电子工程师培训教程(经典电路分析PPT课件

1、 引 言（1） 电气工程及其自动化专业；（2） 自动化；（3） 计算机科学与技术；（4） 电子科学与技术；（5） 通信工程；（6） 电子信息工程；（7） 生物医学工程；（8） 电气工程与自动化；（9） 信息工程； 以上信息引自西安交通大学电路多媒体课堂l电路是以下专业的必修课第1页/共85页 引 言l课程的特点和任务 电路课程理论严密，逻辑性强，对培养学生的辨证思维能力，树立理论联系实际的科学观点和提高学生分析问题和解决问题的能力，都有重要的作用。 通过电路课程的学习，同学们掌握电路的基本理论、分析计算电路的基本方法和进行实验的初步技能，并为后续课程准备必要的电路知识。 第2页/共85页电压、

2、电流的参考方向 基尔霍夫定律 l本章重点： 第1章 电路元件和电路定律电路元件特性 l本章难点： u实际方向和参考方向的联系和差别 u基尔霍夫定律 u电路元件特性 第3页/共85页1.1 电路和电路模型（model)一、电路：电工设备构成的整体，它为电流的流通提供路径。电路主要由电源、负载、连接导线及开关等构成。电源(source)：提供能量或信号的发生器。负载(load)：将电能转化为其它形式能量的用电设备，或对信号进行处理的设备。导线(line)、开关（switch)：将电源与负载接成通路装置。*第4页/共85页1.实际电路元件电阻器电容器线圈电池运算放大器晶体管二、电路模型 (circu

3、it model)第5页/共85页 低频信号发生器的内部结构2.由实际电路元件相互连接而成的实际电路(1)第6页/共85页变频器主电路2.由实际电路元件相互连接而成的实际电路(2)第7页/共85页3. 理想电路元件：根据实际电路元件所具备的电磁性质来设想的具有某种单一电磁性质的元件，其u，i关系可用简单的数学式子严格表示。几种基本的电路元件：电阻元件：表示消耗电能的元件。电感元件：表示各种电感线圈产生磁场，储存磁场能的元件。电容元件：表示各种电容器产生电场，储存电场能的元件。电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件。第8页/共85页4.由理想元件及其组合代表实际电路元件，与实际电路具

4、有基本相同的电磁性质（数学），我们称其为电路模型。RS+USRL有时候一个实际电路元件需要用多个理想元件的组合才能体现它的实际性质。如上图中的干电池。实际电路电路模型一个实际电路元件在不同的工作条件下，具有不同的电路模型。如电感线圈。本课程研究对象是电路模型而不是实际电路。第9页/共85页(a)线圈的图形符号 (b)线圈通过低频交流的模型(c)线圈通过高频交流的模型线圈的几种电路模型第10页/共85页三、集总参数元件与集总参数电路 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个端子流出的电流，两个端钮之间的电压为单值量。集总参数电路：由集总参数元件构成的电路。一

5、个实际电路要能用集总参数电路近似，要满足如下条件：即实际电路的尺寸必须远小于电路工作频率下的电磁波的波长。和集总参数电路相对的是分布参数电路（教材18章）本课程主要讨论集总参数电路。第11页/共85页已知电磁波的传播速度与光速相同，即v=3105 km/s (千米/秒)(1) 若电路的工作频率为f =50 Hz，则 周期T = 1/f = 1/50 = 0.02 s 波长 = 3105 0.02=6000 km一般电路尺寸远小于 。(2) 若电路的工作频率为f=50 MHz，则 周期T = 1/f = 0.02106 s = 0.02 ns 波长 = 3105 0.02106 = 6 m此时一

6、般电路尺寸均与可比，所以电路在高频情况下不能视为集总参数电路。第12页/共85页一、电路中的主要物理量 主要有电压、电流、电荷、磁链。在线性电路分析中常用电流、电压、电位等。另外，电功率和电能量也是重要的物理量。1.电流(current)：带电质点的运动形成电流。电流的大小用电流强度表示：单位时间内通过导体截面的电量。单位：A (安) (Ampere，安培)1.2电流和电压的参考方向第13页/共85页当数值过大或过小时，常用十进制的倍数表示。SI制中，一些常用的十进制倍数的表示法：符号 T G M k c m n p中文 太 吉 兆 千 厘 毫 微 纳 皮数量 1012 109 106 103

