电路分析基础课件.ppt

第 1 章 电路分析基础,太原理工大学电工基础教学部,模 块 1,电路基础,第1章 电路分析基础第2章 暂态电路分析第3章 交流电路,第1章 电路分析基础,1.1 电路元件,1.2 基尔霍夫定律,1.3 叠加定理,1.4 等效电源定理,1.5 含受控源电路的分析,第1章 电路分析基础,本章要求:1.理解电压与电流参考方向的意义；2.理解电路的基本定律并能正确应用；3.了解电路的通路、开路与短路状态，理解电功率和额定值的意义；4.会计算电路中各点的电位。5.了解实际电源的两种模型及其等效变换。6.掌握支路电流法、叠加原理和戴维宁定理等 电路的基本分析方法。,1.1.1 电路及电路模型,电路是由若干电路元件或设备组成的，能够传输能量、转换能量；能够采集电信号、传递和处理电信号的有机整体。,电路的组成：,电 源信号源,负载,中间环节,1.1 电路元件,1.电路的组成和作用,电路电流流通的路径。,手电筒电路,中间环节：连接电源和负载,电路的作用：,负载,电能的输送和转换（如电力工程）,信号的传递与处理（如信息工程）,返回,中间环节,负载,扩音机电路示意图,信号源（电源）,电路系统的概念,系统是由若干互相关联的单元或设备组成，并具有一定功能的有机整体。,激励,响应,系统中电源（或信号源）的作用称为激励。,由激励引起的结果（如某个元件的电流、电压）称为响应。,2 理想元件和电路模型,将实际电路中的元件用理想元件来表示，构成的电路图电路模型,常用的理想元件,电阻,电感,电容,恒压源,恒流源,电路模型,电路模型是实际电路的科学抽象,手电筒电路模型,日光灯电路的模型,电路元件分类,线性元件 非线性元件,时变元件 非时变元件,有源元件 无源性元件,1.1.2 电流、电压的参考方向,1.实际方向,-E+,+I-,+U-,分析计算电路时，人为任意设定的电量方向,2.参考方向（假设方向、正方向）,I,=5A,I,=5A,注意：引入参考方向后，物理量为代数量,若计算结果为正(I 0)，则实际方向与参考方向一致；,若计算结果为负(I0)，则实际方向与参考方向相反。,电流方向a b？,电流方向b a？,I,参考方向的表示方法,参考极性,Uab,双下标,箭 标,参考方向的作用,.便于列写电路方程,关联参考方向,.便于确定实际方向,关联参考方向 U与 I 的方向一致,非关联参考方向 U与 I 的方向相反,U=I R,U=-I R,应用欧姆定律求电阻R,（3）应用欧姆定律列写式子时，式中有_套正负号。,列写公式时，根据U、I 的_ 得_,U、I 的值本身有_和_之分,（1）分析计算电路时，首先要画出，标出电 压、电流的。,（2）参考方向是_设定的。未标参考方向的前 提下，讨论电压、电流的正、负值是_。,电路图,参考方向,两,参考方向,公式中的正负号,正值,负值,没有意义的,人为任意,试求：当U 分别为 3V 和 1V 时的电流IR,解：,(1)假定电路各电量的参考方向如图所示；,(2)列电路方程：,(3)数值计算,（实际方向与假设方向一致）,（实际方向与假设方向相反）,1.1.3 电阻元件,电阻为耗能元件如电阻器、白炽灯、电炉等。,实物,1.电压与电流的基本关系,R 的单位为欧姆（）,（R 常用单位：、k、M）,伏 安 特性,1.1.3 电阻元件,电阻为耗能元件如电阻器、白炽灯、电炉等。,返回,线性电阻的伏安特性,非线性电阻的伏安特性,2.电阻的伏安特性,注意:欧姆定律仅适用于线性电阻电路。,3.电阻元件的功率和能量,在关联参考方向下，电阻元件的功率为,单位为瓦特（W）,从t1到t2的时间内，电阻元件吸收的能量为,单位为焦耳（J）,1.理想电压源和理想电流源,理想电压源（恒压源）:RO=0 时的电压源.,特点：(1）输出电 压 U 不变，即 Uab US；,（2）电源中的电流 I 由外电路决定。,外特性U=f(I),1.1.4 独立电源元件,设:E=10V,当R1 R2 同时接入时：I=10A,例,（3）恒压源中的电压 US为 零时，恒压源视为短路。