[工学]大学电路 第五版ppt课件

1、 第一章第一章 电路模型和电路定律电路模型和电路定律电路和电路模型电路和电路模型电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向电功率和能量电功率和能量电路元件电路元件电阻元件电阻元件电压源和电流源电压源和电流源受控电源受控电源基尔霍夫定律基尔霍夫定律 提提 要要 重点：电压和电流的参考方向重点：电压和电流的参考方向 电路元件特性电路元件特性 基尔霍夫定律基尔霍夫定律难点：吸收功率、发出功率的判别难点：吸收功率、发出功率的判别 1-1 电路和电路模型电路和电路模型 一、 实践电路 (electric circuits)1. 实践电路：为实现特定目的而设计的，由电路器件实践电路：为实现特定目的而设计的，

2、由电路器件的的 相互衔接构成的电流通路安装。相互衔接构成的电流通路安装。 2.电路部件：电路部件：(component) 电源电源 (Active elements) 产生电信号。产生电信号。 负载负载(Passive elements) 用电设备。用电设备。 3.电路的作用：电路的作用： 电能电信号电能电信号)的转换、传输、分配。的转换、传输、分配。 实践电路举例实践电路举例例一例一 水力发电站水力发电站例二例二 集成电路板集成电路板二、电路模型 (circuit model)1. 理想电路元件理想电路元件(Ideal circuit elements： 定义出来的定义出来的具有单一的电磁性

3、质和确切的数学模型的理想电路元件。具有单一的电磁性质和确切的数学模型的理想电路元件。 特点：抽掉了实践部件的外形、尺寸等差别性。特点：抽掉了实践部件的外形、尺寸等差别性。几种根本的电路元件：几种根本的电路元件：电阻元件：表示耗费电能的元件。电阻元件：表示耗费电能的元件。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。电源元件：表示各种将其它方式的能量转变成电能的元件。电源元件：表示各种将其它方式的能量转变成电能的元件。2. 电路模型电路模型(Ideal circuit

4、 elements：在一定的任务条：在一定的任务条件下件下,按不同的精度要求，由理想元件及其组合来模拟实按不同的精度要求，由理想元件及其组合来模拟实践电路元件、与实践电路具有根本一样的电磁性质，称践电路元件、与实践电路具有根本一样的电磁性质，称其为电路模型。其为电路模型。10BASE-T wall plate导线导线电池电池开关开关灯泡灯泡USR0RL模型一模型一USRL 模型二模型二例如：手电筒电路例如：手电筒电路 阐明阐明1:同一实践电路在不同条件下，其笼统理想电路同一实践电路在不同条件下，其笼统理想电路模型不同。模型不同。例如：例如： 一个电感线圈一个电感线圈直流直流交流交流不计损耗不计

5、损耗交流交流思索损耗思索损耗高频交流高频交流思索容性效应思索容性效应 阐明阐明2:电路模型应为计算精度与计算量的折中。电路模型应为计算精度与计算量的折中。1-2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向1.电流电流 (Current):单位时间内经过导体截面的电荷量。单位时间内经过导体截面的电荷量。 电流方式有：电流方式有： 直流电流：直流电流： direct current (dc) 交流电流：交流电流： alternative current (ac)Andre-Marie Ampere 安培安培 (1775-1836)本节引见电路的根本物理量：电流、电压。本节引见电路的根本物理量：电流、

6、电压。dttdqti)()(单位：安培单位：安培A电流的参考方向电流的参考方向 Assigning reference directions电流的实践方向：规定为正电荷挪动的方向。电流的实践方向：规定为正电荷挪动的方向。 电流实践方向用虚线箭头标出。电流实践方向用虚线箭头标出。USR1R2R3R4ii1i3i2i4电流方向？电流方向？电流的参考方向：电流的参考方向： 人为选定的一个方向。人为选定的一个方向。 用实线箭头或双下标表示。用实线箭头或双下标表示。R5ab 如图中如图中R5支路的电流参考方向选择为由支路的电流参考方向选择为由a流向流向b, 也可记为：也可记为：iab (iab=i5)i

7、5 引入参考方向后，电流成为代数量。引入参考方向后，电流成为代数量。a b (a) i 0a b (b) i 0 小结：小结：引入参考方向后，电流引入参考方向后，电流绝对值绝对值 符符 号号大大 小小实践方向实践方向参考方向参考方向实践方向实践方向ii2. 电压电压 Voltage：单位正电荷：单位正电荷 从电路中一点从电路中一点移至另一点时电场力做功的大小。移至另一点时电场力做功的大小。 Alessandro Antonio Volta 伏特伏特 (1745-1827)电压的参考方向电压的参考方向 reference direction人为选定的一个方向。用实线箭头、双下标、正负极号表示。人

