《電路分析基礎》PPT課件.ppt

1 電路分析基礎FundamentalCircuitsAnalysis 楊飛feiyounger 2 聯(lián)系方式 電子郵件 feiyounger 辦公室 小營校區(qū)自動化樓102QQ 39274205課件郵箱 kejian bistu yf 密碼 bistu yf 輔導答疑時間 周二下午13 40 15 30地點 1 7 102 成績考核平時成績 20 作業(yè) 平時測驗 考勤 實驗成績 20 考試成績 60 推薦參考書 電路 邱關源 高等教育出版社 2006年5月 第5版 電路原理 江澤佳 高等教育出版社 1979 2 電路分析 李瀚蓀 高等教育出版社1993 電路分析基礎 基本內容 對電路中的電壓 電流 電荷 磁通 能量和功率等物理量進行分析 探討電路的基本定律和定理 并討論各種計算方法 為電類專業(yè)學生建立必要的理論基礎 學習方法 1 提高課堂上的學習效率 2 注重基本概念的理解并靈活運用 3 多做習題 必須獨立完成作業(yè) 4 及時交流和溝通 5 注重實驗環(huán)節(jié) 6 訪問校園網上精品課程網站 幾點要求 1 按時上課 2 課堂上認真聽講 重點內容要做筆記 4 實驗要預習并寫出預習報告 認真完成實驗 3 認真完成作業(yè) 要 抄題 要 畫圖 所用的參數(shù)在圖上標明變量和方向 電路分析基礎 什么是電路 電路 electriccircuits 就是由若干電氣元件 electricalelements 相互連接構成的電流的通路 本課程中要接觸的電氣元件有電阻 電容 電感 二極管 MOSFET 理想運算放大器 OperationalAmplifier 互感線圈 理想變壓器等 為什么要學習電路 從學術的觀點來看電路是電氣工程 ElectricalEngineering 的基礎 電路是計算機科學 ComputerScience 的基礎 從實際情況來看電路原理是許多高級課程的先修課程 熟練掌握電路原理對現(xiàn)實生活有幫助 電路都有哪些作用 傳輸能量電能的產生 傳輸和分配電路是計算機科學 ComputerScience 的基礎 處理信號電信號的獲得 變換和放大 本學期的主要內容 直流電路 DCcircuits 線性方程組 如何列方程 方程個數(shù) 有無唯一解 動態(tài)電路 Transientcircuits 微分方程 經典解法 通解 特解 交流電路 ACcircuits 求解微分方程的特解 正弦 1 電壓 電流的參考方向 3 基爾霍夫定律 重點 第一章電路分析的定律和等效的概念 2 電路元件特性 CircuitLawsandConceptofEquivalence 4 電路的等效 下頁 1 1電路模型 model 和電路圖 1 實際電路 功能 a能量的傳輸 分配與轉換 由電工設備和電氣元器件按預期目的連接 構成電流的通路 b信息的傳遞與處理 名詞 電源 提供電能或電信號的器件 也稱之為 激勵 負載 用電設備 消耗 存儲能量 響應 各支路的電壓和電流 下頁 反映實際電路器件的主要電磁性質的理想電路元件及其組合 2 電路模型 CircuitModel 電路圖 理想電路元件 具有某種確定的電磁性質 電路模型 具有精確的數(shù)學定義 下頁 上頁 實際電路元件 簡單的u i關系 幾種基本的理想電路元件 電阻元件 表示消耗電能的元件 電感元件 表示產生磁場 儲存磁場能量的元件 電容元件 表示產生電場 儲存電場能量的元件 電源元件 表示各種將其它形式的能量轉變成電能的元件 注 1 具有相同的主要電磁性能的實際電路部件 在一定條件下可用同一模型表示 下頁 上頁 2 同一實際電路部件在不同的應用條件下 其模型可以有不同的形式 例 3 集總參數(shù)電路 由集總元件構成的電路 集總元件 假定發(fā)生的電磁過程都集中在元件內部進行 集總條件 從一端流入的電流等于另一端流出的電流 