电路模型和电路定理.ppt

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1、电路基础主讲：陈淑静教材：电路(第五版)邱关源 高等教育出版社电工电子技术的发展与应用电工电子技术的发展与应用现状容量大型化容量大型化器件小型化器件小型化功率电子技术功率电子技术微电子技术微电子技术设计自动化设计自动化EDAEDA技术技术1785年，库仑确定电荷间的作用力；年，库仑确定电荷间的作用力；1826年，欧姆提出年，欧姆提出“欧姆定律欧姆定律”；1831年，法拉第发现电磁感应现象；年，法拉第发现电磁感应现象；1834年，雅可比造出第一台电动机；年，雅可比造出第一台电动机；1864年，麦克斯韦提出电磁波理论；年，麦克斯韦提出电磁波理论；1895年，马可尼和波波夫实现第一次无线电通信；年，

2、马可尼和波波夫实现第一次无线电通信；1904年，弗莱明发明第一只电子管（二极管）；年，弗莱明发明第一只电子管（二极管）；1946年，诞生第一台电子计算机；年，诞生第一台电子计算机；1947年，贝尔实验室发明第一只晶体管；年，贝尔实验室发明第一只晶体管；1958年，德克萨斯公司发明第一块集成电路。年，德克萨斯公司发明第一块集成电路。：发 展快速发展快速发展原因原因电能电能易转换易转换易传输易传输易控制易控制本章主要内容：本章主要内容：电路和电路模型，电流和电压的参考方向，电功率和电路和电路模型，电流和电压的参考方向，电功率和能量，电路元件，电阻的数学模型及特性，电压源和能量，电路元件，电阻的数学

3、模型及特性，电压源和电流源的概念及特点，受控源的概念及分类，结点、电流源的概念及特点，受控源的概念及分类，结点、支路、回路的概念和基尔霍夫定律。支路、回路的概念和基尔霍夫定律。本章教学基本要求本章教学基本要求电路理论电路理论主要研究电路中发生的电磁现象，用电流、主要研究电路中发生的电磁现象，用电流、电压和功率等物理量来描述其中的过程。因为电电压和功率等物理量来描述其中的过程。因为电路是由电路元件构成的，因而看电路时既要看元路是由电路元件构成的，因而看电路时既要看元件的连接方式，又要看每个元件的特性，即电路件的连接方式，又要看每个元件的特性，即电路中各电流、电压要受中各电流、电压要受两种基本规律

4、两种基本规律的约束：的约束：（1 1）电路元件性质的约束电路元件性质的约束。也称电路元件的伏安特性也称电路元件的伏安特性（VCRVCR），），它仅与元件性质有关，它仅与元件性质有关，与元件在电路中连接方式无关。与元件在电路中连接方式无关。（2 2）电路连接方式的约束电路连接方式的约束。也称拓补约束，也称拓补约束，它仅与元件在电路中连接方式有关，与元件性质无关。它仅与元件在电路中连接方式有关，与元件性质无关。基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律（KCLKCL）、电压定律、电压定律（KVLKVL）是概括这是概括这种约束关系的基本定律。种约束关系的基本定律。重点：重点：电流和电压的参考方向，电路元件特性

5、和基尔霍夫定电流和电压的参考方向，电路元件特性和基尔霍夫定律是本章学习的重点。律是本章学习的重点。难点：难点：1 1）电压电流的实际方向和参考方向的联系和差电压电流的实际方向和参考方向的联系和差别别2 2）理想电路元件与实际电路器件的联系和差理想电路元件与实际电路器件的联系和差3 3）独立电源与受控电源的联系和差别独立电源与受控电源的联系和差别第一章第一章 电路模型和电路定律电路模型和电路定律1.1.电压、电流的参考方向电压、电流的参考方向4.4.基尔霍夫定律基尔霍夫定律(circuit model)(circuit laws)3.3.电路元件特性电路元件特性重点重点2.2.功率计算功率计算1

6、-1 1-1 电路和电路模型电路和电路模型（circuit model)电路是电流的通路。实际电路是由电气器件相互电路是电流的通路。实际电路是由电气器件相互联接而构成的。由电源、负载和中间环节组成。联接而构成的。由电源、负载和中间环节组成。一、电路一、电路降压降压变压器变压器发发电电机机升压升压变压器变压器电灯电灯电动机电动机电炉电炉.输电线输电线1 1、电能的传输和转换、电能的传输和转换二、电路的作用二、电路的作用1、激励：、激励：电源或信号源的电压或电流。电源或信号源的电压或电流。2、响应：、响应：由于激励在电路各部分产生的电压和电流。由于激励在电路各部分产生的电压和电流。3、电路分析：、

