电路模型和电路定律.ppt

学位课学位课 先修课程：高等数学和大学物理先修课程：高等数学和大学物理 参考书目：参考书目：电路理论基础电路理论基础（第二版）（第二版）.周长源主编周长源主编.高高等教育出版社等教育出版社.电路原理电路原理（上、下册）（上、下册）.周首昌主编周首昌主编.高等高等教育出版社教育出版社.要 求 透彻理解概念透彻理解概念 牢固掌握定理牢固掌握定理 灵活运用方法灵活运用方法“电路是电气工程师的面包和黄油电路是电气工程师的面包和黄油”。目目目目 录录录录1、电路模型和电路定律、电路模型和电路定律4、电路定理、电路定理9、正弦稳态电路的分析、正弦稳态电路的分析2、电阻电路的等效变换、电阻电路的等效变换3、电阻电路的一般分析、电阻电路的一般分析5、含有运算放大器的电阻电路、含有运算放大器的电阻电路6、储能元件、储能元件7、一阶电路和二阶电路的时域分析、一阶电路和二阶电路的时域分析8、相量法、相量法10、含有耦合电感的电路、含有耦合电感的电路13、非正弦周期电流电路和信号的频谱、非正弦周期电流电路和信号的频谱11、电路的频率响应、电路的频率响应12、三相电路、三相电路14、线性动态电路的复频域分析、线性动态电路的复频域分析15、电路方程的矩阵形式、电路方程的矩阵形式16、二端口网络、二端口网络17、非线性电路、非线性电路18、均匀传输线、均匀传输线附录附录A 磁路和铁心线圈磁路和铁心线圈第第1 1章章 电路模型和电路定律电路模型和电路定律电路和电路模型电路和电路模型1.1电阻元件电阻元件1.5电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向1.2电压源和电流源电压源和电流源1.6电功率和能量电功率和能量1.3受控电源受控电源1.7电路元件电路元件1.4基尔霍夫定律基尔霍夫定律1.8首首 页页本章内容本章内容1.1.电压、电流的参考方向电压、电流的参考方向(关联关联与非关联、功率计算、欧姆定律与非关联、功率计算、欧姆定律)3.3.基尔霍夫定律基尔霍夫定律重点：重点：2.2.电阻元件和电源元件的特性电阻元件和电源元件的特性返 回1.1 电路和电路模型电路和电路模型1.实际电路实际电路功能功能a a 能量的传输、分配与转换；能量的传输、分配与转换；b b 信息的传递、控制与处理。信息的传递、控制与处理。建立在同一电路理论基础上。建立在同一电路理论基础上。是为完成某种预期的目的而设计、安是为完成某种预期的目的而设计、安装、运行的，由电路器件（例如晶体装、运行的，由电路器件（例如晶体管、集成电路等）和电路部件（如电管、集成电路等）和电路部件（如电阻器、蓄电池等）相互连接而成，具阻器、蓄电池等）相互连接而成，具有特定的功能。有特定的功能。下 页上 页共性共性返 回2.电路组成电路组成导线导线电电池池开关开关灯泡灯泡l负载：要求输入电能或电信号的器件。将电能转化负载：要求输入电能或电信号的器件。将电能转化为其他形式的能量，或对信号进行处理。如电动机等为其他形式的能量，或对信号进行处理。如电动机等l电源：能够提供电能或电信号的器件。如电池、电源：能够提供电能或电信号的器件。如电池、发电机、电信号发生器等。发电机、电信号发生器等。把实际电路的本质特征抽象出来所形成的把实际电路的本质特征抽象出来所形成的理想化了的电路，与实际电路具有基本相理想化了的电路，与实际电路具有基本相同的电磁性质。是由理想电路元件构成。同的电磁性质。是由理想电路元件构成。3.电路模型电路模型导线导线电电池池开关开关灯泡灯泡电路图电路图l理想电路元件理想电路元件 即在一定条件下对实际元件加以理即在一定条件下对实际元件加以理想化，忽略它的次要的性质，并用一个足以想化，忽略它的次要的性质，并用一个足以表征其主要性能的模型来表示它。表征其主要性能的模型来表示它。l电路模型电路模型下 页上 页返 回具有相同的主要性能的实际电路部件，具有相同的主要性能的实际电路部件，在一定在一定条件下可用同一电路模型表示；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。模型可以有不同的形式。下 页上 页例例电感线圈的电路模型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流和电压的参考方向 电电路路中中的的主主要要物物理理量量有有电电压压、电电流流、电电荷荷、磁磁链链、能能量量、电电功功率率等等。在在线线性性电电路路分分析析中中人人们们主主要要关心的物理量是电流、电压和功率。关心的物理量是电流、电压和功率。1.1.