《计算机电路基础》第1章：电路基本概念和基本定律.ppt

计算机电路基础,第1章 电路基本概念和基本定律,(时间:2次课 4学时),第1章 电路基本概念和基本定律,教学提示：电路是学习电子技术的基础，是电子类专业的入门课程。本章主要是介绍电路的一些基本概念和基本的定律，是学习电路理论的基础知识。教学目的：1.了解电路模型和集总假设的意义;2.理解电压、电流的参考方向和关联参考方向；3.理解电压源，电流源的特性及功率计算；4.理解支路、节点、回路的定义和电路的三种工作状态；5.理解和掌握基尔霍夫电流和电压定律，要熟练地应用于电路计算；6.能分析和计算电路中各点电位。,第1章 电路基本概念和基本定律,1.1 电路 1.2 电流、电压和功率 1.3 二端元件和受控源 1.4 电路三种状态 1.5 基尔霍夫定律,1.1 电路,1.1.1 电路的作用 1.1.2 电路模型 1.1.3 集总假设,1.1.1 电路的作用,电路:电流流通的路径。电路的作用:电路是实现电能的传输和转换。电路组成:电源:是向电路提供电能的设备 负载:是指各种用电设备和元器件总称 中间环节部分:由电子元器件组成完成复杂功能的电子系统。,1.1.2 电路模型,实际的电元件往往都不是单一参数的理想元件。为了突出元件的主要特性，忽略其次要因素，把它近似地看成单一参数的理想电路元件。用理想电元件所组成的电路，称为实际电路的电路模型。电路模型是对实际电路抽象和概括。,1.1.3 集总假设,为了简化对器件性能的描述和简化对电路分析和计算，假设在一定的条件下，忽略其次要物理过场，只考虑实际元件的主要特性，这样假设称为集总假设。集总假设的条件是：电场作用(充放电)只发生的电容元件上，磁场作用(磁能的贮存和释放)只发生在电感元件上，而且都没有电磁能量的损失。集总假设的元件称为理想元件（集总参数元件，简称集总元件），简称电路元件。,1.2 电流、电压和功率,电流、电压和功率是电路中三个重要的物理量，是对电路分析和计算的重要参数。1.2.1 电流1.2.2 电压和电位 1.2.3 关联参考方向1.2.4 功率,1.2.1 电流,电荷的定向运动产生电流。单位：安培（安），用字母A表示。1A=1000 mA；1mA=1000 A正电荷运动方向为电流的正方向。大小和方向不随时间而变的电流为直流电流（用大写字母I 表示）；大小随时间变化而方向不随时间变化的电流称为变动电流 i；大小和方向都随时间而变化，这样的电流称之为交流电流 i。,在分析和计算电路前假设流过元件上电流的方向称为电流参考方向；当所求得电流为正值，说明流过元件上电流的实际方向与假设的电流参考方向一致；当所求得电流为负值，则实际电流方向与电流参考方向相反。参考方向是一种分析方法，只有在参考方后，电流和电压才有正、负之分。,1.2.2 电压和电位,1.电压：定义:单位正电荷在电场力的作用下，从电场中的a 点移到b点 所做的功，称为电场中a、b两点间电压。单位：伏特（伏），用大写字母V表示。1V=1000mV 1mV=1000V 电压方向规定：由高电位(“+”极性端)指向低电位(“-”极性端);电压方向用下标方式表示，如a、b两点之间的 电压方向由a(+)指向b(-)，可表示为Uab。2.电位:选定电路中的某一点作为电压的参考点，称为零电位点。电路中的任一点到零电位点的电压称为该点的电位。,1.2.3 关联参考方向,分析电路的时候，设定的电流参考方向和电压参考方向 一致，称为关联参考方向。电流和电压的参考方向不一致，称为非关联参考方向。关联参考方向 非关联参考方向,1.2.4 功率正电荷从高电位移向低电位，是电场力对电荷作功的结果，电场的能量消耗在元件上。