《电路原理》第一章电路模型和电路定律.ppt

《《电路原理》第一章电路模型和电路定律.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《电路原理》第一章电路模型和电路定律.ppt（70页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第一章电路模型和电路定律,(circuit model),(circuit laws),1.电压、电流的参考方向,3.基尔霍夫定律,重点：,2.电路元件特性,本章要求,充分理解和掌握电流的参考方向和电压的参考极性两个概念；明确电路元件的电压与电流间的关系；熟练掌握基本定律，灵活运用！,主要内容,电路和电路模型电流、电压和功率电路元件基尔霍夫定律,电路的概念,由实际元器件构成的电流的通路称为电路。,1、电路的组成及其功能,1.1 电路和电路模型,电路通常由电源、负载和中间环节（传输控制器件）三部分组成。,电路的组成,1、电路的组成及其功能,电源,连接导线和其余设备为中间环节,负载,电源(sour

2、ce):提供电能或发出电信号的设备,负载(load):消耗电能或接收电信号的装置,传输控制器件：电源和负载中间的连接部分,电路的组成,实现电能的传输、分配与转换 如发电系统、电力传输系统 实现信号的传递变换，存储与处理电视机、电话、雷达信号处理、通信信号处理等,电路的作用,2、电路模型,实体电路,负载,电源,开关,电路模型,电源,负载,中间环节,用抽象的理想电路元件及其组合，近似地代替实际的器件，从而构成了与实际电路相对应的电路模型。,理想电路元件,电阻元件消耗电能的元件,电容元件产生电场，储存电场能量的元件,理想电压源输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定,理想电流源 输出电流恒定，两端电

3、压由它和负载共同决定。,电感元件产生磁场，储存磁场能量的元件,理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似，其电特性单一、精确，可定量分析和计算。,理想电路元件,组成电路模型的最小单元，是具有某种确定的电磁性质并有精确定义的基本结构。,具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，在一定条件下可用同一电路模型表示；同一实际电路部件在不同的应用条件下，其电路模型可以有不同的形式。,例,电感线圈的电路模型,注意,电路中的主要物理量,1.2 电流和电压的参考方向 current and voltage reference direction,1.电流的参考方向(current reference directi

4、on),电流,电流强度,带电粒子有规则的定向运动,单位时间内通过导体横截面的电荷量,单位：A（安培）、kA、mA、A,方向：规定正电荷的运动方向为电流的实际方向，元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:,实际方向,实际方向,A,A,B,B,问题,复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断,参考方向,i 参考方向,任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。,A,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：,A,A,B,B,电流参考方向的表示方法：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 i

5、AB,电流的参考方向由A指向B,2.电压的参考方向(voltage reference direction),电压单位：V(伏)、kV、mV、V,电压方向：电位真正降低的方向,电压：单位正电荷q 从电路中一点移至另一点时电场力做功（W）的大小,电位：单位正电荷q 从电路中一点移至参考点(0）时电场力做功的大小,参考方向 引用原因：复杂电路或交变电路中，两点间电压的实际 方向往往不易判别，给实际电路问题的分析 计算带来困难 定义：假设的电压降低的方向 参考方向与实际方向的关系：,电压参考方向的表示方法：,用箭头表示,用正负极性表示,用双下标表示,元件或支路的u，i 采用相同的参考方向称之为关联参

6、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,关联参考方向:,i,+,-,+,-,i,u,u,小结,(1)参考方向是任意假定的，分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。,(2)参考方向一经选定，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)考方向不同时，其表达式相差一负号，但实际方向不变，以后讨论均在参考方向下进行，不考虑实际方向。,i,例,U,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关联否？,答：A 电压、电流参考方向非关联 B 电压、电流参考方向关联,1.3 电功率(power)和能量,1.电功率：,功率的单位：W(

7、瓦)(Watt，瓦特),单位时间内电场力所做的功。,在t0到t的时间内，元件吸收的能量为：,能量的单位：J(焦)(Joule，焦耳),2、电路吸收或发出功率的判断,u,i 取关联参考方向,P=ui 表示元件吸收的功率,P0 吸收正功率(实际吸收),P0 吸收负功率(实际发出),P=ui 表示元件发出的功率,P0 发出正功率(实际发出),u,i 取非关联参考方向,P0 发出负功率(实际吸收),例,求图示电路中各方框所代表的元件消耗或产生的功率。已知：U1=1V,U2=-3V,U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3VI1=2A,I2=1A,I3=-1A,解,注,对一完整的电路，发出的功率

