基本电路元件与电源.ppt

基本电路元件与电源现在学习的是第1页，共46页元件分类线性元件：元件参数不随电流电压变化线性元件：元件参数不随电流电压变化非线性元件：元件的参数随着电流电压的变化而非线性元件：元件的参数随着电流电压的变化而 变变化化有源元件：向外界提供能量的元件有源元件：向外界提供能量的元件无源元件：不能产生能量，如电阻、电容、电感无源元件：不能产生能量，如电阻、电容、电感二端元件：两个与外界相连的端钮二端元件：两个与外界相连的端钮多端元件：多个端钮多端元件：多个端钮现在学习的是第2页，共46页元件分类 也可以按照使用性质分类：也可以按照使用性质分类：耗能元件，电阻耗能元件，电阻 储能元件，电容（电场能）、电感（磁场能）储能元件，电容（电场能）、电感（磁场能）电源元件，电压源、电流源。实际电源：如电池电源元件，电压源、电流源。实际电源：如电池 受控源，如三极管、可控硅受控源，如三极管、可控硅现在学习的是第3页，共46页一一.电阻元件电阻元件 1.定义定义ui0线性电阻线性电阻常数常数 Riu iu0 非非线线性性电电阻阻ufi 任意时刻，二端元件的电压 u 与电流 i 之间存在代数关系 ，即为u-i平面上的一条曲线，则称此二端元件为电阻元件。0),(iuf)(ifu 现在学习的是第4页，共46页电阻 实例：电阻器、灯泡、电路丝 电阻特点(2)双向性：连接电阻时，两个端钮可互换位置 耗能性：无论何种情况，电阻总是吸收功率，为耗能元件 无记忆性：任意时刻的u、i 与以前的取值无关金属膜电阻碳质电阻线绕电阻线绕电位器碳膜电位器现在学习的是第5页，共46页（u、i为关联参考方向）Riu 欧姆定律欧姆定律(Ohms law)(Ohms law)电阻元件是实际电阻器的抽象模型，只反映电阻器对电流呈现阻力的性能。线性电阻元件的VCR服从欧姆定律(Ohms law)。iRu单位：欧姆(),k ，M电导(conductance)：RG1uGi单位：西门子(S)电阻(resistance)：（u、i非关联参考方向）现在学习的是第6页，共46页2.2.电压电流关系电压电流关系(VCR-Voltage Current Relation)(VCR-Voltage Current Relation)（伏安特性）（伏安特性）伏安特性曲线：在u-i平面(或i-u平面)上绘出的元件的VCR。线性电阻元件的伏安特性曲线是一条经过坐标原点的直线。电阻值决定了直线的斜率。电阻元件是一种无记忆元件。线性(linear)，非线性(nonlinear)时变(time-varying)，非时变(time-invariant)非时变:伏安特性曲线不随时间而变化。现在学习的是第7页，共46页二极管具有单向导电性二极管具有单向导电性ABi u二极管i/mAu/VOv30-20.51020-4-61i/uA-10-20正向特性反向特性现在学习的是第8页，共46页3.功率功率RuiRiup22u、i为关联参考方向时GiuGiup22或讨论：当R 0时，p 0，元件吸收能量，消耗功率当R 0时，p 0，元件释放能量，提供功率实际电阻元件是一种耗能元件。无源(passive)元件：对所有t -及所有的u、i组合，当且仅当元件吸收的能量满足 时，称该元件为无源元件。否则，为有源(active)元件。0tiutwd)()()(一个R在具体电路中使用，要注意它的额定功率，超过它即会被烧毁。现在学习的是第9页，共46页二二.电容器电容器(capacitor)绝缘介质金金属属极极板板电容器是一种能够存储电荷乃至电场能量的器件。理想电容器应该只具有存储电荷从而在电容器中建立电场的作用，因而是一种电荷与电压相约束的器件。充电现在学习的是第10页，共46页1 1定义定义任意时刻，二端元件的端电压 与其储存的电荷 ，满足 平面上的一条曲线，称电容元件。uqqu B uqu0q线性电容线性电容u0q非线性电容非线性电容cuq常常量量 本书研究线性电容 单位：法拉（F）微法()，皮法(pF)F 现在学习的是第11页，共46页2.电容铝电解电容纸介电容陶瓷电容云母电容钽铌电解电容玻璃釉电容薄膜电容现在学习的是第12页，共46页3.电容元件的VCR:uiCucquqc 或或dtdqi dtduci dicut 1dtduci 在关联方向下：若非关联参考方向：结论：某一时刻，电容的电流取决于该时刻电容电压的变化率。现在学习的是第13页，共46页 电容的击穿电容的击穿 施加电压超过额定施加电压超过额定 电容的普遍存在电容的普遍存在 任何绝缘导体间存在电容，两个人之间也有任何绝缘导体间存在电容，两个人之间也有 u,i频率低时，电容可忽略，高频时应考虑频率低时，电容可忽略，高频时应考虑 扩展扩展 电容麦克风原理：电容发生变化，电流同电容变化率电容麦克风原理：电容发生变化，电流同电容变化率有关（声音震动使得电容片压缩，电容变化有关（声音震动使得电容片压缩，电容变化现在学习的是第14页，共46页4.4.电容元件的特性电容元件的特性 动态特性连续性（惯性）记忆特性储能特性现在学习的是第15页，共46页(1).(1).