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1、火电厂火电厂水电厂水电厂核电厂核电厂风力发电厂风力发电厂太阳能发电厂太阳能发电厂潮汐发电厂潮汐发电厂地热发电厂地热发电厂沼气发电厂沼气发电厂垃圾发电厂垃圾发电厂电电 路路Electric Circuits邢丽冬邢丽冬 电路理论基础是电类专业本科生接触的电路理论基础是电类专业本科生接触的首门技术基础课程。首门技术基础课程。 电路理论是电类各专业共同的理论基础。电路理论是电类各专业共同的理论基础。 电路基本概念、基本理论、基本分析方法电路基本概念、基本理论、基本分析方法及初步实验技能及初步实验技能, , 是学习后续有关专业基础是学习后续有关专业基础课程及专业课程的必备知识。课程及专业课程的必备知识
2、。为从事电气工程及相关科研技术工作打下基为从事电气工程及相关科研技术工作打下基础。础。电电 路路 理理 论论 基基 础础电路电路信号与线性系统信号与线性系统自动控制原理自动控制原理 不同电类专业方向的专业不同电类专业方向的专业课程课程数数字字电电子子技技术术模模拟拟电电子子技技术术微微机机原原理理工工程程电电磁磁场场 是一种能量（是一种能量（ energy ）形式形式. .应用在工农业应用在工农业生产、科研、军事、交通等领域。生产、科研、军事、交通等领域。一、电（一、电（electric）: :电能的特点电能的特点: :（1 1）便于与其它形式的能量相互转换；）便于与其它形式的能量相互转换；煤
3、煤 水水 核核 风风 太阳能太阳能 潮汐潮汐沼气沼气 垃圾垃圾（2 2）便于传输，经济、方便、迅速；）便于传输，经济、方便、迅速；有线有线无线无线（3 3）便于控制，通过具体电路实现。）便于控制，通过具体电路实现。地热地热燃料燃料二、实际电路二、实际电路 电设备构成整体，实现电能的转换、传输或电设备构成整体，实现电能的转换、传输或控制，完成能量传输和信号处理任务。例如：控制，完成能量传输和信号处理任务。例如：（1 1）电力系统）电力系统( (智能电网智能电网) )： 实现电能的生产、传输、分配与消费。实现电能的生产、传输、分配与消费。（2 2）通讯系统：）通讯系统： 实现电信号的传输、处理和再
4、现。实现电信号的传输、处理和再现。（3 3）航空电源中各种变换器）航空电源中各种变换器: : AC-DC DC-AC DC-DC AC-DC-AC（4 4）计算机主板电路：）计算机主板电路：CPU、接口、总线、接口、总线三、电路理论三、电路理论：复杂电路和简单电路遵循着相：复杂电路和简单电路遵循着相同的运动规律，具有基本的共性，电路理论就同的运动规律，具有基本的共性，电路理论就是研究电路本质、内在的基本规律的学科。是研究电路本质、内在的基本规律的学科。四、电路理论基础课程要求四、电路理论基础课程要求（1 1）基本概念）基本概念（2 2）基本定理、定律）基本定理、定律（3 3）基本分析方法）基本
5、分析方法五、电路理论基础考核方法五、电路理论基础考核方法（1 1）作业）作业 1515（2 2）抽查）抽查 测验测验 1515（3 3）期末考试）期末考试 7070（4 4）基本应用）基本应用六、参考文献六、参考文献电路基础电路基础陈洪亮等陈洪亮等, , 上海交大上海交大 , 2007.5, 2007.5 简明电路分析基础简明电路分析基础李瀚荪编，北京理工，李瀚荪编，北京理工，2002.72002.7 电路电路第五版，邱关源编著，罗先觉修订第五版，邱关源编著，罗先觉修订, , 西西交大，交大，2006.52006.5 Fundamentals of Electric CircuitsFunda
