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1、,第一章 电路的基本概念The Basic Conception of Circuit,第一章 电路的基本概念,本章主要内容电路及电路模型 电路的基本物理量电功率和电能量无源二端元件有源二端元件受控源基尔霍夫定律,第一章 电路的基本概念,学习目标深刻理解支路上电流、电压参考方向及电流、电压间关联参考方向的概念。理解理想电压源、理想电流源的伏安特性，以及它们与实际电源两种模型的区别。正确运用等效概念和方法来化简和求解电路。了解受控源的特性，会求解含受控源的电路。熟练掌握基尔霍夫电流、电压定律，并能灵活地运用于电路的分析计算。,1.1 电路和电路模型,实际电气装置种类繁多如自动控制设备，卫星接收设
2、备，邮电通信设备等几何尺寸相差也很大如电力系统或通信系统可能跨越省界、国界甚至是洲际的，但集成电路的芯片有的则小如指甲。电路模型为了分析研究实际电气装置的需要和方便，常采用模型化的方法；用抽象的理想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。,1.1 电路和电路模型,实际电路组成：电源：提供电能的能源；负载：即用电装置，它将电能转换为其他形式的能量；导线：连接电源与负载传输电能的金属导线。电路模型在电路中将实际电路中使用电气元器件用理想的模型符号表示。,1.1 电路和电路模型,电路元件按端口可分为：二端元件：电阻、电容、电感三端元件：三极管、场效应管多端元件：受控源
3、、变压器、集成运放电路元件按对外是否提供能量可分为：有源元件：电压源、电流源 无源元件：电阻、电容、电感电路元件按电磁特性可分为：集总元件：电磁过程在元件内部进行非集总元件,三极管,半导体二极管,1.1 电路和电路模型,具有相同的电磁性能，可以用同一模型表示 同一个实际电路部件在不同的应用条件下，它的模型也有不同的形式。,低频电路,高频电路,超高频电路,集总元件,1.2 电路的基本物理量,电流定义：在电场作用下，电荷有规则的移动形成电流。大小：单位：安培（A），简称安。方向：规定为正电荷运动的方向。元件(导线)中电流流动的实际方向有两种可能:,实际方向,实际方向,1kA=103A1mA=10-
4、3A1 A=10-6A,1.2 电路的基本物理量,参考方向：任意选定一个方向即为电流的参考方向。,i 参考方向,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：,1.2 电路的基本物理量,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。为什么要引入参考方向？有些复杂电路的某些支路事先无法确定实际方向。为分析方便，只能先任意标一方向（参考方向），根据计算结果，才能确定电流的实际方向。实际电路中有些电流是交变的，无法标出实际方向。标出参考方向，再加上表达式，才能表示出电流的大小和实际
5、方向。分类：直流电流(DC):大小和方向均不随时间变化的电流,用I来表示；交流电流(AC):大小和方向随时间变化的电流.用i来表示。,1.2 电路的基本物理量,电压定义：电场力把单位正电荷从A点移动到B点所做的功。大小：单位：伏特（V）电位电路中某点的电位，是将单位正电荷沿电路中任一路径到参考点时，电场力所做的功。参考点的电位常设为零。讨论电路中各点的电位时，必须先选定一个参考点，否则无意义。,1.2 电路的基本物理量,电压方向：,+,+,实际方向,实际方向,U,0,0,U,1.2 电路的基本物理量,电压参考方向的三种表示方式：用箭头表示：箭头指向为电压（降）的参考方向用正负极性表示：由正极指
6、向负极的方向为电压(降低)的参考方向用双下标表示：如 UAB,由A指向B的方向为电压(降)的参考方向,U,U,+,A,B,UAB,1.2 电路的基本物理量,电流和电压的参考方向电压和电流的参考方向是任意假定的。分析电路前必须标明。参考方向一经假定，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。参考方向不同时，其表达式符号也不同，但实际方向不变。,u=Riu，i为关联方向,u=Riu，i为非关联方向,1.3 电功率和电能量,电功率定义：单位时间内元件吸收或发出大的电能。单位:瓦特(W)1w=1 J/s 1度=1 kW/h计算：当电流与电压为关联参考方向时，一段电路（或元件）
7、吸收的功率为：p=ui(交流)或 P=UI(直流)物理意义(在u,i取关联参考方向的前提下)p0,该元件或电路吸收(或消耗)电能 P0,该元件或电路产生(或提供)电能当u,I非关联时电功率怎样计算?,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，发出的功率消耗的功率,1.4 无源二端器件,电阻元件电阻模型：电阻值不随其上的电压u、电流i和时间t 变化的电阻，叫线性非时变电阻.,线性非时变电阻模型及伏安特性,非线性非时变电阻模型及伏安特性,1.
