工學電路第五版高等教育出版社原著邱關源電路模型和電路定律PPT課件

1、第1章 電路模型和電路定律電路和電路模型1.1電阻元件1.5電流和電壓的參考方向1.2電壓源和電流源1.6電功率和能量1.3受控電源1.7電路元件1.4基爾霍夫定律1.8本章內(nèi)容第1頁/共68頁1. 電壓、電流的參考方向3. 基爾霍夫定律l 重點：2. 電阻元件和電源元件的特性第2頁/共68頁1.1 電路和電路模型1.實際電路功能a 能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換；b 信息的傳遞、控制與處理。建立在同一電路理論基礎上。由電工設備和電氣器件按預期目的連接構成的電流的通路。共性第3頁/共68頁電路的組電路的組成成 例2：收音機電路A、電源（激勵源/信號源）C、負載B、中間環(huán)節(jié)產(chǎn)生電能/電信號的設備消耗電能

2、的設備激勵/響應？輸入/輸出？第4頁/共68頁 反映實際電路部件的主要電磁 性質(zhì)的理想電路元件及其組合。2. 電路模型sRLRsU10BASE-T wall plate導線電池開關燈泡電路圖l理想電路元件有某種確定的電磁性能的理想元件。l電路模型第5頁/共68頁5種基本的理想電路元件：電阻元件：表示消耗電能的元件電感元件：表示產(chǎn)生磁場，儲存磁場能量的元件電容元件：表示產(chǎn)生電場，儲存電場能量的元件電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成 電能的元件。 5種基本理想電路元件有三個特征： （a）只有兩個端子； （b）可以用電壓或電流按數(shù)學方式描述； （c）不能被分解為其他元件。注意第6頁/共68頁

3、 具有相同的主要電磁性能的實際電路部件， 在一定條件下可用同一電路模型表示； 同一實際電路部件在不同的應用條件下，其電路模型可以有不同的形式。例電感線圈的電路模型注意在直流情況下在交流情況下在低頻情況下在高頻情況下第7頁/共68頁1.2 電流和電壓的參考方向 電路中的主要物理量有電壓、電流、電荷、磁鏈、能量、電功率等。在線性電路分析中人們主要關心的物理量是電流、電壓和功率。1.電流的參考方向l電流l電流強度帶電粒子有規(guī)則的定向運動單位時間內(nèi)通過導體橫截面的電荷量第8頁/共68頁l方向 規(guī)定正電荷的運動方向為電流的實際方向l單位1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（安培）、kA

4、、mA、A元件(導線)中電流流動的實際方向只有兩種可能: 實際方向AB實際方向AB 對于復雜電路或電路中的電流隨時間變化時，電流的實際方向往往很難事先判斷。問題第9頁/共68頁l參考方向 大小方向(正負）電流(代數(shù)量)任意假定一個正電荷運動的方向即為電流的參考方向。i 0i 0參考方向U+參考方向U+ 0 吸收正功率 (實際吸收)P0 發(fā)出正功率 (實際發(fā)出)P0 發(fā)出負功率 (實際吸收)l u, i 取非關聯(lián)參考方向+-iu+-iu第20頁/共68頁例 求圖示電路中各方框所代表的元件吸收或產(chǎn)生的功率。已知： U1=1V, U2= -3V，U3=8V, U4= -4V,U5=7V, U6= -

5、3V，I1=2A, I2=1A,，I3= -1A 564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1第21頁/共68頁解）（發(fā)發(fā)出出W221111IUP）（發(fā)發(fā)出出W62)3(122IUP（吸收）W1628133IUP（吸收）W3) 1()3(366IUP）（發(fā)發(fā)出出W7) 1(7355IUP）（發(fā)發(fā)出出W41)4(244IUP對一完整的電路，滿足：發(fā)出的功率吸收的功率564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1注意第22頁/共68頁1.4 電路元件是電路中最基本的組成單元。1. 電路元件5種基本的理想電路元件：電阻元件：表示消耗電能的元件電感元件：表示產(chǎn)生磁場，儲存磁場能量的元件電容元

6、件：表示產(chǎn)生電場，儲存電場能量的元件電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成 電能的元件。注意 如果表征元件端子特性的數(shù)學關系式是線性關系，該元件稱為線性元件，否則稱為非線性元件。第23頁/共68頁2.集總參數(shù)電路由集總元件構成的電路集總元件假定發(fā)生的電磁過程都集中在元件內(nèi)部進行。 集總參數(shù)電路中u、i 可以是時間的函數(shù)，但與空間坐標無關。因此，任何時刻，流入兩端元件一個端子的電流等于從另一端子流出的電流；端子間的電壓為單值量。注意第24頁/共68頁1.5 電阻元件2.線性時不變電阻元件l 電路符號R電阻元件對電流呈現(xiàn)阻力的元件。其特性可用ui平面上的一條曲線來描述：0),(iufiu任何時