8、为选定的一个方向。用实线箭头、双下标、正负极号表示。引入电压的参考方向之后，电压亦成为代数量。不再赘述。引入电压的参考方向之后，电压亦成为代数量。不再赘述。qWUddabab 单位：伏特单位：伏特V (1)电位电位(potential) ：电路中为分析方便，常在电路中选某一：电路中为分析方便，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。点为参考点，把任一点到参考点的电压称为该点的电位。参考点的电位那么为零，所以参考点也称为零电位点。参考点的电位那么为零，所以参考点也称为零电位点。 (2)电动势电动势(electromotive force)：外力抑制电场力把单位正：外力抑

9、制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。动势。补充补充 关联参考方向与非关联参考方向关联参考方向与非关联参考方向 在同一段电路上，其电流和电压的参考方向在同一段电路上，其电流和电压的参考方向 可以选择一样可以选择一样关联参考方向关联参考方向 可以选择相反可以选择相反非关联参考方向非关联参考方向a b (a)关联参考方向关联参考方向 u ia b (b)非关联参考方向非关联参考方向 u i 1-3 电功率和能量电功率和能量1.电功率电功率 (Power ):单位时间内电场力所做的功。单位时间内电场力所做的功。 普通电路

10、中：普通电路中：P=UI直流电路中：直流电路中：James Watt 瓦特瓦特 (17361819)本节引见电路的复合物理量：电功率、电能量。本节引见电路的复合物理量：电功率、电能量。uitqutwp dddd 发出电功率、吸收电功率的断定发出电功率、吸收电功率的断定 由电流、电压实践方向关系判别由电流、电压实践方向关系判别 (a) u, i 实践方向一样实践方向一样电场力做功电场力做功元件元件A 吸收电功率。吸收电功率。 (b) u, i 实实 际方向相反际方向相反外力做功外力做功元件元件A 发出电功率。发出电功率。 A u q A u q 在参考方向之下，电路吸收或发出功率的判别在参考方向

11、之下，电路吸收或发出功率的判别关联参考方向关联参考方向a b u i P = u i 吸收功率吸收功率 Power absorb0，实为吸收，实为吸收 0，实为发出，实为发出 非关联参考方向非关联参考方向a b u i P = u i 发出功率发出功率 Power supply0，实为发出，实为发出 0，实为吸收，实为吸收 a bA u1 2. 电能：功率的积分值电能：功率的积分值2121ttttuidtpdtw)W(22111 iup吸吸收收功功率率：单位：焦耳单位：焦耳JJamesPrescortJoule 焦耳焦耳18181889例例1 ：知图中电流为：知图中电流为2A,方向由方向由a指

12、向指向b实践方向，实践方向，电压电压 u1=1V。求元件。求元件A的功率及其性质。的功率及其性质。 i1解：设电流的编号及参考方向如图解：设电流的编号及参考方向如图 i1=2A例例2：知图中电压：知图中电压 u2= -1V，元件，元件B发出的功率发出的功率 为为4W。 求其电流。求其电流。解：设电流的编号及参考方向如图。解：设电流的编号及参考方向如图。W)4222（发出功率：发出功率： iupa bB u2 i2)A(42 i负号负号代表图中电流的实践方向由代表图中电流的实践方向由b向向a练习练习 功率的计算功率的计算一、计算下面支路的功率、并阐明性质。一、计算下面支路的功率、并阐明性质。A

13、uA iA uA= 1V, iA= -1AB uB iB uB= 1V, iB= 1A元件元件A: u、i为关联参考方向为关联参考方向 吸收功率吸收功率 PA=uAiA= -1W 或：发出功率或：发出功率1W 元件元件B: u、i为非关联参考方向为非关联参考方向发出功率：发出功率：PB=uBiB=1W二、计算下面电路的功率、并验证功率守恒。二、计算下面电路的功率、并验证功率守恒。1232A1A-1A- 6V元件元件2 关联参考方向关联参考方向: 吸收功率吸收功率P2=61 = 6W发出功率发出功率=6W吸收功率吸收功率=6W所以：功率守恒所以：功率守恒或：或：P =P1+P3P2=0所以：功率

14、守恒所以：功率守恒元件元件1、3非关联参考方向非关联参考方向: 发出功率发出功率P1=62= 12WP3=61= 6W 1- 4 电路元件电路元件一、集总参数元件与集总参数电路。一、集总参数元件与集总参数电路。集总参数元件：假定发生的电磁过程都集中在元件内部集总参数元件：假定发生的电磁过程都集中在元件内部进展。在任何时辰，流入二端元件的一个端子的电流进展。在任何时辰，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。压为单值量。集总参数电路：由集总参数元件构成的电路。集总参数电路：由集总参数元件构成的电路。阐明阐

