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1、2023/4/3,1,绪论,一、电路理论 电路理论主要研究电路中发生的电磁现象，并用电流（或电荷）、电压（或磁通）等物理量来描述其中的过程。它的目标是计算电路中各元件的端电压和端电流，一般不涉及器件内部的物理过程。先看几个概念：1、电路：由电气元件（或部件）和传输导线为实现某种功能而连接组成的电流通路。其研究方向大体可分为以下三类：,（1）、电力：研究产生电能和充分利用电能的科学。（2）、电子：研究新型电子器件及其应用的科学。（3）、无线电：研究通讯（信）、导航、遥控等的一门科学。电路理论，就是从三电最基本的共性出发，研究电路和磁路的基本规律和分析方法的一门学科。,2023/4/3,2,2、集
2、总电路 集总元件：外形尺寸远远小于工作频率波长的电路元件。若工作频率为50Hz，则为：,集总参数电路：由集总参数元件组成的电路。对音频电路：工作频率f25kHz，最小的波长=12km 对计算机系统：工作频率f=500kHz，最小的波长=0.6km 对于微波电路，由于=1mm 10cm，所以，一般不是集总电路，不宜用我们常用的电路分析方法来分析。集总电路的性质：流入电流i1=流出电流i2 元件两端的电压和电流满足一定的规律基尔霍夫电流、电压定律，只适应于集总电路。,2023/4/3,3,二、电子技术,1、电子技术：是研究电子器件，电子电路与系统及其应用的一门科学技术。2、分类：（1）模拟电子技术
3、：研究模拟信号的放大和处理；（2）数字电子技术：研究数字信号的逻辑变化。3、电子技术的发展：经历了3个时代（1）电子管时代（2）晶体管时代（3）集成电路时代IC,三、本课程的地位和作用,本课程是对高等工科院校非电专业学生进行专业基础教育的技术基础课。通过本课程的学习，使学生掌握电路分析与电子技术方面的基本理论和基本分析方法，了解电路电子技术的应用和发展概况，并受到必要的实验技能训练。在培养学生认真严肃的工作作风和创新精神、思维能力、分析和解决实际问题能力等方面具有重要意义。实验课突出能力训练，为学习后续课程以及从事与本专业有关的工程技术等工作奠定一定的基础。,2023/4/3,4,电子管,电子
4、管收音机,晶体管,集成电路,2023/4/3,5,四、课程特点与要求,1、特点：理论性；实践性，工程性，应用性2、分析方法：定量计算；定性分析，定量估算，实验调整3、学习要求：听，记，做，问,五、参考书目,1、邱关源，电路（第四版），高等教育出版社2、康华光，电子技术（模拟),高等教育出版社3、童诗白，模拟电子技术，清华大学出版社,六、关于考试：（1）上课出勤：0.2（5次点名）（2）课后作业：0.3（10次作业）(3)实验:0.5（4）期末考试：0.7（一次考试）,2023/4/3,6,电路理论第一章 电路的基本概念和基本定律,2023/4/3,7,一、实际电路,1、定义:由电路部件（电阻器
5、，蓄电池等）和电路器件(晶体管，集成电路等)相互连接而成的电流通路装置。具有传输电能或信号，处理信号，控制计算等功能。,如：电力系统中的输电电路、通信系统电路(电话、收音机、电视机、计算机网络)、各种机器设备控制电路等。,11 电路和电路模型,请看下面的例子,2023/4/3,8,信号发生器的电路结构,2023/4/3,9,电路器件：电阻器、电容器、线圈、变压器、晶体管、运算放大器、传输线、电池。,电阻器,电容器,线圈,电池,运算放大器,晶体管,2023/4/3,10,实际电路种类繁多、各式各样，但它们是否具有一些共同的特点或者规律呢？这些特点或规律又是什么呢？我们通过一个简单的例子来进行讨论
6、。,小灯泡电路,2023/4/3,11,电池 产生电能或电信号的部件 电源,灯泡 消耗电能（转化为其它形式的能量）的部件 负载,开关、导线提供电流通路的部件传输环节,实际电路特点：,包含：电源、负载、传输环节,2023/4/3,12,二、理想电路元件和电路模型,实际电路由实际电气部件组成，种类繁多、千变万化，非常复杂，给分析研究带来不便。因此，我们构造了一些假想的电气元件来近似代替实际的电气元件，这就是：,1.理想电路元件:元件具有特定的电磁性质并有精确的数学定义,作用：理想电路元件及其组合可用来模拟或代替实际的电气元件,几种理想电路元件：电阻电感电容电压源电流源,理想电阻：只消耗电能，可模拟
