电路分析基础课件第1章电路基本概念.ppt

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1、电路分析基础电路分析基础南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院20112011年年年年22月月月月主讲:周井泉教授引引 言言一、课程的性质、地位及任务一、课程的性质、地位及任务 1、技术基础课。技术基础课。电类本科学生的第一门专业基础课。是电类本科学生的第一门专业基础课。是后续课程后续课程“信号与线性系统信号与线性系统”、“模拟模拟电子电路电子电路”、“数字电路数字电路”等课程的基等课程的基础。础。2、掌握电路分析的基本概念、基本、掌握电路分析的基本概念、基本理论和基本分析方法。理论和基本分析方法。二、学习要求和

2、方法二、学习要求和方法5.答疑，总结。答疑，总结。1.上课不讲话，有问题下课来问；上课不讲话，有问题下课来问；2.预习；预习；3.听讲听讲,笔记；笔记；4.复习，独立完成作业（最低限度作复习，独立完成作业（最低限度作业量）；业量）；必须抄题目、画电路必须抄题目、画电路。克服。克服“眼高手低眼高手低”的毛病。的毛病。1.1.李翰荪，李翰荪，电路分析基础电路分析基础（第三版）（第三版）,高等教育出版社高等教育出版社 1994 1994年。年。2.2.邱关源，邱关源，电路电路（修订版）（修订版）,高等教育出版社高等教育出版社 19991999年。年。3.3.林林争争辉辉，电电路路理理论论,高高等等教

3、教育育出出版版社社，1979年。年。三三 参考书目参考书目参考书参考书 开阔知识面；但要以教材为主；以讲开阔知识面；但要以教材为主；以讲课的内容为主。课的内容为主。四、电路理论四、电路理论包括电路分析和电路综合两方面内容包括电路分析和电路综合两方面内容 电路分析：已知电路分析：已知 已知已知 求解求解电路综合：已知电路综合：已知 求解求解 已知已知电路分析是电路综合的基础。电路分析是电路综合的基础。输入输入 输出输出 电路电路电路分析与电路综合电路分析与电路综合实际电路实际电路电路模型电路模型计算分析计算分析电气特性电气特性电路分析电路分析电路综合电路综合第一章第一章 电路基本概念电路基本概念

4、1-1 实际实际电路和电路模型电路和电路模型1-2电路分析的变量电路分析的变量1-3电路元件电路元件1-4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律1-1 实际电路和电路模型实际电路和电路模型 实际电路是由一定的电工、电子器实际电路是由一定的电工、电子器件按照一定的方式相互联接起来，构成件按照一定的方式相互联接起来，构成电流通路，并具有一定功能的整体。电流通路，并具有一定功能的整体。电路模型是实际电路的抽象化，理想电路模型是实际电路的抽象化，理想化，近似化。化，近似化。电路理论中所说的电路是指由各种理电路理论中所说的电路是指由各种理想电路元件按一定方式连接组成的总体想电路元件按一定方式连接组成的总体。实际器件

5、实际器件 理想元件理想元件 符号符号 图形图形 反映特性反映特性电阻器电阻器 电阻元件电阻元件 R 消耗电能消耗电能电容器电容器 电容元件电容元件 C 贮存电场能贮存电场能电感器电感器 电感元件电感元件 L 贮存磁场能贮存磁场能 互感器互感器 互感元件互感元件 M 贮存磁场能贮存磁场能实际器件与理想元件的区别：实际器件与理想元件的区别：实际器件实际器件有大小、尺寸，代表多有大小、尺寸，代表多种电磁现象；种电磁现象；理想元件理想元件是一种假想元件，没有是一种假想元件，没有大小和尺寸，即它的特性表现在空间大小和尺寸，即它的特性表现在空间的一个点上，仅代表的一个点上，仅代表一种一种电磁现象。电磁现象