,（4）与恒压源并联的元件对外电路而言为可视为开路。,恒压源特性中不变的是：_ _ _,US,恒压源特性中变化的是：_,I,_ 会引起 I 的变化。,外电路的改变,I 的变化可能是 _ 的变化，或者是_ 的变化。,大小,方向,恒压源两端可否短路？,否 因为R=0 时,理想电流源（恒流源):RO=时的电流源.,特点：（1）输出电流 I 不变，即 I IS,外特性,（2）输出电压U由外电路决定。,设:IS=1 A,R=10 时，U=10 V,（3）恒流源的电流 IS为 零时，恒流源视为开路。,（4）与恒流源串联的元件对外电路而言为可视为短路。,恒流源特性中不变的是：_,Is,恒流源特性中变化的是：_,Uab,_ 会引起 Uab 的变化。,外电路的改变,Uab的变化可能是 _ 的变化，或者是 _的变化。,大小,方向,恒流源两端可否开路？,否 因为R=时,串联电流相同。,电压源中的电流 I=IS,恒流源两端的电压取决外电路,解：,并联电压相同。,电压源中的电流取决外电路,恒流源两端的电压,解：,电功率的正负,(1)概念：,(2)公式：,关联时：,P=U I,非关联时：,P=-U I,负载消耗（吸收）的功率；电源产生（提供）的功率。,吸收（取用）功率，元件为负载,发出（产生）功率，元件为电源,若 P 0,若 P 0,(3)功率的正负：,根据能量守恒定律电路中的功率平衡,P=0,已知：US1=15V，US2=5V，R=5，试求电流I 和各元件的功率。,解：,已知：U1=20V，I1=2A，U2=10V，I2=-1A，U3=-10V，I3=-3A，试求元件的功率，并说明性质。,元件1功率,元件2功率,元件3功率,元件4功率,解：,元件1、2发出功率是电源，元件3、4吸收功率是负载。上述计算满足P=0。,2.实际电压源的两种电路模型,电压源模型及外特性,US,O,恒压,RO=0时，U=US,外特性,电流源模型及外特性,外特性,IS RO,O,恒流,IS,RO=时，I=IS,3.电源(电路)的三种状态,(1).通路：电路中有电流和功率的转换,电流：,电压：,功率：,RO I RO Uab,通路、开路、短路,电气设备的额定值,额定值:电气设备在正常运行时的规定使用值,电气设备的三种运行状态:,欠载(轻载)：I IN，P PN(不经济),过载(超载)：I IN，P PN(设备易损坏),额定工作状态：I=IN，P=PN(经济合理安全可靠),额定电压UN、额定电流IN 和额定功率PN,（2）额定电流为100A的发电机，只接60A的照明负载，还有电流40A流到哪里去了？,（1）一个100、1W的电阻器，在使用时允许流过的电流和允许加的电压不得超过多少？,答:不存在40A.电源的输出功率和输出电流取决于负载.,答:,2.开路：,开路电压：,特点：,Uo=E,输出功率P=0,输出电流I=0,3.短路：,特点：,输出功率P=0,输出电压U=0,短路电流：,短路保护:熔断器,工作短接:,4.两种电源的等效变换,等效互换的条件：对外的电压电流相等。,I=IUab=Uab,即：,等效互换公式,等效变换的注意事项,(1)两电路对外等效，外特性一致。,(2)两内阻相等（Ro=Ro），所接位置不同。,(3)IS流出端对应US的正极“+”。,(Ro、Ro不一定必须是电源的内阻。),（4）两电路的内部不等效，其内阻 的压降和内阻的损耗一般不相等。,（5）恒压源和恒流源不能等效互换,应用举例,(接上页),1.1.5 电路中电位的概念和计算,电位：,参考点：,1.电位的概念,电路中某点的是对参考点的电压,零电位点、O点、“地”,电力工程中以大地为参考点,电子线路以输入、输出的公共线为参考点,设b点为参考点:,c点的电位为:Uc=E1,d点的电位为:Ud=-E2,电子电路的习惯画法,参考电位在哪里？,正电源,负电源,电子电路的习惯画法：电源电压用电位值给出,正电位值表示正电源，电源的负极接地。,负电位值表示负电源，电源的正极接地。,S断开时各电阻为同一电流,其中：UD=+12V；UC=12V,S闭合上时：,试求开关S断开和闭合时电路中各点的电位,解：,2.