7、灯泡、发热器等。比如R=10,2023/4/3,13,理想电感：只贮存磁场能，可模拟电感元件比如：L=2H 或10mH理想电容：只贮存电场能，可模拟电容元件比如：C=100F理想导线：只传输电流，认为其电阻为0。,2、理想电路模型：由理想元件代替实际元件而组成的电路。,代替实际的具有一定电阻的电感线圈。代替实际的具有一定电阻的电容器。代替实际的具有内阻的电压源，比如电池等。代替所有纯耗能型负载或电器，比如灯泡、电热器等。,2023/4/3,14,三、电路模型,实际电路,实际电气元件,实际导线(传输环节),=,+,电路模型,理想电路元件,理想导线(传输环节),+,=,无损耗导线,注意：本课程今后
8、所讨论的对象就是电路模型，而非实 际电路。为方便起见，并把电路模型简称为电路。,实际电路,电路模型,分析,电气特性,综合,建模,电路模型,主要任务,本课程研究任务,2023/4/3,15,结论：,1.理想电路元件（简称：元件）是假想的，它可模拟或代替实际元件，电路模型由一些理想电路元件用理想导线连结而成。2.研究实际电路必须从先建立电路模型再进行分析，而电路模型具有多种形式，应合理选择。3.今后理想电路元件简称元件，电路模型简称电路,2023/4/3,16,1-2 电路的基本物理量,电流、电压、功率是电路中最基本的物理量，称为电路变量，是我们分析计算的主要目标。,一、电流参考方向,1.实际方向
9、正电荷运动方向,但采用实际方向在电路分析中非常不便，原因：,电流的实际方向随时变化;实际方向往往无法预先确定；,举例说明：,2023/4/3,17,2.参考方向,预先假定的一个方向,若i0,则:,i,或：,或：,i,iab,实际方向,图14a,i,实际方向,图14b,若i0,则:,电流变成一个代数量,2023/4/3,18,例11 求图15a中1 电阻的电流,解：,1.表明电流及参考方向,2.计算：,解：,1.表明电流及参考方向,2.计算：,注意：结果必须注明单位，但计算过程不要写单位！,算出结果后，不需说明电流实际方向！,2023/4/3,19,二、电压参考方向,实际方向高电位指向低电位,参
10、考方向,预先假定的一个方向电压变成一个代数量,2023/4/3,20,例12 图17中,已知u=2V,i=-1A,求 电流i=?iba=?u=?,解：,三、关联参考方向,若同一元件的电流、电压参考方向一致，则成为关联参考方向。,四、作用,当电流或电压变化时，可用函数式或图象表示,计算分析方便,例如：,图18,i,2023/4/3,21,五、电功率(表征电能作功或转化能力大小的一个物理量)1、定义:单位时间内电能作的功（或转化的功）的大小,即能量变化的速率,用“P”表示。单位：瓦特（W）、千瓦（kW）,结论：关联参考方向下：P0，元件吸收功率（电能）P0，元件发出功率（电能）,2023/4/3,
11、22,例题：指出下列各元件是发出还是吸收功率。,关联方向 P0发出功率,关联方向 P0吸收功率,关联方向 P0吸收功率,非关联方向 P0 发出功率,2023/4/3,23,1-3常用元件介绍,理想线性二端元件,一、线性电阻（简称电阻）R 1、定义：任何时刻，元件两端电压电流服从欧姆定律的元件,2、伏安特性及其曲线 在关联参考方向下,3、功率电阻是无源元件，在电路中只能吸收功率。,2023/4/3,24,4、开路 短路 开路情况：基本特征是：,Rab=，相当于回路中接入一个 R=的电阻。如图所示。,短路情况：基本特征是：,Rab=0，相当于回路中接入一个R=0的电阻，如图所示。,2023/4/3
12、,25,当给电容器加上电压源后，电容极板上会聚集电荷q；当把电源从电容器上移开后，电荷并不消失。作用：储存电场能。,特点：存在一定的电荷量,且q+=q_ 电容器两端电压u 电荷量q 有一定的漏电和介质损耗,2、理想电容：认为绝缘电阻为，即介质损耗=0，漏电流=0的电容。元件特性：电路物理量电荷q与电压u呈线性关系。,二、电容元件,1、实际电容器结构:两块导电金属板,用介质绝缘隔开,引出导线,形成电容器,q=Cu,2023/4/3,26,3、伏安特性：在关联参考方向下,（1）ic(t)与duc/dt成正比，即电流和电压的变化率成正比，而与t时刻uc本身的大小无关，当duc/dt发生巨变时，电流很
