電路原理- 電路模型和電路定律ppt課件

1、第一章電路模型和電路定律第一章電路模型和電路定律(circuit model)(circuit laws) 1. 1. 電壓、電流的參考方向電壓、電流的參考方向3. 3. 基爾霍夫定律基爾霍夫定律l 重點：重點：2. 2. 電路元件特性電路元件特性本章要求本章要求主要內(nèi)容主要內(nèi)容 由實踐元器件構(gòu)成的電流的通路稱為電路。1、電路的組成及其功能、電路的組成及其功能 電路通常由電源、負載和中間環(huán)節(jié)傳輸控制器件三部分組成。1、電路的組成及其功能、電路的組成及其功能.發(fā)電機發(fā)電機升壓升壓變壓器變壓器降壓降壓變壓器變壓器電燈電燈電動機電動機電爐電爐.輸電線輸電線電源電源(source): 提供電能或發(fā)提供

2、電能或發(fā)出電信號的設(shè)備出電信號的設(shè)備負載負載(load): 耗費電能或接耗費電能或接納電信號的安裝納電信號的安裝傳輸控制器件：電源和傳輸控制器件：電源和負載中間的銜接部分負載中間的銜接部分2、電路模型、電路模型負載電源開關(guān)銜接導(dǎo)線SRL+ UIUS+_R0 用籠統(tǒng)的理想電路元件及其組合，近似地替代實踐的器件，從而構(gòu)成了與實踐電路相對應(yīng)的電路模型。R+ USLIS 理想電路元件是實踐電路器件的理想化和近似，其電特性單一、準確，可定量分析和計算。Cl理想電路元件理想電路元件組成電路模型的最小單元，是具有某種確定的電組成電路模型的最小單元，是具有某種確定的電磁性質(zhì)并有準確定義的根本構(gòu)造。磁性質(zhì)并有準

3、確定義的根本構(gòu)造。具有一樣的主要電磁性能的實踐電路部件，具有一樣的主要電磁性能的實踐電路部件， 在在一定條件下可用同一電路模型表示；一定條件下可用同一電路模型表示；同一實踐電路部件在不同的運用條件下，其電路同一實踐電路部件在不同的運用條件下，其電路模型可以有不同的方式。模型可以有不同的方式。例例電感線圈的電路模型電感線圈的電路模型留意u電路中的主要物理量電路中的主要物理量 1.2 電流和電壓的參考方向電流和電壓的參考方向 current and voltage reference direction1. 電流的參考方向電流的參考方向 (current reference direction)t

4、qtqitddlim) t (0def l電流電流l電流強度電流強度帶電粒子有規(guī)那么的定向運動帶電粒子有規(guī)那么的定向運動單位時間內(nèi)經(jīng)過導(dǎo)體橫單位時間內(nèi)經(jīng)過導(dǎo)體橫截面的電荷量截面的電荷量單位：單位： A A安培、安培、kAkA、mAmA、A A 方向：規(guī)定正電荷的運動方向為電流的實方向：規(guī)定正電荷的運動方向為電流的實踐方向，元件踐方向，元件( (導(dǎo)線導(dǎo)線) )中電流流動的實踐方向中電流流動的實踐方向只需兩種能夠只需兩種能夠: : 實踐方向?qū)嵺`方向?qū)嵺`方向?qū)嵺`方向 AABB問問題題復(fù)雜電路或電路中的電流隨時間變化時，電流復(fù)雜電路或電路中的電流隨時間變化時，電流的實踐方向往往很難事先判別的實踐方向往

5、往很難事先判別參考方向參考方向i 參考方向參考方向大小大小方向方向(正負正負電流電流(代數(shù)量代數(shù)量)恣意假定一個正電荷運動的恣意假定一個正電荷運動的方向即為電流的參考方向。方向即為電流的參考方向。ABi 參考方向參考方向i 參考方向參考方向i 0i 0+實踐方向?qū)嵺`方向參考方向參考方向U+ U0 吸收正功率吸收正功率 (實踐吸收實踐吸收)P0 發(fā)出正功率發(fā)出正功率 (實踐發(fā)出實踐發(fā)出)l u, i 取非關(guān)聯(lián)參考方向取非關(guān)聯(lián)參考方向+-iu+-iuP0 發(fā)出負功率發(fā)出負功率 (實踐吸收實踐吸收)例例564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1求圖示電路中各方框所代求圖示電路中各方框所代表的

