工學(xué)電路分析第1章課件

1、課程簡介1.課程內(nèi)容 電路的基本概念：電壓、電流、電功率 基本原理：基爾霍夫定律、疊加定理 分析方法：支路電流法、結(jié)點電壓法 分析求解各種電路：直流電路、一階電路 2.重要性 電類專業(yè)基礎(chǔ)課?？佳姓n程。課程名稱：電路，電路分析，電路原理， 工程電路理論 已知電路圖求電壓、電流、功率等物理量的大小和方向。13.學(xué)習(xí)方法 基礎(chǔ)課，理論性強(qiáng)，電路模型（要用到中學(xué)物理電學(xué)部分，高等數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)知識）。 思考問題的方式要改變。例如：電流的參考方向，電源的電流方向。學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)：看書（包括自學(xué)）、聽課、做習(xí)題、做實驗。2第1章 電路模型和電路定律1.6 電壓源和電流源1.2 電流和電壓的參考方向1.1 電路模型

2、1.7 受控電源1.4 1.5 電路元件 電阻元件1.3 電功率和能量1.8 基爾霍夫定律31.1 電 路 和 電 路 模 型一、 電路的組成及功能電路由實際元器件構(gòu)成的電流的通路?？蓪⑵渌问降哪芰哭D(zhuǎn)換成電能，向電路提供電能的裝置?？蓪㈦娔苻D(zhuǎn)換成其他形式的能量，在電路中接收電能的設(shè)備。負(fù)載：電路組成電源：中間環(huán)節(jié)：電源和負(fù)載之間不可缺少的連接、控制和保護(hù)部件統(tǒng)稱為中間環(huán)節(jié)，如導(dǎo)線、開關(guān)及各種繼電器等。例如手電筒電路、房間照明電路、手機(jī)4 (1) 實現(xiàn)電能的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換 (2)實現(xiàn)信號的傳遞與處理放大器揚聲器話筒電路的功能：發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器電燈電動機(jī)電爐.輸電線5電源:提供電能的

3、裝置負(fù)載: 取用電能的裝置中間環(huán)節(jié)：起傳遞、分配和控制電能的作用發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器電燈電動機(jī)電爐.輸電線6直流電源直流電源: 提供能源信號處理：放大、調(diào)諧、檢波等負(fù)載信號源: 提供信息放大器揚聲器話筒 電源或信號源的電壓(電流)稱為激勵（輸入），它推動電路工作；由激勵所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)（輸出）。7二、 電路模型 為了便于用數(shù)學(xué)方法分析電路,一般要將實際電路模型化，用足以反映其電磁性質(zhì)的理想電路元件或其組合來模擬實際電路中的器件，從而構(gòu)成與實際電路相對應(yīng)的電路模型。 電源負(fù)載負(fù)載電源開關(guān)ISUS+_RS中間環(huán)節(jié)手電筒的實際電路RL+ U導(dǎo)線手電筒的電路模型電流功率8白熾燈的電路模

4、型可表示為： 實際電路器件品種多，電磁特性多元而復(fù)雜，如直接畫在電路圖中困難而繁瑣，且不易定量描述。iR R L消耗電能的電特性可用電阻元件表征產(chǎn)生磁場的電特性可用電感元件表征由于白熾燈中耗能的因素遠(yuǎn)大于產(chǎn)生磁場的因素，因此L 可以忽略。 理想電路元件是實際電路器件的理想化和近似，其電特性惟一、精確，可定量分析和計算。白熾燈電路9電流強(qiáng)度 單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量。直流情況下：1.2 電流和電壓的參考方向一、電流i dqdt=（1-1）電流是一個有方向的物理量，僅指出大小是不夠的，規(guī)定以正電荷移動的方向為電流的真實方向。I Q t=（1-2） 電荷有規(guī)則的定向移動形成電流。電流的大小用