13、大，当电压不随时间变化时，电流为零。故电容在直流情况下其两端电压恒定，相当于开路.即电容具有通高频,阻低频,通交流隔直流的作用。（2）uc(t)不但与 t 时刻的电流有关，还与t0时刻uc(t0)有关，即电容是记忆元件。,表示：用“C”表示，C为电容常数,表征电容器储存能量的能力。量纲：法拉（F）、微法（F）、皮法（pF）1F=106 F=1012 pF,2023/4/3,27,4、电容的功率和能量,瞬时功率（电容吸收的功率）：,但电容C本身并不消耗能量，它只是将吸收的电能转化为电场能存于其中。,电容的储能：,研究从t0时刻到t 时刻的t 时间内，电容C储存的能量W,2023/4/3,28,说
14、明：,若取t0=0时刻时，电容电压u0=0，此时电容上无储能，则到t时刻时电容上的储能即为电容吸收的能量：,电容为储能元件，它在某时刻储存的电场能为：从表达式可以看出W(t）只与该时刻的uc（t）有关，而与电压的建立过程无关；电容为无源元件，其释放出的能量不会大于储存的能量电容是记忆元件，某时刻t 的电压u（t）不但与t0-t时段内的电流有关，而且还与起始时刻t0的电压u(t0)有关,2023/4/3,29,例题,图示电路中，电压u的变化规律如图所示。试画出电容的电流波形。,解：注意：电容伏安特性中各物理量的量纲要统一。,00.25ms,0.250.75ms，i(t)=0.4A,0.751.2
15、5ms，i(t)=0.4A,画出电流波形如图。,2023/4/3,30,三、电感元件,1、实际电感：,磁通L：线圈通以电流i 后就会产生磁通。单位：韦伯，1韦伯=1特斯拉米2磁通链L：L=N L=L i,L的单位：亨利（H），毫亨（mH），1H=1000 mH L为电感系数,表征电感线圈储存能量的能力。,2、理想电感：无电阻、无漏磁损耗，只有一个电感量参数L的电感。元件特性：电路物理量磁通链L与电流i呈线性关系。L=Li,L和L的方向与i的方向符合右手螺旋法则。根据电磁定律，有,2023/4/3,31,（1）电感两端的电压和电流的变化率成正比，而与t时刻电流的大小无关，当电流发生巨变时，电压很
16、大，当电流不随时间变化时，电压为零。故电感在直流情况下其两端电压为0，相当于短路，即电感具有通低频,阻高频,通直流阻交流的作用。（2)电感电流不但与t时刻的电流有关，还与t0时刻的电流有关有关，即电感是记忆元件。,、伏安特性：（取关联参考方向）,2023/4/3,32,、电感的功率和储能,电感储存的磁场能量：,在微小时间段t,这是在0t时段内电感吸收（即储存）的能量。若t=0时刻电感电流为0，则 t 时刻电感储存的能量即为：,焦耳（J）,说明：电感是储能元件，某时刻电感中储存的磁场能只与该时刻电感的电流有关，而与电流的建立过程无关。同时释放出的能量不会大于储存的能量，故为无源元件。,2023/
17、4/3,33,例题,电感流过的电流波形如图所示，试画出相应的电压波形。,解：分段求解,2023/4/3,34,例题：已知 L=0.5H,i(0)=0,u 的波形如下图所示，试画出i 的波形。,解：,若：0 t1,u(t)=,若：1 t2,若：2 t3,若：k-1 tk,电压 u 的变化波形如图115：,2023/4/3,35,1.电容串联,四、电容电感的串并联,2.电容并联,4.电感并联,3.电感串联,2023/4/3,36,1-4电源,一、电压源,1、理想电压源：两端电压保持特定电压us，而与流过的电流大小、方向以及外电路负载均无关的电路二端元件，内阻为0。,表示符号为：,us可以是直流电源
18、，可以是正弦电源，也可以是方波、三角波、阶梯波等任意波形信号电源。,注：符号字母的意义：字母大写：表示直流不随时间而正负交替，且幅值固定的量。或交流信号的有效值。字母小写：表示（交流）瞬时值方向和幅值均可能随时间而变化的量。有时在不知是直流还是交流，或信号可以是直流也可以是交流信号时,也用小写表示。因为交流包含直流。,2023/4/3,37,2、特点：,端电压us，与电流无关；端电流取决于外电路。,3、实际电压源,比如干电池，当电池不足时，内阻Rs就变大，使得端电压降低。,2023/4/3,38,4、电路中的两种情况,开路：,此时,i0，开路电压 uoc=us,短路：,此时端电压 u0，短路电
