《電路原理》課件邱關(guān)源.ppt

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1、 電路 教學(xué)課件 主講： 徐 霞 聯(lián)系地址：重慶理工大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院 郵政編碼： 400050 電子信箱： 聯(lián)系電話 ： 13032329297 第一章 電路模型和電路定律 1.6 電壓源和電流源 1.7 受控電源 1.8 基爾霍夫定律 1.1 電路和電路模型 1.2 電流和電壓的參考方向 1.3 電功率和能量 1.4 電路元件 1.5 電阻元件 重點(diǎn)： 1. 電壓、電流的參考方向 2. 電阻、電源元件特性 3. 基爾霍夫定律 1.1 電路和電路模型（ model) 1、概念： 電路 ---------是電流的通路，是為了某種

2、需要由某些電工設(shè)備 或 元件（電氣器件）按一定的方式組合起來(lái)的。 電路主要由電源、負(fù)載、連接導(dǎo)線及開關(guān)等構(gòu)成。 電源 (source)：提供能量或信號(hào) .由于電路中的電壓和電流是 在電源的作用下產(chǎn)生的，所以又稱激勵(lì)。 負(fù)載 (load)：將電能轉(zhuǎn)化為其它形式的能量，或?qū)? 信號(hào)進(jìn)行處理 . 響應(yīng) ：由激勵(lì)在電路中產(chǎn)生的電壓、電流。 導(dǎo)線 (line)、 開關(guān) （ switch)等：將電源與負(fù)載接成通路 . 2、作用： 1. 實(shí)現(xiàn)電能的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換 電 池 燈 泡 2.實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞與處理 放 大 器 揚(yáng)聲器 話筒 4、電路模型： R + Ro E

3、 - 手電筒的電路模型 燈 泡 開關(guān) 電 池 導(dǎo)線 S 為了便于用數(shù)學(xué)方法分析電路 ,一般要將實(shí)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(lái)模擬實(shí)際電 路中的器件，從而構(gòu)成與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。 5、幾種基本的電路元件 電阻元件：表示消耗電能的元件 電感元件：表示產(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件 電容元件：表示產(chǎn)生電場(chǎng)，儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件 電源元件：表示各種將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件 理想電路元件：有某種確定的電磁性能 的理想元件 （ 1）具有相同的主要電磁性能的實(shí)際電路部件，在 一定條件下可用同一模型表示； （ 2） 同一實(shí)際電路

4、部件在不同的應(yīng)用條件下，其模 型可以有不同的形式 例 1.2 電流和電壓的參考方向 物理中對(duì)電量規(guī)定的方向。 物理量 單 位 實(shí) 際 方 向 電流 I A 、 mA 、 A 正電荷運(yùn)動(dòng)的方向 電動(dòng)勢(shì) E V 、 kV 、 mV 、 V 電位升高的方向 (低電位 高電位 ) 電壓 U 、 V 、 kV 、 mV V 電位降低的方向 ( 高電位 低電位 ) 1、實(shí)際方向： t q t qi t d dl i m)( 0 d e f t 電流 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量 電壓 U dq dWU d e f 單位正電荷 q

5、從電路中一點(diǎn)移至另一點(diǎn)時(shí) 電場(chǎng)力做功 （ W） 的大小 為什么要設(shè)電流參考方 向？ 簡(jiǎn)單電路 R2 US I2 U6 IS R1 I1 R4 I4 R3 I3 I5 電流的實(shí)際方向 可知 各電流的實(shí)際方向 未知 復(fù)雜電路 a + U Uab I b E + 2. 電流參考方向 i 參考方向 大小 方向 (正負(fù)） 電流 (代數(shù)量 ) 任意假定一個(gè)正電荷運(yùn)動(dòng)的方向即為電 流的參考方向。 A B i 參考方向 i 參考方向 i 0 i 0 吸收正功率 (實(shí)際吸收 ) P吸

