电路原理A概述ppt精选课件

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1、 电路原理A概述 1 分析方法角度涵盖内容 2 电路类型角度涵盖内容 内容 本章内容 第1章电路模型和电路定律 circuitmodels circuitlaws 3 基尔霍夫定律 KVL KCL 本章重点 1 电压 电流的参考方向 2 电阻元件和电源元件的特性 1 1电路和电路模型 model 1 实际电路 功能 a能量的传输 分配与转换 b信息的传递与处理 共性 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通路装置 组成 电能或电信号的发生器 用电设备 电源 激励或输入 负载 由反映实际电路部件的主要电磁性质的理想电路元件组成 2 电路模型 circuitmode

2、l 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 几种基本的电路元件 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 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 3 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 注 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 1 2电流和电压的参考方向 referencedirection 电

3、路主要的物理量 电流 电压和功率 一 电流 current 1 定义 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 2 分类 恒定电流 单位 1kA 103A1mA 10 3A1 A 10 6A A 安培 kA mA A 交流电流 Chap 8之后讲解 I 也称为直流电流 3 方向 规定正电荷的运动方向为电流的实际方向 元件 导线 中电流流动的实际方向只有两种可能 实际方向 实际方向 A A B B 问题 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 参考方向 i参考方向 任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向 A B i参考方向 i参考方向 i 0

4、 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 A A B B 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 1 电压u 单位 V 伏 kV mV V 二 电压 voltage 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 2 电位v 单位正电荷q从电路中一点移至参考点 v 0 时电场力做功的大小 3 分类 恒定电压 交流电压 Chap 8之后讲解 U 也成为直流电压 例 已知 4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力做功8J 由b点移动到c点电场力做功为12J 求 1 若以b点为参考点 求a b c点

5、的电位和电压Uab Ubc 2 若以c点为参考点 再求以上各值 解 1 以b点为电位参考点 解 2 电路中电位参考点可任意选择 参考点一经选定 电路中各点的电位值就是唯一的 当选择不同的电位参考点时 电路中各点电位值将改变 但任意两点间电压保持不变 结论 以c点为电位参考点 问题 复杂电路或交变电路中 两点间电压的实际方向往往不易判别 给实际电路问题的分析计算带来困难 电压 降 的参考方向 假设高电位指向低电位的方向 4 实际电压方向 电位真正降低的方向 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 元件或支路的u i采用一致的参考方向称之为

6、关联参考方向 关联参考方向 非关联参考方向 三 关联参考方向 i i U U 反之 称为非关联参考方向 注 1 分析电路前必须选定电压和电流的参考方向 2 参考方向一经选定 必须在图中相应位置标注 包括方向和符号 在计算过程中不得任意改变 3 参考方向不同时 其表达式相差一负号 但电压 电流的实际方向不变 i 例 U 电压电流参考方向如图中所标 问 对A B两部分电路电压电流参考方向关联否 答 A电压 电流参考方向非关联 B电压 电流参考方向关联 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 1 功率 power 1 3电功率和能量 2 电

7、路吸收或发出功率的判断 u i取关联参考方向 P ui表示元件吸收的功率 P 0吸收正功率 实际吸收 P 0吸收负功率 实际发出 P ui表示元件发出的功率 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 例 求图示电路中各方框所代表的元件消耗或产生的功率 已知 U1 1V U2 3V U3 8V U4 4V U5 7V U6 3VI1 2A I2 1A I3 1A 解 注 对一完整的电路 满足 发出的功率 吸收的功率 是电路中最基本的组成单元 一 电路元件 5种基本的理想电路元件 注 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

8、性元件 1 4 1 5电路元件 电阻元件 2 线性定常电阻元件 电路符号 对电流呈现阻力的元件 其伏安关系用u i平面的一条曲线来描述 任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件 1 定义 伏安特性 二 电阻元件 u i关系 R称为电阻 单位 欧 Ohm 欧姆 满足欧姆定律 Ohm sLaw 单位 G称为电导 单位 S 西门子 Siemens 西门子 u i取关联参考方向 伏安特性为一条过原点的直线 2 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 注 3 说明线性电阻是无记忆 双向性的元件 欧姆定律 1 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

