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1、项目一 直流电路分析,1.1 电路的组成与电路模型 1.2 电路的基本物理量 1.3 电路的状态 1.4 理想电路元件 1.5 基尔霍夫定律 1.6 支路电流法 1.7 叠加定理 1.8 等效电源定理,返回,1. 1 电路的组成与电路模型,1. 1. 1电路的组成 电路的基本功能是实现电能的产生、传输、分配和转换，或者是实现电信号的传递和处理。一个完整的实际电路主要由提供电能的设备(例如发电机、干电池等)、传输电能的设备(例如导线、开关等)和使用电能的设备(例如电灯、电视机、电动机等)三部分组成。 1. 1. 2电路模型 研究电路特性的方法有两种，一种是用电气仪表测量实际的电路;另一种是将实际
2、的电路抽象为电路模型。用理想电路元器件来代替实际电路元器件构成的电路称为电路模型，简称电路。电路模型是用电路元件的图形符号表示的，常称为电路图。电路图则是用规定的元器件图形反映电路的结构。例如，手电筒电路的模型可由如图1一1 (b)所示的电路图表示。,下一页,返回,1. 1 电路的组成与电路模型,如何实现把实际的电路抽象成为电路模型呢?实际电路中发生的物理过程是十分复杂的，电磁现象发生在各器件和导线之中，相互交织在一起。在电路中，不关心器件内部情况，只关心器件端钮上的电压和电流时，可用一些理想化的电路元件来近似模拟器件端钮上的电气特性。,上一页,返回,1. 2 电路的基本物理量,1. 2. 1
3、电流 (1)电流的定义 电流是由带负电荷(电子、负离子)和带正电荷(正离子)粒子的定向运动所形成的。电荷用符号q或者Q表示，单位为库仑(C). (2)电流强度 电流强度表示电流的强弱，其数值等于单位时间内通过导体横截面的电荷量，设在dt时间内通过某一横截面的电荷量为dq，则通过该截面的电流强度为 若电流不随时间变化，即dq/dt=常数，称为恒定电流，简称为直流电流，用大写字母I表示，式(1一1)可写成,下一页,返回,1. 2 电路的基本物理量,电流的国际单位制是安培(A)，也可用千安(KA)、毫安(mA)和微安(uA)，它们之间的关系为 (3)电流的方向 电流不仅有强弱而且有方向，习惯上规定正
4、电荷运动方向或负电荷运动的反方向为电流的正方向。在简单电路中，很容易判断出电流的实际方向，但在复杂的电路中，很难判断电流流过的实际方向，所以引入参考方向的概念。参考方向是电路分析和计算之前，人为任意规定的假定方向，与电流的实际方向无关。当电流的实际方向与参考方向相同时，电流为正值;反之，电流为负值，如图1 -2所示。,上一页,下一页,返回,1. 2 电路的基本物理量,1.2.2电压 (1)电压的定义 电路中电荷移动，就会有能量的交换产生。电路中a, b两点间的电压为单位正电荷从电路的a点移到b点电场力所做的功，用uab表示。设dq是被从a点移到b点正电荷的电荷量，dw是电荷移动过程中所获得或失
5、去的能量，即 若量值和方向不随时间变化的电压称为恒定电压或直流电压，一般用大写字母U表示，式(1 -3)可写为,上一页,下一页,返回,1. 2 电路的基本物理量,换算关系为 (2)电位 在电路中选定一个参考点，电场力把单位正电荷从电路的某一点移到该参考点所做的功称为电位。也就是说，电路中任意一点的电位，是该点与参考点之间的电压。电位的单位也是伏(V)。,上一页,下一页,返回,1. 2 电路的基本物理量,(3)电压的方向 与电流一样，电压有大小也有方向。习惯上规定电压的实际方向为电位降低的方向。在简单电路中很容易判断，但在复杂的电路中很难判断电压的实际方向。为此引入电压的参考方向，当电路两点间电
