《电路模型和定律》PPT课件.ppt

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1、电 路,邱关源 主编,课程性质：,电路课程是电子信息、测控、自动化、计,算机等专业学生必修的一门技术基础课。,课程的目的和任务：,通过本课程的学习，使学生掌握,电路的基本理论，学会分析计算电路的基本方法和初,步的实验技能，为后续有关课程准备必要的电路基础,的基础。注重培养学生想象、创新能力。借助电路逻,知识，为今后从事电类各专业的学习和工作打下必备,辑性强，根据章节科学研究的方法，假设、论证、推,理、归纳、结论，使学生得到科学研究的训练。,已知输出输入的条件，,电路理论：,电路分析：,电路综合：,已知电路结构、元件参数，求,电路中的电流、电压和功率。,求元件参数和电路结构。,基础是指基本理论、

2、基本知识和基本技能这三基。,电路理论应具有基础性、应用性和先进性。,应用是指课程内容要理论联系实际，建立系统概念，,培养大家分析和解决问题的能力；重视实验技能的训练。,先修课：,高等数学、普通物理、线性代数、积分变换等。,1-4章：直流电路部分；6-7章：瞬态电路部分； 8-14章：交流电路部分；,先进性是指电路课程内容和体系是随着电路理论的发展不断更新的。,学时：总学时共64学时。其中：理论课54学时, 实 验课10学时。,后续课：,模拟电子技术基础、信号与系统,参考书：李翰荪：电路原理；周庭阳：电路原理等,学习方法：,1、重点放在物理概念和基本分析法。,2、上课注意听讲，下课要看除教材外的

3、其它参考书及做适当的习题。解题前，要对所学内容基本掌握；解题时，要看懂题意，注意分析，用哪个理论和公式以及解题步骤也都要清楚。习题做在本子上，要书写整洁，图要清楚，结果要注明单位。,3、要重视实践技能的培养。,第一章 电路模型和电路定律,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（理想） 1.7 受控电源 1.8 基尔霍夫定律,1.该章的基本要求与基本知识点：,重点：KCL、KVL，关联参考方向。,2.教学重点与难点：,难点：受控源,（1）了解电路模型及理想电路元件的意义；,（2）理解电压、电流参考方向

4、的意义，独立电源、受控源；,（3）理解电路基本定律KCL、KVL并能正确运用；,（4）了解电源的有载工作、开路与短路状态；,（5）掌握分析与计算简单直流电路和电路中各点电位的方法，,功率和能量计算。,1.1 电路和电路模型,定义,电路是电流的通路，是为了某种需要由电路部件或,1. 电路的作用,(1) 实现电能的传输、分配与转换,(2)实现信号的传递与处理,电路器件按一定方式组合而成的。,2. 电路的组成部分,电源、负载和中间环节（连接线或控制设备）。电路组成,电源: 提供 电能的装置,中间环节：传递、分 配和控制电能的作用,负载: 取用 电能的装置,示意图如下：,信号源: 提供信息,信号处理：

5、 放大、调谐、检波等,直流电源: 提供能源,负载,电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动,电路工作；,由激励所产生的电压和电流称为响应。,理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电,中间环节,中间环节,电路模型：,用于分析计算的电路图形。由理想电路元件构成的模型。,忽略次要因素，突出其主要电磁性质的元件,（简称电路）,源元件等。,理想电路元件：,1.2.1 电压、电流的实际方向,Uab=Va- Vb,1.2 电流和电压的参考方向,电流的方向,正电荷运动的方向,电压的方向,电位降的方向,电动势的方向,电位升的方向,电流方向 AB？,电流方向 BA？,问题的提出：在复杂电路中难于判断元件

6、中物理量的实际,方向，电路如何求解？,1.2.2 电路基本物理量的参考方向,1 .参考方向,在分析与计算电路时，对电量任意,2 .参考方向的表示方法,电流：,电压：,假定的方向。,3.实际方向与参考方向的关系,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，电流(或电压)值为负值。,例：,若 I = 5A，则电流从 a 流向 b；,若 I = 5A，则电流从 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 。,注意： 在参考方向选定后，电流 ( 或电压 ) 值才有正负之分。,4.关联与非关联参考

7、方向,若电压参考方向与电流参考方向取得一致，称为关联参考方向；,问题：参考方向不同会不会使得结果不同呢？,设E=4V，R=2，求U、I？,可知R上电压大小为4V，,U=4V、I= -2A,U= -4、I=2A,习惯取法：负载取关联参考方向、电源取非关联参考方向,若电压参考方向与电流参考方向取得相反，称为非关联参考方向。,流过电流大小为2A。,1.3.1能量,t0 t 时间内，电场力将单位正电荷从A点移动,1.3.2 功率,单位时间内的能量变化率称为电功率,1.3 电功率和能量,对于直流： P=UI,到B点所做的功等于电压uAB。,注:上式是在电压、电流为关联参考方向下推得的,在关联参考方向下：