电流的参考方向电流的参考方向电流电流电流强度电流强度带电粒子有规则的定向运动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时间内通过导体横截面的电荷量下 页上 页返 回l方向方向 规定正电荷的运动方向为电流的实际方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向l单位单位1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（安培）、（安培）、kA、mA、A元件元件(导线导线)中电流流动的实际方向只有两种可能中电流流动的实际方向只有两种可能:实际方向实际方向AB实际方向实际方向AB 对于复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电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。流的实际方向往往很难事先判断。下 页上 页问题返 回l参考方向参考方向 大小大小方向方向(正负）正负）电流电流(代数量代数量)任意假定一个正电荷运动的方任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。向即为电流的参考方向。i 0i 0参考方向参考方向U+参考方向参考方向U+0 吸收正功率吸收正功率 (实际吸收实际吸收)P0 发出正功率发出正功率 (实际发出实际发出)P0 发出负功率发出负功率 (实际吸收实际吸收)l u,i 取非取非关联参考方向关联参考方向下 页上 页+-iu+-iu返 回例例 求图示电路中各求图示电路中各方框所代表的元件吸方框所代表的元件吸收或产生的功率。收或产生的功率。下 页上 页已知：已知：U1=1V,U2=-3V，U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V，I1=2A,I2=1A,，I3=-1A 564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1返 回解解对一完整的电路，满足：对一完整的电路，满足：发出的功率吸收的功率发出的功率吸收的功率下 页上 页564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1注意返 回下 页上 页1.4 电路元件电路元件是电路中最基本的组成单元。是电路中最基本的组成单元。1.电路元件电路元件返 回5种基本的理想电路元件：种基本的理想电路元件：电阻元件电阻元件：表示消耗电能的元件表示消耗电能的元件电感元件电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件表示产生磁场，储存磁场能量的元件电容元件电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件表示产生电场，储存电场能量的元件 电压源和电流源电压源和电流源：表示将其它形式的能量转变成表示将其它形式的能量转变成 电能的元件。电能的元件。注意 如果表征元件端子特性的数学关系式是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，否则称为线性关系，该元件称为线性元件，否则称为非线性元件。非线性元件。2.集总参数电路集总参数电路由集总元件构成的电路由集总元件构成的电路集总元件集总元件元件的特性一般可以由端子的电压和元件的特性一般可以由端子的电压和电流间的关系来确定。且这种关系可电流间的关系来确定。且这种关系可以用参数来描述。以用参数来描述。下 页上 页 集总参数电路中集总参数电路中u、i 可以是时间的函数，但与空间坐可以是时间的函数，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；端子间的电压为单值量。等于从另一端子流出的电流；端子间的电压为单值量。与分布参数电路相对，本课程主要针对集总参数电路。与分布参数电路相对，本课程主要针对集总参数电路。注意返 回1.5 电阻元件电阻元件2.线性时不变电阻元件线性时不变电阻元件电路符号电路符号R电阻元件电阻元件对电流呈现阻力的元件。其特性可对电流呈现阻力的元件。其特性可用用ui平面上的一条曲线来描述：平面上的一条曲线来描述：iu任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。1.