6、。集总参数电路集总参数电路：电器器件的几何尺：电器器件的几何尺寸远远小于其上通过的电压、电流的寸远远小于其上通过的电压、电流的波长时，其元件特性表现在一个点上。波长时，其元件特性表现在一个点上。有时也称为集中参数电路。有时也称为集中参数电路。分布参数电路分布参数电路：电器器件的几何尺：电器器件的几何尺寸与其上通过的电压、电流的波长属寸与其上通过的电压、电流的波长属同一数量级。同一数量级。例例 晶体管调频收音机最高工作频率约晶体管调频收音机最高工作频率约108MHz108MHz。问该收音机的电路是集中参。问该收音机的电路是集中参数电路还是分布参数电路数电路还是分布参数电路?几何尺寸的收音机电路应

7、视为集几何尺寸的收音机电路应视为集中参数电路。中参数电路。解：频率为解：频率为108MHz108MHz周期信号的波长为周期信号的波长为无线通信无线通信 f=900MHz=1/3m(a)(a)实际电路实际电路(b)(b)电原理图电原理图(c)(c)电路模型电路模型 (d)(d)拓扑结构图拓扑结构图 晶体管放大电路晶体管放大电路 (a)(a)实际电路实际电路(b)(b)电原理图电原理图(c)(c)电路模型电路模型(d)(d)拓扑结构图拓扑结构图1-2 电路分析的变量电路分析的变量电电路路变变量量：描描述述电电路路工工作作状状态态或或元元件件工作特性的物理量。工作特性的物理量。电流电流 i(t)i(

8、t)与与 电压电压 u(t)u(t)；电荷电荷 q(t)q(t)与与 磁链磁链(t)(t)；功率功率 p(t)p(t)与能量与能量 w(t)w(t)。i,ui,u为为常常用用基基本本变变量量，p,wp,w为为复复合合基基本变量。本变量。1-2-11-2-1电流及其参考方向电流及其参考方向电荷在导体中的定向移动形成电流。电荷在导体中的定向移动形成电流。电流强度，简称电流电流强度，简称电流i(t)i(t)，单位：单位：A A，1 1安安=1 =1 库库/秒秒方向：正电荷移动的方向为电流方向方向：正电荷移动的方向为电流方向直流电流直流电流大小、方向恒定，大小、方向恒定，用大写字母用大写字母I I表示

9、。表示。参考方向参考方向-人为假设，可任意设定，但人为假设，可任意设定，但一经设定，便不再改变。一经设定，便不再改变。参考方向的两种表示方法：参考方向的两种表示方法：1 1 在图上标箭头；在图上标箭头；i i 2 2 用双下标表示用双下标表示iab .ab在参考方向下，若计算值为正，表明在参考方向下，若计算值为正，表明电流真实方向与参考方向一致；若计电流真实方向与参考方向一致；若计算值为负，表明电流真实方向与参考算值为负，表明电流真实方向与参考方向相反方向相反。例例1 1在图示参考方向下，已知在图示参考方向下，已知 求：（求：（1 1）i(0)，i(0.5)的真实方向；的真实方向；（2 2）若

10、若参参考考方方向向与与图图中中相相反反，则则其其表表达达式式？i(0)，i(0.5)的的真真实实方方向向有无变化有无变化？iab表明表明此时此时真实方向与参考方向一致，真实方向与参考方向一致，从从a-ba-b；解解：（：（1 1）(2)(2)参考方向改变，代数表达式也改变参考方向改变，代数表达式也改变,但真实方向不变。即为但真实方向不变。即为表明表明此时此时真实方向与参考方向相反，真实方向与参考方向相反，从从b-ab-a1-2-21-2-2电压及其参考方向电压及其参考方向1 1 电电压压：即即两两点点间间的的电电位位差差。abab间间的的电电压压，数数值值上上为为单单位位正正电电荷荷从从a a

11、到到b b移移动时所获得或失去的能量。动时所获得或失去的能量。方方向向：电电压压降降落落的的方方向向为为电电压压方方向向；高高电位端标电位端标“+”“+”，低电位端标，低电位端标“-”“-”。单位：伏，单位：伏，1 1伏伏=1=1焦焦/库。库。2 2 直直流流电电压压大大小小、方方向向恒恒定定，用用大写字母大写字母U U表示。表示。3 3 参考方向参考方向：也称：也称参考极性参考极性。两种表示方法：两种表示方法：在图上标正负号；在图上标正负号；用双下标表示用双下标表示 。+-+-a ba b在电子电路课程中也在电子电路课程中也可用箭头表示。可用箭头表示。在假设参考方向（极性）下，若在假设参考方

