《电路和电路模型》PPT课件.ppt

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1、电路基础电路基础石家庄理工职业学院石家庄理工职业学院计算机与信息技术系计算机与信息技术系 葛葛 莉莉主要内容主要内容电路和电路模型电路的基本物理量电路的参考方向无源元件的介绍项目一项目一认识电路的基本物理量和基尔霍夫定律认识电路的基本物理量和基尔霍夫定律1.1 1.1 电路和电路模型电路和电路模型 电路的概念电路的概念 由实际元器件构成的电流的通路称为电路。由实际元器件构成的电流的通路称为电路。1 1、电路的组成及其功能、电路的组成及其功能电路是电流的通路电路通常由电路通常由电源电源、负载负载和和中间环节中间环节三部分组成。三部分组成。电路的组成电路的组成1 1、电路的组成及其功能、电路的组成

2、及其功能火线火线火线火线.零线零线零线零线电源电源电源电源连接导线和其余连接导线和其余连接导线和其余连接导线和其余设备为中间环节设备为中间环节设备为中间环节设备为中间环节负载负载负载负载电路可以实现电能的传输、分配和电路可以实现电能的传输、分配和转换。转换。电力系统中电力系统中电子技术中电子技术中电路可以实现电信号的传递、变换、电路可以实现电信号的传递、变换、存储和处理。存储和处理。1 1、电路的组成及其功能、电路的组成及其功能 电路的功能电路的功能2 2、电路模型、电路模型实体电路实体电路实体电路实体电路连接导线连接导线负负载载电电源源开关开关SRL+UIUS+_R0电路模型电路模型电路模型

3、电路模型电源电源电源电源负载负载负载负载中间环节中间环节中间环节中间环节 用抽象的理想电路元件及其组合，近似地代替实用抽象的理想电路元件及其组合，近似地代替实际的器件，从而构成了与实际电路相对应的电路模型。际的器件，从而构成了与实际电路相对应的电路模型。理想电路元件理想电路元件R+US电阻元件电阻元件只具耗能只具耗能的电特性的电特性电容元件电容元件只具有储只具有储存电能的存电能的电特性电特性理想电压源理想电压源输出电压恒输出电压恒定，输出电定，输出电流由它和负流由它和负载共同决定载共同决定理想电流源理想电流源 输出电流输出电流恒定，两端电恒定，两端电压由它和负载压由它和负载共同决定。共同决定。

4、L电感元件电感元件只具有储只具有储存磁能的存磁能的电特性电特性IS 理想电路元件是实际电路器件的理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似化理想化和近似化，其电其电特性特性单一、精确单一、精确，可定量分析和计算可定量分析和计算。C3 3、理想元件、理想元件5种基本理想电路元件有三个特征：种基本理想电路元件有三个特征：（a a）只有两个端子；）只有两个端子；（b b）可以用电压或电流按数学方式描述；）可以用电压或电流按数学方式描述；（c c）不能被分解为其他元件。）不能被分解为其他元件。注意注意v电路元件按照其与电路其他部分相连接的端钮数，电路元件按照其与电路其他部分相连接的端钮数，可以分为可以分

5、为二端元件二端元件和和多端元件多端元件。二端元件通过两。二端元件通过两个端钮与电路其他部分连接；多端元件通过三个个端钮与电路其他部分连接；多端元件通过三个或三个以上端钮与电路其他部分连接。或三个以上端钮与电路其他部分连接。3 3、理想元件、理想元件电路由哪几部分电路由哪几部分组成？各部分的组成？各部分的作用是什么？作用是什么？何谓理想电路元件？何谓理想电路元件？其中其中“理想理想”二字在二字在实际电路的含义？实际电路的含义？理想元件有何理想元件有何特征？特征？如何在电路如何在电路中区分电源中区分电源和负载？和负载？试述电路的功试述电路的功能？何谓能？何谓“电电路模型路模型”？学好本课程，应注意

