《电路分析基 础》课件-西电第1章电路的基本元件及定律

1.3.1电阻元件1.1电路和电路模型1.2电路分析基本物理量

电流、电压和功率1.3电路分析基本元件第1章电路的元件及电路定律

1.3.2电容元件

1.3.3电感元件

1.4.1独立电源

1.4电源

1.4.2受控源

1.5基尔霍夫定律1.6计算机辅助电路分析

1.7应用举例

电路分析基础【难点】【知识点及重点】1.电路模型，称为集总参数元件电路。2.电路的基本变量：电流、电压和功率。

参考方向及关联参考方向；元件提供还是消耗功率。3.电路中的理想元件有电阻、电容、电感。

熟练掌握理想元件的伏安关系。4.电压源、电流源和受控源的分类及特性。5.

熟练掌握基尔霍夫定律。KCL及KVL定律。1、电流、电压的参考方向与实际方向的差别。2、独立电源与受控电源的联系与区别。3、基尔霍夫定律扩展及应用。第1章电路的元件及电路定律

电路----是电子元器件按一定方式连接构成的电流通路1131.1电路和电路模型1.1.1电路的分类和组成下一页上一页电路分析基础第1章电路的元件及电路定律功能a

能量的传输、分配与转换；b信息的传递与处理。下一页上一页发电机升压变压器降压变压器电动机、电炉等输电线话筒放大电路扬声器1.电路的分类第1章电路的元件及电路定律1.1电路和电路模型1.1.1电路的分类和组成下一页上一页导线电池开关灯泡2.电路的组成电源：将非电形态的能量转化为电能的供电设备。负载：将电能转化为非电形态的能量的用电设备。连结导线：沟通电路、输送电能。开关：是控制元件，控制电路的接通与断开。第1章电路的元件及电路定律1.1.1

电路的分类和组成

1.1电路和电路模型

反映实际电路部件的主要电磁性质的理想电路元件及其组合。1.1.2.电路模型

(circuitmodel)导线电池开关灯泡电路图理想电路元件有某种确定的电磁性能的理想元件电路模型返回下一页上一页

1.1电路和电路模型

电路分析的任务是对给定的电路确定其电性能，而电路的电性能通常可以通过一组物理量来描述，常计算电路中的最基本物理量：电流、电压和功率。下一页上一页电路分析基础

大小、方向不随时间而变化的电流、电压称为称恒定直流量(DC)，一般用大写字母、表示，。

方向随时间变化的电流、电压称交流量(简写作AC)，其瞬时值分别用小写字母、表示，。第1章电路的元件及电路定律1.2电路的基本物理量81.2.1电流I带电粒子的定向运动形成电流，一般把单位时间内通过导体横截面的电量定义为电流(electriccurrent)，用符号或表示。电流的实际方向：规定为正电荷运动的方向。

EUS

＋－＋－＋－UL

＋8下一页上一页

单位1kA=103A1mA=10-3A1

A=10-6A1.2电路的基本物理量参考方向i

参考方向大小方向(正负）电流(代数量)预先假设的电流方向ABi

参考方向i

参考方向i>0i<0实际方向实际方向电流的参考方向与实际方向的关系：AABB99下一页上一页1.2.1电流1.2电路的基本物理量电流参考方向的两种表示：

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指向B。iABiABAB下一页上一页1.2.1电流1.2电路的基本物理量

单位：V(伏)、kV、mV、V

电压的定义

电压(voltage)，是电场力将单位正电荷由某点移到另一点时所做的功。用符号或表示下一页上一页电位的定义

电位(potential)是指某点到参考点（零电位点）的电压

图1.5电路与简化电路

通常大地被认为是零电位，电气设备外壳、电子线路的公共点等都需接地，接地符号为“”。1.2.2电压与电位1.2电路的基本物理量2.电压的参考方向U>0参考方向U+–+实际方向+实际方向参考方向U+–

<0U假设的电压降低之方向下一页上一页ABAB1.2.2电压与电位1.2电路的基本物理量电压参考方向的三种表示方式：(1)用箭头表示(2)用正负极性表示(3)用双下标表示UU+ABUAB1.2.2电压与电位1.2电路的基本物理量

