电路元件和电路定律.ppt

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1、 肇庆学院电子信息与机电工程学院肇庆学院电子信息与机电工程学院主讲教师：俞亚堃主讲教师：俞亚堃电路分析基础电路分析基础CAI电路理论电路理论l l电路理论是研究电路的基本规律及其计算方法的工程学科电路理论是研究电路的基本规律及其计算方法的工程学科它包括它包括它包括它包括l l电路分析电路分析: :任务是根据已知的电路结构和元件参数，求解任务是根据已知的电路结构和元件参数，求解任务是根据已知的电路结构和元件参数，求解任务是根据已知的电路结构和元件参数，求解电路的特性。电路的特性。电路的特性。电路的特性。l l电路综合与设计电路综合与设计电路综合与设计电路综合与设计：根据所提出的对电路性能的要求，

2、确定：根据所提出的对电路性能的要求，确定：根据所提出的对电路性能的要求，确定：根据所提出的对电路性能的要求，确定合适的电路结构和元件参数实现所需要的电路性能。合适的电路结构和元件参数实现所需要的电路性能。合适的电路结构和元件参数实现所需要的电路性能。合适的电路结构和元件参数实现所需要的电路性能。l l电路故障诊断电路故障诊断电路故障诊断电路故障诊断：指预报故障的发生及确定故障：指预报故障的发生及确定故障：指预报故障的发生及确定故障：指预报故障的发生及确定故障 的位置，识别故障元件等技术的位置，识别故障元件等技术的位置，识别故障元件等技术的位置，识别故障元件等技术 电路分析的过程，就是从实际物理

3、问题抽象为数学模型，经电路分析的过程，就是从实际物理问题抽象为数学模型，经数学解析后再回到物理实际的过程。数学解析后再回到物理实际的过程。前后续课程及联系前后续课程及联系模拟电子技术模拟电子技术高频电子技术高频电子技术自动控制原理自动控制原理信号与系统信号与系统传感器及电子测量传感器及电子测量线性代数线性代数积分变换积分变换大学物理大学物理复变函数复变函数电电路路数字电子技术数字电子技术生物医学电子学生物医学电子学与医学仪器与医学仪器EDA技术技术高等数学高等数学课程结构课程结构电阻电路电阻电路 的分析的分析动态电路动态电路 的分析的分析正弦稳态电路正弦稳态电路 的分析的分析 电路电路 1.

4、1. 电压、电流的参考方向电压、电流的参考方向3. 3. 基尔霍夫定律基尔霍夫定律l 重点重点：第第1 1章章 电路元件和电路定律电路元件和电路定律(circuit elements) (circuit laws) 2. 2. 电路元件特性电路元件特性下 页返 回2.R、L、C元件的定义和元件的定义和伏安关系伏安关系3.电压源、电流源的定义和电压源、电流源的定义和伏安关系伏安关系4.受控源的概念、类别受控源的概念、类别基尔霍夫定律包括基尔霍夫定律包括元元件件约约束束 VCR1.功率计算、功率的吸收和释放功率计算、功率的吸收和释放元件的特性包括元件的特性包括1.基尔霍夫电流定律（基尔霍夫电流定律

5、（KCL）拓拓扑扑约约束束2.基尔霍夫电压定律（基尔霍夫电压定律（KVL）1.1 电路和电路模型（电路和电路模型（model)1. 实际实际电路电路功能功能a 能量的传输、分配与转换；能量的传输、分配与转换；b 信息的传递与处理。信息的传递与处理。共性共性建立在同一电路理论基础上建立在同一电路理论基础上由电工设备和电子、电气器件按预期由电工设备和电子、电气器件按预期目的连接构成的电流的通路。目的连接构成的电流的通路。下 页上 页返 回 反映实际电路部件的主要电磁性质，由理想电反映实际电路部件的主要电磁性质，由理想电 路元件及其组合构成的电路。路元件及其组合构成的电路。2. 电路模型电路模型 (