6、抓好四个主要环节：学好本课程，应注意抓好四个主要环节：提前预习、提前预习、提前预习、提前预习、认真听课、及时复习、独立作业。认真听课、及时复习、独立作业。认真听课、及时复习、独立作业。认真听课、及时复习、独立作业。还要处理好三个还要处理好三个基本关系：基本关系：听课与笔记、作业与复习、自学与互学。听课与笔记、作业与复习、自学与互学。听课与笔记、作业与复习、自学与互学。听课与笔记、作业与复习、自学与互学。1.2 1.2 电路基本物理量及参考方向电路基本物理量及参考方向 电电路路中中的的主主要要物物理理量量有有电电压压、电电流流、电电荷荷、磁磁链链、能能量量、电电功功率率等等。在在线线性性电电路路

7、分分析析中中人人们们主主要要关心的物理量是电流、电压和功率。关心的物理量是电流、电压和功率。1.1.电流的参考方向电流的参考方向l电流电流l电流强度电流强度带电粒子有规则的定向运动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单位时间内通过导体横截面的电荷量l方向方向 规定正电荷的运动方向为电流的实际方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向l单位单位1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（安培）、（安培）、kA、mA、A元件元件(导线导线)中电流流动的实际方向只有两种可能中电流流动的实际方向只有两种可能:实际方向实际方向AB实际方向实际方向AB 对于复杂电路或电路中的

8、电流随时间变化时，对于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。电流的实际方向往往很难事先判断。问题l参考方向参考方向 大小大小方向方向(正负）正负）电流电流(代数量代数量)任意假定一个正电荷运动的方任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。向即为电流的参考方向。i 0i 0参考方向参考方向U+参考方向参考方向U+0 吸收正功率吸收正功率(实际吸收实际吸收)负载负载P0 发出正功率发出正功率 (实际发出实际发出)P0 发出负功率发出负功率 (实际吸收实际吸收)l u,i 取非取非关联参考方向关联参考方向+-iu+-iu例例 求图示电路中各求图示电路中各方框所代表

9、的元件吸方框所代表的元件吸收或产生的功率。收或产生的功率。已知：已知：U1=1V,U2=-3V，U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V，I1=2A,I2=1A,，I3=-1A 564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1解解:对一完整的电路，满足：对一完整的电路，满足：发出的功率吸收的功率发出的功率吸收的功率564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1注意注意已知：已知：U1=1V,U2=-3V，U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V，I1=2A,I2=1A,，I3=-1A 想想、练练 已知某电路中已知某电路中Uab=-Uab=-5V,5V,试说明试说明a,

10、ba,b两点哪两点哪点电位高？点电位高？一个元件的功率为一个元件的功率为P=100WP=100W，试讨论关联与，试讨论关联与非关联参考方向下，该非关联参考方向下，该元件吸收还是发出功率元件吸收还是发出功率？想想、练练 I3132+-+-I1I2U1U2U3如如图所示的所示的电路中有三个元件。路中有三个元件。电流、流、电压的参考方向如的参考方向如图中箭中箭头所示，所示，实验测得：得：I1=3A,I2=-3A,I3=-3A,U1=-120V,U2=70V,U3=-50V试指出各元件指出各元件电流、端流、端电压的的实际方向，方向，计算元件的功率，并指出哪个算元件的功率，并指出哪个元件吸收功率，哪个元

11、件元件吸收功率，哪个元件发出功率。出功率。1.4 1.4 电路元件电路元件是电路中最基本的组成单元。是电路中最基本的组成单元。1.1.电路元件电路元件5种基本的理想电路元件：种基本的理想电路元件：电阻元件：表示消耗电能的元件电阻元件：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容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件电压源和电流源：表示将其它形式的能量转变成电压源和电流源：表示将其它形式的能量转变成 电能的元件。电能的元件。注意 如果表征元件端子特性的数学关系式是线性关系，如果表征元件端子特性

