基本概念與定律.ppt

電路分析基礎(chǔ) 指導(dǎo)教師：趙麗娜 聯(lián)系電話：159-822-19365 電子郵件： 課件密碼：123456,電路分析授課計劃,講課內(nèi)容 根據(jù)CDIO教學(xué)改革，采用我院自己編著的電路分析作為教材，48學(xué)時講授+16學(xué)時實驗=共64學(xué)時。,你想過嗎？,為什么要設(shè)這門課，為什么要學(xué)它？ 怎么學(xué)這門課？如何學(xué)好？,前 言,1、課程性質(zhì): 電類學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課程 2、課程目標(biāo): 理解基本概念、基本定律、基本定理； 掌握基本分析方法。 3、課程的教授方式：講授+實驗 4、學(xué)習(xí)方法與要求： 1）深刻理解:基本概念、基本定律、基本定理。 2）熟練掌握各種電路的基本分析方法并靈活運用。 3）認(rèn)真聽課，做好筆記。用教科書教，而不是教教科書。 4）學(xué)和練有機結(jié)合。 5）閱讀參考書和電子資源。,課程考核方式,總分=平時（30%）+期末考試（70%） 平時=考勤+作業(yè)+實驗 達到以下情況任意一種，就可直接取消考試資格： A. 累計有3次作業(yè)不交； B. 有任意一次實驗不做,或?qū)嶒瀳蟾娌唤唬?C. 考勤累計有3次未到。 本課程64學(xué)時（4個學(xué)分）， 重修費：4*60=￥240,第1章 電路的基本概念與定律,內(nèi)容,電路分析概述 電路和電路模型 電路變量 基爾霍夫定律 電路元件 技術(shù)實踐 計算機輔助分析,本章目標(biāo) - 知識：,建立并深刻理解電路、電路模型；電路中支路、回路、節(jié)點等結(jié)構(gòu)元素；電流、電壓和電功率等電路變量的基本概念。 學(xué)習(xí)并掌握組成電路模型的基本電路元件（電阻、電容、電感、獨立電源、受控源）的特性、電路符號。 學(xué)習(xí)并掌握集總電路的基本定律（基爾霍夫電壓定律和電流定律）。 學(xué)習(xí)并掌握利用電路兩類約束列寫電路方程并求解電路變量或（和）電路元件參數(shù)。,本章目標(biāo) - 能力：,根據(jù)簡單的實際電路建立其電路模型。 根據(jù)電路問題合理假設(shè)電路變量參考方向（或極性）并求解簡單電路，根據(jù)計算結(jié)果分析解釋電路現(xiàn)象。 利用基本的電工儀表正確測量實際電路中電壓、電流值和電路元件的參數(shù)值。,引例：,高壓一定危險嗎 ？,1-1 電路分析概述,電系統(tǒng)：按功能可以分為電力系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。,電力系統(tǒng)：實現(xiàn)電能傳送、轉(zhuǎn)換等。 信號處理系統(tǒng)：實現(xiàn)電信號產(chǎn)生、加工、傳輸、變換等。,電系統(tǒng)設(shè)計的概念模型,1-2 電路和電路模型,一、實際電路：,組成四要素： (1)電源(source) (2)負(fù)載(load) (3)控制裝置 (4)導(dǎo)線(line),定義：由電源、導(dǎo)線及各種用電元器件或電氣設(shè)備按一定順序組成的網(wǎng)絡(luò)。,二、電路模型,實際器件 理想元件（模型元件） ：,只反映一種基本電磁現(xiàn)象，有數(shù)學(xué)方法精確定義。,圖形 符號,四種理想電路元件： （1）消耗電能 （2）供給電能 （3）儲存電場能量 （4）儲存磁場能量,（電阻）,（理想電源）,（理想電容）,（理想電感）,電路模型：模型元件組成的電路。,電 路 圖：電路模型畫在一個平面上所形成的圖形。,實際電路,電氣圖,電路圖,分 類：,實際電路幾何尺寸(L )與其工作信號波長()的關(guān)系 (1)集總參數(shù)電路（lumped parameter circuit）：滿足L條件的電路。 (2)分布參數(shù)電路(distributed parameter circuit)：不滿足L條件的電路。 