Chp1-电路的基本概念和定律

1Mailto:[e-mail]1电阻电路分析第1章:电路的基本概念和定律授课老师：陈宁夏2§1.1电路和电路模型概念：概念：p重点p说明1、2、实际电路、电路原理图（电气图符号）、电路模型（电路模型元件）集总参数电路，分布参数电路“电路”/“电路图”可指”实际电路”、”电路原理图“或”电路模型“。本课程主要任务：介绍电路模型的各种分析方法，指导以后的电路原理图的分析与设计--《模拟电子技术》课程中讲述.3§1.1电路和电路模型p实际电路。指现实生活中看到的“实物电路”。p电路原理图用电气图符号表示实际电路的元件，得到的反映实际电路构成原理的电路图。p电路模型用理想电路元件（电路模型元件符号）表示实际电路的元件，得到的电路图。常用电路模型元件：理想电压源、电流源、电容、电阻、电感、二极管……4返回5电路模型元件返回6图1－1手电筒电路27图1－2晶体管放大电路(a)(b)(c)(d)实际电路电路模型拓扑结构图电原理图8§1.1电路和电路模型o实际电路/电路原理图/电路模型的作用ü实际电路：ü电路原理图：ü电路模型：实际的硬件，获得希望的功能.工程师之间交流，描述电路的元件构成和拓扑结构。用来定量地分析与计算电路工作时的参数（本课程）。9§1.1电路和电路模型o电路建模注意（信号特点，精度要求）例直流交流，粗低频交流，精高频交流，精10§1.1电路和电路模型o集总参数电路和分布参数电路ü集总参数电路：工作信号波长电路尺寸（本课程讨论）ü分布参数电路：工作信号波长电路尺寸关键字：位移电流，电磁辐射，射频电路，高压输电线1)计算：答：波长=c/f=3*108/25000=12Km.远远大于电路尺寸，集总参数电路。音频放大电路中电信号的频率不超过25KHz,试问电路属于？2）计算：某射频放大电路中电信号频率约为20GHz，试问电路属于？答：波长=c/f=3*108/20*109=0.015m.小于电路尺寸，分布参数电路。11§1.2电路的基本物理量1.电流的定义，电流参考方向2.电压定义，电压的参考极性3.功率定义，关联参考方向，正负功率含义，功率守恒。p重点12§1.2电路的基本物理量电流及其参考方向o电流定义：o数学表示：o要素：o分类：1A单位时间内流过导体横截面的电荷量i=dq/dt(单位A=C/S)直流(DC)，时变电流（量值和方向随时间变化）交流（量值和方向随时间周期变化）大小，方向313o如何来描述电流？t1：向右，1At2:向左，1.5A1A1.5Ao借助参考方向可以用正负号来表示实际方向t1：+1At2:-1.5A1A1.5A参考方向T1时刻电流T2时刻电流§1.2电路的基本物理量电流及其参考方向14o练习1：§1.2电路的基本物理量电流及其参考方向i上图元件中，实际电流方向向左且大小为1A，如图所示的参考方向下，i=?o练习2：i上图元件中，如图所示参考方向下i=1.5A，问实际电流方向？大小为？15o电压定义2：abo电压定义1：§1.2电路的基本物理量电压及其参考极性Uab=Va–Vb(电势差)单位正电荷由a移动到b获得或失去的能量，称为ab两点间的电压。Uab=dw/dq（V=J/C伏=焦/库）16abo性质：Uab=Va–Vb=-Ubao麻烦：o解决方向：o解决方法：U1+-需要规定一个参考极性§1.2电路的基本物理量电压及其参考极性在计算时要特别注意脚标顺序，易出错。只用一个脚标来表示电压，如：U1规定电压的参考极性,则Uab=U1,Uba=-U117o练习§1.2电路的基本物理量电压及其参考极性ab+-u1已知Uab=4V，参考方向如图，试问u1=？已知Uba=-8V，参考方向如图，试问u1=？参考方向如图，已知u1=-5V试问Uab=？参考方向如图，已知u1=6V试问Uba=？问1：问2：问3：问4：18关联参考方向非关联参考方向i+-+-iUU例：同一元件或支路的u，i采用一致的参考方向称之为关联参考方向。反之，称为非关联参考方向。