電路和受控源

電路

參考書目

胡翔駿主編?電路基礎(chǔ)?北京:高等教育出版社,1996年.黃錦安編著，電路（第2版），機(jī)械工業(yè)出版社，2007年.

本人簡(jiǎn)介基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)樓203email:蔡小玲

作業(yè)要求獨(dú)立按時(shí)完成；小的作業(yè)本。畫電路圖；每次上課前交作業(yè)；

電路實(shí)驗(yàn)帶預(yù)習(xí)報(bào)告，帶鞋套.地點(diǎn)：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)樓.以小班為單位.12435678910111214151716181913

成績(jī)?cè)u(píng)定作業(yè)、到課等計(jì)14分;實(shí)驗(yàn)計(jì)16分;最后考試計(jì)70分。

課程的性質(zhì)

電路是一門建立在數(shù)學(xué)、物理學(xué)，特別是物理學(xué)中的電磁學(xué)的基礎(chǔ)上而形成的課程，是一門專業(yè)基礎(chǔ)課。

電路的研究對(duì)象電路的研究對(duì)象是從實(shí)際電路中抽象出來的理想化的電路，即實(shí)際電路的模型，研究其中的電壓、電流和功率分配等.

課程的目標(biāo)

學(xué)習(xí)和掌握各種電路分析方法，由此能清楚的描述出電路的狀態(tài)性能和特點(diǎn)等，從而改進(jìn)實(shí)際電路的電氣特性并設(shè)計(jì)出新的電路.縱覽全書

遵循從簡(jiǎn)到繁、從易到難的原則

體系上先靜態(tài)（直流電路分析－－定理）

后暫態(tài)（過渡過程分析）

再穩(wěn)態(tài)（正弦和非正弦周期電路－相量）第1章電路模型和電路定律1.1電路和電路模型1.2電路的基本物理量及其參考方向1.3電阻元件1.4獨(dú)立電源1.5基爾霍夫定律1.6電位的計(jì)算1.7受控源1.1電路和電路模型電路的概念

電路是由用電設(shè)備或元器件（稱為負(fù)載）與供電設(shè)備（稱為電源）通過導(dǎo)線連接而構(gòu)成的提供給電荷流動(dòng)的通路.電阻器電容器線圈電池運(yùn)算放大器晶體管1.1電路和電路模型1.1電路和電路模型電路的作用

進(jìn)行信號(hào)的處理和傳遞（弱電系統(tǒng)）.

進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和傳輸（強(qiáng)電系統(tǒng)）.

進(jìn)行信息的存儲(chǔ).1.1電路和電路模型

負(fù)載：利用電能或電信號(hào).

電源：產(chǎn)生電能或提供電信號(hào).

中間環(huán)節(jié)：電源至負(fù)載的中間部分.

電路的組成1.1電路和電路模型電源負(fù)載中間環(huán)節(jié)激勵(lì)（輸入）響應(yīng)（輸出）1.1電路和電路模型

只有對(duì)各種元器件的特性建立了數(shù)學(xué)模型，才可能對(duì)電路進(jìn)行深入分析.

構(gòu)成實(shí)際電路的元器件種類繁多，形狀各異，給分析和設(shè)計(jì)帶來困難.

引入電路模型的原因1.1電路和電路模型電路電路模型

對(duì)實(shí)際電路的特性進(jìn)行分析、抽象，將電路的主要性能用數(shù)學(xué)方法表達(dá)出來，再利用一些具有特定、理想化特性的元件（理想元件）重構(gòu)出來的電路，稱為原電路的模型.