7、电路分析：在已知电路结构和元件参数的条件下，讨在已知电路结构和元件参数的条件下，讨论电路的激励与响应之间的关系。论电路的激励与响应之间的关系。放放大大器器扬声器扬声器话筒话筒2 2、传递和处理信号、传递和处理信号三、电路分析三、电路分析1、实际元件、实际元件:组成实际电路的元件。组成实际电路的元件。2、理想元件、理想元件:将实际元件理想化，即在一定条件下突出将实际元件理想化，即在一定条件下突出其主要的电磁性质，忽略其次要因素。其主要的电磁性质，忽略其次要因素。理想理想元件元件电阻电阻 R电压源电压源3、电路模型、电路模型:理想电路元件组成的电路。理想电路元件组成的电路。四、电路模型四、电路模型

8、电感电感 L电容电容 C电流源电流源导线导线电电池池开关开关灯泡灯泡电路图电路图例例注注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1-2 1-2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向 (reference direction)一、问题的引入一、问题的引入5310V9V考虑电路中每个电阻的电流方向考虑电路中每个电阻的电流方向电流方向？电流方向？任意任意指定一个方向作为电流的方向

9、。指定一个方向作为电流的方向。把电流看成代数量把电流看成代数量:若电流的参考方向与它的实际方向若电流的参考方向与它的实际方向一致一致，则电流，则电流为为正值正值；若电流的参考方向与它的实际方向若电流的参考方向与它的实际方向相反相反，则电，则电流为流为负值负值。2 2、参考方向：、参考方向：1 1、实际方向：、实际方向：正电荷运动的方向。正电荷运动的方向。二、电流二、电流i 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 吸收正功率吸收正功率 (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 发

10、出负功率发出负功率 (实际吸收实际吸收)l u,i 取非取非关联参考方向关联参考方向+-iu+-iu二二.判断元件是吸收功率还是发出功率判断元件是吸收功率还是发出功率例例解解注注对一完整的电路，发出的功率消耗的功率对一完整的电路，发出的功率消耗的功率+U3564123I2I3I1+U6U5U4U2U1求图示电路中各方框所代表的元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：件消耗或产生的功率。已知：U1=1V,I1=2A，U2=-3V,I2=1A,U3=8V,I3=-1A U4=-4V,U5=7V,U6=-3V1-4 1-4 电路元件电路元件 (circuit elements)一、集

11、总电路一、集总电路1、集总元件、集总元件 在任何时刻，流入二端元件的一个端子的电流一定在任何时刻，流入二端元件的一个端子的电流一定等于从另一端子流出的电流，两个端子之间的电压为等于从另一端子流出的电流，两个端子之间的电压为单值量。单值量。当构成电路的器件以及电路本身的尺寸远小于电路当构成电路的器件以及电路本身的尺寸远小于电路工作时的电磁波的波长，或者说电磁波通过电路的时工作时的电磁波的波长，或者说电磁波通过电路的时间可认为是瞬时的，这种理想电路元件称为间可认为是瞬时的，这种理想电路元件称为集总元件集总元件或集总参数元件。或集总参数元件。集总条件集总条件ld由集总元件构成的电路称为集总电路。由集

12、总元件构成的电路称为集总电路。例如日光灯，例如日光灯，50Hz工频情况下，电磁波长为工频情况下，电磁波长为6000公里，公里，日光灯电路为集总电路，日光灯电路为集总电路，同样的波长对于远距离传输线来说，就是非集总电路。同样的波长对于远距离传输线来说，就是非集总电路。再例如收音机，收听北京音乐台再例如收音机，收听北京音乐台FM97.4MHz，取近，取近似值似值100MHz，电磁波波长，电磁波波长=?C=f=3米米 电路为非集总路。电路为非集总路。2 2、集总电路、集总电路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，但可以是时间的函数，但与空间坐标无关。与空间坐标无关。二、电路元件的

13、分类二、电路元件的分类1、按与外部连接的端子数目、按与外部连接的端子数目 二端元件、三端元件、四端元件二端元件、三端元件、四端元件2、从是否源分、从是否源分有源元件、无源元件有源元件、无源元件3、从性质关系、从性质关系线性元件、非线性元件线性元件、非线性元件4、和时间关系、和时间关系时变元件、时变元件、时不变元件时不变元件1-5 1-5 电阻元件电阻元件 (resistor)流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。根据欧姆定律，电阻两端的电压和电流之间的关系可写成：根据欧姆定律，电阻两端的电压和电流之间的关系可写成：u=iR在电压和电流的在电压和电流的关联关

