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1、第1章电路模型和电路模型第1页，共75页，编辑于2022年，星期一重点：重点：1.1.电压、电流的参考方向电压、电流的参考方向3.3.基尔霍夫定律基尔霍夫定律2.2.无源元件和电源元件的特性无源元件和电源元件的特性第2页，共75页，编辑于2022年，星期一1.1 电路和电路模型电路和电路模型1.电路的组成电路的组成电路电路电源电源(发电厂、干电池、光电池发电厂、干电池、光电池)：激励源激励源负荷负荷(用电设备用电设备)导线与开关导线与开关(输电线路输电线路,电路板电路板)激励源：激励源：电源电源响应：响应：由激励产生的电流和电压由激励产生的电流和电压(输入输入)(输出输出)第3页，共75页，编
2、辑于2022年，星期一2.实际电路实际电路（1）实现电能的传输、分配与转换）实现电能的传输、分配与转换 放放放放大大大大器器器器扬声器扬声器扬声器扬声器话筒话筒话筒话筒负负载载电电源源开关开关导线导线（2）实现信号的传递与处理）实现信号的传递与处理第4页，共75页，编辑于2022年，星期一第5页，共75页，编辑于2022年，星期一3.电路模型电路模型实际电路元件实际电路元件抽象抽象u-i 关系关系表示表示理想电路元件理想电路元件（1）基本理想电路元件）基本理想电路元件电阻电阻(resistance)：u-i 代数关系代数关系电感电感(inductance)：u 是是i 的微分关系的微分关系电容
3、电容(capacitance)：i 是是u的微分关系的微分关系电源电源(source)：u-i 相互独立相互独立第6页，共75页，编辑于2022年，星期一US+_R0(2)电路建模电路建模负负载载电电源源开关开关导线导线电电源源负载ISRL+U注意理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似。理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似。I耗耗耗耗能能能能特性特性R磁场磁场磁场磁场特性特性L耗能耗能磁场磁场忽略忽略 LR第7页，共75页，编辑于2022年，星期一1.2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向(1)为什么要引入参考方向？为什么要引入参考方向？(a)电压或电流的电压或电流的方向不确定方向
4、不确定？(b)电压或电流的电压或电流的方向随时间变化方向随时间变化ii=Imsinw wtT/2i0w wtT0 t 0与图上所示方向与图上所示方向相同相同T/2 t T：i 0或或iAB 0AB 真实方向真实方向i参考方向参考方向i 0或或iAB 0或或uAB 0AB-真实方向真实方向+-参考方向参考方向uu 0或或uAB 0实际实际吸收吸收功率功率p吸吸 0实际实际发出发出功率功率P发发 0实际实际吸收吸收功率功率记忆方法记忆方法 p=u i关联关联吸吸非关联非关联发发第17页，共75页，编辑于2022年，星期一例1 1U=10V,I=1A，求各元件吸收的功率。，求各元件吸收的功率。AB1
5、0V+-U10 I解电阻：电阻：关联参考方向关联参考方向 p吸吸=UI=101=10W电阻电阻吸收吸收功率：功率：10W电源：电源：非非关联参考方向关联参考方向 p发发=UI=101=10W电源电源发出发出功率：功率：10W第18页，共75页，编辑于2022年，星期一例例2 2：U1=10V，U2=5V,求电阻和电源的功率求电阻和电源的功率.+-5 IU1U2UR解取各取各U、I参考如图所示。参考如图所示。UR=U1-U2=10-5=5V I=UR/R=5/5=1A 电阻：电阻：关联关联PR吸收吸收=URI=51=5W 吸收吸收电源电源U1：非关联非关联PU1发出发出=U1I=101=10W
