第1章电路模型及电路定律精选PPT.ppt
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1、第1章 电路模型及电路定律第1页,此课件共83页哦 重重 点点1.参考方向参考方向(Reference direction)2.几几种种元元件件的的基基本本概概念念电电压压源源,电电流流源源,受控源受控源3.基尔霍夫定律基尔霍夫定律(Kirchhoff s Law)第2页,此课件共83页哦1.1 电路及电路模型电路及电路模型1.1.1 电路电路1.定义:由若干电气设备组成,能维持电流流通的路径。2.组成:电源、用电设备(负载)、连接导线;第3页,此课件共83页哦3.电路作用举例:提供能量供电电路;传送及处理信号电话电路,音响的放大电路;测量传感器电路,仪表电路;存储信息存储器电路;第4页,此课
2、件共83页哦具体电路很复杂,不便于表示和研究;数学建模是一个复杂的过程,必须要考虑工作条件,并按精度要求把给定工作情况下的主要物理现象及功能反映出来。电路模型是基于具体电路中设备的电磁特性,用理想电路元件组建起来的,数学模型便于研究,而分析研究所得出的电磁特性在一定精度下可以逼近原电路的电磁特性.1.1.2 电路模型电路模型第5页,此课件共83页哦在一定的条件下,电路中的电电磁磁现现象象可以分别研究,即可以用集总元件来构成模型,每一种集总元件均只表现一种基本现象,且可以用数学方法精确定义。1)设备的电磁特性分类产生能量;消耗电能;存储电场能量;存储磁场能量。1.电路研究的理想化假设第6页,此课
3、件共83页哦2)理想电路元件引入原因:为了表示设备的电磁特性;定义:假想的只反映一种电磁特性的元件。理想电池元件-反映产生电能的电磁特性;理想电阻元件-消耗电能;理想电容元件-存储电场能量;理想电感元件-存储磁场能量。第7页,此课件共83页哦 有了理想电路元件后,实际电路元件就可以根据它的电磁特性用理想电路元件的组合构成。例如:实际的电池元件,工作时电磁特性表现为提供能量的同时也会发热。所以可表示为理想电池元件和理想电阻元件的组合。实际的电感线圈,在低频低频低频低频情况下:L R 2.实际电路元件的表示R Us 第8页,此课件共83页哦定义:由理想电路元件组成的一种抽象电路,称为实际电路的电路
4、模型,简称为电路。手电筒电路的电路模型:注意:本书研究的对象是电路模型而不是实际的电路。3.电路模型第9页,此课件共83页哦当元件辐射能量忽略不计的情况下才能采用“集总”的概念,即要求器件的尺寸远远小于正常工作频率所对应的波长。器件工作时所辐射的电磁波长所以元件能否被看作集总元件取决于两个方面:器件的尺寸和工作的频率。1.1.3 集总元件与集总电路集总元件与集总电路 (Lumped element/Lumped assumption)1.集总元件电磁波的波长=电磁波在真空中的传播速度器件的工作频率第10页,此课件共83页哦集总电路:由集总元件组成的电路称为集总电路。注意:只要一个元件不满足集总
5、条件,那么电路将不再是集总电路,而属于“分布参数电路”。2.集总电路第11页,此课件共83页哦1 1.2.2 电路变量电路变量 描述电现象的基本(原始)变量为电荷和能量,为了便于描述电路状态,从电荷和能量引入了电压、电流、功率等电量,它们易于测量与计算。第12页,此课件共83页哦1.2.1 电流电流/currentcurrent1.定义:单位时间内通过导体横截面的电量。习惯上称正电荷运动的方向为电流的方向。电流定义式为2.符号:i (或I)3.单位:安(A)第13页,此课件共83页哦1.2.2 电压电压/voltage1.定义:a、b两点间的电压表征单位正电荷由a点转移到b点时所获得或失去的能
6、量。其定义式为:如果正电荷从a转移到b,获得能量,则a点为低电位,b点为高电位,即a为负极,b为正极。2.符号:u (或 U)3.单位:伏特/V第14页,此课件共83页哦关于电位概念电位概念举例:o跨步电压 第15页,此课件共83页哦1.2.3 参考方向参考方向reference direction 1.参考方向概念的引入:在求解电路的过程中,常常出现许多的未知电量(电压、电流),其方向不能预先确定,因此需要任意选定电压电流的方向作为其参考方向,以利于解题。引入参考方向后,电压电流转变为代数量,如果电压或电流的实际方向与参考方向一致则其值为正,若相反,则为负。这样我们就可以用计算得出值的正负与
