《电路原理》第一章-电路模型和电路定律-课件.ppt

1、第一章第一章电路模型和电路定律电路模型和电路定律(circuit model)(circuit laws)1.1.电压、电流的参考方向电压、电流的参考方向3.3.基尔霍夫定律基尔霍夫定律l 重点重点：2.2.电路元件特性电路元件特性本章要求本章要求主要内容主要内容电路的概念电路的概念 由实际元器件构成的电流的通路称为电路。1、电路的组成及其功能、电路的组成及其功能 电路通常由电源电源、负载负载和中间环节（传输控制中间环节（传输控制器件）器件）三部分组成。电路的组成电路的组成1、电路的组成及其功能、电路的组成及其功能.发电机发电机升压升压变压器变压器降压降压变压器变压器电灯电灯电动机电动机电炉电

2、炉.输电线输电线电源电源(source):提供电能或发提供电能或发出电信号的设备出电信号的设备负载负载(load):消耗电能或接消耗电能或接收电信号的装置收电信号的装置传输控制器件：传输控制器件：电源和电源和负载中间的连接部分负载中间的连接部分电路的组成电路的组成电路的作用电路的作用2、电路模型、电路模型负载电源开关连接导线SRL+UIUS+_R0 用抽象的理想电路元件理想电路元件及其组合，近似地代替实际的器件，从而构成了与实际电路相对应的电路模型。理想电路元件理想电路元件R+US消耗电能消耗电能的元件的元件产生电场，产生电场，储存电场能储存电场能量的元件量的元件L产生磁场，产生磁场，储存磁场

3、能储存磁场能量的元件量的元件IS 理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似理想化和近似，其电特性单一单一、精确精确，可定量分析和计算。Cl理想电路元件理想电路元件组成电路模型的最小单元，是具有某种确定的电组成电路模型的最小单元，是具有某种确定的电磁性质并有精确定义的基本结构。磁性质并有精确定义的基本结构。具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，在在一定条件下可用同一电路模型表示；一定条件下可用同一电路模型表示；同一实际电路部件在不同的应用条件下，其电路同一实际电路部件在不同的应用条件下，其电路模型可以有不同的形式。模型可以有不同的形式。例例电感线圈的电路模型

4、电感线圈的电路模型注意u电路中的主要物理量电路中的主要物理量 1.2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向 current and voltage reference direction1.电流的参考方向电流的参考方向(current reference direction)tqtqitddlim)t(0def l电流电流l电流强度电流强度带电粒子有规则的定向运动带电粒子有规则的定向运动单位时间内通过导体横单位时间内通过导体横截面的电荷量截面的电荷量单位：单位：A（安培）、（安培）、kA、mA、A 方向：方向：规定正电荷的运动方向为电流的实际方规定正电荷的运动方向为电流的实际方向，元件向，

5、元件(导线导线)中电流流动的实际方向只有两种可中电流流动的实际方向只有两种可能能:实际方向实际方向实际方向实际方向 AABB问问题题复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断的实际方向往往很难事先判断参考方向参考方向i 参考方向参考方向大小大小方向方向(正负）正负）电流电流(代数量代数量)任意假定一个正电荷运动的任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。方向即为电流的参考方向。ABi 参考方向参考方向i 参考方向参考方向i 0i 0+实际方向实际方向参考方向参考方向U+U0 吸收正功率吸收正功率 (实际吸收实际吸收)P0 发

6、出正功率发出正功率 (实际发出实际发出)l u,i 取非取非关联参考方向关联参考方向+-iu+-iuP0 发出负功率发出负功率 (实际吸收实际吸收)例例564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1求图示电路中各方框所代求图示电路中各方框所代表的元件消耗或产生的功表的元件消耗或产生的功率。已知：率。已知：U1=1V,U2=-3V,U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3VI1=2A,I2=1A,I3=-1A 解解11 11 22PU IW（发出）22 1(3)26PU IW （发出）33 18 216PU IW（吸收）66 3(3)(1)3PU IW （吸收）55 37(1)7PU

