电路模型和电路定律.ppt

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1、电 路,授课教师:王晓燕,江苏师范大学电气工程及自动化学院,第5版,只要涉及到电能的产生、传输和使用的地方，都有电路理论的应用，例如：手电筒、电视机、手机、电动玩具、电力系统、计算机互联网、卫星通信网等等。,绪 论,电力电网,高铁驾驶室,美X-47B无人战机遥控台,仿生四翼飞行机器人,电路分析课程为工科电类专业的专业基础课程，是后续各门专业基础课程、专业课程的前提与基础。,电路分析课程学习的目的与意义,与自动控制原理课程是工科研究生考试必考科目中的二选一关系。,电路,实际电路,电路模型,电路分析,求解方程（代数、常微分、偏微分等）,结果,电路分析课程知识学习思路,学习过程中注意环节,注意解题方

2、法和技巧，书写规范、参数标注规范完整。随堂带作业本，独立完成作业，按时交作业。作业本封皮：姓名、学号,紧跟讲课思路，对关键内容做好笔记。掌握基本概念、基本理论、基本原理和基本分析方法。,课堂理论教学（80学时，5学分）,实验课独立开课,1、平时成绩：占30%（1）考勤：占10%迟到扣分依次递增翻倍：第一次扣0.5分；第2次扣1分；第三次扣2分；第4次扣4分 旷课一次扣5分。（2）课堂表现：占10%上课睡觉一次扣1分，叫不醒者一次扣5分；上课手机应关机，用手机接打电话、收发短信一次扣5分；用手机上网浏览、玩游戏等一次扣10分。）（3）平时作业：占10%；2、期末考核（闭卷）：占70%。,课程考核

3、（百分制）与课堂纪律要求细则,单项扣分超出对应10%后从平时成绩总分值中扣。,学习辅助材料,1、刘崇新，罗先觉 编 电路（第5版）学习指导与习题分析 高等教育出版社2、康巨珍 康晓明 编 电路原理 国防工业出版社3、周守昌主编 电路原理（第2版）高等教育出版社4、胡翔俊主编 电路分析 高等教育出版社5、网络课件、各工科学校对应的精品课程网站资源,1-1 电路和电路模型,1-2 电流和电压的参考方向,1-3 电功率和能量,1-4 电路元件,1-5 电阻元件,1-6 电压源和电流源,1-7 受控电源,1-8 基尔霍夫定律,第一章 电路模型和电路定律,1.电压、电流参考方向的判断,重点：,第一章 电

4、路模型和电路定律,(circuit model),(circuit laws),3.基尔霍夫定律的应用,2.电压源、电流源、受控电源的基本特性,1-1 电路和电路模型（model),（1）实现电能的传输、分配与转换,（2）实现信号的传递与处理,电路的作用：,电路是电流的通路，是为了某种功能需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。,一、实际电路,电路两种表现形式：实际电路、电路模型,由电阻器、电容器、线圈、变压器、晶体管、运算放大器、传输线、电池、发电机和信号发生器等电气器件和设备连接而成的电路，称为实际电路。,电阻器,电容器,线圈,电池,运算放大器,晶体管,简单电路,复杂电路：低频信号发生

5、器的内部结构,实际电路主要由电源、负载、连接导线及开关等构成。,导线,电池（电源）,开关,灯泡（负载）,例 1：,电源(source)：电能或电信号发生器，又被称为“激励源”（激励），提供能量或信号。,负载(load)：用电设备，将电能转化为其它形式能量，或对信号进行处理。,导线(line)、开关（switch）等：将电源与负载接成通路。,由激励所产生的电压和电流称为响应。,手电筒的电路模型,实际电路与电路模型的对应举例,二、电路模型(circuit model),电路模型：由理想电路元件相互连接而成，与实际电路具有基本相同的电磁性质。,理想电路元件：根据实际电路元件所具备的电磁性质所假想的具