电位计算,UA=4V,UB=7.2V,UD=+12V；UC=12V,UA=2V,UB=0,试求图示电路中各点的电位及电压Uab,可见:电位与参考点的选择有关；电压与参考点的选择无关.Uab=Ua-Ub,Uab=5V,Uab=5V,电位与参考点的选择有关；电压与参考点的选择无关,试分别以电路中的a、b、c点为参考点求电位和电压。,注意：,电压等于电位之差。如Uab=Ua-Ub,参考点,电位和电压,1.2 基尔霍夫定律,基尔霍夫电流定律(KCL)应用于结点,基尔霍夫电压定律(KVL)应用于回路,名词注释：,结点：三个或三个以上支路的联结点,支路：电路中每一个分支,回路：电路中任一闭合路径,网孔：单孔回路,支路：ab、ad、bc、;I1 I2 I6（共6条）,回路：abda、bcdb、.（共7 个）,结点：a、b、c、d(共4个）,确定电路中的支路、结点、回路、网孔数目。,网孔：abda、bcdb、adca（共3 个）,基尔霍夫电流定律(KCL),定律的依据：电荷守恒、电流的连续性,或：,1.定律内容,对任何结点，在任一瞬间，,流入,流出,广义结点,I1+I2=I3,I=0,I=?,2.定律推广,封闭面,IE=IB+IC,I,1.2.2 基尔霍夫电压定律(KVL),在任一瞬间，沿任意闭合回路循行方向绕行一周，,例如：回路 a-d-c-a,或：,或：,1.定律内容,电位升,电位降,2.定律推广,开口电路,假想的闭合回路,一段有源电路的欧姆定律,分压公式,分流公式,1.3.3 基尔霍夫定律的应用,(1)特点：以支路电流为未知量，应用KCL和KVL 列方程，然后联立求解。,(2)解题步骤：,确定支路数目（b），结点数目（n），网孔数目（m）。由KCL列（n-1）个结点的电流方程。由KVL列m个网孔回路的电压方程。代入数据，解联立方程，求出各 个支路电流。,1.支路电流法,试用支路电流法求各支路电流。,解：,图示电路，b=3，n=2，m=2。,由KCL列a点:,由KVL列回路1:回路2:,代入数据，解联求解，可得,I1=4A，I2=-1A，I3=3A。,试用支路电流法求各支路电流。,解：,图中含恒流源的支路，I1=IS=5A只需列两个方程。,由KCL列a点,由KVL列回路1,代入数据，解联求解，可得,I2=2A，I3=-3A。,注意：,图中含恒流源的支路时，可减少列方程数。,列回路方程时，要避开含恒流源的支路。,支路电流法小结,优点：支路电流法是电路分析中最基本的 方法之一。只要根据基尔霍夫定律 列方程，就能得出结果。,缺点：电路中支路数多时，所需方程的个 数较多，求解显得十分繁琐。,支路数 B=4须列4个方程式,(1)特点 在只有两个结点的电路中，先用公式 求结点电压，再求各支路电流。,2.结点电压法(弥尔曼定理),支路数 b=3，结点n=2支路电流法须列3个方程式,若能先求出a、b两点的电压Uab，再求出各个支路电流就容易多了。,(2)公式,设结点电压为Uab，则:,结点a:,代入结点a的电流方程，经整理后可得两结点的结点电压公式:,分母为两结点之间各支路的电阻的倒数和,分子为各支路US与本支路R相除后的代数和。当US与Uab的参考方向一致时取正号，相反时则取负号。（或各支路恒流源IS的代数和，一致取负号，相反取正号。）,结点电压公式:,注意：,试用结点电压法求各支路电流。已知US1=54V，US2=72V，R1=3R2=6，R3=2。,解：,结点电压法应用举例（接上页）,试求A点的电位及各支路电流。,RS与恒流源串联对外可视为短路,则：,?,试求A点的电位。,作业：,1-8、1-9、1-11、1-16、1-17,1.3 叠加定理,1.3.1 定理内容：,含有多个电源的线性电路中的电压或电流，等于各电源单独作用时，对应的电压或电流的代数和。,线性电路：R=常数,去源方法：恒压源短接，恒流源开路,代数和：以原电路的电压或电流方向为准，一致取正号，相反取负号。,注意：,=,+,解：,（1）画出原电路及各个电源单独作用的电路，并标出各支路电流的参考方向。