6、压的实际方向与参考方向相同时，电压为正;反之，电压为负，如图1一3所示。 (4)电压、电流的关联参考方向 分析和计算电路前，必须对电流变量设定电流参考方向，对电压变量设定电压参考方向。电路中二端元件流过的电流和两端电压的参考方向相同时，称为关联参考方向，简称关联方向。反之为非关联参考方向，简称为非关联方向，如图1 -4所示。,上一页,下一页,返回,1. 2 电路的基本物理量,1.2.3电功率 单位时间内电场力所做的功叫作电功率，简称为功率，用P表示，计算式为 在直流电路中，电压、电流均为恒定值，根据欧姆定律U= IR或I = U/lR，式(1一5)可写为,上一页,返回,1. 3 电路的状态,1
7、.3.1通路(负载工作状态) (1)电路中的电流 电路中的电流的计算式为 (2)电源的端电压 电源的端电压的计算式为 若忽略线路上的压降，则负载两端的电压U2等于电源的端电压U1，即,下一页,返回,1. 3 电路的状态,(3)电源的输出功率 负载所吸取的功率为 根据负载大小，电路在通路时又分为三种工作状态:当电气设备的电流等于额定电流时称为满载工作状态;当电气设备的电流小于额定电流时，称为轻载工作状态;当电气设备的电流大于额定电流时，称为过载工作状态。,上一页,下一页,返回,1. 3 电路的状态,1.3.2断路(空载运行状态) 空载运行状态又称断路或开路状态，它是电路的一个极端运行状态，如图1
8、一6所示。 当开关S断开或连线断开时，电源和负载未构成闭合电路，就会发生这种状态，这时外电路所呈现的电阻对电源来说是无穷大，此时: 电路中的电流为零，即I=0 电源的端电压等于电源的恒定电压。即 电源的输出功率P1和负载所吸收的功率P2均为零，即,上一页,下一页,返回,1. 3 电路的状态,1.3.3短路 电路的短路状态如图1 -7所示。电源两端被导线连在一起，电流不再流过负载RL，电路的这种状态称为短路。 当电源短路时，外电路所呈现出的电阻可视为零，故电路具有下列特征: 由于电源内阻一般非常小，所以电源短路时，电流比正常工作时大得多。因此，当发生电源短路时，应及时切断电路，否则将会引起剧烈发
9、热而使电源、导线等烧毁。在电路中应接入过电流保护装置，例如在我们住房的电源进线处安装熔断器或空气短路器就是这个目的。,上一页,返回,1. 4 理想电路元件,1. 4. 1理想有源元件 (1)理想电压源 如果一个两端元件的电流无论为何值，其电压保持常量us或按给定的时间函数us(c)变化，则此两端元件称为理想电压源，简称电压源。电压保持常量的电压源，称为恒定电压源或直流电压源。电压随时间变化的电压源，称为时变电压源。电压随时间周期性变化且平均值为零时的变电压源，称为交流电压源。恒定电压源的符号和VCR特性曲线如图1一8所示。 电压源的特点是其电压由电压源本身特性确定，与所接外电路无关，而电压源的
10、电流尚须由与之相连的外电路共同确定。当电压源的电压为零时，其特性曲线与L轴重合。,下一页,返回,1. 4 理想电路元件,(2)理想电流源(恒流源) 如果一个二端元件的电压无论为何值，其电流保持常量Is或按给定时间函数is（t）变化，则此二端元件称为理想电流源，简称为电流源。电流保持常量的电流源，称为恒定电流源或直流电流源。电流随时间变化的电流源，称为时变电流源。电流随时间周期变化且平均值为零的时变电流源，称为交流电流源。恒定电流源的符号和VCR特性曲线如图1 -9所示。 电流源的特点是其电流由电流源本身特性确定，与所接外电路无关，而电流源的电压尚须由与之相连的外电路共同确定。当电流源的电流为零
11、时，其特性曲线与u轴重合。,上一页,下一页,返回,1. 4 理想电路元件,1.4.2理想无源元件 (1)电阻 电阻元件是电路中最常见的一种元件，它是从实际电阻器件中抽象出来的，如电灯、电炉等。因此电阻元件是一种耗能元件。 若把电阻两端的电压取为纵坐标，电流取为横坐标，取一系列的电压和电流值就得到表示二者函数关系的曲线，这条曲线称为电阻的电压一电流特性曲线。由于电压的单位是伏特，电流的单位是安培，故又称其为伏一安特性曲线。 根据电阻性质不同，分为线性电阻和非线性电阻。在关联参考方向下，线性电阻的伏一安特性是一条通过坐标原点的直线，如图1一10所示。 伏一安特性不是直线的电阻称为非线性电阻。图1一