关联参考方向(associatedreferencedirection)：如果指定流过元件电流的参考方向是从标以电压“+”极流向“-”极性的一端，即两者的参考方向一致，称电压、电流的这种参考方向为关联参考方向；否则称为非关联参考方向。关联参考方向非关联参考方向3.关联参考方向i+-+-iUUABAB1.2.2电压与电位1.2电路的基本物理量1.功率的定义功率的单位：W(瓦)(Watt，瓦特)电功率是电流在单位时间内做的功。下一页上一页电器上常常标注的功率是额定功率，为该电器工作时需要消耗的电功率，该电器工作时不能低于或高于额定功率，否则，用电器不能正常工作，甚至发生灾害事故。额定功率也给用户设计布线的线径、开关、保险的容量提供计算依据。1.2.3功率1.2电路的基本物理量2.功率的计算

u,i

取关联参考方向P=ui

表示元件吸收的功率P>0

消耗功率，起着负载作用。P<0

提供功率，起着电源作用。p=-ui

P>0

？？功率

P<0

？？功率

u,i

取非关联参考方向+-iu+-iu下一页上一页1.2.3功率1.2电路的基本物理量[例1.1]电路如图1.8所示，方框代表电源或电阻，各电压、电流的参考方向均已设定。已知试（1）判断各元件电压、电流的参考方向是否为关联参考方向？171717下一页上一页（2）计算各元件消耗或向外提供的功率，判断哪个元件起电源作用？并验证是否满足功率守恒。图1.81.2电路的基本物理量图1.8[例1.1][解]

（1）从图1.8可知，元件1、4的电压、电流参考方向为非关联参考方向，元件2、3的电压、电流为关联参考方向。

元件1(提供功率，电源)1818下一页上一页（2）计算各元件的功率元件2(消耗功率，负载)元件3(消耗功率，负载)

元件4(消耗功率，负载)功率的和

满足功率守恒。++1.2电路的基本物理量1.3电路分析的基本元件电路元件分类从能量特性方面可分{无源元件：w(t)>0有源元件：w(t)<0

从外部端钮数量可分{二端元件：具有两个引出端多端元件：具有两个以上引出端本节将介绍理想电阻、理想电容、理想电感。需掌握元件的电压电流关系，也称为伏安特性或伏安关系(VoltageCurrentRelation，VCR或VAR)。下一页上一页下一节上一节第1章电路的元件及电路定律

电路分析基础下一页上一页1.电阻元件伏安关系

理想电阻的伏安关系(VoltageCurrentRelation，VCR或称VAR)，在任意时刻都是通过平面坐标原点的一条直线。1.3.1电阻元件

电阻如具有如图1.9(b)所示的伏安关系，则称该电阻为线性时不变电阻元件，用R表示。单位为欧姆，简称“欧”，符号为Ω。图1.9(b)图1.9(a)

第1章1.3电路分析的基本元件

21下一页上一页线性电阻的电压电流关系满足欧姆定律

(u和i为关联参考方向)

(u和i为非关联参考方向)

电导(G)：电阻的倒数定义为电导(conductance)单位：S（西门子）1.3.1电阻元件

第1章1.3电路分析的基本元件

22下一页上一页1.3.1电阻元件

第1章1.3电路分析的基本元件

下一页上一页额定值（ratedvalue）

就是为了保证安全，制造厂家所给出的电压、电流或功率的限制数值。例如，一只灯泡上标明220V，40W。

电气设备额定值通常在铭牌上标出，也可以在产品目录中找到，使用时必须遵守规定。2.电阻元件的功率1.3.1电阻元件

第1章1.3电路分析的基本元件

例1.2求一只额定功率为100W、额定电压为220V的灯泡的额定电流及电阻值。若每天使用4小时，每月（30天）用电多少？

解

在实际设计装配电路时，不但应按所需电阻值大小来选电阻，还应根据电阻在电路中所消耗的功率选择电阻型号。下一页上一页1.3.1电阻元件

第1章1.3电路分析的基本元件

25下一页上一页

电容器是用来表征电路中电场能储存性质的理想元件。理想线性电容元件的特性是它所储存电荷q同它的端电压u成正比C为电容元件的参数，简称电容(capacitance)。单位F（法拉）1.电容元件伏安关系设u和q为关联参考方向1.3.2电容元件