7、 IW （发出）442(4)14PU IW （发出）注注对一完整的电路，发出的功率吸收的功率对一完整的电路，发出的功率吸收的功率n定义：电路元件是电路中最基本的组成单元。定义：电路元件是电路中最基本的组成单元。1、电路元件分类、电路元件分类n按与外部连接的端子数目分为二端，三端，四端元按与外部连接的端子数目分为二端，三端，四端元件等。件等。1.4 1.4 电路元件电路元件n 还可分为线性和非线性元件，时变和时不变元件，无源和有源元件等。还可分为线性和非线性元件，时变和时不变元件，无源和有源元件等。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.集总元件集总元件集总元件集总元件假定发生的电

8、磁过程都集中在元件内部进行。在任假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行。在任何时刻，流入二端元件的一个端子的电流一定等于从另一端子流出何时刻，流入二端元件的一个端子的电流一定等于从另一端子流出的电流，两个端子之间的电压为单值量。的电流，两个端子之间的电压为单值量。集总参数电路集总参数电路满足集总化条件、由集总元件构成的实际电路满足集总化条件、由集总元件构成的实际电路模型。模型。集总化条件集总化条件实际电路的尺寸实际电路的尺寸d远小于电路工作时电磁波的波远小于电路工作时电磁波的波：d 需要指出的是需要指出的是：集总参数电路中：集总参数电路中u、i可以是时间的函数，但可以是时间的函数，但与空间坐标

9、无关，本课程只讨论由集总元件构成的集总参数电路。与空间坐标无关，本课程只讨论由集总元件构成的集总参数电路。几种基本的电路元件：几种基本的电路元件：R+US消耗电能消耗电能的元件的元件产生电场，产生电场，储存电场能储存电场能量的元件量的元件L产生磁场，产生磁场，储存磁场能储存磁场能量的元件量的元件ISC1.5 1.5 电阻元件电阻元件2.2.线性时不变电阻元件线性时不变电阻元件l 电路符号电路符号R电阻元件电阻元件对电流呈现阻力的元件。其特性可对电流呈现阻力的元件。其特性可用用ui平面上的一条曲线来描述：平面上的一条曲线来描述：0),(iufiu任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。任何时刻端电

10、压与电流成正比的电阻元件。1.1.定义定义伏安伏安特性特性下 页上 页0返 回l ui 关系关系R 称为电阻，单位：称为电阻，单位：(Ohm)满足欧姆定律满足欧姆定律GuRuiiuR l 单位单位G 称为电导，单位称为电导，单位：S(Siemens)u、i 取关联取关联参考方向参考方向Riu 下 页上 页伏安特伏安特性为一性为一条过原条过原点的直点的直线线ui0Rui+返 回(2)如电阻上的电压与电流参考方向非关联公式如电阻上的电压与电流参考方向非关联公式中应冠以负号中应冠以负号注注(3)说明线性电阻是无记忆、双向性的元说明线性电阻是无记忆、双向性的元 件，又称为件，又称为静态元件静态元件欧姆

11、定律欧姆定律(1)只适用于线性电阻，只适用于线性电阻，(R 为常数）为常数）则欧姆定律写为则欧姆定律写为u R i i G u公式和参考方向必须配套使用！公式和参考方向必须配套使用！Rui+-3.3.功率和能量功率和能量电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。p u i(-Ri)I i2 R -u2/R(吸收)p u i i2R u2/R(吸收)l 功率功率Rui+-下 页上 页表明表明Rui-+返 回可用功表示。从可用功表示。从 t 到到t0电阻消耗的能量：电阻消耗的能量：ttttRuipW00ddRiu+4.电阻的开路与短路电阻的开路与短路l 短路短路00 ui

12、 G or R0l 开路开路00 ui 0 G or Ruil 能量能量小结无源元件、耗能元件无源元件、耗能元件Rui+1.2.电阻是静态元件电阻是静态元件3.p u i i2R u2/R(吸收吸收)ttttRuipW00ddRiu 分类：分类：独立电源独立电源 (independent source)受控电源受控电源 (dependent source)电压源电压源 电流源电流源 l电路符号电路符号1.1.理想电压源理想电压源l定义定义iSu+_下 页上 页其两端电压总能保持定值或一定其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其值与流过它的电的时间函数，其值与流过它的电流流 i 无关的元件叫理