定义定义伏安伏安特性特性下 页上 页0返 回 ui 关系关系R 称为电阻，单位：称为电阻，单位：(Ohm)满足欧姆定律满足欧姆定律单位单位G 称为电导，单位称为电导，单位：S(Siemens)u、i 取关联取关联参考方向参考方向下 页上 页伏安特伏安特性为一性为一条过原条过原点的直点的直线线ui0Rui+返 回如电阻上的电压与电流参考方向非关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；联，公式中应冠以负号；说明线性电阻是无记忆、双向性的元说明线性电阻是无记忆、双向性的元件。件。欧姆定律欧姆定律只适用于线性电阻只适用于线性电阻(R 为常数为常数）；）；则欧姆定律写为则欧姆定律写为u R i i G u公式和参考方向必须配套使用！公式和参考方向必须配套使用！下 页上 页注意Rui-+返 回3.功率和能量功率和能量电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。p u i(R i)i i2 R -u2/Rp u i i2R u2/R功率功率Rui+-下 页上 页表明Rui-+返 回ui从从 t0 到到 t 电阻消耗的能量：电阻消耗的能量：4.电阻的开路与短路电阻的开路与短路能量能量l 短路短路l 开路开路ui下 页上 页Riu+u+i00返 回下 页上 页实际电阻器实际电阻器返 回 1.6 电压源和电流源电压源和电流源电路符号电路符号1.理想电压源理想电压源定义定义i+_下 页上 页其两端电压总能保持定值或一定其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其值与流过它的电的时间函数，其值与流过它的电流流 i 无关的元件叫理想电压源。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。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通过电压源的电流由电源及外电路共同决定。共同决定。理想电压源的电压、电流关系理想电压源的电压、电流关系ui直流电压源直流电压源的伏安关系的伏安关系下 页上 页例例Ri-+外电路外电路电压源不能短路！电压源不能短路！0返 回电压源的功率电压源的功率电压、电流参考方向非关联；电压、电流参考方向非关联；+_iu+_ 电流（正电荷电流（正电荷 ）由低电位向高）由低电位向高电位移动，外力克服电场力作功，电源发出电位移动，外力克服电场力作功，电源发出功率。功率。发出功率，起电源作用发出功率，起电源作用物理意义：物理意义：下 页上 页+_iu+_电压、电流参考方向关联；电压、电流参考方向关联；物理意义：物理意义：电场力做功，电源吸收功率电场力做功，电源吸收功率吸收功率，充当负载吸收功率，充当负载返 回例例计算图示电路各元件的功率计算图示电路各元件的功率解解发出发出吸收吸收吸收吸收满足满足：P（发发）P（吸吸）下 页上 页i+_+_10V5V-+返 回其输出电流总能保持定值或一定的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时间函数，其值与它的两端电压u u 无关的元件叫理想电流源。无关的元件叫理想电流源。电路符号电路符号2.理想电流源理想电流源定义定义u+_下 页上 页理想电流源的电压、电流关系理想电流源的电压、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。关；与它两端电压方向、大小无关。返 回电流源两端的电压由电源及外电路共电流源两端的电压由电源及外电路共同决定。同决定。ui直流电流源的直流电流源的伏安关系伏安关系下 页上 页0例例Ru-+外电路外电路电流源不能开路！电流源不能开路！返 回下 页上 页电流源的功率电流源的功率u+_电压、电流的参考方向非关联；电压、电流的参考方向非关联；发出功率，起电源作用发出功率，起电源作用电压、电流的参考方向关联；电压、电流的参考方向关联；u+_吸收功率，充当负载吸收功率，充当负载返 回例例计算图示电路各元件的功率计算图示电路各元件的功率解解发出发出发出发出满足满足：P（发）（发）P（吸）（吸）下 页上 页u2Ai+_5V-+返 回实际电源实际电源干电池钮扣电池1.1.干电池和钮扣电池（化学电源）干电池和钮扣电池（化学电源）干电池电动势干电池电动势1.5V，仅取决于（糊状）化学材料，其大小决定储存，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。的能量，化学反应不可逆。钮扣电池电动势钮扣电池电动势1.35V V，用固体化学材料，化学反应不可逆。，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2.2.