電路邱關(guān)源第五版課件PPT課件

1、 本課程是電類本科學(xué)生的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課。是后續(xù)課程“信號(hào)與線性系統(tǒng)”、“模擬電子電路”、“數(shù)字電路”等課程的基礎(chǔ)。 第1頁/共76頁學(xué)習(xí)要求：1.有問題下課及時(shí)問 ； 2.及時(shí)復(fù)習(xí)很重要，否則積欠越拖越多，容易最終徹底放棄;3.平時(shí)的體會(huì)和看參考書后的收獲一定要做筆記記下來，對(duì)考研幫助很大；4.認(rèn)真作業(yè)，必須獨(dú)立完成，作業(yè)打成績(jī)；必須抄題目、畫電路，電路圖使用鉛筆和尺子。5. 作業(yè)一周一交。第2頁/共76頁引 言1、技術(shù)基礎(chǔ)課。一、課程的性質(zhì)、任務(wù)及地位2、掌握電路分析的基本概念、基本理論和基本分析方法。第3頁/共76頁二、學(xué)習(xí)方法認(rèn)真聽課詳細(xì)閱讀教材及時(shí)認(rèn)真作習(xí)題看參考書預(yù)習(xí)，聽講，筆記，

2、復(fù)習(xí)，獨(dú)立完成作業(yè)（訂正），答疑，總結(jié)。第4頁/共76頁三、電路理論電路分析：已知 已知 求解輸入 輸出 電路包括電路分析和電路綜合兩方面內(nèi)容電路綜合：已知 求解 已知顯然，電路分析是電路綜合的基礎(chǔ)。第5頁/共76頁電路分析與電路綜合示意圖實(shí)際電路電路模型計(jì)算分析電氣特性電路分析電路綜合第6頁/共76頁1.李翰蓀，電路分析基礎(chǔ)（第三版）,高等教育出版社 1994年。四 參考書目2.吳大正 等，電路基礎(chǔ)（修訂版）,西安電子科技大學(xué)出版社 2000年。3.林爭(zhēng)輝，電路理論, 高等教育出版社，1979年。第7頁/共76頁第1章 電路模型和電路定律電路和電路模型1.1電阻元件1.5電流和電壓的參考方向

3、1.2電壓源和電流源1.6電功率和能量1.3受控電源1.7電路元件1.4基爾霍夫定律1.8首 頁本章重點(diǎn)第8頁/共76頁1. 電壓、電流的參考方向3. 基爾霍夫定律l 重點(diǎn)：2. 電阻元件和電源元件的特性返 回第9頁/共76頁1.1 電路和電路模型1.實(shí)際電路功能a 能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換；b 信息的傳遞、控制與處理。建立在同一電路理論基礎(chǔ)上。由電工設(shè)備和電氣器件按預(yù)期目的連接構(gòu)成的電流的通路。下 頁上 頁共性返 回第10頁/共76頁 反映實(shí)際電路部件的主要電磁 性質(zhì)的理想電路元件及其組合。2. 電路模型sRLRsU10BASE-T wall plate導(dǎo)線電池開關(guān)燈泡電路圖l理想電路元件有某

4、種確定的電磁性能的理想元件。l電路模型下 頁上 頁返 回第11頁/共76頁5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(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件電容元件：表示產(chǎn)生電場(chǎng)，儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成 電能的元件。5種基本理想電路元件有三個(gè)特征： （a）只有兩個(gè)端子； （b）可以用電壓或電流按數(shù)學(xué)方式描述； （c）不能被分解為其他元件。下 頁上 頁注意返 回第12頁/共76頁具有相同的主要電磁性能的實(shí)際電路部件， 在一定條件下可用同一電路模型表示；同一實(shí)際電路部件在不同的應(yīng)用條件下，其電路模型可以有不同的形式。下 頁上 頁例電感線圈的電路模型

5、注意返 回第13頁/共76頁1.2 電流和電壓的參考方向 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(guān)心的物理量是電流、電壓和功率。1.電流的參考方向l電流l電流強(qiáng)度帶電粒子有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量下 頁上 頁返 回第14頁/共76頁l方向 規(guī)定正電荷的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向l單位1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（安培）、kA、mA、A元件(導(dǎo)線)中電流流動(dòng)的實(shí)際方向只有兩種可能: 實(shí)際方向AB實(shí)際方向AB 對(duì)于復(fù)雜電路或電路中的電流隨時(shí)間變化時(shí)，電流的實(shí)際方向往往很難事先判斷。下 頁上 頁問題返 回第1

