電組元件與電源元件的特性

1、電電 路路1. 1. 電壓、電流的參考方向電壓、電流的參考方向3. 3. 基爾霍夫定律基爾霍夫定律l 重點(diǎn)重點(diǎn)：第第1 1章章 電路元件和電路定律電路元件和電路定律2. 2. 電組元件和電源元件的特性電組元件和電源元件的特性下 頁1.1 1.1 電路和電路模型電路和電路模型1.1.實(shí)際電路實(shí)際電路功能功能a a 能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換；能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換；b b 信息的傳遞、控制與處理。信息的傳遞、控制與處理。共性共性建立在同一電路理論基礎(chǔ)上。建立在同一電路理論基礎(chǔ)上。由電工設(shè)備和電氣器件按預(yù)期由電工設(shè)備和電氣器件按預(yù)期目的連接構(gòu)成的電流的通路。目的連接構(gòu)成的電流的通路。下 頁上 頁 反映

2、實(shí)際電路部件的主要電磁反映實(shí)際電路部件的主要電磁 性質(zhì)的理想電路元件及其組合。性質(zhì)的理想電路元件及其組合。2. 2. 電路模型電路模型sRLRsU10BASE-T wall plate導(dǎo)線導(dǎo)線電池電池開關(guān)開關(guān)燈泡燈泡電路圖電路圖l理想電路元件理想電路元件有某種確定的電磁性能的理想有某種確定的電磁性能的理想元件。元件。l電路模型電路模型下 頁上 頁5種基本的理想電路元件：種基本的理想電路元件：電阻元件：電阻元件：表示消耗電能的元件表示消耗電能的元件電感元件：電感元件：表示產(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件表示產(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件電容元件：電容元件：表示產(chǎn)生電場(chǎng)，儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件表示產(chǎn)生電場(chǎng)，

3、儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件電壓源和電流源：電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成 電能的元件。電能的元件。l 理想基本電路元件有三個(gè)特征：理想基本電路元件有三個(gè)特征： （a a）只有兩個(gè)端子；只有兩個(gè)端子； （b b）可以用電壓或電流按數(shù)學(xué)方式描述；可以用電壓或電流按數(shù)學(xué)方式描述； （c c）不能被分解為其他元件。不能被分解為其他元件。下 頁上 頁注意l 具有相同的主要電磁性能的實(shí)際電路部件，具有相同的主要電磁性能的實(shí)際電路部件， 在在一定條件下可用同一電路模型表示；一定條件下可用同一電路模型表示；l 同一實(shí)際電路部件在不同的應(yīng)用條件下，其電路同一實(shí)際電路部件在不同的應(yīng)用

4、條件下，其電路模型可以有不同的形式。模型可以有不同的形式。下 頁上 頁例例電感線圈的電路模型。電感線圈的電路模型。注意1.2 1.2 電流和電壓的參考方向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鏈、能量、電功率等。在線性電路分析中人們主要關(guān)心的物理量是電流、電壓和功率。關(guān)心的物理量是電流、電壓和功率。1.1.電流的參考方向電流的參考方向tqtqtitddlim)(0defl電流電流l電流強(qiáng)度電流強(qiáng)度帶電粒子有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)帶電粒子有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量單位時(shí)間內(nèi)通

5、過導(dǎo)體橫截面的電荷量下 頁上 頁l方向方向 規(guī)定正電荷的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向規(guī)定正電荷的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向l單位單位1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（安培）、（安培）、kA、mA、A元件元件( (導(dǎo)線導(dǎo)線) )中電流流動(dòng)的實(shí)際方向只有兩種可能中電流流動(dòng)的實(shí)際方向只有兩種可能: : 實(shí)際方向?qū)嶋H方向AB實(shí)際方向?qū)嶋H方向AB 復(fù)雜電路或電路中的電流隨時(shí)間變化復(fù)雜電路或電路中的電流隨時(shí)間變化時(shí)，電流的實(shí)際方向往往很難事先判斷。時(shí)，電流的實(shí)際方向往往很難事先判斷。下 頁上 頁問題l參考方向參考方向大小大小方向方向( (正負(fù)）正負(fù)）電流電流( (代數(shù)量代數(shù)量) )任意假定