燃料电池（化学电源）燃料电池（化学电源）电池电动势电池电动势1.23V。以氢、氧作为燃料。约。以氢、氧作为燃料。约40-45%的化学能的化学能转变为电能。实验阶段加燃料可继续工作。转变为电能。实验阶段加燃料可继续工作。下 页上 页返 回3.3.太阳能电池（光能电源）太阳能电池（光能电源）一块太阳能电池电动势一块太阳能电池电动势0.6V。太阳光照射到。太阳光照射到P-N结上，结上，形成一个从形成一个从N区流向区流向P区的电流。约区的电流。约 11%的光能转变为电的光能转变为电能，故常用太阳能电池板。能，故常用太阳能电池板。一个一个50cm2太阳能电池的电动势太阳能电池的电动势0.6V,电流电流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4.4.蓄电池（化学电源）蓄电池（化学电源）电池电动势电池电动势2V。使用时，电池放电，当电解液浓度小。使用时，电池放电，当电解液浓度小于一定值时，电动势低于于一定值时，电动势低于2V，常要充电，化学反应可逆。，常要充电，化学反应可逆。下 页上 页返 回直流稳压源直流稳压源变频器变频器频率计频率计函数发生器函数发生器下 页上 页返 回发电机组发电机组下 页上 页返 回草原上的风力发电草原上的风力发电下 页上 页返 回1.7 受控电源受控电源(非独立源非独立源)电路符号电路符号+受控电压源受控电压源1.定义定义受控电流源受控电流源 电压或电流的大小和方向不是给定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的时间函数，而是受电路中某个地方的电压(或电或电流流)控制的电源，称受控源。控制的电源，称受控源。下 页上 页返 回电流控制的电流源电流控制的电流源 (CCCS):电流放大倍数电流放大倍数 根据控制量和被控制量是电压根据控制量和被控制量是电压u 或电流或电流i，受控源可分，受控源可分四种类型：当被控制量是电压、电流时，用受控电压源表四种类型：当被控制量是电压、电流时，用受控电压源表示；当被控制量是电压、电流时，用受控电流源表示。示；当被控制量是电压、电流时，用受控电流源表示。2.分类分类四端元件四端元件输出：受控部分输出：受控部分输入：控制部分输入：控制部分下 页上 页 i1+_u2i2_u1i1+返 回g:转移电导转移电导 电压控制的电流源电压控制的电流源 (VCCS)电压控制的电压源电压控制的电压源 (VCVS):电压放大倍数电压放大倍数 gu1+_u2i2_u1i1+下 页上 页i1u1+_u2i2_u1+_返 回电流控制的电压源电流控制的电压源 (CCVS)r:转移电阻转移电阻 例例电路模型电路模型ibicib下 页上 页ri1+_u2i2_u1i1+_返 回3.受控源与独立源的比较受控源与独立源的比较独独立立源源电电压压(或或电电流流)由由电电源源本本身身决决定定，与与电电路路中中其其它它电电压压、电电流流无无关关，而而受受控控源源电电压压(或或电电流流)由控制量决定。由控制量决定。独独立立源源在在电电路路中中起起“激激励励”作作用用，在在电电路路中中产产生生电电压压、电电流流，而而受受控控源源是是反反映映电电路路中中某某处处的的电电压压或或电电流流对对另另一一处处的的电电压压或或电电流流的的控控制制关关系系，在电路中不能作为在电路中不能作为“激励激励”。下 页上 页返 回例例求：电压求：电压u2解解5i1+_u2_i1+-3u1=6V下 页上 页返 回1.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 基基尔尔霍霍夫夫定定律律包包括括基基尔尔霍霍夫夫电电流流定定律律 （KCL）和和基基尔尔霍霍夫夫电电压压定定律律(KVL)。它它反反映映了了电电路路中中所所有有支支路路电电压压和和电电流流所所遵遵循循的的基基本本规规律律，是是分分析析集集总总参参数数电电路路的的基基本本定定律律。基基尔尔霍霍夫夫定定律律与与元元件件特特性性构构成成了了电电路路分分析析的的基础。基础。下 页上 页返 回1.1.几个名词几个名词电路中通过同一电流的分支。电路中通过同一电流的分支。元件的连接点称为结点。元件的连接点称为结点。b=3an=4b+_R1uS1+_uS2R2R3支路支路电路中每一个两端元件就叫一条支路。电路中每一个两端元件就叫一条支路。i3i2i1结点结点b=5下 页上 页或三条以上支路的连接点称为结或三条以上支路的连接点称为结点。点。n=2注意 两种定义分别用两种定义分别用在不同的场合。在不同的场合。返 回由支路组成的闭合路径。由支路组成的闭合路径。