6、5頁/共76頁l參考方向 大小方向(正負(fù)）電流(代數(shù)量)任意假定一個(gè)正電荷運(yùn)動(dòng)的方向即為電流的參考方向。i 0i 0參考方向U+參考方向U+ 0 吸收正功率 (實(shí)際吸收)P0 發(fā)出正功率 (實(shí)際發(fā)出)P0 發(fā)出負(fù)功率 (實(shí)際吸收)l u, i 取非關(guān)聯(lián)參考方向下 頁上 頁+-iu+-iu返 回第26頁/共76頁例 求圖示電路中各方框所代表的元件吸收或產(chǎn)生的功率。下 頁上 頁已知： U1=1V, U2= -3V，U3=8V, U4= -4V,U5=7V, U6= -3V，I1=2A, I2=1A,，I3= -1A 564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1返 回第27頁/共76頁解）（發(fā)

7、出發(fā)出W221111IUP）（發(fā)出發(fā)出W62)3(122IUP（吸收）W1628133IUP（吸收）W3) 1()3(366IUP）（發(fā)出發(fā)出W7) 1(7355IUP）（發(fā)出發(fā)出W41)4(244IUP對(duì)一完整的電路，滿足：發(fā)出的功率吸收的功率下 頁上 頁564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1注意返 回第28頁/共76頁下 頁上 頁1.4 電路元件是電路中最基本的組成單元。1. 電路元件返 回5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(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件電容元件：表示產(chǎn)生電場(chǎng)，儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成 電能的元件

8、。注意 如果表征元件端子特性的數(shù)學(xué)關(guān)系式是線性關(guān)系，該元件稱為線性元件，否則稱為非線性元件。第29頁/共76頁2.集總參數(shù)電路由集總元件構(gòu)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(nèi)部進(jìn)行。集總條件d下 頁上 頁 集總參數(shù)電路中u、i 可以是時(shí)間的函數(shù)，但與空間坐標(biāo)無關(guān)。因此，任何時(shí)刻，流入兩端元件一個(gè)端子的電流等于從另一端子流出的電流；端子間的電壓為單值量。注意返 回第30頁/共76頁下 頁上 頁例iiz集總參數(shù)電路) t (u+-) t ( iLCR兩線傳輸線的等效電路當(dāng)兩線傳輸線的長(zhǎng)度 l 與電磁波的波長(zhǎng)滿足：l返 回第31頁/共76頁下 頁上 頁iiz),(tzu+-),(tzi)

9、 tz,u(z-),(tzzizL 0zC 0zR 0zR 0zL 0zC 0分布參數(shù)電路當(dāng)兩線傳輸線的長(zhǎng)度 l 與電磁波的波長(zhǎng)滿足：l返 回第32頁/共76頁1.5 電阻元件2.線性時(shí)不變電阻元件l 電路符號(hào)R電阻元件對(duì)電流呈現(xiàn)阻力的元件。其特性可用ui平面上的一條曲線來描述：0),(iufiu任何時(shí)刻端電壓與電流成正比的電阻元件。1.定義伏安特性下 頁上 頁0返 回第33頁/共76頁l ui 關(guān)系R 稱為電阻，單位： (Ohm)滿足歐姆定律GuRuiiuR l 單位G 稱為電導(dǎo)，單位：S (Siemens) u、i 取關(guān)聯(lián)參考方向Riu 下 頁上 頁伏安特性為一條過原點(diǎn)的直線ui0Rui+

10、返 回第34頁/共76頁如電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)聯(lián)，公式中應(yīng)冠以負(fù)號(hào)；說明線性電阻是無記憶、雙向性的元件。歐姆定律只適用于線性電阻( R 為常數(shù)）；則歐姆定律寫為u R i i G u公式和參考方向必須配套使用！下 頁上 頁注意Rui-+返 回第35頁/共76頁3.功率和能量電阻元件在任何時(shí)刻總是消耗功率的。p u i (R i) i i2 R - u2/ Rp u i i2R u2 / Rl 功率Rui+-下 頁上 頁表明Rui-+返 回第36頁/共76頁ui從 t0 到 t 電阻消耗的能量：ttttRuipW00dd4.電阻的開路與短路l 能量l 短路0 0uiGor R 0l 開

11、路0 0ui0 Gor Rui下 頁上 頁Riu+u+i00返 回第37頁/共76頁下 頁上 頁實(shí)際電阻器返 回第38頁/共76頁 1.6 電壓源和電流源l電路符號(hào)1.理想電壓源l定義iSu+_下 頁上 頁其兩端電壓總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其值與流過它的電流 i 無關(guān)的元件叫理想電壓源。返 回第39頁/共76頁電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無關(guān)；與流經(jīng)它的電流方向、大小無關(guān)。通過電壓源的電流由電源及外電路共同決定。l理想電壓源的電壓、電流關(guān)系uiSu直流電壓源的伏安關(guān)系下 頁上 頁例Ri-+Su外電路RuiS)( 0Ri)0( Ri電壓源不能短路！0返 回第40頁/共76頁l電壓源