8、吸收的功率,定义：电路元件是电路中最基本的组成单元。1、电路元件分类按与外部连接的端子数目分为二端，三端，四端元件等。,1.4 电路元件,还可分为线性和非线性元件，时变和时不变元件，无源和有源元件等。,三端元件,二端元件,四端元件,2.集总元件,集总元件假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行。在任何时刻，流入二端元件的一个端子的电流一定等于从另一端子流出的电流，两个端子之间的电压为单值量。集总参数电路满足集总化条件、由集总元件构成的实际电路模型。集总化条件实际电路的尺寸d远小于电路工作时电磁波的波：d 需要指出的是：集总参数电路中u、i可以是时间的函数，但与空间坐标无关，本课程只讨论由集总元件

9、构成的集总参数电路。,几种基本的电路元件：,电阻元件消耗电能的元件,电容元件产生电场，储存电场能量的元件,理想电压源输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定,理想电流源 输出电流恒定，两端电压由它和负载共同决定。,电感元件产生磁场，储存磁场能量的元件,1.5 电阻元件,2.线性时不变电阻元件,电路符号,电阻元件,对电流呈现阻力的元件。其特性可用ui平面上的一条曲线来描述：,任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。,1.定义,伏安特性,下 页,上 页,0,返 回,ui 关系,R 称为电阻，单位：(Ohm),满足欧姆定律,单位,G 称为电导，单位：S(Siemens),u、i 取关联参考方向,下 页

10、,上 页,伏安特性为一条过原点的直线,返 回,(2)如电阻上的电压与电流参考方向非关联公式中应冠以负号,注,说明线性电阻是无记忆、双向性的元 件，又称为静态元件,欧姆定律,(1)只适用于线性电阻，(R 为常数）,则欧姆定律写为,u R i i G u,公式和参考方向必须配套使用！,3.功率和能量,电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。,p u i(-Ri)I i2 R-u2/R(吸收),p u i i2R u2/R(吸收),功率,下 页,上 页,表明,返 回,可用功表示。从 t 到t0电阻消耗的能量：,4.电阻的开路与短路,短路,开路,能量,小结,无源元件、耗能元件,1.,2.电阻是静态元件,3.

11、p u i i2R u2/R(吸收),1.6 电压源和电流源,分类：独立电源(independent source)受控电源(dependent source),电路符号,1.理想电压源,定义,下 页,上 页,其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其值与流过它的电流 i 无关的元件叫理想电压源。,返 回,电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；与流经它的电流方向、大小无关。,通过电压源的电流由电源及外电路共同决定。,电压源的电压、电流关系,直流电压源的伏安关系,下 页,上 页,例,外电路,电压源不能短路！,0,返 回,电压源功率：,电场力做功，电源吸收功率，吸收功率，充当负载或发出负功,电

12、压、电流的参考方向非关联；,物理意义：,外力克服电场力作功，电源发出功率，发出功率，起电源作用,电压、电流的参考方向关联；,物理意义：,例,计算图示电路各元件的功率。,解,(发出),(吸收),(吸收),满足：P（发）P（吸）,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。,实际电压源,考虑内阻,伏安特性,一个好的电压源要求,其输出电流总能保持定值或一定的时间函数，其值与它的两端电压u 无关的元件叫理想电流源。,电路符号,2.理想电流源,定义,下 页,上 页,理想电流源的电压、电流关系,电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关；与它两端电压方向、大小无关。,返 回,电流

13、源两端的电压由电源及外电路共同决定。,直流电流源的伏安关系,下 页,上 页,0,例,外电路,电流源不能开路！,返 回,电流源功率：,电场力做功，电源吸收功率，吸收功率，充当负载或发出负功,电压、电流的参考方向非关联；,物理意义：,外力克服电场力作功电源发出功率，发出功率，起电源作用,电压、电流的参考方向关联；,物理意义：,实际电流源也不允许开路。因其内阻大，若开路，电压很高，可能烧毁电源。,实际电流源,考虑内阻,伏安特性,一个好的电流源要求:,实际电源,干电池,钮扣电池,1.干电池和钮扣电池（化学电源）,干电池电动势1.5V，仅取决于（糊状）化学材料，其大小决定储存的能量，化学反应不可逆。,钮