下頁 上頁 兩個端子之間的電壓為單值量 1 2參考方向 ReferenceDirection 電路中的主要物理量有電壓 電流 電荷 磁鏈 能量 電功率等 在線性電路分析中人們主要關心的物理量是電流 電壓和功率 1 電流的參考方向 CurrentReferenceDirection 電流 電流強度 帶電粒子有規(guī)則的定向運動 形成電流 單位時間內通過導體橫截面的電荷量 下頁 上頁 單位 1kA 103A1mA 10 3A1 A 10 6A A 安培 Ampere 1775 1836 France kA mA A 下頁 上頁 方向 規(guī)定正電荷的運動方向為電流的實際方向 元件 導線 中電流流動的實際方向只有兩種可能 實際方向 實際方向 A A B B 問題 復雜電路或電路中的電流隨時間變化時 電流的實際方向往往很難事先判斷 下頁 上頁 參考方向 i參考方向 任意假定一個正電荷運動的方向即為電流的參考方向 i參考方向 i參考方向 i 0 i 0 實際方向 實際方向 電流的參考方向與實際方向的關系 下頁 上頁 例題 請問圖中紅色箭頭表示的電流i的參考方向嗎 請問電流i何時參考方向與真實方向相同 何時相反 秘籍1 電路圖中標示的電流和電壓方向均為參考方向 秘籍2 如果電路圖中沒有標示 則參考方向由自己指定 電流參考方向的兩種表示 用箭頭表示 箭頭的指向為電流的參考方向 用雙下標表示 如iAB 電流的參考方向由A指向B i iAB 下頁 上頁 V 伏 kV mV V 2 電壓的參考方向 VoltageReferenceDirection 單位正電荷q從電路中一點移至另一點時電場力做功 W 的大小 電位 單位正電荷q從電路中一點移至參考點 電位 0 時電場力做功的大小 實際電壓方向 電位真正降低的方向 下頁 上頁 電壓U 單位 問題 復雜電路或交變電路中 兩點間電壓的實際方向往往不易判別 給實際電路問題的分析計算帶來困難 電壓 降 的參考方向 假設的電壓降方向 下頁 上頁 電壓參考方向的三種表示方式 1 用箭頭表示 2 用正負極性表示 3 用雙下標表示 U U UAB 下頁 上頁 元件或支路的u i采用相同的參考方向稱之為關聯(lián)參考方向 反之 稱為非關聯(lián)參考方向 關聯(lián)參考方向 非關聯(lián)參考方向 3 關聯(lián)參考方向 i i U U 下頁 上頁 注 1 分析電路前必須選定電壓和電流的參考方向 2 參考方向一經選定 必須在圖中相應位置標注 包括方向和符號 在計算過程中不得任意改變 3 參考方向不同時 其表達式相差一負號 但實際方向不變 例 電壓電流參考方向如圖中所標 問 對A B兩部分電路電壓電流參考方向關聯(lián)否 答 A電壓 電流參考方向非關聯(lián) B電壓 電流參考方向關聯(lián) 下頁 上頁 1 2 3功率 Power 1 電功率 功率的單位 W 瓦 Watt 瓦特 能量的單位 J 焦 Joule 焦耳 單位時間內電場力所做的功 下頁 上頁 2 電路吸收或發(fā)出功率的判斷 1 u i取關聯(lián)參考方向 P 0吸收正功率 實際吸收 P 0吸收負功率 實際發(fā)出 P ui表示元件發(fā)出的功率 P 0發(fā)出正功率 實際發(fā)出 P 0發(fā)出負功率 實際吸收 2 u i取非關聯(lián)參考方向 下頁 上頁 發(fā) P ui表示元件吸收的功率 吸 例 求圖示電路中各方框所代表的元件消耗或產生的功率 已知 U1 1V U2 3V U3 8V U4 4V U5 7V U6 3VI1 2A I2 1A I3 1A 解 注 對一完整的電路 發(fā)出的功率 消耗的功率 下頁 上頁 1 3電源元件 IndependentSource 元件兩端電壓總能保持定值或是一定的時間函數(shù) 其電壓值與流出的電流i無關 這樣的元件叫做理想電壓源 電路符號 