6、元件耗費或產(chǎn)生的功表的元件耗費或產(chǎn)生的功率。知：率。知： U1=1V, U2= -3V,U3=8V, U4= -4V, U5=7V, U6= -3VI1=2A, I2=1A, I3= -1A 解解11 11 22PU IW （發(fā)出）22 1( 3) 26PU IW （發(fā)出）33 18 216PU IW （吸收）66 3( 3) ( 1)3PU IW （吸收）55 37 ( 1)7PU IW （發(fā)出）442( 4) 14PU IW （發(fā)出） 注注對一完好的電路，發(fā)出的功率吸收的功率對一完好的電路，發(fā)出的功率吸收的功率n定義：電路元件是電路中最根本的組成單元。定義：電路元件是電路中最根本的組成單元

7、。n1、電路元件分類、電路元件分類n按與外部銜接的端子數(shù)目分為二端，三端，四端元按與外部銜接的端子數(shù)目分為二端，三端，四端元件等。件等。1.4 1.4 電路元件電路元件n 還可分為線性和非線性元件，時變和時不變元件，無源和有源元件等。還可分為線性和非線性元件，時變和時不變元件，無源和有源元件等。三端元件三端元件二端元件二端元件四端元件四端元件n2.集總元件集總元件集總元件集總元件假定發(fā)生的電磁過程都集中在元件內(nèi)部進假定發(fā)生的電磁過程都集中在元件內(nèi)部進展。在任何時辰，流入二端元件的一個端子的電流一定展。在任何時辰，流入二端元件的一個端子的電流一定等于從另一端子流出的電流，兩個端子之間的電壓為單等

8、于從另一端子流出的電流，兩個端子之間的電壓為單值量。值量。集總參數(shù)電路集總參數(shù)電路滿足集總化條件、由集總元件構(gòu)成的滿足集總化條件、由集總元件構(gòu)成的實踐電路模型。實踐電路模型。集總化條件集總化條件實踐電路的尺寸實踐電路的尺寸d遠小于電路任務(wù)時電遠小于電路任務(wù)時電磁波的波磁波的波： d 需求指出的是：集總參數(shù)電路中需求指出的是：集總參數(shù)電路中u、i可以是時間的函可以是時間的函數(shù)，但與空間坐標無關(guān)，本課程只討論由集總元件構(gòu)成數(shù)，但與空間坐標無關(guān)，本課程只討論由集總元件構(gòu)成的集總參數(shù)電路。的集總參數(shù)電路。幾種根本的電路元件：幾種根本的電路元件：R+ USLISC1.5 1.5 電阻元件電阻元件2.2.

9、線性時不變電阻元件線性時不變電阻元件l 電路符號電路符號R電阻元件電阻元件對電流呈現(xiàn)阻力的元件。其特性可對電流呈現(xiàn)阻力的元件。其特性可用用u ui i平面上的一條曲線來描畫：平面上的一條曲線來描畫：0),(iufiu任何時辰端電壓與電流成正比的電阻元件。任何時辰端電壓與電流成正比的電阻元件。1.1.定義定義伏安伏安特性特性下 頁上 頁0返 回l ui 關(guān)系R 稱為電阻，單位： (Ohm)滿足歐姆定律滿足歐姆定律GuRuiiuR l 單位單位G 稱為電導(dǎo)，單位：S (Siemens) u、i 取關(guān)聯(lián)取關(guān)聯(lián)參考方向參考方向Riu 下 頁上 頁伏安特伏安特性為一性為一條過原條過原點的直點的直線線ui

10、0Rui+返 回(2) 如電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)如電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)聯(lián)公式中應(yīng)冠以負號聯(lián)公式中應(yīng)冠以負號注注 闡明線性電阻是無記憶、雙向性的元闡明線性電阻是無記憶、雙向性的元 件，又稱為靜態(tài)元件件，又稱為靜態(tài)元件歐姆定律歐姆定律(1) 只適用于線性電阻，只適用于線性電阻，( R 為常數(shù)為常數(shù)那么歐姆定律寫為那么歐姆定律寫為u R i i G u公式和參考方向必需配套運用！公式和參考方向必需配套運用！Rui+-3.3.功率和能量功率和能量電阻元件在任何時辰總是耗費功率的。電阻元件在任何時辰總是耗費功率的。p u i (-Ri)I i2 R - u2/ R (吸收) p u i

