《电路精品课程》PPT课件.ppt

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1、祝同学们在新的学期里身体好学习好工作好,河南科技大学电子信息工程学院电子信息与科学系田葳,电 路,教材:电路罗先觉修订邱关源主编,主讲:田 葳 电话:64221060,绪 论,一.课程定位：1.性质：研究电路基本规律的一门专业技术基础课。是电气信息类专业的必修课。,2.内容：电路的基本理论、和基本分析方法、初步的实验技能。,3.要求：先修高等数学、大学物理的电磁学,二.电路理论与电路课程,电路理论,给定电路参数，求u、i 特性,给定性能，设计电路,成绩：期终考试占70%，平时（作业）占20%，实验占10%。,答疑安排：另行安排,三.教学安排,电路,讲课60时实验12时,讲课38时实验10时,四

2、.加强作业考核,1.每班分为A、B两组（按名单顺序，前半部分为A组，后半部分为B组），第一次交作业时，课代表按顺序给每个人编号，将顺序号、组号、学号写到封面右上角。2.按老师通知交作业，每次批改一半给出成绩，同时检查登记另一半完成情况。,3.每章交一次作业，由课代表收齐按名单顺序排好，上课时交给我。4.作业成绩占总成绩的20%。5.累计缺交1/3者，不允许参加考试，成绩按0分计（学校规定）。6.可以不抄题，但必须画电路图，画图要规范，叙述要清楚，字迹要端正。课间各班课代表（或学委到前面来一下）,五、实 验,1.本周各班课代表尽快与王欣勇老师联系，安排实验时间。王老师电话65769060 2.每

3、次实验前，必须写出预习报告；实验后用规定的报告纸认真写出总结报告，封面要填写完整，在下一次实验时，由课代表收齐交给老师。3.实验成绩占总成绩的10%，累计缺做实验1/3或缺交实验报告1/3者，不允许参加考试，本课程成绩按0分计（学校规定）。,例1：卷面：50分 作业：85分 实验：85分 总评：500.7+850.2+850.1=60.5分例2：卷面：50分 作业：70分 实验：70分 总评：500.7+700.2+700.1=56分 由教务处成绩申报系统自动计算归档,本课程网站利用,河南科技大学,教育在线精品课程,电路,第一章 电路模型和电路定律,本章内容,1.电压、电流的参考方向,3.基尔

4、霍夫定律,重点：,2.电阻元件和电源元件的特性,返 回,1-1 电路和电路模型,1.实际电路,功能,(a)能量的传输、分配与转换；(b)信息的传递、控制与处理。,建立在同一电路理论基础上。,由电工设备和电气器件按预期目的连接构成的电流的通路。,下 页,上 页,共性,返 回,电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。,反映实际电路部件的主要电磁 性质的理想电路元件及其组合。,2.电路模型,电路图,理想电路元件,有某种确定的电磁性能的理想元件。,电路模型,下 页,上 页,返 回,5种基本的理想电路元件：,电阻元件：表示消耗电能的元件。,电感元件：表示产生磁

5、场，储存磁场能量的元件。,电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件。,电压源和电流源：表示将其他形式的能量转变成 电能的元件。,5种基本理想电路元件有三个特征：（a）只有两个端子；（b）可以用电压或电流按数学方式描述；（c）不能被分解为其他元件。,下 页,上 页,注意,返 回,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电路模型表示。同一实际电路部件在不同的应用条件下，其电路模型可以有不同的形式。,下 页,上 页,例,电感线圈的电路模型,注意,返 回,1-2 电流和电压的参考方向,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

6、电流、电压和功率。,1.电流的参考方向,电流,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,下 页,上 页,返 回,方向,规定正电荷的 运动方向为电流的实际 方向,单位,1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6A,A（安培）、kA、mA、A,元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:,对于复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断。,下 页,上 页,问题,返 回,参考方向,任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。,i 0,i 0,实际方向,实际方向,电流的参考方向与实际方向的关系：,下 页,上 页,表明,返 回,电流参考方向的