6、发出发出电源电源U2：关联关联PU2吸收吸收=U2I=51=5W 吸收吸收结论结论p吸吸=p发发功率守恒功率守恒第19页，共75页，编辑于2022年，星期一例 如图电路，若已知元件吸收功率为如图电路，若已知元件吸收功率为20W，电压，电压U=5V，求电流求电流I。元件元件AB+-UI解由图可知由图可知U、I为关联参考方向，因此为关联参考方向，因此:I=P吸吸U=205=4A第20页，共75页，编辑于2022年，星期一思考：如图电路，若已知元件中电流为如图电路，若已知元件中电流为I=100A，电压，电压U=10V，求电功率，求电功率P，并说明元件是电源还是负载。，并说明元件是电源还是负载。元件元
7、件AB+-UI解由图可知由图可知U、I为非关联参考方向，因此为非关联参考方向，因此:P发出发出=UI=10(-100)=-1000W0p吸吸 -ui -(-R i)i i 2 R -u(-u/R)=u2/R0结论结论电阻始终电阻始终消耗消耗电功率电功率.非关联参考方向下非关联参考方向下R+ui或或p发发 ui(-R i)i -i 2 R 0（无源耗能元件）（无源耗能元件）第30页，共75页，编辑于2022年，星期一（2）能量）能量从从 t0 到到 t 电阻消耗的能量电阻消耗的能量 电能的大小不仅与电压、电流的大小有关，还取决于电能的大小不仅与电压、电流的大小有关，还取决于用电时间的长短。用电时
8、间的长短。1度电的概念度电的概念1000W的电炉加热的电炉加热1小时小时；100W的灯泡照明的灯泡照明10小时小时；40W的灯泡照明的灯泡照明25小时小时。结论结论第31页，共75页，编辑于2022年，星期一3.电阻的开路与短路电阻的开路与短路（1）开路）开路Riu+iu+i=0,u0R=,G=0ui0（2）短路）短路iu+u=0,i0R=0,G=ui0第32页，共75页，编辑于2022年，星期一贴片电阻贴片电阻体积小体积小重量轻重量轻可靠性高可靠性高第33页，共75页，编辑于2022年，星期一碳膜电阻碳膜电阻阻值范围宽阻值范围宽价格低廉价格低廉金属膜电阻金属膜电阻稳定性高稳定性高精度高精度高
9、第34页，共75页，编辑于2022年，星期一线绕电阻线绕电阻功率大功率大第35页，共75页，编辑于2022年，星期一1.6 电压源和电流源电压源和电流源(独立电源独立电源)1.理想电压源理想电压源(1)特点特点(a)端电压由电源本身决定，与外电路无关；端电压由电源本身决定，与外电路无关；电路符号电路符号uSuS直流：直流：uS为常数为常数交流：交流：uS随时间变，例如：随时间变，例如：uS=Umsinw wt(b)电压源的电流由外电路决定。电压源的电流由外电路决定。第36页，共75页，编辑于2022年，星期一(2)伏安特性伏安特性uS+_iu+_uSui0uS=0意味意味着什么？着什么？(3)
10、理想电压源的开路与短路理想电压源的开路与短路(a)开路开路 (b)短路短路电压源严禁短路电压源严禁短路!R=,i=0 u=uS R=0,u=uS i=第37页，共75页，编辑于2022年，星期一(4)功率功率p发发=uS iuS+_iu+_(a)i,uS非关联非关联 或或p吸吸=-uSi(b)i,uS 关联关联 iP吸吸=uS i或或P发发=-uSi第38页，共75页，编辑于2022年，星期一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i+_ _+_10V5V-+先指定参考方向先指定参考方向uRuR=10-5=5Vi=uR/R=5/5=1A(uR，i关联关联)PR吸吸=i2R=15
11、=5W吸收吸收求求10V电源的功率，电源的功率，其其u，i非关联非关联P10V发发=ui=101=10W发出发出(电源电源)求求5V电源的功率，电源的功率，其其u，i关联关联P5V吸吸=ui=51=5W吸收吸收(负载负载)满足满足：P（发发）P（吸吸）第39页，共75页，编辑于2022年，星期一2.理想电流源理想电流源电路符号电路符号iS(1)特点特点(a)电流源电流源电流由电源本身决定，与外电路无关；电流由电源本身决定，与外电路无关；直流：直流：iS为常数为常数交流：交流：iS随时间变，例如：随时间变，例如：iS=Imsinw wt(b)电源两端电压由外电路决定。电源两端电压由外电路决定。第
