A第一章基本概念和定律.ppt

《A第一章基本概念和定律.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《A第一章基本概念和定律.ppt（72页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、,南昌航空大学电工电子教研部,第一章 电路模型和电路定律,教学目的和要求：1、理解电路模型的概念；2、牢固掌握基尔霍夫定律和电路基本元件的伏安关系；3、掌握电功率和能量的计算。,重 点：1、参考方向 2、功率性质的判别 3、电路元件的伏安特性 4、KCL、KVL,难 点：1、参考方向 2、功率性质的判别 3、KCL、KVL,1.1 电路和电路模型（model),定义：电器元件或设备按一定方式连接而构成的电流的通路。作用：（1）能量转换：实现电能传送、分配、控制、转换等。（2）信号处理：实现电信号产生、加工、传输、变换等。,1、电路：,（1）电能的传输和转换,（2）信号的传递和处理,（1）电源：

2、供给电能的设备。,（2）负载：消耗电能的设备。,（3）中间环节（又称传输控制环节）：,把其它形式的能量转换为电能。,把电能转换为其它形式的能量。,各种控制电器和导线，起传输、分配、控制电能的作用。,组 成：,2、电路理论主要研究电路中发生的电磁现象，并用电流、电荷、电压、磁通等物理量描述其中的过程。,3、电路理论的目标是计算电路中各器件的端子电流和端子间的电压，而不研究器件内部发生的物理过程。,4、电路分类：,线 性非 线 性,时 变时 不 变,集中参数分布参数,静 态 动 态,激励与响应满足叠加性和齐次性的电路。,电路元件参数不随时间变化。,电路几何尺寸远小于最小工作波长的电路。,含有动态元

3、件的电路。,C=3108m/s,实际电路,电路模型,开关,5.电路模型(circuit model),电路模型：理想元件组成的电路。,？,理想元件：为了对实际电路进行分析研究，把各种各样的实际电路元件根据其主要物理性质，抽象成理想化的电路模型元件，这些元件包括电阻元件、电感元件、电容元件、独立电源元件、受控源元件、二端口和多端元件等。,理想电阻元件：表示消耗电能的元件,理想电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件,理想电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件,理想电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能 的元件,注意:,具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，在一定条件下可用同一模型表示

4、；同一实际电路部件在不同的应用条件下，其 模型可以有不同的形式,例,1.2 电流和电压的参考方向(reference direction),电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。,1.电流的参考方向(current reference direction),电流定义,电流强度,带电粒子有规则的定向运动,单位时间内通过导体横截面的电荷量,a.实际正方向即物理中规定的方向,正电荷移动的方向,电流方向,电流方向,单位,1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6A,A（安培）、kA、mA、A,方向,电路分析中的假设正

5、方向（参考方向）,问题的提出：在复杂电路中难于判断元件中物理量 的实际方向，电路如何求解？,电流方向AB？,电流方向BA？,b.参考正方向:,1.任意假定;,2.若实际方向与参考正方向相同,则I为正值;,3.若实际方向与参考正方向相反,则I为负值;,I=1A,I=-1A,箭 头,双下标,Iab,电流：,c.表示方法,在分析电路时,首先要假定电流的参考正方向,并以此为准去分析计算,最后从答案的正负来判定电流的实际方向.,=-Iba,单位,方向,a.实际方向规定:从高电位点指向低电位点，即电压降 的方向。,b.参考正方向：,；若实际方向与参考正方向相同,则为正值；,否则为负值,任意假定,2.电压的

6、参考方向(voltage reference direction),电压定义,单位正电荷q 从电路中一点移至另一点时电场力做功（W）的大小,V(伏)、kV、mV、V,c.表示方法,元件的电压和电流取一致的参考方向；即满足“水”往低处流的方向。,3.关联参考方向,u,支路电压表达式书写,关联方向U=IR,非关联方向U=IR,电阻上电压电流参考方向不同时，欧姆定律有不同的表达式,U=IRUs,U=IRUs,支路电压表达式（各串联元件电压降之和）,a,b,c,U=IRUs,U=IRUs,熟练书写一段支路的电压表达式是书写各种电路方程的基础，必须熟练掌握！,注意：参考方向是电路课程的重要概念，电路中电

7、压及电流的描述和计算都是在一定参考方向下进行，电压及电流的表达式、数值和电路中电压及电流的参考方向是密切相关的。,电路作业解题计算必须画出电路图并标注电压电流参考方向！,关于电路中物理量的方向,实际（正）方向：是一种物理现象（实际存在的）。电流：正电荷移动的方向。电压：高电位指向低电位。,关联参考方向：电压、电流的参考方向相互关联，即只能任意假定两个量中的一个量的参考（正）方向，另一个物理量的参考（正）方向必须以该物理量的方向来确定。,参考（正）方向：为分析电路模型而任意假设的电流、电压方向。可从计算结果验证所取参考（正）方向是否为实际（正）方向。,1.3 电路元件的功率(power),1.电