12、向（极性）下，若计算计算值为正，表明电压真实方向与参考方值为正，表明电压真实方向与参考方向一致；若计算值为负，表明电压真向一致；若计算值为负，表明电压真实方向与参考方向相反。实方向与参考方向相反。注意：计算前，一定要标明电压极性；注意：计算前，一定要标明电压极性；参考方向可任意选定，但一旦参考方向可任意选定，但一旦选定，便不再改变。选定，便不再改变。解：（解：（1）相当于正电荷从）相当于正电荷从b到到a失去能量，失去能量，故电压的真实极性为：故电压的真实极性为：b”+”,a”-”。+v-ab例例 2（1）若单位负电荷从）若单位负电荷从a移到移到b，失去，失去4J能能量，问电压的真实极性。量，问

13、电压的真实极性。（2）若电压的参考方向如图，则该电压）若电压的参考方向如图，则该电压v为为多少？多少？（2）单位负电荷移到时，失去）单位负电荷移到时，失去4J能量，说能量，说明电压大小为明电压大小为4伏，由于电压的参考极性与伏，由于电压的参考极性与真实方向相反，因而，真实方向相反，因而，u=-4伏。伏。1-2-3 关联参考方向关联参考方向关联关联：电压与电流的参考方向选为一致。：电压与电流的参考方向选为一致。即即 电流的参考方向为从电压参考极性的正电流的参考方向为从电压参考极性的正极端极端“+”流向流向“”极端。极端。为了方便，电压与电流参考方向关联时，为了方便，电压与电流参考方向关联时，只须

14、标上其中之一即可只须标上其中之一即可。aib+u-1-2-4 功率与能量功率与能量直流时，直流时，P=UIP=UI单位：瓦（单位：瓦（W），），1W=1 J/S=1VA功率功率：能量随时间的变化率：能量随时间的变化率注意：注意：u 与与 I 关联时关联时，u与与 i 不不关联时关联时，无论用上面的哪一个公式，其计算结果无论用上面的哪一个公式，其计算结果 若若 p0 p0，表示该元件吸收功率；，表示该元件吸收功率；若若 p0,吸收吸收6W B段，段，u2,i2不关联，不关联，PB=-u2i2=10 W0,吸收吸收C段，段，u3,i3关联，关联，产生，产生24W功率功率D段，段，u4,i4不关联，

15、不关联，W0,吸收功率吸收功率BCD-u3 +i3+u4 _ i4 验证：验证：=0称为功率守恒称为功率守恒能量能量：从：从-到到 t 时间内电路吸收的总时间内电路吸收的总能量。能量。电路元件特性描述：伏安关系（电路元件特性描述：伏安关系（VCR）无无源源元元件件：该该元元件件在在任任意意电电路路中中，全全部部时时间间里，输入的能量不为负。里，输入的能量不为负。即即 如如R、L、C 1-3电路元件电路元件有源元件有源元件：在任意电路中，在某个时间：在任意电路中，在某个时间 t 内，内，w(t)0，供出电能。如，供出电能。如 uS 、iS。1-3-1 电阻元件电阻元件线性：线性：VCR曲线为曲线

16、为通过原点通过原点的的直线直线。否则，。否则，为非线性。为非线性。时变：时变：VCR曲线随时间变化而变化。曲线随时间变化而变化。非时变：非时变：VCR曲线不随时间变化而变化曲线不随时间变化而变化电阻元件有以下四种类型：电阻元件有以下四种类型：u-i特性特性 线性线性非线性非线性 u u 时不变时不变 i i u t1 t2 u t1 t2时变时变 i i1 线性时不变电阻线性时不变电阻(定常电阻定常电阻)VCR即欧姆定律：即欧姆定律：也称线性电阻元件的约束关系。也称线性电阻元件的约束关系。确定时，确定时，R 增大，则增大，则 i 减小。减小。体现出体现出阻碍电流的能力大小。阻碍电流的能力大小。

