电路第五版第1章-电路模型和电路定律.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电路,电路模型和电路定律,第一章 电路模型和电路定律,电路和电路模型,1-1,电阻元件,1-5,电流和电压的参考方向,1-2,电压源和电流源,1-6,电功率和能量,1-3,受控电源,1-7,电路元件,1-4,基尔霍夫定律,1-8,首 页,本章重点,1.,电压、电流的参考方向,3.,基尔霍夫定律,重点,：,2.,电阻元件和电源元件的特性,返 回,1-1,电路和电路模型,1.,实际电路,功能,(a),能量的传输、分配与转换；,(b),信息的传递、控制与处理。,建立在同一电路理论基础上。,由电工设备和电气器件按预期目的连接构成的电流的通路。,下 页,上 页,共性,返 回,反映实际电路部件的主要电磁,性质的理想电路元件及其组合。,2.,电路模型,导线,电池,开关,白炽灯,电路图,理想电路元件,有某种确定的电磁性能的理想元件。,电路模型,下 页,上 页,返 回,5,种基本的理想电路元件：,电阻元件：,表示消耗电能的元件。,电感元件：,表示产生磁场，储存磁场能量的元件。,电容元件：,表示产生电场，储存电场能量的元件。,电压源和电流源：,表示将其他形式的能量转变成,电能的元件。,5,种,基本理想电路元件有三个特征：,（,a,）,只有两个端子；,（,b,）,可以用电压或电流按数学方式描述；,（,c,）,不能被分解为其他元件。,下 页,上 页,注意,返 回,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。,下 页,上 页,例,电感线圈的电路模型,注意,返 回,1-2,电流和电压的参考方向,电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。,1.,电流的参考方向,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,下 页,上 页,返 回,方向,规定正电荷的 运动方向为电流的实际,方向,单位,1kA=10,3,A,1mA=,10,-3,A,1,A=10,-6,A,A,（安,培,）、,kA,、,mA,、,A,元件,(,导线,),中电流流动的实际方向只有两种可能,:,实际方向,A,B,实际方向,A,B,对于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。,下 页,上 页,问题,返 回,参考方向,大小,方向,(,正负）,电流,(,代数量,),任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。,i,0,i,0,参考方向,u,+,参考方向,u,+,0,吸收正功率,(,实际吸收,),p,0,发出正功率,(,实际发出,),p,0,发出负功率,(,实际吸收,),u,i,取非,关联参考方向,下 页,上 页,+,-,i,u,+,-,i,u,返 回,例,3-1,求图示电路中各方框所代表的元件吸收或发出的功率。,下 页,上 页,已知：,U,1,=1V,U,2,=,-,3V,，,U,3,=8V,U,4,=,-,4V,U,5,=7V,U,6,=,-,3V,，,I,1,=2A,I,2,=1A,，,I,3,=,-,1A,。,5,6,4,1,2,3,I,2,I,3,I,1,+,+,+,+,+,+,U,6,U,5,U,4,U,3,U,2,U,1,返 回,解,对一完整的电路，满足：,发出的功率吸收的功率,下 页,上 页,注意,返 回,5,6,4,1,2,3,I,2,I,3,I,1,+,+,+,+,+,+,U,6,U,5,U,4,U,3,U,2,U,1,下 页,上 页,1-4,电路元件,是电路中最基本的组成单元。,1.,电路元件,返 回,5,种基本的理想电路元件：,电阻元件：,表示消耗电能的元件。,电感元件：,表示产生磁场，储存磁场能量的元件。,电容元件：,表示产生电场，储存电场能量的元件。,电压源和电流源：,表示将其他形式的能量转变成,电能的元件。,注意,如果表征元件端子特性的数学关系式是线性关系，该元件称为线性元件，否则称为非线性元件。,2.,集总参数电路,由集总元件构成的电路,集总元件,假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行。,集总条件,下 页,上 页,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。因此，任何时刻，流入两端元件一个端子的电流等于从另一端子流出的电流；端子间的电压为确定值。,注意,返 回,下 页,上 页,例,i,i,z,集总参数电路,两线传输线的等效电路。,当两线传输线的长度,l,与电磁波的波长满足：,返 回,+,-,下 页,上 页,i,i,z,分布参数电路,当两线传输线的长度,l,与电磁波的波长满足：,返 回,等效电路为,：,+,+,-,-,1-5,电阻元件,2.,线性时不变电阻元件,电路符号,R,电阻元件,对电流呈现阻力的元件。