7、刻端電壓與電流成正比的電阻元件。1.定義伏安特性0第25頁/共68頁l ui 關系R 稱為電阻，單位： (Ohm)滿足歐姆定律GuRuiiuR l 單位G 稱為電導，單位：S (Siemens) u、i 取關聯(lián)參考方向Riu 伏安特性為一條過原點的直線ui0Rui+第26頁/共68頁 如電阻上的電壓與電流參考方向非關聯(lián)，公式中應冠以負號； 說明線性電阻是雙向的、無記憶元件。歐姆定律 只適用于線性電阻( R 為常數(shù)）；則歐姆定律寫為u R i i G u公式和參考方向必須配套使用！注意Rui-+第27頁/共68頁3.功率和能量電阻元件在任何時刻總是消耗功率的。非關聯(lián)參考方向下: p u i (R

8、 i) i i2 R - u2/ R0關聯(lián)參考方向下:p u i i2R u2 / R0l 功率Rui+-表明Rui-+第28頁/共68頁ui從 t0 到 t 電阻消耗的能量：ttttRuipW00dd4.電阻的開路與短路l 能量l 短路0 0uiGor R 0l 開路0 0ui0 Gor RuiRiu+u+i00第29頁/共68頁實際電阻器第30頁/共68頁 1.6 電壓源和電流源l電路符號1.理想電壓源l定義iSu+_其兩端電壓總能保持定值或一定的時間函數(shù)，其值與流過它的電流 i 無關的元件叫理想電壓源。第31頁/共68頁 電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無關；與流經(jīng)它的電流方向、大小

9、無關。 通過電壓源的電流由電源及外電路共同決定。l理想電壓源的電壓、電流關系uiSu直流電壓源的伏安關系例Ri-+Su外電路RuiS)( 0Ri)0( Ri電壓源不能短路！0第32頁/共68頁l電壓源的功率 電壓、電流參考方向非關聯(lián)；+_iu+_SuiuPS 電流（正電荷 ）由低電位向高電位移動，外力克服電場力作功，電源發(fā)出功率。 iuPS發(fā)出功率，起電源作用物理意義：+_iu+_Su 電壓、電流參考方向關聯(lián)；物理意義：電場力做功，電源吸收功率 iuPS吸收功率，充當負載第33頁/共68頁例計算圖示電路各元件的功率解V5)510(RuA155RuiR0W5152 RiPR0W1011010iu

10、PSV0W5155iuPSV非關聯(lián)方向,發(fā)出關聯(lián)方向,吸收吸收滿足：P（發(fā)）P（吸）5Ri+_Ru+_10V5V-+RVVPPP510可見：第34頁/共68頁其輸出電流總能保持定值或一定的時間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u 無關的元件叫理想電流源。l 電路符號2.理想電流源l 定義uSi+_l 理想電流源的電壓、電流關系 電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無關；與它兩端電壓方向、大小無關。第35頁/共68頁 電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定。uiSi直流電流源的伏安關系0例Ru-+Si外電路SRiu )0( 0Ru)( Ru電流源不能開路！第36頁/共68頁 可由穩(wěn)流電子設備產(chǎn)生，如晶

11、體管的集電極電流與負載無關；光電池在一定光線照射下光電子被激發(fā)產(chǎn)生一定值的電流等。實際電流源的產(chǎn)生：l 電流源的功率u+_SiSuiP 電壓、電流的參考方向非關聯(lián)；發(fā)出功率，起電源作用SuiP 電壓、電流的參考方向關聯(lián)；u+_Si吸收功率，充當負載SuiP 第37頁/共68頁例計算圖示電路各元件的功率解A2SiiV5u0W10522uiPSA0W10)2(55iuPSViS與u非關聯(lián)方向,發(fā)出uS與i非關聯(lián)方向,吸收滿足：P（發(fā)）P（吸）0W1025S5iuPSV或：uS與iS關聯(lián)方向,吸收-u2Ai+_5V+is第38頁/共68頁實際電源干電池鈕扣電池1. 干電池和鈕扣電池（化學電源） 干電

12、池電動勢1.5V，僅取決于（糊狀）化學材料，其大小決定儲存的能量，化學反應不可逆。鈕扣電池電動勢1.35V，用固體化學材料，化學反應不可逆。第39頁/共68頁 氫氧燃料電池示意圖2. 燃料電池（化學電源） 電池電動勢1.23V。以氫、氧作為燃料。約40-45%的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。實驗階段加燃料可繼續(xù)工作。 第40頁/共68頁3. 太陽能電池（光能電源） 一塊太陽能電池電動勢0.6V。太陽光照射到P-N結上，形成一個從N區(qū)流向P區(qū)的電流。約 11%的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，故常用太陽能電池板?一個50cm2太陽能電池的電動勢0.6V,電流0.1A 太陽能電池示意圖太陽能電池板第41頁/共68頁蓄電池示

