第1章 电路概念与分析方法

2020/1/211第1章电路概念和分析方法1.1电路和电路模型1.2电流和电压的参考方向1.3无源电路元件1.4有源电路元件1.5基尔霍夫定律1.6支路电流法1.7叠加原理1.8结点电压法1.9戴维南定理1.10电路中电位的计算2020/1/2121.1电路与电路模型（1）实现电能的传输、分配与转换（2）实现信号的传递与处理放大器扬声器话筒1.电路的作用电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成电灯电动机电炉...发电机升压变压器降压变压器输电线2020/1/2132.电路的组成部分电源:提供电能的装置中间环节：传递、分配和控制电能的作用负载:取用电能的装置2020/1/214直流电源直流电源:提供能源信号处理：放大、调谐、检波等负载信号源:提供信息2.电路的组成部分放大器扬声器话筒电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应2020/1/2153.电路模型理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等为便于用数学方法分析电路，一般要将实际电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路对应的电路模型2020/1/216+-电压源元件（US）电流源元件（IS）电感元件（L）电容元件（C）电阻元件（R）2020/1/217手电筒的电路模型例：简单电路手电筒R+RoUs–S+U–I电池导线灯泡开关手电筒由电池、灯泡、开关和筒体组2020/1/2181.2电流和电压的参考方向物理中对基本物理量规定的方向1.电路基本物理量的实际方向物理量实际方向电流I正电荷运动的方向电压U(电位降低的方向)高电位低电位单位kA、A、mA、μAkV、V、mV、μV2020/1/219（2）参考方向的表示方法电流Uab双下标电压（1）参考方向IU+_在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向Iab双下标2.电路基本物理量的参考方向aRb箭头标abRI正负极性+–abUU+_箭头abRU2020/1/2110实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值为正值；实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值（3）实际方向与参考方向的关系注意：在参考方向选定后，电流或(电压)值才有正负之分若I=5A，则电流从a流向b例：若I=–5A，则电流从b流向aabRIabRU+–若U=5V，则电压的实际方向从a指向b若U=–5V，则电压的实际方向从b指向a2020/1/2111注意：规定参考方向后，电压或电流前面的正负号，只表示参考方向与实际方向的关系。2020/1/2112补充：关联参考方向(associatedreferencedirection)：如果指定流过元件电流的参考方向是从标以电压“+”极流向“-”极性的一端，即两者的参考方向一致，称电压、电流的这种参考方向为关联参考方向；否则称为非关联参考方向。关联参考方向非关联参考方向I+-+-IUURRURIURI2020/1/2113试用欧姆定律写出各电路列出式子，并求电阻R。解：对图（a）有,U=IR对图（b）有,U=–IR632URIΩ632URIRU6V+–2AR+–U6VI(a)(b)I–2A例题1：2020/1/2114水往低处流R2020/1/21153.电功率电路的作用－实现电能与其他形式能量的转换电功率（功率）－是描述能量转换的速率的物理量RU+–Iab定义电路中，时间t内电场力做的功为W＝qU＝UIt根据功率的定义有WPUIt单位千瓦（kW），瓦（W）；毫瓦（mW）2020/1/21164.电路元件是电源与负载的判别方法U、I参考方向相反，P=−UI如果P0，消耗能量，负载；P0，发出能量，电源U、I参考方向相同，P=UI如果P0，消耗能量，负载；P0，发出能量，电源（1）根据U、I的参考方向判别（2）根据U、I的参考方向判别无论P﹦UI，还是P=−UI只要P0，负载；P0，电源2020/1/2117一、电阻元件表征电路中电能消耗的理想元件，分为线性电阻和非线性电阻两类1.3无源电路元件U=RI22/PUIRIURWUItPtRIU+-电阻元件2020/1/2118补充：电阻的两种极限情况（短路；断路）：1.R=0，电阻相当于一根理论导线（短路），电阻两端电压U=0；2.R=∞，电阻相当于开路（断路），I=0。2020/1/2119iu+-eL+-L电感元件二、电感元件反映电流周围磁场，能够存储和释放磁场能量的电路元件。LdΦdddieLttddLiueLt212WLi2020/1/2120注意：电感只储存能量，不消耗能量。仅于外电路进行能量交换。2020/1/2121uiC+_电容元件三、电容元件反映带电导体周围电场，能够存储和释放电场能量的电路元件qCu212WCudduiCt2020/1/2122注意：电容只储存能量，不消耗能量。仅于外电路进行能量交换。2020/1/2123电容和电感的串并联：121111...eqnCCCC12...eqnCCCC12...eqnLLLL1231111...eqLLLL电容串联：电容并联：电感串联：电感并联：2020/1/21241.4有源电路元件1.4.1电压源IUS+_U+_1.理想电压源（恒压源）能够独立产生电压的电路元件。外特性曲线IUUsO2020/1/2125例1：（2）输出电压是一定值，恒等于电动势；对直流电压，有UUs（3）恒压源中的电流由外电路决定特点:（1）内阻R0=0设Us=10V，接上RL后，恒压源对外输出电流当RL=1时，U=10V，I=10A当RL=10时，U=10V，I=1A电压恒定，电流随负载变化RLIUs+_U+_2020/1/2126补充：理想电压源置零：Us=0时，理想电压源等效为一理想导线。