6、一個(gè)正電荷運(yùn)動(dòng)的方任意假定一個(gè)正電荷運(yùn)動(dòng)的方向即為電流的參考方向。向即為電流的參考方向。i 0i 0參考方向參考方向U+實(shí)際方向?qū)嶋H方向+實(shí)際方向?qū)嶋H方向參考方向參考方向U+ 0 吸收正功率吸收正功率 ( (實(shí)際吸收實(shí)際吸收) )P0 發(fā)出正功率發(fā)出正功率 ( (實(shí)際發(fā)出實(shí)際發(fā)出) )P0 發(fā)出負(fù)功率發(fā)出負(fù)功率 ( (實(shí)際吸收實(shí)際吸收) )l u, i 取非取非關(guān)聯(lián)參考方向關(guān)聯(lián)參考方向下 頁上 頁+ +- -iu+ +- -iu例例 求圖示電路中各求圖示電路中各方框所代表的元件消方框所代表的元件消耗或產(chǎn)生的功率。耗或產(chǎn)生的功率。下 頁上 頁已知： U1=1V, U2= -3V，U3=8V, U

7、4= -4V,U5=7V, U6= -3V，I1=2A, I2=1A,，I3= -1A 564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1解解）（發(fā)出發(fā)出W221111IUP）（發(fā)出發(fā)出W62)3(122IUP）（消消耗耗W1628133IUP）（消耗消耗W3) 1()3(366IUP）（發(fā)出發(fā)出W7) 1(7355IUP）（發(fā)出發(fā)出W41)4(244IUP對(duì)一完整的電路，滿足：對(duì)一完整的電路，滿足：發(fā)出的功率消耗的功率發(fā)出的功率消耗的功率下 頁上 頁564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1注意下 頁上 頁1.4 1.4 電路元件電路元件 電路元件是電路中最基本的組成單元。理電路元件

8、是電路中最基本的組成單元。理想基本電路元件有三個(gè)特征：想基本電路元件有三個(gè)特征：l 只有兩個(gè)端子；只有兩個(gè)端子；l 可以用與端子有關(guān)的電壓或電流按數(shù)學(xué)可以用與端子有關(guān)的電壓或電流按數(shù)學(xué)方式描述（稱為端子特性）；方式描述（稱為端子特性）；l 不能被分解為其他元件。不能被分解為其他元件。1. 1. 電路元件電路元件5種基本的理想電路元件：種基本的理想電路元件：電阻元件：電阻元件：表示消耗電能的元件表示消耗電能的元件電感元件：電感元件：表示產(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件表示產(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件電容元件：電容元件：表示產(chǎn)生電場(chǎng)，儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件表示產(chǎn)生電場(chǎng)，儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件電壓源和電流源：電

9、壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成 電能的元件。電能的元件。下 頁上 頁注意 如果表征元件端子特性的數(shù)學(xué)關(guān)系式如果表征元件端子特性的數(shù)學(xué)關(guān)系式是線性關(guān)系，該元件稱為線性元件，否則稱是線性關(guān)系，該元件稱為線性元件，否則稱為非線性元件。為非線性元件。2.2.集總參數(shù)電路集總參數(shù)電路由集總元件構(gòu)成的電路由集總元件構(gòu)成的電路集總元件集總元件假定發(fā)生的電磁過程都集中在假定發(fā)生的電磁過程都集中在元件內(nèi)部進(jìn)行。元件內(nèi)部進(jìn)行。集總條件集總條件)/(fcctd下 頁上 頁 集總參數(shù)電路中集總參數(shù)電路中u、i 可以是時(shí)間的函可以是時(shí)間的函數(shù)，但與空間坐標(biāo)無關(guān)。因此，任何時(shí)刻，流數(shù)，

10、但與空間坐標(biāo)無關(guān)。因此，任何時(shí)刻，流入兩端元件一個(gè)端子的電流等于從另一端子流入兩端元件一個(gè)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。出的電流；端子間的電壓為單值量。注意1.5 1.5 電阻元件電阻元件2.2.線性定常電阻元件線性定常電阻元件l 電路符號(hào)電路符號(hào)R電阻元件電阻元件對(duì)電流呈現(xiàn)阻力的元件。其特性可對(duì)電流呈現(xiàn)阻力的元件。其特性可用用ui平面上的一條曲線來描述：平面上的一條曲線來描述：0),(iufiu任何時(shí)刻端電壓與其電流成正比的電阻元件。任何時(shí)刻端電壓與其電流成正比的電阻元件。1.1.定義定義伏安伏安特性特性下 頁上 頁0l ui 關(guān)系關(guān)系R 稱為電阻，單位：稱為電阻