第1章1.3电路分析的基本元件

26下一页上一页1.3.2电容元件

第1章1.3电路分析的基本元件

对线性电容，得若u和i为非关联参考方向，则27下一页上一页1.电容元件伏安关系1.3.2电容元件

第1章1.3电路分析的基本元件

+=+电容电压与电流的“全部历史”有关，具有“记忆”电流的作用下一页上一页2.电容元件的作用和性质电容有隔断直流的作用

为零，虽有电压，但电流为零。如果电容两端加直流电压1.3.2电容元件

第1章1.3电路分析的基本元件

电容电压具有连续性质和记忆性质。下一页上一页2.电容元件的作用和性质电容电压不能跃变

电容电压具有两个重要性质1.3.2电容元件

第1章1.3电路分析的基本元件

若电容电压、电流为关联参考方向，则任一瞬间电容吸收的瞬时功率为电容功率的特点：电容有时吸收功率（）充电状态，有时却又放出功率（），放电状态。电容储能与该时刻电压的平方成正比，为非负值，说明电容是一种储能元件，电容的储能是电容电压具有记忆的本质。3.电容元件的功率和储能30下一页上一页1.3.2电容元件

第1章1.3电路分析的基本元件

下一页上一页电感器是用来表征电路中磁场能储存性质的理想元件。L为电感元件的参数，简称电感(capacitance)。单位H（亨利）1.电感元件伏安关系理想电感元件的特性是元件中的磁链

与流过的电流i成正比1.3.3电感元件

第1章1.3电路分析的基本元件

下一页上一页1.3.3电感元件

第1章1.3电路分析的基本元件

根据电磁感应定律

33下一页上一页若u和i为非关联参考方向，则1.电感元件伏安关系1.3.3电感元件

第1章1.3电路分析的基本元件

电感电流与电压的“全部历史”有关，具有“记忆”电压的作用下一页上一页2.电感元件的作用和性质电感对直流起着短路的作用

为零，虽有电流，但电压为零。如果电感两端加直流电流+1.3.3电感元件

第1章1.3电路分析的基本元件

电感电流具有记忆性质和连续性质。下一页上一页2.电感元件的作用和性质电感电流不能跃变

电感电流具有两个重要性质1.3.3电感元件

第1章1.3电路分析的基本元件

36下一页上一页3.电感元件的功率和储能电感功率的特点：电感有时吸收功率（）充电状态，有时却又放出功率（），放电状态。电感是一种储能元件

实际的电感线圈，除标明电感量外，还应标明额定工作电流。电流过大，会使线圈过热或使线圈受到过大电磁力的作用而发生机械变形，甚至烧毁线圈。1.3.3电感元件

第1章1.3电路分析的基本元件

例1.3如图1.12所示，电压u和i的参考方向在图中已经标出，写出各元件u和i的特性方程解（a）下一页上一页（b）（c）

第1章1.3电路分析的基本元件

1.4电源电源分为独立电源和非独立电源（受控源）。从实际电源抽象得到的电路模型{理想电压源理想电流源本节主要介绍电压源、电流源的符号、特性，受控电源的定义、分类和符号。下一页上一页第1章电路的元件及电路定律

电路分析基础若一个二端元件接到任何电路后，该元件两端电压始终保持给定的时间函数或定值，则称该二端元件为理想电压源(亦称独立电压源)，简称为电压源(voltagesource)

电路符号1.理想电压源定义下一页上一页1.4.1电压源第1章1.4电源

1)电压不变外接电阻变化时，电压源上电流变化，但电压不变。2)电流不定其端电压是定值或是一定的时间函数，与流过的电流无关，因此也称为独立电压源。电压源的电压是由它本身决定的，流过它的电流则是任意的，由电压源与外电路共同决定2.理想电压源的特性下一页上一页注意！！电压源不能短路，如果短路会产生大电流，烧毁线路或者电源自身。1.4.1电压源第1章1.4电源若一个二端元件的输出电流总能保持给定的电流，与该元件两端电压无关，则称此二端元件为理想电流源，简称为电流源(currentsource)。