12、的功率電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián)；+_iu+_SuiuPS 電流（正電荷 ）由低電位向高電位移動(dòng)，外力克服電場(chǎng)力作功，電源發(fā)出功率。 iuPS發(fā)出功率，起電源作用物理意義：下 頁上 頁+_iu+_Su電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)；物理意義：電場(chǎng)力做功，電源吸收功率 iuPS吸收功率，充當(dāng)負(fù)載返 回第41頁/共76頁例 計(jì)算圖示電路各元件的功率解V5)510(RuA155RuiRW5152 RiPRW1011010iuPSVW5155iuPSV發(fā)出吸收吸收滿足：P（發(fā)）P（吸）下 頁上 頁5Ri+_Ru+_10V5V-+返 回第42頁/共76頁其輸出電流總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u

13、 無關(guān)的元件叫理想電流源。l 電路符號(hào)2.理想電流源l 定義uSi+_下 頁上 頁l 理想電流源的電壓、電流關(guān)系電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無關(guān)。返 回第43頁/共76頁電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定。uiSi直流電流源的伏安關(guān)系下 頁上 頁0例Ru-+Si外電路SRiu )0( 0Ru)( Ru電流源不能開路！返 回第44頁/共76頁 可由穩(wěn)流電子設(shè)備產(chǎn)生，如晶體管的集電極電流與負(fù)載無關(guān)；光電池在一定光線照射下光電子被激發(fā)產(chǎn)生一定值的電流等。下 頁上 頁實(shí)際電流源的產(chǎn)生：l 電流源的功率u+_SiSuiP 電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；發(fā)出功率，

14、起電源作用SuiP 電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；u+_Si吸收功率，充當(dāng)負(fù)載SuiP 返 回第45頁/共76頁例計(jì)算圖示電路各元件的功率解A2SiiV5uW10522 uiPSAW10)2(55iuPSV發(fā)出發(fā)出滿足：P（發(fā)）P（吸）下 頁上 頁u2Ai+_5V-+返 回第46頁/共76頁實(shí)際電源干電池鈕扣電池1. 干電池和鈕扣電池（化學(xué)電源） 干電池電動(dòng)勢(shì)1.5V，僅取決于（糊狀）化學(xué)材料，其大小決定儲(chǔ)存的能量，化學(xué)反應(yīng)不可逆。鈕扣電池電動(dòng)勢(shì)1.35V，用固體化學(xué)材料，化學(xué)反應(yīng)不可逆。下 頁上 頁返 回第47頁/共76頁 氫氧燃料電池示意圖2. 燃料電池（化學(xué)電源） 電池電動(dòng)勢(shì)1.23V。以氫

15、、氧作為燃料。約40-45%的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?shí)驗(yàn)階段加燃料可繼續(xù)工作。 下 頁上 頁返 回第48頁/共76頁3. 太陽能電池（光能電源） 一塊太陽能電池電動(dòng)勢(shì)0.6V。太陽光照射到P-N結(jié)上，形成一個(gè)從N區(qū)流向P區(qū)的電流。約 11%的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽食Ｓ锰柲茈姵匕濉?一個(gè)50cm2太陽能電池的電動(dòng)勢(shì)0.6V,電流0.1A 太陽能電池示意圖太陽能電池板下 頁上 頁返 回第49頁/共76頁蓄電池示意圖4. 蓄電池（化學(xué)電源） 電池電動(dòng)勢(shì)2V。使用時(shí)，電池放電，當(dāng)電解液濃度小于一定值時(shí)，電動(dòng)勢(shì)低于2V，常要充電，化學(xué)反應(yīng)可逆。下 頁上 頁返 回第50頁/共76頁直流穩(wěn)壓源變頻器頻率計(jì)函數(shù)發(fā)生

16、器下 頁上 頁返 回第51頁/共76頁發(fā)電機(jī)組下 頁上 頁返 回第52頁/共76頁草原上的風(fēng)力發(fā)電下 頁上 頁返 回第53頁/共76頁1.7 受控電源(非獨(dú)立源)l 電路符號(hào)+受控電壓源1.定義受控電流源 電壓或電流的大小和方向不是給定的時(shí)間函數(shù)，而是受電路中某個(gè)地方的電壓(或電流)控制的電源，稱受控源。下 頁上 頁返 回第54頁/共76頁電流控制的電流源 ( 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(dāng)被控制量是電壓時(shí)，用受控電壓源表示；當(dāng)被控制量是電流時(shí)，用受控電流源表示。2.分類四端元件12 ii輸出：受控部分輸入：控制部分下 頁上 頁