8、功率,功率的单位：W(瓦)(Watt，瓦特),能量的单位：J(焦)(Joule，焦耳),单位时间内电场力所做的功。,如果u、i方向不一致结果如何？,功率有无正负？,2.电路吸收或发出功率的判断,u,i 取关联参考方向,p=ui,u,i 取非关联参考方向,p=-ui,p=ui 0 表示该器件吸收功率；p=ui 0 表示该器件发出功率；,p=-ui 0 表示该器件吸收功率；P=-ui 0 表示该器件发出功率；,在下图中,方框代表电源或负载.已知U=220V,I=-1A,试问那些方框是电源,哪些是负载?,+U-,-U+,-U+,I,I,I,I,电源,电源,负载,负载,例题,+U-,+,+,+,U3,

9、U2,I2,U4,U5,U6,U1,I1,例,求图示电路中各方框所代表的元件消耗或产生的功率。已知：U1=1V,U2=-3V,U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3VI1=2A,I2=1A,I3=-1A,解,5,6,4,1,2,3,I3,+,+,+,注,对一完整的电路，发出的功率消耗的功率,1.4 电阻元件(resistor),电阻元件,1.定义,伏安关系可用u-i平面过坐标原点的曲线来描述的二端元件。,线性电阻：伏安关系为u-i平面过坐标原点的直线。,非线性电阻：伏安关系为u-i平面过坐标原点的曲线。,R,R 称为电阻，单位：(欧)(Ohm，欧姆),单位,G=1/R称为电导，单位：

10、S(西门子)(Siemens，西门子),从元件参数是否随时间变换的意义可分为：,时不变电阻：伏安关系为u-i平面过坐标原点的一条曲线。（定常电阻）,u/V,i/A,0,时变电阻：伏安关系为u-i平面过坐标原点的一族曲线。,2、线性时不变电阻的特点：,1）伏安关系为u-i平面过坐标原点的一条直线，斜率为R。2）端电压与通过的电流成正比 即：u=Ri 或 U=RI 注意：电流、电压为关联参 考方向 3）具有双向性:伏安特性对原点对称 4）耗能元件：p=ui=Ri2=u2/R0 5）无记忆元件：u(t)=Ri(t),3.功率和能量,上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。,p u i(R i)

11、i i2 R u(u/R)u2/R,p u i i2R u2/R,功率：,从 t 到t0电阻消耗的能量：,4.电阻的开路与短路,能量：,短路,开路,5.其它电阻元件,时变：,负电阻：,随时间变化,伏安特性在二、四象限；,实际为一个发出电能的元件；,一般需要专门设计。,1.5 电源元件(independent source),1.理想电压源(简称电压源),能独立向外电路提供恒定电压的二端元件。,特点：(1）输出电 压不变，其值恒等于电动势。即 uab uS(或uab US)；,（3）电压源可以开路，但不能短路；,（4）电压源可以串联使用。,（2）电源中的电流由外电路决定；,+US1-,+US2-

12、,+US-,US=US1+US2,+US1-,-US2+,US=US1-US2,电压源中的电流由外电路决定,设:US=10V,当R1 R2 同时接入时：I=10A,电压源特点（续）,5、电压源可能发出功率,也可能电压源吸收功率。,I,E,+,_,a,b,U,R1,R,求I、U,与R1支路无关。,(6)与电压源并联的电路对其它部分电路来说相当于开路.,例1:,求下列各电路的等效电源,解:,2.理想电流源(简称电流源),能独立向外电路提供恒定电流的二端元件。,特点：（1）输出电流不变，其值恒等于电 流源电流 IS；,（2）输出电压由外电路决定；,（4）电流源可以并联使用；,（3）电流源不可以开路，

13、但可以短路；,（5）电流源可能发出功率也可能吸收功率。,IS1,IS2,IS1,IS2,IS,IS=IS1+IS2,IS=IS1-IS2,电流源两端电压由外电路决定,设:IS=1 A,I,US,R,_,+,a,b,Uab=?,Is,原则：Is不能变，US不能变。,电压源中的电流 I=IS,电流源两端的电压,当IS=1A,US=2V,R=1 时,电路中各元件功率消耗情况?若R=2,4 时又怎样?,例题,I,U,IS,求I、U？,I、U 与R1无关。,R1,（6）与电流源串联的电路对其它部分电路来说相当于短路.,例:,求下列各电路的等效电源,解:,电压源与电流源特性比较,Uab的大小、方向均为恒定

14、，外电路负载对 Uab 无影响。,I 的大小、方向均为恒定，外电路负载对 I 无影响。,输出电流 I 可变-I 的大小、方向均由外电路决定,端电压Uab 可变-Uab 的大小、方向均由外电路决定,1、定义：受控电压源的电压和受控电流源的电流都不是给定的时间函数，而是受电路中某部分的电压或电流控制的，故受控源又称为非独立电源。,2、电路结构特征：具有两条支路：受控电流源或电压源所在支路 受控支路 控制电流或电压所在支路 控制支路,1.6 受控电源(非独立源)(controlled source or dependent source),3、受控源电路模型（四端元件）：,（1）电压控制电压源,（2