17、单位：欧姆（单位：欧姆（）其中，其中，G=1/R称为称为电导电导，单位：西门子（，单位：西门子（S)当当 R=(G=0)时，相当于断开，时，相当于断开，“开路开路”当当 G=（R=0）时，相当于导线，）时，相当于导线，“短路短路”注意：注意：u与与 i 非非关联时关联时，欧姆定理应改写为，欧姆定理应改写为例例4 分别求下图中的电压分别求下图中的电压V或电流或电流I。3A2+u -+-6v -I2解：关联解：关联 非关联非关联iu线性电阻R的VCR电阻是耗能元件，电阻是耗能元件，无源元件。无源元件。线性电阻线性电阻R的的VCR关于原点对称，关于原点对称，因此，线性电阻又因此，线性电阻又称为双向性

18、元件。称为双向性元件。瞬时功率：瞬时功率：实际电阻有实际电阻有额定值额定值（电压，电流）（电压，电流）例例5电阻器，（电阻器，（1）求额定电压和额定电）求额定电压和额定电流。（流。（2）若其上加）若其上加5V电压，求流经的电电压，求流经的电流和消耗的功率。流和消耗的功率。解：（解：（1）额定（）额定（rating)电压电压 额定电流额定电流（2）例例5电阻器，（电阻器，（1）求额定电压和额定）求额定电压和额定电流。（电流。（2）若其上加）若其上加5V电压，求流经电压，求流经的电流和消耗的功率。的电流和消耗的功率。解：解：1-3-2 独立电源独立电源是有源元件，能独立对外提供能量。是有源元件，能

19、独立对外提供能量。1 电压源电压源符号：符号：+-特性：特性：端电压由元件本身确定，与流端电压由元件本身确定，与流过的电流无关；过的电流无关；流过的电流由外电路确定；流过的电流由外电路确定；若若 uS=0=0，相当于一条短路线；，相当于一条短路线；注意不能短接（电流为无穷大）；注意不能短接（电流为无穷大）；uS为常数时为常数时 ，称为直流电压源。，称为直流电压源。VCRVCR曲线曲线平行于平行于i轴的直线。轴的直线。uS为给定时间函数时，称为时变电为给定时间函数时，称为时变电压源。压源。VCRVCR曲线：平行于曲线：平行于i轴的直线，随时轴的直线，随时间变化。间变化。iuSUSiuS(t)uS

20、(t1)uS(t2)特性：特性：流过的电流由元件本身确定，与端电压流过的电流由元件本身确定，与端电压无关；无关；端电压由外电路确定；端电压由外电路确定；若若 iS =0=0，相当于开路；，相当于开路；注意不能开路（电压为无穷大）；注意不能开路（电压为无穷大）；iS 为常数时为常数时 ，称为直流电流源。，称为直流电流源。iS 为时间函数时，称为时变电流源。为时间函数时，称为时变电流源。is2 电流源电流源符号：符号：例例6 图图(a)，求其上电流，求其上电流:（1）R=1 （2）R=10 （3）R=100 图图(b)，求其上电压，求其上电压:（1）R=1 （2）R=10 （3）R=100 解：图

21、解：图(a)，I +us=R10V-图图(b)Is=+1A u R -电流源上电压由外电路确定电流源上电压由外电路确定。1-3-3 受控电源受控电源可可对对外外提提供供能能量量，但但其其值值受受另另外外支支路电压或电流控制，是四端元件。路电压或电流控制，是四端元件。受控电压源受控电压源 受控电流源受控电流源有有四种形式：四种形式：1 受控电压源受控电压源 VCVS 电压放大系数电压放大系数 i1 i2 +u1 uu1 u2-i1 i2 +u1 ri1 u2-CCVS u2=ri1r 转移电阻转移电阻 2 受控电流源受控电流源 VCCS g转移电导转移电导 i1 i2 +u1 gu1 u2-i1

22、 i2 +u1 u2-CCCS 电流放大系数电流放大系数 与独立源与独立源相似相似之处：之处：1受控电压源的电流由外电路决定；受控电压源的电流由外电路决定；受控电流源的电压由外电路决定。受控电流源的电压由外电路决定。2 能对外提供能量（有源）。能对外提供能量（有源）。与独立源与独立源不同不同之处：之处：受控源不能独立作为电路的激励。即：受控源不能独立作为电路的激励。即：电路中若没有独立电源，仅有受控源，电路中若没有独立电源，仅有受控源，电路中任意元件的电压、电流为零。电路中任意元件的电压、电流为零。瞬时功率：关联参考方向下瞬时功率：关联参考方向下由于控制端，不是由于控制端，不是i1=0,就是就