7、原来设定的参考方向一起来确定电量的实际方向。第16页,此课件共83页哦2.参考方向定义 为了电路计算方便,人为地任意假设电流或电压方向并标在电路图中,这个方向称为参考方向。3.参考方向的表示可以使用箭头或双下标两种表示方式。电路元件abUabiabi1U1第17页,此课件共83页哦4.关联参考方向/非关联参考方向关联参考方向:元件上所标的电流和电压的参考方向相同称为关联参考方向;反之为非关联;除非已经规定了参考方向,分析问题时一般采用关联参考方向,更符合习惯。第18页,此课件共83页哦5.举例解:IUs=5vR=5RIUs1ARIUs1AIUs=5vR=5解:电阻上电压和电流为关联参考方向.电
8、阻上电压和电流为非关联参考方向.思考总结:参考方向关联参考方向,非关联参考方向;第19页,此课件共83页哦6.关于参考方向的几点总结:1)参考方向为任意设定任意设定,因此可能与实际方向相同也可能相反,相同则计算结果为正,相反则计算结果为负;反之有了参考方向后计算结果为代数值,结果为正说明参考方向与实际方向相同,结果为负说明参考方向与实际方向相反。2)解题时必须首先设定参考方向,否则计算结果没有意义。3)参考方向一旦选定则求解过程中不能任意修改。4)关联参考方向/非关联参考方指的是“同一元件”上的“电压、电流参考方向”之间的关系:第20页,此课件共83页哦1.2.4 功率功率/power1定义:
9、单位时间内能量的变化。定义式为:把能量传输(流动)的方向称为功率的方向,消耗功率时功率为正,产生功率时功率为负。2符号:p(P)3单位:瓦/W第21页,此课件共83页哦4功率计算中应注意若选取元件或电路部分的电压与电流方向关联即方向一致。则在这样的参考方向情况下,计算得出的功率若大于零,则表示这一电路部分吸收能量,此时的p(t)称为吸收功率;若计算得出的功率若小于零,则表示这一电路部分产生能量,此时的p(t)称为发出功率;若选取元件或电路部分的电压与电流方向非关联即方向相反。则在这样的参考方向情况下,计算得出的功率若大于零,则表示这一电路部分产生能量,此时的p(t)称为发出功率;若计算得出的功
10、率若小于零,则表示这一电路部分吸收能量,此时的p(t)称为吸收功率;第22页,此课件共83页哦5.功率发出/吸收判断依据的统一当元件上电压电流为关联参考方向时,p(t)=ui;当元件上电压电流为非关联参考方向时,p(t)=-ui此时可以统一功率发出/吸收判断依据:若p(t)0,则该元件吸收能量,吸收功率;若p(t)0,则P0;说明正电阻在电路中总是吸收功率的。RURIRURI第29页,此课件共83页哦6、开路、短路开路(OC).:电阻的端电压为任意值,流过的电流始终为零;也称断路;短路(SC).:流过电阻的电流为任意值,电阻的端电压始终为零;思考:开路、短路的实验判断方法?第30页,此课件共8
11、3页哦1.3.2 线性理想时不变电容元件线性理想时不变电容元件1.定义一个二端元件,如果在任意时刻的电荷量和电压之间的关系总可以由q-u平面上的一条过原点的直线来表示,则此二端元件称为线性理想时不变电容元件。简称电容。单位:法拉/F库伏特性 线性理想时不变电容元件第31页,此课件共83页哦2.模型1)元件符号与图形2)数学模型q=cu 3.电容元件的VCR电容上U,I为关联参考方向:ic=dq/dt=cduc/dt电容上U,I为非关联参考方向:ic=-dq/dt=-cduc/dtCUCICUCI第32页,此课件共83页哦4.电容元件的特性分析 由ic=cduc/dt。电容元件为动态元件;电容元