6、有某种单一电磁性质的元件，其u，i关系可用简单的数学公式严格表示。,几种基本的电工电路元件：电阻元件、电感元件、电容元件、电源元件,二端元件、三端元件、四端元件等,实际器件的电路模型的建立：用理想电路元件或其组合，模拟实际电 路元器件。,1、集总（参数）元件：每一个二端元件，从其一个端子流入的电流等于从其另一个端子流出的电流；端子间的电压为单值量。,2、集总参数电路：由集总参数元件构成的电路。,每一种集总参数元件被假设集中由一种电磁现象所表征。,三、集总参数元件与集总参数电路（1-4）,分布参数电路（P475 18-1）,1-2 电流和电压的参考方向,一、电路中的主要物理量 主要有电压（u）、

7、电流（i）、电荷（q）、磁通（）、电功率（p）、电能（W）等。,1.电流(current)：电荷的定向运动形成电流。,电流的大小用电流强度表示：单位时间内通过导体截面的电量。,单位：A(安)(Ampere，安培),电流的方向：正电荷移动的方向。（人为规定）,2.电压(voltage)：电场中某两点A、B间的电压(降)UAB，等于电场力将单位正电荷从A点移至B点所做的功。,单位：V(伏)(Volt，伏特),实际电压方向,高电位指向低电位的方向。,二、电流、电压的参考方向(reference direction),1.电流的参考方向,例1：,电路中电流I的实际流向？,实际方向,I,参考方向(人为设

8、定),?,例2：,对于复杂电路或电路中的电流是随时间而变化时，电流的实际方向往往很难事先判断。,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。,i 参考方向,i 参考方向,i 0,i 0,实际方向,实际方向,电流的参考方向与实际方向的关系：,2.电压的参考方向,u 0,u 0,电压参考方向的两种表示方式：,（1）用正负极性表示：由正极指向负极的方向为电压(降低)的参考方向,（2）用双下标表示：如 UAB,由A指向B的方向为电压(降)的参考方向,uAB,实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值为正值；实际方向与参考方向相反

9、，电流(或电压)值为负值。,注意：在参考方向选定后，电流(或电压)值才有正负之分。,若 I=5A，则电流的实际方向从 a 流向 b；,例：,若 I=5A，则电流的实际方向从 b 流向 a。,若 U=5V，则电压的实际方向从 a 指向 b；,若 U=5V，则电压的实际方向从 b 指向 a。,总结：,电路中电压UAB=10V，方向从A指向B（实际方向）。,若U1电压参考方向如当前图中所示，电压参考方向与实际方向相同，则 U1=10V。,若U1电压参考方向如当前图中所示，电压参考方向与实际方向相反，则 U1=-10V。,小结：,（1）分析电路前必须设定或明确电压和电流的参考方向。,（2）参考方向一经

10、选定，必须在图中相应位置标注(包括方向和符号），在计算过程中不得任意改变。,（3）元件或支路的u，i通常采用相同的参考方向以减少公式中负号，称之为关联参考方向。反之，称为非关联参考方向。,关联参考方向,非关联参考方向,u=Ri,u=Ri,（4）参考方向也称为假定方向，以后讨论均在参考方向下进行。,解：对图(a)有,U=IR,例1：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。,对图(b)有,U=IR,例2：电压、电流参考方向如图中所标，问：对A、B两部分电路电压、电流参考方向是否关联？,A元件电压、电流参考方向非关联；B元件电压、电流参考方向关联。,解：,1-3 电功率和能量,一、（电）功率：单

11、位时间内电场力所做的功。,功率的单位：W(瓦)(Watt，瓦特),能量的单位：J(焦)(Joule，焦耳),能量：一段时间内电场力所做的功。从 t0 到 t 电阻消耗的能量：,二、电压、电流采用参考方向时功率的计算和判断,1.u,i 关联参考方向,p=ui 表示元件吸收的功率,P0 吸收功率,P0 发出功率,p=ui 表示元件发出的功率,P0 发出功率,P0 吸收功率,2.u,i 非关联参考方向,吸,发,结论：,1、上述功率计算不仅适用于元件，也适用于任意二端网络；,一端口元件：由一对端钮构成，且满足从一个端钮流入的电流等于从另一个端钮流出的电流。,一端口（one-port）网络（二端网络）:

12、,二端口（two-port）网络:,当一个电路与外部电路通过两个端口连接时称此电路为二端口网络。,2、电阻元件在电路中总是消耗(吸收)功率，而电源在电路中可能吸收，也可能发出功率。,例1:U1=10V，U2=5V。分别求电源、电阻的功率。,I=UR/5=(U1U2)/5=(105)/5=1 A,PR吸=URI=51=5 W,PU1发=U1I=101=10 W,PU2吸=U2I=51=5 W,P发=10 W，P吸=5+5=10 WP发=P吸(功率守恒),R,1-5 电阻元件(resistor),线性电阻元件：任何时刻端电压与其电流成正比的元件。,1.符号,R,（1）电压与电流的参考方向设定一致为

13、关联参考方向,R,u,+,2.欧姆定律(Ohms Law)的表现形式,u R i,R 称为电阻，,电阻的单位：(欧)(Ohm，欧姆),R,伏安特性曲线:,R=cot,线性电阻R是一个与电压和电流无关的常数。,电阻元件的伏安特性为一条过原点的直线,令 G 1/R,G称为电导,则 欧姆定律表示为 i G u,电导的单位：S(西)(Siemens，西门子),（2）电阻的电压和电流的参考方向相反为非关联参考方向,R,u,+,则欧姆定律写为,u Ri 或 i Gu,公式必须和参考方向配合使用！,3.电阻在电路中的特殊情况,开路（断路）：当一个线性电阻元件的端电压不论为何值时，流过它的电流恒为零值。,短路

14、：当流过一个线性电阻元件的电流不论为何值时，它的端电压恒为零值。,R=或 G=0,R=0 或 G=,4.电阻功率,R,u,+,R,结论：电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。,P发 ui(Ri)i i2 R u(u/R)u2/R0,p吸 ui（Ri）i=i2R u2/R,1-6 电压源和电流源（独立电源）,一、（理想）电压源：电源两端电压为uS，其值与流过它的电流 i 无关。,1.特点：,（1）电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；,（2）通过它的电流是任意的，由外电路决定。,直流电压源：表示为“US”，为恒定常数,交流电压源：表示为“uS”，是确定的时间函数，如 uS=Umsint,uS（U

15、S）,电路符号,2.伏安特性,US,（1）若uS=US，即直流电源，则其伏安特性为平行于电流轴的直线，反映电压与 电源中的电流无关。,（2）若uS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是这样。电压为零的电压源，伏安曲线与 i 轴重合，相当于短路元件。,3.（理想）电压源的开路与短路,（1）开路：R，i=0，u=uS。,（2）短路：u=0，与电压源的特性相矛盾，因此理想电压源不允许短路。,*实际电压源也不允许短路。因其内阻小，若短路，电流很大，可能烧毁电源。,u=USRSi,实际电压源,4.电压源功率,i，uS关联，p吸=uSi,i，us非关联，p发 uS i,二、（理想）电流源：,1.特点：,（

16、1）电源电流由电源本身决定，与外电路无关；,（2）电源两端电压是任意的，由外电路决定。,电路符号,直流电流源：表示为“IS”，为恒定常数,交流电流源：表示为“iS”，是确定的时间函数，如 iS=Imsint,电源输出电流为iS，其值与此电源的端电压 u 无关。,2.伏安特性,IS,（1）若iS=IS，即直流电源，则其伏安特性为平行于电压轴的直线，反映电流与端电压无关。,（2）若iS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是这样 电流为零的电流源，伏安曲线与u 轴重合，相当于开路元件,3.（理想）电流源的短路与开路,（2）开路：i=0，与电流源的特性相矛盾，理想电流源不允许开路。,（1）短路：R=0

17、，i=iS，u=0，电流源被短路。,4.电流源功率,iS，u关联，p吸=uiS,i s，u非关联，p发 u iS,注意：首先根据分析计算的需要，在电路图中对将要用到的电压、电流进行字母定义和参考方向的标注！禁:直接数值列式求解！,例1：计算图示电路各元件的功率。,I,+,_,+,_,10V,5V,-,+,UR,解：,发出,吸收,吸收,满足：P发P吸,+US2-,+US1-,R,U,2A,+,_,5V,-,+,例2：计算图示电路各元件的功率。,解：,发出,吸收,满足：P发P吸,IS,US,IS,1-7 受控电源(非独立源),电源分类：,1、电源,实际电源,理想电源,（理想）电压源,（理想）电流源