注：本课程默认采用关联参考方向，一般无须同时标出。§1.2电路的基本物理量关联参考方向419000(,)p()()()()ttttWttduidxxxxx==∫∫p从t0到t时间内，元件吸收的电能。p在u、i取关联参考方向时，元件吸收的电功率。当p0时，元件吸收功率；当p0时，元件发出功率。dqdWdWPuidtdqdt===+-iu§1.2电路的基本物理量电功率20§1.2电路的基本物理量关联参考方向下的电功率练习题：已知Us=10V,R1=200Ω，RL=800Ω，问Us、RL释放/吸收的电功率？解法1：所有元件采用关联参考方向。解法2：所有元件采用非关联参考方向。验证：参考方向下，当p0时，元件吸收功率；当p0时，元件发出功率。21§1.3基尔霍夫定律1.概念：支路，结点，回路，网孔2.基尔霍夫电流定律（KCL）3.基尔霍夫电压定律（KVL）p重点22o支路：o结点：o回路：o网孔：观察：§1.3基尔霍夫定律基本概念一个二端元件视为一个支路电路元件连接的点。（理想导线连接的点视为一个结点）由支路组成的闭合路径。内部不含支路的回路。6条支路，4个结点，6个回路，3个网孔。23o文字表述：o数学表述：o符号：o示例及练习：§1.3基尔霍夫定律基尔霍夫电流定律（KCL）Kirchhoff’sCurrentLaw“集总电路的任一结点，任何时刻流出的电流代数和恒等于0”。∑i(t)＝0参考方向流出的支路电流取+号，流入取-号。分别写出结点1、2、3决定的支路电流关系方程（KCL方程）。24oKCL的物理含义：o从结点到模块：§1.3基尔霍夫定律基尔霍夫电流定律（KCL）Kirchhoff’sCurrentLaw电荷守恒KCL不仅适用于一个结点，也适用于电路的一个部分，如下图的阴影部分：i3+i6=？0525oKVL的文字表述：oKVL的数学表示：o符号：o例：§1.3基尔霍夫定律基尔霍夫电压定律（KVL）Kirchhoff'sVoltageLaw“集总电路中，沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零(或电压降为0)”。∑u(t)＝0先给回路规定绕行方向(顺/逆时针),电压参考方向与绕行方向相同取+号，相反取-号请写出网孔I,II,III的KVL方程。26oKVL的物理意义：§1.3基尔霍夫定律基尔霍夫电压定律（KVL）Kirchhoff'sVoltageLaw能量守恒o注意KCL、KVL的适用范围：一切集总参数电路，不管信号随时间如何变化，不管电路结构如何复杂。27o应用步骤：A.划分出支路，并编号；B.指定支路电流、电压参考方向、一般要关联；C.写KCL,KVL方程（与元件方程一起构成方程组来求解电路任意参数）。§1.3基尔霍夫定律KCL,KVL的应用o示例：试写出下图所有结点的电流KCL方程，所有网孔的KVL方程。28o电阻器VS电阻元件（电阻器：实际元件，电阻元件：电路模型元件）：§1.4电阻元件29o电阻元件定义（电路模型元件）§1.4电阻元件如果一个二端元件在任一时刻的电压u与其电流i的关系由u-i平面上的一条曲线确定，则此二端元件称为二端电阻元件。光敏电阻可不可以建模为电阻？线性时不变电阻线性时变电阻非线性时不变电阻非线性时变电阻p判断：灯泡可不可以建模为电阻？电容器可不可以建模为电阻？线圈可不可以建模为电阻？30o线性时不变电阻电压电流特性数学表达（采用关联参考方向）：u=Ri;i=Gu(G=1/R,单位：西[门子]，S)说明：引入电导的概念是为了计算方便，将除法式转化为乘法式。§1.4电阻元件o正负电阻的概念（关联参考方向下）正电阻：负电阻：吸收功率。释放功率，特殊情况。见：P176图631§1.5独立电压源和独立电流源o实际电压源电流源o独立电压源、独立电流源作用：如何建模？为了得到各种实际电源的电路模型而定义的两种理想的电路元件32§1.5独立电压源和独立电流源独立电压源（理想电压源，电路模型）o独立电压源=理想电压源=电压源（简称）。