元件消耗电场的能量称为元件吸收能量或元件消耗功率。这时元件上的电流方向和电压的方向是一致的.正电荷从低电位移向高电位，必须由外力对电荷作用以克服电场力，元件需发出能量(元件向电路提供能量)，即元件向电路提供功率。这时元件上的电流方向和电压的方向是相反的。元件上的功率计算公式：P=U I 元件上电流和电压的参考方向符合关联参考方向：当P 0，元件消耗功率，该元件被称为电路的负载。当P 0，元件向电路提供功率，该元件被称为电源。当P 0，元件消耗功率，该元件被称为电路的负载。,【例题1.2】充电器A对手机电池E充电，如图所示。如果手机电池的电压已降到2.5V，现用20mA电流对其充电，问手机电池和充电器的功率各为多少？各是何种功率？,【解】手机电池上的电压和电流为关联参考方向，P=E I=2.5V0.02A=0.5W P0，吸收功率，手机电池是负载。充电器上的电压和电流为非关联参考方向，P=E I=2.5V0.02A=0.5W 功率P0，充电器向手机电池提供功率，是电源。,1.3 二端元件和受控源,1.3.1 电阻元件 物体对电流的阻碍作用称为该物体的电阻。用符号R表示，单位：欧姆()。常有如下换算：1k(1千欧)=1000 1M(1兆欧)=1000 K 电阻的倒数G=1/R，称为电导。单位:西门子“S”。在关联参考方向下，电阻上的电流和电压的关系为-欧姆定律 R=U/I可写成 U=RI 说明：通过电阻的电流与加在电阻上的电压成正比;如果 R 值不随外加的电压(电流)变化，此电阻R 称为线性,1.3.2 电压源独立电压源是一个二端元件，简称为电压源.任何电压源都含有电动势E和内阻RS，它的模型如图 U:电压源的端电压。RL:外接的负载电阻。U=I RL=E I RS电源E输出功率为PE=I2 RL+I2 RS，这里:I2 RL 为负载功率,I2 RS 为电源内阻消耗功率.当电源内阻 RS=0 时，称为理想电压源电源.电源内部无电压降，输出一个恒定电压 U=电动势E，,理想电压源电源,电压源,1.3.3 电流源,独立电流源简称电流源.图中虚线左边所示。IS是电流源的电流，RS是电流源的内阻。当RS=或RSRL时,称为恒流源或理想电流源,流过负载电流I 恒等于电流源的电流IS.当电路中不能满足条件RSRL 时，流过RL的电流等于被其内阻RS 分流后的剩余部分。RS 越小，分流越大，流过负载的电流I越小。电流源的输出特性如图1.19中的斜线所示。理想电流源端电压 的大小完全由外电路的负载所确定,【例题1.3】计算图1.20所示电路中独立电流源所提供的功率。,电阻的压降为：UR=I R=23=6V电流源两端的电压 UIS=UR+E=6V+4V=10V电流源两端的电压和电流是非关联方向,电流源功率为:PIS=UIS I=10V2A=20W PIS 0，所以电流源是提供功率。电压源的功率PE=EI=42=8W 由于流过电压源的电流和电压降方向一致，即关联参考方向，而且PE 0，所以电压源是吸收功率。,1.3.4 受控源,电源中的电流或电压是受到电路中其他支路的电流或电压的控制，称此类电源为受控源。它不是真正的电源，而是四端元件。受控源有电压源和电流源之分，控制量有电压和电流之分，所以受控源共有四种类型:电压控制电流源(VCCS):I2=U1，是转移电导，导纳量纲。电流控制电压源(CCVS):U2=I1，是转移电阻，电阻量纲。电流控制电流源(CCCS):I2=I1，是电流控制比，无量纲。电压控制电压源(VCVS):U2=U1，是电压控制比，无量纲,四种类型受控源,1.4 电路三种状态,1.4.1 开路状态,电源与其负载相互间不连接，电源处于无负载状态，称为空载状态，又称为开路状态.