《电工电子技术基础及应用实践》课件 第1章 电路基础

《电工电子技术及应用实践》

第一章电路基础本章内容§1电路的组成与作用§2电路模型§3欧姆定律§4基尔霍夫定律§5电路中电位的概念及计算§1电路的组成与作用1、电路

为了实现某种功能，将电气元件或设备按某种方式连接起来，构成电流流通的路径。以电路电气器件的实际尺寸(d)和工作信号的波长(λ)为标准划分，实际电路又可分为集总参数电路和分布参数电路。

（1）集总参数电路满足d<<λ。其特点是电路中任意两个端点间的电压和流入任一器件端钮的电流完全确定，与器件的几何尺寸和空间位置无关。

（2）分布参数电路不满足d<<λ。其特点是电路中的电压和电流是时间的函数而且与器件的几何尺寸和空间位置有关。高频传输线组成的电路是分布参数电路的典型例子。§1电路的组成与作用2、电路的组成

（1）电源

电源是提供电能的设备。电源的功能是把非电能转变成电能。例如，电池是把化学能转变成电能；发电机是把机械能转变成电能。由于非电能的种类很多，转变成电能的方式也很多。电源分为电压源与电流源两种。

（2）负载

负载是电路中使用电能的各种设备。负载的功能是把电能转变为其他形式能。例如，电炉把电能转变为热能；电动机把电能转变为机械能，等等。通常使用的照明器具、家用电器、机床等都可称为负载。

（3）中间环节

中间环节把电源、负载和其他辅助设备连接成一个闭合回路，起传输和分配电能或对电信号进行传递和处理的作用。§1电路的组成与作用3、电路的作用

（1）传输和转换电能。

我们通常见到的电路是通过导线把电源和用电设备连接起来所构成的系统。从能力传输的角度分析，导线起到传输电能的作用；从能量转化关系来看,电源的作用是把我们不便于直接利用的其他形式的能量(如化学能、机械能等)转化为电能,而用电设备则把电能转化为我们能直接利用的其他形式的能量。

电力系统输电线路是联系发电厂、变电所与用电设备的一种传送电能的装置，如图1-1所示。

图1-1电力系统传输线路§1电路的组成与作用3、电路的作用

（2）传递和处理信号。

例如，电话机的工作原理是通过声能与电能相互转换、并利用“电”这个媒介来传输语言。两个用户要进行通信，最简单的形式就是将两部电话机用一对线路连接起来。当发话者拿起电话机对着送话器讲话时，声带的振动激励空气振动，形成声波。声波作用于送话器上，使之产生电流，称为话音电流。话音电流沿着线路传送到对方电话机的受话器内。而受话器作用与送话器刚好相反--把电流转化为声波，通过空气传至人的耳朵中。

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电路模型

实际电路是由各种电气元件和设备组成，如发电机、变压器、电动机、电阻器、电容器、电感器、晶体管等，其电路的形式和种类是多样的，且有些元器件电磁性质较为复杂，为了找出它们的共同规律，便于我们对实际电路进行分析和数学描述，将实际电气元件理想化，即将实际电气元件用表征其主要物理性质的理想元件来代替，这种由理想元件组成的电路，就是实际电路的电路模型。

所以电路模型是实际电路的抽象，由一些理想电路元件用理想导线连接而成，并能够近似地反映实际电路的电气特性。

为了便于分析和计算实际电路，在一定条件下常常忽略实际电气元件的次要因素而突出其主要电磁性质，把它抽象为理想电路元件。理想电路元件是用数学关系式严格定义的假想元件。每一种理想元件都可以表示实际电气元件所具有的一种主要电磁性能。理想电路元件的数学关系反映实际电路元件的基本物理规律。

常见的理想电路元件由电阻、电感、电容、理想电压源、理想电流源。

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电路模型

（1）电阻R

表征电路中消耗电能的元件。

电阻两端电压与电流关系：

（U表示电压，I表示电流）。

电阻消耗有功功率：

（P为功率）。

（2）电感L

表征电路中储存磁场能的元件。

理想电感元件在直流电路并且达到稳态的情况下相当于短路。

电感储存能量

（I表示电流）。

（3）电容C

表征电路中储存电场能的元件。

电容在直流电路并且达到稳态的情况下相当于开路。

电容储存能量

（U表示电压）。

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电路模型（4）理想电压源

理想电压源：如果一个二端元件的电流无论为何值，其电压保持常量或按给定的时间函数变化，则此二端元件称为理想电压源，简称为电压源，其模型如图1-4所示。

为直流电源，其伏安特性为平行于电流轴的直线，如图1-5所示，反映电压与电源中的电流无关。

图1-4理想电压源模型

图1-5理想电压源伏安特性曲线

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电路模型理想电压源的特点：电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；通过它的电流由外电路决定。理想电压源不允许短路（此时电路模型不再存在）。实际电压源：可以用一个理想电压源和内阻相串联的模型来表示，如图1-6中的虚线框内所示，其端电压随电流的变化而变化，伏安关系：，如图1-7所示。图1-6实际电压源模型图1-7实际电压源伏安特性曲线