11、 i2R u2 / R (吸收)l 功率功率Rui+ +- -下 頁上 頁闡明闡明Rui- -+ +返 回可用功表示。從可用功表示。從 t 到到t0電阻耗費的能量：電阻耗費的能量： ttttRuipW00ddRiu+4. 電阻的開路與短路電阻的開路與短路l 短路短路00 ui G or R0l 開路開路00 ui 0 G or Ruil 能量能量小結(jié)無源元件、耗能元件無源元件、耗能元件Rui+1.2. 電阻是靜態(tài)元件電阻是靜態(tài)元件3. p u i i2R u2 / R (吸收吸收) ttttRuipW00ddRiu 分類：分類： 獨立電源獨立電源 (independent source) 受控

12、電源受控電源 (dependent source) 電壓源電壓源 電流源電流源 l電路符號電路符號1.1.理想電壓源理想電壓源l定義定義iSu+_下 頁上 頁其兩端電壓總能堅持定值或一定其兩端電壓總能堅持定值或一定的時間函數(shù)，其值與流過它的電的時間函數(shù)，其值與流過它的電流流 i 無關(guān)的元件叫理想電壓源。無關(guān)的元件叫理想電壓源。返 回 電源兩端電壓由電源本身決議，與外電路無關(guān)；與流經(jīng)電源兩端電壓由電源本身決議，與外電路無關(guān)；與流經(jīng)它的電流方向、大小無關(guān)。它的電流方向、大小無關(guān)。 經(jīng)過電壓源的電流由電源及外電經(jīng)過電壓源的電流由電源及外電路共同決議。路共同決議。l電壓源的電壓、電流關(guān)系電壓源的電壓、

13、電流關(guān)系uiSu直流電壓源直流電壓源的伏安關(guān)系的伏安關(guān)系下 頁上 頁例例Ri-+Su外電路外電路RuiS)( 0Ri)0( Ri,電壓源不能短路！電壓源不能短路！0返 回0Su l電壓源功率：電壓源功率：電場力做功，電源吸收功電場力做功，電源吸收功率，吸收功率，充任負載率，吸收功率，充任負載或發(fā)出負功或發(fā)出負功電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；物理意義：物理意義：+_iu+_SuiuPS 外力抑制電場力作功，電外力抑制電場力作功，電源發(fā)出功率，發(fā)出功率，源發(fā)出功率，發(fā)出功率，起電源作用起電源作用電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；物理意義：物理意義：+_i

14、u+_SuSu例例計算圖示電路各元件的功率。計算圖示電路各元件的功率。解解(發(fā)出發(fā)出)(吸收吸收)(吸收吸收)滿足：滿足：P P發(fā)發(fā)P P吸吸VuR5)510(ARuiR155WiuPSV101101055 1 5VSPu iW WRiPR5152+_5V+_i10V5RRu 實踐電壓源也不允許短路。因其內(nèi)阻小，假實踐電壓源也不允許短路。因其內(nèi)阻小，假設(shè)短路，電流很大，能夠燒毀電源。設(shè)短路，電流很大，能夠燒毀電源。usuiO 實踐電壓源實踐電壓源i+_u+_suSR思索內(nèi)阻思索內(nèi)阻伏安特性伏安特性iRuuSS 一個好的電壓源要求一個好的電壓源要求0SR其輸出電流總能堅持定值或一定的其輸出電流總

15、能堅持定值或一定的時間函數(shù)，其值與它的兩端電壓時間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u u 無關(guān)的元件叫理想電流源。無關(guān)的元件叫理想電流源。l 電路符號電路符號2.2.理想電流源理想電流源l 定義定義uSi+_下 頁上 頁l 理想電流源的電壓、電流關(guān)系理想電流源的電壓、電流關(guān)系 電流源的輸出電流由電源本身決議，與外電路無電流源的輸出電流由電源本身決議，與外電路無關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無關(guān)。關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無關(guān)。返 回 電流源兩端的電壓由電源及外電路共電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決議。同決議。uiSi直流電流源的直流電流源的伏安關(guān)系伏安關(guān)系下 頁上 頁0例例Ru-+Si外電路外電路SR