23、是u1=0,故故对于对于CCVS右端接右端接RL的电路，的电路，得得 受控源功率受控源功率 ，即，即 为有源。为有源。i1 i2 +u1 ri1 u2-1-4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律它它们们是是电电路路基基本本定定律律，适适用用于于任任何何集集总总参参数电路，而与元件性质无关。数电路，而与元件性质无关。几个重要名称：几个重要名称：ac d ec d eb（）支路：一个二端元（）支路：一个二端元件称为一条支路。为了减少件称为一条支路。为了减少支路个数，往往将流过同一支路个数，往往将流过同一电流的几个元件的串联组合电流的几个元件的串联组合作为一条支路，如作为一条支路，如a-c-b,a-d-b,a

24、-e-b.a-c-b,a-d-b,a-e-b.()节点：两条或两条以上支路的联结点节点：两条或两条以上支路的联结点 （a,ba,b）ac d eb()网孔：内部不含有网孔：内部不含有 支路的回路支路的回路 （前（前2 2个回路）。个回路）。注意：平面网络才有网注意：平面网络才有网孔的定义。孔的定义。()回路：电路中任一闭合的路径（回路：电路中任一闭合的路径（3 3个）个）a-c-b-d-a,a-d-b-e-a,a-c-b-e-a a-c-b-d-a,a-d-b-e-a,a-c-b-e-a（）网络：指电网络，一般指含元件（）网络：指电网络，一般指含元件较多的电路，但往往把网络与电路不作较多的电路

25、，但往往把网络与电路不作严格区分，可混用；严格区分，可混用；（）平面网络：（）平面网络：可以可以画在一平面上而无画在一平面上而无支路交叉现象的网络；支路交叉现象的网络；（）有源网络：含独立电源的网络。（）有源网络：含独立电源的网络。在集总参数电路中，任一时刻，任一节点在集总参数电路中，任一时刻，任一节点上，所有支路电流的代数和为零。上，所有支路电流的代数和为零。1-4-1基尔霍夫基尔霍夫电流电流定律定律KCLKCLi1 i4 i2 i3说明：说明：先选定参考方向，习惯上取流出该节点先选定参考方向，习惯上取流出该节点的支路电流为正，流入为负。如由下图可的支路电流为正，流入为负。如由下图可得得另一

26、形式：另一形式：流出电流之和流出电流之和=流入电流之和。流入电流之和。实质是电流连续性或电荷守恒原理的体现实质是电流连续性或电荷守恒原理的体现i i3 3i i2 2i i1 1i i6 6i i5 5i i7 7i i4 4电路可以扩大到广义节点（封闭面）可以扩大到广义节点（封闭面）例例7 已知：已知：i1=-1 A,i2=3 A,i 3=4 A,i8=-2A,i 9=3A求：求：i4,i5,i6 ,i7解解：A：i8i4i9i2Bi5Ci7i1Ai3Di6Bi1Ai3Di6D:i8i4i9i2Bi5Ci7在集总参数电路中，任一时刻，任一回在集总参数电路中，任一时刻，任一回路中，各支路电压的

27、代数和等于零。即路中，各支路电压的代数和等于零。即1-4-2基尔霍夫基尔霍夫电压电压定律定律KVLKVL说明：说明：先选定先选定回路的绕行方向。支路电压参考方向与回路的绕行方向。支路电压参考方向与绕行方向一致时取正，相反时取负。绕行方向一致时取正，相反时取负。+-_+_+u3u1u4u2另一形式另一形式电压降之和电压降之和=电压降之和。电压降之和。实质是能量守恒原理在电路中的体现实质是能量守恒原理在电路中的体现u u1 1-u-u2 2-u-u3 3-u-uAD AD=0=0 =u =u1 1-u-u2 2-u-u3 3=3-(-5)-(-4)=12V=3-(-5)-(-4)=12V解解：选顺