說 明：本課程重點討論集總參數(shù)電路（簡稱為電路）,C=3x108m/s,1-3 電路變量,電路分析基本目的：得出給定電路的電性能。 描述電性能的變量：電流、電壓、功率。 電路分析基本任務(wù)：求解變量。,帶電質(zhì)子的定向運動,定義：,一、電流：,實際方向,參考方向,在分析電路時,電流的參考方向可任意假定，在電路圖中用箭頭或雙下標(biāo)表示。,習(xí)慣上規(guī)定為正電荷運動的方向。,參考方向與實際方向的關(guān)系,若電流i的實際方向與參考方向一致，則i0; 若i0，表明實際方向與參考方向相反。,注意：在未標(biāo)注參考方向時，電流的正、負(fù)無意義。,例1：已知電流的實際方向由a到b,大小為2A.問如何表示這一電流?,解：有兩種表示法：,1、參考方向與實際方向一致,2、參考方向與實際方向相反,電流測量：,電流表需串聯(lián)接入待測支路,單位正電荷由電路中a點移動到b點所失去或獲得的能量，稱為a、b兩點的電壓，即,2、分類,1）恒定電壓 2）時變電壓 3）交流電壓,二、電壓,1、定義,3、實際極性 習(xí)慣上認(rèn)為電壓的實際極性是從高電位指向低電位。高電位稱為正極，低電位稱為負(fù)極。 4、參考極性 在分析電路時，參考極性為任意假定，在元件或電路的兩端用“+”和“”或雙下標(biāo)表示。,5、參考極性與實際極性的關(guān)系,注意： 必須指定電壓參考極性，這樣電壓的正或負(fù)值才有意義。,1）若u 0，實際極性與參考極性相同 2）若u 0，實際極性與參考極性相反,例2,已知：Ua=3V,Ub=1V,求元件兩端的電壓U=?,解：兩種結(jié)果,（1）,U=Uab =Ua-Ub=2V,表示實際極性與參考極性一致。,（2）,U= Uba=Ub-Ua= -2V,表示實際極性與參考極性相反。,電壓測量：,電壓表并聯(lián)接入待測支路 。,思考P30 P1- 20,關(guān)聯(lián)參考方向,電壓與電流為關(guān)聯(lián)方向：電流參考方向從電壓參考正極流入、負(fù)極流出。,電壓與電流為非關(guān)聯(lián)方向：電流參考方向從電壓參考負(fù)極流入、正極流出。,電壓參考極性與電流參考方向的關(guān)系。,說 明：,1、電流和電壓的參考方向可任意選定，但一旦選定后，在電路的分析和計算過程中不能改變。,2、為了電路分析和計算的方便，常采用電壓電流的關(guān)聯(lián)參考方向。,三、電功率 定義：表示二端元件或二端網(wǎng)絡(luò)吸收或提供能量的速率。單位：瓦 (W) 數(shù)學(xué)表達式：p(t)=dw/dt 或 p(t)=i(t)u(t)、p(t)=-i(t)u(t),P與U和I的關(guān)系式：,在關(guān)聯(lián)方向下：,在非關(guān)聯(lián)方向下：,P0 ，吸收功率； P0，提供功率,p和i、 u一樣，也是代數(shù)量，可正、可負(fù)。,注意: （1）計算功率時，一定要根據(jù)u、i 方向的相互關(guān)系（關(guān)聯(lián)或非關(guān)聯(lián)），選用相應(yīng)的計算公式。 （2）不論用哪個公式算出的功率，只要 p0，則表示該元件或電路吸收功率，p0，則表示該元件或電路提供功率。 （3）對同一元件，當(dāng)u、i一定時，不論電壓、電流是選取關(guān)聯(lián)，還是非關(guān)聯(lián)方向，算出的功率結(jié)果必定相同。 （4）一般在計算功率時，不需標(biāo)出功率的參考方向，功率的正、負(fù)只需用功率是吸收或提供來表示。,例 在下圖電路中，已知U1=1V, U2=6V, U3=4V, U4=5V, U5=10V, I1=1A, I2=3A , I3=4A, I4=1A, I5=3A。 試求：(1) 各二端元件吸收的功率； (2) 整個電路吸收的功率,例 在下圖電路中，已知U1=1V, U2=-6V, U3=-4V,U4=5V, U5=-10V, I1=1A, I2=-3A , I3=4A, I4=-1A, I5=-3A。,整個電路吸收的功率為,解：各二端元件吸收的功率為,符合什么條件的電路是集總參數(shù)電路？,什么是參考方向？電流、電壓的參考方向如何表示？