6、mentals of Electric Circuits Charles Charles K.AlexanderK.Alexander，Matthew Matthew N.O.SadikuN.O.Sadiku, , 清清华大学出版社华大学出版社 , 2000, 2000 电路学习指导与习题精解电路学习指导与习题精解邢丽冬、潘双来编，邢丽冬、潘双来编，清华大学出版社清华大学出版社 , 2008.12, 2008.12七、常用电路仿真软件七、常用电路仿真软件 美国美国Synopsys公司的公司的Saber第一章第一章 电路的基本概念和定律电路的基本概念和定律第一节第一节 电路电路(Electric
7、 Circuits)和和电路模型电路模型(Electric Model)1.实际电路：若干电气器件实际电路：若干电气器件(Electric devices)按照一按照一定的方式相互联系而成的整体。定的方式相互联系而成的整体。2.实际电路的功能：实际电路的功能：1)实现电能（力）的传输与分配；实现电能（力）的传输与分配；2)实现电信号的传输和处理。实现电信号的传输和处理。3.电路模型：理想电路元件电路模型：理想电路元件(Electric Element）相相互连接而成，是对实际电路的抽象。互连接而成，是对实际电路的抽象。集总参数集总参数(Lumped Paramertes)元件：电路中某一元件：
8、电路中某一物理现象集中在一个元件中发生的。物理现象集中在一个元件中发生的。理想元件：理想元件： 在一定条件下，对实际电气器件忽在一定条件下，对实际电气器件忽 略次略次要性质，用足以表征其主要性能的模型来表示，这要性质，用足以表征其主要性能的模型来表示，这 种模型各自都有精确的定义。种模型各自都有精确的定义。电阻元件电阻元件R 反映电能的损耗；反映电能的损耗；电感元件电感元件L 反映磁场能量的储存；反映磁场能量的储存；电容元件电容元件C 反映电场能量的储存；反映电场能量的储存；电压源电压源US ，电流源，电流源 IS ；受控源受控源, , 运算放大器。运算放大器。 集总假设条件集总假设条件：实际
9、电路的外形尺寸远小于电源正常：实际电路的外形尺寸远小于电源正常工作频率所对应的电磁波的波长工作频率所对应的电磁波的波长 。第二节第二节 电路中基本电气量及特性电路中基本电气量及特性1.电流电流(Current)：单位时间内通过元件的电荷数。单位时间内通过元件的电荷数。1)电流的实际方向：正电荷移动的方向。电流的实际方向：正电荷移动的方向。2)电流的参考方向：为指定的方向。电流的参考方向：为指定的方向。3)电流参考方向电流参考方向，借助电流的，借助电流的代数表达式代数表达式，才能说明，才能说明电流的电流的实际方向实际方向。2.电压电压(Voltage)： 电埸力移动单位正电荷所作的功电埸力移动单
10、位正电荷所作的功 .1)电压的实际方向：高电位指向低电位。电压的实际方向：高电位指向低电位。2)电压的参考方向：为指定的方向。电压的参考方向：为指定的方向。3)电压参考方向电压参考方向，借助电压的，借助电压的代数表达式代数表达式，才能说明，才能说明电压的电压的实际方向实际方向。元件元件ab 某一段电路某一段电路或或某一个元件某一个元件，电流电流从从标以标以电压电压“+”+”极性端流入极性端流入，从标以从标以“”极性端流出极性端流出，电压的参考方向与，电压的参考方向与电流的参考方向一致，称为关联参考电流的参考方向一致，称为关联参考方向。方向。关联参考方向关联参考方向3.电功率电功率(Electr
11、ic-Power)：电场力做功的速率电场力做功的速率,也称瞬时功率。也称瞬时功率。若若u , i为关联参考方向为关联参考方向P吸吸0, P发发 0表示元件吸收功率表示元件吸收功率P吸吸0, P发发 0表示元件发出功表示元件发出功率率若若u , i为非关联参考方向为非关联参考方向 P吸吸 0, P发发 0表示元件表示元件发出发出功率功率P吸吸 0, P发发 0表示元件表示元件吸收吸收功率功率4. 电能量电能量(Electric- Energe)：电功率的积分。电功率的积分。关联参考方向下，电路元件在关联参考方向下，电路元件在t 0到到t的时间内的时间内吸收的能量为：吸收的能量为：例：已知例：已知