28、时针方向选顺时针方向推广到广义回路（假想回路）推广到广义回路（假想回路）例例8 8 求求u uADAD A B A B +u +u1 1=3V-=3V-u u2 2=-5V=-5V E E +u +u3 3=-4V-+=-4V-+C CD例例9 求求 i1 和和 i2 。da+14V-3A-b2V+c+4V-i1i2Iaca:I2+I a c-3=0,得得 I2=1Ad:-I2-I b d-I1=0 I1=-I2-I b d=-1-1=-2A解：解：u b d-4+2=0 u b d=2V,I b d=1Au a c+4-14=0 ua c=10V,I a c=2A例例10 求电压求电压U及各

29、元件吸收及各元件吸收的功率。的功率。解：解：4-I+2I-U/2=0 又又 U=6I 故故 U=12V,I=2AP6 =UI=24W;P4A=-4U=-48W;P2 =U2/2=72W;P2I=-2IU=-48W（产生功率）（产生功率）2I26+4A I U-+6V-+3U-2-U+6I例例11 求电流求电流I及各元及各元件吸收的功率。件吸收的功率。P6 =6I2=54W;P2 =-UI=18W;P6V=-6I=-18W;P3U=3IU=-54W（产（产生功率生功率）解：解：-6-U+3U+6I=0 又又 U=-2I 故故 U=-6V,I=3A电路理论有：电路理论有：一条假设一条假设集总参数集

30、总参数 两条公设两条公设电荷守恒，能量守恒电荷守恒，能量守恒逻辑推论得逻辑推论得电路的两类约束电路的两类约束：拓扑（电路结构）约束拓扑（电路结构）约束KCL、KVL 元件特性约束元件特性约束VCR摘 要1实实际际电电路路的的几几何何尺尺寸寸远远小小于于电电路路工工作作信信号号的的波波长长时时，可可用用电电路路元元件件连连接接而而成成的的集集中中参参数数电电路路(模模型型)来来模模拟拟。基基尔尔霍霍夫夫定定律律适适用用于任何集中参数电路。于任何集中参数电路。2一般来说一般来说,二端电阻由代数方程二端电阻由代数方程f(u,i)=0来来表征。线性电阻满足欧姆定律表征。线性电阻满足欧姆定律(v=Ri)

31、，其特，其特性曲线是性曲线是v-i平面上通过原点的直线平面上通过原点的直线。3电压源的特性曲线是电压源的特性曲线是v-i平面上平行于平面上平行于i轴轴的垂直线。电压源的电压按给定时间函数的垂直线。电压源的电压按给定时间函数vS(t)变化，其电流由变化，其电流由vS(t)和外电路共同确定。和外电路共同确定。4电流源的特性曲线是电流源的特性曲线是v-i平面上平行于平面上平行于v轴轴的水平线。电流源的电流按给定时间函数的水平线。电流源的电流按给定时间函数iS(t)变化，其电压由变化，其电压由iS(t)和外电路共同确定。和外电路共同确定。5基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律(KCL)陈述为：对于任陈述为

32、：对于任何集中参数电路，在任一时刻，流出任一节何集中参数电路，在任一时刻，流出任一节点或封闭面的全部支路电流的代数和等于零。点或封闭面的全部支路电流的代数和等于零。其数学表达式式为其数学表达式式为6基基尔尔霍霍夫夫电电压压定定律律(KVL)陈陈述述为为：对对于于任任何何集集中中参参数数电电路路，在在任任一一时时刻刻，沿沿任任一一回回路路或或闭闭合合节节点点序序列列的的的的各各段段电电压压的的代代数数和和等等于于零。其数学表达式为零。其数学表达式为 7任何集总参数电路的电压电流都要受任何集总参数电路的电压电流都要受KCL、KVL和和VCR方程的约束。直接反方程的约束。直接反映这些约束关系的方程是最基本的电路方映这些约束关系的方程是最基本的电路方程，它们是分析电路的基本依据。程，它们是分析电路的基本依据。作业作业1：P19 1-2 1-4作业作业2 （P20）1-9，1-10，1-12，1-13