14、联方向下方向下u=iR在电压和电流在电压和电流非关联非关联方向下方向下u=-iRRi+_uRi+_u一、欧姆定律一、欧姆定律1、定义、定义G=1/R2、单位、单位S（西门子），电阻的单位为（西门子），电阻的单位为(欧姆欧姆)，计量高电阻时，则以计量高电阻时，则以k 和和M 为单位。为单位。Oui二、电导二、电导以电压和电流为坐以电压和电流为坐标，画出电压和电流的关标，画出电压和电流的关系曲线。系曲线。三、电阻元件的伏安特性三、电阻元件的伏安特性四四.功率和能量功率和能量上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。p u i (R i)i -i2

15、R u(u/R)-u2/Rp u i i2R u2/R功率：功率：Rui+-Rui+-可用功表示。从可用功表示。从 t 到到t0电阻消耗的能量：电阻消耗的能量：Riu+五五.电阻的短路与开路电阻的短路与开路能量：能量：l 短路短路l 开路开路ui1-6 1-6 电压源和电流源电压源和电流源 (independent source)1、特点：（、特点：（1）电压）电压u(t)的函数是的函数是固定固定的，不会因它所联接的的，不会因它所联接的 外电路的不同而改变。外电路的不同而改变。（2）电流则随与它联接的外电路的不同而不同。）电流则随与它联接的外电路的不同而不同。2、图形符号：、图形符号：+-只用

16、来表只用来表示直流示直流0tt0既可以表示直流既可以表示直流也可以表示交流也可以表示交流t0一、理想电压源一、理想电压源Ri-+外外电电路路电压源不能短路！电压源不能短路！空载空载3 3、电压源的不同状态、电压源的不同状态电场力做功电场力做功，电源吸收功率。电源吸收功率。（1）电压、电流的参考方向非关联；电压、电流的参考方向非关联；物理意义：物理意义：+_iu+_+_iu+_发出功率，起电源作用发出功率，起电源作用（2）电压、电流的参考方向关联；电压、电流的参考方向关联；吸收功率，充当负载吸收功率，充当负载4.4.功率功率电流（正电荷电流（正电荷）由低电位向）由低电位向 高电位移动，外力克服电

17、场高电位移动，外力克服电场力作功电源发出功率。力作功电源发出功率。物理意义：物理意义：例例+_i+_+_10V5V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吸收吸收满足满足：P（发）（发）P（吸）（吸）1、特点、特点（1）电流）电流 i(t)的函数是的函数是固定固定的，不会因它所联接的的，不会因它所联接的外电路的不同而改变；外电路的不同而改变；（2）电压则随与它所联接的外电路的不同而不同电压则随与它所联接的外电路的不同而不同。2、图形符号、图形符号二、理想电流源二、理想电流源直流：直流：tO外外电电路路电流源不能开路！电流源不能开路！Ru-+实际电流源的产生实际电

18、流源的产生可可由由稳稳流流电电子子设设备备产产生生，如如晶晶体体管管的的集集电电极极电电流流与与负负载载无无关关；光光电电池池在在一一定定光光线线照照射射下下光光电电池池被被激激发发产产生生一一定定值值的的电流等。电流等。3、电流源的不同状态、电流源的不同状态短路短路（1）电压、电流的参考方向非关联；电压、电流的参考方向非关联；发出功率，起电源作用发出功率，起电源作用（2）电压、电流的参考方向关联；电压、电流的参考方向关联；吸收功率，充当负载吸收功率，充当负载u+_u+_4.4.功率功率例例1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:吸收吸收满足满足：P（发）（发）P（吸）（吸

19、）+_u+_2A5Viis发出发出计算图中电源、电阻及支路的功率，并说明是吸收功率计算图中电源、电阻及支路的功率，并说明是吸收功率还是产生功率？还是产生功率？IR+10=20 得得 I=1A 则则10V+_20VI 10(a)解：解：例例2(-10)+10I=20 得得 I=3A 则则:(b)20V+_I10V 10_解解：1-7 1-7 受控电源受控电源 (controlled source or dependent source)一、电源的分类一、电源的分类电源电源独立电源独立电源受控源受控源电压源的电压和电流源的电压源的电压和电流源的电流电流,不受外电路的影响。不受外电路的影响。作为电源