7、两种表示：,用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。,用双下标表示：如iAB,电流的参考方向由A指向B。,下 页,上 页,返 回,电压u,单位,2.电压的参考方向,单位正电荷q 从电路中一点移至另一点时电场力作功（W）的大小。,电位,单位正电荷q 从电路中一点移至参考点（0）时电场力作功的大小。,实际电压方向,电位真正降低的方向。,下 页,上 页,V(伏特)、kV、mV、V,返 回,例2-1,已知：4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力作功8J，由b点移动到c点电场力作功为12J，若以b点为参考点，求a、b、c点的电位和电压uab、u bc;若以c点为参考点，再求以上各值。,解,(1),下 页,

8、上 页,返 回,解,(2),下 页,上 页,结论,电路中电位参考点可任意选择；参考点一经选定，电路中各点的电位值就唯一确定；当选择不同的电位参考点时，电路中各点电位值将改变，但任意两点间电压保持不变。,返 回,在复杂电路或交变电路中，两点间电压的实际方向往往不易判别，给实际电路问题的分析、计算带来困难。,电压(降)的参考方向,假设高电位指向低电位的方向。,下 页,上 页,问题,返 回,电压参考方向的三种表示方式：,(1)用箭头表示：,(2)用正、负极性表示：,(3)用双下标表示：,u,u,+,uAB,下 页,上 页,返 回,元件或支路的u，i 采用相同的参考方向称为关联参考方向。反之，称为非关

9、联参考方向。,关联参考方向,非关联参考方向,3.关联参考方向,i,+,-,+,-,i,u,u,下 页,上 页,返 回,分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。,参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注(包括方向和符号)，在计算中不得任意改变。,例2-2,电压、电流参考方向如图中所标，问：对A、B两部分电路电压、电流参考方向是否关联？,A电压、电流参考方向非关联；B电压、电流参考方向关联。,下 页,上 页,注意,返 回,解,参考方向不同时，其表达式相差一负号，但电压、电流的实际方向不变。,1-3 电功率和能量,1.电功率,功率的单位：W(瓦特),能量的单位：J(焦耳),单位时间内电场力所作的功。

10、,下 页,上 页,返 回,2.电路吸收或发出功率的判断,u,i 取关联参考方向,p=ui 表示元件吸收的功率,p0 吸收正功率(实际吸收),p0 吸收负功率(实际发出),p=ui 表示元件发出的功率,p0 发出正功率(实际发出),p0 发出负功率(实际吸收),u,i 取非关联参考方向,下 页,上 页,返 回,2.电路电源与负载的判别,0，负载；0，电源。,1.根据 U、I 的实际方向判别,2.根据 U、I 的参考方向判别,电源：（发出功率）U、I 实际方向相反，即电流从“+”端流出；,负载：（吸收功率）U、I 实际方向相同，即电流从“-”端流出。,u、i参考方向相同 p=u i,u、i参考方向

11、不同 p=-u i,例3-1,求图示电路中各方框所代表的元件吸收或发出的功率。,下 页,上 页,已知：U1=1V,U2=-3V，U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V，I1=2A,I2=1A,，I3=-1A。,返 回,解,对一完整的电路，满足：发出的功率吸收的功率,下 页,上 页,注意,返 回,下 页,上 页,1-4 电路元件,是电路中最基本的组成单元。,1.电路元件,返 回,5种基本的理想电路元件：,电阻元件：表示消耗电能的元件。,电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件。,电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件。,电压源和电流源：表示将其他形式的能量转变成 电能的元件。,

12、注意,如果表征元件端子特性的数学关系式是线性关系，该元件称为线性元件，否则称为非线性元件。,2.集总参数电路,由集总元件构成的电路,集总元件,假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行。,集总条件,下 页,上 页,集总参数电路中u、i 可以是时间的函数，但与空间坐标无关。因此，任何时刻，流入两端元件一个端子的电流等于从另一端子流出的电流；端子间的电压为确定值。,注意,返 回,下 页,上 页,例,集总参数电路,两线传输线的等效电路。,当两线传输线的长度 l 与电磁波的波长满足：,返 回,下 页,上 页,分布参数电路,当两线传输线的长度 l 与电磁波的波长满足：,返 回,等效电路为：,1-5 电阻元件