5、電流強(qiáng)度表征，定義為：1A=103mA=106A=109nA 電流的國際單位制是安培【A】，較小的單位還有毫安【mA】和微安【A】等，它們之間的換算關(guān)系為：10直流情況下二、電壓 電壓的定義是：電場力把單位正電荷從電場中的一點移到另一點所做的功。其表達(dá)式為：注意：變量用小寫字母表示，恒量用大寫字母表示。 電壓的國際單位制是伏特V，常用的單位還有毫伏mV和千伏【KV】等，換算關(guān)系為：1KV=103V=106mV=109V 通常規(guī)定電壓的正方向由高電位指向低電位，因此電壓又稱作電壓降。 從工程應(yīng)用的角度來講，電路中電壓是產(chǎn)生電流的根本原因。數(shù)值上，電壓等于電路中兩點電位的差值。即：11三、電壓、電

6、位和電動勢Ia 電位V是相對于參考點的電壓。參考點的電位:Vb=0；a點電位： Va=E-IR0=IRER+_R0S電壓U是反映電場力作功本領(lǐng)的物理量，是產(chǎn)生電流的根本原因。電壓的正方向規(guī)定由“高”電位指向“低”電位。電動勢E 只存在于電源內(nèi)部，其大小反映了電源力作功的本領(lǐng)。其方向規(guī)定由電源“負(fù)極”指向電源“正極”。b+ U12 電位是一種由電路中的位置所確定的勢能，具有明顯的相對性其高低正負(fù)取決于電路參考點。 理論上電路參考點的選取是任意的，但實際應(yīng)用中經(jīng)常以大地作為零電位點。 通常，設(shè)備和儀器的底盤或機(jī)殼與接地裝置相連，故常選取機(jī)殼作為電路參考點；電子技術(shù)中為分析方便，常把設(shè)備的公共連接點

7、作為電路參考點。 某點電位在數(shù)值上等于該點與參考點之間的電壓。當(dāng)電路參考點改變時，該電位隨參考點發(fā)生變化，但兩點之間的差值（電壓）不會發(fā)生改變。電壓和電位的關(guān)系：Uab=VaVb13電壓、電位和電動勢的區(qū)別 電壓和電位是衡量電場力作功本領(lǐng)的物理量，電動勢則是衡量電源力作功本領(lǐng)的物理量；電路中兩點間電壓的大小只取決于兩點間電位的差值，是絕對的量；電位是相對的量，其高低正負(fù)取決于參考點；電動勢只存在于電源內(nèi)部。14基本物理量方向的規(guī)定物理量實 際 方 向電流 I正電荷運動的方向電動勢E (電位升高的方向) 電壓 U(電位降低的方向)高電位 低電位 單 位kA 、A、mA、A低電位 高電位kV 、V

8、、mV、VkV 、V、mV、V15(2) 參考方向的表示方法: (1) 參考方向 在分析與計算電路時，對電流和電壓任意假定的方向。四、 電流和電壓的參考方向電流：Iab 雙下標(biāo)箭 標(biāo)abRI電壓：Uab 雙下標(biāo)箭 標(biāo)abRuIaRb U+_16實際方向與參考方向一致，電流(或電壓)值為正值；實際方向與參考方向相反，電流(或電壓)值為負(fù)值。(3) 實際方向與參考方向的關(guān)系注意： 在參考方向選定后，電流 ( 或電壓 ) 值才有正負(fù)之分。 若 I = 5A，則電流從 a 流向 b；例：若 I = 5A，則電流從 b 流向 a 。abRIabRU+若 U = 5V，則電壓的實際方向從 a 指向 b；若

9、 U= 5V，則電壓的實際方向從 b 指向 a 。17為什么要引入?yún)⒖挤较?？請指出圖中電阻R3的電流方向？+_R1US1-+US2R2R318五、關(guān)聯(lián)參考方向電壓與電流的參考方向一致，稱為關(guān)聯(lián)參考方向。電壓與電流的參考方向不一致，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。aI元件Ub關(guān)聯(lián)參考方向aI元件Ub非關(guān)聯(lián)參考方向19電源和負(fù)載的區(qū)分 U、I實際方向相反時元件是電源。元件I+U元件IU+ 元件究竟是電源還是負(fù)載，應(yīng)由元件上電壓、電流的實際方向決定：實際方向相同時，元件是負(fù)載；實際方向相反時，元件是電源(如上圖)。 也可以根據(jù)消耗功率的正負(fù)判別。 U、I實際方向相同時，元件是負(fù)載201.3 電功率和能量 電流能