其特性可用,u,-,i,平面上的一条曲线来描述：,i,u,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,O,返 回,u,-,i,关系,R,称为电阻，单位：,(,欧,姆,),满足欧姆定律,单位,G,称为电导，单位,：,S,(,西,门子,),u,、,i,取关联参考方向,下 页,上 页,伏安特性曲线为一条过原点的直线,u,i,O,R,u,i,+,返 回,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。,说明线性电阻是无记忆、双向性的元件。,欧姆定律,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！,下 页,上 页,注意,R,u,i,-,+,返 回,3.,功率和能量,电阻元件在任何时刻总是吸收功率的。,p,u i,(,R i)i,i,2,R,-,u,2,/R,p,u i,i,2,R,u,2,/R,功率,R,u,i,+,-,下 页,上 页,表明,R,u,i,-,+,返 回,u,i,从,t,0,到,t,电阻吸收的能量：,4.,电阻的开路与短路,能量,短路,开路,u,i,下 页,上 页,R,i,u,+,u,+,i,O,O,返 回,下 页,上 页,实际电阻器,返 回,1-6,电压源和电流源,电路符号,1.,理想电压源,定义,i,+,_,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。,理想电压源的电压、电流关系,u,i,直流电压源的伏安特性曲线,下 页,上 页,例,R,i,-,+,外电路,电压源不能短路！,O,返 回,+,_,i,u,+,_,电压源的功率,电压、电流参考方向非关联。,电流（正电荷）由低电位向高电位移动，外力克服电场力作功，电源发出功率。,发出功率，起电源作用,物理意义：,下 页,上 页,+,_,i,u,+,_,电压、电流参考方向关联。,物理意义：,电场力作功，电源吸收功率。,吸收功率，充当负载。,返 回,例,6-1,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,）,下 页,上 页,返 回,i,+,_,+,_,10V,5V,-,+,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,u,+,_,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；与它两端电压的方向、大小无关。,返 回,电流源两端的电压由电源及外电路共同决定。,u,i,直流电流源的伏安特性曲线,下 页,上 页,O,例,R,u,-,+,外电路,电流源不能开路！,返 回,可由稳流电子设备产生，如晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线照射下光电子被激发产生一定值的电流等。,下 页,上 页,实际电流源的产生：,电流源的功率,u,+,_,电压、电流的参考方向非关联。,发出功率，起电源作用。,电压、电流的参考方向关联。,u,+,_,吸收功率，充当负载。,返 回,例,6-2,计算图示电路各元件的功率。,解,发出,发出（实际吸收,10W,）,满足,：,P,（发）,P,（吸）,下 页,上 页,返 回,u,2A,i,+,_,5V,-,+,实际电源,干电池,钮扣电池,1.,干电池和钮扣电池（化学电源）,干电池电动势为,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。,钮扣电池电动势为,1.35V,，用固体化学材料制成，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）,燃料电池电动势为,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为,0.6V,。太阳光照射到,PN,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,50cm,2,太阳能电池的电动势为,0.6V,电流为,0.1A,。,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）,电池电动势为,2V,。使用时，电池放电，当电解液浓度小于一定值时，电动势低于,2V,，常需要充电，化学反应可逆。,下 页,上 页,返 回,直流稳压源,下 页,上 页,返 回,发电机组,下 页,上 页,返 回,风力发电,下 页,上 页,返 回,工业风力发电现场,下 页,上 页,返 回,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，而是受电路中某处的电压,(,或电流,),控制的电源，称为受控电源。,下 页,上 页,返 回,+,四端元件,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：,电压控制电流源、电压控制电压源、,电流控制电流源、电流控用电压源。