电路符号1.理想电流源定义41下一页上一页1.4.2电流源第1章1.4电源

1)电流不变

2)电压不定电流源发出的电流是定值或一定的时间函数，与两端的电压无关，也称独立电流源。

电流源的端电压是由电流源与外电路共同决定的

理想电流源的特性外接电阻变化时，电流源两端电压变化，但电流不变。42下一页上一页1.4.2电流源第1章1.4电源受控源，也是一种电源，其输出电压或电流受电路中其他地方的电压或电流控制，即依靠其他支路的电流或电压向外电路提供电流或电压的元件。受控源又称为非独立电源。

受控源是一种有源元件，是四端元件。1.受控源定义1.4.3受控源(controlledsourceordependentsource)

43下一页上一页电路符号+–受控电压源受控电流源第1章1.4电源2.受控源的分类（1）电压控制电压源（VCVS)（2）电压控制电流源（VCCS)（3）电流控制电压源（CCVS)（4）电流控制电流源（CCCS)

受控源是一种有源元件，是四端元件，由两条支路组成：其中一条支路是控制支路，另一条是被控制支路。1.4.3受控源(controlledsourceordependentsource)

第1章1.4电源(a)晶体三极管(c)晶体三极管小信号等效电路（b)晶体三极管符号1.4.3

受控源

第1章1.4电源电路中的电压、电流受到两类约束。一类是元件本身的伏安关系约束(如电阻元件的欧姆定律)；另一类是电路结构的约束也称为拓扑约束。下一页上一页第1章电路的元件及电路定律

电路分析基础1.5基尔霍夫定律本节介绍的基尔霍夫定律就是描述电路结构约束的基本定律，包括基尔霍夫电流定律(Kirchhoff’sCurrentLaw，KCL)和基尔霍夫电压定律(Kirchhoff’sVoltageLaw，KVL)。它反映了电路中所有支路电流和电压的约束关系，是分析电路的基本定律。1.5.1电路图的几个名词电路中通过同一电流的分支。(b)三条或三条以上支路的连接点称为节点。(n)b=3an=2b+_R1uS1+_uS2R2R31.支路(branch)电路中每一个两端元件就叫一条支路i3i2i12.节点

(node)b=5下一页上一页第1章1.5基尔霍夫定律

由支路组成的闭合路径。(l

)两节点间的一条通路。由支路构成。对平面电路，其内部不含任何支路的回路称网孔。l=3+_R1uS1+_uS2R2R31233.路径(path)4.回路(loop))5.网孔(mesh)网孔是回路，但回路不一定是网孔。m=2下一页上一页1.5.1电路图的几个名词第1章1.5基尔霍夫定律

1.5.2基尔霍夫电流定律(KCL)令流出为“+”，有：例

在集总参数电路中，在任一时刻，任一节点上，流出(或流入)该节点的所有支路的电流的代数和为零。流进的电流之和等于流出的电流之和下一页上一页1.KCL定律的内容第1章1.5基尔霍夫定律

应将代数方程中各项前的正负号与电流本身数值的正负号区别开来。RCICRBIBIEbce＋UCC可将KCL推广到电路中任何一个假定的闭合面。——广义结点IC+IB—IE＝0下一页上一页2.

KCL定律的说明不仅适用于节点，而且适用于任何一个封闭曲面。对任意的闭合面，流入(或流出)闭合面的电流的代数和等于零。1.5.2基尔霍夫电流定律(KCL)第1章1.5基尔霍夫定律

例1.4对封闭面有：对节点1有KCL方程：对节点3有KCL方程下一页上一页图1.19中已知，，

求电流

的值。解第1章1.5基尔霍夫定律

（2）选定回路绕行方向，顺时针或逆时针.–U1–US1+U2+U3+U4+US4=0

在集总参数电路中，在任一时刻、沿任一回路绕行一周，各支路(元件)的电压降的代数和为零。I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4（1）标定各元件电压参考方向

U2+U3+U4+US4=U1+US1

或：下一页上一页1.5.3基尔霍夫电压定律(KVL)1.KVL定律的内容第1章1.5基尔霍夫定律

（1）KVL的实质反映了电路遵从能量守恒定律;下一页上一页2.