12、40页，共75页，编辑于2022年，星期一(2)伏安特性伏安特性iSui0iSiu+_iS=0意味着意味着什么？什么？(3)理想电流源的开路与短路理想电流源的开路与短路(a)短路短路 (b)开路开路 R=0,i=iS u=0 R=,i=0iS u=？电流源严禁开路电流源严禁开路!第41页，共75页，编辑于2022年，星期一(4)功率功率(a)i,uS非关联非关联 iSiu+_p发发=uS i或或p吸吸=-uSi(b)i,uS 关联关联+p吸吸=uS i或或p发发=-uSi(5)实际电流源的产生实际电流源的产生稳流电子设备，如光电池，晶体三极管稳流电子设备，如光电池，晶体三极管第42页，共75页
13、，编辑于2022年，星期一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先指定参考方向先指定参考方向5A5V-+i+_ _u求求5A电源的功率，电源的功率，其其u，i非关联非关联P5A发发=ui=55=25W发出发出(电源电源)求求5V电源的功率，电源的功率，其其u，i关联关联P5V吸吸=ui=55=25W吸收吸收(负载负载)满足满足：P（发发）P（吸吸）第43页，共75页，编辑于2022年，星期一实际电源实际电源干电池干电池钮扣电池钮扣电池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，仅取决
14、于（糊状）化学材料，其大小决定储存的能量，化学反应不可逆。存的能量，化学反应不可逆。钮扣电池电动势钮扣电池电动势1.35V，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。第44页，共75页，编辑于2022年，星期一 氢氧燃料电池示意图氢氧燃料电池示意图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%的化学能转变为的化学能转变为电能。实验阶段加燃料可继续工作。电能。实验阶段加燃料可继续工作。第45页，共75页，编辑于2022年，星期一3.3.太阳能电池（光能电源）太阳能电池（光能电源）一个一
15、个50cm2太阳能电池的电动势太阳能电池的电动势0.6V,电流电流0.1A。太阳光照射到太阳光照射到P-N结上，形成一个从结上，形成一个从N区流向区流向P区的电流。区的电流。约约 11%的光能转变为电能，故常用太阳能电池板。的光能转变为电能，故常用太阳能电池板。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第46页，共75页，编辑于2022年，星期一光伏发电光伏发电第47页，共75页，编辑于2022年，星期一国际空间站太阳能电池板国际空间站太阳能电池板 第48页，共75页，编辑于2022年，星期一绿色环保节能太阳能绿色环保节能太阳能 第49页，共75页，编辑于2022年，星期一蓄电池
16、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，当电解液浓度小于一。使用时，电池放电，当电解液浓度小于一定值时，电动势低于定值时，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。第50页，共75页，编辑于2022年，星期一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第51页，共75页，编辑于2022年，星期一发电机组发电机组第52页，共75页，编辑于2022年，星期一水电站水电站第53页，共75页，编辑于2022年，星期一第54页，共75页，编辑于2022年，星期一风力发电风力发电第55页，共75页
17、，编辑于2022年，星期一1.7 受控电源受控电源(非独立源非独立源)1.定义定义受控电压源受控电压源该该电压源电压源的电压的电压由电路中某电压或电流控制由电路中某电压或电流控制。受控电流源受控电流源该该电流源电流源的电流的电流由电路中某电压或电流控制由电路中某电压或电流控制。电路符号电路符号+受控电压源受控电压源受控电流源受控电流源第56页，共75页，编辑于2022年，星期一(1)电流控制的电流源电流控制的电流源(Current Controlled Current Source)2.四种类型四种类型b b i1+_u2i2_u1i1+CCCS :电流放大倍数电流放大倍数 i2=i1(2)电
