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1、电路分析基础 电气学院电工电子教学中心瞿龙祥副教授联系方式 2094300113003158680 18916639120qulx qu qulongxiang 2013年秋季 临港校区 教材与时间安排 使用教材与资源 电路基础 校内自编 冯澜主编 电工基础 机械工业出版社 陈菊红主编 电路 高等教育出版社 邱关源主编 电工基础例题与习题册 华东理工大学出版社 王云泉主编 国家精品课程网站教学进程 12月27日课程结束 元旦前后考试周 纯理论教学周数15周 约60教学时辅导时间 周二下午 学习方法与特点比较 1 具有很强的数学特点 电路模型的建立与分析 除了常规的微积分等计算外 还要用到线性代
2、数 图论 集合论等 这里的数学概念与专业物理概念紧密结合在一起的 2 本课程与普通物理有着密切的联系 许多概念直接来自物理学中的电磁学 其它概念的建立也以此为基础 但本课程的专业特色要比普通物理更鲜明 直接 概念也更多 更具体 3 本课程作为专业基础课 与专业课和有些专业基础课相比 其基础性更强 几点关照 独立完成作业是关键课堂离开手机离开饮食是希望作业每周必交必登录10 课堂教学每节必点名10 第一章电路模型和电路定律 主要内容 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
3、的通路 下页 上页 共性 返回 用抽象的理想电路元件及其组合近似替代实际电路部件所构成的模型化电路 反映实际电路的主要电磁现象 2 电路模型 电路图 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 表示将其它形式的能量转变成电能的元件 下页 上页 返回 理想电路元件 有某种确定电磁性能的假想元件 反映实际电路部件的主要电磁性质 规定的电路符号来表示各种理想元件得到的电路模型图 3 电路图 电路原理图 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
4、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 如 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 电压的实际方向是客观存在的 但在较为复杂的电路中往往难以事先判别 所以在分析和计算电路时 常可任意选定某一方向作为参考方向 下页 上页 返回 单位 1kA 103A1mA 10 3A1 A 10 6A A 安培 kA mA A 下页 上页 返回 参考方向 任意假定 1 电流 实际方向 正电荷移动的方向 电流参考方向的两种表示 用箭头表示 箭头的指向为电流的参考方向 用双下标表示 如iAB 电流的参考方向由A指向B 下页 上页 返回 i
5、0 i 0 实际方向 实际方向 电流的参考方向与实际方向的关系 下页 上页 返回 单位 2 电压 实际方向 电位真正降低的方向 下页 上页 V 伏 kV mV V 返回 参考方向 任意假定 电压参考方向的三种表示方式 1 用箭头表示 2 用正负极性表示 3 用双下标表示 U U UAB 下页 上页 返回 下页 上页 返回 电压参考方向与实际方向的关系 1 以后电路分析大都是根据设定的参考方向进行 可不去考虑电流 电压的实际方向 下页 上页 注意 返回 2 分析电路前必须选定并标注电压和电流的参考方向和符号 参考方向一经选定 分析过程中就不能更改 下页 上页 结论 1 参考点是零电位点 可任意选
6、定 一经选定电路中各点的电位就确定了 2 参考点选择不同 电路中同一点的电位会随之而变 但任意两点之间的电压 电位差 电压降 是不变的 3 不指明参考点而谈某点电位是没有意义的 在一个电路系统中同时只能选一个参考点 返回 3 电位 某点电位 VA 是电路中某点 A点 到参考点的电压 关联参考方向 元件的u与i取相同参考方向 关联参考方向 非关联参考方向 i i u u 下页 上页 返回 非关联参考方向 元件的u与i取相同参考方向 1 3电功率和能量 功率的单位 W 瓦 Watt 瓦特 能量的单位 J 焦 Joule 焦耳 下页 上页 返回 W P t1 t0 1度电 1kW h 3 6 106
7、J p ui P UI 电阻p ui i2R u2 R 1 按元件的U和I参考方向及其数值正负确定其U和I的实际方向 下页 上页 返回 判断 元件发出功率 供能 吸收功率 耗能 2 判别 U和I的实际方向相反 电源 供能 U和I的实际方向相同 负载 耗能 基本原则 P供 P耗 电阻负载 耗能 例题 题图所示电路 电流I 2A 电压U1 2V 1 求P1 并判断是供能还是耗能 2 若元件b供能10W 元件c耗能12W 求U2 U3 额定工作状态 电气设备工作在额定值情况下 满载 额定值 额定值是电气设备制造厂对产品规定的使用限额 在给定正常工作条件下设备正常运行而规定的正常容许值 额定值通常都标
8、在产品的铭牌或说明书上 电气设备工作时的实际值不一定等于额定值 但不应过小于额定值 欠载 更不能超过额定值 过载 电源设备不带负载为空载 下页 上页 1 4电路元件 最基本的组成单元 1 电路元件 返回 2 集总电路 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 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 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 注意 线性元件 非线性元件 表征元件端子特性的数学关系式是线性关系 3 元件主要类别 无源元件 有源元件 非电源元件 二端 三端 四端元件等 1 5电阻元件 电阻R反映电