,1.3.2 应用举例,如图示,已知US=9V，IS=6A，R1=6，R2=4，R3=3。试用叠加原理求各支路中的电流。,US单独作用：,IS单独作用：,（2）计算各电源单独作用时的，各支路的电流。,（3）叠加求出原电路中各支路电流。,例,用叠加原理求：I=?,I=2A,I=-1A,I=I+I=1A,+,解：,1.3.3.几点注意,1.叠加定理只适用于线性电路（电路参数不随电压、电流的变化而改变）。,4.叠加原理只能用于电压或电流的计算，不能用来求功率。如：,I3,R3,例,已知：US=1V、IS=1A 时Uo=0V；US=10 V、IS=0A 时，Uo=1V,求：US=0 V、IS=10A 时 Uo=?,（1）和（2）联立求解得：,1.4 等效电源定理,等效电源定理用于化简复杂电路,有源二端网络,将有源二端网络等效为等效电压源或等效电流源,有源二端网络用电压源替代 的方法称戴维宁定理,有源二端网络用电流源替代的方法称诺顿定理,1.4.1 戴维宁定理,1.定理内容,任意一个线性有源二端网络对外都可等效为等效电压源。,有源二端网络去源后端口的等效电阻Ro等于等效电压源的内阻（去源方法：恒压源短接，恒流源开路。）,有源二端网络端口的开路电压Uo 等于等效电压源的电动势,求:I=?,例,2.应用举例,解:(1)求开路电压Uo,(2)求等效内阻Ro,(3)求未知电流 I,已知：R1=20、R2=30 R3=30、R4=20 E=10V求：当 R5=10 时，I5=?,等效电路,例,(1)求开端电压Uo,(2)求等效内电阻 Ro,(3)求未知电流 I5,求：U=?,例,(1)求开端电压Uo,此值是所求结果U吗？,(2)求等效内阻 Ro,4,4,50,5,A,B,1A,+,_,8V,_,+,10V,C,D,E,Uo,(2)求解未知电压,1.4.2 诺顿定理,任意一个线性有源二端网络对外都可等效为等效电流源。,方法（1）:,求 开端电压 Uo 与 短路电流 IS,开路、短路法,1.4.3 等效电阻Ro的求解方法,负载电阻法,加负载电阻 RL测负载电压 UL,方法（2）:,测开路电压 Uo,加压求流法,方法（3）:,则：,加压求流法举例,求简单二端网络的等效内阻时，用电阻串、并联的方法即可求出。如前例：,串/并联方法?,不能用简单 串/并联方法 求解，怎么办？,求某些二端网络的等效内阻时，用串、并联的方法则不行。如下图：,方法（4）,电阻星形连接和三角形连接的等效变换,星形(Y)连接,三角形()连接,等效条件:对应的三端电位相等,流入电流相等,(1)三角形()连接变换星形(Y)连接,分母相同,分子要啥有啥,(2)星形(Y)连接变换三角形()连接,分子相同,分母没啥有啥,特例:,电路分析方法小结,电路分析方法共讲了以下几种：,两种电源等效互换支路电流法结点电位法叠加原理戴维宁定理,（诺顿定理）,作业：,1-18、1-20、1-21、1-22、1-26、,电源分类,受控源,独立源,电压源,电流源,1.5 含受控源电路的分析,(独立存在),(非独立，受电路中某个电压或电流的控制。),电压控制电压源VCVS,电压控制电流源VCCS,电流控制电压源CCVS,电流控制电流源CCCS,受控源的类型和符号,受控源实例,电流控制电流源ICCS,晶体管,晶体管微变等效电路,电压控制电压源VCVS,变压器,1.5.2 含受控源电路的分析,电路的基本定理和各种分析计算方法仍可使用，只是在列方程时必须增加一个受控源关系式。,已知R1=6，R2=40，R3=4，US=6V，求电流I1。,解：,a点,左网孔,受控源的关系式 I3=0.9I1,联立求解，得I1=0.6A,求：U2,电路参数如图所示,解得：,在用叠加原理求解受控源电路时，只应分别考虑独立源的单独作用；而受控源仅作一般电路参数处理，不能单独作用。,用叠加原理求I1,(1)12V单独作用,()6A单独作用,(1)求开路电压：,(2)求短路电流：,(3)求等效内阻：,(4)求电流I2：,作业：,1-32、1-33,第 1 章结束,