12、的数学关系式是线性关系，该元件称为线性元件，否则称为非线性元件。该元件称为线性元件，否则称为非线性元件。1.4.1 1.4.1 电阻元件电阻元件2.2.线性时不变电阻元件线性时不变电阻元件l 电路符号电路符号R电阻元件电阻元件对电流呈现阻力的元件。其特性可对电流呈现阻力的元件。其特性可用用ui平面上的一条曲线来描述：平面上的一条曲线来描述：iu任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。1.1.定义定义伏安伏安特性特性0l ui 关系关系R 称为电阻，单位：称为电阻，单位：(Ohm)满足欧姆定律满足欧姆定律l 单位单位G 称为电导，单位称为电导，单位：S(Sie

13、mens)u、i 取关联取关联参考方向参考方向伏安特伏安特性为一性为一条过原条过原点的直点的直线线ui0Rui+如电阻上的电压与电流参考方向非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；关联，公式中应冠以负号；说明线性电阻是无记忆、双向性的说明线性电阻是无记忆、双向性的元件。元件。欧姆定律欧姆定律只适用于线性电阻只适用于线性电阻(R 为常数为常数）；）；则欧姆定律写为则欧姆定律写为u R i i G u公式和参考方向必须配套使用！公式和参考方向必须配套使用！无特殊说明一般均使用关联参考方向无特殊说明一般均使用关联参考方向注意注意Rui-+3.3.功率和能量功率和能量电阻元件在任何时刻

14、总是消耗功率的。电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。p -u i(-R i)i i2 R -u2/Rp u i i2R u2/Rl 功率功率Rui+-表明表明Rui-+ui从从 t0 到到 t 电阻消耗的能量：电阻消耗的能量：4.4.电阻的开路与短路电阻的开路与短路l 能量能量l 短路短路l 开路开路uiRiu+u+i00实际电阻器实际电阻器5.5.线性电阻元件的串、并联线性电阻元件的串、并联1.1.串联串联特点：特点：1.流过所有电阻的电流流过所有电阻的电流i相同相同2.u=u1+u2+un3.Req=R1+R2+Rn分压公式：分压公式：2.2.并联并联特点：特点：1.1.所有电阻的电压所有电

15、阻的电压u相同相同2.i=i1+i2+in3.分流公式：分流公式：1.4.2 1.4.2 电容元件电容元件 (Capacitor)(Capacitor)电容器电容器_q+q 在外电源作用下，两极板在外电源作用下，两极板上分别带上等量异号电荷，上分别带上等量异号电荷，撤去电源，板上电荷仍可撤去电源，板上电荷仍可长久地集聚下去，是一种长久地集聚下去，是一种储存电能的部件。储存电能的部件。1.定定 义义电容元件电容元件储存电能的元件。其特储存电能的元件。其特性可用性可用uq 平面上的平面上的一条曲线来描述一条曲线来描述qu库伏库伏特性特性 任任何何时时刻刻，电电容容元元件件极极板板上上的的电电荷荷q

16、与与电电压压 u 成成正正比比，q u 特性是过原点的直线。特性是过原点的直线。电路符号电路符号2.线性电容元件线性电容元件C 称为电容器的电容称为电容器的电容,单位：单位：F(法法)(Farad，法拉，法拉),常用常用 F、pF、nF等表示。等表示。1F=103 F=106 pF=109 nFquO 单位单位Cu线性电容的电压、电流关系线性电容的电压、电流关系电容元件电容元件VCR的微分形式的微分形式表明表明:(1)i 的大小取决于的大小取决于 u 的变化率的变化率,与与 u 的大小无关，的大小无关，电容电容是动态元件；是动态元件；(2)当当 u 为常数为常数(直流直流)时，时，i=0。电容

17、相当于开路，电容。电容相当于开路，电容 有隔断直流作用；有隔断直流作用；(3)实际电路中通过电容的电流实际电路中通过电容的电流 i 为有限值，则电容电压为有限值，则电容电压u 必定是时间的连续函数。必定是时间的连续函数。Cu+q-qu、i 取关联取关联参考方向参考方向电容元件有记忆电流的作用，故称电容为记忆元件电容元件有记忆电流的作用，故称电容为记忆元件（1）当当 u，i 为为非非关关联联方方向向时时，上上述述微微分分和和积积分分表表达达式前要冠以负号式前要冠以负号;电容元件电容元件VCR的积分形式的积分形式表明表明:注注（2）上上式式中中 u(t0)称称为为电电容容电电压压的的初初始始值值，