12、11是二极管的伏一安特性，它对外均呈现非线性电阻特性。,上一页,下一页,返回,1. 4 理想电路元件,当线性电阻上的电压、电流取关联方向时，根据欧姆定律 电阻的特性还可以用另一个参数电导G来表示，电导G表示的是该元件传导电流的能力。电导与电阻的关系为 根据欧姆定律，在关联方向下电阻的消耗功率为,上一页,下一页,返回,1. 4 理想电路元件,(2)电容 电容元件是从实际电容器抽象出来的电路模型。实际电容器通常由两块金属板中间充满绝缘介质构成，电容器加上电压后，两块极板上将出现等量正负电荷，并在两极板间形成电场，储存电场能。当忽略电容器的漏电阻和电感时，可将其抽象为只具有储存电场能量性质的电容元件
13、。电容器极板上储存的电量q与外加电压u成正比，即 在国际单位制中，电容的单位为法(F)。常用单位有皮法(PF）、微法(uF)等，换算关系式为,上一页,下一页,返回,1. 4 理想电路元件,电容元件的分类与电阻元件的分类相似。其特性曲线是通过坐标原点的一条直线的电容元件称为线性电容元件，否则称为非线性电容元件。线性电容元件的符号与特性曲线如图1一12所示。 在分析电路时，要利用电路元件的电压一电流关系(VCR)来建立电路方程，对于线性电容元件来说，在采用电压关联参考方向的情况下，可以得到关系式,上一页,下一页,返回,1. 4 理想电路元件,(3)电感 电感元件是从实际电感线圈抽象出来的电路模型。
14、当电感线圈通以电流时，将产生磁在其内部及周围建立磁场，储存磁场能量。当忽略导线电阻及线圈匝与匝之间的电容可将其抽象为只具有储存磁场能量性质的电感元件。电感上的磁链与电流成正比，即通时 在国际单位制中，电感的单位为亨(H)。当线圈中电流变化率为1 A/s，产生1V的感生电动势时，该电感线圈的电感为1 H。工程上也常采用毫亨(mH)或微亨(uH），换算关系式为,上一页,下一页,返回,1. 4 理想电路元件,电感元件的分类与电容元件分类相似。特性曲线通过原点的一条直线的电感元件称为线性电感元件，否则称为非线性电感元件。线性电感元件的符号与特性曲线如图1一13所示。 在电路分析中，需要知道电路元件的电
15、压一电流的关系，对于线性电感元件来说，在采用电压、电流的关联参考方向的情况下，可以得到,上一页,返回,1.5 基尔霍夫定律,1. 5. 1几个基本概念 支路:电路中通过同一电流且中间不分岔的每个分支称为支路。如图1一14所示电路为一个具有3条支路的电路。 节点:三条和三条以上支路的会集点叫节点。图1一14中有两个节点，即a点和h点;c点、d点不是节点。 回路:由支路所构成的闭合路径称为回路。图1一14中(2, 3)、(1，3，4, 5)及(1，2, 4, 5)均是回路。 网孔:不包含支路的回路称为网孔，图1一14中网孔标号为、。,下一页,返回,1.5 基尔霍夫定律,1.5.2基尔霍夫电流定律(
16、简称KCL ) 基尔霍夫电流定律是用来确定连接在同一节点上的各个支路电流之间的关系。内容为:根据电流连续性原理，任一时刻，流入节点的电流代数和恒等于零。此处，电流的“代数和”是根据电流是流出节点还是流入节点判断的。若流出节点的电流前面取“+”号，则流入节点的电流前面取“一”号，电流是流入节点还是流出节点，均根据电流的参考方向判断。一般规定为:指向节点的电流取正号，背离节点的电流取负号。所以任一节点有: 或在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和，即,上一页,下一页,返回,1.5 基尔霍夫定律,KCL虽是应用于节点的，但也可以推广运用于电路任一假设的封闭面。如图1一16所示三极管中的电流分配基本公式为,上一页,下一页,返回,1.5 基尔霍夫定律,1. 5. 3基尔霍夫电压定律(简称KVL ) 基尔霍夫电压定律是用来确定回路中的各段电压间的关系，内容为:任一时刻，在电路中任一闭合回路内各段电压的代数和恒等于零，即 以图1一15为例，沿A一B一E一D一A回路顺时针方向绕行一周，则按图选定的各元件电压的参考方向，从A点出发绕行一周，有 可写为,上一页,下一页,返