6、0 發(fā)出正功率 (實(shí)際發(fā)出 ) P發(fā) <0 發(fā)出負(fù)功率 (實(shí)際吸收 ) u, i 取非 關(guān)聯(lián)參考方向 + - i u + - i u 例 5 6 4 1 2 3 I2 I3 I1 + + + + + + U6 U5 U4 U3 U2 U1 求圖示電路中各方框 所代表的元件消耗或 產(chǎn)生的功率。已知： U1=1V, U2= -3V, U3=8V, U4= -4V, U5=7V, U6= -3V I1=2A, I2=1A, I3= -1A 解 （實(shí)際發(fā)出）發(fā) WIUP 221111 （實(shí)際發(fā)出）吸 WIUP 62)3(122 （實(shí)際吸收

7、）吸 WIUP 1628133 （實(shí)際吸收）吸 WIUP 3)1()3(366 （實(shí)際發(fā)出）吸 WIUP 7)1(7355 （實(shí)際發(fā)出）吸 WIUP 41)4(244 注 對(duì)一完整的電路，發(fā)出的功率吸收的功率 1.4 電路元件 集總元件假定： 在任何時(shí)刻，流入二端元件的一個(gè)端子的電流一定等于從 另一端子流出的電流，兩個(gè)端子之間的電壓為單值量。 端子數(shù)目可分為二端、三端、四端元件等。 電路元件是電路中最基本的組成單元。 每種元件通過(guò)端子的兩種物理量反映一種確定的電磁性質(zhì)。 端子特性（元件特性）：元件的兩個(gè)端子的物理量之間的代 數(shù)函數(shù)關(guān)

8、系。 電阻元件特性： )(ifu 電容元件特性： )(uhq 電感元件特性： )(ig 1.5 電阻元件 電阻 是一種將電能不可逆地轉(zhuǎn)化為其它形式能量（如熱能、 機(jī)械能、光能等）的元件。 1. 符號(hào) R 2. 歐姆定律 (Ohms Law) (1) 電壓與電流的參考方向設(shè)定為一致的方向 R i u + u R i R 稱為電阻， 電阻的單位： (歐 ) (Ohm，歐姆 ) 伏安特性曲線 : R tg 線性電阻 R是一個(gè)與電壓和電流無(wú)關(guān)的常數(shù)。 令 G 1/R G稱為電導(dǎo) 則 歐姆定律表

9、示為 i G u . 電導(dǎo)的單位： S (西 ) (Siemens， 西門子 ) u i O 電阻元件的伏安特性為 一條過(guò)原點(diǎn)的直線 (2) 電阻的電壓和電流的參考方向相反 R i u + 則歐姆定律寫為 u Ri 或 i Gu 注意： 公式必須和參考方向配套使用 ！ 3. 功率和能量 R i u + R i p 吸 ui (Ri)i i2 R u(u/ R) u2/ R p吸 ui i2R u2 / R 功率： u + 任何時(shí)刻 ,電阻元件絕不可能發(fā)出電能，它只能消耗電 能。因此電阻又稱為“ 無(wú)源元件”和“耗能元件 ”。 R i u +

10、4、 開路與短路 對(duì)于一電阻 R 當(dāng) R=0，視其為短路。 i為有限值時(shí)， u=0。 當(dāng) R=，視其為開路。 u為有限值時(shí)， i=0。 * 理想導(dǎo)線的電阻值為零。 能量：可用功表示。從 t 到 t0電阻消耗的能量： ttttttR dRiu i dpdW 0 200 負(fù)電阻 : (negative resistance)，在 u、 i 取關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，負(fù)電阻的電壓、 電流關(guān)系位于 、 象限，即 R<0， G<0 。負(fù)電阻將輸出電功率（電功率 小于零），對(duì)外提供電能。所以負(fù)電阻是一種 有源元件 (active element)。 非線性電阻： 電壓、電流關(guān)系不

11、是過(guò) ui 平面原點(diǎn)的直線，稱為 非線 性電阻 (nonlinear resistance)。 5.其他電阻元件 1.6 電壓源和電流源 1、 理想電壓源： 電源兩端電壓為 uS， 其值與流過(guò)它的電流 i 無(wú)關(guān) 。 (2) 特點(diǎn)： (a) 電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無(wú)關(guān) ； (b) 通過(guò)它的電流是任意的，由外電路決定。 直流： uS為常數(shù) 交流： uS是確定的時(shí)間函數(shù)，如 uS=Umsint (1)電路符號(hào) uS + _ i (3). 伏安特性 US (a) 若 uS = US ， 即直流電源 ， 則其伏安特性為平行于 電流軸的直線 ， 反映電壓與

