电路原理A概述

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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：电路和电路模型1.1电阻元件1.5电流和电压的参考方向1.2电压源和电流源1.6电功率和能量1.3受控电源1.7电路元件1.4基尔霍夫定律1.8本章内容第1章 电路模型和电路定律(circuit models) (circuit laws) 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

2、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 (circuit model)导线电池开关灯泡电路图l理想电路元件有某种确定的电磁性能的理想元件l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

3、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 (reference direction)电路主要的物理量：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=10-6AA（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AABB问题复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电

4、流的实际方向往往很难事先判断l参考方向i 参考方向大小方向(正负）电流(代数量)任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。ABi 参考方向i 参考方向i 0i 0参考方向U+实际方向+实际方向参考方向U+ 0 吸收正功率(实际吸收)P0 发出正功率(实际发出)P0 发出负功率(实际吸收)l u, i 取非关联参考方向+-iu+-iu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564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1对一完整的电路，

5、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、一、电电路元件路元件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，否则称为非线性元件。1.4 1.5电路元件、电阻元件 2. 线性定常电阻元件l 电路符号R对电流呈现阻力的元件。其伏安关系用ui平面的一条曲线来描述：iu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 l ui 关系R 称为电阻，单位： (欧) (Ohm，欧姆)满足欧姆定律 (Ohms Law)uil 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Rui+伏安特

6、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 R i i G u公式和参考方向必须配套使用！Rui+-3. 功率和能量电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。p u i功率：Rui+- i2R u2 / R表明可用功表示。从 t0到t电阻消耗的能量：Riu+4. 电阻的开路与短路能量：l 短路l 开路ui0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。l 电路符号1. 理想电压源l 定义i+_ 1.6 电压源和

7、电流源(1) 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。(2) 通过电压源的电流由电源及外 电路共同决定。l 理想电压源的电压、电流关系ui伏安关系？例Ri-+外电路电压源不能短路！l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：+_iu+_+_iu+_电流（正电荷 ）由低电位向 高电位移动，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。usuiOl 实际电压源i+_u+_考虑内阻伏安特性一

8、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。l 电路符号2. 理想电流源l 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(2) 电流源两端的电压由电源及外电路共同决定l 理想电流源的电压、电流关系ui伏安关系例外电路电流源不能开路！Ru-+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。l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u+_u+例计算图示电路各

9、元件的功率。解发出吸收满足：P（发）P（吸）2A+_u+_5Vi 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。isuiOl 实际电流源考虑内阻伏安特性一个好的电流源要求u+_i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（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

10、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，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。l 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)(controlled source

11、or dependent source)(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b i1+_u2i2_u1i1+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 )u1gu1+_u2i2_i1+(3) 电压控制的电压源 ( VCVS )u1+_u2i2_u1i1+-: 电压放大倍数 ri1+_u2i2_u1i1+-(4) 电流控制的电压源 ( CCVS )r : 转移电阻 例电路模型3

12、. 受控源与独立源的比较(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5i1+_u2_u1=6Vi1+-31.4 基尔霍夫定律 ( Kirchhoffs Laws )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

13、同一电流的分支。(b)支路的连接点称为节点。( n )b=3an=2b+_R1uS1+_uS2R2R3（1）支路 (branch)电路中每一个两端元件就叫一条支路i3i2i1(2) 结点 (node)b=5由支路组成的闭合路径。( l )l=3+_R1uS1+_uS2R2R3123(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1 3 2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

14、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， 顺时针或逆时针.U1US1+U2+U3+U4+US4= 03. 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。I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4（1）标定各元件电压参考方向 U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4例KVL也适用于电路中任一假想的回路aUsb_-+U

15、2U1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：i1=i2?3.AB+_1111113+_2i2i1UA =UB?I = 01.？AB+_1111113+_22.i11。2。+-4V5Vi =?3.+-4V5V1A+-u =?4.3310V+-1A-10VI =?105.4V+-10AU =?26.+-3AI1I10V+-3I2U=?I =057.5-+2I2 I25+-解10V+-1A-10VI =?105.4V+-10AU =?26.+-3AI解I1+-I1U=?8.R2 I1R1US解选择参数可以得到电压和功率放大。