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1、南昌航空大学电工电子教研部 第一章 电路模型和电路定律 教学目的和要求：教学目的和要求： 1、理解电路模型的概念； 2、牢固掌握基尔霍夫定律和电路基本元件的 伏安关系； 3、掌握电功率和能量的计算。 重重 点：点： 1、参考方向 2、功率性质的判别 3、电路元件的伏安特性 4、KCL、KVL 难难 点：点： 1、参考方向 2、功率性质的判别 3、KCL、KVL 1.1 电路和电路模型（model) 定义：电器元件或设备按一定方式连接而构成 的电流的通路。 作用：（1）能量转换：实现电能传送、分配 、控制、转换等。 （2）信号处理：实现电信号产生、加 工、传输、变换等。 1、电路概念 发电机 升
2、压 变压 器 降压 变压 器 电灯 电动机 电炉 电力系统电路示意图 输电线 中间环节 负载 放 大 器 话筒 扬声器 扩音机电路示意图 信号源 （1）电能的传输和转换 （2）信号的传递和处理 （1）电源：供给电能的设备。 （2）负载：消耗电能的设备。 （3）中间环节（又称传输控制环节）： 把其它形式的能量转换为电能。 把电能转换为其它形式的能量。 各种控制电器和导线，起传输、分配、 控制电能的作用。 组 成： 2、电路理论主要研究电路中发生的电磁现象 ，并用电流、电荷、电压、磁通、电功率等 物理量描述其中的过程。 3、电路理论的目标是计算电路中各器件的 端子电流和端子间的电压，而不研究器件内
3、 部发生的物理过程。 4、电路分类 线 性 非 线 性 时 变 时 不 变 集中参数 分布参数 静 态 动 态 激励与响应满足叠加性 和齐次性的电路。 电路元件参数不随时间变化。 电路几何尺寸远小于最小工作 波长的电路。 含有动态元件的电路。 f(Hz) 5025k500M30G (m)6x10612k 0.60.01 C=3108m/s U I 开关 E R0 R 干电池 电珠 电路模型 开关 5. 电路模型 (circuit model) v电路模型：理想元件组成的电路。 ？ 实际电路 理想元件：为了对实际电路进行分析研究，把各 种各样的实际电路元件根据其主要物理性质，抽象 成理想化的电路
4、模型元件，这些元件包括电阻元件 、电感元件、电容元件、独立电源元件、受控源元 件、二端口和多端元件等。 理想电阻元件：表示消耗电能的元件 理想电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件 理想电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件 理想电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电 能的元件 注意: l 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模型表示； l 同一实际电路部件在不同的应用条件下 ，其模型可以有不同的形式； 例 1.2 电流和电压的参考方向 (reference direction) 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
5、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 (current reference direction) l电流定义 l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量 a. 实际正方向即物理中规定的方向 正电荷移动的方向 电流方向电流方向 l 单位 1kA=103A 1mA=10-3A 1 A=10-6A A（安培）、kA、 mA、A l 方向 E1 AB R E2 IR 电路分析中的假设方向（参考方向） 问题的提出：在复杂电路中难于判断元件中物理量 的实际方向，电路如何求解？ 电流 AB？ 电流 BA？ b. 参考方向:1.任意假定; 2.若实际方向
6、与参考正方向相同, 则I为正值; 3.若实际方向与参考正方向相反, 则I为负值; I=1A I= - 1A 箭 头 双下标 Iab 电流： c. 表示方法 在分析电路时,首先要假定电流的参考 方向,并以此为准去分析计算,最后从答案 的正负来判定电流的实际方向. = - Iba ba I R l单位 l方向 a.实际方向:从高电位点指向低电位点，即电压 降的方向。 b.参考方向：任意假定；若实际方向与参考正方 向相同,则为正值；否则为负值； 2. 电压的参考方向 (voltage reference direction) l电压定义单位正电荷q 从电路中 一点移至另一点时电场 力做功（W）的大小
7、 V (伏)、kV、mV、V c. 表示方法 u _ +正负号 a b Uab（高电位在前， 低电位在后） 双下标 箭 头 u ab电压 元件的电压和电流取一致的参考方 向；即满足“水”往低处流的方向。 3. 关联参考方向 u U=IR U=IR 电阻上电压电流参考方向不同时，欧姆定律 有不同的表达式： 注意：参考方向是电路课程的重要概念，电路 中电压及电流的描述和计算都是在一定参考方 向下进行，电压及电流的表达式、数值和电路 中电压及电流的参考方向是密切相关的。 电路作业解题计算必须画出电路图并标注电 压电流参考方向！ 关于电路中物理量的方向 实际方向：是一种物理现象（实际存在的）。 电流：
8、正电荷移动的方向。 电压：高电位指向低电位。 关联参考方向：电压、电流的参考方向相互 关联，即只能任意假定两个量中的一个量的 参考（正）方向，另一个物理量的参考（正 ）方向必须以该物理量的参考方向来确定。 参考方向：为分析电路模型而任意假设的电 流、电压方向。可从计算结果验证参考（正 ）方向是否为实际（正）方向。 1.3 电路元件的功率 (power) 1. 电功率 功率的单位：W (瓦) (Watt，瓦特) 能量的单位： J (焦) (Joule，焦耳) 单位时间内电场力所做的功a i R u b 如果u、i方向不一 致结果如何？ 功率有无正负？ 2. 电路吸收或发出功率的判断（方法一） u