16、iu )0( 0Ru)( Ru電流源不能開路！電流源不能開路！返 回電流源功率：電流源功率：電場力做功，電源吸收功電場力做功，電源吸收功率，吸收功率，充任負載率，吸收功率，充任負載或發(fā)出負功或發(fā)出負功電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；物理意義：物理意義：uiPS 外力抑制電場力作功電外力抑制電場力作功電源發(fā)出功率，發(fā)出功率源發(fā)出功率，發(fā)出功率，起電源作用，起電源作用電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；物理意義：物理意義：+_iu+_SiiSi+_u+_ 實踐電流源也不允許開路。因其內(nèi)阻大，假實踐電流源也不允許開路。因其內(nèi)阻大，假設(shè)開路，電壓很高，能夠燒毀電

17、源。設(shè)開路，電壓很高，能夠燒毀電源。isuiO實踐電流源實踐電流源思索內(nèi)阻思索內(nèi)阻伏安特性伏安特性SSRuii 一個好的電流源要求一個好的電流源要求: SRu+_iSRSi實踐電源實踐電源干電池鈕扣電池1. 1. 干電池和鈕扣電池化學(xué)電源干電池和鈕扣電池化學(xué)電源 干電池電動勢干電池電動勢1.5V1.5V，僅取決于糊狀化學(xué)資料，其大小決議儲存，僅取決于糊狀化學(xué)資料，其大小決議儲存的能量，化學(xué)反響不可逆。的能量，化學(xué)反響不可逆。鈕扣電池電動勢鈕扣電池電動勢1.35V1.35V，用固體化學(xué)資料，化學(xué)反響不可逆。，用固體化學(xué)資料，化學(xué)反響不可逆。下 頁上 頁返 回 氫氧燃料電池表示圖2. 2. 燃料電

18、池化學(xué)電源燃料電池化學(xué)電源 電池電動勢電池電動勢1.23V1.23V。以氫、氧作為燃料。約。以氫、氧作為燃料。約40-45%40-45%的化學(xué)能的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋嶒炿A段加燃料可繼續(xù)任務(wù)。轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。實驗階段加燃料可繼續(xù)任務(wù)。 下 頁上 頁返 回3. 3. 太陽能電池光能電源太陽能電池光能電源 一塊太陽能電池電動勢一塊太陽能電池電動勢0.6V0.6V。太陽光照射到。太陽光照射到P-NP-N結(jié)上，結(jié)上，構(gòu)成一個從構(gòu)成一個從N N區(qū)流向區(qū)流向P P區(qū)的電流。約區(qū)的電流。約 11% 11%的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽食Ｓ锰柲茈姵匕?。故常用太陽能電池板?一個50cm2太陽能電池的電動勢

19、0.6V,電流0.1A 太陽能電池表示圖太陽能電池板太陽能電池板下 頁上 頁返 回蓄電池表示圖蓄電池表示圖4. 4. 蓄電池化學(xué)電源蓄電池化學(xué)電源 電池電動勢電池電動勢2V2V。運用時，電池放電，當電解液濃度小。運用時，電池放電，當電解液濃度小于一定值時，電動勢低于于一定值時，電動勢低于2V2V，常要充電，化學(xué)反響可逆。，常要充電，化學(xué)反響可逆。下 頁上 頁返 回草原上的風力發(fā)電草原上的風力發(fā)電下 頁上 頁返 回引入引入bicibcii 1.7 1.7 受控電源受控電源( (非獨立源非獨立源) )1.7 1.7 受控電源受控電源( (非獨立源非獨立源) )l 電路符號電路符號+受控電壓源受控電

20、壓源1.1.定義定義受控電流源受控電流源 電壓或電流的大小和方向不是給定電壓或電流的大小和方向不是給定的時間函數(shù)，而是受電路中某個地方的電壓的時間函數(shù)，而是受電路中某個地方的電壓(或電或電流流)控制的電源，稱受控源?？刂频碾娫?，稱受控源。下 頁上 頁返 回 電流控制的電流源電流控制的電流源 ( CCCS ) ( CCCS ) : : 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù) 根據(jù)控制量和被控制量是電壓根據(jù)控制量和被控制量是電壓u u 或電流或電流i i，受控源，受控源可分四種類型可分四種類型2.2.分類分類四端元件四端元件12 ii輸出：受控部分輸出：受控部分輸入：控制部分輸入：控制部分下 頁上 頁 i1+_