15、明1：集总化条件：即实践电路的尺寸：集总化条件：即实践电路的尺寸d必需远小于必需远小于电路中电磁波的波长电路中电磁波的波长 d0，耗费电能。，耗费电能。 6. 电阻的开路与短路电阻的开路与短路 开路开路/断路：当一个线性电阻元件的端电压不论为何值时，断路：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值流过它的电流恒为零值 。此时：。此时： R=ababiuR= a i b R= u 短路：当流过一个线性电阻元件的电流不论为何值时，它短路：当流过一个线性电阻元件的电流不论为何值时，它端电压恒为零值。此时：端电压恒为零值。此时： R=0 a i b R=0 u R=01- 6 电压源

16、与电流源电压源与电流源一、一、 电压源电压源1 实践电压源：实践电压源： 2电压源的定义：该元件的端电压为给定的时间函数，电压源的定义：该元件的端电压为给定的时间函数，与流过电流的大小、方向无关。与流过电流的大小、方向无关。iuOus(t1)us(t2)b时变电压源时变电压源uS(t)+-iu+-a电压源符号电压源符号iuO us(t)=USc直流电压源直流电压源Ideal voltage source and Ideal current source3电压源的发出功率：电压源的发出功率：uS(t)+ +-iu+-特例：电压源置零时，电压源的作用相当于短路。特例：电压源置零时，电压源的作用相当

17、于短路。 uS(t)=0+ +-iu+-iu=0+-iuuips 二、电流源二、电流源1 实践电流源例如实践电流源例如 2电流源的定义：该元件的电流源的定义：该元件的 输出电流为给定的时输出电流为给定的时间函数，与其端电压的大小、方向无关。间函数，与其端电压的大小、方向无关。iuOis(t1)is(t2)b时变电流源时变电流源iuOis(t)=IS c直流电流源直流电流源a电流源符号电流源符号iS(t)iu+-3 电流源的发出功率电流源的发出功率特例：电流置零时，电流源的作用相当于断路。特例：电流置零时，电流源的作用相当于断路。 iS(t)iu+-iS(t)=0iu+-i=0u+-suiuip

18、 例题：求电路中的电压、电流、例题：求电路中的电压、电流、 各元件的功率。各元件的功率。解：解： 吸收吸收)A(2 i)V(5 u)W(102A uiP)W(105V uiP发出发出思索思索1 1：当电压源电压为：当电压源电压为10V10V，结果如何？，结果如何？思索思索2 2：当电流源电流为：当电流源电流为10A10A，结果如何？，结果如何？1-7 受控电源受控电源 Controlled source 一、一、 定义：用来表征在电子器件中所发生的物理景象的一种定义：用来表征在电子器件中所发生的物理景象的一种模型，它反映了电路中某处的电压或电流控制另一处的电模型，它反映了电路中某处的电压或电流

19、控制另一处的电压或电流的关系。压或电流的关系。 假设受控电源的输出与控制量成正比关系。那么此类假设受控电源的输出与控制量成正比关系。那么此类受控源称为线性受控源受控源称为线性受控源 。二、受控源分类二、受控源分类 ： 电压控电压源电压控电压源 voltage-controlled voltage source voltage-controlled voltage source 电压控电流源电压控电流源 voltage-controlled current source voltage-controlled current source 电流控电流源电流控电流源 current-controll

20、ed current source current-controlled current source 电流控电压源电流控电压源 current-controlled voltage source current-controlled voltage source (2) (2) 电压控制电流源电压控制电流源 ( VCCS ) ( VCCS )(1) (1) 电压控制电压源电压控制电压源 ( VCVS ) ( VCVS ) u u1 1+_u2i2_u1i1+-12 uu : 电压放大倍数电压放大倍数 g: 转移电导转移电导 12gui gu1+_u2i2_u1i1+控控制制部部分分受受控控部

21、部分分(4) (4) 电流控制电压源电流控制电压源 ( CCVS ) ( CCVS )(3) (3) 电流控制电流源电流控制电流源 ( CCCS ) ( CCCS ) : : 电流放大倍数电流放大倍数12ii 12riu r : 转移电阻转移电阻 i1i1+_u2i2_u1=0i1+ri1+_u2i2_u1=0i1+_受控源实例受控源实例晶体三极管的电路模型晶体三极管的电路模型电流控制电流源电流控制电流源 晶体三极管的电路模型晶体三极管的电路模型 如下图晶体三极管电路，基极电流和如下图晶体三极管电路，基极电流和集电极电流满足关系：集电极电流满足关系： bcii 三、三、 受控源的特性受控源的特