开路状态时特性为：UO=E I=0 PE=0,1.4.2 短路状态,电源两端连接在一起，外电路的电阻为零，称为短路状态，简称短路。短路时回路中产生很大的电流IS，称为短路电流。电源在短路时的特征为：U=0 IS=E/RS PS=IS RS 短路除了会发生在电源端处外，也可能发生在线路中的某一部分，称为局部短路，会造成电源供出超常的电流。短路通常是一种严重的事故。为了防止短路事故的发生，除了认真操作外，更重要的是在电路中接入短路保护措施，一旦发生短路，能及时切断电源与负载的连接，以免发生事故。,1.4.3 有载状态,电源与负载接通形成电回路，称为有载状态。电源向电路负载提供的电流：I=E/（RS+RL）负载上的电压：UL=I RL 电源电动势输出的功率:PE=I E 电源内阻消耗的功率:PS=I2 RS 负载吸收的功率：PL=I2 RL 功率的单位是瓦特（瓦），用字母W表示。大功率应用的场合，用kW(千瓦)，小功率用mW(毫瓦)，其换算关系：kW=1000 W；1 W=1000 mW,1.5 基尔霍夫定律,基尔霍夫定律分为：基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律。,1.5.1 支路、结点和回路 支路：电路中流过同一个电流的分支称为支路,支路上流过的电流称为支路电流。结点：支路的连接点称为结点(节点)。在电路中三条或三条以上支路相连接的地方形成一个结点。回路：由一条或多条支路所组成的任何一个闭合电路称为回路。,1.5.2 基尔霍夫电流定律（KCL）,定律表述：在电路中的任一结点，在任一时刻，流进结点的 电流之和等于从该结点流出的电流之和。式中的k表示该结点上联接的支路总数。【例题1.5】列出图中结点a、b和c的电流方程。【解】对结点a有-I1+I3 I4=0 对结点b有 I2 I3 I6=0 对结点c有 I1 I2+I5=0 提示：列结点电流方程时，先标明支路电流的方向。习惯上设流入结点的电流为正，流出结点的电流为负。,1.5.3 基尔霍夫电压定律（KVL）,定律表述：在任一瞬间，沿任一回路设定方向(顺时针或逆时针)，回路中所有支路电压降的代数和为零。,【例题1.6】列出图中虚线绕行回路的基尔霍夫电压方程。【解】设定回路和中参考方向。支路原设定的方向若与之一致，则为正，否则为负。建立两个回路的电压方程如下：回路：-E1+I1 R1+I2 R2=O 回路：-E2+I3 R3+I2 R2=0,【例题1.7】如图已知：R1=1，R2=2，R4=4，R5=5，R6=6，E3=2V，I2=1A，I4=1.5A，I5=2A。求E1，E2。,【解】据基尔霍夫电流定律，结点b：I6=I2+I4=1A+1.5A=2.5A结点c：I3=I2+I5=1A+2A=3A 结点a：I1=I3+I4=3A+1.5A=4.5A 据基尔霍夫电流定律，在abda回路中：E1=I1R1+I4R4+I6R6=4.5+1.54+2.56=25.5(V)在cdbc回路中：I5R5+E3-I6R6+E2-I2R2=0E2=I6R6+I2R2-I5R5-E3=2.56+12-25-2=5(V),1.6 本 章 小 结,1.电路是由电源、中间环节和负载组成的。2.支路上的电流参考方向和电压降一致，则称为关联参考方向。3.元件的功率P=U I。关联参考方向下元件的功率：当功率 P0 时，元件吸收(消耗)功率;当功率 P0 时，说明元件发出(提供)功率。4.电路有开路、短路和有载三种状态。电路应极力避免短路情况发生。5.基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律,Q&A?Thanks!,