电路分析和综合实践

1、电路分析和综合实践课程类型：必修，专业必修课学分：5学时：80（大班理论讲授50学时，小班讨论14学时，实验16学时）先修课程：高等数学、大学物理使用教材：电路邱关源高教出版社(第5版)参考书：电路分析基础李翰逊高教出版社 电路原理周守昌高教出版社教学要求与内容1、授课内容 第一、二、三章全部第四章第1-4节第六章全部第七章第1-5节第八、九章全部第十章第1、5节第十一章第1、2节2、理论课时分配：共64学时 内容讲课时数内容讲课时数第一章6+2第七章6+2第二章4第八章4+2第三章4+2第九章10+4第四章4+2第十章2第六章2第十一章2总复习24、要求（1）出勤：不定期抽查点名、记录，占1

2、0% 。 注：缺课(旷课、病事假) 超过1/3学时的，期末不允许考试!（2）实验：共4次，占20%。要求每次都要参加，还要完成实验报告。（3）讨论：共7次，占10%。每位同学必须汇报一次。（4）作业：定期批改，占10%。 3、考核形式 平时（出勤、实验、讨论、作业）占50% 期末考试占 50% 第一章 电路模型和电路定律本章主要内容：电路和电路模型电流和电压的参考方向电功率和能量电路元件：电阻、独立源和受控源电路的基本定律基尔霍夫定律基本要求牢固掌握理想元件、电路模型、参考方向及关联参考方向等概念。 深刻理解电压、电流、功率等物理量的意义和各量之间的关系。 牢固掌握和熟练应用元件(电阻、电压源

3、、电流源和受控源)的伏安关系和基尔霍夫电压定律及电流定律。 树立用电路基本定律分析电路的观念。 作用：提供能量、传送和处理信号、 测量电路、存储信息1-1 电路和电路模型1电路实际电路( 电流的通路） 定义：由电路部件或器件相互联结而成的电流通路。 电源提供能量的部件，又称激励 由激励在电路中产生的电压和电流称为响应 负载消耗能量的部件 中间环节连接电源与负载 在一定条件下，能足够准确地反映实际电路及其部件的主要电磁性能的抽象模型。l电阻元件R电路中能量损耗的电路参数l电容元件C电路中储存电场能量的电路参数l电感元件L电路中储存磁场能量的电路参数 2电路模型（电路、网络）上述元件是人为引入元件

4、抽象元件（电路元件），抽象元件构成的电路是电路模型。研究模型是一种工程观点。1-2 电流和电压的参考方向一、电流和电压的基本知识（一）电流（电流强度）1、定义：单位时间内通过导体横截面的电量。 用符号i表示，即 i(t)=dq/dt2、分类：(1) 直流（DC）：电流的大小和方向不随时间变化。 I=q/t (2) 交流（AC）：电流的大小和方向随时间变化。3、单位：安培（安），符号A（二）电压1、定义：单位正电荷由a点转移到b点所获得或失去的能量。也称电位差。 用 u表示, 即 u(t)=dw/dq2 、单位：伏特（伏），符号V。3、 分类：(1)直流电压：电压的大小和极性都不随时间变化。用U

5、表示。(2)交流电压：电压的大小和极性随时间变化。例、已知：4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力做功8J，由b点移动到c点电场力做功为12J，（1）若以b点为参考点，求a、b、c点的电位和电压Uab、U bc;（2）若以c点为参考点，再求以上各值。解：(1)acbacb(2)结论电路中电位参考点可任意选择；参考点一经选定，电路中各点的电位值就唯一确定；当选择不同的电位参考点时，电路中各点电位值将改变，但任意两点间电压保持不变。4、电流的正负仅对参考方向有意义。参考方向的假设是任意的，但一经假定就不得更改。abIR参考方向二、电流的参考方向（电流的正方向）1 、电流的实际方向正电荷在电场力作用下

6、的运动方向2、 参考方向人为规定的电流方向，用箭头或双下标表示，为代数量。3、与实际方向的关系：如果电流的实际方向与参考方向一致，电流为正值；否则，为负值。U = 5V+三、电压的参考方向1、电压的实际方向高电位指向低电位2、参考方向人为规定的电压方向，用正负号或双下标表示，为代数量。4、参考方向的假设是任意的，但一经假定就不得更改。不加声明的方向都是参考方向。3、与实际方向的关系：如果电压的实际方向与参考方向一致，电压为正值；否则，为负值。四、电流与电压关联参考方向 （一致参考方向）1、关联参考方向（一致参考方向）：电流从电压高电位端流向低电位端（电压降方向）。2、非关联参考方向（相反参考方