1 理想電壓源 定義 下頁 上頁 電源兩端電壓由電源本身決定 與外電路無關 與流經它的電流方向 大小無關 通過電壓源的電流由電源及外電路共同決定 理想電壓源的電壓 電流關系 伏安關系 例 外電路 電壓源不能短路 下頁 上頁 電壓源的功率 1 電壓 電流的參考方向非關聯(lián) 發(fā)出功率 2 電壓 電流的參考方向關聯(lián) 吸收功率 下頁 上頁 例 計算圖示電路各元件的功率 解 滿足 P 發(fā) P 吸 下頁 上頁 實際電壓源 考慮內阻 伏安特性 一個好的電壓源要求 下頁 上頁 實際電壓源也不允許短路 因其內阻小 若短路 電流很大 可能燒毀電源 輸出電流總能保持定值或一定的時間函數(shù) 且電流大小與它的兩端電壓u無關 電路符號 2 理想電流源 定義 1 電流源的輸出電流由電源本身決定 與外電路無關 與它兩端電壓方向 大小無關 電流源兩端的電壓由電流源及外電路共同決定 理想電流源的電壓 電流關系 伏安關系 下頁 上頁 例 外電路 電流源不能開路 實際電流源的產生 可由穩(wěn)流電子設備產生 如晶體管的集電極電流與負載無關 光電池在一定光線照射下被激發(fā)產生定值的電流等 下頁 上頁 電流源的功率 1 電壓 電流的參考方向非關聯(lián) 發(fā)出功率 起電源作用 2 電壓 電流的參考方向關聯(lián) 吸收功率 充當負載 下頁 上頁 例 計算圖示電路各元件的功率 解 滿足 P 發(fā) P 吸 下頁 上頁 實際電流源也不允許開路 因其內阻大 若開路 電壓很高 可能燒毀電源 實際電流源 考慮內阻 伏安特性 一個好的電流源要求 下頁 上頁 1 4電阻元件 Resistor 2 線性電阻元件 電路符號 電阻元件 對電流呈現(xiàn)阻力的元件 其伏安關系用u i平面的一條曲線來描述 任何時刻端電壓與其電流成正比的電阻元件 1 定義 伏安特性 下頁 上頁 u i關系 R稱為電阻 單位 歐 Ohm 歐姆 滿足歐姆定律 Ohm sLaw 單位 G稱為電導 單位 S 西 Siemens 西門子 u i取關聯(lián)參考方向 伏安特性為一條過原點的直線 下頁 上頁 2 如電阻上的電壓與電流參考方向非關聯(lián)公式中應冠以負號 注 3 線性電阻是無記憶 雙向性的元件 歐姆定律 1 只適用于線性電阻 R為常數(shù) 則歐姆定律寫為 u Rii Gu 公式和參考方向必須配套使用 下頁 上頁 3 功率和能量 上述結果說明電阻元件在任何時刻總是消耗功率的 功率 下頁 上頁 可用功表示 從t0到t時刻電阻消耗的能量 能量 4 電阻的開路與短路 短路 下頁 上頁 線性電阻元件的電流無論為何值時 其兩端電壓均為零 開 斷 路 線性電阻元件的端電壓無論為何值時 其電流均為零 電阻的額定值 幾種常見材料的0 電阻率與溫度系數(shù) 決定阻值的因素 電阻器的尺寸主要取決于什么 貼片電阻 體積小重量輕可靠性高 碳膜電阻 阻值范圍寬價格低廉 金屬膜電阻 穩(wěn)定性高精度高 線繞電阻 功率大 1 5基爾霍夫定律 Kirchhoff sLaws 基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律 KCL 和基爾霍夫電壓定律 KVL 它反映了電路元件連接之后所有支路電壓和電流應遵循的基本規(guī)律 是分析集總參數(shù)電路的基本定律 下頁 上頁 基爾霍夫定律與VCR構成了電路分析的基礎 VCR KCL KVL 元件特性 連接結構 1 幾個名詞 電路中通過同一電流的分支 b 三條或三條以上支路的連接點稱為結點 b 3 a n 2 b 1 支路 branch 電路中每一個二端元件就叫一條支路 2 結點 node b 5 下頁 上頁 兩個結點之間至少有一個電路元件 由支路組成的閉合路徑 l 兩結點間的一條通路 由支路構成 對于平面電路 其內部不含任何支路的回路稱為網孔 l 3 3 