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电路模型（5）理想电流源

理想电流源：如果一个二端元件的电压无论为何值，其电流保持常量或按给定时间函数变化，则此二端元件称为理想电流源，简称电流源，其模型如图1-8所示。理想电流源伏安关系特性曲线如图1-9所示。

图1-8理想电流源模型

图1-9理想电流源伏安特性曲线

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电路模型（5）理想电流源理想电流源的特点：

其电流由其特性确定，与电流源在电路中的位置无关；

理想电流源的电压则与其连接的外电路有关，由其电流和外电路共同确定；

直流等效电阻无穷大；交流等效电阻无穷大。

理想电流源不允许开路（此时电路模型不再存在）。

实际电流源：

实际电流源可用一个理想电流源与内电阻相并联的电路模型来表示。图1-10所示的虚线框内所示为一实际电流源的电路模型。实际电流源伏安特性：

，如图1-11所示。

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电路模型图1-10实际电流源模型图1-11实际电流源伏安特性曲线§2

电路模型（6）受控电压源、电流源理想电压源的端电压和理想电流源的电流都是由电源本身决定的，与电源以外的其他电路无关。而受控电源是非独立电源，受控电源的输出电压或电流受到电路中某部分的电压或电流的控制。受控源是由电子元件抽象而来的一种模型。例如：晶体管具有输入端的电压（电流）能控制输出端的电压或电流的特点。受控源是一种具有四个端子的元件，有两个控制端钮（又称输入端），两个受控端钮（又称输出端）。受控源可分为如下四种：电压控制电压源（voltagecontrolledvoltagesource，简称VCVS）、电压控制电流源（voltagecontrolledcurrentsource，简称VCCS）、电流控制电压源（currentcontrolledvoltagesource，简称CCVS）和电流控制电流源（currentcontrolledcurrentsource，简称CCCS）。电压控制的电压源(VCVS)，模型如1-12所示，，为电压放大倍数。§2

电路模型（6）受控电压源、电流源图1-12VCVS模型

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电路模型（6）受控电压源、电流源电流控制的电压源(CCVS)，模型如1-13所示，，为转移电阻。图1-13CCVS模型

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电路模型（6）受控电压源、电流源电压控制的电流源(VCCS)，模型如1-14所示，，为转移电导。图1-14VCCS模型

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电路模型（6）受控电压源、电流源电流控制的电流源(CCCS)，模型如图1-15所示，，为电流放大倍数。图1-15CCCS模型

§3欧姆定律

电压与电流的参考方向设定为关联的方向，。电流的参考方向在复杂直流电路中，某一段电路里的电流真实方向很难预先确定；在交流电路中，电流的大小和方向都是随时间变化的。这时，为了分析和计算电路的需要，引入了电流参考方向的概念，参考方向又叫假定正方向，简称正方向。在一段电路里，电流可能有两种真实方向，任意选择一个方向作为参考方向（即假定正方向）。当实际的电流方向与假定的正方向相同时，电流是正值；当实际的电流方向与假定正方向相反时，电流就是负值，如图1-16所示。

§3欧姆定律

电压与电流的参考方向设定为关联的方向，。电压的参考方向在电路中，如果指定流过元件的电流参考方向是从标以电压的正极性一端指向负极性的一端，即两者的参考方向一致，则把电流和电压的这种参考方向称为关联参考方向，如图1-17所示。

§4基尔霍夫定律

在电路理论中，电路中的电压、电流除了要满足元件本身的伏安关系外，还同时必须满足电路结构加给各元件的电压和电流约束关系，即结构约束或扩扑约束。结构约束体现为适用于回路的基尔霍夫电压定律和适用于节点的基尔霍夫电流定律。1、基尔霍夫电流定律（KCL）

基尔霍夫电流定律又称基尔霍夫第一定律，简记为KCL，是电流的连续性在集总参数电路上的体现，其物理背景是电荷守恒公理。所有进入某节点的电流的总和等于所有离开这节点的电流的总和。或者描述为：假设进入某节点的电流为正值，离开这节点的电流为负值，则所有涉及这节点的电流的代数和等于零。KCL定律不仅适用于电路中的节点，还可以推广应用于电路中的任一不包含电源的假设的封闭面。即在任一瞬间，通过电路中任一不包含电源的假设封闭面的电流代数和为零。§4基尔霍夫定律

例1：电路如图1-19所示，根据已知支路电流求出其他未知支路电流。解：对于结点（1）应用KCL可得对于结点（2）对于结点（3）对于结点（4）对于结点（5），流入闭合面的电流代数和恒等于零§4基尔霍夫定律

在电路理论中，电路中的电压、电流除了要满足元件本身的伏安关系外，还同时必须满足电路结构加给各元件的电压和电流约束关系，即结构约束或扩扑约束。结构约束体现为适用于回路的基尔霍夫电压定律和适用于节点的基尔霍夫电流定律。2