求解电路模型的基本定律电阻元件课件.ppt
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1、,计算机电子电路,主 讲:齐琦,第1章 直流电路分析方法,本章从电路的组成及其分类出发,介绍了电路模型的概念、求解电路模型的基本定律、电阻元件、电源元件的联接方式及其特点;在此基础上进一步介绍电路分析的常用方法:如等效变换、支路电流、结点电压、叠加原理、戴维宁定理等。本章为基础章,要求除书中标明的选讲内容外全部掌握 本章学时数:10学时,第1部分,在本次课中,将介绍直流电路分析的基础概念、计算机仿真分析电路的一般过程。,相关知识点与学习目标,本课涉及“电路模型的引入、直流电路中电压与电流的方向、直流电路的计算机仿真分析方法”等多个知识点,通过本课学习,应懂得电路分析理论不是研究实际电路的理论,
2、而是研究由理想元件构成的电路模型的分析方法的理论,理解直流电路、电路模型,电压、电流的参考方向等电路理论的基本概念,懂得计算机仿真分析本质上是对设计好电路的一种虚拟测试验证方法。,一引言,本教材分两篇给大家介绍电工电子技术方面的基础知识,以使读者对其有初步了解,二十一世纪是一个信息化、网络化、数字化的时代。,新时代的工科生应掌握必要的电工电子技术方面的知识,课时安排,二直流电路概述1.直流电路的概念,直流电路是指电路中的电流大小和方向均不随时间发生变化的电路,电池电压能在一段时间之内能保持不变,该电路在一段时间内电流大小和方向均不随时间发生变化,该电路为直流电路,2电路模型的引入,将实际元件理
3、想化,在一定条件下突出其主要电磁性质,忽略其次要性质,这样的元件所组成的电路称为实际电路的电路模型(简称电路),实际电气设备包括电工设备、联接设备两个部分。,手电筒便是一个电气设备;它包括电池、筒体、开关和小灯泡,电池、小灯泡为电工设备;筒体、开关为联接设备,将电池视为内阻为R0,电动势为E的电压源;忽略筒体,开关视为理想开关;小灯泡视为电阻。则手电筒模型如图,3.常见元件图形符号,电阻元件的理想化条件 R=U/I 电压源的理想化条件 U=E I=任意 电流源的理想化条件 I=IS U=任意 可通过将实际元件理想化建立实际电路的电路模型,之后可利用相关理论求解该电路模型,疑问,什么是电流?什么
4、是电压?电(荷)是什么?,三电压和电流的方向,直流电路常用电流I、电动势E、端电压U来描述,关于电压和电流的方向,有实际方向和参考方向之分,正电荷运动的方向或负电荷运动的相反方向为电流的实际方向 端电压的方向规定为高电位端(即“+”极)指向低电位端(即“-”极),即为电位降低的方向。电源电动势的方向规定为在电源内部由低电位端(“-”极)指向高电位端(“+”极),即为电位升高的方向,虽然电压电流的方向是客观存在的,然而,常常难以直接判断其方向,常可任意选定某一方向作为其参考方向(电路中所标的电压、电流、电动势的方向一般均为参考方向),电流的参考方向用箭头表示;电压的参考方向一般用极性“+”、“-
5、”来表示,也可用双下标表示。如Uab表示其参考方向是a指向b,a点参考极性为“+”,b点参考极性为“-”。选定电压电流的参考方向是电路分析的第一步,只有参考方向选定以后,电压电流之值才有正负。当实际方向与参考方向一致时为正,反之,为负。,请判断上图中电动势E的方向及I的值,1.手电筒电路仿真分析演示在Multisim中打开源文件(1-2-3.ms10)单击运行按钮单击图中的开关闭合开关,四直流电路的计算机仿真分析方法,仿真分析初步的思考 上面的仿真做了什么工作?求出了电流!上面的仿真结果是否可以验证该电路设计是否正确?需要根据实际要求确定!,额定值是电子设备的重要参数,电子设备在使用时必须遵循