18、流控制的电压源电流控制的电压源(Current Controlled Voltage Source)i2i1r i1+_u2_u1+_+CCVSu2=r i1r :转移电阻转移电阻 第57页，共75页，编辑于2022年，星期一(3)电压控制的电流源电压控制的电流源(Voltage Controlled Current Source)gu1+_u2i2_u1i1+VCCSi2=gu1g:转移电导转移电导 (4)电压控制的电压源电压控制的电压源(Voltage Controlled Voltage Source)u1+_u2_u1+_i2i1+VCVSu2=u1 :电压放大倍数电压放大倍数，g，r
19、 为常数时，称线性受控源。为常数时，称线性受控源。第58页，共75页，编辑于2022年，星期一3.受控源与独立源的比较受控源与独立源的比较独立源独立源电压电压(或电流或电流)由电源本身决定由电源本身决定，受控源受控源电压电压(或电流或电流)由控制量决定由控制量决定。独立源独立源起起“激励激励”作用，在电路中产生电压、电流，作用，在电路中产生电压、电流，受受控控源源是是反反映映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控制关系，在电路中的控制关系，在电路中不能作为不能作为“激励激励”。第59页，共75页，编辑于2022年，星期一例求：电压求：电压u2解解5i1+_
20、u2_i1+-3u1=6V+_ _uR第60页，共75页，编辑于2022年，星期一1.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫基尔霍夫(G.R.Kirchhoff)(1824-1887)德国物理学家德国物理学家以光谱分析，光学和电学的研究著名。以光谱分析，光学和电学的研究著名。1860年发现铯和年发现铯和铷铷元素。元素。21岁提出了著名的电流定律和电压定律。岁提出了著名的电流定律和电压定律。分析电路最基本的依据，分析电路最基本的依据，被称为被称为“电路求解大师电路求解大师”。基尔霍夫基尔霍夫电流定律电流定律(Kirchhoffs Current LawKCL)基尔霍夫基尔霍夫电压定律电压定律(Ki
21、rchhoffs Voltage LawKVL)第61页，共75页，编辑于2022年，星期一1.几个名词几个名词1.支路支路(branch)：2.结点结点(node):4.回路回路(loop)：b=33.路径路径(path)：5.网孔网孔(mesh)：ab+_R1uS1+_uS2R2R3l=3n=2123123电路中流过同一电流的每个分支电路中流过同一电流的每个分支.(b)支路的连接点。支路的连接点。(n)两结点间的一条通路。路径由支路构成。两结点间的一条通路。路径由支路构成。由支路组成的闭合路径。由支路组成的闭合路径。(l)对对平面电路平面电路，每个网眼即为网孔。，每个网眼即为网孔。网孔是回
22、路，但回路不一定是网孔。网孔是回路，但回路不一定是网孔。第62页，共75页，编辑于2022年，星期一2.基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律(KCL)物理基础物理基础:电荷守恒电荷守恒i1+i2 i3+i4=0i1i4i2i3例例对于电路中的任一结点，在任一时刻：对于电路中的任一结点，在任一时刻：或或 流入结点流入结点的电流的的电流的代数和代数和为零：为零：i1+i3=i2+i4或或第63页，共75页，编辑于2022年，星期一7A4Ai110A-12Ai2例例 求求i1，i2解：解：对结点编号对结点编号12对结点对结点1：4 7i1=0得得i1=3A 对结点对结点2：i1+i210 (12)=0得