什么是電路模型1.1電路和電路模型電路模型+_R..SUS1.1電路和電路模型

理想電路元件

電阻元件R

電感元件L

電容元件C

無源元件消耗電能..R存儲(chǔ)電場(chǎng)能量..C存儲(chǔ)磁場(chǎng)能量..L1.1電路和電路模型

理想電路元件

電壓源

電流源

有源元件

獨(dú)立電源..Us..us(t)+_..is(t)..Is1.1電路和電路模型..RL..R

直流

低頻

高頻..RLC

應(yīng)該說明，理想電路元件不完全等同于電路器件，就是同一個(gè)電路器件在不同的條件下其電路模型也可能不同.電感線圈1.1電路和電路模型

電路的特性是由電流、電壓和功率等物理量描述的.

電路分析的基本任務(wù)是計(jì)算電路中的電流、電壓和功率.1.2電路的基本物理量及其參考方向

電流

量綱：安培（A）

電流是由電荷（帶電粒子）有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)形成的.1kA=103A；1mA=10-3A；1μA=10-6A1安培=1庫侖/秒

電流在數(shù)值上等于單位時(shí)間內(nèi)通過某一導(dǎo)體橫截面的電荷量：1.2電路的基本物理量及其參考方向

一些常用的十進(jìn)制倍數(shù)的表示方法：符號(hào)TGMkcmμnp中文太吉兆千厘毫微納皮數(shù)量101210910610310-210-310-610-910-121.2電路的基本物理量及其參考方向

恒定電流量值和方向均不隨時(shí)間變化的電流，稱為恒定電流，或直流電流(dc或DC—Directcurrent)，一般用符號(hào)I表示.

時(shí)變電流量值和方向隨時(shí)間變化的電流，稱為時(shí)變電流，一般用符號(hào)i表示。時(shí)變電流在某一時(shí)刻t的值i(t)，稱為瞬時(shí)值.

交流電流量值和方向作周期性變化且平均值為零的時(shí)變電流，稱為交流電流(ac或AC—Alternatingcurrent).1.2電路的基本物理量及其參考方向

為什么引入?yún)⒖挤较颍?/p>

有些復(fù)雜電路的某些支路事先無法確定實(shí)際方向。為分析方便，只能事先任意標(biāo)定一方向（參考方向），根據(jù)計(jì)算結(jié)果，才能確定電流的實(shí)際方向.

實(shí)際電路中有些電流是交變的，無法標(biāo)出實(shí)際方向。標(biāo)出參考方向，再加上與之配合的表達(dá)式，才能表示出電流的大小和實(shí)際方向.1.2電路的基本物理量及其參考方向

電流的參考方向

標(biāo)定方式：在連接導(dǎo)線上用箭頭表示；

約定：

是一種任意選定的方向.當(dāng)i>0時(shí)參考方向與實(shí)際方向一致.

當(dāng)i<0時(shí)參考方向與實(shí)際方向相反...iAB

在不引起歧義的情況下：iAB.1.2電路的基本物理量及其參考方向

電壓

單位：伏特（V）

電路中a、b兩點(diǎn)之間的電壓uab：將單位正電荷從a點(diǎn)移到b點(diǎn)所需的能量或功.1kV=103V；1mV=10-3V；1μV=10-6V..abq+WaWb失去能量Wa-Wb1.2電路的基本物理量及其參考方向

恒定電壓量值和方向均不隨時(shí)間變化的電壓，稱為恒定電壓，簡(jiǎn)稱為直流電壓，一般用符號(hào)U表示.

時(shí)變電壓量值和方向隨時(shí)間變化的電壓，稱為時(shí)變電壓，一般用符號(hào)u表示。時(shí)變電壓在某一時(shí)刻t的值u(t)，稱為瞬時(shí)值.

交流電壓量值和方向作周期性變化且平均值為零的時(shí)變電壓.1.2電路的基本物理量及其參考方向

電壓的參考方向

標(biāo)定方式：

約定：

是一種任意選定的方向.當(dāng)u>0時(shí)參考方向與實(shí)際方向一致；

當(dāng)u<0時(shí)參考方向與實(shí)際方向相反.