6、circuit model)导线导线电电池池开关开关灯泡灯泡l理想电路元件理想电路元件有某一种确定的电磁性能，忽略掉次要因有某一种确定的电磁性能，忽略掉次要因数，突出其主要因数的元件数，突出其主要因数的元件。l电路模型电路模型下 页上 页返 回实际电路实际电路电气图电气图电路模型电路模型SS几种基本的理想电路元件：几种基本的理想电路元件：电阻元件：表示仅消耗电能的元件电阻元件：表示仅消耗电能的元件电感元件：表示仅产生磁场，储存磁场能量的元件电感元件：表示仅产生磁场，储存磁场能量的元件电容元件：表示仅产生电场，储存电场能量的元件电容元件：表示仅产生电场，储存电场能量的元件电源元件：表示各种将其它

7、形式的能量转变成电能的元件电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件注注l 具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，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；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模型可以有不同的形式下 页上 页返 回例例下 页上 页返 回3. 集总参数电路集总参数电路由集总元件构成的电路由集总元件构成的电路集总元件集总元件符合集总假设的元件，假定发生的电磁过程符合集总假设的元件，假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行都集中在元件内部进行集总条件集总条

8、件注注集总参数电路中集总参数电路中u、i可以是时间的函数，但与可以是时间的函数，但与空间坐标无关空间坐标无关集总假设集总假设 忽略次要因数，一种元件只表示一种基本物理现象，忽略次要因数，一种元件只表示一种基本物理现象，忽略次要因数，一种元件只表示一种基本物理现象，忽略次要因数，一种元件只表示一种基本物理现象，且可以用数学方法精确定义的假设。并且要求器件的尺且可以用数学方法精确定义的假设。并且要求器件的尺且可以用数学方法精确定义的假设。并且要求器件的尺且可以用数学方法精确定义的假设。并且要求器件的尺寸寸寸寸 l l 远小于正常工作频率所对应的波长远小于正常工作频率所对应的波长远小于正常工作频率所

9、对应的波长远小于正常工作频率所对应的波长 。波长波长频率波速频率波速1.2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向 (reference direction) 电电路路中中的的主主要要物物理理量量有有电电压压、电电流流、电电荷荷、磁磁链链、能能量量、电电功功率率等等。在在线线性性电电路路分分析析中中人人们们主主要要关关心心的的物物理理量量是电流、电压和功率。是电流、电压和功率。1. 电流的参考方向电流的参考方向 (current reference direction)l电流电流l电流强度电流强度带电粒子有规则的定向运动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单位时间内通过导

10、体横截面的电荷量下 页上 页返 回l 电流方向电流方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向l电流单位电流单位1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（安培）、（安培）、kA、mA、 A问题问题 复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际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方向往往很难事先判断下 页上 页返 回外加电场后正电荷定向运动的外加电场后正电荷定向运动的方向，亦即电子运动的反方向方向，亦即电子运动的反方向l电流的电流的 参考方向参考方向i 参考方向参考方向大小大小方向方向(正负）正负）电流量电流量(失量失

11、量)在电路分析中，任意选定一个方向作为电流在电路分析中，任意选定一个方向作为电流在电路分析中，任意选定一个方向作为电流在电路分析中，任意选定一个方向作为电流的方向，这个方向就称为的方向，这个方向就称为的方向，这个方向就称为的方向，这个方向就称为电流的参考方向电流的参考方向，又称为又称为又称为又称为电流的正方向电流的正方向.ABi 参考方向参考方向i 参考方向参考方向i 0i 0参考方向参考方向U+实际方向实际方向+实际方向实际方向参考方向参考方向U+ 0 吸收功率吸收功率 (实际吸收实际吸收)p0 发出正功率发出正功率 (实际发出实际发出)p0，d u/d t 0，则则i 0，q ， p 0,