KVL定律的说明(2)应用列写方程步骤是：首先对回路中各元件电压要规定参考方向；并设定回路的绕行方向，选顺时针绕行和逆时针绕行均可。凡元件电压参考方向(由“+”极到“－”极的方向)与绕行方向相同者取“+”，反之取“－”。(3)应将代数方程中各项前的正负号与电压本身数值的正负号区别开来。1.5.3基尔霍夫电压定律(KVL)第1章1.5基尔霍夫定律

(4)KVL定律可推广应用于开路电路。图1.20中，无闭合回路，可以在a、b之间假设有一假想支路，与其他元件构成一个假想回路。可以列出下面的KVL方程：下一页上一页2.

KVL定律的说明图1.201.5.3基尔霍夫电压定律(KVL)第1章1.5基尔霍夫定律

［解］首先要先选定回路的绕行方向。如图1.21所示，假定两个回路绕行方向均为顺时针。对左边回路列KVL方程：求得［例1.5］电路图如2.21所示，（1）求电压

，电压

；

(2)并求电阻

的值。

对右边回路列KVL方程：上一页下一页图1.211.5.3基尔霍夫电压定律(KVL)［解］（2）利用欧姆定律和基尔霍夫定律求电阻值求得

上一页下一页［例1.5］电路图2.21所示，(2)并求电阻

的值。

图1.21第1章1.5基尔霍夫定律

[例1.6]图1.22(a)中的受控源是CCCS，图1.22(b)为简化图在图1.22(a)所示电路中，

求电压

。[解]，图1.22例1.6电路图

在左边的回路中，利用KVL和欧姆定律列方程

在右边的回路中返回下一页上一页第1章1.5基尔霍夫定律

Multisim是一款方便实用的电路仿真与设计软件。上一页下一页第1章电路的元件及电路定律

电路分析基础1.6计算机辅助电路分析菜单栏电路仿真工作平台元器件工具栏工具栏使用中元件列表仿真开关仪器仪表工具栏设计管理窗口图1.24（a)例1.7电路图上一页下一页第1章1.6计算机辅助电路分析

[例1.7]利用计算机软件分析图1.24(a)中的电压U和I。利用KCL及KVL计算电路图1.24（a)得I=3AU=6V。图1.24（b)从元件库选元件及仪表上一页下一页[例1.7]利用计算机软件分析图1.24(a)中的电压U和I。电路仿真分析过程：首先从元件库中选取元件，在虚拟仪器仪表栏选万用表，在电源库里选直流电压源和电流源，放置在电路输入窗口，并设置元件与电源参数。如图1.24（b)所示。第1章1.6计算机辅助电路分析

图1.24（c)连接电路元件及测量仪表上一页下一页[例1.7]利用计算机软件分析图1.24(a)中的电压U和I。电路仿真分析过程：然后连接电路元件及测量仪表，如图1.24（c)第1章1.6计算机辅助电路分析

图1.24（d)运行仿真上一页下一页[例1.7]利用计算机软件分析图1.24(a)中的电压U和I。电路仿真分析过程：运行仿真，如图1.24（d)所示。在虚拟仪表中读出待分析的电流为3A和电压为6V，与计算结果一致第1章1.6计算机辅助电路分析

1.标称电阻电阻产品上标示的阻值，其单位为，千欧、兆欧，有时还以，、代替小数点，例如表示为；而电阻上标识为表示为。2.

色环标识法色环电阻使用较广泛，看色环可以读出阻值，使用很方便。色标电阻可分为四环和五环两种标识方法，其中五色标识法常用于精密电阻。带有四个色环的电阻其中第一、二环分别代表阻值的前两位数，第三环代表倍率，第四环代表误差。不同环数和不同颜色都有不同的含义，见表1.1所示。下一页上一页电路分析基础1.7应用实例1.7.1电阻的标识法第1章电路的元件及电路定律

色环颜色棕红橙黄绿蓝紫灰白黑金银无色有效数字第一二色环1234567890

应乘倍数第三色环1010210310410510610710810910.10.01误