7、向）：电流从电压低电位端流向高电位端（电压升方向）。+1、电流与电压为关联参考方向时p(t) = u(t) i(t)2、电流与电压为非关联参考方向时p(t) = - u(t) i(t)1-3 电功率和能量一、电功率 p(t)=dW/dt二、能量在 t0 到 t 的时间内，元件吸收的能量为当 p(t)为正时，元件实际吸收功率（能量），将电能转换为其它能量，负载作用。当 p(t)为负时，元件实际发出功率（能量） ，将其它能量转换为电能，电源作用。三、功率的正负例1、已知电路如图(a) 、 (b)所示 ，I=2A，求P。(1) 图(a)中：I与U是关联参考方向I+(a)+I(b)解：P = UI =

8、 12 = 2WP 0，表示元件吸收功率（能量），是负载(2) 图(b)中：I与U是非关联参考方向P = -UI = -(-1)2 = 2WP 0，表示元件吸收功率（能量），是负载例2、已知如图所示电路，产生功率为4W，求I。+I注意：功率公式中有两套“正负”号。解：I与U是非关联参考方向一个是由电压、电流的参考方向决定的（选公式） ， 另一个电压、电流的实际方向决定的（代数值）。例3、已知：U1 = 1V, U2 = -3V，U3 = 8V, U4= -4V,U5 = 7V, U6 = -3V，I1 = 2A, I2 = 1A, I3 = -1A。求（1）电路中各元件吸收的功率。（2）电路总

9、的吸收功率。564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1解:对一完整的电路，满足：发出的功率吸收的功率14 电路元件集总（参数）电路： 一个器件可以用一个模型来描述,也可以用多个模型来描述。 同一器件在不同工作环境、条件下，模型不同。 今后讨论的电路,都是电路模型,一般是集总参数电路 。(1)条件：电路辐射、电磁能量损耗可以忽略不计。(2)判断：电路的几何尺寸远小于电路工作频率对应的波长。电路元件是电路中最基本的组成单元。一个二端元件，如其端电压u和端电流i之间的关系可用代数方程 f (u, i)0 表示，该二端元件称为电阻元件。如f (u, i) 0是线性代数方程，则该二端元件为线性电

10、阻元件。 如f (u, i) 0是非线性代数方程，则该二端元件为非线性电阻元件。 15 电阻元件 线性电阻元件u(t) = R i(t) i(t) = G u(t) R 欧姆（）G 西门子（S）满足欧姆定律电导注意：电流与电压为关联参考方向。伏安关系（ VAR ）（元件特性）：非时变电阻元件时变电阻元件注意：对线性非时变电阻元件R为常数，G也为常数 。R=0，R ，短路；开路。u(t) Ri(t) i(t) = Gu(t) 线性电阻元件吸收的功率关联参考方向时 p(t) u(t)i(t)非关联参考方向时 p(t)-u(t)i(t)电流与电压为非关联参考方向无论参考方向如何线性电阻元件吸收的能量

11、p(t) Ri2(t) = u2(t)/R实际电阻器元件模型：+-usus为电压源的电压，“+”、“-”为参考极性Us16 电压源和电流源一、电压源1、定义：是一个理想的二端元件，元件两端的电压与通过它的电流无关，电压总保持为某给定的时间函数。电压源和电流源都是独立源如果是直流电压源，元件模型如下：2、性质（特点）l该元件电压不随电流大小变化，在u-i平面上为一条直线l电压为时变时，平面上直线平移l us(t)=0 相当于短路l元件电流由电源与外电路共同决定 3、伏安特性曲线uUSi表明端电压与电流大小无关。二、电流源l该元件电流不随电压大小变化，在u-i平面上为一条直线l 电流为时变时，平面

12、上直线平移l is(t)=0 相当于开路l 元件电压由电源与外电路共同决定 1、定义：是一个理想的二端元件，通过元件的电流与它两端的电压无关，电流总保持为某给定的时间函数。2、性质（特点）4、伏安特性曲线uISi表明通过的电流与端电压大小无关。3、元件模型箭头表示电流的参考方向is表示电流的大小注意：1、电压源不允许短路，电流源不允许开路。2、端电压不等的电压源，不允许并联； 电流不等的电流源，不允许串联。is、IS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，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V，用固体化学材料，化学反应不可