3 路徑 path 4 回路 loop 5 網孔 mesh 網孔是回路 但回路不一定是網孔 下頁 上頁 2 基爾霍夫電流定律 KCL 令流出為 有 例 在集總參數(shù)電路中 任意時刻 對任意結點流出 或流入 該結點電流的代數(shù)和等于零 流進的電流等于流出的電流 下頁 上頁 例 三式相加得 表明KCL可推廣應用于電路中包圍多個結點的任一閉合面 明確 1 KCL是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任意結點處的反映 2 KCL是對支路電流施加的約束 與支路上接的是什么元件無關 與電路是線性還是非線性無關 3 KCL方程是按電流參考方向列寫 與電流實際方向無關 下頁 上頁 2 選定回路繞行方向 順時針或逆時針 在集總參數(shù)電路中 任一時刻 沿任一閉合路徑繞行 各元件電壓的代數(shù)和等于零 1 標定各元件電壓參考方向 或 下頁 上頁 3 基爾霍夫電壓定律 KVL 例 KVL也適用于電路中任一假想的回路 明確 1 KVL的實質反映了電路遵從能量守恒定律 2 KVL是對回路電壓施加的約束 與回路各支路上接的是什么元件無關 與電路是線性還是非線性無關 3 KVL方程是按電壓參考方向列寫 與電壓實際方向無關 下頁 上頁 4 KCL KVL小結 1 KCL是對支路電流的線性約束 KVL是對回路電壓的線性約束 2 KCL KVL與組成支路的元件性質及參數(shù)無關 3 KCL表明在每一節(jié)點上電荷是守恒的 KVL是能量守恒的具體體現(xiàn) 電壓與路徑無關 4 KCL KVL只適用于集總參數(shù)的電路 下頁 上頁 思考 下頁 上頁 下頁 上頁 1 6受控電源 非獨立源 ControlledSourceorDependentSource 電壓源電壓 或電流源電流 的大小和方向不是定值或給定的時間函數(shù) 而是受電路中某個支路的電壓 或電流 控制 這類電源稱之為受控源 電路符號 受控電壓源 1 定義 受控電流源 下頁 上頁 1 電流控制的電流源 CCCS 電流放大倍數(shù) 根據(jù)控制量和被控制量是電壓u或電流i 受控源可分四種類型 當被控制量是電壓時 用受控電壓源表示 當被控制量是電流時 用受控電流源表示 2 分類 輸出 受控部分 輸入 控制部分 下頁 上頁 g 轉移電導 2 電壓控制的電流源 VCCS 3 電壓控制的電壓源 VCVS 電壓放大倍數(shù) 下頁 上頁 4 電流控制的電壓源 CCVS r 轉移電阻 例 電路模型 下頁 上頁 例 電路模型 3 受控源與獨立源的比較 1 獨立源電壓 或電流 由電源本身決定 與電路中其它電壓 電流無關 而受控源電壓 或電流 由控制量決定 2 獨立源在電路中起 激勵 作用 在電路中產生電壓 電流 而受控源只是反映輸出端與輸入端的控制關系 在電路中不能作為 激勵 例 求 電壓u2 解 下頁 上頁 下頁 上頁 解 解 下頁 上頁 解 下頁 上頁 解 選擇參數(shù)可以得到電壓和功率放大 上頁 1 7一端口電路的等效變換 2 電阻的串 并聯(lián) 4 實際電源的等效變換 3 輸入電阻 重點 1 電路等效的概念 5 Y 變換 下頁 引言 僅由電源 線性受控源和線性電阻構成的電路 分析方法 1 歐姆定律和基爾霍夫定律是分析電阻電路的依據(jù) 2 等效變換的方法 也稱化簡的方法 由線性時不變無源元件 線性受控源和獨立電源組成的電路 線性電路 線性電阻電路 下頁 上頁 電路的等效變換 任何一個復雜的電路 向外引出兩個端鈕 且從一個端子流入的電流等于從另一端子流出的電流 則稱這一電路為二端網絡 或一端口網絡 1 二端網絡 一端口 無源一端口 2 二端電路等效的概念 兩個內部結構不同的二端網絡 端口具有完全相同的電壓 電流關系 則稱它們是等效的電路 下頁 上頁 明確 1 電路等效變換的條件 2 等效變換指對外等效 