..uABu+_“+”為高電位端.“－”為低電位端.uAB1.2電路的基本物理量及其參考方向

電壓與電流的關(guān)聯(lián)參考方向

電流與電壓的參考方向一致則稱為關(guān)聯(lián)參考方向，反之則為非關(guān)聯(lián)參考方向...iABu+_1.2電路的基本物理量及其參考方向(a)..iu+_(b)..iu+_(c)..iu+_(d)..iu+_(a)、(b)為關(guān)聯(lián)參考方向.(c)、(d)為非關(guān)聯(lián)參考方向.1.2電路的基本物理量及其參考方向

功率

在關(guān)聯(lián)參考方向下瞬時(shí)功率：..i(t)ABu(t)+_

若u(t)與i(t)在非關(guān)聯(lián)參考方向下：必須加上負(fù)號(hào)！..i(t)ABu(t)+_1.2電路的基本物理量及其參考方向

功率

當(dāng)p>0時(shí)，吸收功率

量綱：瓦特（W）

當(dāng)p<0時(shí)，發(fā)出功率

1.2電路的基本物理量及其參考方向

功率的計(jì)算..iABu+_..iABu+_1.2電路的基本物理量及其參考方向

功率的計(jì)算

解：

（吸收功率）

例：..2AAB5V+_1.2電路的基本物理量及其參考方向

能量

電路從0到t時(shí)刻所吸收的電能為：

單位：焦耳(J)1.2電路的基本物理量及其參考方向

電路中所有元件的功率之和為0

！這一規(guī)則稱為功率平衡原理，常用作對(duì)分析結(jié)果的檢驗(yàn)準(zhǔn)則.

功率平衡實(shí)際上是能量守恒的體現(xiàn)，任意時(shí)刻，電源發(fā)出的電能恰為負(fù)載所消耗.1.2電路的基本物理量及其參考方向

(二端)電阻元件

若一個(gè)二端元件的電壓與電流之間的關(guān)系可以用u-i平面上的一條曲線表征時(shí)稱之為電阻.

過原點(diǎn)的直線對(duì)應(yīng)的電阻稱為

線性電阻.

0iu

隧道二極管為非線性電阻.1.3電阻元件

常用的各種二端電阻器件

電阻器晶體二極管1.3電阻元件0iu

線性電阻..iu+_R（關(guān)聯(lián)）

量綱：歐姆（Ω）1kΩ=103Ω1.3電阻元件實(shí)驗(yàn)表明：在低頻工作條件下，電阻器的電壓電流關(guān)系是u-i平面上通過坐標(biāo)原點(diǎn)的一條直線.用晶體管特性圖示器測(cè)量二端電阻器的電壓電流關(guān)系：實(shí)驗(yàn)表明：在低頻工作條件下，晶體二極管的電壓電流關(guān)系是u-i平面上通過坐標(biāo)原點(diǎn)的一條曲線.用晶體管特性圖示器測(cè)量晶體二極管的電壓電流關(guān)系：

歐姆定律..iu+_R..iu+_R

只有線性電阻才遵守歐姆定律.1.3電阻元件

歐姆定律的另一種形式..iu+_R(G)量綱：西門子(S)G—電導(dǎo)1.3電阻元件

電阻功率的計(jì)算..iu+_R..iu+_R,電阻元件始終不產(chǎn)生功率.

電源在電路中可能吸收功率，也可能發(fā)出功率.

1.3電阻元件

例：已知u1=1V,u2=-3V,u3=8V,u4=-4V,u5=7V,u6=-3V,

i1=2A,i2=1A,i3=-1A,求uab和uad及各段電路的功率并指明吸收還是發(fā)出功率。2i1u2+_cb1u1+_4u4+_i26u6+_5u5+_i3dfae..3+_u3例題1

解：uab=uac+ucb=-u1+u2=-(1)+(-3)=-4Vuad=u6=-3V;p1=-u1i1=-2W<0(發(fā)出)p2=u2i1=-6W<0(發(fā)出);p3=u3i1=16W>0(吸收)p4=u4i2=-4W<0(發(fā)出);p5=u5i3=-7W<0(發(fā)出)p6=u6i3=3W>0(吸收)2i1u2+_cb1u1+_4u4+_i26u6+_5u5+_i3dfae..3+_u3例題1