10、使電動機(jī)轉(zhuǎn)動、電爐發(fā)熱、電燈發(fā)光，說明電流具有做功的本領(lǐng)。電流做的功稱為電功。做功的同時必然伴隨著能量的轉(zhuǎn)換，因此電功的大小可以用能量來量度，即：式中單位：U【V】；I【A】；t【s】時，電功W為焦耳【J】若U【KV】；I【A】；t【h】時，電功W為度【KWh】。1度電的概念1000W的電爐加熱1小時；40W的燈泡照明25小時。 電度表就是用來測量電功的裝置。只要電器工作，電度表就會轉(zhuǎn)動并顯示耗電的多少，顯然，電功的大小不僅與電壓、電流的大小有關(guān)，還取決于用電時間的長短。對于直流: W=UIt21單位時間內(nèi)電流做的功稱為電功率，用“p ”表示：國際單位制：U 【V】，I【A】，電功率P用瓦特【

11、W】。 電器銘牌數(shù)據(jù)上的電壓、電流、功率值稱為額定值。所謂額定值是制造廠為使產(chǎn)品在給定的工作條件下正常運行而規(guī)定的正常允許值，一般在出廠時標(biāo)定。 實際值不允許超過額定值，但不一定等于額定值。對于直流：P=UI22P0，說明元件確實吸收功率。+iu+iu例: U = 5V， I = - 1AP= UI = 5 (-1) = -5 W功 率 的 計 算1. u、i取關(guān)聯(lián)參考方向時，p = u i 0 表示吸收功率2. u、i取非關(guān)聯(lián)參考方向， p = u i 0 表示發(fā)出功率例 ： U = 5V， I = - 1AP= UI = 5 (-1) =-5 WP0，說明元件確實發(fā)出功率。23仔細(xì)讀懂下面

12、例題例：右下圖電路，若已知元件功率為20W，電壓U=5V，求電流I。+UI元 件解：由圖可知UI為關(guān)聯(lián)參考方向，因此:I=PU=205=4A例：右下圖電路，若已知元件中電流為I=100A，電壓U=10V，求電功率P，并說明元件是電源還是負(fù)載。+UI元 件解：由圖可知UI為非關(guān)聯(lián)參考方向，因此:P=UI=10(-100)=-1000W發(fā)出的功率為負(fù)值，說明元件是負(fù)載。24 電路原理主要針對由理想電路元件構(gòu)成的集總參數(shù)電路進(jìn)行分析和計算，其中的電磁現(xiàn)象可以用數(shù)學(xué)方式來精確地分析和計算。集總參數(shù)電路元件： 元件發(fā)生的電磁過程都集中在元件內(nèi)部進(jìn)行，其次要因素可以忽略的理想電路元件；任何時刻從元件兩端流

13、入和流出的電流相等且元件端電壓值確定。1.4 電路元件1.5 電阻元件25理想電路元件分有有源和無源兩大類RC+ US電阻元件只具耗能的電特性電容元件只具有儲存電能的電特性理想電壓源輸出電壓恒定，輸出電流由它和負(fù)載共同決定理想電流源輸出電流恒定，兩端電壓由它和負(fù)載共同決定L無源二端元件有源二端元件電感元件只具有儲存磁能的電特性IS26電阻元件 電阻有線性電阻和非線性電阻之分。線性電阻元件的電壓、電流關(guān)系符合歐姆定律， 即： u=Ri 電阻的單位為歐姆（），1M=103K=106 電阻的倒數(shù)稱為電導(dǎo)（其單位為：西門子S） 電阻產(chǎn)品實物圖R 電阻元件圖符號Ru+_27 歐姆定律是德國物理學(xué)家喬治歐