關(guān)聯(lián)參考方向，非關(guān)聯(lián)參考方向的概念?,如何計算功率？步驟？,上節(jié)課小結(jié),1-4 基爾霍夫定律,基爾霍夫定律： 任何集總參數(shù)電路都適用的基本定律 KCL：描述電路中各電流的約束關(guān)系; KVL：描述電路中各電壓的約束關(guān)系；,一、電路名詞定義：,1.支路（branch）： 一組流過同一電流的元件，組成一條支路。 2.節(jié)點（node）： 兩條或兩條以上支路的連接點。 3.回路（loop）： 由若干支路組成的任一閉合路徑。 4.網(wǎng)孔（mesh）： 內(nèi)部不含有其他支路的回路。,5.網(wǎng)絡(luò)（network）： 由較多元件組成的電路。,二、基爾霍夫電流定律(KCL),1. KCL 對于任一集總參數(shù)電路，在任一時刻，流入（或“流出”） 任一節(jié)點的電流代數(shù)和等于零。 記為：,注意： 如果規(guī)定流出節(jié)點的電流為正，流入節(jié)點的電流取負(fù)。,KCL方程：以支路電流為變量在電路各節(jié)點處列寫的方程式。,節(jié)點A:,- I1 + I2 + I3=0,節(jié)點B:,- I2 + I4 + I5=0,節(jié)點C:,節(jié)點D:,- I3 - I4 + I6=0,I1 I5 - I6=0,( I1 = I2 + I3 ),( I2 = I4 + I5 ),( I6 = I3 + I4 ),( I1 = I5 + I6 ),2. KCL推廣：,對于任一集中參數(shù)電路，在任一時刻，流出任一節(jié)點的電流和等于流入該節(jié)點的電流和。即：,對于任一集中參數(shù)電路，在任一時刻，流出任一閉合面的電流代數(shù)和等于零。即：,閉合面也稱為廣義節(jié)點。,舉例：圖示電路，求I1和I2。,兩個電流的關(guān)系？,此處電流i1=？,注意： 在列寫KCL方程時，要特別注意兩套符號的含義： 1）方程中各項前的正、負(fù)符號 取決于電流參考方向?qū)?jié)點的相對關(guān)系。流進、流出兩種表示可任意選擇。 流出節(jié)點為正，流入節(jié)點為負(fù) 流入節(jié)點為正，流出節(jié)點為負(fù) 兩種表示可任意選擇。 2）電流本身數(shù)值的正、負(fù)號 其取決于電流實際方向與參考方向的相對關(guān)系。,KCL定律的物理意義,在節(jié)點上只有電荷的移動，無電荷的積累和消失,反映電荷的守恒性和電流的連續(xù)性,KCL描述了電路中各電流之間的約束關(guān)系，只與電路元件之間的連接有關(guān)，與元件的性質(zhì)無關(guān)，是給電路所加的拓?fù)浼s束。,KCL定律的實質(zhì),3、 KCL定律的物理意義與實質(zhì),若已知i1=1A, i3=3A和i5=5A，則由 KCL可求得：,3A,5A,1A,-4A,-2A,5A,4、幾點結(jié)論,KCL表達了電路中支路電流間的約束關(guān)系，體現(xiàn)在電路中的各個節(jié)點上。 KCL與電路元件的性質(zhì)無關(guān)。 KCL物理意義:反映電荷的守恒性。 KCL可推廣用于電路中任意假想封閉面。,三、基爾霍夫-電壓定律(KVL),例如上圖，若沿順時針繞行：,若沿逆時針方向繞行：,1、KVL 對于任一集總參數(shù)電路中的任一回路，在任一時刻，沿著該回路的所有支路電壓降(電壓升）的代數(shù)和恒為零。即：,一般在列寫回路KVL方程時，應(yīng)首先指定支路電壓的參考方向和回路的繞行方向。 當(dāng)電壓參考方向與回路繞行方向相同的支路電壓取正號，與繞行方向相反的支路電壓取負(fù)號。,KVL方程： 以支路電壓在電路各回路列寫的電路方程式。,回路1:,u1 + us2 - u5 - us1 =0,回路2:,u2 - u4 - us2=0,回路3:,- u6 + u5 + u4=0,( u1 + us2 = us1 + u5 ),( u2 = u4 + us2 ),( u6 = u4 + u5 ),2、推廣：,1）對于任一集總參數(shù)電路，在任一時刻，沿任一回路繞行方向，回路電壓降的和等于回路電壓升的和。