9、路器件消耗电能性能的理想元件 电阻阻值R为常数的是线性电阻元件 否则为非线性电阻元件 1 电阻元件 下页 上页 返回 R电阻 单位 Ohm k M 单位 G电导 G 1 R 单位 S Siemens u i取关联参考方向 下页 上页 伏安特性为一条过原点的直线 返回 2 欧姆定律 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 只适用于线性电阻 R为常数 则欧姆定律写为 u Rii Gu 公式和参考方向必须配套使用 下页 上页 注意 返回 3 开路与短路 短路 开路 下页 上页 0 0 返回 1 6电压源和电流源 电路符号 1 电压源模型 下页 上页 1 理想电压源 两端电压保持定值或一
10、定时间函数 返回 2 6 1实际电源的两种模型 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 直流电压源的伏安关系 下页 上页 外电路 电压源不能短路 0 返回 下页 上页 2 实际电压源 实际电压源也不允许短路 因其内阻小 若短路 电流很大 可能烧毁电源 考虑内阻 伏安特性 U US IRS 注意 返回 电路符号 下页 上页 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 返回 2 电流源模型 1 理想电流源 流过电流保持定值或一定时间函数 电流源两端的电压由电源及外电路共同决定 直流电流源的伏安关系
11、 下页 上页 0 外电路 电流源不能开路 返回 实际电流源也不允许开路 因其内阻大 若开路 电压很高 可能烧毁电源 考虑内阻 伏安特性 I IS U RS 下页 上页 注意 返回 2 实际电流源 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 实际电流源的产生 实际电源介绍 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1 35V 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 燃料电池 化学电源 电
12、池电动势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0 6V 太阳光照射到P N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50cm2太阳能电池的电动势0 6V 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 蓄电池 化学电源 电池电动势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 常要充电 化学反应可逆 下页 上页 返回 直流稳压源 变频器 频率计 函数发生器 下页 上页 返回 发电机组
13、下页 上页 返回 草原上的风力发电 下页 上页 返回 1 7受控电源 受控电压源 受控电流源 受控电源 电压源的电压或电流源的电流的大小和方向受电路中某个电压或电流控制 下页 上页 返回 独立电源 电压源的电压或电流源的电流不受外电路的控制而独立存在 电流控制的电流源 CCCS 电流放大倍数 受控源根据控制量和被控制量是电压u或电流i 可分四种类型 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 四端元件 输出 受控部分 输入 控制部分 下页 上页 返回 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 下页 上页 返回 电流控制的
14、电压源 CCVS r 转移电阻 如 电路模型 下页 上页 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 与电路中其它电压 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 1 当受控源的控制量不存在 为零 时 受控源的输出电压或电流也为零 它不可能如独立电源在电路中单独起作用 注意 2 基尔霍夫定律 两种实际电源模型间的等效变换都适用于含受控源电路 但在等效变换时千万不能把受控源的控制量消除掉 例题 题图所示电路
15、求 电压u2 解 下页 上页 返回 求 两点之间电压 某点电位 1 确定一条计算路径 A B 并用箭头从起点到终点标注路径方向 路径选取原则 选元件少 已知条件齐全的路径 不选含电流源的路径 2 确定路径上各元件的电压方向 并用箭头标注 电阻的电压参考方向取与其电流参考方向相同 电压源的电压参考方向从 指向 3 确定路径上所有元件电压的代数和 即UAB 沿路径方向从起点到终点依次将每个元件的电压代数和 对于元件的电压箭头方向与路径的箭头方向一致时 加上该元件电压 反之则减 假设 求UAB VA A点 起点 B点 参考点 终点 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
16、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 1 几个名词 电路中通过同一电流的分支 支路b 3 a b 支路 结点 下页 上页 三条以上支路的连接点称为结点 结点n 2 返回 由支路组成的闭合路径 由支路构成的通路 平面电路内部不含任何支路的回路 回路l 3 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 注意 返回 网孔l 2 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 注意 返回 3 基尔霍夫电压定律 KVL 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 U1 US1 U2 U3 U4 US4 0 U2 U3 U4 US4 U1