2020/1/2127电压源模型由电路可得U=Us–IR0如果R0=0理想电压源:UUs电压源的外特性IRL由电压源Us和内阻R0串联组成当R0RL，UUs，可近似认为是理想电压源U0=UsIUSSOUIR理想电压源O电压源–R0+-UsU+2.实际电压源2020/1/21281.4.2电流源IISU+_外特性曲线IUISO1.理想电流源（恒流源）能够独立产生电流的电路元件。2020/1/2129RLIISU+_例1：（2）输出电流是一定值，恒等于电流IS（3）恒流源两端的电压U由外电路决定特点:（1）内阻R0=设IS=10A，接上RL后，恒流源对外输出电流。当RL=1时，I=10A，U=10V当RL=10时，I=10A，U=100V电流恒定，电压随负载变化2020/1/2130补充：理想电流源置零：Is=0时，理想电流源等效为开路。2020/1/2131S0UIIRIRLU0=ISR0电流源的外特性IU理想电流源OIS由电流IS和内阻R0并联组成由电路可得当R0=时理想电流源:IIS如果R0RL，IIS，可近似认为是理想电流源电流源电流源模型R0UR0UIS+－2.实际电流源2020/1/2132恒压源与恒流源特性比较恒压源恒流源不变量变化量Uab的大小、方向均为恒定，外电路负载对Uab无影响I的大小、方向均为恒定，外电路负载对I无影响输出电流I可变_由外电路决定端电压Uab可变由外电路决定U+_abIUabUab=U（常数）_+IabUabISI=IS（常数）+_2020/1/21331.4.3电压源与电流源等效变换U=Us－IR0U=ISR0–IR0IRLR0+–UsU+–电压源等效变换条件:Us=ISR0电流源RLR0UR0UISI+–电流源的方向为电压源的负极到正极的方向。2020/1/2134（2）等效变换时，两电源的参考方向要一一对应（1）电压源和电流源的等效关系只对外电路而言，对电源内部则是不等效的R0+–UsabISR0abR0–+UsabISR0ab等效时应注意：2020/1/2135IUS+_U+_I′ISU′+_SSS00UUIR（不存在）（3）理想电压源与理想电流源之间无等效关系2020/1/2136R+–Usab+–UsabIS+–Usab（4）理想电压源与元件（电阻或理想电流源）并联时，等效为该理想电压源2020/1/2137–+UsabISISRabISab（5）理想电流源与元件（电阻或理想电压源）串联时，等效为该理想电流源2020/1/2138（6）理想电压源的串联等效1suSusnu3su2su()aabiSuSequ()babinkSksnsssSequuuuuu1321补充：2020/1/2139（7）理想电流源的并联等效121nSsssnskkiiiiiu1sisni2sisiabusiab等效电路例1:求下列各电路的等效电源解:+–abU25V(a)++–abU5V(c)+a5AbU3(b)+a+-2V5VU+-b2(c)+(b)aU5A23b+(a)a+–5V32U+b例2:试用电压源与电流源等效变换的方法计算2电阻中的电流。6V3+–+–12V2A6112I(a)原则：先处理并联部分，将并联部分等效成实际电流源；在处理串联部分，将串联部分等效成实际电压源；最后总的电路等效成一个简单的串联回路。82A1A222I解:–8V+–22V+2I(d)2由图（d）可得2A3122V+–I2A61(b)4A2222V+–I(c)例3：解：统一电源形式试用电压源与电流源等效变换的方法计算图示电路中1电阻中的电流。2+-+-6V4VI2A34612A362AI4211AI4211A24A解：I4211A24A1I421A28V+-I411A42AI213A23A2A21I2020/1/21451.4.4受控源独立电源：在电路中起着激励作用，即在电路中产生电压或电流。不受外电路的控制独立存在的电源受控源特点：当控制电压或电流消失或等于零时，则受控源的电压或电流也将为零受控电源：指电路中的电压或电流电流受电路中其它电流或电压控制的电源，本身无激励作用U1+_U1U2I2I1=0(a)VCVS+-+-I1(b)CCVS+_U1=0U2I2I1+-+-四种理想受控电源的模型(c)VCCSgU1U1U2I2I1=0+-+-(d)CCCSI1U1=0U2I2I1+-+-电压控制电压源电流控制电压源电压控制电流源电流控制电流源注意：对含有受控源的二端网络的等效变换与独立源等效变换基本相同，在等效变换时受控源可先当作独立源进行变换。ui8i2u443ab()a例1.4.2+-500Ω1000Ω0.1II20VU0+-+-500Ω1000Ω100II20VU0+-+-U0=1500I-100I+20=1400I+20+-1400ΩI20VU0+-2020/1/21521.5基尔霍夫定律支路：电路中的每一个分支一条支路流过一个电流，称为支路电流结点：三条或三条以上支路的联接点回路：由支路组成的闭合路径网孔：内部不含支路的回路（独立回路）I1I2I3123ba+-Us2R2+-R3R1Us1支路：ab、bc、ca、…（共6条）回路：abda、abca、adbca…（共5个）结点：a、b、c、d(共4个）网孔：abd、abc、bcd（共3个）例1：adbcUs–+GI2I4IGI1I3I2020/1/21541.5.1基尔霍夫电流定律（KCL）1．定律即:I入=I出在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结点的电流实质:电流连续性的体现或:I=0I1I2I3ba+-Us2R2+-R3R1Us1对结点a：I1+I2=I3或I1+I2–I3=0KCL反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系2020/1/2155电流定律可以推广应用于包围部分