18、它它反反映映电电容初始时刻的储能状况，也称为初始状态。容初始时刻的储能状况，也称为初始状态。3.电容的功率和储能电容的功率和储能功率功率u、i 取关联取关联参考方向参考方向电容的储能电容的储能（1）电容的储能只与当时的电压值有关，电容）电容的储能只与当时的电压值有关，电容 电压不能跃变，反映了储能不能跃变；电压不能跃变，反映了储能不能跃变；表表明明（2）电容储存的能量一定大于或等于零。）电容储存的能量一定大于或等于零。课本本13页1-15从从 t1 时刻到时刻到 t2时刻电容储能的变化量：时刻电容储能的变化量：电容能在一段时间内吸收外部供给的能量，转化为电容能在一段时间内吸收外部供给的能量，转

19、化为电场能量储存起来，在另一段时间内又把能量释放回电电场能量储存起来，在另一段时间内又把能量释放回电路，因此电容元件是无源元件、是储能元件，它本身不路，因此电容元件是无源元件、是储能元件，它本身不消耗能量。消耗能量。1.4.2 1.4.2 电感元件电感元件 (Inductor(Inductor)u(t)电感器电感器把金属导线绕在一把金属导线绕在一骨架上构成一实际骨架上构成一实际电感器，当电流通电感器，当电流通过线圈时，将产生过线圈时，将产生磁通，是一种储存磁通，是一种储存磁场能量的部件。磁场能量的部件。(t)N (t)1.定义定义电感元件电感元件储存磁能的元件。其特储存磁能的元件。其特性可用性

20、可用 i 平面上的一平面上的一条曲线来描述。条曲线来描述。i 韦安韦安特性特性i(t)(t)(t)任任何何时时刻刻，通通过过电电感感元元件件的的电电流流i与与其其磁磁链链 成成正正比比。i 特性是过原点的直线。特性是过原点的直线。电路符号电路符号2.2.线性电感元件线性电感元件L 称为电感器的自感系数称为电感器的自感系数,L的单位：的单位：H(亨亨)(Henry，亨利，亨利)，常用，常用 H，mH表示。表示。iO 单位单位+u(t)iL线性电感的电压、电流关系线性电感的电压、电流关系u、i 取取 关关联联参参考考方方向向表明表明(1)电感电压电感电压u 的大小取决于的大小取决于i 的变化率的变

21、化率,与与i 的大小无的大小无关，电感是动态元件；关，电感是动态元件；(2)当当i为常数为常数(直流直流)时，时，u=0。电感相当于短路；。电感相当于短路；(3)实际电路中电感的电压实际电路中电感的电压 u为有限值，则电感电流为有限值，则电感电流 i 不不能跃变，必定是时间的连续函数。能跃变，必定是时间的连续函数。根根据据电电磁磁感感应应定定律律 与与 楞楞 次次 定定 律律+u(t)iL电感元件电感元件VCR的微分关系的微分关系 电感元件有记忆电压的作用，故称电感为记忆元件。电感元件有记忆电压的作用，故称电感为记忆元件。（1）当当 u，i 为为非非关关联联方方向向时时，上上述述微微分分和和积

22、积分分表表达达式前要冠以负号式前要冠以负号;表明表明注注电感元件电感元件VCR的积分形式的积分形式（2）上上式式中中 i(t0)称称为为电电感感电电流流的的初初始始值值，它它反反映映电电感初始时刻的储能状况，也称为初始状态。感初始时刻的储能状况，也称为初始状态。3.3.电感的功率和储能电感的功率和储能 功率功率u、i 取关取关联参考方向联参考方向电感的储能电感的储能（1）电感的储能只与当时的电流值有关，电感）电感的储能只与当时的电流值有关，电感 电流不能跃变，反映了储能不能跃变；电流不能跃变，反映了储能不能跃变；表明表明（2）电感储存的能量一定大于或等于零。）电感储存的能量一定大于或等于零。从