动态特性动态特性 率率化化变变的的压压正正比比于于电电通通过过电电容容元元件件的的电电流流uidtdui|0 0 idtdu|idtdu|idtdu|电容在直流电路中相当开路隔直流作用现在学习的是第16页，共46页在有界电流条件下，电容电压保持连续性，不能突变,在任意时刻电容电压(2).(2).连续性连续性t 0t 0t 0t的的变变化化率率可可表表示示为为u 00 lim0000tttcitttutudtdu ，假如假如0 00 tutu无无界界值值必必有有 0 tdtduOt/msi/mA1042-5865Ot/msu/V428620电容电流波形虽然不连续，但电容电压波形却是连续的。00ccuu现在学习的是第17页，共46页(3).(3).记忆特性记忆特性 dicdicdict00001 11 dicututc 010 流流作作用用的的情情况况期期间间全全部部电电到到记记忆忆了了从从 00tuc 0 q cqcq 00一般情况下 1是有界值tidictut diccqqcqqt 01000 diccqt 0100 现在学习的是第18页，共46页例例:如图如图(a)(a)所示，电容与一电流源相接，所示，电容与一电流源相接，电流源的波形电流源的波形如图如图(b)(b)所示，试求电容电压。设所示，试求电容电压。设u(0)=0。ms25.0040001025.01)(3 tttti解：(1)先写出电流的函数表达式。msms75.025.024000)105.0(4000)(3 tttti现在学习的是第19页，共46页msms25.175.044000)10(4000)(3 tttti(2)根据公式 进行分段积分 diCtututtcc 0)(1)()(0：ms25.00 t diCututcc 0)(1)0()(V)2906102400010tdt :msms75.025.0 t diCututcc 31025.03)(1)1025.0()(dt 31025.06)24000(10125)(102102250296V tt 现在学习的是第20页，共46页:msms25.175.0 t dt 31075.06)44000(10125)(1021042000296V tt diCututcc 31075.03)(1)1075.0()(i/At/ms现在学习的是第21页，共46页三、电感元件 把金属导线绕在一骨架上构成一实际电感器，当电流通过把金属导线绕在一骨架上构成一实际电感器，当电流通过圈时将产生磁通，且符合右手螺旋法则，是一种储存磁能的圈时将产生磁通，且符合右手螺旋法则，是一种储存磁能的部件部件+-u(t)iL符号：为磁通链，单位：韦伯（Wb）i(t)（t)N(t)感生电压导线不产生电压，而电感线圈产生感应电压，起到分压作用，和电阻的作用类似，阻碍电流的变化，因此在交流电路中，电感具有感抗，单位也是欧姆。应用：调音电位器。电感线圈和电阻电位器作用相同现在学习的是第22页，共46页1.定义定义任意时刻，二端元件中流过的电流 与其产生的磁链 平面上的一条曲线，称电感元件。i i满满足足 ABi i0 线性电感线性电感0非线性电感非线性电感i Li常常量量 本书研究线性电感：单位：亨利（H）毫亨(mH)，微亨()H现在学习的是第23页，共46页2.电感元件的VCR uiLABLiiL 或或dtdu dtdiLu duLit 1dtdiLu 若非关联方向关联参考方向：电压的参考方向与磁链的参考方向符合右手螺旋定则，电流的参考方向与磁链的参考方向符合右手螺旋定则。现在学习的是第24页，共46页3.电感元件的特性电感元件的特性与电容特性对偶动态特性、连续性（惯性）记忆特性储能特性现在学习的是第25页，共46页(1).(1).动态特性动态特性 0 dtdi0 u电感元件端电压(2).连续性在有界电压条件下，电感电流保持连续性，不能突变。00titidtdiu|udtdi|udtdi|电感在直流电路中相当短路现在学习的是第26页，共46页(3).(3).记忆特性记忆特性 1 duLtit 00i tt记忆了从到 期间全部电压作用的情况 duLtitt 01 0 duLduLduLttttt 0000111 现在学习的是第27页，共46页无源元件小结注：关于阻碍性，当外界条件变化时，很多事物都具有阻碍变化的特性，如阻尼等。在化学中，化学平衡移动原理（勒夏特列原理）就描述了：如果改变影响平衡的一个条件，反应就向着能够减弱这种改变的方向进行。自然界中普遍存在，这是自然平衡的重要原因，我们要善于把握和总结这些，有助于理解科学真谛并指导科研现在学习的是第28页，共46页四、电源四、电源 电路中必须有电源。电流源电流源电压源电压源独立电源独立电源理想电压源非理想电压源理想电流源非理想电流源现在学习的是第29页，共46页1.1.理想电压源理想电压源 1.1 基本性质：（1）端电压是定值或是固定的时间函数，与流过的电流无关；（2）流过电压源的电流由与之相连接的外电路决定。su ui0suui不能短路！理想电压源 su 0ui2i1i2R1R有有关关。