《电路分析基础》PPT课件..

20
基尔霍夫简介
1824～1887），德国物理学家。 被誉为“电 路求解大师” 。 1824年3月12日生于普鲁士的柯尼斯堡 （今为俄罗斯加里宁格勒），1887 年10 月17 日卒于柏林。基尔霍夫在柯尼斯堡大学读物理， 1847年毕业后去柏林大学任教，3年后去布雷 斯劳作临时教授。1854年由化学家本生推荐任 海德堡大学教授。1875年到柏林大学作理论物 理教授，直到逝世。 1845年，21岁时他发表了第一篇论文，提 出了稳恒电路网络中电流、电压、电阻关系的 两条电路定律，即著名的基尔霍夫电流定律 （KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL），解决了 电器设计中电路方面的难题。


基尔霍夫电压方程也叫回路电压方程（KCL方程）
26
基尔霍夫电压定律（KVL）

基尔霍夫电压定律的另一种描述：集总参数电
路中，沿任意闭合回路绕行一周，电压降的代数 和=电压升的代数和。

基尔霍夫电压定律是能量守恒的结果，体现了
电压与路径无关这一性质，是任一回路内电压必 须服从的约束关系。
27
KVL示例

电压源(voltage source)



是一个二端元件，其端电压在任意瞬时与其端 电流无关，（或者恒定不变--直流情况，或者 按照某一固有的函数规律随时间变化）。 电压源的端电流取决于负载电路 电压源吸收的瞬时功率P=ui，当P>0时，电压 源吸收功率，起负载作用，反之起电源作用。 在电压源旁并联电阻或其他元件不影响电压输 出。
21
基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff，
基尔霍夫电流定律（KCL）

基尔霍夫电流定律是电荷守恒法则运用于集
总电路的结果，反映电路中各支路电流间的约 束关系。

Fra Baidu bibliotek
定律内容：对于集总参数电路中的任意节点，在任 意时刻，该节点的电流代数和等于零。 数学表达式： 基尔霍夫电流方程也叫节点电流方程（KCL方程）

电压与电流的参考方向

参考方向：任意假定的电压、电流方向。

为什么规定参考方向？ 在实际电路中，我们很难准确知道电流和电压在某 个瞬时的实际方向。 便于建立电路方程。
如何表示参考方向？ 电压参考方向：+、 电流参考方向：→ 如何选择参考方向？ 电压、电流参考方向可以任意规定，不影响分析结果 采用关联参考方向 / 一致参考方向更为方便，也更为常用
44
例题

三极管（晶体管）工作在放大状态时，由 于三极管的集电极电流受基极电流的控制， 所以可采用电流控制的电流源来表示。
45

电路的组成(component)


激励与响应
4
1.1电路和电路模型

电路的作用：能量和信息两大领域

1.电力系统：实现电能的传输和转换。 能量是主要的着眼点。涉及大规模电能的产生、 传输和转换(为其他形式的能量)，构成现代工业生产、 家庭生活电气化等方面的基础。
5
1.1电路和电路模型

2.信息与控制系统：信号的传递与处理。 信息是主要的着眼点。电具有携带信息的能力，如 日常的电话通信，计算机间信息的交流，工业生产的 自动化控制等。电用作信息处理和交换的媒介已成为 当代社会的显著特征。
22


基尔霍夫电流定律（KCL）

基尔霍夫电流定律的另一种描述：任意瞬时，
流入某节点的电流之和等于流出电流之和。

基尔霍夫电流定律不仅适用于节点，同样适用
于任一假想的封闭面。（如课本例题）

基尔霍夫电流定律阐述了电路中任意一点的电
流必须服从的规律，是电荷守恒定律的体现。
23
KCL示例
注意：
首先需规定各支路电流的参考方向，可规 定流入节点为— ，流出为+ 。
7
复杂的电路图
8
复杂的电路图
9
1.2电流、电压的参考方向及功率

电路分析的目的

分析计算电路中的某些电路变量及其变化规律。 电流(单位：安培，A) 电压(单位：伏特，V) 功率(单位：瓦特，W) 电流方向：正电荷的移动方向。 电压方向：电位下降的方向。
10