8、4 无源二端器件,电阻元件欧姆定律电阻的功率电阻消耗的能量,1.4 无源二端器件,电容元件结构：由两块互相绝缘的金属极板所组成.,单位：法拉（F）,电容C：,1.4 无源二端器件,电容方程电流方程（隔直通交）电压方程（记忆元件）能量方程（储能元件-无源元件）,1.4 无源二端器件,电感元件是实际线圈的理想化模型.电感L：单位：亨利（H）,1.4 无源二端器件,电感方程电压方程（动态元件）电流方程（记忆元件）能量方程（储能元件-无源元件）,1.5 有源二端元件,电压源定义：端电压总能保持定值或一定的时间函数的电源。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。,特点:电源两端的电
9、压由电源本身决定，与外电路无关。通过它的电流是任意的，由外电路决定。,1.5 有源二端元件,伏安特性：电压源的伏安特性曲线是平行于i 轴其值为 uS(t)的直线。,US,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。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。,1.5 有源二端元件,电流源定义：端电流总能保持定值或一定的时间函数的电源。理想电压源：电源输出电流为iS，其值与此电源的端电压 u 无关。,特点:电源电流由电源本身决定，与外电路无关。电源两端电压是任意的，由外电路决定。,1.5
10、 有源二端元件,伏安特性：电流源的伏安特性曲线是平行于u 轴其值为 iS(t)的直线。,IS,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。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。,1.5 有源二端元件,独立源的等效变换电压源的等效：几个电压源相串联的二端电路,可等效成一个电压源，其值为个电压源电压值的代数和。,电压源串联等效,1.5 有源二端元件,电流源的等效：几个电流源并联，可以等效为一个电流源，其值为各电流源电流值的代数和。,请注意:电压值不同的电压源不能并联，电流值不同的电流源不能串联
11、。,1.5 有源二端元件,实际电压源模型:实际电压源与理想电压源是有差别的，它总有内阻，其端电压不为定值，可以用一个电压源与电阻相串联的模型来表征实际电压源。,1.5 有源二端元件,实际电流源模型:实际电流源与理想电流源也有差别，其电流值不为定值，可以用一个电流源与电阻相并联的模型来表征实际电流源。,比较：,1.5 有源二端元件,由电压源变换为电流源：,由电流源变换为电压源：,(2)等效是对外部电路等效，对内部电路是不等效的。,注意,开路的电流源可以有电流流过并联电导Gi。,电流源短路时,并联电导Gi中无电流。,电压源短路时，电阻中Ri有电流；,开路的电压源中无电流流过 Ri；,(3)理想电压
12、源与理想电流源不能相互转换。,表现在,1.6 受控源,受控源定义：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。,受控电压源,受控电流源,:电流放大倍数,分类：根据控制量和被控制量是电压u或电流i，受控源可分为四种基本类型。电流控制的电流源(Current Controlled Current Source),1.6 受控源,电流控制的电压源(Current Controlled Voltage Source),r:转移电阻,g:转移电导,电压控制的电流源(Voltage Controlled Current Source),1.6 受控源,电压控制的电
13、压源(Voltage Controlled Voltage Source),:电压放大倍数,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)直接由控制量决定。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”。,1.7 基尔霍夫定律,支路（branch）:电路中通过同一电流的每个分支。,节点(node):一般三条或三条以上的支路连接点才叫节点.注：短路线两端为同一节点。,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。,回路(path):电路中
14、由支路构成的闭合路径称为回路。,1.7 基尔霍夫定律,基尔霍夫电流定律(KCL)定义：对于集总电路的任一节点，在任一时刻流入该节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。,物理基础:电荷恒定，电流连续性。,1.7 基尔霍夫定律,(其中必有负的电流),KCL可推广到一个封闭面：,1.7 基尔霍夫定律,基尔霍夫电压定律(KVL)定义：对于任何集总电路中的任一回路，在任一瞬间，沿回路的各支路电压的代数和为零。,首先考虑（选定一个)绕行方向：顺时针或逆时针.当元件电压参考方向与路径绕行方向一致时取正号，相反取负号。,1.7 基尔霍夫定律,UAB(沿l1)=UAB(沿l2）电压的单值性（电场用作功与路径无关
15、）,推论：电路中任意两点间的电压等于两点间任一条路径经过的各元件电压的代数和。,1.7 基尔霍夫定律,KCL、KVL小结：KCL是对支路电流的线性约束，KVL是对支路电压的线性约束。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是电位单值性的具体体现(电压与路径无关)。KCL、KVL只适用于集总参数的电路。,例题,例：求下图中各受控源吸收的功率。,解：由KVL得：,由KCL,而,受控电压源3i所吸收得功率：,受控电压源2i所吸收得功率：,节点a：,节点b：,小结,电路模型将实际电路中各元器件都用它们的模型符号表示，这样画出的图形称为电路模型图。本课程研
16、究的电路均为电路模型图。电路中的基本变量电流：电荷有规律的定向移动形成电流.用电流强度来衡量电流的大小.电流的实际方向规定为正电荷运动的方向。电压：即电路中两点之间的电位差。规定电压的实际方向为电位降低的方向；,小结,电功率：即电场力在单位时间内所做的功。计算一端电路吸收的功率：当u、I 为关联方向时，p=ui，当u、I非关联方向时，p=-ui，若p 值为正表示确为吸收功率，为负表示实为提供功率给电路的其他部分。电源电源可分为独立源和受控源两类。独立源包括电流源和电压源，是有源元件，能独立地给电路提供能量。,小结,独立源电压源：其端口电压为定值或一定的时间函数，与流过的电流大小、方向无关；流过电压源的电流的大小、方向是任意的；电流源：其流出的电流是定值或一定的时间函数，与它两端的电压大小、极性无关；电流源两端的电压大小、方向是任意的。受控源也是一种电源，其电压或电流受电路中其他地方的电压或电流的控制。,小结,基尔霍夫定律KCL：对于集总电路的任一节点，在任一时刻流入该节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。,KVL：对于任何集总电路中的任一回路，在任一瞬间，沿回路的各支路电压的代数和为零。,