7、 102 103 106 109 1012 第14页/共85页2.电压(voltage)：电场中某两点A、B间的电压(降)UAB 等于将点电荷q从A点移至B点电场力所做的功WAB与该点电荷q的比值，即单位：V (伏) (Volt，伏特)当把点电荷q由B移至A时，需外力克服电场力做同样的功WAB=WBA，此时可等效视为电场力做了负功WAB，则B到A的电压为第15页/共85页3.电位：电路中为分析的方便，常在电路中选某一点为参考点，把任一点到参考点的电压称为该点的电位。参考点的电位一般选为零，所以，参考点也称为零电位点。电位用表示，单位与电压相同，也是V(伏)。abcd设c点为电位参考点，则 c=

8、0a=Uac， b=Ubc， d=Udc第16页/共85页两点间电压与电位的关系：abcd仍设c点为电位参考点，c=0Uac = a ， Udc = dUad= Uac Udc= ad前例结论：电路中任意两点间的电压等于该两点间的电位之差。第17页/共85页例2 . abc1.5 V1.5 V已知 Uab=1.5 V，Ubc=1.5 V。求 a；b；c；Uac(1) 以a点为参考点，a=0Uab= ab b = a Uab= 1.5 VUbc= bc c = b Ubc= 1.51.5= 3 VUac= ac = 0 (3)=3 V(2) 以b点为参考点，b=0Uab= ab a = b +U

9、ab= 1.5 VUbc= bc c = b Ubc= 1.5 VUac= ac = 1.5 (1.5) = 3 V结论：电路中电位参考点可任意选择；当选择不同的电位参考时，电路中各点电位均不同，但任意两点间电压保持不变。第18页/共85页4.电动势(eletromotive force)：局外力克服电场力把单位正电荷从负极经电源内部移到正极所作的功称为电源的电动势。e 的单位与电压相同，也是 V (伏) 根据能量守恒：UAB = eBA。电压表示电位降，电动势表示电位升，即从A到B的电压，数值上等于从B 到A 的电动势。电场力把单位正电荷从A移到B所做的功(UAB )，与外力克服电场力把相同

10、的单位正电荷从B经电源内部移向A所做的功(eBA )是相同的，所以UAB= eBA。 BA第19页/共85页二、电流、电压的参考方向(reference direction)1.电流的参考方向元件(导线)中电流流动的实际方向有两种可能: 参考方向：任意选定一个方向即为电流的参考方向。大小 方向 电流i为代数量，具有 实际方向i实际方向i i参考方向BA第20页/共85页 电流参考方向有两种表示：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点指向B点。i 0AB参考方向i实际方向iAB参考方向i实际方向i第21页/共85页为什么要引入参考方向 ？(b)实际

11、电路中有些电流是交变的，无法标出实际方向。标出参考方向，再加上与之配合的表达式，才能表示出电流的大小和实际方向。(a) 有些复杂电路的某些支路事先无法确定实际方向。为分析方便，只能先任意标一方向（参考方向），根据计算结果，才能确定电流的实际方向。第22页/共85页2.电压(降)的参考方向U 0 0表示元件吸收的功率；当u,i 的参考方向相反时，p0表示元件发出的功率。 u 和i 都是时间的函数，并且是代数量，因此，电能W也是时间的函数，且是代数量。功率是能量对时间的导数，能量是功率对时间的积分。由式（1-1）可知，元件吸收的电功率为：当p0时，元件确实吸收功率；当p0 吸收正功率 (吸收)P0

12、 发出正功率 (发出)P0，d u/d t0，则i0，q ， p0, 电容吸收功率。 (2) 当电容放电，u0，d u/d t0，则i0，q ，p0，d i/d t0，则u0， p0, 电感吸收功率。 (2) 当电流减小，i0，d i/d t0，则u0，p0, 电感发出功率。 l 功率表明 电感能在一段时间内吸收外部供给的能量转化为磁场能量储存起来，在另一段时间内又把能量释放回电路，因此电感元件是无源元件、是储能元件，它本身不消耗能量。u、 i 取关联参考方向第50页/共85页（1）电感的储能只与当时的电流值有关，电感 电流不能跃变，反映了储能不能跃变； （2）电感储存的能量一定大于或等于零。