12、u=30V，i=5mA,求该元件的功率。求该元件的功率。解：解：u，i为为非关联参考方向非关联参考方向第三节第三节 电路中基本电气元件电路中基本电气元件一、电阻元件一、电阻元件(Resistor)1、定义：载流导体或半导体会因发热而消耗电能，、定义：载流导体或半导体会因发热而消耗电能，可将其抽象为电阻元件。可将其抽象为电阻元件。2、VAR：任一时刻任一时刻 的电压和电流的关系为伏安关的电压和电流的关系为伏安关系，由系，由u-i平面的一条曲线确定，称作平面的一条曲线确定，称作伏安特性曲线伏安特性曲线。线性电阻：线性电阻：VAR为过原点的一条直线。为过原点的一条直线。 非线性电阻：非线性电阻： V
13、AR特性为特性为u-i平面上的一条曲线。平面上的一条曲线。时不变电阻：时不变电阻： VAR特性特性与时间无关。与时间无关。 时变电阻：时变电阻： VAR特性特性与时间有关。与时间有关。 线性时不变电阻线性时不变电阻是我们学习的重点，是我们学习的重点，简称简称电阻，电阻，符号为符号为R，其即表示其即表示电阻元件电阻元件，又，又表示表示元件的参数元件的参数。3、线性电阻的性质：、线性电阻的性质：1）欧姆定律：）欧姆定律：u、i 为关联参考方向时为关联参考方向时，R=0 (有有i 无无u) 短路短路(SC) R (有有u无无i ) 开路开路(OC) 2）电功率：）电功率：u、i 关联参考方向关联参考
14、方向，电阻吸收的功率，电阻吸收的功率电阻始终吸能、发热电阻始终吸能、发热(光光)散失，散失，R为耗能元件为耗能元件 3）电能量：）电能量： (t 0, t) 内内R所消耗的电能为：所消耗的电能为： u=R i， i=G u例题例题1-1求图示电路中的求图示电路中的u 、R、i解：据电压、电流的参考方向，由欧姆定律得解：据电压、电流的参考方向，由欧姆定律得(1)(2)(3)(4)i=1A10 + u ab(1)i=1AR + u=-10V ab(2)i2 + u=6cos t ab(3)i=-4AG=2s+ u ab(4)解解(1)(2)例题例题1-2（1）图中的）图中的电流均为电流均为2A,且
15、由且由a流向流向b,求两元件吸收求两元件吸收或产生的功率。（或产生的功率。（2）若元件）若元件产生的功率为产生的功率为4W，求电流求电流I=?R + U1=1V ab(a)I=?R U2= 1V +ab(b)二、电容元件二、电容元件(Capacitor)电电容容器器由由两两块块金金属属极极板板隔隔着着介介质质(空空气气、云云母母、电电介介质质）组组成成。两两极极板板上上q相相互互吸吸引引而而不不能能中中和和，留留下下了了电电场场(及及电电场场能能量量)。 故故电电容容器器能能够够储存电场能量。储存电场能量。 1、定义：一个二端元件，如果在任一时刻、定义：一个二端元件，如果在任一时刻t，其电其电
16、荷与其端电压间的关系荷与其端电压间的关系(库伏关系库伏关系QVR)可以用可以用uc - q平面上的一条曲线来确定，则此二端元件称为平面上的一条曲线来确定，则此二端元件称为电电容元件容元件。us+qq uc 非时变线性电容元件非时变线性电容元件的的QVR为通过原点的一条直为通过原点的一条直线，简称线，简称 “电容电容”，符号为，符号为“C”既表示一既表示一电容元电容元件件，也表示，也表示该元件的参数该元件的参数。 2、电容元件的、电容元件的伏安关系伏安关系a. 微分形式微分形式 ：uC 、i 关联关联 uC变化才有变化才有i ，uC不变时，不变时，i=0（开路）开路）C有隔直作用有隔直作用b.
