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类型第1章电路的基本概念和基本定理.ppt

  • 上传人:hwpkd79526
  • 文档编号:8129289
  • 上传时间:2019-06-10
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    第1章电路的基本概念和基本定理.ppt
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    1、电工电子技术电工学,主讲 刘春艳 2011年9月 QQ:253333736,第一章 电路的基本概念和基本定律,内容提要:电路与电路模型、电压、电流及其参考方向和功率的计算、电路的基本定律、电路中的理想元件及电路的基本状态、电气设备的额定值,1.1 电路与电路模型,一、电路的组成 为了某种需要由电源、导线、开关和负载按一定方式组合起来的电流的通路称为电路(electric circuit)组成电路的电源、导线、开关和负载(即器件和电气设备)称为电路元件(circuit element),电路分析的主要任务在于解得电路物理量,其中最基本的电路物理量就是电流、电压和功率。,三、电路模型(circui

    2、t model)为了便于电路分析,常将电路元件用具有某一性能的理想电路元件或它们的组合表示-称为电路元件的模型。理想电路元件分类 有源元件电压源和电流源 无源元件电阻、电感和电容理想电路元件的电路符号,(a) (b) (c) (d) (e),其中(a)图为电压源,(b)图为电流源,反映了电路的能源形式和对电路的作用。(c)、(d)、(e)图分别为电阻、电感和电容,通过它们将电能转变成其它形式的能量。由电路元件模型组成的电路称为电路模型,四、网络和系统(netwoke system) 基本概念 结点 (node)三个或三个以上元件的公共连接点 支路 两个结点间由一个或几个元件串联构成的,的一段无

    3、分支电路,称为支路(branch)。 回路 由支路构成的闭合路经称为回路(loop)。 网孔 内部不包含支路的简单回路称为网孔(mesh)。 显然网孔一定是回路,但回路不一定是网孔。 网络 由支路和结点连接构成的电路结构称为网络 在电工技术中网络往往是指比较复杂的电路 有源网络 含有源元件的网络 无源网络 不含有源元件的网络 端钮 网络与外电路的连接端称为端钮(由此形成二端网络、三端网络、四端网络等),【例1.1.1 】如图所示电路有3条支路,2个节点,3个回路,2个网孔。该网络含两个电压源,因此是一有源网络,端口 (port) 如果一个端钮流入的电流等于另一个端钮流出的电流,则这两个端钮构成

    4、一个端口,由此可形成单口网络和双口网络如图所示,支路:ab、ad、 .(共6条),回路:abda、 bcdb、 .(共7 个),节点:a、 b、c、d(共4个),【例1.1.2】,3. 系统 (system) 为了完成某种特定功能由元件按照一定方式连接组合而成的整体称为系统。在电工与电子技术中网络、系统与电路并无区别。,如图是一个基本放大电路,其作用是放大较小的电压信号,它既是一个单元电路,又可称其为一个系统。由多个较小的系统又可组成一较大的复杂系统(如收音机), 1.2 电流、电压及其参考方向,电荷的定向移动形成电流。 电流的大小用电流强度表示,简称电流。 电流强度:单位时间内通过导体截面的

    5、电荷量。 即,大写 I表示直流电流,小写 i表示电流的一般符号 单位,一、电流(current),正电荷运动方向规定为电流的实际方向。 电流的方向用一个箭头表示。 任意假设的电流方向称为电流的参考方向。,如果求出的电流值为正,说明参考方向与实际方向一致,否则说明参考方向与实际方向相反。,二、电压、电位和电动势,电压(voltage)电路中a、b点两点间的电压定义为单位正电荷由a点移至b点电场力所做的功。 即,电位(potential)电路中某点的电位定义为单位正电荷由该点移至参考点电场力所做的功。,电路中a、b点两点间的电压等于a、b两点的电位差。 即,电压的实际方向规定由电位高处指向电位低处

    6、。 与电流方向的处理方法类似, 可任选一方向为电压的参考方向,最后求得的u 为正值,说明电压的实际方向与参考方向一致,否则说明两者相反。,对一个元件,电流参考方向和电压参考方向可以相互独立地任意确定,但为了方便起见,常常将其取为一致,称关联方向;如不一致,称非关联方向。,如果采用关联方向,在标示时标出一种即可。如果采用非关联方向,则必须全部标示。,电动势 电动势是衡量外力即非静电力做功能力的物理量。外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功,称为电源的电动势。,电动势的实际方向与电压实际方向相反,规定为由负极指向正极。, 1.3 电路的功和功率,电功率(power)电场力在单位时

    7、间内所做的功称为电功率,简称功率,用p表示,功(work)电路接通后,负载吸收的电能即为电场力 移动电荷p所做的功,用W表示。由电压定义可知,u、I 恒定时有 W =UIt,功单位是焦耳(J)、度 1J=1ws 1度=1kwh 功率的单位是瓦特(w)、千瓦(kw)、毫瓦(mw),W =,功率与电流、电压的关系: 设电路任意两点间的电压为 U ,流入此 部分电路的电流为 I, 则这部分电路消耗的功率为:,在 U、 I 正方向选择一致的前提下,,“吸收功率”(负载),“发出功率”(电源),若 P = UI 0,若 P = UI 0,当 计算的 P 0 时, 则说明 U、I 的实际方向一致,此部分电