特点：它的输出电压仅是时间的函数，而不随输出电流变化。符号及压流曲线：参考极性不随输出电流变化33o注意1：电压源可以释放功率，也可以吸收功率。§1.5独立电压源和独立电流源独立电压源uiP0P0当p0，即电压源工作在i-u平面的一、三象限时，电压源实际吸收功率。电压与电流采用关联参考方向时，元件吸收功率P=当p0，即电压源工作在i-u平面的二、四象限时，电压源实际发出功率。思考理想电压源是吸收功率还是释放功率由什么决定？答：外部电路。34例l-3电路如图所示。已知uab=6V,uS1(t)=4V,uS2(t)=10V,R1=2W和R2=8W。求电流i和各电压源发出的功率。§1.5独立电压源和独立电流源独立电压源教材P19，试做-阅读-答疑35iRuiRuuuuuu22S11S22S11Sab+-+=+-+=A2.1)82(V)1046(212S1Sab=W++-=++-=RRuuuiW12A2.1V10W8.4A2.1V42S2S1S1S-=´-=-==´==iupiup两个电压源的吸收功率分别为解：36例l－4电路如图所示。已知uS1(t)=24V,uS2(t)=4V,uS3(t)=6V,R1=1W,R2=2W和R3=4W。求电流i(t)和电压uab(t)。§1.5独立电压源和独立电流源独立电压源教材P20-试做-阅读-答疑73703S322S11S=+++++-uiRiRuiRuA2)421(V)6424(321S3S2S1=W++--=++--=RRRuuuiV16V24V22V4322Sab=´+´+=++=iRiRuuV16V6V24V213S1S1ab=-+´-=-+-=uuiRu沿右边路径求电压uab得到也可由左边路径求电压uab得到解：令网孔的绕行向为顺时针38o电压源的“结点表示法”§1.5独立电压源和独立电流源独立电压源例l-5电路如图所示。试求开关S断开后，电流i和b点的电位。解:图(a)是电子电路的习惯画法，不画出电压源的符号，只标出极性和对参考点的电压值，即电位值。39再根据KVL求得b点的电位mA5k3V15k2k1V5V10=W=W+W+=IV5V5V52V5bcb=-´=-=UV我们可以用相应电压源来代替电位，画出图(b)电路，由此可求得开关S断开时的电流I40o独立电流源=理想电流源=电流源。电流源是不能“开路”的，因为开路，i＝0，没有意义。但可以短路§1.5独立电压源和独立电流源独立电流源（理想电流源，电路模型）特点：它的输出电流仅是时间的函数，而不随电压变化。符号及曲线：参考方向不随电压变注：41o问：电流源什么情况下吸收/释放功率？§1.5独立电压源和独立电流源独立电流源o例l-6：电路如图所示。已知uS1=10V,iS1=1A,iS2=3A,R1=2W,R2=1W。求电压源和各电流源发出的功率。教材P22-试做-阅读-答疑42A2A1A31S2S1=-=-=iiiV3V)631(V6V)1022(bd2S2cd1S11bd=+´-=+-==+´-=+-=uiRuuiRu20W)W(20A2V1011S发出-=´-=-=iupW)9W(9A3V3W)6W(6A1V6S2cd21Sbd1-=´==-=´-=-=发出发出iupiup电压源的吸收功率为电流源iS1和iS2吸收的功率分别为：解：根据KCL求得根据KVL和VCR求得：843§1.5独立电压源和独立电流源实际电源的电路模型p实际电源的输出电压电流关系(VCR)IRUIIUUUoocscococ-=-=UGIUUIIIoscocscsc-=-=ocUocUscIscI44根据得到的电路模型如图(a)所示，它由电压源Uoc和电阻Ro的串联组成。电阻Ro的电压降模拟实际电源电压随电流增加而下降的特性。电阻Ro越小的电源，其电压越稳定。IRUUooc-=§1.5独立电压源和独立电流源实际电源的电路模型VCR关系等效45按照作出的电路模型如图(b)所示