14、姆（1787年1854年）在1826年發(fā)現(xiàn)的，是我們分析電路的主要的理論依據(jù)。1）U=RI為關(guān)聯(lián)方向得出的：2）U= - RI為非關(guān)聯(lián)方向：使用時應(yīng)注意：U+-IRU-+IR28I（A）U（V）0電阻元件的電壓、電流關(guān)系反映電阻的特性，稱為伏安特性。線性電阻的伏安特性為一條通過原點的直線（即線性關(guān)系）。開路：不管u為何值，i恒等于零。相當(dāng)于R=。 短路：不管i為何值，u恒等于零。相當(dāng)于R=0。非線性電阻的伏安特性不是一條通過原點的直線，一般為曲線。29電阻的電能電阻元件通過電流就會發(fā)熱，消耗的能量全部轉(zhuǎn)換為熱能：當(dāng) u、i取關(guān)聯(lián)參考方向時，電阻消耗的功率為：301.6 電壓源和電流源 電源有兩

15、種電路模型。用電壓形式表示的稱為電壓源，用電流形式表示的稱為電流源。一、 理想電壓源2. 特點：能獨立向外電路提供給定電壓的二端元件。輸出電壓（端電壓）由自身確定，不受外電路影響；電流大小由電壓源和外電路共同決定。電路符號：uS1. 定義及圖形符號：其端電壓為：u(t) = us(t)直流電壓源（恒壓源）：USUS313.伏安特性： 平行于電流軸的直線。ui0US恒壓源的伏安特性：對于非恒壓源，當(dāng)us(t)隨時間變化時，平行于電流軸的直線位置也相應(yīng)改變。正弦電壓源:Um稱為正弦電壓的最大值32開路4.理想電壓源的開路與短路：i=0uS+_RL+_u=uSi=US+_RL短路+_u=0理想電壓源

16、不允許短路！5.理想電壓源上的功率計算：+usi發(fā)出的功率為：p = us(t)i(t)33二、 理想電流源電路符號:1. 定義及圖形符號：能獨立向外電路提供給定電流的二端元件。2. 特點：輸出電流由自身確定，不受外電路影響；而端電壓大小由電流源和外電路共同決定。iSu其輸出電流為：i(t) = is(t)343.伏安特性： 平行于電壓軸的直線。ui0IS恒流源的伏安特性：對于非恒流源，當(dāng)is(t)隨時間變化時，平行于電壓軸的直線位置也相應(yīng)改變。35開路4.理想電流源的開路與短路：i=iS短路5.理想電流源上的功率計算：iSRLiSRLi=0理想電流源不允許開路！光電池、穩(wěn)流三極管一般可視為實

17、際電流源。+UIS發(fā)出的功率為：p = u (t)is(t)361.7 受控電源+受控電壓源受控電流源1. 定義2. 電路圖形符號 受控源的電壓或電流不象獨立源是給定函數(shù)，而是受電路中某部分電壓（或電流）的控制。受控源和獨立源的相同點：兩者都是電源，可向負(fù)載提供電壓或電流。 受控源和獨立源的不同點：獨立電源的電動勢或電流是由自身決定的，其大小、方向和電路中的其它電壓、電流無關(guān)；受控源的電壓或電流，受電路中某個電壓或電流的控制，它不能獨立存在，其大小、方向由控制量決定。37受控源分類流控電流源(CCCS)i2i1流控電壓源(CCVS)i1+-u壓控電壓源 (VCVS)u1+-u+-壓控電流源(V

18、CCS)u1i2+- g r 為控制系數(shù)沒有單位g是電導(dǎo)的單位；r是電阻的單位38解：先求控制電壓U1U1=25V=10V則有例：求電路中的電流I。已知U2=0.5U1 , IS=2A5U1ISI2 U2391.8 基爾霍夫定律 基爾霍夫定律包括電流定律（KCL）和電壓定律（KVL）兩個定律。 歐姆定律闡明了線性電阻元件上電壓、電流之間的相互約束關(guān)系（VCR），明確了元件特性只取決于元件本身而與電路的連接方式無關(guān)這一基本規(guī)律。 基爾霍夫定律解決了電路結(jié)構(gòu)上整體的規(guī)律， 是集總電路必須遵循的，具有普遍性。 基爾霍夫兩個定律和歐姆定律合稱為電路的三大基本定律。40一、 幾個常用的概念 b=3ab+