6、电子设备使用时的额定电压、电流、功率及其它正常运行必须保证的参数,这是电子设备的基本使用规则,额定值是制作厂为了使产品能在给定的工作条件下正常运行而对电压、电流、功率及其它正常运行必须保证的参数规定的正常允许值,2、额定值与实际值,当然,实际电子设备受实际线路、其它负载等各种实际因素的影响,电压、电流、功率等实际值不一定等于其额定值,但为了保证设备的正常运行及使用效率,它们的实际值必须与其额定值相差不多且一般不可超过其额定值。,什么是功率?,Power能量传输率P=V*I非被动参考方向配置:p=-viKwh 是什么?功率正负号的意义,【例1.2.1】有一个额定值为0.3W的双节电池结构手电筒灯
7、珠,请问其额定电流为多少?该灯珠额定电流为0.1A,上面的仿真结果显示,当该手电筒使用0.3W的灯珠时,流经灯珠的电流达到了额定要求,3.仿真分析实现的步骤 建立电路的模型 定义输入、输出元件并设置输入元件参数 启动仿真功能,求出输出参数并分析思考题 计算机仿真分析的本质是什么?,六小结 直流电路 电路模型 电路元件的理想化条件 电流和电压的方向 实际和参考的方向 电路(计算机软件)仿真 额定值与实际值 相关的基本概念 电流,电压,电荷,功率,第2部分,在本次课中,将介绍直流电路分析的基本方法,相关知识点与学习目标,本课涉及“直流电路分析的3大基本定律、直流电阻电路分析基本方法”等知识点,通过
8、本课学习,应掌握欧姆定律、基尔霍夫电压、电流定律的内容及其在电路分析中的应用;掌握利用支路电流、结点电压分析电路的方法。,一上一课回顾,答案:I所示方向,请判断如右图中电流的实际方向,二欧姆定律,答案:开关S断开,电流I=0A Ucd=0V,欧姆定律用公式表示为:(被动参考方向配置下)R=U/I,开关S闭合,电流I=1A Ucd=4V,三基尔霍夫电流定律,理解了电路模型以后,可以利用欧姆定律分析求解简单电路,还应理解分析与计算电路最基本的定律:基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律,在任一瞬时,流向某一结点的电流之和应该等于由该结点流出的电流之和,即在任一瞬时,一个结点上电流的代数和恒等于零,这便
9、是基尔霍夫电流定律,几个概念 支路:电路中的每一分支称为支路,一条支路流过同一个电流,称为支路电流。结点:电路中三条或三条以上的支路相联接的点称为结点,图示电路共有三个电流,因此有三条支路,分别由ab、acb、adb构成。,图示电路共有两个结点a和b,acb、adb两条支路中含有电源,称为有源支路;ab支路不含电源,称为无源支路,对图示结点,其流入该结点的电流之和应该等于由该结点流出的电流之和,即:I3=I1+I2,基尔霍夫电流定律通常应用于结点,但也可以应用于包围部分电路的任一假设的闭合面,可见,任一瞬时,通过任一闭合面的电流的代数和恒等于0,在图示电路中,有:IA+IB+IC=0(请注意I
10、A、IB、IC均为流入电流),可通过【例1.3.2】来理解,基尔霍夫电流定律的另外两种表述方式,流入一个节点的电流代数和为零流出一个节点的电流代数和为零,练习,用KCL求解未知电流,四基尔霍夫电压定律,分析与计算电路最基本的定律还有:基尔霍夫电压定律,基尔霍夫电压定律表述如下:在任一瞬时,沿任一回路循行方向(顺时针方向或逆时针方向),回路中各段电压的代数和恒等于零,这便是基尔霍夫电压定律。,回路的概念:回路是一个闭合的电路,上图中,E1、R1、R3构成一个回路;R3、R2、E2也构成一个回路,回路可分为许多段,在左图中,E1、R1、R2、E2构成一个回路,可分为E1、R1、R2、E2四个电压段
11、。,回路电压关系为:U1+U4-U2-U3=0即:U=0(假定电位降为正),从b点出发,依照虚线所示方向循行一周,其电位升之和为U2+U3,电位降之和为U1+U4;,回路中各段电压的代数和为零,这便是基尔霍夫电压定律,基尔霍夫电压定律不仅可应用于回路,也可以推广应用于回路的部分电路,对想象回路应用基尔霍夫电压定律,有 UAB=UAUB,在左图示电路中,我们想象A、B两点存在一个如图示方向的电动势,其端电压为UAB,则UA、UB、UAB构成一个回路,这便是基尔霍夫电压定律的推广应用可通过【例1.3.3】来理解基尔霍夫电压定律,练习,课本第15页,例1.3.3第16页,思考与练习 1.3.2,1.