14、扣电池电动势1.35V，用固体化学材料，化学反应不可逆。,下 页,上 页,返 回,氢氧燃料电池示意图,2.燃料电池（化学电源）,电池电动势1.23V。以氢、氧作为燃料。约40-45%的化学能转变为电能。实验阶段加燃料可继续工作。,下 页,上 页,返 回,3.太阳能电池（光能电源）,一块太阳能电池电动势0.6V。太阳光照射到P-N结上，形成一个从N区流向P区的电流。约 11%的光能转变为电能，故常用太阳能电池板。,一个50cm2太阳能电池的电动势0.6V,电流0.1A,太阳能电池示意图,太阳能电池板,下 页,上 页,返 回,蓄电池示意图,4.蓄电池（化学电源）,电池电动势2V。使用时，电池放电，

15、当电解液浓度小于一定值时，电动势低于2V，常要充电，化学反应可逆。,下 页,上 页,返 回,草原上的风力发电,下 页,上 页,返 回,引入,1.7 受控电源(非独立源),1.7 受控电源(非独立源),电路符号,受控电压源,1.定义,受控电流源,电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是受电路中某个地方的电压(或电流)控制的电源，称受控源。,下 页,上 页,返 回,电流控制的电流源(CCCS),:电流放大倍数,根据控制量和被控制量是电压u 或电流i，受控源可分四种类型,2.分类,四端元件,输出：受控部分,输入：控制部分,下 页,上 页,返 回,g:转移电导,电压控制的电流源(VCCS),电压

16、控制的电压源(VCVS),:电压放大倍数,下 页,上 页,返 回,电流控制的电压源(CCVS),r:转移电阻,例,电路模型,下 页,上 页,返 回,电压控制电压源,电流控制电压源,电压控制电流源,电流控制电流源,3.受控源与独立源的比较,独立源电压(或电流)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(或电流)由控制量决定。,独立源在电路中起“激励”作用，在电路中产生电压、电流，而受控源是反映电路中某处的电压或电流对另一处的电压或电流的控制关系，在电路中不能作为“激励”。,下 页,上 页,返 回,例,求：电压u2,解,下 页,上 页,返 回,1.几个名词,电路中通过同一电流的分支。

17、,元件的连接点称为结点。,b=3,a,n=4,b,支路,电路中每一个两端元件就叫一条支路。,结点,b=5,下 页,上 页,或三条以上支路的连接点称为结点。,n=2,注意,两种定义分别用在不同的场合。,返 回,1.8基尔霍夫定律(Kirchhoffs Laws),由支路组成的闭合路径。,两结点间的一条通路。由支路构成,对平面电路，其内部不含任何支路的回路称网孔。,l=3,3,路径,回路,网孔,网孔是回路，但回路不一定是网孔。,下 页,上 页,注意,返 回,2.基尔霍夫电流定律(KCL),令流出为“+”，有：,例,在集总参数电路中，任意时刻，对任意结点流出（或流入）该结点电流的代数和等于零。,流进

18、的电流等于流出的电流,下 页,上 页,返 回,例,三式相加得：,KCL可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面。,下 页,上 页,表明,返 回,KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任意结点处的反映；,KCL是对结点处支路电流加的约束，与支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；,KCL方程是按电流参考方向列写的，与电流实际方向无关。,下 页,上 页,明确,返 回,3.基尔霍夫电压定律(KVL),下 页,上 页,标定各元件电压参考方向,选定回路绕行方向，顺时针或逆时针.,在集总参数电路中，任一时刻，沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零。,返 回,U1US1+U2+U3+U4

19、+US4=0,U2+U3+U4+US4=U1+US1,或：,R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4,下 页,上 页,KVL也适用于电路中任一假想的回路。,注意,返 回,例,KVL的实质反映了电路遵从能量守恒定律;,KVL是对回路中的支路电压加的约束，与回路各支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；,KVL方程是按电压参考方向列写，与电压实际方向无关。,下 页,上 页,明确,返 回,4.KCL、KVL小结：,KCL是对支路电流的线性约束，KVL是对回路电压的线性约束。,KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。,KCL表明在每一节点上电荷是守恒的；KVL是能量守恒的具体体现(电压与路径无关)。,KCL、KVL只适用于集总参数的电路。,下 页,上 页,返 回,解,解,解,解,选择参数可以得到电压和功率放大,