8、如果p0，表示元件吸收功率；,如果p 0，表示元件发出功率。,在非关联参考方向下：如果p0，表示元件发出功率；,如果p 0，表示元件吸收功率。,例1.2,已知i =1A，u1=3V，u2=7V，u3=10V，,求ab、bc、ca三部分电路吸收的功率P1、P2、P3。,解：,（吸收）,（吸收）,（发出）,功率平衡,1. u、i 取关联参考方向,2. u、i 取非关联参考方向,结论：当u、i 的实际方向相同是负载 当u、i 的实际方向相反是电源,功率是有释放、吸收，用以判断此元件是电源还是负载,1.4 电路元件,集总元件：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个端子流出的电流，且两

9、个端子间的电压为单值量,对较长的输电线称为分布电路,电路中的重要假设：,电路尺寸远远小于 电磁波 (electromagnetic wave ) 的波长，称集总电路 (Lumped Circuit),电路元件的分类：,1. 按与外部连接端子的数目分：二端、三端、 四端和多端等。 2. 按能量分：有源元件和无源元件。 3. 按元件的特性分：线性和非线性、时变和非时变等。,1.5.1线性电阻元件：,电阻单位： 欧姆 、,定义： 电导G=1/R，G单位： 西门子、S,欧姆定律：,u、i 关联参考方向 u=Ri,u、i 非关联参考方向 u=Ri,1.5 电阻元件,u、i 关联参考方向 i=Gu,功率与

10、能量,p(t)=u(t)i(t)=Ri2(t)=Gu2(t) = u2(t) /R= i2(t)/G,在关联参考方向下,对于通常所说的电阻（即R0， G0）恒有,从-直到时刻t， 电阻吸收的能量,电阻不仅是无源元件而且是耗能元件。,p(t)0， w(t)0,1.5.2非线性电阻,非线性电阻元件的伏安特性不是通过原点的一条直线。 u=f(i), 或i=h(u),电压源,电流源,定义,理想二端元件,理想二端元件,特性,1、端电压是特定的时间函数，与其中的电流无关。 2、电压源中电流取决于外电路。,1、其中的电流是特定的时间函数，与其端电压无关。 2、电流源的端电压取决于外电路。,电路符号,特例,直

11、流电压源,直流电流源,1.6 电压源和电流源,1.6.1 独立电压源：,特点：,（1）任何时候，电压源两端电压与通过他的电流无关。,（2）电源中的电流由外电路决定。,设: US=10V,当R1 R2 同时接入时， I=10A,电压源不能短路！,1.6.2 独立电流源 （恒流源):,特点：（1）输出电流与电流源两端电压无关,伏 安 特 性,（2）输出电压由外电路决定。,iS(t1),设: IS=1 A,R=10 时， U =10 V,R= 时， U = ,电流源不能开路！,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。,1.7 受控源(非独立

12、电源),1.定义,2.电路符号,受控电压源,受控电流源,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：,3.分类,当被控制量是电压时，用受控电压源表示；,当被控制量是电流时，用受控电流源表示。,受控电源的分类比较,代号,VCVS,VCCS,CCVS,CCCS,名称,电压控制电压源,电压控制电流源,电流控制电压流,电流控制电流源,符号,控制量,被控量,i2,u2,i2,u2,被控支路关系,u1,i1,i1,u1,例：,u1=6V，求电压u2,解：,例:,求开路电压 U。,1.8 基尔霍夫定律,支路：电路中流过同一电流的分支（支路电流）。,结点：三条或三条以上支路的联接点。,回路：由支

13、路组成的闭合路径。,网孔：对平面电路，内部不含支路的回路。,术语,支路：ab、bc、ca、,回路：abda、abca、 adbca ,结点：a、 b、c、d,网孔：,（共6条）,(共4个）,（共7 个）,（共3 个）,abd、 abc、bcd,两类约束,分析图(a), (b)中的u1, i1, u2, i2?,元件性质约束关系,元件性质约束关系与拓扑约束关系是互为独立的,拓扑约束关系（联接方式约束）,1.8.1 基尔霍夫电流定律 (KCL定律),（2）公式： 入= 出,（1）内容：在任一瞬间，流入电路中任一结点电流,（3） 实质: 电流连续性。,或: = 0,对结点 a ：,I1+I2 = I