12、 電源中的電流無(wú)關(guān) 。 (b) 若 uS為變化的電源 ， 則某一時(shí)刻的伏安關(guān)系也是 這樣 。 電壓為零的電壓源 ， 伏安曲線與 i 軸重合 , 相當(dāng)于短路元件 。 uS + _ i u + _ u i O (4). 理想電壓源的開路與短路 uS + _ i u + _ R (a) 開路： R， i=0， u=uS。 (b) 短路： R=0， i ， 理想電源出現(xiàn) 病態(tài) ， 因此理想電壓源不允許短路 。 * 實(shí)際電壓源也不允許短路 。 因其內(nèi) 阻小 ， 若短路 ， 電流很大 ， 可能 燒毀電源 。 US + _ i u + _ R Us

13、 u i O u=USRi 實(shí)際電壓源 (5). 功率： 或 p吸 =uSi p發(fā) = uSi ( i, uS關(guān)聯(lián) ) 電場(chǎng)力做功 ， 吸收功率。 電流（正電荷 ）由低電位向高電位移動(dòng) 外力克服電場(chǎng)力作功發(fā)出功率 p發(fā) uS i (i , us非關(guān)聯(lián) ） 物理意義： uS + _ i u + _ uS + _ i u + _ 2、 理想電流源 ： 電源輸出電流為 iS， 其值與此電源的端電壓 u 無(wú)關(guān) 。 (2). 特點(diǎn)： (a) 電源電流由電源本身決定，與外電路無(wú)關(guān)； (b) 電源兩端電壓 是任意的，由外電路

14、決定。 直流： iS為常數(shù) 交流： iS是確定的時(shí)間函數(shù)，如 iS=Imsint (1).電路符號(hào) iS + _ u (3). 伏安特性 IS (a) 若 iS= IS ， 即直流電源 ， 則其伏安特性為平行于電 壓軸的直線 ， 反映電流與 端電壓無(wú)關(guān) 。 (b) 若 iS為變化的電源 ， 則某一時(shí)刻的伏安關(guān)系也是 這樣 電流為零的電流源 ， 伏安曲線與 u 軸重合 , 相當(dāng)于開路元件 u i O iS i u + _ (4). 理想電流源的短路與開路 R (b) 開路： R， i= i S ， u 。 若強(qiáng) 迫斷開電流源回路 ，

15、 電路模型為病 態(tài) ， 理想電流源不允許開路 。 (a) 短路： R=0， i= iS ， u=0 ， 電流 源被短路 。 iS i u + _ (5). 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(wú)關(guān)；光電池在一定光 線照射下光電池被激發(fā)產(chǎn)生一定值的電流等 。 is u i O 實(shí)際電 流 源 考慮內(nèi)阻 伏安特性 S S R u ii 一個(gè)好的電流源要求 SR u + _ Si SR i (6). 功率 p發(fā) = u is p吸 = uis p吸 = uis p發(fā) = uis iS u +

16、_ iS u + _ u , iS 關(guān)聯(lián) u , iS 非 關(guān)聯(lián) 例 計(jì)算圖示電路各元件的功率。 解 Aii S 2 Vu 5 WuiP SA 10522 發(fā) WiuP SV 10)2(55 發(fā) 滿足 ： P（發(fā)） P（吸） + _ u + _ 2A 5V i 1.7 受控電源 (非獨(dú)立源 ) (controlled source or dependent source) 1. 定義 ： 電壓源電壓或電流源電流不是給定的時(shí)間函 數(shù) ， 而是受電路中某個(gè)支路的電壓 (或電流 ) 的控制 。 2. 電路符號(hào) + 受控電壓源 受控電流源 (a) 電流控制的電流源 ( Current