9、用 3 功率和能量 电阻元件在任何时刻总是消耗功率的 p ui 功率 i2R u2 R 表明 可用功表示 从t0到t电阻消耗的能量 4 电阻的开路与短路 能量 短路 开路 0 实际电阻器 其两端电压总能保持恒定值或确定的时间函数 电压值与流过它的电流i无关的元件 电路符号 1 理想电压源 定义 1 6电压源和电流源 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 伏安关系 例 外电路 电压源不能短路 电压源的功率 电场力做功 电源吸收功率 1 电压 电流的方向非关联 物理意义 电流 正电荷 由低电位向高

10、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 2 电压 电流的方向关联 物理意义 吸收功率 充当负载 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 实际电压源 考虑内阻 伏安特性 一个好的电压源要求 其输出电流总能保持恒定值或确定的时间函数 其值与它的两端电压u无关的元件 电路符号 2 理想电流源 定义 u 1 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 电流源两端的电压由电源及外电路共同决定 理想电流源的电压 电流关系 伏安关系 例 外电路 电流源不能开路 实际电流源的产生 可由稳流电子设备产生 如晶体管的集电极电流与负载

11、无关 光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的电流等 电流源的功率 1 电压 电流的方向非关联 发出功率 起电源作用 2 电压 电流的方向关联 吸收功率 充当负载 例 计算图示电路各元件的功率 解 发出 吸收 满足 P 发 P 吸 2A 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 实际电流源 考虑内阻 伏安特性 一个好的电流源要求 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 氢氧燃料电池示意图 2 燃料电池

12、 化学电源 电池电动势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 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 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 直流稳压源 变频器 频率计 函数发生器 发电机组 草原上的风力发电 电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数

13、 而是受电路中某个地方的电压 或电流 控制的电源 称受控源 电路符号 受控电压源 1 定义 受控电流源 四 受控电源 非独立源 controlledsourceordependentsource 1 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 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 2 分类 四端元件 输出 受控部分 输入 控制部分 g 转移电导 2 电压控制的电流源 VCCS 3 电压控制的电压源 VCVS 电压放大倍数 4 电流控制的电压源 CCVS r 转移电阻 例 电路模型 3 受控源与独立源的

14、比较 1 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 2 独立源在电路中起 激励 作用 在电路中产生电压 电流 而受控源只是反映输出端与输入端的受控关系 在电路中不能作为 激励 例 求 电压u2 解 1 4基尔霍夫定律 Kirchhoff sLaws 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 一 概念 电路中通过同一电流的分支 b 支路的连接点称为节点 n b 3 a n 2 b 1 支路

15、 branch 电路中每一个两端元件就叫一条支路 2 结点 node b 5 由支路组成的闭合路径 l l 3 3 3 回路 loop 二 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 例 三式相加得 表明KCL可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面 明确 1 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映 2 KCL是对支路电流加的约束 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 3 KCL方程是按电流参考方向列写 与电流实际方向无关 2 选定回路绕行方向 顺时针或逆时

16、针 U1 US1 U2 U3 U4 US4 0 3 基尔霍夫电压定律 KVL 在集总参数电路中 任一时刻 沿任一闭合路径绕行 各支路电压的代数和等于零 1 标定各元件电压参考方向 U2 U3 U4 US4 U1 US1 或 R1I1 R2I2 R3I3 R4I4 US1 US4 例 KVL也适用于电路中任一假想的回路 明确 1 KVL的实质反映了电路遵从能量守恒定律 2 KVL是对回路电压加的约束 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 3 KVL方程是按电压参考方向列写 与电压实际方向无关 4 KCL KVL小结 1 KCL是对支路电流的线性约束 KVL是对回路电压的线性约束 2 KCL KVL与组成支路的元件性质及参数无关 3 KCL表明在每一节点上电荷是守恒的 KVL是能量守恒的具体体现 电压与路径无关 4 KCL KVL只适用于集总参数的电路 思考 3 3 解 解 解 选择参数可以得到电压和功率放大