13、从t0到 t 电感储能的变化量：)()()()(02202221212121tLtLtLitLiWL 02121212121220222 )()()()()(ddd)(tLtLiLitLiLiiLiWittL 若若l 电感的储能表明第51页/共85页电容元件与电感元件的比较：电容 C电感 L 变量电流 i 磁链 关系式电压 u 电荷 q (1) 元件方程的形式是相似的；(2) 若把 u-i，q- ，C-L， i-u互换,可由电容元件的方程得到电感元件的方程；(3) C 和 L称为对偶元件, 、q等称为对偶元素。* 显然，R、G也是一对对偶元素:I=U/R U=I/GU=RI I=GU22212

14、1 LLiWtiLuLiL dd结论222121ddqCCuWtuCiCuqC 第52页/共85页 1.7 电源元件 (independent source) 其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其 值与流过它的电流 i 无关的元件叫理想电压源。l 电路符号1. 理想电压源l 定义iSu+_ 第53页/共85页 常用的干电池和可充电电池第54页/共85页 实验室使用的直流稳压电源用示波器观测直流稳压电源的电压随时间变化的波形。示波器稳压电源第55页/共85页(1) 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) 通过电压源的电流由电源及外 电路共同决定。

15、l 理想电压源的电压、电流关系ui)(tuS伏安关系例Ri-+Su外电路 RuiS )( Ri0)( 0 Ri电压源不能短路！第56页/共85页l电压源的功率电场力做功 ， 电源吸收功率。（1） 电压、电流的参考方向非关联；物理意义：+_iu+_Su+_iu+_SuiuPS 电流（正电荷 ）由低电位向 高电位移动，外力克服电场力作功电源发出功率。 iuPS 发出功率，起电源作用（2） 电压、电流的参考方向关联；物理意义： iuPS 吸收功率，充当负载 iuPS 或：发出负功 第57页/共85页例 5R+_i+_Ru+_10V5V计算图示电路各元件的功率。解VuR5510 )(ARuiR155

16、WRiPR5152 WiuPSV1011010 WiuPSV5155 发出吸收吸收满足：P（发）P（吸） 第58页/共85页 实际电压源也不允许短路。因其内阻小，若短路，电流很大，可能烧毁电源。us uiOl 实际电压源 i+_u+_SuSR考虑内阻伏安特性iRuuSS 一个好的电压源要求0SR第59页/共85页 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u 无关的元件叫理想电流源。l 电路符号2. 理想电流源l 定义uSi+_ (1) 电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关；与它两端电压方向、大小无关(2) 电流源两端的电压由电源及外电路共同决定l 理想电流源的电压、

17、电流关系ui)(tiS伏安关系第60页/共85页例外电路 )( 00 Ru)( Ru电流源不能开路！Ru-+Si实际电流源的产生可由稳流电子设备产生，如晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的电流等。SRiu 第61页/共85页l电流源的功率（1） 电压、电流的参考方向非关联；SuiP 发出功率，起电源作用（2） 电压、电流的参考方向关联；吸收功率，充当负载 uiPS 或：发出负功 u+_SiSuiP SuiP u+_Si第62页/共85页例计算图示电路各元件的功率。解Ai2 Vu5 WuiPSA10522 WiuPSV10255 )(发出吸收满足：P（发）

18、P（吸） +_u+_2A5Vi第63页/共85页 实际电流源也不允许开路。因其内阻大，若开路，电压很高，可能烧毁电源。is uiOl 实际电流源 考虑内阻伏安特性SSRuii 一个好的电流源要求 SRu+_SiSRi第64页/共85页1.8 受控电源 (非独立源) (controlled source or dependent source) 电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是 受电路中某个地方的电压(或电流)控制的电源，称受控源l 电路符号+ 受控电压源1. 定义受控电流源 第65页/共85页(1) 电流控制的电流源 ( CCCS ):电流放大倍数 根据控制量和被控制量是电压u

19、或电流i ，受控源可分 四种类型：当被控制量是电压时，用受控电压源表示；当被 控制量是电流时，用受控电流源表示。2. 分类四端元件i1 +_u2 i2 _u1 i1 + 12ii 输出：受控部分输入：控制部分第66页/共85页g: 转移电导 (2) 电压控制的电流源 ( VCCS )u1 gu1 +_u2 i2 _i1 + 12gui (3) 电压控制的电压源 ( VCVS )u1 +_u2 i2 _u1 i1 + +-12uu : 电压放大倍数 第67页/共85页ru1 + _ u2 i2 _ u1 i1 + + - (4) 电流控制的电压源 ( CCVS ) 12riu r : 转移电阻

