电路模型和电路模型PPT课件

1、1.1 电路和电路模型电路和电路模型1. 电路的组成电路电源(发电厂、干电池、光电池)：激励源负荷(用电设备)导线与开关(输电线路, 电路板)激励源：电源响应： 由激励产生的电流和电压(输入)(输出)第1页/共74页2. 实际电路 （1）实现电能的传输、分配与转换 负载电源开关导线 （2）实现信号的传递与处理第2页/共74页第3页/共74页3. 电路模型电路模型实际电路元件抽象u- i 关系表示理想电路元件 （1）基本理想电路元件电阻(resistance)：u- i 代数关系电感(inductance)：u 是i 的微分关系电容(capacitance)：i 是u的微分关系电源(source

2、)：u- i 相互独立第4页/共74页US+_R0(2) 电路建模电路建模负载电源开关导线电源负载ISRL+ U注意理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似。I特性R特性L耗能磁场忽略 LR第5页/共74页1.2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向(1) 为什么要引入参考方向？(a) 电压或电流的方向不确定？(b) 电压或电流的方向随时间变化ii=ImsinwtT/2i0wtT0 t 0与图上所示方向相同T /2 t T ：i 0或iAB 0AB真实方向i参考方向i 0或iAB 0或uAB 0AB-真实方向+-参考方向uu 0或uAB 0实际吸收功率p吸 0实际发出功率P发 0实际吸收功

3、率记忆方法 p= u i关联吸非关联发第15页/共74页例1U =10V , I =1A，求各元件吸收的功率。AB10V+-U10WI解电阻：关联参考方向 p吸 = UI = 101 = 10W电阻吸收功率： 10W电源：非关联参考方向 p发 = UI = 101= 10W电源发出功率： 10W第16页/共74页例2： U1=10V， U2=5V, 求电阻和电源的功率.+-5WIU1U2UR解取各U、I参考如图所示。UR=U1- U2=10-5=5V I=UR / R =5/ 5=1A 电阻：关联PR吸收=URI =51=5W 吸收电源U1：非关联PU1发出=U1I =101=10W 发出电源

4、U2：关联PU2吸收=U2I=51=5W 吸收结论p吸= p发功率守恒第17页/共74页例 如图电路，若已知元件吸收功率为20W，电压U=5V，求电流I。元件AB+-UI解由图可知U、I为关联参考方向，因此:I =P吸U=205=4A第18页/共74页思考： 如图电路，若已知元件中电流为I=100A，电压U=10V，求电功率P，并说明元件是电源还是负载。元件AB+-UI解由图可知U、I为非关联参考方向，因此:P发出= UI=10(-100)=-1000W0p吸 -ui -(-R i ) i i 2 R - u(-u/ R)= u2/ R 0结论电阻始终消耗电功率.非关联参考方向下R+ui或p发

5、 ui(-R i ) i - i 2 R 0（无源耗能元件）第28页/共74页（2）能量从 t0 到 t 电阻消耗的能量ttttRiupW00dd 电能的大小不仅与电压、电流的大小有关，还取决于用电时间的长短。1度电的概念1000W的电炉加热1小时；100W的灯泡照明10小时；40W的灯泡照明25小时。结论第29页/共74页3.电阻的开路与短路（1）开路Riu+iu+i=0, u0R=,G=0ui0（2）短路iu+u=0, i0R=0, G=ui0第30页/共74页贴片电阻体积小重量轻可靠性高第31页/共74页碳膜电阻阻值范围宽价格低廉金属膜电阻稳定性高精度高第32页/共74页线绕电阻功率大第

6、33页/共74页1.6 电压源和电流源电压源和电流源(独立电源独立电源)1.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；电路符号uSuS直流：uS为常数交流：uS随时间变，例如：uS=Umsinwt(b) 电压源的电流由外电路决定。第34页/共74页(2) 伏安特性uS+_iu+_uSui0uS=0意味着什么？(3) 理想电压源的开路与短路(a) 开路 (b) 短路电压源严禁短路! R=, i=0 u= uS R=0, u= uS i=第35页/共74页(4) 功率p发= uS iuS+_iu+_(a) i , uS非关联 或p吸= - uSi(b) i , uS 关联

