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1、电路基础,第1章 电路的基本概念和基本定律,1.1 电路与电路模型 1.2 电路的主要物理量 1.3 电阻元件及欧姆定律 1.4 电压源与电流源 1.5 基 尔 霍 夫 定 律 1.6 电路中各点电位的计算,1.1 电路与电路模型,1.1.1 电路 电路根据其基本功能可以分为两大类。 一类用来实现电能的传输和转换。 另一类用来实现信号的传递和处理。,图1.1 电路示意图,1.1.2 理想电路元件,图1.2 手电筒电路及其电路模型,理想电路元件是一种理想化的模型，简称电路元件。要求这些电路元件只包含单一的电磁关系，即每个元件仅有一个电磁约束关系，且电磁过程均发生在元件内部，所以在任何时刻，从具有
2、两个端钮的理想元件的某一端钮流入的电流恒等于从另一端钮流出的电流，并且元件两个端钮间的电压值也是完全确定的。,图1.3 5种理想电路元件的电路模型,1.1.3 电路模型 实际电路可以由一个或若干个电路元件经理想导体连接起来模拟，这便构成了电路模型。它是由集中参数元件构成的，故称为集中参数电路。,1.2 电路的主要物理量,1.2.1 电流及其参考方向 电荷（电子、离子等）有规则的定向移动形成电流。电流的大小是用单位时间内通过导体某一横截面的电量进行衡量的，称为电流强度，用符号i表示 当电流i的大小和方向均不变时，称为直流电流，简称为直流（DC），常用大写的I表示。,习惯上规定正电荷运动的方向或负
3、电荷运动的反方向为电流的实际方向。在分析与计算电路时，常可任意选定某一方向作为电流的参考方向，或称为正方向。当电流的实际方向与其参考方向一致时，则电流为正值；当电流的实际方向与其参考方向相反时，则电流为负值。,图1.4 电流的参考方向,1.2.2 电压、电位、电动势及其参考方向 电压也是有方向的，它的实际方向习惯上规定为电能减少的方向，即电位降低（从高电位点到低电位点）的方向。,电动势的实际方向习惯上规定为电能增加的方向，即电位升高（从低电位点到高电位点）的方向，也即由电源的负极指向正极。 若参考方向与实际方向一致，则电压、电动势为正值；若不一致，则电压、电动势为负值。,图1.7 电压和电动势
4、的参考方向,选定同一元件的电流参考方向与电压参考方向一致，即电流从电压的正极性端流入该元件而从它的负极性端流出，称为关联参考方向。否则，为非关联参考方向。 图1.8 电压和电流的关联和非关联参考方向,1.2.3 电功率与电能 当元件的电压、电流选取相同的参考方向时，即关联参考方向时有 p=ui 当元件的电压、电流选取不同的参考方向时，即非关联参考方向时有 p=-ui,图1.11 功率的计算图,无论关联或非关联参考方向，都有：当算得的功率为正值,即p0时，则元件吸收（消耗）功率；当算得的功率为负值，即p0时，则元件发出（产生）功率。,1.3 电阻元件及欧姆定律,1.3.1 电阻元件 电路是由元件
5、连接组成的，研究电路时首先要了解各电路元件的性质。表示元件性质的数学关系称为元件约束。电阻元件是一种常见的电路元件，它的性质是用其中的电流与两端电压的代数关系来表征或称为伏安特性（VCR）。,1.3.2 线性电阻元件与欧姆定律 正值线性电阻元件是一种理想电路元件，其伏安特性曲线是通过u、i平面坐标原点且位于、象限的直线，即元件的端电压与电流成正比。这个关系称为欧姆定律。,对于线性电阻元件，若它的电阻为无限大，则当电压是有限值时，其电流总是零，这时就把它称为“开路”；若它的电导为无限大（即电阻为零），则当电流是有限值时，其端电压总是零，这时就把它称为“短路”。电路中两点间用理想导体（电阻为零）连
6、接时，就形成短路。,实际上，所有电阻器、电灯、电炉等器件，它们的伏安特性曲线或多或少都是非线性的。但在一定条件下，这些器件（特别是绝大多数金属膜电阻器、碳膜电阻器、线绕电阻器等）的伏安特性近似为一直线，所以用线性电阻元件作为它们的电路模型不会引起明显的误差。,1.3.3 线性电阻元件的功率 线性电阻元件总是消耗电能的，而不可能放出电能。 当电阻值一定时，电阻消耗的功率与电流（或电压）的平方成正比，而不是电流（或电压）的线性函数。,1.3.4 电气设备的额定值 各种电气设备或元器件的电压、电流及功率都规定一个限额，这个限额值就称为电气设备的额定值，包括额定电压、额定电流和额定功率，分别用UN、I