13、想电压源。无关的元件叫理想电压源。返 回电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；与流经电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；与流经它的电流方向、大小无关。它的电流方向、大小无关。通过电压源的电流由电源及外电通过电压源的电流由电源及外电路共同决定。路共同决定。l电压源的电压、电流关系电压源的电压、电流关系uiSu直流电压源直流电压源的伏安关系的伏安关系下 页上 页例例Ri-+Su外电路外电路RuiS)(0Ri)0(Ri,电压源不能短路！电压源不能短路！0返 回0Su l电压源功率：电压源功率：电场力做功，电源吸收功电场力做功，电源吸收功率，率，吸收功率，充当负载吸收功率，充当负载或发出负功

14、或发出负功电压、电流的参考方向非关联；电压、电流的参考方向非关联；物理意义：物理意义：+_iu+_SuiuPS 外力克服电场力作功，电外力克服电场力作功，电源发出功率，源发出功率，发出功率，发出功率，起电源作用起电源作用电压、电流的参考方向关联；电压、电流的参考方向关联；物理意义：物理意义：+_iu+_SuSu例例计算图示电路各元件的功率。计算图示电路各元件的功率。解解(发出发出)(吸收吸收)(吸收吸收)满足满足：P（发）（发）P（吸）（吸）VuR5)510(ARuiR155WiuPSV101101055 1 5VSPu iW WRiPR5152+_5V+_i10V5RRu 实际电压源也不允许

15、短路。因其内阻小，若实际电压源也不允许短路。因其内阻小，若短路，电流很大，可能烧毁电源。短路，电流很大，可能烧毁电源。usuiO 实际电压源实际电压源i+_u+_suSR考虑内阻考虑内阻伏安特性伏安特性iRuuSS 一个好的电压源要求一个好的电压源要求0SR其输出电流总能保持定值或一定的其输出电流总能保持定值或一定的时间函数，其值与它的两端电压时间函数，其值与它的两端电压u 无关的元件叫理想电流源。无关的元件叫理想电流源。l 电路符号电路符号2.2.理想电流源理想电流源l 定义定义uSi+_下 页上 页l 理想电流源的电压、电流关系理想电流源的电压、电流关系电流源的输出电流由电源本身决定，与外

16、电路无电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关；与它两端电压方向、大小无关。关；与它两端电压方向、大小无关。返 回电流源两端的电压由电源及外电路共电流源两端的电压由电源及外电路共同决定。同决定。uiSi直流电流源的直流电流源的伏安关系伏安关系下 页上 页0例例Ru-+Si外电路外电路SRiu)0(0Ru)(Ru电流源不能开路！电流源不能开路！返 回电流源功率：电流源功率：电场力做功，电源吸收功电场力做功，电源吸收功率，率，吸收功率，充当负载吸收功率，充当负载或发出负功或发出负功电压、电流的参考方向非关联；电压、电流的参考方向非关联；物理意义：物理意义：uiPS 外力克服电场力作功电源外力克

17、服电场力作功电源发出功率，发出功率，发出功率，起发出功率，起电源作用电源作用电压、电流的参考方向关联；电压、电流的参考方向关联；物理意义：物理意义：+_iu+_SiiSi+_u+_ 实际电流源也不允许开路。因其内阻大，若实际电流源也不允许开路。因其内阻大，若开路，电压很高，可能烧毁电源。开路，电压很高，可能烧毁电源。isuiO实际电实际电流流源源考虑内阻考虑内阻伏安特性伏安特性SSRuii 一个好的电流源要求一个好的电流源要求:SRu+_iSRSi实际电源实际电源干电池钮扣电池1.1.干电池和钮扣电池（化学电源）干电池和钮扣电池（化学电源）干电池电动势干电池电动势1.5V，仅取决于（糊状）化学