7、iP吸= uS i或P发= - uSi第36页/共74页例计算图示电路各元件的功率解i+_5R+_10V5V-+先指定参考方向uRuR=10-5=5Vi=uR/R =5/5=1A(uR，i关联)PR吸=i2R= 15=5W吸收求10V电源的功率，其u，i非关联P10V发= ui=101=10W发出(电源)求5V电源的功率，其u，i关联P5V吸=ui=51=5W吸收(负载)满足：P（发）P（吸）第37页/共74页2.理想电流源电路符号iS(1) 特点(a) 电流源电流由电源本身决定，与外电路无关；直流：iS为常数交流：iS随时间变，例如：iS=Imsinwt(b) 电源两端电压由外电路决定。第3

8、8页/共74页(2) 伏安特性iSui0iSiu+_iS=0意味着什么？(3) 理想电流源的开路与短路(a) 短路 (b) 开路 R=0, i=iS u= 0 R=, i=0iS u=？电流源严禁开路!第39页/共74页(4) 功率(a) i , uS非关联 iSiu+_p发= uS i或p吸= - uSi(b) i , uS 关联 +p吸= uS i或p发= - uSi(5) 实际电流源的产生稳流电子设备，如光电池，晶体三极管第40页/共74页例计算图示电路各元件的功率解 先指定参考方向5A5V-+i+_u求5A电源的功率，其u，i非关联P5A发=ui=55=25W发出(电源)求5V电源的功

9、率，其u，i关联P5V吸=ui=55=25W吸收(负载)满足：P（发）P（吸）第41页/共74页实际电源干电池钮扣电池1.干电池和钮扣电池（化学电源） 干电池电动势1.5V，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。钮扣电池电动势1.35V，用固体化学材料，化学反应不可逆。第42页/共74页 氢氧燃料电池示意图2. 燃料电池（化学电源） 电池电动势1.23V。以氢、氧作为燃料。约40-45%的化学能转变为电能。实验阶段加燃料可继续工作。 第43页/共74页3. 太阳能电池（光能电源） 一个50cm2太阳能电池的电动势0.6V,电流0.1A 。 太阳光照射到P-N结上，形成

10、一个从N区流向P区的电流。约 11%的光能转变为电能，故常用太阳能电池板。 太阳能电池示意图太阳能电池板第44页/共74页光伏发电第45页/共74页国际空间站太阳能电池板 第46页/共74页绿色环保节能太阳能 第47页/共74页蓄电池示意图4. 蓄电池（化学电源） 电池电动势2V。使用时，电池放电，当电解液浓度小于一定值时，电动势低于2V，常要充电，化学反应可逆。第48页/共74页直流稳压源变频器频率计函数发生器第49页/共74页发电机组第50页/共74页水电站第51页/共74页第52页/共74页风力发电第53页/共74页1.7 受控电源受控电源(非独立源非独立源)1. 定义受控电压源该电压源

11、的电压由电路中某电压或电流控制。受控电流源该电流源的电流由电路中某电压或电流控制。电路符号+受控电压源受控电流源第54页/共74页(1) 电流控制的电流源 ( Current Controlled Current Source )2. 四种类型b i1+_u2i2_u1i1+CCCSb : 电流放大倍数 i2=b i1(2) 电流控制的电压源 ( Current Controlled Voltage Source )i2i1r i1+_u2_u1+_+CCVSu2=r i1r : 转移电阻 第55页/共74页(3) 电压控制的电流源 ( Voltage Controlled Current S