17、积分形式积分形式： uC 、i 关联关联 C为为记忆元件记忆元件，|i|为有限值为有限值uc不能跃变不能跃变；uc跃变，跃变，则导致无穷大的电流则导致无穷大的电流 i 。3、电容的功率与能量关系、电容的功率与能量关系 uC 、i 取关联方向取关联方向 电容在电容在 (-, t) 内所吸收的电能为：内所吸收的电能为： 同理，同理，(t1 , t2 )内电容吸收的电能为：内电容吸收的电能为： 正向充电正向充电反向充电反向充电正向放电正向放电反向放电反向放电C储能元储能元件，不耗件，不耗能；能；无源无源(passive)元件元件例例1-3某电容的电压、电流波形如图，某电容的电压、电流波形如图，(1)
18、 求求C值；值；(2) 求它在求它在0到到1 ms 期间得到的电荷；期间得到的电荷；(3) 求电容吸收功求电容吸收功率率p(t)及及p (2ms) ；(4) 求求w(t)与与 w(2ms) .0t(ms)i(mA)140tu(V)12(ms)解解(1) (2) q (1ms) 三、电感元件三、电感元件(Inductor)1、定义：一个二端元件，如果在任一时刻、定义：一个二端元件，如果在任一时刻t，其其电流电流iL与磁链与磁链L间的关系间的关系（韦安关系（韦安关系WAR）可以可以用用iL -L平面上的一条曲线来确定，则此二端元平面上的一条曲线来确定，则此二端元件称为电感元件。件称为电感元件。线线
19、圈圈通通电电iL 磁磁通通 形形成成磁磁场场及及磁磁场场能能量量 电感器电感器NuLilleL 非时变线性电感元件非时变线性电感元件的的WAR为通过原点的一条直为通过原点的一条直线，简称线，简称 “电感电感”，符号为，符号为“L”既表示一电感元件，既表示一电感元件，也表示该元件的参数。也表示该元件的参数。 a. 微分形式微分形式: uL 、iL 关联关联L为为动态元件动态元件 ；iL 不变不变(DC)时时uL =0 对对直流短路直流短路 b . 积分形式积分形式:uL 、iL关联关联电电感感为为记记忆忆元元件件。|uL|时时iL(t)为为连连续续变变量量，iL 不不能能跃跃变变；若；若iL 跃
20、变，则会导致无穷大的电压跃变，则会导致无穷大的电压uL 2. 电感的伏安关系（电感的伏安关系（VAR）3. 电感的功率与能量关系电感的功率与能量关系uL 、i L关联方向关联方向 电感在电感在 (-, t) 时间内所吸收的电能为时间内所吸收的电能为 同理，同理，(t1 , t2 )内电感吸收的电能为：内电感吸收的电能为： | iL |增增加加，wL(t2)wL(t1)，L实实际际吸吸收收电电能能，全全部部转转变变为为磁磁场场能能；| iL |减减少少，wL(t2)wL(t1)， L释释放放磁磁场场能能转转变变为为电电能能。L为为储储能能元元件件，不不耗耗能能；属于无源元件。属于无源元件。 线性
21、元件线性元件 R L C的比较的比较元件符号元件符号 电阻电阻 R电容电容 C电感电感 L电路符号电路符号元件特性元件特性VAR物理含义物理含义储能储能0+ u i R消耗电能消耗电能储存电场能储存电场能储存磁场能储存磁场能+ u Ci+ u Li四、四、电压源和电流源电压源和电流源 有源有源(active)元件元件 电电源源1、提供电能，如、提供电能，如DC电源、电源、AC电源电源2、输入电信号、输入电信号, 亦称为信号源。亦称为信号源。激激 励励 (excitation) 响响 应应(response) 电压源电压源电流源电流源1、理想独立电压源理想独立电压源(ideal independ
22、ent voltage source) 其端电压与电流其端电压与电流无关，是无关，是给定函数给定函数uS(t)。即它的即它的VAR(称称为电源的外特性为电源的外特性)为为一系列一系列与与 i 轴平行的直线。轴平行的直线。 u0t0tuu0tUS稳压源稳压源交流电压源交流电压源方波信号源方波信号源i0uus(t1)Usus(t2)!理想电压源性质理想电压源性质其其端电压端电压uS(t)与与它所接它所接外电路无关外电路无关;其其电流电流i(t)则由则由uS与外电路共同与外电路共同决定决定; 电压源外电路不得短路！电压源外电路不得短路！电压源的电压源的uS =0时时,其自身相当于短路其自身相当于短路