电路变量


电流、电压的方向
注意：
首先需规定各支路电压的参考方向和回路 的绕行方向。
回路1 ：
回路2 ：
回路3 ：
28
1.4 电阻元件

电阻元件(电阻)



电阻元件是从实际电阻器抽象出来的模型，反映电阻 器对电流呈现阻力的性能。 电阻元件的基本属性：“耗能” 电阻的表示 以符号R表示，电阻值单位：欧姆(Ohm) 以符号G表示，电导值单位：西门子(Seimens)
18
1.3 基尔霍夫定律KCL / KVL

电路分析中的几个基本术语

支路： 1）每一个二端元件构成一个支路。（或电路中的每个分 支为一个支路） 2）电路中的每一个分支为支路，一条支路流过同一个电 流。 节点：支路的连接点叫做节点。两个或两个以上的支路 接于一点叫节点。 简单节点：仅仅关联两个元件的节点。 回路：由若干支路构成的，其中每一个节点只与两条支 路相连接的闭合路径。 网孔：内部不含其余支路的回路称作网孔。
19
支路、节点、回路、网孔
支路： 1、2、3、4、5、6、7 节点： ①、②、③、④、⑤ 简单节点： ④
回路： ①-②-③-④-① ①-②-⑤-① ①-②-⑤-③-④-①等等。 网孔： ①-②-③-④-① ①-②-⑤-① ②-③-⑤-② 思考:①-②-③-⑤-①是网孔吗? 网孔一定是回路，但回路不一定是网孔。
I2<0, 故I2的实际方向与参考方 向相反， I2由b点流向c点。
I3>0, 故I3的实际方向与参考方 向相同， I3由b点流向d点。
14
电压的参考方向
电压参考方向的表示
箭头
+ - 号 双下标 Uab=-Uba （Uab， a参考极性为+，b参考极性为 -）
15
电压的参考方向
已知电压的参考方向连同它的值，则可知其实际方向。 在规定的参考方向下，电压为正值时，其实际方向与其参 考方向相同，否则相反。
42
4种受控源类型

电流控电流源（CCCS）


控制变量为电流，受控变量为电流，常用作晶 体管电路模型中的基本元件。 输入端口和输出端口的特性 α转移电流比或电流放大系数
43
4种受控源类型

电流控电压源（CCVS）


控制变量为电流，受控变量为电压，常用作晶 体管电路模型中的基本元件。 输入端口和输出端口的特性 转移电阻
节点① ：
节点⑤ ：
24
KCL定律的应用
思考： 如图所示，两个电阻都为3Ω，电源为3V,求图 中电流 I 的值。
25
基尔霍夫电压定律（KVL）

基尔霍夫电压定律是能量守恒法则和电荷守恒
法则运用于集总电路的结果，反映电路中各支路 电压间的约束关系。

定律内容：对于任一集总参数电路中的任一回路，在 任意时刻，沿着该回路所有支路电压的代数和为零。 数学表达式：

线性电阻元件与非线性电阻元件 （根据U-I曲线） 非时变电阻元件与时变电阻元件 （根据阻值的特性） 分析重点：线性非时变电阻元件

线性电阻元件的U-I特性(欧姆定律)：
前提：电压和电流取关联参考方向
30
电阻元件分类
线性电阻元件的符号表示 注意为一致参考方向
31
电阻元件的功率

电压电流参考方向不一致时的欧姆定律
16
关于功率

关联参考方向时功率的意义


关联参考方向时，电压电流瞬时值的乘积表示元件吸 收的瞬时功率。 瞬时功率大于零，表示元件吸收功率，消耗能量。 瞬时功率小于零，表示元件发出功率，提供能量。

关于电源与负载

当元件吸收功率时，称元件为负载。反之，则称元件 为电源。
17
答案：该元件起负载作用，吸收功率。

电阻与电导关系：
29
1.4 电阻元件

电阻元件的U-I特性


U-I特性：亦称伏安特性，反映元件电压与电流的关系。 电阻元件在任一时刻的电压值(电流值)仅取决于电阻值和电阻元件 的瞬时电流值（电压值），与其余时刻的电流值(电压值)无关。 因此，电阻元件是一种“无记忆元件”。