23、从t0到到 t 电感储能的变化量：电感储能的变化量：电感能在一段时间内吸收外部供给的能量转化为磁场能电感能在一段时间内吸收外部供给的能量转化为磁场能量储存起来，在另一段时间内又把能量释放回电路，因此电量储存起来，在另一段时间内又把能量释放回电路，因此电感元件是无源元件、是储能元件，它本身不消耗能量。感元件是无源元件、是储能元件，它本身不消耗能量。电容元件与电感元件的比较电容元件与电感元件的比较电容电容 C电感电感 L变量变量电流电流 i磁链磁链 关系式关系式电压电压 u电荷电荷 q(1)元件方程的形式是相似的；元件方程的形式是相似的；(2)若若把把 u i，q ，C L 互互换换,可可由由电电

24、容容元元件件的方程得到电感元件的方程；的方程得到电感元件的方程；(3)C 和和 L称为对偶元件称为对偶元件,、q 等称为对偶元素。等称为对偶元素。结论结论 1.5 1.5 电压源和电流源电压源和电流源l电路符号电路符号1.1.理想电压源理想电压源l定义定义i+_其两端电压总能保持定值或一定其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其值与流过它的电的时间函数，其值与流过它的电流流 i 无关的元件叫理想电压源。无关的元件叫理想电压源。电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；与流经电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；与流经它的电流方向、大小无关它的电流方向、大小无关。通过电压源的电流由电源及外

25、电路通过电压源的电流由电源及外电路共同决定。共同决定。l理想电压源的电压、电流关系理想电压源的电压、电流关系ui直流电压源直流电压源的伏安关系的伏安关系例例Ri-+外电路外电路电压源不能短路！电压源不能短路！0l电压源的功率电压源的功率电压、电流参考方向非关联；电压、电流参考方向非关联；+_iu+_ 电流（正电荷电流（正电荷 ）由低电位向高）由低电位向高电位移动，外力克服电场力作功，电源发出电位移动，外力克服电场力作功，电源发出功率。功率。发出功率，起电源作用发出功率，起电源作用物理意义：物理意义：+_iu+_电压、电流参考方向关联；电压、电流参考方向关联；物理意义：物理意义：电场力做功，电源

26、吸收功率电场力做功，电源吸收功率吸收功率，充当负载吸收功率，充当负载例例计算图示电路各元件的功率计算图示电路各元件的功率解：解：发出发出吸收吸收吸收吸收满足满足：P（发发）P（吸吸）i+_+_10V5V-+其输出电流总能保持定值或一定的其输出电流总能保持定值或一定的时间函数，其值与它的两端电压时间函数，其值与它的两端电压u 无关的元件叫理想电流源。无关的元件叫理想电流源。l 电路符号电路符号2.2.理想电流源理想电流源l 定义定义u+_l 理想电流源的电压、电流关系理想电流源的电压、电流关系电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关；与它两端电压方向

27、、大小无关。关；与它两端电压方向、大小无关。电流源两端的电压由电源及外电路共电流源两端的电压由电源及外电路共同决定。同决定。ui直流电流源的直流电流源的伏安关系伏安关系0例例Ru-+外电路外电路电流源不能开路！电流源不能开路！可可由由稳稳流流电电子子设设备备产产生生，如如晶晶体体管管的的集集电电极极电电流流与与负负载载无无关关；光电池在一定光线照射下光电子被激发产生一定值的电流等。光电池在一定光线照射下光电子被激发产生一定值的电流等。实际电流源的产生：实际电流源的产生：l 电流源的功率电流源的功率u+_电压、电流的参考方向非关联；电压、电流的参考方向非关联；发出功率，起电源作用发出功率，起电源