12、件隔直通交,通高(频)阻低(频)。而电容元件某一时刻的电压不仅与该时刻流过电容的电流有关,还与初始时刻的电压大小有关。电容是一种“记忆”元件-记忆的变量为电压。第33页,此课件共83页哦下一页下一页章目录章目录返回返回上一页上一页C+uCiC 在一个周期内,电容能量是吸收和释放交替进行,储存和释放的能量相同,因此电容属于无源元件,又是储能元件。tpiCuC5.功率分析举例第34页,此课件共83页哦6.总结:电容为储能元件,并不消耗电能;电容为电压记忆元件,其电压与初始值有关;电容为动态元件,其电压电流为积分关系;电容为电压惯性元件,即电流为有限值时,电压不能跃变;电容元件隔直通交,通高阻低;第
13、35页,此课件共83页哦1.3.3 电感元件/inductor 1.定义任何一个二端元件,如果在任意时刻的磁通链和电流之间的关系,可以用由自感磁通链-电流(-i)平面上的一条过原点的直线来表示,则此二端元件称为线性理想电感元件。单位:亨韦安特性 L所有t a i线性非时变电线性非时变电感韦安特性感韦安特性第36页,此课件共83页哦2)数学模型:=li 2.2.模型模型1)物理模型(符号)LuLiL3.线性电感的伏安特性ui关联:线性电感的VCR为:ui非关联:线性电感的VCR为:dtdiLu=-第37页,此课件共83页哦电感元件也是一种动态元件,通直隔交,通低频阻高频通直隔交,通低频阻高频。电
14、感也是一种“记忆”元件。-记忆的是电流。4.电感元件的特性分析5.总结电感为储能元件,并不消耗电能;电感为电流记忆元件,其电流与初始值有关;电感为动态元件,其电流电压为积分关系;电感为电流惯性元件,即电压为有限值时,电流不能跃变;电感元件通直隔交,通低阻高。第38页,此课件共83页哦1.3.4 1.3.4 理想电压源理想电压源independent voltage source1.定义2.元件符号与图形一个二端元件,若接入电路后,端电压端电压u(t)始终为定值或始终为定值或者一个给定的时间函数者一个给定的时间函数,与流过的电流无关与流过的电流无关;则称此二端元件为理想电压源。其两端的电压由其本
15、身确定,流过它的电流则是任意的。USI1IR1RR R对电流对电流I I1 1有没有影响?有没有影响?思考:思考:图图1-13 电压源电压源us(t)+-+-一般电压源Us 直流电压源第39页,此课件共83页哦3伏安特性曲线4说明电压源为一种理想模型。与电压源并联的元件,电压源的端电压不受其影响。电压源不允许短路;电压源的功率从理论上来说可以为无穷大。第40页,此课件共83页哦5.实际电压源模型 常见实际电压源的工作机理比较接近,其电路模型是电压源和电阻的串联组合,如发电机、蓄电池。u=us-iRs+-+-Rsusuiusui0思考:实际电压源越接近理想特性,内阻Rs?第41页,此课件共83页
16、哦1.3.5 1.3.5 理想电流源理想电流源independent current source1.定义一个二端元件,若接入电路后,流过的电流始终为定值或者是给定的时间函数,与其两端的电压无关;即其电流由其本身确定,其两端的电压则是任意的,由外电路确定。2.元件符号与图形ISis(t)第42页,此课件共83页哦3.伏安特性曲线4.说明电流源为一种理想模型。与电流源串联的元件,流过其的电流为电流源的值;理想电流源不允许开路。第43页,此课件共83页哦5.实际电流源模型 如光电池一类器件,与常见实际电流源的工作机理比较接近,其电路模型是电流源和电阻的并联组合。i=is-iR=is-u/Rsisu
17、i0思考:实际电流源越接近理想特性,内阻Rs?+-RsisuiiR第44页,此课件共83页哦实际受控电源模型是从晶体管、电子电路中总结出来的一种双口元件模型。如:变压器,三极管等。1.3.5 1.3.5 受控源受控源dependent current source例例:ic=b b ib三极管用以前讲过的三极管用以前讲过的元件无法表示它电流关系元件无法表示它电流关系,为此引出新的电路模型为此引出新的电路模型电电流控制的电流源流控制的电流源。RcibRbic1.定义:若电压源的电压(电流源电流)与同一电路的其他支路的电压或电流呈函数关系,则称之为受控源。通俗地讲就是表示了电压源电压或电流源电流受
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