例：試求電路中各元件所吸收的功率。

(a)(b)2V2ΩUI2A+_+_2V2Ω2A+_例題2

解:(a):2Ω電阻吸收功率：8W2V電壓源吸收功率：-4W

2A電流源吸收功率：-4W

(b):2Ω電阻吸收功率：2W2V電壓源吸收功率：2W2A電流源吸收功率：-4W例題21.4

獨(dú)立電源電路中的耗能器件或裝置有電流流動(dòng)時(shí)，會(huì)不斷消耗能量，電路中必須有提供能量的器件或裝置——電源.常用的直流電源有干電池、蓄電池、直流發(fā)電機(jī)、直流穩(wěn)壓電源和直流穩(wěn)流電源等.常用的交流電源有電力系統(tǒng)提供的正弦交流電源、交流穩(wěn)壓電源和產(chǎn)生多種波形的各種信號(hào)發(fā)生器等.

常用的干電池和可充電電池1.4

獨(dú)立電源

實(shí)驗(yàn)室使用的直流穩(wěn)壓電源

用示波器觀測(cè)直流穩(wěn)壓電源的電壓隨時(shí)間變化的波形示波器穩(wěn)壓電源1.4

獨(dú)立電源

電壓源

若一個(gè)二端元件輸出電壓恒定則稱為理想電壓源.

理想電壓源

電路符號(hào)：..us(t)+_..Us為了得到各種實(shí)際電源的電路模型，定義兩種理想的電路元件——理想電壓源和理想電流源.1.4

獨(dú)立電源

基本性質(zhì):

理想電壓源Us+_IU+_

輸出電壓恒定，和外電路無關(guān).

其流過的電流由外電路決定.

伏安特性曲線:

0UIUs思考：什么情況下U的曲線會(huì)出現(xiàn)在第二象限？1.4

獨(dú)立電源

若一個(gè)二端元件所輸出的電壓隨流過它的電流變化而變化就稱為實(shí)際電流源.

一般地講，實(shí)際電壓源輸出電壓都會(huì)隨其電流的增大而降低，故可用一個(gè)電壓源Us和一個(gè)電阻Rs的串聯(lián)組合作為其電路模型.

實(shí)際電壓源

電路模型:

Us+_RsI..U+_1.4

獨(dú)立電源

伏安特性曲線

實(shí)際電壓源0UIUsUs+_RsI..U+_1.4

獨(dú)立電源

三種工作狀態(tài)

實(shí)際電壓源

加載:Us+_RsI..U+_R1.4

獨(dú)立電源

三種工作狀態(tài)

實(shí)際電壓源

開路:opencircuit(Uoc:開路電壓)Us+_Rs..+_I=0Uoc1.4

獨(dú)立電源

三種工作狀態(tài)

實(shí)際電壓源

短路:shortcircuit(Isc:短路電流)Us+_RsIscU=0+_

實(shí)際電壓源器件不允許短路!×

1.4

獨(dú)立電源

加載:

開路:

短路:×

Us+_RsI..U+_RUs+_Rs..+_I=0UocUs+_RsIscU=0+_1.4

獨(dú)立電源

電流源

若一個(gè)二端元件輸出電流恒定則稱為理想電流源.

電路符號(hào)：

理想電流源..is(t)..Is1.4

獨(dú)立電源

基本性質(zhì):

理想電流源

輸出電流恒定，和外電路無關(guān).

其兩端電壓由外電路決定.

IsIU+_

伏安特性曲線:

0UIIs1.4

獨(dú)立電源

若一個(gè)二端元件所輸出的電流隨其端電壓變化而變化稱為實(shí)際電流源.