23、得 i2=1A 第64页，共75页，编辑于2022年，星期一KCL的推广：的推广：ABiABiiABi3i2i1两条支路电流大小相等，两条支路电流大小相等，一个流入，一个流出。一个流入，一个流出。只有一条支路相连，则只有一条支路相连，则 i=0。第65页，共75页，编辑于2022年，星期一明确明确KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任意结是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任意结点处的反映；点处的反映；KCL是对结点处支路电流加的约束，与元件无关，是对结点处支路电流加的约束，与元件无关，与电路是线性还是非线性无关；与电路是线性还是非线性无关；KCL方程按电流参考方向列写的，与电流实方程按电流
24、参考方向列写的，与电流实际方向无关。际方向无关。第66页，共75页，编辑于2022年，星期一3.基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律(KVL)在在电路中，任一时刻，电路中，任一时刻，沿任一回路沿任一回路:或沿任一回路，按一定绕行方向，电压上升的代数和为零或沿任一回路，按一定绕行方向，电压上升的代数和为零:第67页，共75页，编辑于2022年，星期一例 列写下图的列写下图的KVL方程。方程。解解-U1-US1I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4指定绕行方向指定绕行方向(上升：上升：-，下降：，下降：+)+U2+U3+U4+US4=0-I1R1-US1+I2R2-I3R
25、3+I4R4+US4=0-I1R1+I2R2-I3R3+I4R4=US1-US4KVL也适用于电路中任一假想的回路。也适用于电路中任一假想的回路。注意第68页，共75页，编辑于2022年，星期一例例:求求UbaaUsb_-+U2U1-US-U2-U1+Uba=0Uba=US+U2+U1明确明确KVL的实质反映了电路遵从能量守恒定律的实质反映了电路遵从能量守恒定律;KVL是对回路电压加的约束，与元件无关，与电路是线性还是非是对回路电压加的约束，与元件无关，与电路是线性还是非线性无关；线性无关；KVL方程按电压参考方向列写，与电压实际方向无关。方程按电压参考方向列写，与电压实际方向无关。第69页，
26、共75页，编辑于2022年，星期一图示电路：求图示电路：求U和和I。例例 解：解：1A3A2A3V2V3 UIU1+-+-+-+先求先求I:列列KCL:3+1-2+I=0得得I=-2A列列KVL:U+U1+3-2=0U1=I3=-6VU=5V第70页，共75页，编辑于2022年，星期一例例求下图电路开关求下图电路开关S打开和闭合时的打开和闭合时的i1和和i2。i1=0i2=i+2i10V5 5 i1i2ii2S解：解：S打开时：打开时：列列KCL:5i+5i2=10列列KVL:i2=1.5(A)i2=0i1=i+2iS闭合时：闭合时：列列KCL:i=10/5=2Ai1=6(A)第71页，共75
27、页，编辑于2022年，星期一4.KCL、KVL小结：小结：KCL是对支路电流的线性约束是对支路电流的线性约束;KVL是对是对回回路电压的线性约束。路电压的线性约束。KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。与组成支路的元件性质及参数无关。KCL表明在每一节点上电荷是守恒的；表明在每一节点上电荷是守恒的；KVL是是能量守恒能量守恒的具体体现的具体体现(电压与路径无关电压与路径无关)。KCL、KVL只适用于集总参数的电路。只适用于集总参数的电路。第72页，共75页，编辑于2022年，星期一本章小结本章小结1.电压、电流的参考方向电压、电流的参考方向关联参考方向关联参考方向 非关联参考方向非关联参考方向u=RiABR+-uiu=-RiABR+-ui p吸吸=u i p吸吸=u(-i)p发发=u i第73页，共75页，编辑于2022年，星期一2.无源元件和电源元件的特性无源元件和电源元件的特性无源元件无源元件电源元件电源元件独立电源独立电源受控电源受控电源电压源电压源电流源电流源CCCS i2=i1CCVS u2=r i1VCCS i2=g u1VCVS u2=u1第74页，共75页，编辑于2022年，星期一3.基尔霍夫定律基尔霍夫定律KCL或或KVL或或第75页，共75页，编辑于2022年，星期一