23、 ;实实际际电电源源如如蓄蓄电电池池、干干电电池池、发发电电机机等等可可用用uS与与RS的串联组合作为其模型的串联组合作为其模型.2.理想独立电流源理想独立电流源(ideal independent current source) 定义定义:电流源也是一种理想二端元件，在任一时电流源也是一种理想二端元件，在任一时刻刻t，其电流与端电压其电流与端电压无关，是无关，是给定函数给定函数iS(t)。即即它的它的VAR (称为电源的外特性称为电源的外特性)为一系列与为一系列与 u 轴平轴平行的直线。行的直线。i0t0tii0tIS恒流源恒流源交流电流源交流电流源方波信号源方波信号源u0iis(t1)Is
24、is(t2)!理想电流源性质理想电流源性质其其通通过过的的电电流流iS(t) 与与它它所所接接外外电电路路无无关关;其其电压电压u(t)则由则由iS与外电路共同决定与外电路共同决定; 电流源电流源外电路不得开路外电路不得开路！电流源的电流源的iS =0时时,其自身相当于开路其自身相当于开路; 实际电流源用实际电流源用iS与与RS的并联组合为其模型。的并联组合为其模型。 电压源的电压源的uS不受不受i 的影响、的影响、电流源的电流源的iS不受不受u 的影响的影响,称为称为独立源独立源，在电路中起，在电路中起激励的作用；为激励的作用；为有源元件有源元件 (active element) 电压源、电
25、流源的特性电压源、电流源的特性电压源电压源电流源电流源定义定义理想二端元件理想二端元件理想二端元件理想二端元件特性特性a. 端电压是特定的时间端电压是特定的时间函数，与自身电流无关。函数，与自身电流无关。b.电压源中电流取决于外电压源中电流取决于外电路。电路。a. 通过电流是特定的时通过电流是特定的时间函数，与端电压无关。间函数，与端电压无关。b.电流源的端电压取决于电流源的端电压取决于外电路。外电路。电路电路符号符号+ us特例特例 稳压源稳压源 恒流源恒流源is五、五、受控源受控源(controlled-source) 受控源是非独立（受控源是非独立（dependent）电源，其电电源，其
26、电压或电流的压或电流的量值与方向量值与方向受电路中其它电压或电受电路中其它电压或电流的控制，是二端口元件。理想的受控源有：流的控制，是二端口元件。理想的受控源有： +控制量控制量受控量受控量电压电压电流电流受控电压源受控电压源受控电流源受控电流源VCVSu1 u1+_u2+_+_i2i1u1ri1+_u2+_+_i2i1CCVSu1gu1+_u2i2+_i1VCCSCCCSgu1+_u2i2+_i1u1 是一种电压放大倍数是一种电压放大倍数(即增益即增益)很高很高的放大器，这种器件是通过集成工艺的放大器，这种器件是通过集成工艺制成的制成的 集成电路模块集成电路模块。实实际际运运放放的的R i
27、较较大大(1M), Ro 较较小小(100左左右右), A 较较高高(104107 )a 反相输入端反相输入端b 同相输入端同相输入端O 输出端输出端 公共接地端公共接地端A 运放的开环增益运放的开环增益 uo =Auba =A(ub- ua )若计运放的输入电阻若计运放的输入电阻R i 和输出电阻和输出电阻R o ，则可得其电路模型为则可得其电路模型为 理想运算放大器理想运算放大器:即：即：R i , Ro 0, A的电压放大器的电压放大器 Aua+-UoRo+- -RibbaAabo六、运算放大器六、运算放大器 “虚虚断断(路路)”性性质质：因因R i ，输输入入端端 a、b 的的输输入入
28、电电流流趋趋于于零零，相相当当于于开开（断断）路路，但内部电路却是接通的。但内部电路却是接通的。 “虚虚短短(路路)”性性质质：因因A，而而uo为为有有限限值值， uba=ub ua = uoA0，即即 a、b 两两点点电电位位无无穷穷接近，近似短路称为接近，近似短路称为“虚短路虚短路”。 Ro0,使使uo不不受受所所接接负负载载的的影响。影响。理想理想运算放大器的特点：运算放大器的特点：aboAua+-UoRo+- -Ribba电路图（电路图（circuit diagram）：）：理想电路元件依照一理想电路元件依照一定方式联接成一通路定方式联接成一通路,其图形表示为电路图其图形表示为电路图支