28、作用电压、电流的参考方向关联；电压、电流的参考方向关联；u+_吸收功率，充当负载吸收功率，充当负载例例计算图示电路各元件的功率计算图示电路各元件的功率解解发出发出发出发出满足满足：P（发）（发）P（吸）（吸）u2Ai+_5V-+实际电源实际电源干电池钮扣电池1.1.干电池和钮扣电池（化学电源）干电池和钮扣电池（化学电源）干电池电动势干电池电动势1.5V，仅取决于（糊状）化学材料，其大小决定储存，仅取决于（糊状）化学材料，其大小决定储存的能量，化学反应不可逆。的能量，化学反应不可逆。钮扣电池电动势钮扣电池电动势1.35V V，用固体化学材料，化学反应不可逆。，用固体化学材料，化学反应不可逆。氢氧

29、燃料电池示意图2.2.燃料电池（化学电源）燃料电池（化学电源）电池电动势电池电动势1.23V。以氢、氧作为燃料。约。以氢、氧作为燃料。约40-45%的化学的化学能转变为电能。实验阶段加燃料可继续工作。能转变为电能。实验阶段加燃料可继续工作。3.3.太阳能电池（光能电源）太阳能电池（光能电源）一块太阳能电池电动势一块太阳能电池电动势0.6V。太阳光照射到。太阳光照射到P-N结上，结上，形成一个从形成一个从N区流向区流向P区的电流。约区的电流。约 11%的光能转变为电的光能转变为电能，故常用太阳能电池板。能，故常用太阳能电池板。一个一个50cm2太阳能电池的电动势太阳能电池的电动势0.6V,电流电

30、流0.1A 太阳能电池示意图太阳能电池示意图太阳能电池板太阳能电池板蓄电池示意图蓄电池示意图4.4.蓄电池（化学电源）蓄电池（化学电源）电池电动势电池电动势2V。使用时，电池放电，当电解液浓度小。使用时，电池放电，当电解液浓度小于一定值时，电动势低于于一定值时，电动势低于2V，常要充电，化学反应可逆。，常要充电，化学反应可逆。直流稳压源直流稳压源变频器变频器频率计频率计函数发生器函数发生器发电机组发电机组草原上的风力发电草原上的风力发电1.5.2 1.5.2 受控电源受控电源(非独立源非独立源)l 电路符号电路符号+受控电压源受控电压源1.1.定义定义受控电流源受控电流源 电压或电流的大小和方

31、向不是给定电压或电流的大小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的时间函数，而是受电路中某个地方的电压(或电或电流流)控制的电源，称受控源。控制的电源，称受控源。电流控制的电流源电流控制的电流源 (CCCS):电流放大倍数电流放大倍数 根据控制量和被控制量是电压根据控制量和被控制量是电压u 或电流或电流i，受控源，受控源可分四种类型：当被控制量是电压时，用受控电压可分四种类型：当被控制量是电压时，用受控电压源表示；当被控制量是电流时，用受控电流源表示。源表示；当被控制量是电流时，用受控电流源表示。2.2.分类分类四端元件四端元件输出：受控部分输出：受控部分输入：控制部分输入：控制

32、部分 i1+_u2i2_u1i1+g:转移电导转移电导 电压控制的电流源电压控制的电流源 (VCCS)电压控制的电压源电压控制的电压源 (VCVS):电压放大倍数电压放大倍数 gu1+_u2i2_u1i1+i1u1+_u2i2_u1+_电流控制的电压源电流控制的电压源 (CCVS)r:转移电阻转移电阻 例例电路模型电路模型ibicibri1+_u2i2_u1i1+_3.3.受控源与独立源的比较受控源与独立源的比较独独立立源源电电压压(或或电电流流)由由电电源源本本身身决决定定，与与电电路路中中其其它它电电压压、电电流流无无关关，而而受受控控源源电电压压(或或电电流流)由控制量决定。由控制量决定。独独立立源源在在电电路路中中起起“激激励励”作作用用，在在电电路路中中产产生生电电压压、电电流流，而而受受控控源源是是反反映映电电路路中中某某处处的的电电压压或或电电流流对对另另一一处处的的电电压压或或电电流流的的控控制制关关系系，在电路中不能作为在电路中不能作为“激励激励”。例例求：电压求：电压u2解解5i1+_u2_i1+-3u1=6V