18、材料，其大小决定储存，仅取决于（糊状）化学材料，其大小决定储存的能量，化学反应不可逆。的能量，化学反应不可逆。钮扣电池电动势钮扣电池电动势1.35V V，用固体化学材料，化学反应不可逆。，用固体化学材料，化学反应不可逆。下 页上 页返 回 氢氧燃料电池示意图2.2.燃料电池（化学电源）燃料电池（化学电源）电池电动势电池电动势1.23V。以氢、氧作为燃料。约。以氢、氧作为燃料。约40-45%的化学能的化学能转变为电能。实验阶段加燃料可继续工作。转变为电能。实验阶段加燃料可继续工作。下 页上 页返 回3.3.太阳能电池（光能电源）太阳能电池（光能电源）一块太阳能电池电动势一块太阳能电池电动势0.6

19、V。太阳光照射到。太阳光照射到P-N结上，结上，形成一个从形成一个从N区流向区流向P区的电流。约区的电流。约 11%的光能转变为电的光能转变为电能，故常用太阳能电池板。能，故常用太阳能电池板。一个一个50cm2太阳能电池的电动势太阳能电池的电动势0.6V,电流电流0.1A 太阳能电池示意图太阳能电池板太阳能电池板下 页上 页返 回蓄电池示意图蓄电池示意图4.4.蓄电池（化学电源）蓄电池（化学电源）电池电动势电池电动势2V。使用时，电池放电，当电解液浓度小。使用时，电池放电，当电解液浓度小于一定值时，电动势低于于一定值时，电动势低于2V，常要充电，化学反应可逆。，常要充电，化学反应可逆。下 页上

20、 页返 回草原上的风力发电草原上的风力发电下 页上 页返 回引入引入bicibcii 1.7 1.7 受控电源受控电源(非独立源非独立源)1.7 1.7 受控电源受控电源(非独立源非独立源)l 电路符号电路符号+受控电压源受控电压源1.1.定义定义受控电流源受控电流源 电压或电流的大小和方向不是给定电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是受电路中某个地方的电压的时间函数，而是受电路中某个地方的电压(或电或电流流)控制的电源，称受控源。控制的电源，称受控源。下 页上 页返 回电流控制的电流源电流控制的电流源 (CCCS):电流放大倍数电流放大倍数 根据控制量和被控制量是电压根据控制量和被控

21、制量是电压u 或电流或电流i，受控源，受控源可分四种类型可分四种类型2.2.分类分类四端元件四端元件12 ii输出：受控部分输出：受控部分输入：控制部分输入：控制部分下 页上 页 i1+_u2i2_u1i1+返 回g:转移电导转移电导 电压控制的电流源电压控制的电流源 (VCCS)12gui 电压控制的电压源电压控制的电压源 (VCVS)12 uu:电压放大倍数电压放大倍数 gu1+_u2i2_u1i1+下 页上 页i1u1+_u2i2_u1+_返 回电流控制的电压源电流控制的电压源 (CCVS)12riu r:转移电阻转移电阻 例例bicibcii 电路模型电路模型ibicib下 页上 页r

22、i1+_u2i2_u1i1+_返 回3.3.受控源与独立源的比较受控源与独立源的比较独立源电压独立源电压(或电流或电流)由电源本身决定，与电路由电源本身决定，与电路中其它电压、电流无关，而受控源电压中其它电压、电流无关，而受控源电压(或电流或电流)由控制量决定。由控制量决定。独立源在电路中起独立源在电路中起“激励激励”作用，在电路中产作用，在电路中产生电压、电流，而受控源是反映电路中某处的生电压、电流，而受控源是反映电路中某处的电压或电流对另一处的电压或电流对另一处的电压或电流电压或电流的控制关系的控制关系，在电路中不能作为，在电路中不能作为“激励激励”。下 页上 页返 回例例求：电压求：电压

23、u2解解Ai2361Viu4610 65125i1+_u2_i1+-3u1=6V下 页上 页返 回1.1.几个名词几个名词电路中通过同一电流的分支。电路中通过同一电流的分支。元件的连接点称为结点。元件的连接点称为结点。b=3an=4b+_R1uS1+_uS2R2R3支路支路电路中每一个两端元件就叫一条支路。电路中每一个两端元件就叫一条支路。i3i2i1结点结点b=5下 页上 页或三条以上支路的连接点称为结点。或三条以上支路的连接点称为结点。n=2注意注意两种定义分别用在不同的场合。两种定义分别用在不同的场合。返 回(Kirchhoffs Laws)由支路组成的闭合路径。由支路组成的闭合路径。两