3 電路等效變換的目的 兩電路具有相同的VCR 未變化的外電路C中的電壓 電流和功率均保持不變 化簡電路 方便計算 下頁 上頁 1 7 1電阻的串聯(lián) 并聯(lián)和串并聯(lián) 1 電路特點 1 電阻串聯(lián) SeriesConnectionofResistors a 各電阻順序連接 流過同一電流 KCL b 總電壓等于各串聯(lián)電阻的電壓之和 KVL 下頁 上頁 由歐姆定律 結論 串聯(lián)電路的總電阻等于各分電阻之和 2 等效電路 下頁 上頁 3 串聯(lián)電阻的分壓 說明電壓與電阻成正比 因此串聯(lián)電阻電路可作分壓電路 注意方向 例 兩個電阻的分壓 下頁 上頁 4 功率 總功率 1 電阻串聯(lián)時 各電阻消耗的功率與電阻大小成正比 表明 2 等效電阻消耗的功率等于各串聯(lián)電阻消耗功率的總和 下頁 上頁 2 電阻并聯(lián) ParallelConnection 1 電路特點 a 各電阻兩端分別接在一起 兩端為同一電壓 KVL b 總電流等于流過各并聯(lián)電阻的電流之和 KCL i i1 i2 ik in 下頁 上頁 由KCL 2 等效電路 等效電導等于并聯(lián)的各電導之和 下頁 上頁 3 并聯(lián)電阻的電流分配 對于兩電阻并聯(lián) 有 電流分配與電導成正比 下頁 上頁 4 功率 總功率 1 電阻并聯(lián)時 各電阻消耗的功率與電阻大小成反比 表明 2 等效電阻消耗的功率等于各并聯(lián)電阻消耗功率的總和 3 并聯(lián)電阻彼此獨立 互不影響 下頁 上頁 3 電阻的串并聯(lián) 例 計算各支路的電流 下頁 上頁 例 解 用分流方法 用分壓方法 求 I1 I4 U4 下頁 上頁 從以上例題可得求解串 并聯(lián)電路的一般步驟 1 求出等效電阻或等效電導 2 應用歐姆定律求出總電壓或總電流 3 應用歐姆定律或分壓 分流公式求各電阻上的電流和電壓 以上的關鍵在于識別各電阻的串聯(lián) 并聯(lián)關系 例 求 Rab Rcd 等效電阻針對電路的某兩端而言 否則無意義 下頁 上頁 下頁 上頁 解 Rab 70 下頁 上頁 Rab 10 縮短無電阻支路 下頁 上頁 對稱電路c d等電位 斷路 下頁 上頁 1 8電阻的Y形連接和 形連接的等效變換 1 電阻的 Y連接 Y型網絡 型網絡 包含 三端網絡 下頁 上頁 Y網絡的變形 型電路 型 T型電路 Y 星型 這兩個電路當它們的電阻滿足一定的關系時 能夠相互等效 下頁 上頁 i1 i1Y i2 i2Y i3 i3Y u12 u12Y u23 u23Y u31 u31Y 2 Y變換的等效條件 等效條件 下頁 上頁 Y 用電流表示電壓 u12Y R1i1Y R2i2Y 用電壓表示電流 i1Y i2Y i3Y 0 u31Y R3i3Y R1i1Y u23Y R2i2Y R3i3Y i3 u31 R31 u23 R23 i2 u23 R23 u12 R12 i1 u12 R12 u31 R31 2 1 下頁 上頁 由式 2 解得 i3 u31 R31 u23 R23 i2 u23 R23 u12 R12 i1 u12 R12 u31 R31 1 3 根據(jù)等效條件 比較式 3 與式 1 得Y型 型的變換條件 或 下頁 上頁 類似可得到由 型 Y型的變換條件 或 簡記方法 或 變Y Y變 下頁 上頁 下頁 上頁 特例 若三個電阻相等 對稱 則有 R 3RY 注意 1 等效對外部 端鈕以外 有效 對內不成立 2 等效電路與外部電路無關 外大內小 3 用于簡化電路 下頁 上頁 橋T電路 例 下頁 上頁 例 計算90 電阻吸收的功率 下頁 上頁 例 求負載電阻RL消耗的功率 下頁 上頁 1 7 2電壓源和電流源的串聯(lián)和并聯(lián) 1 理想電壓源的串聯(lián)和并