12、 电容吸收功率。电容吸收功率。(2)当当电容放电，电容放电，u 0，d u/d t 0，则则i 0，q ，p 0，d i/d t 0，则则u0， ， p 0, 电感吸收功率。电感吸收功率。(2)当电流减小，当电流减小，i 0，d i/d t 0，则则u 0， ， p 0吸收功率，起负载作用吸收功率，起负载作用00例例计算图示电路各元件的功率。计算图示电路各元件的功率。解解发出发出吸收吸收满足满足：P发发P吸吸+_u+_2A5Vi下 页上 页返 回 实际电流源也不允许开路。因其内阻大，若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。开路，电压很高，可能烧毁电源。isuiOl

13、 实际电实际电流流源源考虑内阻考虑内阻伏安特性伏安特性一个好的电流源要求一个好的电流源要求u+_i下 页上 页返 回1.8 受控电源受控电源 (非独立源非独立源)(controlled source or dependent source) 电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是受电路中某个地方的电压受电路中某个地方的电压( (或电流或电流) )控制的电源，称控制的电源，称受控源受控源。l 电路符号电路符号+受控电压源受控电压源1. 定义定义受控电流源受控电流源下 页上 页返 回(1) (1) 电流控制的电流源电流控制的电流源 ( ( CC

14、CS ) ) : : 电流放大倍数电流放大倍数 根据控制量和被控制量是电压根据控制量和被控制量是电压u u 或电流或电流i i ，受控源可分受控源可分四种类型：四种类型：当被控制量是电压当被控制量是电压时，时，用受控电压源表示；当被用受控电压源表示；当被控制量是电流控制量是电流时，时，用受控电流源表示。用受控电流源表示。2. 分类分类四端元件四端元件b b i1+_u2i2_u1i1+输出：受控部分输出：受控部分输入：控制部分输入：控制部分下 页上 页返 回g: 转移电导转移电导 (2) (2) 电压控制的电流源电压控制的电流源 ( ( VCCS )u1gu u1 1+_u2i2_i1+(3)

15、 (3) 电压控制的电压源电压控制的电压源 ( ( VCVS ) ) u1+_u2i2_u1i1+- : 电压放大倍数电压放大倍数 下 页上 页返 回ri1+_u2i2_u1i1+-(4) (4) 电流控制的电压源电流控制的电压源 ( ( CCVS ) )r : 转移电阻转移电阻 例例电电路路模模型型下 页上 页返 回3. 3. 受控源与独立源的比较受控源与独立源的比较(1) (1) 独独立立源源电电压压( (或或电电流流) )由由电电源源本本身身决决定定，与与电电路路中中其其它它电电压压、电流无关，而受控源电压电流无关，而受控源电压( (或电流或电流) )由控制量决定。由控制量决定。(2)

16、(2) 独独立立源源在在电电路路中中起起“激激励励”作作用用，在在电电路路中中产产生生电电压压、电电流流，而而受受控控源源只只是是反反映映输输出出端端与与输输入入端端的的受受控控关关系系，在在电电路路中不能作为中不能作为“激励激励”。例例求：电压求：电压u2。解解5i1+_u2_u1=6Vi1+-3 下 页上 页返 回1.9 1.9 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 ( Kirchhoff( Kirchhoffs Laws )s Laws )基基尔尔霍霍夫夫定定律律包包括括基基尔尔霍霍夫夫电电流流定定律律 ( ( KCL ) )和和基基尔尔霍霍夫夫电电压压定定律律( ( KVL ) )。它它反反映映了

17、了电电路路中中所所有有支支路路电电压压和和电电流流所所遵遵循循的的基基本本规规律律，是是分分析析集集总总参参数数电电路路的的基基本本定定律律。基基尔尔霍霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。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. 1. 几个名词几个名词电路中通过同一电流的分支。电路中通过同一电流的分支。(b)三条或三条以上支路的连接点称三条或三条以上支路的连接点称为节点。为节点。( ( n n ) )b=3an=2b+_R1uS1+_uS2R2R3（1）支路）支路 (branch)电路中每一个两端元件就叫一条支路电路中每一个两端元件就叫一条支路i3i2i1(2) (2)

