考方向，若流出结点的电流前面根据电流的参考方向，若流出结点的电流前面取取“+”+”号，则流入结点的电流前面取号，则流入结点的电流前面取“-”-”号。号。0i 重点重点例例i1i3i2i7i8i5i4i6对结点对结点应用应用KCL有有1460iii 也可写为也可写为:146iiiS对结点对结点对结点对结点2450iii 1230iii对闭合面对闭合面S3560iii 通过一个闭合面的支路电流的代数和总是等于通过一个闭合面的支路电流的代数和总是

23、等于零；或者说，流出闭合面的电流总是等于流入同一零；或者说，流出闭合面的电流总是等于流入同一闭合面的电流。闭合面的电流。 任意时刻，流出任一任意时刻，流出任一结点的支路电流等于流入结点的支路电流等于流入该结点的支路电流。该结点的支路电流。掌握掌握 KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任意结点处的反映；意结点处的反映； KCL是对结点处支路电流加的约束，与支路上是对结点处支路电流加的约束，与支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；性无关； KCL方程是按电流参考方向列写的，与电流实方程是按电流参考方向列

24、写的，与电流实际方向无关。际方向无关。A5)2(3i例例A3A2?i51433求电流求电流 i ?解解:3 3. .基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律 (KVL)在集总参数电路中，任一时刻，沿任一回路，在集总参数电路中，任一时刻，沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零。所有支路电压的代数和恒等于零。 在指定一个回路的绕行方向后，凡支路电压的在指定一个回路的绕行方向后，凡支路电压的参考方向与回路的绕行方向一致者，该电压前面取参考方向与回路的绕行方向一致者，该电压前面取“+”+”号，支路电压的参考方向与回路的绕行方向号，支路电压的参考方向与回路的绕行方向相反者，前面取相反者，前面取“-”-”号。号。0u 重点重点例例对指定回路应用对指定回路应用KCL有有12340uuuu 也可写为也可写为:236145-+u4+-u1+-u5-u3+-u6+-u21243uuuu KVL的实质反映了电路遵从能量守恒定律的实质反映了电路遵从能量守恒定律; ; KVL是对回路中的支路电压加的约束，与回路是对回路中的支路电压加的约束，与回路各支路上接的是什么元件无关，与电路是线性各支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线