9、 u, i 取关联参考方向 u u, i 取非关联参考方向 + - i u p=ui 0 表示该器件吸收功率； p=ui 0 表示该器件吸收功率； P= -（ui ） 0 3.功率和能量 上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗 功率的。 p u i (R i) i i2 R u(u/ R) u2/ R p u i i2R u2 / R 功 率： R u i +- R u i + - R i u + 从 t 到t0电阻消耗的能量： 4.电阻的开路与短路 能量： l 短路 l 开路 u i 1.5 电源元件 (independent source) 1.理想电压源(简称电压源) 能独立向外电路提供
10、恒定电压的二端元件。 i uS + _ a b uab uab 伏安特性 i uS(t1) 伏安特性 i uab US i US + _ a b uab 特点：（1）输出电 压不变，其值恒等于电动势。 即 uab uS (或uab US)； （3）电压源可以开路，但不能短路； （4）电压源可以串联使用。 （2）电源中的电流由外电路决定； i u S + _ a b uab 伏安特性 i uab uS(t1) 伏安特性 i uab US i US + _ a b uab （5）电压源可能发出功率,也可能吸收功率。 + US1 - + US2 - + US - US=US1 + US2 US=US
11、1 -US2 + US1 - - US2 + 电压源中的电流由外电路决定 设: US=10V 当R1 R2 同时接入时： I=10A R2 2 当R1接入时 ： I=5A则： I US + _ a b Uab2 R1 例例1:1: 求下列各电路的等效电源求下列各电路的等效电源 解: + a b U 2 5V (a) + + a b U 5V (c) + (a) a + 5V3 2 U + a + - 2V 5V U+ - b 2 (c) + (6)与电压源并联的电路对其它部分电路来说 相当于开路。 2.理想电流源(简称电流源) 能独立向外电路提供恒定电流的二端元件。 a b i uab is
12、i uab iS(t1) 伏 安 特 性 a b i uab Is i uab IS 伏 安 特 性 + - + - 特点：（1）输出电流不变，其值恒等于电 流源电流 iS； （2）输出电压由外电路决定； （4）电流源可以并联使用； a b i uab is i uab iS(t1) 伏 安 特 性 a b i uab Is i uab IS 伏 安 特 性 （3）电流源不可以开路，但可以短路； （5）电流源可能发出功率，也可能吸收功率。 IS1IS2 IS1IS2 IS IS=IS1+IS2 IS=IS1 - IS2 电流源两端电压由外电路决定 I UIsR 设: IS=1 A R=10 时
13、， U =10 V R=1 时， U =1 V则: 电压源中的电流 如何决定？电流 源两端的电压等 于多少？ I US R _ + a b Uab=? Is 原则：Is不能变，US不能变。 电压源中的电流 I= IS 电流源两端的电压 例题 例例: :求下列电路的等效电源求下列电路的等效电源 解: a U 5A 2 3 b + a 5A b U3 (b) + （6）与电流源串联的电路对其它部分 电路来说相当于短路。 (a) 电压源与电流源特性比较 电压源电流源 不 变 量变 化 量 US + _ a b I Uab Uab = US （常数） Uab的大小、方向均为恒定， 外电路负载对 Uab
14、 无影响。 I a b UabIs I = Is （常数） I 的大小、方向均为恒定， 外电路负载对 I 无影响。 输出电流 I 可变 - I 的大小、方向均 由外电路决定 端电压Uab 可变 - Uab 的大小、方向 均由外电路决定 1、定义：受控电压源的电压和受控电流源的电流 都不是给定的时间函数，而是受电路中某部分的电 压或电流控制的，故受控源又称为非独立电源。 2、电路结构特征：具有两条支路： 电流源或电压源所在支路 受控支路 控制电流或电压所在支路 控制支路 1.6 受控电源 (非独立源) (controlled source or dependent source) 3、受控源电路
15、模型（四端元件）： （1） 电压控制电压源 （2）电压控制电流源 U1 gU1 Voltage Controlled Voltage Source U1 U1 i + _ + _ （VCVS) + _ （VCCS) Voltage Controlled Current Source U2= U1 I2= gU1 例:电子三极管 例:场效应管 g: 转移电导 （具有电导量纲） : 电压放大倍数 （量纲为一） + U2 _ I2 （3） 电流控制电压源 （4） 电流控制电流源 I1I1 Current Controlled Voltage Source （CCVS) i + _ + U1 - +
16、U2 _ I2 I1 I1 + U1 - （CCCS) Current Controlled Current Source U2= I1 I2= I1 例:直流发电机 例:晶体三极管 : 电流放大倍数 （量纲为一） r : 转移电阻 （具有电阻的量纲） 4、受控源特点： （1） 非独立的电源：不能独立向外电路提供能量。 （2） 具有两重性：电源性、电阻性。 注意：独立电源在电路中可以独立地起“激励”作用， 是实际电路电能或电信号的“源泉”。 受控源是描述电子器件中某一支路对另一支路 控制作用的理想模型，表示一处的电路变量与另一 处电路变量之间的耦合关系，本身不直接起“激励” 作用。 支路：流过同一电流 的分支。 节点：两条以上支路 的交汇点。 回路：若干条支路组 成的闭合路径。 6条
