1、电路原理,主讲 赵鑫,电子技术教研室 图709,课程性质：必修技术基础课 考试,学时分配：72学时 = 56学时 + 16学时总学时 讲授 实验,周学时：5,学 分：4.5,一、“电路原理”是电类专业的基础课,二、主要内容,研究的对象,电路元件按照一定的规则进行连接,线性,非线性,时变 ,时不变,分布参数 ,集总参数,假定发生的电磁过程 都集中在元件内部进行,6000km,电路,求开关闭合后的电流i,C,基本定律、定理、原理必须掌握,基本方法,时域分析法,频域分析法,求解电压、电流、功率、能量,给定性能要求，如何设计电路,分析,综合,研究的手段,研究的目的,三、课堂希望与要求,选择自学者，必须
2、先申请，考核通过才可以免听；否则必须到课。以随机抽点方式考勤，3次以上（含3次）不到者取消期末考试资格作业必须按时、认真、独立完成。（必须抄题，用尺画图，否则返回重写），缺作业4次以上（含4次）者取消期末考试资格课堂听讲实验为7次，任缺1次者取消期末考试资格；期末总成绩 = 期末卷面成绩80% + 平时成绩+实验成绩；其中平时成绩10分，根据考勤、作业、课堂表现等综合评定，实验成绩10分,1. 电压、电流的参考方向,3. 基尔霍夫定律,重点,第1章 电路元件和电路定律,(circuit elements),(circuit laws),2. 电路元件特性,1.1 电路和电路模型（model),
3、1. 实际电路,功能,a 能量的传输、分配与转换；,共性,建立在同一电路理论基础上,由电路部件和电路器件按预期目的连 接构成的电流的通路。,导线,b 信息的传递与处理。,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 (circuit model),电路图,电路模型,几种基本的电路元件：,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,电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件,注,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；同一实际电路部件在不同的应用条件下，其
4、模型可以有不同的形式,例,3. 几个概念,电源：,响应：,负载：,电能或电信号的产生器。,又称激励,用电设备。,由激励而在电路中产生的电压、电流。,1.2 电流和电压的参考方向,电路中的主要物理量有电压、,1. 电流的参考方向 (current reference direction),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量,(reference direction),电功率等。,电流、,电荷、,磁通、,能量、,U,I,Q,W,P,方向,规定正电荷的运动方向为电流的实际方向,单位,1kA=103A 1mA=10-3A 1 A=10-6A,A（安培）、kA、m
5、A、A,元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:,实际方向,实际方向,A,A,B,B,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,参考方向,i 参考方向,大小,方向(正负）,电流(代数量),任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。,A,B,i 参考方向,i 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：,A,A,B,B,电流参考方向的两种表示：, 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。,电压U,单位：V (伏)、kV、mV、V,2. 电压的参考方向 (voltag
6、e reference direction),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,电位V,单位正电荷q 从电路中一点移至参考点（V0）时电场力做功（W）的大小,实际电压方向,电位真正降低的方向,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,假设的电压降低之方向,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,元件或支路的u，i 采用相同的参考方向称之为关联参考 方向。,关联参考方向,非关联参考方向,3. 关联和非关联参考方向,i,+,
7、-,+,-,i,U,U,反之，称为非关联参考方向。,(1) 分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。,(2) 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），在计算过程中不得任意改变。,(3) 参考方向不同时，其表达式相差一负号，但实际方向不变。,i,例,u,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关联否？,答： A 电压、电流参考方向非关联；B 电压、电流参考方向关联。,1.3 电功率和能量 (power and energy),1. 电功率,功率的单位：,单位时间内电场力所做的功。,W (瓦) (Watt，瓦特),(1736 1819),英国著名的
8、发明家,改良了蒸汽机,能量的单位：,J (焦) (Joule，焦耳),(1818-1889),英国著名物理学家，,焦耳定律,2. 能量,马力：,电动机的额定功率通常用此表示,1hp=746W,千瓦时：,电力公司,1kWh=1000W,安培小时：,电池,以额定电压向负载提供一定量电流的时间长度,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,例,U3,求图示电路中各方框所
9、代表的元件吸收或发出的功率。已知： U1=1V, U2= -3V，U3=8V, U4= -4V, U5=7V, U6= -3V，I1=2A, I2=1A， I3= -1A,解：,5,6,4,1,2,3,I2,I3,I1,+,+,+,+,+,+,U6,U5,U4,U2,U1,发出2W,发出6W,吸收16W,非关联,关联,关联,例,U3,5,6,4,1,2,3,I2,I3,I1,+,+,+,+,+,+,U6,U5,U4,U2,U1,发出4W,发出7W,吸收3W,对一完整的电路，发出的功率消耗的功率,功率平衡,关联,关联,关联,求图示电路中各方框所代表的元件吸收或发出的功率。已知： U1=1V, U