20、或输入信号时，作为电源或输入信号时，在电路中起在电路中起“激励激励”作用。作用。受控电压源的电压和受控电压源的电压和受控电流源的电流不是受控电流源的电流不是给定的时间函数，而是给定的时间函数，而是受电路中某部分的电流受电路中某部分的电流或电压控制的。或电压控制的。又称为非独立电源。又称为非独立电源。l 电路符号电路符号+受控电压源受控电压源受控电流源受控电流源(1)电流控制的电流源电流控制的电流源(CCCS):电流放大倍数电流放大倍数四端元件四端元件 i1+_u2i2_u1i1+输出：受控部分输出：受控部分输入：控制部分输入：控制部分二、受控源的类型二、受控源的类型g:转移电导转移电导(2)电

21、压控制的电流源电压控制的电流源(VCCS)u1gu u1 1+_u2i2_i1+(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 ri1+_u2i2_u1i1+-(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:电电路路模模型型三三.受控源与独立源的比较受控源与独立源的比较(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、电电流流无无关关，而而受受控控源源电电压压(或或电电流流)由控制量决定。由控制量决定。(2)独独立立源源在在电电路路中中起起“激激励励

22、”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的受控关系。端的受控关系。例例:求：电压求：电压u2。解解:5i1+_u2_u1=6Vi1+-3 1-8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律(Kirchhoffs Laws)用来描述电路中各部分电压或各部分电用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系，其中包括流间的关系，其中包括基尔霍夫电流基尔霍夫电流和和基基尔霍夫电压尔霍夫电压两个定律。两个定律。一一.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 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

23、结点。为结点。(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)结点结点(node)b=5由支路组成的闭合路径。由支路组成的闭合路径。(l)两结点间的一条通路。由支路构成。两结点间的一条通路。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)路径路径(path)(4)回路回路(loop)(5)网孔网孔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二二.基

24、尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律 (KCL)令流出为令流出为“+”“+”，有：，有：例例:流进的电流进的电流等于流流等于流出的电流出的电流在在集总电路中集总电路中,任何时刻，对任一结点，所有与之相连支路任何时刻，对任一结点，所有与之相连支路电流的代数和恒等于零。电流的代数和恒等于零。or:1 3 2例例:三式相加得：三式相加得：表明表明KCLKCL可推广应用于电路中可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面包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

25、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。（2 2）选定回路绕行方向，）选定回路绕行方向，顺时针或逆时针顺时针或逆时针.三三.基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律(KVL)在在集总电路中，任一时刻，沿任一闭合路径绕集总电路中，任一时刻，沿任一闭合路径绕行，所有支路电压的代数和等于零。行，所有支路电压的代数和等于零。（1 1）标定各元件电压参考方向）标定各元件电压参考方向 凡支路电压的参考方向与回路的绕行方向凡

26、支路电压的参考方向与回路的绕行方向一致一致者，该电压前面取者，该电压前面取“+”号；支路电压的参考方向号；支路电压的参考方向与回路的绕行方向与回路的绕行方向相反相反者，该电压前面取者，该电压前面取“-”号。号。U1US1+U2+U3+U4+US4=0I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4例例1:U1+U2+U3+U4=US1-US4例例2KVL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

27、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，与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；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，与电压实际方程是按电压参考方向列写，与电压实际 方向无关。方向无关。四四.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

28、一一结结点点上上电电荷荷是是守守恒恒的的；KVL是是能能量守恒的具体体现量守恒的具体体现(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。1.2.练习题：练习题：+-4V5Vi=?3.3.3+-4V5V1A+-u=?4.4.3 解解10V+-1A-10VI=?10 5.解解I14V+-10AU=?2 6.+-3AI10V+-3I2U=?I=05 5-+2I2 I25+-解：解：7.解：解：8.I1I2 3V+-1V10 2+-1+-U1=？I3 1 12 29.下图电路中，求下图电路中，求（1）K打开时，打开时，Uab、Ubc、I=？（2）K合上后，合上后，Uab、Ubc、I=？_+_+_+K6V4Vc4 1 2A22VabI解：解：1、K打开，打开，Uab=22V，Ubc=4V，I=2A。解：解：2、当、当K合上后，合上后，Uab=22V不变，不变，由由KVL有：有：6+4 I1+I1-4-22=0，解得解得I1=4A则则 I=I1+2=6A，UbC=4-1 I1=0VI1_+_+_+K6V4VC 4 1 2A22VabI