11、，單位： (Ohm)滿足歐姆定律滿足歐姆定律GuRuiiuR l 單位單位G 稱為電導(dǎo)，單位稱為電導(dǎo)，單位： S(Siemens) u、i 取關(guān)聯(lián)取關(guān)聯(lián)參考方向參考方向Riu 下 頁上 頁伏安特伏安特性為一性為一條過原條過原點(diǎn)的直點(diǎn)的直線線ui0Rui+ 如電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)如電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)聯(lián)公式中應(yīng)冠以負(fù)號(hào)；聯(lián)公式中應(yīng)冠以負(fù)號(hào)； 說明線性電阻是無記憶、雙向性的元說明線性電阻是無記憶、雙向性的元件。件。歐姆定律歐姆定律 只適用于線性電阻只適用于線性電阻( R 為常數(shù)為常數(shù)）；）；則歐姆定律寫為則歐姆定律寫為u R i i G u公式和參考方向必須配套使用！公式和參考

12、方向必須配套使用！下 頁上 頁注意Rui-+3.3.功率和能量功率和能量電阻元件在任何時(shí)刻總是消耗功率的。電阻元件在任何時(shí)刻總是消耗功率的。p u i (R i) i i2 R - u2/ Rp u i i2R u2 / Rl 功率功率Rui+ +- -Rui+-下 頁上 頁表明ui從從 t0 到到 t 電阻消耗的能量：電阻消耗的能量：ttttRuipW00dd4.4.電阻的開路與短路電阻的開路與短路l 能量能量l 短路短路0 0uiGor R 0l 開路開路0 0ui0 Gor Rui下 頁上 頁Riu+u+i00 1.6 1.6 電壓源和電流源電壓源和電流源l電路符號(hào)電路符號(hào)1.1.理想電

13、壓源理想電壓源l定義定義iSu+_下 頁上 頁其兩端電壓總能保持定值或一定其兩端電壓總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其值與流過它的電的時(shí)間函數(shù)，其值與流過它的電流流 i 無關(guān)的元件叫理想電壓源。無關(guān)的元件叫理想電壓源。 電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無關(guān)；電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無關(guān)；與流經(jīng)它的電流方向、大小無關(guān)。與流經(jīng)它的電流方向、大小無關(guān)。 通過電壓源的電流由電源及通過電壓源的電流由電源及外電路共同決定。外電路共同決定。l理想電壓源的電壓、電流關(guān)系理想電壓源的電壓、電流關(guān)系ui)(tuS伏安關(guān)系伏安關(guān)系下 頁上 頁例例Ri-+Su外電路外電路RuiS)( 0Ri)0( Ri

14、電壓源不能短路！電壓源不能短路！0l電壓源的功率電壓源的功率 電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián)；電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián)；+_iu+_SuiuPS 電流（正電荷電流（正電荷 ）由低電）由低電位向高電位移動(dòng)，外力克服電場(chǎng)力作位向高電位移動(dòng)，外力克服電場(chǎng)力作功，電源發(fā)出功率。功，電源發(fā)出功率。 iuPS發(fā)出功率，起電源作用發(fā)出功率，起電源作用物理意義：物理意義：下 頁上 頁+_iu+_Su 電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)；電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)；物理意義：物理意義： 電場(chǎng)力做功，電源吸收功電場(chǎng)力做功，電源吸收功率。率。 iuPS吸收功率，充當(dāng)負(fù)載吸收功率，充當(dāng)負(fù)載例例 計(jì)算圖示電路各元件的功率計(jì)算圖示電路各元件的

15、功率。解解V5)510(RuA155RuiRW5152 RiPRW1011010iuPSVW5) 1(55iuPSV發(fā)出發(fā)出發(fā)出發(fā)出吸收吸收滿足滿足：P（發(fā)發(fā)）P（吸吸）下 頁上 頁5Ri+_Ru+_10V5V-+其輸出電流總能保持定值或一定的其輸出電流總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其值與它的兩端電壓時(shí)間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u 無關(guān)的元件叫理想電流源。無關(guān)的元件叫理想電流源。l 電路符號(hào)電路符號(hào)2.2.理想電流源理想電流源l 定義定義uSi+_下 頁上 頁l 理想電流源的電壓、電流關(guān)系理想電流源的電壓、電流關(guān)系 電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無電流源的輸出電流由電源本身決定，與外