18、,2、电源,直流电源（DC）,交流电源（AC）,3、电源,独立电源,受控电源,(controlled source or dependent source),定义：电压源电压或电流源电流不是给定的时间函数，而是受电路中某个支路的电压(或电流)的控制。,电路符号：,受控电压源,受控电流源,1.受控电源,例:,ic=b ib用以前讲过的元件无法表示此电流关系，为此引出新的电路模型电流控制的电流源。,一个三极管可以用CCCS模型来表示；CCCS可以用一个三极管来实现。,受控源是一个四端元件（两端口网络）：,输入端口是控制支路，,输出端口是受控支路。,2.分类：,受控电源,电流控制电压源（CCVS）,

19、电流控制电流源（CCCS）,电压控制电流源（VCCS）,电压控制电压源（VCVS）,根据控制量和被控制量是电压u或电流i，受控源可分为四种类型：,:电压放大倍数,（1）电压控制电压源(Voltage Controlled Voltage Source),g:转移电导,（2）电压控制电流源(Voltage Controlled Current Source),r:转移电阻,（3）电流控制电压源(Current Controlled Voltage Source),（4）电流控制电流源(Current Controlled Current Source),:电流放大倍数,3.受控源与独立源的比较,

20、（1）独立源电压（电流）由电源本身决定，与电路中其它电压、电流无关，而受控源电压（电流）直接由控制量决定。,（2）独立源作为电路中“激励”，在电路中产生电压、电流，而受控源只是反映输出端与输入端的关系，在电路中不能作为“激励”。,（3）含受控源电路的分析方法、原理和含独立电源的电路的相同，即先把受控源当作独立源来处理，最后再按照控制量和被控制量的关系进行相关参量的确定。,1-8 基尔霍夫定律,基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律（Kirchhoffs Current LawKCL）和基尔霍夫电压定律（Kirchhoffs Voltage LawKVL）。它反映了电路中所有支路电压和电流的几何约束（

21、拓扑约束）关系，是分析集总参数电路的基本定律。基尔霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。,约束,元件电压电流关系（VCR）,“几何”约束（“拓扑”约束）,(Kirchhoffs Laws),一、基本电路结构名词术语的定义:,1.支路(branch)：电路中通过同一电流的每个分支。(b),2.结点（节点）(node):三条或三条以上支路的连接点称为结点。(n),4.回路(loop)：由支路组成的闭合路径。(l),b=3,3.路径(path)：两结点间的一条通路。路径由支路构成。,5.网孔(mesh)：对平面电路，每个网眼即为网孔。网孔是回路，但回路不一定是网孔。,1,2,3,a,b,l=3,n

22、=2,二、基尔霍夫电流定律(KCL)：在任何集总参数电路中，在任意时刻，对任意结点，所有流出或流入该结点的支路电流的代数和恒等于零。即,物理基础：电荷守恒，电流连续性。,令流出为“+”(支路电流背离结点),i1+i2i3+i4=0i1+i3=i2+i4,i1+i2=10+(12)i2=1A,例1:,47i1=0 i1=3A,例2:,电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。,应用推广:,I=?,例:,广义结点,I=0,IA+IB+IC=0,三、基尔霍夫电压定律(KVL)：,支路:,结点:,网孔:,回路:,6,4,3,7,首先设定回路绕行方向:顺时针或逆时针。,R1I1US1+R2I2R3I3+R4I4+US4=0,例:,如：设为顺时针方向绕行:,基尔霍夫电压定律(KVL)：在任何集总参数电路中，在任一时刻，沿任一闭合路径(按固定绕向)，各部分电压的代数和恒为零。即,-U1-US1+U2-U3+U4+US4=0,KCL、KVL小结：,（1）KCL是对支路电流的线性约束，KVL是对支路电压的线性约束。,（2）KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。,（3）KCL表明在每一结点上电荷是守恒的。,（4）KCL、KVL只适用于集总参数的电路。,KCL、KVL方程式列写练习：,