17、i1+_u2i2_u1i1+返 回第55頁/共76頁g: 轉(zhuǎn)移電導(dǎo) 電壓控制的電流源 ( VCCS )12gui 電壓控制的電壓源 ( VCVS )12 uu: 電壓放大倍數(shù) gu1+_u2i2_u1i1+下 頁上 頁i1u1+_u2i2_u1+_返 回第56頁/共76頁電流控制的電壓源 ( CCVS )12riu r : 轉(zhuǎn)移電阻 例bicibcii 電路模型ibicib下 頁上 頁ri1+_u2i2_u1i1+_返 回第57頁/共76頁3.受控源與獨(dú)立源的比較獨(dú)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(guān)，而受控源電壓(或電流)由控制量決定。獨(dú)立源在電路中起“激勵(lì)”作用，在

18、電路中產(chǎn)生電壓、電流，而受控源是反映電路中某處的電壓或電流對(duì)另一處的電壓或電流的控制關(guān)系，在電路中不能作為“激勵(lì)”。下 頁上 頁返 回第58頁/共76頁例求：電壓u2解Ai2361Viu4610 65125i1+_u2_i1+-3u1=6V下 頁上 頁返 回第59頁/共76頁1.8 基爾霍夫定律 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 )。它反映了電路中所有支路電壓和電流所遵循的基本規(guī)律，是分析集總參數(shù)電路的基本定律。基爾霍夫定律與元件特性構(gòu)成了電路分析的基礎(chǔ)。下 頁上 頁返 回第60頁/共76頁1.幾個(gè)名詞電路中通過同一電流的分支。元件的連接點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。b=

19、3an=4b+_R1uS1+_uS2R2R3支路電路中每一個(gè)兩端元件就叫一條支路。i3i2i1結(jié)點(diǎn)b=5下 頁上 頁或三條以上支路的連接點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。n=2注意 兩種定義分別用在不同的場(chǎng)合。返 回第61頁/共76頁由支路組成的閉合路徑。兩結(jié)點(diǎn)間的一條通路。由支路構(gòu)成對(duì)平面電路，其內(nèi)部不含任何支路的回路稱網(wǎng)孔。l=3123路徑回路網(wǎng)孔網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。下 頁上 頁+_R1uS1+_uS2R2R3注意返 回第62頁/共76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(shí)刻，對(duì)任意結(jié)點(diǎn)流出（或流入）該結(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和等于零。mti1b0)(出入ii or

20、流進(jìn)的電流等于流出的電流1i5i4i3i2i054321 iiiii54321iiiii 下 頁上 頁返 回第63頁/共76頁0641iii例0542iii0653iii三式相加得：0321iiiKCL可推廣應(yīng)用于電路中包圍多個(gè)結(jié)點(diǎn)的任一閉合面。下 頁上 頁1 3 25i6i4i1i3i2i表明返 回第64頁/共76頁KCL是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任意結(jié)點(diǎn)處的反映；KCL是對(duì)結(jié)點(diǎn)處支路電流加的約束，與支路上接的是什么元件無關(guān)，與電路是線性還是非線性無關(guān)；KCL方程是按電流參考方向列寫的，與電流實(shí)際方向無關(guān)。下 頁上 頁明確返 回第65頁/共76頁3.基爾霍夫電壓定律 (KVL)mtu

21、1b0)(升降uuor U3U1U2U4下 頁上 頁標(biāo)定各元件電壓參考方向 選定回路繞行方向，順時(shí)針或逆時(shí)針.I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_在集總參數(shù)電路中，任一時(shí)刻，沿任一回路，所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零。返 回第66頁/共76頁U1US1+U2+U3+U4+US4= 0U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4下 頁上 頁U3U1U2U4I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_KVL也適用于電路中任一假想的回路。注意返 回第67頁/共76頁例SbaUUUU21KVL的實(shí)質(zhì)反映了電路遵從能量守恒定律;KVL是對(duì)回路中的支路電壓加的約束，與回路各支路上接的是什么元件無關(guān)，與電路是線性還是非線性無關(guān)；KVL方程是按電壓參考方向列寫，與電壓實(shí)際方向無關(guān)。下 頁上 頁明確aUsb_-+U2U1返 回第68頁/共76頁4. KCL、KVL小結(jié)： KCL是對(duì)支路電