与与但但流流过过电电源源电电流流无无关关，与与电电阻阻输输出出电电压压21210 RRiRRuus 注意1.2 伏安特性Us+-现在学习的是第30页，共46页2.2.非理想电压源（实际电压源）非理想电压源（实际电压源）R u电电源源iiRu 即理想电压源是从实际电源中抽象出来的一种模型。理想电压源（电压源）分析观察一个实际电源的例子负载电流Rui 现在学习的是第31页，共46页sRi101u2usuu2i1iissRiuu11 ssRiuu22 分析如果电源是恒压源，则无论R取何值，衡有：suu 但实际上当R时：suu 随着R，i，u 原因：电源内部存在电阻（称为内阻 ）sR现在学习的是第32页，共46页实际电压源模型 isuu sRi0isuu0ocussiRuu socuui 0开开路路电电压压时时，当当ssRuiu 0 0短路电流短路电流时，时，当当随着供出的负载电流加大，其输出电压降低。实际电压源可以看作是理想电压源 和电阻 的串联组合，其输出特性曲线是由短路电流和开路电压决定的一条直线。sRsu现在学习的是第33页，共46页2121RRuuuissab例题 例1：一段含源支路ab,求电流i。2211ssabuiRuiRu解：R1aus2us1R2i_+b+_+_+现在学习的是第34页，共46页3.理想电流源 usi0siui，也可能是交变信号。可以是直流信号)(ssIi理想电流源不能开路！注意 1.1 基本性质：（1）发出的电流是定值或是固定的时间函数，与两端的电压无关；（2）电流源两端的电压由与之相连接的外电路决定。1.2 伏安特性现在学习的是第35页，共46页例：u A5 V10i2i1i3i 2 1abV5 试求电压 和电流 ,并验证电路功率平衡 ui 0PA101101 iA52102 iA551 iiA105523 iiiV15510 uW1001011 iPW501022 iPW25555 VPW10010310 iPVW7555 uPA解：0P证毕现在学习的是第36页，共46页ssuGii 0 issssocRiGiuu ssGR1 0 usii 0输出特性：开路电压：短路电流：sisG iuisiu0cu0suG4.4.非理想电流源（实际电流源模型）非理想电流源（实际电流源模型）电流源实际上是不存在的，但对于一个实际电源，既可以用实际 电压源模型描述，也可以用实际电流源模型描述。实际电流源可以看作是理想电流源 和一个电导 的并联组合sUsGsi现在学习的是第37页，共46页5.5.受控源受控源 受控源(controlled source)是由某些电子器件抽象而来 的一种电源模型，是一种双口元件。受控源的电压或 电流受电路中另一支路电压或电流的控制。像晶体 管、变压器、运算放大器等电子器件都可以用受控源 作为其电路模型。00 iu、受电路中另一支路的电压或电流控制 受控电源是双口（四端）元件，由控制支路和受控支路组成。受控电源的符号表示现在学习的是第38页，共46页晶体管晶体管bbicicebcii 受受控控电电流流为控制支路电流为控制支路电流bi（1）.基本概念返回现在学习的是第39页，共46页受控源图示类型uiiuVCCSCCVSCCCSVCVS受控源的类型控制量受控量现在学习的是第40页，共46页（2 2）.理想受控源模型理想受控源模型VCVS(Voltage Controlled Voltage Source)CCVS(Current Controlled Voltage Source)受受控控支支路路控控制制支支路路22 ,11 12uu电压比系数 12iu r 转移电阻现在学习的是第41页，共46页VCCS(Voltage Controlled Current Source)12ii电流比系数 12uig 转移电导 CCCS(Current Controlled Current Source)返回现在学习的是第42页，共46页3.3.几点说明几点说明 电阻电路包含受控源。受控源与独立源有本质的区别。独立源的电压或电流是独立存在的，而受控源的电压或电流受电路中某些量的控制，控制量消失，则受控源也不存在。受控源吸收的功率为：222211iuiuiup 在分析电路时，通常先把受控源看作独立源对待，并将控制量代入。现在学习的是第43页，共46页。求输入电阻iR结论：含有受控电源的二端电阻网络可以实现负阻。0NAB uiiuRNi 输入电阻不含独立电源的网络:0iRuiL2 0 iRuLiLuRRi 由KCL:解：返回例题ABLR uii 2现在学习的是第44页，共46页含受控源电路的计算；。先找控制量，注意不要丢失。含控制量支路不要化简。处理方法与独立源一样。区别；受控源不能作为电路的激励。现在学习的是第45页，共46页化简AB端为简单电压源和电流源.i 5.0 3uA2V6 4 ABi例题.05.0 i 320 iA2V6 4 AB0ii 0 i开路电压开路电压 V206234 ocu0 0 iiu 短路电流短路电流 65.02423000 iii4A0 i 54200iuRocs解：AB 5sR V20ABA4 5这里把受控电流源 转成受控电压源也很方便。现在学习的是第46页，共46页