19、_R1US1+_US2R2R3l=3n=211231.支路：電路中流過同一電流的幾個元件串聯(lián)的分支。 （支路數(shù)b）2.結(jié)點：支路的連接點。（結(jié)點數(shù)n）3.回路：由支路構(gòu)成的閉合路徑。(回路數(shù)l）4.網(wǎng)孔：不再包含其它支路的單一回路。網(wǎng)孔是回路，回路不 一定是網(wǎng)孔。平面電路的每個網(wǎng)眼都是一個網(wǎng)孔。32網(wǎng)孔=241二、 電流定律（KCL）KCL: 任何時刻，對任一結(jié)點，（流出該結(jié)點的）電流的代數(shù)和恒等于零。KCL用來確定連接在同一結(jié)點上的各支路電流之間的關(guān)系。 根據(jù)：電流連續(xù)性原理，電荷在結(jié)點上不能堆積。 i = 0數(shù)學(xué)表達(dá)式為：I1I2I3I4aI1 + I2 I3 I4 = 0 若以指向結(jié)點的

20、電流為正，背向結(jié)點的電流為負(fù)，則根據(jù)KCL，對結(jié)點 a 可以寫出：應(yīng)用KCL解題時，要先指定各結(jié)點電流的參考方向。42例：解：求左圖示電路中電流i1、i2。i1i4i2i3整理為： i1+ i3= i2+ i4可列出KCL方程：i1 i2+i3 i4= 0例:i1i2+10 +(12)=0 i2=1A 4+7+i1= 0 i1= 3A 7A4Ai110A-12Ai2其中i1得負(fù)值，說明它的實際方向與參考方向相反?？傻肒CL的另一種形式i入=i出43KCL 推廣應(yīng)用仍有 I = 0IA + IB + IC = 0 可見，在任一瞬間通過任一封閉面的電流的代數(shù)和也恒等于零。IAIBIABIBCICA

21、ICABC 對A、B、C 三個結(jié)點應(yīng)用KCL可列出：IA = IAB ICAIB = IBC IABIC = ICA IBC上列三式相加，便得44KCL的推廣應(yīng)用二端網(wǎng)絡(luò)的兩個對外引出端子上電流相等，一個流入、一個流出。只有一條支路相連時： i =0。例如P20圖112ABi1i3i2ABiiABi45三、 電壓定律（KVL） 基爾霍夫電壓定律（KVL）是用來確定回路中各段電壓之間關(guān)系的電路定律。 根據(jù)：電位的單值性原理。繞回路一周，電位升高的數(shù)值必定等于電位降低的數(shù)值。 KVL: 任何時刻，沿任一回路指定繞行方向，回路中所有電壓的代數(shù)和恒等于零。數(shù)學(xué)表達(dá)式： u = 046I1+US1R1I

22、4US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4得：-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0R1I1US1+R2I2R3I3+R4I4+US4=0R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4 注意：列KVL方程時，首先要指定回路的繞行方向，凡電壓的參考方向與繞行方向相同的取“+”值，參考方向與繞行方向相反的取“-”值。 47可以根據(jù)電位和電壓的定義說明KVLABR1R2R3U1U2U3UAB=U1+U2+U3UAB=U1+U2+U3？ABR1R2R3U1U2U3CD48UAB=VAVB.ABCDEUBC=VBVCUCD=VCVDUAD=VAVD=UAB+UBC+UCDUAB+UBC+U

23、CD-UAD=0 (KVL)UAD=UAE+UED 電路中任意兩點的電壓，與繞行路徑無關(guān)。推論：求任意兩點a、b之間的電壓 在這兩點之間找一條路徑，方向從a到b， Uab等于這條路徑上各段電壓的代數(shù)和。某段電壓方向與路徑方向相同取正，否則取負(fù)。49I1+US1R1I4US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4ABUAB 沿左和沿右計算結(jié)果相同ABUAB=U2+U3UAB=US1+U1US4 U450例：對網(wǎng)孔abda：對網(wǎng)孔acba：對網(wǎng)孔bcdb：R6I1 R1 I3 R3 +I6 R6 = 0I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0I3 R3 +I4 R4U = 0對回路 adbca，沿逆時針方向循行： I1 R1 I2 R2 + I3 R3 + I4 R4 = 0應(yīng)用 U =