10、2= -3V，U3=8V, U4= -4V, U5=7V, U6= -3V，I1=2A, I2=1A， I3= -1A,1.5 电阻元件 (resistor),1. 定义,对电流呈现阻力的元件。其伏安关系用ui平面的一条曲线来描述：,伏安 特性,2. 线性定常电阻元件,任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件。,电路符号,ui 关系, (欧) (Ohm，欧姆),满足欧姆定律 (Ohms Law),单位,G 单位： S(西门子) (Siemens，西门子),u、i 取关联参考方向,伏安特性为一条过原点的直线,(2) 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,注,线性电阻是无记忆、双向性
11、的元件,欧姆 定律,(1) 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！,3. 功率和能量,说明电阻元件 在任何时刻总是消耗功率的。,p u i,p u i,功率：,关联：吸收能量,非关联：吸收能量, i2R,u2 / R, u(u/ R) -u2/ R, (R i) i -i2 R,p0,可用功表示。从 t 到t0电阻消耗的能量：,能量：,4. 电阻的开路与短路,短路,开路,例：列出VCR,1.6 电压源和电流源 （Voltage Source and Current Source）,其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，,电路符
12、号,1. 理想电压源,定义,其值与流过它的电流 i 无关的元件叫理想电压源。,两端电压由电源本身决定，,通过电压源的电流由电源及外电路共同决定。,理想电压源的电压、电流关系,伏安关系,例,外电路,电压源不能短路！,与外电路无关；与流经它的,电流方向、大小无关。,电压源的功率,例,计算图示电路各元件的功率。,解,发出10W,吸收5W,吸收5W,满足：P（发）P（吸）,实际电压源也不允许短路。因其内阻小，若短路，电流很大，可能烧毁电源。,实际电压源,考虑内阻,伏安特性,一个好的电压源要求,输出电流总能保持定值或一定的时间函数，,电路符号,2. 理想电流源,定义,输出电流由电源本身决定，与外电路无关
13、，与它两端电压方向、大小无关；,两端的电压由电源及外电路共同决定。,理想电流源的电压、电流关系,伏安关系,其值与它的两端电压u无关的元件,例,外电路,电流源不能开路！,实际电流源的产生,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被激发产生一定值的电流等。,电流源的功率,例,计算图示电路各元件的功率。,解,发出10W,吸收10W,满足：P（发）P（吸）,实际电流源也不允许开路。因其内阻大，若开路，电压很高，可能烧毁电源。,实际电流源,考虑内阻,伏安特性,一个好的电流源要求,P26 1-5（c）,1.8 受控电源 (非独立源) (controlled source),电压或电流的大小
14、和方向不是给定的时间函数，而是受电路中某个地方的电压(或电流)控制的电源,电路符号,受控电压源,1. 定义,受控电流源,u,i,(1) 电流控制的电流源 ( CCCS ), : 电流放大倍数,根据控制量和被控制量是电压u 或电流i ，受控源可分 四种类型:,2. 分类,四端元件,输出：受控部分,输入：控制部分,g: 转移电导,(2) 电压控制的电流源 ( VCCS ),(3) 电压控制的电压源 ( VCVS ),: 电压放大倍数,(4) 电流控制的电压源 ( CCVS ),r : 转移电阻,3. 受控源与独立源的比较,(1) 独立源电压(或电流)由电源本身决定，与电路中其它电压、电流无关，而受
15、控源电压(或电流)由控制量决定。,(2) 独立源在电路中起“激励”作用，在电路中产生电压、电流,而受控源只是反映输出端与输入端的受控关系，在电路中,不能作为“激励”。,例,求：电压u2,解,4. 总结,(1) 独立源具有激励作用；而受控源不具备。,当控制量为0时，受控电压源的电压或受控电流源的电流也为0。,(2) 当受控源控制系数和控制量确定之后，受控源具有,电压源和电流源的特点,1.9 基尔霍夫定律 ( Kirchhoffs Laws ),基尔霍夫电流定律( KCL ) 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。,1. 几
16、个名词,电路中通过同一电流的分支。(b),三条或三条以上支路的连接点称为结点。( n ),b=3,a,n=2,b,（1）支路 (branch),电路中每一个二端元件就叫一条支路,(2) 结点 (node),b=5,由支路组成的闭合路径。( l ),对平面电路，其内部不含任何支路的回路称网孔。,l=3,3,(3) 回路(loop),(4) 网孔(mesh),网孔是回路，但回路不一定是网孔,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，所有流出结点的支路电流的代数和恒等于零。,流进的电流等于流出的电流,例,三式相加得：,表明KCL可推广应用于
17、电路中包围多个结点的任一闭合面,明确,（1） 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映；,（2） KCL是对支路电流加的约束，与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；,（3）KCL方程是按电流参考方向列写，与电流实际方向无关。,n1：,n2：,n3：,（2）选定回路绕行方向，顺时针或逆时针.,+US4,3. 基尔霍夫电压定律 (KVL),在集总电路中，任一时刻，沿任一回路，各支路 电压的代数和等于零。,+ U3-,+ U1 -,+ U2 -,- U4 +,（1）标定各元件电压参考方向,R1I1-US1+R2I2R3I3+R4I4+US4,-U1,-US1,+U2,+U3,+U4,= 0,= 0,例,KVL也适用于电路中任一假想的回路,明确,（1） KVL的实质反映了电路遵从能量守恒定律;,（2） KVL是对回路电压加的约束，与回路各 支路上接的是什么元件无关，与电路是,（3）KVL方程是按电压参考方向列写，与电压实际方向无关。,线性还是非线性无关；,4. KCL、KVL小结：,(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),(4) KCL、KVL只适用于集总参数的电路。,KCL是对支路电流的线性约束，KVL是对回路电压的线性约束。,