21、u2i2_u1i1+返 回g: 轉(zhuǎn)移電導(dǎo) 電壓控制的電流源電壓控制的電流源 ( VCCS ) ( VCCS )12gui 電壓控制的電壓源電壓控制的電壓源 ( VCVS ) ( VCVS )12 uu: 電壓放大倍數(shù) gu1+_u2i2_u1i1+下 頁上 頁i1u1+_u2i2_u1+_返 回 電流控制的電壓源電流控制的電壓源 ( CCVS ) ( CCVS )12riu r : 轉(zhuǎn)移電阻 例例bicibcii 電路模型電路模型ibicib下 頁上 頁ri1+_u2i2_u1i1+_返 回3.3.受控源與獨立源的比較受控源與獨立源的比較 獨立源電壓獨立源電壓( (或電流或電流) )由電源本身

22、決議，與電路由電源本身決議，與電路中其它電壓、電流無關(guān)，而受控源電壓中其它電壓、電流無關(guān)，而受控源電壓( (或電流或電流) )由控制量決議。由控制量決議。 獨立源在電路中起獨立源在電路中起“鼓勵作用，在電路中產(chǎn)生鼓勵作用，在電路中產(chǎn)生電壓、電流，而受控源是反映電路中某處的電電壓、電流，而受控源是反映電路中某處的電壓或電流對另一處的電壓或電流的控制關(guān)系，壓或電流對另一處的電壓或電流的控制關(guān)系，在電路中不能作為在電路中不能作為“鼓勵。鼓勵。下 頁上 頁返 回例例求：電壓求：電壓u2u2解解Ai2361Viu4610 65125i1+_u2_i1+-3u1=6V下 頁上 頁返 回1.1.幾個名詞幾個

23、名詞電路中經(jīng)過同一電流的分支。電路中經(jīng)過同一電流的分支。元件的銜接點稱為結(jié)點。元件的銜接點稱為結(jié)點。b=3an=4b+_R1uS1+_uS2R2R3 支路支路電路中每一個兩端元件就叫一條支路。電路中每一個兩端元件就叫一條支路。i3i2i1 結(jié)點結(jié)點b=5下 頁上 頁或三條以上支路的銜接點稱為結(jié)點。或三條以上支路的銜接點稱為結(jié)點。n=2留意留意兩種定義分別用在不同的場所。兩種定義分別用在不同的場所。返 回由支路組成的閉合途徑。由支路組成的閉合途徑。兩結(jié)點間的一條通路。由支路構(gòu)成兩結(jié)點間的一條通路。由支路構(gòu)成對平面電路，其內(nèi)部不含任對平面電路，其內(nèi)部不含任何支路的回路稱網(wǎng)孔。何支路的回路稱網(wǎng)孔。l

24、=3123 途徑途徑 回路回路 網(wǎng)孔網(wǎng)孔網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。下 頁上 頁+_R1uS1+_uS2R2R3留意留意返 回2.2.基爾霍夫電流定律基爾霍夫電流定律 (KCL) (KCL)令流出為令流出為“+ +，有：，有：例例 在集總參數(shù)電路中，恣意時辰，對恣意結(jié)點流出或在集總參數(shù)電路中，恣意時辰，對恣意結(jié)點流出或流入該結(jié)點電流的代數(shù)和等于零。流入該結(jié)點電流的代數(shù)和等于零。mti1b0)(出入ii or流進流進的電的電流等流等于流于流出的出的電流電流1i5i4i3i2i054321 iiiii54321iiiii 下 頁上 頁返 回0641iii例例05

25、42iii0653iii三式相加得：三式相加得：0321iiiKCL可推行運用于電路中包圍多個結(jié)點的任一閉合面。下 頁上 頁1 3 25i6i4i1i3i2i闡明返 回 KCL是電荷守恒和電流延續(xù)性原理在電路中恣意結(jié)點處的反映； KCL是對結(jié)點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，與電流實踐方向無關(guān)。下 頁上 頁明確明確返 回3.3.基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律 (KVL) (KVL)mtu1b0)(升降uuor U3U1U2U4下 頁上 頁 標定各元件電壓參標定各元件電壓參考方向考方向 選定回路繞行方向，選定回路繞行方向，順時針或逆時針順時針或逆時針. .I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_ 在集總參數(shù)電路中，任一時辰，沿任一回路，一切在集總參數(shù)電路中，任一時辰，沿任一回路，一切支路電