20、例bicibcii bi bi ci电路模型第68页/共85页3. 受控源与独立源的比较(1) 独立源电压(或电流)由电源本身决定，与电路中其它电压、电流无关，而受控源电压(或电流)由控制量决定。(2) 独立源在电路中起“激励”作用，在电路中产生电压、电流，而受控源只是反映输出端与输入端的受控关系，在电路中不能作为“激励”。例求：电压u2。解5i1 + _ u2_ u1=6Vi1 + + - 3 Ai2361 Viu46106512 第69页/共85页1.9 基尔霍夫定律 ( Kirchhoffs Laws )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( KVL )。它

21、反映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。第70页/共85页1. 几个名词 定义：三条或三条以上支路的连接点称为节点。( n )b=3an=2b+_R1 uS1 +_uS2 R2 R3 （1）支路 (branch)定义1：电路中每一个两端元件就叫一条支路(b)i3 i2 i1 (2) 节点 (node)b=5定义2：电路中通过同一电流的分支。(b)第71页/共85页1. 几个名词 ab+_R1 uS1 +_uS2 R2 R3 i3 i2 i1 两节点间的一条通路。由支路构成。(3) 路径(path)由支路组成的闭合

22、路径。( l )(4) 回路(loop)123l=3对平面电路，其内部不含任何支路的回路称网孔。(5) 网孔(mesh)网孔是回路，但回路不一定是网孔第72页/共85页2. 基尔霍夫电流定律 (KCL)令流出为“+”，流入为“-”有：例 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。 mkti10)(出入ii流进的电流等于流出的电流 1i5i4i3i2i054321 iiiii54321iiiii （形式1）（形式2）所有电流的代数和等于零 （形式1）（形式2）流入的电流流出的电流流入的电流流出的电流第73页/共85页1 3 25i6i4i3i1i2i0643iii

23、例 0542 iii0651iii三式相加得：0321iiiKCL推广：通过一个闭合面的支路电流的代数和总是等于零，或者说流出闭合面的电流等于流入同一闭合面的电流。（广义结点KCL）明确（1） 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；（2） KCL是对支路电流加的约束，与支路上接的是 什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；（3）KCL方程是按电流参考方向列写，与电流实际 方向无关。（广义结点）第74页/共85页i1=i2 ? 3.AB+_1111113+_2i2 i1 UA =UB ? I = 01.？AB+_1111113+_22.i1 思考第75页/共85页Ai52

24、3 )(A3A2 ? i 3 3 5 1 4例12. 基尔霍夫电流定律 (KCL)第76页/共85页U1US1+U2+U3+U4+US4= 03. 基尔霍夫电压定律 (KVL) 在集总参数电路中，任一时刻，沿任一闭合路径绕 行各支路电压的代数和等于零。这就是基尔霍夫 电压定律（KVL）。I1 + US1 R1 I4 - + US4 R4 I3 R3 R2 I2 _ U3 U1 U2 U4 回路方向应用KVL首先要规定回路方向，如图所示： mktu10)(和回路方向相反和回路方向相同U1+US1 U2 U3 U4 US4= 0和回路方向相反和回路方向相同第77页/共85页U1US1+U2+U3+

25、U4+US4= 03. 基尔霍夫电压定律 (KVL) I1 + US1 R1 I4 - + US4 R4 I3 R3 R2 I2 _ U3 U1 U2 U4 回路方向和回路方向相反和回路方向相同电阻上的电压用欧姆定律表示U2 = R2 I2U3 = R3 I3U4 = R4 I4U1 = R1 I1代入下式得: R1 I1US1+ R2 I2 R3 I3 +R4 I4+US4= 0整理: R1 I1+ R2 I2 R3 I3 +R4 I4=US1US4回路中所有电阻上的电压降电源电动势nkkSmkkkUIR11（KVL推论1）第78页/共85页3. 基尔霍夫电压定律 (KVL) I1 + US1 R1 I4 - + US4 R4 I3 R3 R2 I2 _ U3 U1 U2 U4 回路方向U2 = R2 I2U3 = R3 I3U4 = R4 I4U1 = R1 I1代入下式得: R1 I1US1+ R2 I2 R3 I3 +R4 I4+US4= 0nkkSmkkkUIR11回路中所有电阻上的电压降电源电动势左边：电流参考方向与回路绕行方向一致者，RkIk前面取“”号；右边：电压源的电动势的方向(参考极性)与回路绕行方向一致者，Usk