17、 Controlled Current Source ) : 電流放大倍數(shù) r : 轉(zhuǎn)移電阻 i2= i1 u2=ri1 CCCS i1 + _ u2 i2 + _ u1 i1 3. 分類： 根據(jù)控制量和被控制量是電壓 u或電流 i ， 受控源可分 為四種類型：當(dāng)被控制量是電壓時(shí) ， 用受控電壓源表示 ；當(dāng)被控制量是電流時(shí) ， 用受控電流源表示 。 (b) 電流控制的電壓源 ( Current Controlled Voltage Source ) + _ u1 i1 + _ u2 i2 CCVS + _ r i1 g: 轉(zhuǎn)移電導(dǎo) :電壓放大倍數(shù) i2=

18、gu1 u2= u1 VCCS gu1 + _ u2 i2 + _ u1 i1 (c) 電壓控制的電流源 ( Voltage Controlled Current Source ) + _ u 1 i1 u1 + _ u 2 i2 VCVS + _ (d) 電壓控制的電壓源 ( Voltage Controlled Voltage Source ) 特點(diǎn)： 1、是電源，它滿足電路的基本定律。 2、它不是獨(dú)立電源，大小和方向受其它電壓、電 流的控制。當(dāng)控制量發(fā)生變化 時(shí)（大小、方向），受控源 的大小和方向也要發(fā)生改變。 4. 受控源與獨(dú)立源的 比較 (a) 獨(dú)立

19、源電壓 (或電流 )由電源本身決定 ， 與電路中其它 電壓 、 電流無(wú)關(guān) ， 而受控源電壓 (或電流 )直接由控制 量決定 。 (b) 獨(dú)立源作為電路中 “ 激勵(lì) ” ， 在電路中產(chǎn)生電壓 、 電流 ， 而受控源只是反映輸出端與輸入端的關(guān)系 ， 在 電路中不能作為 “ 激勵(lì) ” 。 例 解 Ai 2361 V iu 4610 65 12 5i1 + _ u2 _ u1=6V i1 + + - 3 求：電壓 u2。 1.8 基爾霍夫定律 ( Kirchhoffs Laws ) 基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律 (Kirchhoffs Current LawKCL ) 和 基

20、爾 霍 夫 電 壓 定 律 (Kirchhoffs Voltage LawKVL )。 它反映了電路中 所有支路電壓和電流的約束關(guān)系 ， 是分析集總參數(shù)電路的 基本定律 。 基爾霍夫定律與元件特性構(gòu)成了電路分析的基 礎(chǔ) 。 1 、 幾個(gè)名詞： (定義 ) (1). 支路 (branch)：電路中通過(guò)同一電流的每個(gè)分支 。 (b) (2). 節(jié)點(diǎn) (node): 三條或三條以上支路的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。 ( n ) (3). 回路 (loop)：由支路組成的閉合路徑。 ( l ) b=3 (4). 網(wǎng)孔 (mesh)：對(duì)平面電路，中間是空心的回路。網(wǎng)孔是回 路，但回路不一定是網(wǎng)孔。 1 2 3

21、 a b + _ R1 uS1 + _ uS2 R2 R3 l=3 n=2 1 2 3 例： 支路： ab、 bc、 ca （共 6條） 回路： abd、 abcd （共 7 個(gè)） 結(jié)點(diǎn) ： a、 b、 c、 d (共 4個(gè)） b I6 E6 _ + R6 R3 a c d I1 I2 I4 I3 I5 網(wǎng)孔： abd、 bcd （共 3 個(gè)） 2、 基爾霍夫電流定律 (KCL)：在任何 集總參數(shù)電路中 ， 在任一 時(shí)刻 ， 流出 (流入 )任一節(jié)點(diǎn)的各支路電流的代數(shù)和為零 。 即 物理基礎(chǔ) :電荷守恒，電流連續(xù)性。 i4 i2 i

22、1 i3 0 (t)i 令流出為“ +”(支路電流背離節(jié)點(diǎn) ) i1+i2i3+i4=0 i1+i3=i2+i4 出入即 ii 7A 4A i1 10A -12A i2 i1+i210(12)=0 i2=1A 例 : 47i1= 0 i1= 3A (1) 電流實(shí)際方向和參考方向之間關(guān)系； (2) 流入 、流出節(jié)點(diǎn)。 KCL可推廣到一個(gè) 封閉面 ： 兩種符號(hào) : ？ 廣義結(jié)點(diǎn) I =? I = 0 _ R E2 E3 E1 + _ R R1 R + _ + I 0 Cba III 例 : bI aI cI 0)( tu 首先考慮 （ 選定一個(gè) )繞行方向