22、性 线性受控源中的系数线性受控源中的系数( 、 g、 r )都是常数；都是常数； 受控源是一个元件涉及两条支路，具有明确网络。受控源是一个元件涉及两条支路，具有明确网络。受控支路与控制支路必在同一电路中，且同时存受控支路与控制支路必在同一电路中，且同时存在缺一不可；在缺一不可； 非独立源受控源为能量转换元件非独立源受控源为能量转换元件,不起鼓励作用；不起鼓励作用； 除特例外运用叠加定理时在电路分析中，受控源除特例外运用叠加定理时在电路分析中，受控源一概视为独立源处置。一概视为独立源处置。 受控源的输出由控制量来决议；受控源的输出由控制量来决议；例题：图示电路，求电压例题：图示电路，求电压u2u

23、2。 解：解：b=7一、一、 电路构造电路构造1- 8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 Kirchhoffs law3 3电路构造例如电路构造例如4 42 26 61 15 57 7 支路支路(branch): 每个二每个二 端元件称为一条支路端元件称为一条支路 。2. 结点结点(node):支路的联支路的联接点。接点。 n=53.3.途径途径(path):(path):恣意两结点之恣意两结点之间，由不同的支路和不同间，由不同的支路和不同的结点的结点 不含起始结点不含起始结点 依依次联接成的一条通路。次联接成的一条通路。如到的途径有：、；如到的途径有：、； 、 结点序列结点序列4.回路回路(loop

24、)：闭合的途径。：闭合的途径。 5.5.网孔网孔(mesh)(mesh)：回路内部不：回路内部不包含任何支路。包含任何支路。l1l2l3l4如回路：如回路：l1l4如回路：如回路：l1、l3、l4同时也为网孔。同时也为网孔。 平面电路平面电路: : 将电路画在平面上，除结点之外，各支路将电路画在平面上，除结点之外，各支路都不相交。都不相交。 否那么称为非平面电路。否那么称为非平面电路。 3 3电路构造例如电路构造例如4 42 26 61 15 57 7二、基尔霍夫电流定律二、基尔霍夫电流定律 Kirchhoffs current law 在集总参数电路中，任一时辰流出任一结点的支路电在集总参数

25、电路中，任一时辰流出任一结点的支路电流代数和恒等于零，即：流代数和恒等于零，即： 0i流出结点时，流出结点时， i 前面取前面取“号号; 流入结点时，流入结点时， i前面取前面取“号。号。 规定：规定： i 的符号的符号物理意义：电荷守恒。物理意义：电荷守恒。 Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)，基尔霍夫，基尔霍夫/克西霍夫克西霍夫KCL的第二种表述：的第二种表述： 在集总参数电路中，任一时辰流出任一闭合边境在集总参数电路中，任一时辰流出任一闭合边境 S 的的支路电流代数和等于零。支路电流代数和等于零。 1根本表述方式根本表述方式: 对结点列写对结点列写结点

26、结点 ：i1+i2+i3=0结点结点 ：i6 - i2 - i5=0结点结点 ：- i6 - i4+i7=02扩展表述方式：对闭合边境扩展表述方式：对闭合边境S列写列写 S- i2 - i4 - i5 + i7 =0- i2 - i4 - i5 + i7 =0(将结点将结点2、3的电流方程相加即得的电流方程相加即得3 3电路构造例如电路构造例如4 42 26 61 15 57 7i3i2i1i4i5i7i6 在集总参数电路中，任一时辰，流出任一结点在集总参数电路中，任一时辰，流出任一结点(或闭合或闭合边境边境)电流的之和等于流入该结点电流的之和。电流的之和等于流入该结点电流的之和。 即：即：i

27、出出=i入入KCL的第三种表述的第三种表述 结点结点 ：i5=i1 +i7 闭合边境闭合边境S： i7 = i2 +i4 +i5 S3 3电路构造例如电路构造例如4 42 26 61 15 57 7i3i2i1i4i5i7i6 在集总参数电路中，任一时辰沿任一回路各支路电压在集总参数电路中，任一时辰沿任一回路各支路电压的代数和等于零，即的代数和等于零，即 ：三、基尔霍夫电压定律三、基尔霍夫电压定律 Kirchhoffs Voltage Law 0uu的参考方向与回路方向一样时，取的参考方向与回路方向一样时，取“+号，号，u的参考方向与回路方向相反时，取的参考方向与回路方向相反时，取“-号，号， 规定规定: u的符号的符号 物理意义：电压的单值性物理意义：电压的单值性回路回路l1： u2-u5-u1=0回路回路l2: u3+u4+u7+u5-u2= 0 集总参数电路中，集总参数电路中，恣意两点之间的电压恣意两点之间的电压具有确定值，与途径具有确定值，与途径无关。无关。上两式可改写为：上两式可改写为：u2=u1+u5u2 =u3+u4+u7+u5 l2l1u7+-3 34 42 26 61 15 57 7u3u2u1u4u5u6+-+-广义回路的广义回路的KVL (扩展的基尔霍夫电压定律扩展的基尔霍夫电压定律SabUUUU21或：abU012UUUUSabaUsb_-