即：,練習(xí)：圖示電路，求Ucd和Ube。,2）KVL可推廣用于任一假想回路。,例1：如圖所示，求Uab?,U1,由此看出：Uab與所經(jīng)路徑無關(guān)。利用這一結(jié)論，可求 電路中任意兩點之間的電壓。,電路中任意兩節(jié)點之間的電壓Uab等于從a點到b點沿任一條路徑上所有元件電壓降（電壓升）的代數(shù)和。,U4,3、KVL方程:,以基爾霍夫電壓定律在電路各回路列寫的電壓方程式。,在列寫KVL方程時，要特別注意兩套符號的含義：,1）方程中各項前的正、負(fù)符號，其取決于電壓參考方向?qū)λx回路繞行方向的相對關(guān)系。,2）電壓本身數(shù)值的正、負(fù)號，其取決于電壓實際方向與參考方向的相對關(guān)系。,KVL定律的物理意義,KVL是能量守恒法則和電荷守恒法則運用于集總電路的結(jié)果。,KVL描述了電路中各電壓的約束關(guān)系，KVL方程式與元件的性質(zhì)無關(guān)。,KVL定律的實質(zhì),4、 KVL定律的物理意義與實質(zhì),例2：如圖電路中，若已知u1=1V, u2=2V和u5=5V， 則由KVL可求得：,u1=1V,u2=2V,u5=5V,5、幾點總結(jié) KVL表達了電路中各支路電壓間的約束關(guān)系，體現(xiàn) 在電路的各個回路中。 KVL與電路元件的性質(zhì)無關(guān)。 KVL的物理意義：能量守恒。 KVL可推廣用于任一假想回路。 任何兩點間的電壓與計算時所選擇的路徑無關(guān)。,強調(diào)：兩套符號的判定 在運用KCL定律和KVL定律列寫KCL方程和KVL方程時，要特別注意兩個參考方向：一個是節(jié)點 (回路)的參考方向；另一個是各個支路電流(支路電壓)的參考方向。在列寫方程時，應(yīng)先假設(shè)節(jié)點（回路）的參考方向，再以節(jié)點(回路)的參考方向為參考,看支路電流（支路電壓）的參考方向相對于節(jié)點（回路）的參考方向是否一致,一致就為+ ,否則為-。然后，再看支路電流（支路電壓）的參考方向是否與實際方向一致，一致就為+ ,否則為-。,練習(xí)：,圖示電路，電阻R有無電流？求電壓u1和u2 。,作業(yè)：P29 1-4、1-10、P 1-17,例2：圖示電路，求電流I1 、 I2和電壓u1 、 u2。,2,1,3,4,- 6V +,- 3V +,I1,- u1 +,+ u2 -,I2,解： I1=0A I2=4A u1=-31V u2=3V,上節(jié)課內(nèi)容回顧,KCL的含義？推廣1？推廣2？ KVL的含義？推廣1？推廣2？ 說明兩套符號的意義,1-5 電路元件,分類：,元件的電特性：研究元件電壓與電流之間的關(guān)系（VCR）。,能否獨立產(chǎn)生電能： 有源元件(active)與無源元件(passive) ；,與外電路連接端鈕數(shù)目： 二端元件、三端元件和四端元件等；,一、電阻元件,實際電阻的類型：,碳膜電阻,貼片電阻,水泥電阻,壓敏電阻,熱敏電阻,滑線電阻,電位器,作用：電能轉(zhuǎn)換為熱能。,電阻元件定義：,伏安關(guān)系可用u-i平面過坐標(biāo)原點曲線來描述的二端元件。,非線性電阻,線性電阻,線性電阻特點：,1. 伏安關(guān)系為u-i平面過坐標(biāo)原點的 一條直線，斜率為R。 2. 端電壓與通過的電流成正比； 即： u=Ri 或 U=RI 注意：電流、電壓為關(guān)聯(lián)參考方向； 3.具有雙向性: 伏安特性對原點對稱； 4.耗能元件：p=ui=Ri2=u2/R0 5.無記憶元件：u(t)=Ri(t),R單位： (歐姆),電導(dǎo)：,表征電阻元件的另一參數(shù)。,線性電阻的開路和短路特殊情況,(b)短路的電壓電流關(guān)系曲線,(a)開路的電壓電流關(guān)系曲線,電流為零， 電壓可以是任意值,電壓為零， 電流可以是任意值,注意：具體電路的電流電壓是一個明確的值。,應(yīng)用電阻色環(huán)表示方法,電阻色環(huán)圖,電阻顏色代碼表,容差：金色5；銀色10；無圈： 20。