7、N、PN表示。额定值是制造厂家为了使电气设备安全、经济运行而规定的容许值。由于功率、电压和电流之间有一定的关系，所以在给出额定值时，没有必要全部给出。例如对灯泡、电烙铁等通常只给出额定电压和额定功率，而对于电阻器除电阻值外，只给出额定功率。,大多数电气设备（如电动机、变压器等）的寿命与其绝缘材料的耐热性及绝缘强度有关。当电流超过额定值时，会引起电气设备的温升升高，严重时可使绝缘材料过热，绝缘性能下降甚至损坏。另外电压过高有可能击穿绝缘材料。反之，当电流、电压的实际值远小于额定值时，电气设备得不到充分利用，功耗增大，效率降低。,根据电气设备电压、电流和功率实际值与其额定值的大小关系，电气设备可能
8、有三种运行状态：当电压、电流和功率的实际值小于其额定值时，称电气设备为欠载（或轻载）运行状态；当电压、电流和功率的实际值大于其额定值时，称电气设备为过载（或超载）运行状态；当电压、电流和功率的实际值等于其额定值时，称电气设备为满载运行状态（或额定工作状态）。电气设备只有在额定状态下工作，才最经济合理、安全可靠。,1.4 电压源与电流源,将各种实际电源发出电能的特性抽象为电压源元件和电流源元件。有的实际电源需要用电压源元件表示其特性，而有的实际电源需要用电流源元件表示其特性。,1.4.1 理想电压源 有些实际电源在工作时提供的端电压基本是稳定的，如干电池、蓄电池、直流发电机、交流发电机及电子稳压
9、器等，我们把这类电源抽象为理想电压源元件，简称为电压源元件。,电压源的特性可用下式表示： u=uS(t) i为任意值 或 U=US I为任意值,图1.17 电压源的电路符号及伏安特性,1.4.2 理想电流源 有些实际电源在工作时提供的电流基本是稳定的，如光电池、电子稳流器等，我们把这类电源抽象为理想电流源元件，简称电流源元件。,电流源的特性可用下式表示： i=iS(t) u为任意值 或 I=IS U为任意值,图1.18 电流源的电路符号及伏安特性,1.5 基 尔 霍 夫 定 律,分析电路时除需了解各元件特性即元件的伏安关系（VCR）外，还应掌握它们相互连接时给支路电流和电压带来的约束关系电路的
10、拓扑约束。表示这类约束关系的是基尔霍夫定律。,1.5.1 电路的几个常用名词 1.支路 一个二端元件或同一电流流过的几个二端元件互相连接起来组成的分支称为支路。 2.节点 电路中3条或3条以上支路的汇集点称为节点。,图1.21 电路举例,3.回路 电路中由若干条支路组成的，其中每一个节点与两条支路相连接的闭合路径称为回路。 4.网孔 将电路画在平面上，在回路内部不另含有支路的回路称为网孔。,1.5.2 基尔霍夫电流定律 基尔霍夫电流定律（KCL）：在集中参数电路中，任何时刻，对任一节点，所有支路电流的代数和恒等于零。 i=0 在该式中，规定流出节点的电流为正，流入节点的电流为负。,-i1-i2
11、-i3=0 对任意封闭面S，流入（或流出）封闭面的电流代数和等于零。 基尔霍夫电流定律与元件的性质无关，基尔霍夫电流方程或节点电流方程的具体形式，仅仅取决于支路与节点的连接关系和支路电流的参考方向。,1.5.3 基尔霍夫电压定律 基尔霍夫电压定律（KVL）：在集中参数电路中，任何时刻，沿任一回路各支路电压的代数和恒等于零。 u=0 在该式中，若按顺时针方向绕行，支路电压的参考方向与回路绕行方向一致时（从“”极性指向“”极性）电压取正号，相反时（从“”极性指向“”极性）该电压取负号。,图1.26 KVL应用于假想回路,把基尔霍夫电压定律适用的场合，由回路推广到电路中的任一假想回路。 u=uab+ub-ua=0 或 uab=ua-ub u=u+u1-uS=0 或 u=uS-u1=uS-Ri,1.6 电路中各点电位的计算,在分析电子电路时，通常要应用电位这个概念，例如对二极管讲，只有当它的阳极电位高于阴极电位时，管子才能导通；否则就截止。在讨论晶体三极管的工作状态时，也要分析各个极的电位高低。,前面已介绍过，电路中某一点的电位等于该点与参考点（电位为零）之间的电压，参考点选得不同，电路中各点的电位随之改变，但是任意两点间的电压值是不变的。所以各点电位的高低是相对的，而两点间的电压值是绝对的,