13、,2.线性时不变电阻元件,电路符号,电阻元件,对电流呈现阻力的元件。其特性可用u-i平面上的一条曲线来描述：,任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。,1.定义,伏安特性,下 页,上 页,O,返 回,u-i 关系,R 称为电阻，单位：(欧姆),满足欧姆定律,单位,G 称为电导，单位：S(西门子),u、i 取关联参考方向,下 页,上 页,伏安特性曲线为一条过原点的直线,返 回,如电阻上的电压与电流参考方向非关联，公式中应冠以负号。,说明线性电阻是无记忆、双向性的元件。,欧姆定律,只适用于线性电阻(R 为常数）。,则欧姆定律写为,u R i i G u,公式和参考方向必须配套使用！,下 页,上 页,

14、注意,返 回,3.功率和能量,电阻元件在任何时刻总是吸收功率的。,p u i(R i)i i2 R-u2/R,p u i i2R u2/R,功率,下 页,上 页,表明,返 回,从 t0 到 t 电阻吸收的能量：,4.电阻的开路与短路,能量,短路,开路,下 页,上 页,O,O,返 回,下 页,上 页,实际电阻器,返 回,1-6 电压源和电流源,电路符号,1.理想电压源,定义,下 页,上 页,其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其值与流过它的电流 i 无关的元件叫理想电压源。,返 回,电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；与流经它的电流方向、大小无关。,通过电压源的电流由电源及外电路共同决

15、定。,理想电压源的电压、电流关系,直流电压源的伏安特性曲线,下 页,上 页,例,外电路,电压源不能短路！,O,返 回,电压源的功率,电压、电流参考方向非关联。,电流（正电荷）由低电位向高电位移动，外力克服电场力作功，电源发出功率。,发出功率，起电源作用,物理意义：,下 页,上 页,电压、电流参考方向关联。,物理意义：,电场力作功，电源吸收功率。,吸收功率，充当负载。,返 回,例6-1,计算图示电路各元件的功率。,解,发出,吸收,吸收,满足：P（发）P（吸）,下 页,上 页,返 回,其输出电流总能保持定值或一定的时间函数，其值与它的两端电压u 无关的元件叫理想电流源。,电路符号,2.理想电流源,

16、定义,下 页,上 页,理想电流源的电压、电流关系,电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关；与它两端电压的方向、大小无关。,返 回,电流源两端的电压由电源及外电路共同决定。,直流电流源的伏安特性曲线,下 页,上 页,O,例,外电路,电流源不能开路！,返 回,可由稳流电子设备产生，如晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线照射下光电子被激发产生一定值的电流等。,下 页,上 页,实际电流源的产生：,电流源的功率,电压、电流的参考方向非关联。,发出功率，起电源作用。,电压、电流的参考方向关联。,吸收功率，充当负载。,返 回,实际电源,干电池,钮扣电池,1.干电池和钮扣电池（化学电源）,干电

17、池电动势为1.5V，仅取决于（糊状）化学材料，其大小决定储存的能量，化学反应不可逆。,钮扣电池电动势为1.35V，用固体化学材料制成，化学反应不可逆。,下 页,上 页,返 回,氢氧燃料电池示意图,2.燃料电池（化学电源）,燃料电池电动势为1.23V。以氢、氧作为燃料。约40%45%的化学能转变为电能。实验阶段加燃料可继续工作。,下 页,上 页,返 回,3.太阳能电池（光能电源）,一块太阳能电池电动势为0.6V。太阳光照射到PN结上，形成一个从N区流向P区的电流。约11%的光能转变为电能，故常用太阳能电池板。,一个50cm2太阳能电池的电动势为0.6V,电流为0.1A。,太阳能电池板,下 页,上