,二、理想電源,電源：電路中提供能量的器件或裝置。,電壓源和電流源： 各種實際電源的理想化模型（理想元件）。,1、理想電壓源,實際模型：,電池,穩(wěn)壓電源,理想電壓源定義：,能獨立向外電路提供恒定電壓的二端元件。,符號表示:,伏安關(guān)系：,+ us -,特點：,平行于i軸的一條直線。,恒壓不恒流,2.電流i由u和外電路共同確定；,1.端電壓u恒定與i無關(guān)；,us,us=10V,電壓源的功率：,p=ui,既可提供功率，也可吸收功率。,+ u -,請注意： 1、電壓源串聯(lián)：,允許：u=us1+us2-us3,不允許：,2、電壓源并聯(lián)： 要求：各電壓源極性相同，大小相等 請判斷右圖連接是否允許？,實際電壓源特性,實際電壓源可用一個理想電壓源Us和電阻Rs的串聯(lián)表示。,Rs稱為實際電壓源的內(nèi)阻。 （ Rs越小的電壓源，其電壓越穩(wěn)定）,(b)伏安特性,(a)電路,u = Us - iRs,例1-51 ：電路如圖所示：已知uS1 =12V, uS2=6V, R1=0.2, R2=0.1, R3=1.4, R4=2.3 。,求電流i 和電壓uab 。,R1,i,R2,R3,R4,解題依據(jù)：,基爾霍夫定律和電阻元件的VCR。,解：,設(shè)電流參考方向如圖中所示，,則各電阻上電壓標(biāo)注如圖。,由KVL可得：,沿右邊路徑求電壓uab:,也可由左邊路徑求電壓uab：,2、理想電流源：,光電池,能獨立向外電路提供恒定電流的二端元件。,符號表示：,伏安關(guān)系：,Is,特點：,1. 電流i與u無關(guān)；,恒流不恒壓,2. 端電壓u由外電路確定；,電流源的功率：,p=ui,既可提供功率，也可吸收功率。,請注意： 1、電流源串聯(lián)：,不允許：,允許: i=-is1+is2+is3,2、電流源并聯(lián)時：,例1-5-2：計算圖示電路中3 電阻的電壓以及電流源的端電壓及功率。,解： 由電流源的性質(zhì)有 ：,電流源的端電壓極性標(biāo)注如圖：,電流源功率：,由電阻元件的VCR得：,u1,uR,i,極性如圖所示, 0,提供功率,實際電流源特性,實際電流源可用一個理想電流源Is和電阻Rs的并聯(lián)表示。,Rs稱為實際電流源的內(nèi)阻。 （Rs越大的電流源，其電流越穩(wěn)定）,(b)伏安特性,(a)電路,u = Us - iRs,i = Is - u/Rs,三、受控源,又稱為非獨立電源，即電壓或電流大小及方向受電路中其它支路的電壓或電流控制的電源。,受控電源實際模型,三極管,運算放大器,受控源電路結(jié)構(gòu)特征：,具有兩條支路（四端元件）；,四種常見模型：,受控電流源或電壓源所在支路 - 受控支路 控制電流或電壓所在支路 - 控制支路,(a) 電流控制電流源, i1,i1,(CCCS),u1=0 i2= i1,：電流控制系數(shù)（電流放大倍數(shù)） 例:晶體三極管,(b) 電流控制電壓源,(c)電壓控制電流源,i1, i1,(CCVS),u1=0 u2= i1,:電壓控制系數(shù)（轉(zhuǎn)移電阻） 例:直流發(fā)電機,(VCCS),u1,gu1,i1=0 i2= gu1,g：電流控制系數(shù)（轉(zhuǎn)移電導(dǎo)） 例:場效應(yīng)管,(d) 電壓控制電壓源,受控源簡化圖:,(VCVS),u1, u1,i1=0 u2= u1,：電壓控制系數(shù)（電壓放大倍數(shù)） 例:電子三極管,i1,(VCVS),(VCCS),(CCVS),(CCCS),作業(yè)：P29 1-9、1-12、 1-18,例1-5-3：,圖示電路，求電壓U 和電流 I。,解：,-2-2I -2I -6U +10=0,由KVL，有,-4I -6U = - 8,又有:,U = 2I+2,聯(lián)立解得:,U = 1.5V,I = - 0.25A,受控源:,(提供功率),P = 6UI,= - 2.25W,若受控源: 6UU,U,求得：U = 4V I=1A,電阻性,-2-2I -2I -U +10=0,U = 2I+2,電源性,(吸收功率),P = UI,= 4W,兩類約束和電路方程,拓?fù)浼s束（KC