24、结点间的一条通路。由支路构成两结点间的一条通路。由支路构成对平面电路，其内部不含任对平面电路，其内部不含任何支路的回路称网孔。何支路的回路称网孔。l=3123路径路径回路回路网孔网孔网孔是回路，但回路不一定是网孔。网孔是回路，但回路不一定是网孔。下 页上 页+_R1uS1+_uS2R2R3注意注意返 回2.2.基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律 (KCL)令流出为令流出为“+”，有：，有：例例 在集总参数电路中，任意时刻，对任意结点流出（或在集总参数电路中，任意时刻，对任意结点流出（或流入）该结点电流的代数和等于零。流入）该结点电流的代数和等于零。mti1b0)(出入ii or流进流进的电的电流

25、等流等于流于流出的出的电流电流1i5i4i3i2i054321 iiiii54321iiiii 下 页上 页返 回0641iii例例0542iii0653iii三式相加得：三式相加得：0321iiiKCL可推广应用于电路中包围多个结点可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面。的任一闭合面。下 页上 页1 3 25i6i4i1i3i2i表明返 回KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任意结点处的反映；任意结点处的反映；KCL是是对结点处支路电流加对结点处支路电流加的约束，与支路的约束，与支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是上接的是什么元件无关，与电路是

26、线性还是非线性无关；非线性无关；KCL方程是方程是按电流参考方向列写按电流参考方向列写的，与电的，与电流实际方向无关。流实际方向无关。下 页上 页明确明确返 回3 3.基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律 (KVL)mtu1b0)(升降uuor U3U1U2U4下 页上 页标定各元件电压参标定各元件电压参考方向考方向 选定回路绕行方向，选定回路绕行方向，顺时针或逆时针顺时针或逆时针.I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_ 在在集总参数电路中，任一时刻，集总参数电路中，任一时刻，沿任一回路，所有沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零支路电压的代数和恒等于零。返 回U1US1+U2+U

27、3+U4+US4=0U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4下 页上 页U3U1U2U4I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_KVL也适用于电路中任一假想的回路。也适用于电路中任一假想的回路。注意注意返 回例例SbaUUUU21KVL的实质反映了电路遵从能量守恒定律的实质反映了电路遵从能量守恒定律;KVL是对回路中的支路电压加的约束，与回路是对回路中的支路电压加的约束，与回路各支路上接的是什么元件无关，与电路是线性各支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；还是非线性无关；KVL方程是按电压参考方向列写，与电压

28、实际方程是按电压参考方向列写，与电压实际方向无关。方向无关。下 页上 页明确aUsb_-+U2U1返 回4.4.KCL、KVL小结小结：KCL是对支路电流的线性约束，是对支路电流的线性约束，KVL是对是对回回路电压的线性约束。路电压的线性约束。KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。与组成支路的元件性质及参数无关。KCL表明在每一节点上电荷是守恒的；表明在每一节点上电荷是守恒的；KVL是是能量守恒能量守恒的具体体现的具体体现(电压与路径无关电压与路径无关)。KCL、KVL只适用于集总参数的电路。只适用于集总参数的电路。下 页上 页返 回Ai523 )(A3A2?i 3 3 5 1 41.

29、Vu1552010 V5?u V10 V202.Aii3543 Vu1275 3.5V+-4Vi=?3+-4V5V1A+-u=?4.3 0)10(10101 I解解AI21 AII31211 10V+-1A-10VI=?10 5.4V+-10AU=?2 6.+-3AI解解AI7310 024 IUVIU1041442 I110V+-3I2U=?I=05 7.5-+2I2 I25+-解解AI155102 VIIIIU2225532222 +-I1U=?8.R2 I1R1US解解12 IRU 111 RUIIS )1(11 RUIS)1(12 RURUS)1(121 RUIUPSSS221222)1(RURPSo)1(12RRUUS)1(2120 RRPPS选择参数可以得到电选择参数可以得到电压和功率放大压和功率放大