16、電路無關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無關(guān)。關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無關(guān)。 電流源兩端的電壓由電源及外電路共電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定。同決定。ui)(tiS伏安關(guān)系伏安關(guān)系下 頁上 頁0例例Ru-+Si外電路外電路SRiu )0( 0Ru)( Ru電流源不能開路！電流源不能開路！ 可由穩(wěn)流電子設(shè)備產(chǎn)生，如晶體管的集電極可由穩(wěn)流電子設(shè)備產(chǎn)生，如晶體管的集電極電流與負(fù)載無關(guān)；光電池在一定光線照射下光電電流與負(fù)載無關(guān)；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。子被激發(fā)產(chǎn)生一定值的電流等。下 頁上 頁實(shí)際電流源的產(chǎn)生：實(shí)際電流源的產(chǎn)生：l 電流源的功率電流源的功率u+_SiSui

17、P 電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；發(fā)出功率，起電源作用發(fā)出功率，起電源作用SuiP 電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；u+_Si吸收功率，充當(dāng)負(fù)載吸收功率，充當(dāng)負(fù)載SuiP 例例計(jì)算圖示電路各元件的功率。計(jì)算圖示電路各元件的功率。解解A2SiiV5uW10522 uiPSAW10)2(55iuPSV發(fā)出發(fā)出發(fā)出發(fā)出滿足滿足：P（發(fā)）（發(fā)）P（吸）（吸）下 頁上 頁u2Ai+_5V-+下 頁上 頁發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)組下 頁上 頁草原上的風(fēng)力發(fā)電草原上的風(fēng)力發(fā)電1.7 1.7 受控電源受控電源( (非獨(dú)立源非獨(dú)立源) )l 電路符號(hào)電路符號(hào)+受控電壓源受控電

18、壓源1.1.定義定義受控電流源受控電流源下 頁上 頁 電壓或電流的大小和方向不是給定電壓或電流的大小和方向不是給定的時(shí)間函數(shù)，而是受電路中某個(gè)地方的電壓的時(shí)間函數(shù)，而是受電路中某個(gè)地方的電壓(或電或電流流)控制的電源，稱受控源?？刂频碾娫?，稱受控源。 電流控制的電流源電流控制的電流源 ( CCCS ) : : 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù) 根據(jù)控制量和被控制量是電壓根據(jù)控制量和被控制量是電壓u 或電流或電流i，受控源，受控源可分可分四種類型：四種類型：當(dāng)被控制量是電壓時(shí)，用受控電壓當(dāng)被控制量是電壓時(shí)，用受控電壓源表示；當(dāng)被控制量是電流時(shí)，用受控電流源表示。源表示；當(dāng)被控制量是電流時(shí)，用受控電流源表

19、示。2.2.分類分類四端元件四端元件12 ii輸出：受控部分輸出：受控部分輸入：控制部分輸入：控制部分下 頁上 頁 i1+_u2i2_u1i1+g: 轉(zhuǎn)移電導(dǎo)轉(zhuǎn)移電導(dǎo) 電壓控制的電流源電壓控制的電流源 ( ( VCCS ) )12gui 電壓控制的電壓源電壓控制的電壓源 ( ( VCVS ) )12 uu : 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) 下 頁上 頁gu1+_u2i2_u1i1+u1+_u2i2_u1i1+ 電流控制的電壓源電流控制的電壓源 ( ( CCVS ) )12riu r : 轉(zhuǎn)移電阻轉(zhuǎn)移電阻 例例bicibcii 電路模型電路模型下 頁上 頁ri1+_u2i2_u1i1+ibicib3