    8、路消耗电功率,为负载。,所以,从 P 的 + 或 - 可以区分器件的性质, 或是电源,或是负载。,结 论,在进行功率计算时,如果假设 U、I 正方向一致。,当计算的 P 0 时, 则说明 U、I 的实际方向相反,此部分电路发出电功率,为电源。,【例1.3.1】:求图示各元件的功率,(c)非关联方向, P=UI=5(2)=10W, P0,吸收10W功率。,(b)关联方向, P=UI=5(2)=10W, P0,产生10W功率。,注:关联与非关联方向,(a)关联方向, P=UI=52=10W, P0,吸收10W功率,一. 基尔霍夫电流定律(KCL),基尔霍夫电流定律的依据:电流的连续性原理,例:,或

    9、:,1.4 基尔霍夫定律(kirchhoffs law),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应用,I=?,二、基尔霍夫电压定律(KVL),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,电压的代数和为 0。,例如: 回路 a-d-c-a,即:,或:,KVL推广:基尔霍夫电压定律也适合开口电路。,【例1.4.1】,关于独立方程式的讨论,问题:用基尔霍夫电流或电压定律列方程时,究竟可以列出多少个独立的方程?,设:电路中有N个结点,B个支路,N=2、B=3,小 结,【例1.4.3】, 1.5 电路基本元件,常见的电路元件有电阻元

    10、件、电容元件、电感元件、电压源、电流源。电路元件在电路中的作用或者说它的性质是用其端钮的电压、电流关系即伏安关系(VAR)来决定的。,电路的基本元件包括无源元件和有源元件,学习时我们应注意电路基本元件的性质及伏安关系和伏安关系曲线,一、无源电路元件(passive circuit element),关联方向时: u =Ri,非关联方向时: u =Ri,电路符号:,其功率关系为:,1.电阻 (resistance) 电阻元件是一种消耗电能的元件。它描述了元件对电流的阻碍作用,其伏安关系为:,电阻常用单位:、k、M 电阻对电流的阻碍也可用电阻的倒数电导G来描述G=1/R 单位:西门子(s),线性、

    11、非线性电阻,2.电感(inductance) L:是一种能够贮存磁场能量的元件,是实际电感器的理想化模型。,电感L:单位电流产生的磁链 即,单位:H, mH, H,电感和结构参数的关系,符号,电感中电流、电压的关系,电感的储能,在电压、电流的关联参考方向下,电感吸收的功率是,电感是一种储能元件,当 由 储存的磁场能量为,而当 由 时,L吸收能量,将电能转变成磁场能存储 L释放能量,将存储磁场能转变成电能,3.电容(capacitance)C: 电容元件是一种能够贮存电场能量的元件,是实际电容器的理想化模型。,电容C:单位电压下存储的电荷 即,(单位:F, F, pF),电容和结构参数的关系,电

    12、容上电流、电压的关系,该式说明了电容具有“记忆”功能,电容的储能,在电压、电流的关联参考方向下,电容吸收的功率是,电容是储能元件, 当 由0 U时储存的电场能为,电容将电能转换成电场能存储 电容将存储的电场能还原回电路,无源元件小结,理想元件的特性 (u 与 i 的关系),实际元件的特性可以用若干理想元件来表示,参数的影响和电路的工作条件有关。,U为直流电压时,以上电路等效为,注意 L、C 在不同电路中的作用,1、电压源 (恒压源): voltage dource,实际电压源,恒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,例,恒压源特性中不变的是:_,

    13、E,恒压源特性中变化的是:_,I,_ 会引起 I 的变化。,外电路的改变,恒压源特性小结,2、电流源 (恒流源): current source,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。,恒流源两端电压由外电路决定,设: IS=1 A,实际电流源,电流源模型,恒流源特性小结,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,原则:Is不能变,E 不能变。,电压源中的电流 I= IS,恒流源两端的电压,恒压源与恒流源特性比较,3.

    14、两种电源的等效互换,等效互换的条件:对外的电压电流相等。,等效互换公式,等效变换的注意事项,注意转换前后 E 与 Is 的方向,(2),(不存在),(4)进行电路计算时,恒压源串电阻和恒电流源并电阻两者之间均可等效变换。RO和 RO不一定是电源内阻。,应用举例 【例1.5.4】,(接上页),(接上页),*1.6受控源(controlled source),(1)概念,受控源的电压或电流受电路中另一部分的电压或电流控制。,(2)分类及表示方法,VCVS 电压控制电压源,VCCS 电压控制电流源,CCVS 电流控制电压源,CCCS 电流控制电流源,如采用关联方向:,p =u1i1 +u2i2=u2

    15、i2,(3)受控源的功率,1.6 电路的基本状态和电气设备的额定值,一、电路的基本工作状态,1、有载工作状态,S闭合时,电源为负载供电,称为有载工作状态,此时,等式两边同乘以I,得到功率平衡方程为,或,2、开路工作状态,如图,当S打开使电源与负载断开时称为开路工作状态。,此时 I=0 U=US=UOCURL=0 PRL=0,3、短路工作状态,由于某种原因,致使电源两断通过导线连接,称为短路 注意: 短路的危害短路的利用短接,二、电气设备的额定值,电气设备的额定值是指电气设备铭牌或说明书上给出的技术数据, 主要有额定电压、额定电流、额定功率、额定温升等,用下标N来表示。它们往往是根据生产过程的要求和条件设计的,与设计要求、工作温度、绝缘材料性能、工作环境、使用寿命等有密切联系。了解额定值是我们正确使用设备的依据。,说明轻载、过载、满载工作,本章作业:一、 1.11 1.12 1.13 1.15 1.18 1.19 *1.21 1.22 *1.23 *1.24 1.25 1.27 1.31 1.32 1.37 1.38,

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