19、流,说明:(1)us 为给定电压源函数，等于恒定值时为直流电压源；（2）电压与流过的电流无关；（3）电压源可以发出能量，也可以吸收能量（4）一般情况下，电压源是不允许短路的,2023/4/3,39,二、电流源,1、理想电流源：端口电流总保持规定值is，而与端口电压及外电路性质无关的二端元件，内电导为0，或内阻为。,表示符号：,2、特点,端电流始终保持规定值；端电压取决于外电路。,3、实际电流源,实际电流源的内电导不为0，或Rs，如下图:,2023/4/3,40,由于电流源的内阻Rs一般都很大，因此电流源一般不允许开路。,4、电路中的两种情况,短路：,端电流 i=is。端电压为0。,端电流为0，
20、端电压 u=is Rs，很大。,开路：,2023/4/3,41,例题1、求图示电路中的U1和U2。,U1=2VU2=3V,例题2、求图示电路中的 uL 和 ic2。已知：,解：,2023/4/3,42,三、受控源,1、受控源的概念,在一定的条件下，I c和I b之间总满足：I c=I b。,若在集电极接入合适的负载电阻R，则相对于R来说，左端的电路就相当于一个电流源。此电流源无法用独立源来描述，它受I b控制。,即受控源也称为“非独立电源”，即电源的电压电流为非给定量，而是受电路中其他电压或电流的控制。,2、受控源的分类,控制量可为：电压（Voltage）电流（Current）受控源可为：电压
21、源（Voltage source）电流源（Current source）于是，可组合成四种受控源：,2023/4/3,43,电流控的电压源，简写为 CCVSCurrent controlled voltage source.r量纲为：欧姆（）,电压控的电压源，简写为 VCVS Voltage controlled voltage source.无量纲,电压控的电流源，简写为VCCS Voltage controlled current source.g量纲为：西门子（1/）,电流控的电流源，简写为CCCSCurrent controlled current source。无量纲,u1、i1 电
22、路其它部分的电压、电流，称为控制量。,r,g,为控制系数，是已知量。,2023/4/3,44,例题3、图示电路，求电流i。,解：受控源也是电源，应作为电源处理。,2023/4/3,45,例题4、求：电压u2。,解:,2023/4/3,46,1-5基尔霍夫定律,一、名词介绍,1、支路：流过同一个电流的若干个二端元件的串联组合（或一个二端元件）。,2、节点：三条及三条以上支路的交汇点。,3回路：若干条支路构成的一个闭合通路。右图电路共有6个回路。,4、网孔：对平面电路（任何两条支路都不互相交叉的电路），内部不含支路的回路。图中有3个网孔。,5、网络：包含元件数较多的电路电路和网络可以通用,2023
23、/4/3,47,二、基尔霍夫电流定律（简称KCL）,1、KCL：对于集总电路，任何时刻，对于任意节点，组成该节点的所有支路电流代数和等于0，即：i=0。流出为正，流入为负。或描述为任意时刻对于任意节点i 出=i入。,节点1：,节点2：,2、KCL的推广：集总电路中，任意时刻对于任意一个闭合面，总有i=0，或i 出=i入。,2023/4/3,48,三、基尔霍夫电压定律（KVL）在集总电路中，任何时刻，沿任意回路，所有支路的电压代数和恒等于0，即：u=0。如右下图。,先规定各支路电压，电压电流取关联参考方向；,选回路的绕行方向；,列写KVL方程。,2023/4/3,49,例题：,四、KCL、KVL
24、的意义：,1、物理意义：KCL：是通过实验证明的电荷守恒定律。KVL：是基于物理实验证明的电功率守恒定律。,2、数学意义：,分析计算电路时，最基本的任务就是求出某支路的电压和电流。KCL、KVL正好为我们提供了这些变量的代数方程。因此，KCL、KVL为我们提供了分析电路的根本依据。,3、说明：,KCL：针对某一节点，或针对某一闭合面。KVL：针对某一回路。是拓扑约束仅与各元件的相互联接有关，与元件性质无关。对于集总电路，不论元件是线性的还是非线性的，时变的还是非时变的,KCL、KVL总成立。,求下图电路中各支路电流和u3，以及电源的功率。,2023/4/3,50,解：2个节点，3条支路。如图选l1、l2两个回路。,设各支路电流分别为i1、i2、i3，参考方向如图示。,补充：,解得：i1=0.5A i2=2.5A i3=2A u3=13V,2023/4/3,51,作业：12，13，14，16,17,111,