电阻元件分类


34
电压源的符号与U-I特性（VCR）
35
电流源

电流源



是一个二端元件，其端电流在任意瞬时与其瑞 电压无关，或者恒定不变(直流情况)，或者按 照某一固有的函数规律随时间变化。 电流源的端电压取决于外接负载 电流源吸收的瞬时功率P=ui,当P>0时，电流源 吸收功率，起负载作用，反之起电源作用。 在电流源旁串联电阻或其他元件不影响电流输 出。
11


电流的参考方向
电流参考方向的表示
箭头
双下标 i ab=-i ba
12
电流的参考方向
已知电流的参考方向连同它的值，则可知其 实际方向。在规定的参考方向下，电流为正值时， 其实际方向与其参考方向相同，否则相反。
13
电流的参考方向
思考: 已知 I1=10A, I2=—2A, I3=8A 。 试 确定I1、 I2、 I3的实际方向。 解 I1>0, 故I1的实际方向与参考方 向相同， I1由a点流向b点。

电阻消耗的瞬时功率
参考方向一致时 参考方向不一致时

电阻消耗的能量
32
1.5 独立电源

术语

电路中的电源：
独立电源：就是电压源的电压或电流源的电流不受外电 路的控制而独立存在的电源。 受控电源：是指电压源的电压和电流源的电流，是受电 路中其它部分的电流或电压控制的电源。 电压源和电流源
33
电压源
6
1.1电路和电路模型

实际电路部件与理想元件关系



实际电路部件可以由一种或几种理想元件进行建模， 以便于精确描述其电磁特性。 例如，我们可以用电阻元件来描述灯泡，用电阻元件 和理想电压源来描述干电池等。 实际元件理想化，称为理想原件或集总参数元件。

电路模型：由若干理想元件构成的电路即实际电 路的电路模型。
电路分析基础
1
本课程的基本要求
明确概念 掌握理论 学会分析 熟悉应用
2
第一章 电路的基本概念和基本定律
3
1.1电路和电路模型

什么是电路(circuit)

电流的通路叫电路
电路是由若干个电气设备或器件按照一定方式组 合起来，亦称电网络或网络（Network）。 简而言之，电路由电源、负载、中间连接部分构成 电路组成部分中的设备或器件，例如供电设备(电 源,source)、用电设备(负载, load)、电阻器、电感器、 电容器、晶体管、电子管等。
36
电流源的符号与U-I特性（VCR）
37
例 题

分析电压源和电流源，哪个是负载？哪个 是电源 ？
38
例 题

负载电路中的电流Ｉ及其两端的电压各为 多少？分析功率平衡关系。
39
1.6 受控源

受控源 又称非独立源，与独立源不同，其电压(或电流)依赖于电路中另 一支路的电压或电流。 用于晶体管、场效应管等器件的建模和电路分析。 受控源的组成 受控源是一个双口元件，其输入端口为控制支路的端口，输出 端为受控支路的端口。 受控源的控制支路或为开路(输入电流为零)或为短路(输入电 压为零)； 受控源的受控支路的电压或电流受输入端口电压或电流的控制。 线性受控源与非线性受控源 线性受控源：受控源的电压(或电流)是控制支路电压或电流的 线性函数。是我们学习的重点。 非线性受控源：受控源的电压(或电流)是控制支路电压或电流 的非线性函数。
40
4种受控源类型

电压控电压源（VCVS）


控制变量、受控变量均为电压，常用作三极管 电路模型的基本元件。 输入端口和输出端口特性 u-转移电压比或电压放大系数
41
4种受控源类型

电压控电流源（VCCS）


控制变量为电压，受控变量为电流，常用作五 极电子管和场效应管电路模型中的基本元件。 输入端口和输出端口的特性 g-转移电导