23、: 順時(shí)針或逆時(shí)針 . R1I1US1+R2I2R3I3+R4I4+US4=0 R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4 例 : 0 U 順時(shí)針?lè)较蚶@行 : 3、 基爾霍夫電壓定律 (KVL)：在任何 集總參數(shù)電路中 ， 在任一 時(shí)刻 ， 沿任一閉合路徑 ( 按固定繞向 )， 各支路電壓的代 數(shù)和為零 。 即 I1 + US1 R1 I4 _ + U S4 R4 I3 R3 R2 I2 _ OUUUUUU SS 443211 推論 ： 電路中任意兩點(diǎn)間的電壓等于兩點(diǎn)間任一條路 徑經(jīng)過(guò)的各元件電壓的代數(shù)和 。 元件電壓方向 與路徑繞行方向一致時(shí)取正號(hào) ， 相反取負(fù)號(hào) 。 A B

24、 l1 l2 UAB (沿 l1)=UAB (沿 l2） 電位的單值性 32 UUU AB 4411 UUUUU SSAB I1 + US1 R1 I4 _ + U S4 R4 I3 R3 R2 I2 _ U3 U 1 U2 U4 A B 1列方程前標(biāo)注回路循行方向 E2 =UBE + I2R2 UBE = E2 I2R2 E1 + B + - R1 + - E2 R2 E UBE I2 _ 2. 開口電壓可按回路處理 注意： 例： I3 E3 _ + R3 R6 a b c d I1 I2 I5 I6 I4 回路 1： I1R1+I2R2+I3R3-E3 =0

25、 回路 2： I4R4+I1R1-I6R6=E4 回路 3： I2R2+I5R5+I6R6= 0 KCL、 KVL小結(jié)： (1) KCL是對(duì)支路電流的線性約束 ， KVL是對(duì)支路電壓 的線性約束 。 (2) KCL、 KVL與組成支路的元件性質(zhì)及參數(shù)無(wú)關(guān) 。 (3) KCL表明在每一節(jié)點(diǎn)上電荷是守恒的； KVL是電 位單值性的具體體現(xiàn) (電壓與路徑無(wú)關(guān) )。 (4) KCL、 KVL只適用于集總參數(shù)的電路 。 圖示電路：求 U和 I。 1A 3A 2A 3V 2V 3 U I 例 1 U1 解： 3+1-2+I=0， I= -2（ A） U1=3I= -6（ V）

26、 U+U1+3-2=0， U=5（ V） 例 2 10V 5 5 i1 i 2i i2 S 求下圖電路開關(guān) S打開和閉合時(shí)的 i1和 i2。 S打開： i1=0 i2=1.5(A) i2=i+2i 5i+5i2=10 S閉合： i2=0 i1=i+2i i=10/5=2 i1=6(A) 2 9A 1 i 1 2 i 1 3 u 1 u 2 u 求圖示電路中兩個(gè)受控電源各自發(fā)出的功率。 1 對(duì)節(jié)點(diǎn)列 KCL方程求得 i1 12 1 2 9 A 3A ii i 2 電阻電壓 V6)2( 11 iu 3 利用外網(wǎng)孔的 KVL方程求得受控電流源端口電壓 V123 11

27、2 uuu 4 受控電流源發(fā)出的功率為 W722 12CCCS iup 5 受控電壓源發(fā)出的功率為 例 3： 解： Wiup V C V S 10823 11 Ai 523 )( A3 A2 ?i 3 3 5 1 4 1。 Vu 1552010 V5 ?u V10 V20 2。 + + - - 4V 5V i =? 3. + + - - - 4V 5V 1A + - u =? 4. Ai i 3 543 Vu 1275 3 3 0)10(1010 1 I 解 AI 21 AII 31211 10V + + - - 1A -10V I =? 10 5. 4V + - 10A U =? 2 6 + - 3A I 解 AI 7310 024 IU VIU 1041442 I1 10V + + - - 3I2 U=? I =0 5 7. 5 - + 2I2 I2 5 + - 解 AI 155 102 VIIIIU 222553 2222