13、意圖4. 蓄電池（化學電源） 電池電動勢2V。使用時，電池放電，當電解液濃度小于一定值時，電動勢低于2V，常要充電，化學反應可逆。第42頁/共68頁直流穩(wěn)壓源變頻器頻率計函數(shù)發(fā)生器第43頁/共68頁發(fā)電機組第44頁/共68頁草原上的風力發(fā)電第45頁/共68頁1.7 受控電源(非獨立源)l 電路符號+受控電壓源1.定義受控電流源 電壓或電流的大小和方向不是給定的時間函數(shù)，而是受電路中某個地方的電壓(或電流)控制的電源，稱受控源。第46頁/共68頁 電流控制的電流源 ( CCCS ) : 電流放大倍數(shù) 根據(jù)控制量和被控制量是電壓u 或電流i，受控源可分四種類型：當被控制量是電壓時，用受控電壓源表示

14、；當被控制量是電流時，用受控電流源表示。2.分類四端元件12 ii輸出：受控部分輸入：控制部分 i1+_u2i2_u1i1+第47頁/共68頁g: 轉(zhuǎn)移電導 電壓控制的電流源 ( VCCS )12gui 電壓控制的電壓源 ( VCVS )12 uu: 電壓放大倍數(shù) gu1+_u2i2_u1i1+i1u1+_u2i2_u1+_第48頁/共68頁 電流控制的電壓源 ( CCVS )12riu r : 轉(zhuǎn)移電阻 例bicibcii 電路模型ibicibri1+_u2i2_u1i1+_第49頁/共68頁3.受控源與獨立源的比較 獨立源電壓(或電流)由電源本身決定，與電路中其它電壓、電流無關，而受控源電

15、壓(或電流)由控制量決定。 獨立源在電路中起“激勵”作用，在電路中產(chǎn)生電壓、電流，而受控源是反映電路中某處的電壓或電流對另一處的電壓或電流的控制/耦合關系，在電路中不能作為“激勵”。第50頁/共68頁例求：電壓u2解Ai2361Viu4610 65125i1+_u2_i1+-3u1=6V第51頁/共68頁1.8 基爾霍夫定律 基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律 （KCL）和基爾霍夫電壓定律( KVL )。它反映了電路中所有支路電壓和電流所遵循的基本規(guī)律，是分析集總參數(shù)電路的基本定律?；鶢柣舴蚨膳c元件自身的特性構成了電路分析的基礎。第52頁/共68頁1.幾個名詞電路中通過同一電流的分支。元件的連

16、接點稱為結點。b=3an=4b+_R1uS1+_uS2R2R3 支路電路中每一個兩端元件就叫一條支路。i3i2i1 結點b=5或三條以上支路的連接點稱為結點。n=2注意 兩種定義分別用在不同的場合。第53頁/共68頁由支路組成的閉合路徑。兩結點間的一條通路。由支路構成對平面電路，其內(nèi)部不含任何支路的回路稱網(wǎng)孔。l=3123 路徑 回路 網(wǎng)孔網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。+_R1uS1+_uS2R2R3注意第54頁/共68頁2.基爾霍夫電流定律 (KCL)仿真分析令流出為“+”，有：例 在集總參數(shù)電路中，任意時刻，對任意結點流出（或流入）該結點電流的代數(shù)和等于零。mti1b0)(出入ii or

17、流進的電流等于流出的電流1i5i4i3i2i054321 iiiii54321iiiii 第55頁/共68頁0641iii例0542iii0653iii三式相加得：0321iiiKCL可以應用于電路中包圍多個結點的任一閉合面。1 3 25i6i4i1i3i2i表明推廣S第56頁/共68頁 KCL是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任意結點處的反映； KCL表示結點處支路電流間的約束，與支路上的元件性質(zhì)無關； KCL方程是按電流參考方向列寫的，與電流的實際方向無關。明確KCL的實質(zhì)第57頁/共68頁3.基爾霍夫電壓定律 (KVL)仿真分析mtu1b0)(升降uuor U3U1U2U4 標定各元件電

18、壓參考方向 選定回路繞行方向，順時針或逆時針.I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_在集總參數(shù)電路中，任一時刻，沿任一回路，所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零。第58頁/共68頁U1US1+U2+U3+U4+US4= 0U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4U3U1U2U4I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_KVL也適用于電路中任一假想的回路。注意推廣第59頁/共68頁SbaUUUU21 KVL的實質(zhì)反映了電路遵從能量守恒定律; KVL表示回路中的支路電壓的約束，與回路中各支路上接的元件性質(zhì)無關； KVL方程是按電壓參考方向列寫，與電壓實際方向無關。明確aUsb_-+U2U1假想回路例：試求電壓baU第60頁/共68頁4. KCL、KVL小結：KCL是對支路電流的線性約束，KVL是對回路電壓的線性約束。KCL、KVL與組成支路的元件性質(zhì)及參數(shù)無關。KC