18、 页,返 回,蓄电池示意图,4.蓄电池（化学电源）,电池电动势为2V。使用时，电池放电，当电解液浓度小于一定值时，电动势低于2V，常需要充电，化学反应可逆。,下 页,上 页,返 回,直流稳压源,下 页,上 页,返 回,发电机组,下 页,上 页,返 回,风力发电,下 页,上 页,返 回,工业风力发电现场,下 页,上 页,返 回,1-7 受控电源(非独立源),电路符号,受控电压源,1.定义,受控电流源,电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是受电路中某处的电压(或电流)控制的电源，称为受控电源。,下 页,上 页,返 回,四端元件,电流控制的电流源(CCCS),:电流放大倍数,根据控制量和被控

19、制量是电压u或电流i，受控源可分四种类型：电压控制电流源、电压控制电压源、电流控制电流源、电流控用电压源。,2.分类,输出：受控部分,输入：控制部分,下 页,上 页,返 回,g:转移电导,电压控制的电流源(VCCS),电压控制的电压源(VCVS),:电压放大倍数,下 页,上 页,返 回,电流控制的电压源(CCVS),r:转移电阻,例,电路模型,下 页,上 页,返 回,3.受控源与独立源的比较,独立源电压(或电流)由电源本身决定，与电路中其他电压、电流无关，而受控源电压(或电流)由控制量决定。,独立源在电路中起“激励”作用，在电路中产生电压、电流，而受控源是反映电路中某处的电压或电流对另一处的电

20、压或电流的控制关系，在电路中不能作为“激励”。,下 页,上 页,返 回,例7-1,求电压u2。,解,下 页,上 页,返 回,1-8 基尔霍夫定律,基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律(KVL)。它反映了电路中所有支路电压和电流所遵循的基本规律，是分析集总参数电路的基本定律。基尔霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。,下 页,上 页,返 回,1.几个名词,电路中通过同一电流的分支。,元件的连接点称为结点。,b=3,a,n=4,b,支路,电路中每一个两端元件就称为一条支路。,结点,b=5,下 页,上 页,或三条以上支路的连接点称为结点。,n=2,注意,两种定义分别用在不同

21、的场合。,返 回,由支路组成的闭合路径。,两结点间的一条通路。由支路构成。,对平面电路，其内部不含任何支路的回路称网孔。,l=3,3,路径,回路,网孔,网孔是回路，但回路不一定是网孔。,下 页,上 页,注意,返 回,2.基尔霍夫电流定律(KCL),令流出为“+”，有：,例,在集总参数电路中，任意时刻，对任意结点流出（或流入）该结点电流的代数和等于零。,流进的电流等于流出的电流,下 页,上 页,返 回,例,三式相加得：,KCL可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面。,下 页,上 页,表明,返 回,KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任意结点处的反应。,KCL是对结点处支路电流加的约束，与

22、支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关。,KCL方程是按电流参考方向列写的，与电流实际方向无关。,下 页,上 页,明确,返 回,3.基尔霍夫电压定律(KVL),下 页,上 页,标定各元件电压参考方向。,选定回路绕行方向，顺时针或逆时针。,在集总参数电路中，任一时刻，沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零。,返 回,U1US1+U2+U3+U4+US4=0,U2+U3+U4+US4=U1+US1,或,R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4,下 页,上 页,KVL也适用于电路中任一假想的回路。,注意,返 回,例,KVL的实质反映了电路遵从能量守恒。,KVL是对回路中的支路电压加的约束，与回路各支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关。,KVL方程是按电压参考方向列写的，与电压实际方向无关。,下 页,上 页,明确,返 回,4.KCL、KVL小结,KCL是对支路电流的线性约束，KVL是对回路电压的线性约束。,KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。,KCL表明在每一结点上电荷是守恒的；KVL是能量守恒的具体体现(电压与路径无关)。,KCL、KVL只适用于集总参数的电路。,下 页,上 页,返 回,