18、 节点节点 (node)(node)b=5下 页上 页返 回由支路组成的闭合路径。由支路组成的闭合路径。( ( l ) )两节点间的一条通路。由支路构成。两节点间的一条通路。由支路构成。对对平面电路平面电路，其内部不含任何支路的回路称网孔。，其内部不含任何支路的回路称网孔。l=3+_R1uS1+_uS2R2R3123(3) (3) 路径路径(path)(path)(4) (4) 回路回路(loop)(loop)(5) (5) 网孔网孔(mesh)(mesh)网孔是回路，但回路不一定是网孔网孔是回路，但回路不一定是网孔下 页上 页返 回2. 2. 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律 ( (KCL)

19、 )例例 在在集集总总参参数数电电路路中中，任任意意时时刻刻，对对任任意意结结点点，流流出出(或或流流入入)该结点电流的代数和等于零。该结点电流的代数和等于零。流进结点流进结点的电流等的电流等于流出结于流出结点的电流点的电流下 页上 页返 回规定：规定： 流出结点为正流出结点为正“”， 流入结点为负流入结点为负“” 标定好与该结点相关各支路的电流参考方向标定好与该结点相关各支路的电流参考方向或或1 3 2例例三式相加得：三式相加得：表明表明KCL可推广应用于电路中包可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面围多个结点的任一闭合面明确明确（1） KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任是电荷守

20、恒和电流连续性原理在电路中任 意结点处的反映；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；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，与电流实际方程是按电流参考方向列写，与电流实际 方向无关。方向无关。下 页上 页返 回3. 3. 基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律 ( (KVL) ) 在在集总参数电路中，任一时刻，集总参数电路中，任一时刻，沿任一闭合回路绕沿任一闭合回路绕行一周，各支路电压的代数和等于零行一周，各支路电压的代数和等于零。规定：规定：1.给定回

21、路绕行方向给定回路绕行方向2.支路电压符号规定：与回路环绕方向一致支路电压符号规定：与回路环绕方向一致3.的电压的电压为正为正 ；与回路环绕方向相反的电压；与回路环绕方向相反的电压为为负负 u8=( R6+R7 )i6 u1= R1i1 u2= -R2i2不是支路电压，而是元件电压不是支路电压，而是元件电压支路支路电压电压i1i2i3i4i5i6+u1+u2R1R2R6R7+u8U1US1+U2+U3+U4+US4= 0I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4例例例例K

22、VL也适用于电路中任一假想的回路也适用于电路中任一假想的回路aUsb_-+U2U1明确明确（1） KVL的实质反映了电路遵的实质反映了电路遵 从能量守恒定律从能量守恒定律;（2） KVL是对回路电压加的约束，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；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方程是按电压参考方向列写，与电压实际方向无关。列写，与电压实际方向无关。下 页上 页返 回4. 4. KCL、KVL小结：小结：(1) (1) KCL是是对对支支路路电电流流的的线线性性约约束束，KVL是是对对回回

23、路路电电压的线性约束。压的线性约束。(2) (2) KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。与组成支路的元件性质及参数无关。(3)(3) KCL表表明明在在每每一一节节点点上上电电荷荷是是守守恒恒的的；KVL是是能能量守恒量守恒的具体体现的具体体现( (电压与路径无关电压与路径无关) )。(4) (4) KCL、KVL只适用于集总参数的电路。只适用于集总参数的电路。下 页上 页返 回思考：思考：i1=i2?3.AB+_1111113+_2i2i1UA =UB?I = 01.？AB+_1111113+_22.i1下 页上 页返 回1。2。+-4V5Vi =?3.3.+-4V5V1A+-u =?4.4.3 3 下 页上 页返 回10V+-1A-10VI =?10 5.4V+-10AU =?2 6.+-3AI1I10V+-3I2U=?I =05 7.5 -+2I2 I25 +-下 页上 页返 回解解10V+-1A-10VI =?10 5.4V+-10AU =?2 6.+-3AI解解I110V+-3I2U=?I =05 7.5 -+2I2 I25 +-解解下 页上 页返 回+- I1U=?8.R2 I1R1US解解选择参数可以得到选择参数可以得到电压和功率放大。电压和功率放大。上 页返 回