12、3.3,能量守恒=KVL,举例:一个简单电路-计算每个元件的电压、电流和功率,使用任意的参考方向是否能正确计算电流、电压和功率?,五利用支路电流求解电路,当列出全部的结点和回路方程时,有些方程不独立。选择独立方程的原则如下:对n个结点、m条支路的电路,可列出n-1个独立的结点电流方程和m-n+1个独立的回路电压方程。,以支路电流作为电路的变量,应用基尔霍夫电流定律和电压定律分别对结点和回路建立求解电路的方程组,通过求解方程组求出各支路电流并求出电路其它参数的分析方法便是支路电流法,独立KVL方程的数量等于网络结构里的开放区域的数量第16页,思考与练习 1.3.3,背景思路,支路电流法已支路电流
13、为变量M个支路,(n-1+m-n+1)=总共m个独立的方程支路多节点电压法已节点电位为变量(n-1)个未知节点电位,(n-1)个独立的节点电流方程节点少,图中共有3个支路和2个结点对结点a应用基尔霍夫电流定律,对abC、abd两个回路应用基尔霍夫电压定律,可列出如下三个方程:130=20 I1+5 I3 80=5I2+5 I3 I1+I2=I3,【例1】在右图中,E1=130V、E2=80V、R1=20、R2=5、R3=5,请求各支路电流?,I1=4A、I2=6A、I3=10A,六利用结点电压公式求解电路,其结点间电压如下(解释,课本P18):,支路电流法是求解电路的基本方法,但随着支路、结点
14、数目的增多将使求解极为复杂,对右图示两个结点、多个支路的复杂电路,运用结点电压公式解题步骤如下:,1、在电路图上标出结点电压、各支路电流的参考方向;2、根据式(1-4-2)求出结点电压注意:在用式(1-4-2)求出结点电压时,电动势的方向与结点电压的参考方向相同时取正值,反之,取负值,最终结果与支路电流的参考方向无关。若电路图中结点数目多于两个,则式(1-4-2)不可直接使用,可列出联立方程或变换到两个结点求解。3、对各支路应用基尔霍夫电压定律,可求出各支路电流;4、求解电路的其它待求物理量。,选定结点间电压参考方向为U方向,根据式(1-4-2),有,【例2】在右图中,E1=130V、E2=8
15、0V、R1=20、R2=5、R3=5,请求支路电流I3?,节点电压分析法,一个通用的技术,可以用来分析任何电路步骤:第一步,选择一个参考节点,标记剩余节点电压(即电位)第二步,列出节点电压构成的KCL方程组,求解节点电压第三步,利用节点电压和KVL求解电阻上的电压,然后可以利用欧姆定律求解通过电阻的电路,第一步图示,第二步:,应用KVL:,流出节点2流向R4的电流:,流出节点2流向R3的电流:,我们观察到:,求解从节点n流出,通过一个电阻,流向节点k的电流:流出节点2,通过R2的电流则为:,利用KCL在节点2和3上,节点电压法举例,列出方程求解节点v1,v2,v3,七小结 三个基本定律 支路电
16、流法 节点电压法,第3部分,在本次课中,将介绍电阻元件的串联、并联、三角形、星形联接等,相关知识点与学习目标,本课涉及“利用电阻元件联接间的等效变换简化分析电路的方法”知识点,通过本课学习,应理解电阻元件的联接特点及其等效处理方法。,上一课回顾,答案:为负,结点示意图如右图,已知I1、I2的数值为正值,请问I3的数值为正还是为负?,左图中,请判断它共存在多少个回路?有多少决定电路结构的回路,答案:7、3,一什么是等效,由电路元件相联接组成、对外只有两个端钮,这个网络整体称为二端网络,两个二端网络等效是指对二端网络外部电路而言,它们具有相同的伏安关系,对45电阻而言,二端网络N1、N2具有相同的
17、伏安关系(IL1=IL,UL1=UL),2个二端网络等效 二端网络N1、N2内部而言,流过5电阻上的电流Is、I0不同,显然是不等效的,二电阻元件的联接概述,对于复杂电路,纯粹用基尔霍夫等定律分析过于困难,需要根据电路的结构特点去寻找分析与计算的简便方法,电阻元件是构成电路的基本元件之一,采用不同的联接方法,电路的结构便不一样,其分析方法也就可能不同。在实际使用中,电阻元件的联接方式主要有:串联联接、并联联接、三角形联接、星形联接、桥式联接方式等。,三电阻元件的串联联接,如果电路中有两个或更多个电阻一个接一个地顺序相联,并且在这些电阻上通过同一电流,则这样的联接方法称为电阻串联(如右图),两个
18、电阻R1、R2串联可用一个电阻R来等效代替,这个等效电阻R的阻值为R1+R2(即右上图可用右下图等效),串联是电阻元件联接的基本方式之一,也是其它元件联接的基本方式之一,电阻串联的物理连接特征为电阻一个接一个地顺序相联,电阻串联的应用很多。例如在负载额定电压低于电源电压的情况下,可根据需要与负载串联一个电阻以分压,串联电阻上电压的分配与电阻成正比,电阻R 1、R 2上的电压如右,电阻串联的几点结论,两个电阻R1、R2串联可用一个电阻R来等效代替,等效电阻R的阻值为R1+R2,四电阻元件的并联联接,如果电路中有两个或更多个电阻联接在两个公共的结点之间,则这样的联接方法称为电阻并联(如右图),两个
19、电阻R 1、R 2并联可用一个电阻R来等效代替(这个等效电阻R的阻值的倒数为(1/R1+1/R 2),即右上图可用右下图等效,电阻并联的物理连接特征为两个或更多个电阻联接在两个公共的结点之间,一般负载都是并联使用的。各个不同的负载并联时,它们处于同一电压下,任何一个负载的工作情况基本不受其它负载的影响,并联电阻上电流的分配与电阻成反比,电阻R1、R2上的电流如右,电阻并联的几点结论,两个电阻R 1、R 2并联可用一个电阻R来等效代替(其阻值的倒数为(1/R1+1/R 2),通过合并串并联电阻简化电路是分析电路的基本方法之一,下面我们通过几个例题来理解其应用,用电阻R 23 等效替换R 2、R
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