12、ource )gu1+_u2i2_u1i1+VCCSi2=gu1g: 转移电导 (4) 电压控制的电压源 ( Voltage Controlled Voltage Source )u1+_u2_u1+_i2i1+VCVSu2= u1 :电压放大倍数，g， b ，r 为常数时，称线性受控源。第56页/共74页3.受控源与独立源的比较独立源电压(或电流)由电源本身决定，受控源电压(或电流)由控制量决定。独立源起“激励”作用，在电路中产生电压、电流，受控源是反映某处的电压或电流对另一处的电压或电流的控制关系，在电路中不能作为“激励”。第57页/共74页例求：电压u2解A2361i5i1+_u2_i1

13、+-3Wu1=6V+_uRV6321 RiuRV4610 6512iu第58页/共74页1.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫 (1824-1887)德国物理学家以光谱分析，光学和电学的研究著名。1860年发现铯和铷元素。21岁提出了著名的电流定律和电压定律。分析电路最基本的依据，被称为“电路求解大师”。基尔霍夫电流定律 (Kirchhoffs Current LawKCL )基尔霍夫电压定律 (Kirchhoffs Voltage LawKVL )第59页/共74页1. 几个名词1. 支路 (branch)：2. 结点 (node):4. 回路(loop)：b=33. 路径(path)：5

14、. 网孔(mesh)：ab+_R1uS1+_uS2R2R3l=3n=2123123电路中流过同一电流的每个分支. (b)支路的连接点。( n )两结点间的一条通路。路径由支路构成。由支路组成的闭合路径。( l )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。第60页/共74页2. 基尔霍夫电流定律 (KCL)物理基础: 电荷守恒i1+ i2 i3+ i4= 0i1i4i2i3例对于电路中的任一结点，在任一时刻：出入ii或 流入结点的电流的代数和为零： 0)(tii1+ i3= i2+ i4或第61页/共74页7A4Ai110A-12Ai2例 求i1，i2解：对结点编号12对结点

15、1： 4 7i1= 0得i1= 3A 对结点2：i1+i210 (12)=0得 i2= 1A 第62页/共74页KCL的推广：ABiABiiABi3i2i10321 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。第63页/共74页明确KCL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；KCL是对结点处支路电流加的约束，与元件无关，与电路是线性还是非线性无关；KCL方程按电流参考方向列写的，与电流实际方向无关。第64页/共74页3.基尔霍夫电压定律 (KVL)在电路中，任一时刻，沿任一回路:降升UU或沿任一回路，按一定绕行方向，电压上升的代数和为零:0U第6

16、5页/共74页例 列写下图的KVL方程。0U解-U1-US1I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4指定绕行方向(上升：-，下降：+)+U2+U3+U4+US4=0-I1R1-US1+I2R2-I3R3+I4R4+US4=0-I1R1+I2R2-I3R3+I4R4=US1-US4KVL也适用于电路中任一假想的回路。注意第66页/共74页例:求UbaaUsb_-+U2U1-US-U2-U1+Uba=0Uba= US+U2+U1明确 KVL的实质反映了电路遵从能量守恒定律; KVL是对回路电压加的约束，与元件无关，与电路是线性还是非线性无关； KVL方程按电压参考方向列

17、写，与电压实际方向无关。第67页/共74页图示电路：求U和I。例 解：1A3A2A3V2V3WUIU1+-+-+-+先求I:列KCL:3+1-2+I=0得I= -2A列KVL:U+U1+3-2=0U1=I3= -6VU=5V第68页/共74页例求下图电路开关S打开和闭合时的i1和i2。i1=0i2=i+2i10V5W5Wi1i2ii2S解：S打开时：列KCL:5i+5i2=10列KVL:i2=1.5(A)i2=0i1=i+2iS闭合时：列KCL:i=10/5=2Ai1=6(A)第69页/共74页4. KCL、KVL小结： KCL是对支路电流的线性约束; KVL是对回路电压的线性约束。 KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。 KCL表明在每一节点上电荷是守恒的；KVL是能量守恒的具体体现(电压与路径无关)。 KCL、KVL只适用于集总