14、3,或：I1+I2I3= 0,基尔霍夫电流定律（KCL）反映了电路中任一,的和等于流出该结点电流的和。,结点处各支路电流间相互制约的关系。,例1 如图所示电路，已知i1、i2 、 i6，求 i3i4 i5 ？,解：,结论：基尔霍夫定律不仅适用于结点，也适用于闭合面,(4) KCL的推广,任何时刻，流入任意闭合面的电流之和等于流出该闭合面,广义结点,的电流之和。,I =?,例,I = 0,计算图示电路中的未知电流 I 。,解：,2 +(- 3) - 4 - I=0,I= 2 - 3 - 4=-5A,利用扩挂广的KCL列方程,例,规定：支路电压参考方向与回路绕行方向一致为正，反之为负。,1.8.2

15、 基尔霍夫电压定律：（KVL）,对回路1：,对回路2：,US1 = I1 R1 +I3 R3,I2 R2+I3 R3=Us2,或 I1 R1 +I3 R3 US1 = 0,或 I2 R2+I3 R3 US2 = 0,（1）内容：在集总电路中，任何时刻，沿任一回路循行一,（2）公式：,在任何时刻，沿任一回,周电位升之和等于电位降之和。,路循行方向，回路中所有支路电压的代数和恒等于零。,给定回路绕向,（3） 实质: 电压与路径无关。,如图，已知u1=u3=1V，u2=4V，u4=u5=2V，求ux、u6。,解：,对回路有,对回路有,例：,电位升 = 电位降,推广：开口电压可按回路处理,对回路1：,

16、US2 =UBE + I2R2, U = 0 I2R2 US2 + UBE = 0,例：,求电流 i,解：,例：,求电压 u,例:,求电流 i,例:,求电压 u,解:,解:,要求,能熟练求解含源支路的电压和电流。,例：求图中 I、US、R,解：I=6-5 =1A,I1=12+6=18A,I3=18-15=3A,US - 3I1 - 12I3 =0,US - 3I1 15 *1- UR =0,IR=15-1=14A,US=90V,UR=21V R=1.5 ,作业1-10：电路如图所示，试求(1)电流i1和uab【图a】(2)电压ucb【图b】,解：（1）图a中因为,所以 i12.222A,（2）

17、图b中因为,所以,解：,例:,求开路电压 U,1.8.3 电路中电位的概念及计算,电位的计算步骤: (1) 任选电路中某一点为参考点； (2) 标出各电流参考方向并计算； (3) 计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。,电位的概念：,Va = 5V,a 点电位：,Vb = -5V,b 点电位：,为参考点。,标记），此点称,其它各节点对参考点的电压，便是该节点的电位。,记为：“VX”（注意：电位为单下标）。,例求图示电路中各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd 。,解：设 a为参考点， 即Va=0V,Vb=Uba= 106= 60V Vc=Uca = 420 = 80 V Vd =Uda= 65

18、= 30 V,设 b为参考点，即Vb=0V,Va = Uab=106 = 60 V Vc = Ucb = US1= 140 V Vd = Udb = US2 = 90 V,b,a,Uab = 106 = 60 V Ucb = US1 = 140 V Udb = US2= 90 V,Uab = 106 = 60 V Ucb = US! = 140 V Udb = US2= 90 V,结论：,(1)电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中,(2) 电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考,借助电位的概念可以简化电路作图,各点的电位也将随之改变；,点的不同而变， 即与零电位参考点的选取无关。,例 图

19、示电路，计算开关S 断开和闭合时A点的电位VA,解: (1) 当开关S断开时,(2) 当开关闭合时,电路如图（b）,电流 I2 = 0，,电流 I1 = I2 = 0，,电流在闭合 路径中流通,电位 VA = 0V 。,电位 VA = 6V 。,总结： 1、 元件电压与电流参考方向？,2、 电源,电压源,电流源,独立,受控,受控,独立,3、 基尔霍夫定律：,重点,基尔霍夫定律,名称,基尔霍夫电流定律,基尔霍夫电压定律,简称,KCL,KVL,定律内容,在集总电路中任何时刻，流入任意结点的电流之和等于流出该结点的电流之和。,在集总电路中，任何时刻，沿任一回路循行一周，回路中各段电压的代数和等于零：,公式表述,定律说明,可用于一个节点，也可用于一个闭合面。,uk可以认为是元件的电压也可以是支路电压。,物理实质,是电流连续性和电荷守恒的体现,是电压单值性的体现,