13、逆。 氢氧燃料电池示意图2. 燃料电池（化学电源） 电池电动势。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。 3. 太阳能电池（光能电源） 一块太阳能电池电动势。太阳光照射到P-N结上，形成一个从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。 一个50cm2太阳能电池的电动势0.6V,电流。太阳能电池板 太阳能电池示意图蓄电池示意图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。电压控电压源 VCVS电压控电流源 VCCSu2 = u1i2 = gm u117

14、受控源非独立源，其电压（或电流）受同一电路中另一支路电压或电流控制。电流控电流源 CCCS电流控电压源 CCVS i2 = i1u2 = rm i1系数 、 gm、 rm 为常数时，为线性受控源；否则，称为非线性受控源。 例、求i解:-+-说明：l 线性受控源中的系数( 、 gm、 rm )都是常数l 受控源是一个元件涉及两条支路l受控源可以吸收功率，也可以发出功率l控制变量为零时，受控量无条件为零l非独立源（受控源为能量转换元件） 具有明确网络（受控支路与控制支路必在同一电路中，且同时存在，缺一不可）即：基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律电路中所有元件的电流和电压自应遵循的，由元件相互联接关

15、系所规定的约束关系。 18 基尔霍夫定律电路中所有元件的电流和电压受到两类约束：1、元件特性约束由元件特性决定的，为元件的组成关系，即电压电流关系（伏安关系VCR、 VAR ）。2、拓扑约束（几何约束）电路术语 :支路：在集总参数电路中，每个二端元件构成一个支路。b节点：每条支路的端点。两条或两条以上支路接于一点时，此连接点只算做一个节点。 n回路：任一闭合路径。网孔(独立回路)：内部不包含任何支路的回路。m或：流经同一电流的路径。或：三条以上之路汇聚点。例：b=7n=3m=5b、n、m = ?6、4、3abcdi1i2i3i4 i5i6KCL：对于集中参数电路中的任何一个节点而言，在任一瞬时

16、，流入与流出此节点的电流之代数和恒等于0。 使用条件集中参数电路任意瞬时必须是同一时刻任何一个节点 流入、流出参考方向 代数和 有正有负，假设流出为正，流入为负 基尔霍夫电流定律，缩写为KCLl电路中可列的KCL方程不是全部独立的，独立方程数为节点数减一。l该定律与所接支路中元件无关l数学形式：i(t)=0lKCL不仅可用于任意节点，而且可以推广到任意闭合曲面中广义节点节点1：节点2：节点3：节点4：广义节点：假想的闭合面包围着的节点和支路的集合。 KCL是电流连续性原理在集中参数电路中的表现形式。 KCL与元件的性质无关。 i1 =3A i2 =-2Ai3 =？强调：（3）列KCL方程与支路

17、中元件的性质无关，只与电路的几何形状有关，称为几何约束。（2） KCL方程有两套正负号（公式、电流本身）。（1）列KCL方程时，应先设定各支路电流的参考方向。例：KVL：在集中参数电路的任何一个回路中，任一瞬时，沿着任意选定的回路绕行方向，各支路电压的代数和恒等于零。 使用条件集中参数电路 任意瞬时必须是同一时刻 回路绕行方向支路电压参考方向（电压降方向）与回路绕行方向一致时取正，反之取负。 基尔霍夫电压定律 ，缩写为KVLl 该定律与所接元件性质无关 回路1 ： 回路2 ： 回路3 ：强调： （1）列KVL，应先设定回路中各支路电压的参考方向及回路绕行方向。（2）注意方程中有两套正负号。（参

18、考方向与绕行方向一致性，电压本身的符号。） （3）KVL方程与元件性质无关 (几何约束） 。（4）电路中任意两点间电压与计算路径无关。（5）电路中可列的KVL方程不是全部独立的，独立KVL方程数为b-(n-1)。 b为支路数，n为节点数。例、求节点到节点的电压和各节点的电位。 电压大小与计算路径无关。 （广义回路）计算各节点的电位时，要先选择一个电位参考点，即零电位点。 (1)如以节点作为电位参考点v = u =20 Vv = u = u + u =（2+20）V =18 V v = u =12 V v = u =24 V 即v=0 V(2) 如以节点作为电位参考点v = u = 2 V v = u = u + u = （62）V = 8 V v = u = 20 V v = u = u + u =（ 62）V = 4 V 各点电位将随所选择的电位参考点的不同而改变，但任意两点间的电压(即电位差