20、.3.受控源與獨(dú)立源的比較受控源與獨(dú)立源的比較 獨(dú)立源電壓獨(dú)立源電壓( (或電流或電流) )由電源本身決定，與電由電源本身決定，與電路中其它電壓、電流無關(guān)，而受控源電壓路中其它電壓、電流無關(guān)，而受控源電壓( (或或電流電流) )由控制量決定。由控制量決定。 獨(dú)立源在電路中起獨(dú)立源在電路中起“激勵(lì)激勵(lì)”作用，在電路中產(chǎn)作用，在電路中產(chǎn)生電壓、電流，而受控源只是反映輸出端與輸生電壓、電流，而受控源只是反映輸出端與輸入端的受控關(guān)系，在電路中不能作為入端的受控關(guān)系，在電路中不能作為“激勵(lì)激勵(lì)”。下 頁上 頁下 頁上 頁例例求：電壓求：電壓u2。解解Ai2361Viu4610 65125i1+_u2_i

21、1+-3u1=6V1.9 1.9 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流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和基爾霍夫電壓定律( KVL )。它反。它反映了電路中所有支路電壓和電流所遵循的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元件特性構(gòu)成了電路律?；鶢柣舴蚨膳c元件特性構(gòu)成了電路分析的基礎(chǔ)。分析的基礎(chǔ)。下 頁上 頁1.1.幾個(gè)名詞幾個(gè)名詞電路中通過同一電流的分支。電路中通過同一電流的分支。元件的連接點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。元件的連接點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。b=3an=4b+_R1u

22、S1+_uS2R2R3 支路支路電路中每一個(gè)兩端元件就電路中每一個(gè)兩端元件就叫一條支路。叫一條支路。i3i2i1 結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)b=5下 頁上 頁或三條以上支路的連接點(diǎn)稱或三條以上支路的連接點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。為結(jié)點(diǎn)。n=2注意 兩種定兩種定義分別用在不同義分別用在不同的場(chǎng)合。的場(chǎng)合。由支路組成的閉合路徑。由支路組成的閉合路徑。兩結(jié)點(diǎn)間的一條通路。由支兩結(jié)點(diǎn)間的一條通路。由支路構(gòu)成路構(gòu)成對(duì)對(duì)平面電路平面電路，其內(nèi)部不含任，其內(nèi)部不含任何支路的回路稱網(wǎng)孔。何支路的回路稱網(wǎng)孔。l=3123 路徑路徑 回路回路 網(wǎng)孔網(wǎng)孔網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。下 頁上 頁+_R1uS1+_

23、uS2R2R3注意2.2.基爾霍夫電流定律基爾霍夫電流定律 (KCL)令流出為令流出為“+”，有：，有：例例 在集總參數(shù)電路中，任意時(shí)刻，對(duì)任意結(jié)點(diǎn)流在集總參數(shù)電路中，任意時(shí)刻，對(duì)任意結(jié)點(diǎn)流出或流入該結(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和等于零。出或流入該結(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和等于零。mti1b0)(出入ii or流進(jìn)流進(jìn)的電的電流等流等于流于流出的出的電流電流1i5i4i3i2i054321 iiiii54321iiiii 下 頁上 頁0641iii例例0542iii0653iii三式相加得：三式相加得：0321iiiKCL可推廣應(yīng)用于電路中包圍多個(gè)結(jié)點(diǎn)可推廣應(yīng)用于電路中包圍多個(gè)結(jié)點(diǎn)的任一閉合面。的任一閉合面。下 頁上

24、 頁1 3 25i6i4i1i3i2i表明 KCL是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任意結(jié)點(diǎn)處的反映；任意結(jié)點(diǎn)處的反映； KCL是對(duì)支路電流加的約束，與支路上接的是對(duì)支路電流加的約束，與支路上接的是什么元件無關(guān)，與電路是線性還是非線性是什么元件無關(guān)，與電路是線性還是非線性無關(guān)；無關(guān)； KCL方程是按電流參考方向列寫的，與電方程是按電流參考方向列寫的，與電流實(shí)際方向無關(guān)。流實(shí)際方向無關(guān)。下 頁上 頁明確3 3. .基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律 (KVL) 在集總參數(shù)電路中，任一時(shí)刻，沿任一回路在集總參數(shù)電路中，任一時(shí)刻，沿任一回路，所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零。，所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零。mtu1b0)(升降uuor U3U1U2U4下 頁上 頁 標(biāo)定各元件電壓參標(biāo)定各元件電壓參考方向考方向 選定回路繞行方向選定回路繞行方向，順時(shí)針或逆時(shí)針，順時(shí)針或逆時(shí)針. .I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U1US1+U2+U3+U4+US4= 0U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4下 頁上 頁U3U1U2U4I1+US1R1I4_