一般地講，實(shí)際電流源輸出電流都會(huì)隨著其電壓的

升高而降低，故可用一個(gè)電流源Is和一個(gè)電導(dǎo)Gs的并聯(lián)組合作為其電路模型.

實(shí)際電流源

電路模型:

IsGsI..U+_1.4

獨(dú)立電源

伏安特性曲線

實(shí)際電流源0UIIsIsGsI..U+_1.4

獨(dú)立電源

三種工作狀態(tài)

實(shí)際電流源

加載:IsGsI..R+_U1.4

獨(dú)立電源

三種工作狀態(tài)

實(shí)際電流源

開路:opencircuit(Uoc:開路電壓)IsGs..Uoc+_..I=0

實(shí)際電流源器件不允許開路!×

1.4

獨(dú)立電源

三種工作狀態(tài)

實(shí)際電流源

短路:shortcircuit(Isc:短路電流)IsGs..+_..IscU=01.4

獨(dú)立電源

加載:

開路:

短路:×

IsGsI..R+_UIsGs..Uoc+_..I=0IsGs..+_..IscU=01.4

獨(dú)立電源

實(shí)際電流源的產(chǎn)生：可由穩(wěn)流電子設(shè)備產(chǎn)生。有些電子器件輸出具備電流源特性，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被激發(fā)產(chǎn)生一定值的電流等.1.4

獨(dú)立電源1.5

基爾霍夫定律

電路聯(lián)接的兩種約束

元件性質(zhì)約束.

聯(lián)接方式約束（拓?fù)浼s束）.1.5

基爾霍夫定律

基爾霍夫定律是任何集中參數(shù)電路都適用的基本定律，它包括電流定律和電壓定律?；鶢柣舴螂娏鞫擅枋鲭娐分懈麟娏鞯募s束關(guān)系，基爾霍夫電壓定律描述電路中各電壓的約束關(guān)系.1.7

基爾霍夫定律

幾個(gè)常用名詞

支路：流過同一個(gè)電流的一段無分支的電路.+_5Ω10V2Ω3Ω2Aabcd....1Ω2Ω1.7

基爾霍夫定律

幾個(gè)常用名詞

節(jié)點(diǎn)：兩條或兩條以上支路的聯(lián)接點(diǎn).+_5Ω10V2Ω3Ω2Aabcd....1Ω2Ω1.7

基爾霍夫定律

幾個(gè)常用名詞

回路：電路中的任一閉合路徑.+_5Ω10V2Ω3Ω2Aabcd....1Ω2Ω1.7

基爾霍夫定律

幾個(gè)常用名詞

網(wǎng)孔：當(dāng)回路中不包括其他支路時(shí)稱為網(wǎng)孔.+_5Ω10V2Ω3Ω2Aabcd....1Ω2Ω1.5

基爾霍夫定律

幾個(gè)常用名詞

網(wǎng)絡(luò)：復(fù)雜電路.1.5

基爾霍夫定律

基爾霍夫電流定律：KCL

定律：任一時(shí)刻，流入電路中任一節(jié)點(diǎn)的電流代數(shù)和恒為零:

約定：流入取負(fù)，流出取正..i1i2i3i4i5

KCL的另一種表達(dá)方式：流入節(jié)點(diǎn)的電流之和=流出該節(jié)點(diǎn)的電流之和1.5

基爾霍夫定律

基爾霍夫電流定律

物理實(shí)質(zhì)：電荷守恒.

推廣：節(jié)點(diǎn)→封閉面（廣義節(jié)點(diǎn)）.

例：已知i1、i2求i3

....i1i2i3i5i6i8i4i71.5

基爾霍夫定律節(jié)點(diǎn)a:節(jié)點(diǎn)b:..7A4A10A-12Ai1i2ab3Ω1Ω2Ω10Ω2Ω

例：求i2的值.

1.5

基爾霍夫定律

基爾霍夫電壓定律：KVL

定律：任一時(shí)刻，沿任一閉合回路電壓降代數(shù)和恒為零:

約定：電壓降與回路繞