15、）电压控制电流源,U1,gU1,Voltage Controlled Voltage Source,U1,U1,（VCVS),（VCCS),Voltage Controlled Current Source,U2=U1,I2=gU1,例:电子三极管,例:场效应管,g:转移电导（具有电导量纲）,:电压放大倍数（量纲为一）,+U2 _,I2,（3）电流控制电压源,（4）电流控制电流源,I1,I1,I1,I1,Current Controlled Voltage Source,（CCVS),（CCCS),Current Controlled Current Source,U2=I1,I2=I1,例:

16、直流发电机,例:晶体三极管,:电流放大倍数（量纲为一）,r:转移电阻（具有电阻的量纲）,4、受控源特点：,（1）非独立的电源：不能独立向外电路提供能量。,（2）具有两重性：电源性、电阻性。,注意：独立电源在电路中可以独立地起“激励”作用，是实际电路电能或电信号的“源泉”。,受控源是描述电子器件中某一支路对另一支路控制作用的理想模型，表示一处的电路变量与另一处电路变量之间的耦合关系，本身不直接起“激励”作用。,支路：流过同一电流的分支。节点：两条以上支路的交 汇点。回路：若干条支路组成的 闭合路径。,6条支路 4个节点 8个回路,支路、节点、回路的概念,1.7 基尔霍夫定律(Kirchhoffs

17、 Laws),(一)基尔霍夫电流定律（KCL）,对任何集总参数电路的任何节点，在任一瞬间，流入节点的电流等于由节点流出的电流,基尔霍夫电流定律的依据：电流的连续性,例,或者说，在任一瞬间，一个节点上电流的代数和为 0。,节点1：I1I2I3=0节点2：I3I4I5=0,节点3：I2I4I6=0节点4：I1I5I6=0,*正负号约定,电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。,I1+I2=I3,I=0,基尔霍夫电流定律的扩展,I=?,(二)基尔霍夫电压定律（KVL）,在集总参数电路中，对电路中的任一回路，沿任意循行方向转一周，其电位升等于电位降。或各电压的代数和为 0。,即：,回路1：I3R3+I4

18、R4+US2=0回路2：-I3R3-I5R5+US1=0回路3:I4R4+I6R6-I5R5=0 注意：支路电压方向与支路电流方向尽量选取一致。,*正负号约定,基尔霍夫电压定律的推广：可应用于回路的部分电路,UUAUBUAB=0或 UABUAUB,E=U+RI或 UERI,注,列方程时，要先在电路图上标出电流、电压或电动势的参考方向。,讨论:电路中电压电流的变化遵循两类约束条件:第一类是元件特性关系(电压电流关系VCR),第二类是元件连接关系(拓扑约束)基尔霍夫定律,例题,图示电路，求电压U和电流I及受控源的功率。,解：,-2-2I-2I-6U+10=0,由KVL，有,-4I-6U=-8,又有

19、,U=2I+2,联立解得,U=1.5v,I=-0.25A,受控源:,(具有电源性),P=6UI,=-2.25W,若受控源:6UU,U,U=4V I=1A,(具有电阻性),例题,P=UI,=4W,例：电路及参考方向如图，已知R1=R2=R3=10，Us1=Us2=Us3=12 V,Is1=1A,Is2=2A,Is3=3A,求Uad。解：Uad=U1U2U3 U1=Us1+I1R1=Us1Is1R1=12110=22 V,例题,U2=I2R2Us2=Is2R2+Us2=21012=8 VU3=Us3I3R3=Us3Is3R3=12310=18 VUad=U1U2U3=22(8)(18)=12 V,

20、例：电路及参考方向如图，求Uab。解：I2=0 I3=5A I1=20/(12+8)=1A Uab=8I1+2I2+2-3I3=-5 V,例题,I2,I3,I1,KCL、KVL小结：,(1)KCL是对支路电流的线性约束，KVL是对回路电压的线性约束。,(2)KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。,(3)KCL表明在每一节点上电荷是守恒的；KVL是能量守恒的具体体现(电压与路径无关)。,(4)KCL、KVL只适用于集总参数的电路。,3,3,解,解,解,本章小结,1）电路基本器件：电阻元件；独立电压源，独立电流源；受控电源：VCVS，VCCS，CCVS，CCCS2）参考方向：电路分析与计算必须先标出参考方向，功率判别。功率的计算3）基尔霍夫定律：KCL KVL,本章作业：,P24P30 1-3、1-5、1-10、1-16、1-19、1-20,本章作业：,P24P30 1-3、1-5、1-10、1-16、1-19、1-20,课堂练习：1-4、1-8、1-9、1-17,