两结点间的一条通路。由支路构成两结点间的一条通路。由支路构成对平面电路，其内部不含任对平面电路，其内部不含任何支路的回路称网孔。何支路的回路称网孔。l=3123路径路径回路回路网孔网孔网孔是回路，但回路不一定是网孔。网孔是回路，但回路不一定是网孔。下 页上 页+_R1uS1+_uS2R2R3注意返 回2.基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律(KCL)令流出为令流出为“+”，有：，有：例例 在在集集总总参参数数电电路路中中，任任意意时时刻刻，对对任任意意结结点点流流出出（或或流入）该结点电流的代数和等于零。流入）该结点电流的代数和等于零。流进流进的电的电流等流等于流于流出的出的电流电流下 页上 页返 回例例三式相加得：三式相加得：KCL可推广应用于电路中包围多个结点可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面。的任一闭合面。下 页上 页1 3 2表明返 回KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中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；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，与电路是线性还是上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；非线性无关；KCL方程是按电流参考方向列写的，与电方程是按电流参考方向列写的，与电流实际方向无关。流实际方向无关。下 页上 页明确返 回3.基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律(KVL)U3U1U2U4下 页上 页标标定定各各元元件件电电压压参参考方向考方向 选选定定回回路路绕绕行行方方向向，顺时针或逆时针顺时针或逆时针.I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_在在集总参数电路中，任一时刻，集总参数电路中，任一时刻，沿任一回路，所有支沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零路电压的代数和恒等于零。返 回U1US1+U2+U3+U4+US4=0U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4下 页上 页U3U1U2U4I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_KVL也适用于电路中任一假想的回路。也适用于电路中任一假想的回路。注意返 回例例KVL的实质反映了电路遵从能量守恒定律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；还是非线性无关；KVL方程是按电压参考方向列写，与电压实际方程是按电压参考方向列写，与电压实际方向无关。方向无关。下 页上 页明确aUsb_-+U2U1返 回4.KCL、KVL小结小结：KCL是是对对支支路路电电流流的的线线性性约约束束，KVL是是对对回回路电压的线性约束。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。与组成支路的元件性质及参数无关。KCL表表明明在在每每一一节节点点上上电电荷荷是是守守恒恒的的；KVL是是能量守恒能量守恒的具体体现的具体体现(电压与路径无关电压与路径无关)。KCL、KVL只适用于集总参数的电路。只适用于集总参数的电路。下 页上 页返 回i1=i2?UA=UB?下 页上 页思考I=01.？AB+_13V+_2V2.i111111i2返 回下 页上 页例例1求电流求电流 i解解例例2解解求电压求电压 u返 回下 页上 页+-4V5Vi=?3+-4V5V1A+-u=?3例例3求电流求电流 i例例4求电压求电压 u解解解解要求能熟练求解含源支路能熟练求解含源支路的电压和电流。的电压和电流。返 回解解I1下 页上 页-10V10V+-1AI=?10例例5求电流求电流 I例例6求电压求电压 U解解4V+-10AU=?2+-3AI返 回解解下 页上 页10V+-3I2U=?I=055-+2I2 I25+-例例7求开路电压求开路电压 U返 回解解选择参数可以得到电选择参数可以得到电压和功率放大。压和功率放大。+-I1U=?R2 I1R1US上 页例例8求输出电压求输出电压 U返 回