,2.,分类,输出：受控部分,输入：控制部分,下 页,上 页,返 回,b,i,1,+,_,u,2,i,2,_,u,1,i,1,+,g,:,转移电导,电压控制的电流源,(,VCCS,),电压控制的电压源,(,VCVS,),:,电压放大倍数,gu,1,+,_,u,2,i,2,_,u,1,i,1,+,下 页,上 页,i,1,u,1,+,_,u,2,i,2,_,u,1,+,+,_,返 回,电流控制的电压源,(,CCVS,),r,:,转移电阻,例,电路模型,i,b,i,c,i,b,下 页,上 页,ri,1,+,_,u,2,i,2,_,u,1,i,1,+,+,_,返 回,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，与电路中其他电压、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,7-1,求电压,u,2,。,解,5,i,1,+,_,u,2,_,i,1,+,+,-,3,u,1,=6V,下 页,上 页,返 回,1-8,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律,（,KCL,）,和基尔霍夫电压定律,(,KVL,),。,它反映了电路中所有支路电压和电流所遵循的基本规律，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。,下 页,上 页,返 回,+,_,R,1,u,S1,+,_,u,S2,R,2,R,3,1.,几个名词,电路中通过同一电流的分支,。,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称为一条支路。,i,3,i,2,i,1,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,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,=3,1,2,3,路径,回路,网孔,网孔是回路，但回路不一定是网孔。,下 页,上 页,+,_,R,1,u,S1,+,_,u,S2,R,2,R,3,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应。,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),U,3,U,1,U,2,U,4,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,I,1,+,U,S1,R,1,I,4,_,+,U,S4,R,4,I,3,R,3,R,2,I,2,_,U,1,U,S1,+U,2,+U,3,+U,4,+U,S4,=,0,U,2,+U,3,+U,4,+U,S4,=,U,1,+U,S1,或,R,1,I,1,+R,2,I,2,R,3,I,3,+R,4,I,4,=U,S1,U,S4,下 页,上 页,KVL,也适用于电路中任一假想的回路。,注意,返 回,U,3,U,1,U,2,U,4,I,1,+,U,S1,R,1,I,4,_,+,U,S4,R,4,I,3,R,3,R,2,I,2,_,例,KVL,的实质反映了电路遵从能量守恒。,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的，与电压实际方向无关。,下 页,上 页,明确,a,U,S,b,_,_,-,+,+,+,U,2,U,1,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,表明在每一结点上电荷是守恒的；,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,A,B,+,_,1,3V,+,_,2V,2.,1,1,1,1,1,i,1,i,1,=i,2,?,U,A,=U,B,?,下 页,上 页,思考,I,=0,1.,？,i,2,返 回,下 页,上 页,例,8,-,1,求电流,i,。,解,例,8-2,解,求电压,u,。,返 回,下 页,上 页,+,+,-,-,4V,5V,i,=?,3,+,+,-,-,4V,5V,1A,+,-,u,=?,3,例,8-3,求电流,i,。,例,8-4,求电压,u,。,解,解,要求,能熟练求解含源支路的电压和电流。,返 回,解,下 页,上 页,-10V,10V,+,+,-,-,1A,I,=?,10,例,8-5,求电流,I,。,例,8-6,求电压,U,。,解,4V,+,-,10A,U,=?,2,+,-,3A,I,返 回,I,1,解,下 页,上 页,10V,+,+,-,-,3,I,2,U,=?,I,=0,5,5,-,+,2,I,2,I,2,5,+,-,例,8-7,求开路电压,U,。,返 回,解,选择参数可以实现电压和功率的放大。,+,+,-,I,1,U,=?,R,2,I,1,R,1,U,S,上 页,例,8-8,求输出电压,U,。,返 回,