29、路支路(branch)：电路中通过同一电流的分支，可以为一电路中通过同一电流的分支，可以为一个二端元件或多个元件的组合。个二端元件或多个元件的组合。节点节点(note):支路与支路的汇合点，用加重的黑点表示，支路与支路的汇合点，用加重的黑点表示，标以字母或数字。标以字母或数字。回路回路(loop)：由支路构成的闭和路径，回路中的节点只由支路构成的闭和路径，回路中的节点只经过一次。经过一次。平面电路平面电路(planar circuit):可画在一个平面上而没有任何可画在一个平面上而没有任何支路的交叠现象。支路的交叠现象。网孔网孔(mesh)：平面电路中回路内部不含支路的回路平面电路中回路内部不
30、含支路的回路 第四节第四节 电路的基本定律电路的基本定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律(kirchhoffs law)一、一、基尔霍夫基尔霍夫电流定律（电流定律（KCL）：集总参数电路中的：集总参数电路中的任意节点任意节点，在，在任意时刻任意时刻联接于该节点联接于该节点所有支路所有支路电流的电流的代数和代数和为零。为零。代数和是相对电流的参考方向而言，电流本代数和是相对电流的参考方向而言，电流本身还是代数值。身还是代数值。即即KCL涉及双重符号涉及双重符号。按按参参考考方方向向“流流出出”该该节节点点的的电电流流之之和和恒恒等等于于“流流入入”该该节节点点的的电电流流之之和和。只涉及只涉及电流本身代
31、数值符号电流本身代数值符号。 KCL的物理意义：体现了电荷守恒或电流的连续性的物理意义：体现了电荷守恒或电流的连续性 KCL的的推推广广应应用用：由由电电流流的的连连续续性性可可知知，KCL可可应应用用于于包包围围几几个个节节点点的的闭闭合合面面(称称为为广广义义节节点点)，即即闭闭合合面面所所“切切割割”支路的电流代数和恒为零支路的电流代数和恒为零。二、基尔霍夫电压定律（二、基尔霍夫电压定律（KVL）：集总参数电路中，：集总参数电路中，任意时刻，沿任一回路绕行一周，该回路所有支路电任意时刻，沿任一回路绕行一周，该回路所有支路电压代数和为零。压代数和为零。代数和代数和是是对电压的参考方向对电压
32、的参考方向而言，若电压而言，若电压参考方向与绕行方向一致取正，反之为负。参考方向与绕行方向一致取正，反之为负。电压本身电压本身还是代数值。还是代数值。KVL涉及双重符号涉及双重符号。当当回回路路中中仅仅含含R和和uS时时，列列写写KVL方方程程，左左边边列列出出沿沿绕绕行行方方向向电电阻阻电电压压降降的的代代数数和和，方方程程右右边边列列出出沿沿绕绕行行方方向上电压源向上电压源电位升电位升的代数和。的代数和。 KVL的物理意义：电压与路径无关或电压的单值性。的物理意义：电压与路径无关或电压的单值性。KVL应用于应用于“开口回路开口回路”： 某两点某两点a、b间的电压，等于间的电压，等于由由a点
33、点沿电路中的沿电路中的任一个路径走到任一个路径走到b点点的各段的各段电压降的代数和电压降的代数和。基尔霍夫定律基尔霍夫定律名称名称基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律简称简称KCLKVL定律定律内容内容在在集总电路中，对于任何集总电路中，对于任何节点，在任意时刻流出节点，在任意时刻流出（或流入）该节点的电流（或流入）该节点的电流代数和恒等于零。代数和恒等于零。在在集总电路中，对于任何集总电路中，对于任何回路，在任意时刻回路中回路，在任意时刻回路中各支路电压各支路电压降降（或升）的（或升）的代数和恒等于零。代数和恒等于零。公式公式表述表述定律定律说明说明 可用于一个节点，也可用于一个节点，也可用于一个闭合面。可用于一个闭合面。 uk可以认为是元件的电可以认为是元件的电压也可以是支路电压。压也可以是支路电压。物理物理实质实质 是电流连续性和电荷守是电流连续性和电荷守恒的体现恒的体现是是电压单值性的体现电压单值性的体现第一章小结第一章小结1.电路中基本电气量：电路中基本电气量：2. u(t)、i(t)、 p(t)、 w(t)2. 电路中基本元件以及约束关系电路中基本元件以及约束关系3. 电路中基本拓扑约束关系电路中基本拓扑约束关系
