第1章 电路模型和电路定律

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这是能量守恒的必然结果!

注意:
(1)KCL 、KVL广泛适用于集总参数电路(不适用于分布 参数电路)。 (2)KCL 、KVL只与电路的连接结构(拓扑)有关, 与元件特性无关。 (3)列KCL方程前:先标出结点号,设流入 /出 为正。 列KVL方程前:先画出回路,标出回路号,设电压升 / 降 为正。 (4)注意利用KCL、KVL、功率守恒 进行验算。
2、对“广义结点”,KCL仍成立
流入流出封闭面的电流代数之和为零。 设流出为正,由 KCL知:
a
ia ib ic
� i1 � i2 �
� -ia+ i1 - i3= 0 ib- i1 + i2= 0 � -i -ic - i2 + i3= 0 i3
三式相加 ,证得:
b c
i c= 0 - ia- ib -i
电 路
任课教师:王馨梅
wangxinmei@xaut.edu.cn
教材:《电路(第5版) 》邱关源 等 (西安交大) 学生的参考书:《电路(第5版)学习指导与习题分析》 *推荐其它好教材:《电路基础(第3版) 》王松林 吴大正等(西电)
本课程的特点
专业学习的分水岭 个学分,专业学习的分水岭 1、重要:第一门专业基础课,4.5个学分, 2、不难:学习的是1950年以前就创建的经典理论。
★何谓“线性”元件? 元件的特性曲线是一条过原点的直线。
元 件 电阻
★特性公式
特性曲线 伏安曲线 库伏曲线 韦安曲线
resistance 电容 capacitance
电感
R= u/i C= Q/u L=Φ/i
inductance
非线性元件的符号:
3、按元件参数是否随时间变化来分类
只要有一个元件是时变的:则为时变电路
KCL方程形式一:
设流入(或流出)结点为正:

i = 0
KCL方程形式二:

i 流入
= ∑ i 流出
例1:
i5

i1
i2
设流出为正,由 KCL知:
i4
i3
i1 – i2 + i3 – i4 + i5 = 0
思考:物理依据?
这是电荷守恒的必然结果!
设流入为正,由 KCL知: 结点①: - i1 - i3 - i5= 0 结点② :+i3 - i4 - i6= 0
思考题:
i=0
三、基尔霍夫电压定律( KVL)
1、定律内容
在集总电路中,任何时刻,沿任一回路,所有支路 代数和 恒等于零。 电压的 电压的代数和 代数和恒等于零。
方程的步骤: 列KVL KVL方程的步骤: 1、选定一个回路,先标出绕行方向(顺时针或逆时针均可);
2、列方程形如:
∑u
=0
需先设定:沿回路绕行方向, 支路电压升(或降)为正号
ic ib
ie
ib
等效电路:
晶体管特性:
ic = β ib
βi b
ic
+ -
+ -
Rb
Re
例:请说出受控源的类型
+
4i3
来自百度文库
+ 5U 6 U3
§ §1-8 1-8 基尔霍夫定律 基尔霍夫定律
解决了重要问题: 如何用方程描述电路的连接关系?
’s 基尔霍夫: 1845年(21岁)提出基尔霍夫电流定律( KCL,Kirchhoff Kirchhoff’ Current Law );第二年又提出了基尔霍夫电压定律( KVL); 其他成就……
简单电路->大规模电网络 (形成了电网络理论) 线性电路->非线性电路 (形成模拟电子电路、数字电子电路理论) 手工计算->大型电路分析软件 computer-aided analysis (CAA)
3、难:
1)新概念多、新方法多; 2)与大学物理的章节独立不同,电路章节前后呼应,环环相扣; 3)计算多,计算量大;
一、基本概念
支路(branch) 每个二端元件所在的通路。 结点(node) 支路的连接点。 回路(loop) 电路中的任一个闭合路径。 拓扑图 仅反映电路的连接结构, 一根线段代表一条支路。
二、基尔霍夫电流定律( KCL)
1、定律内容
所有通过 在集总电路中,任意时刻,对于任意结点, 在集总电路中,任意时刻,对于任意结点,所有通过 代数和 恒等于零。 该结点的支路电流的 该结点的支路电流的代数和 代数和恒等于零。
电流、电压不但有大小,而且有方向。(电流的真实方向是正电荷的运动 方向,电压的真实方向是电场推动正电荷做正功的方向)
但在计算之前,真实的电流、电压方向通常不知。
R1 R3 R2
i
R6
R5 R4
一、今后解题的基本步骤:
1)在电路上标出电压、电流的参考方向; 2)列方程计算; 3)解为正,则实际方向与参考方向相同。 电流计算举例 解为负,则实际方向是参考方向的反方向。
二、电压参考方向的三种表示方法:
1)
uR
(推荐)
2)
+ u3
举例
3) 下标方式
u AB
三、注意事项:
1)在电路计算时,没定参考方向,计算无意义; 2)参考方向可以任意假定,但设定后,计算中不得变动; 4)直流大写、交流小写
四、“关联”的概念 ★
电流参考方向和电压参考方向,互相独立、可任意选取的。
(1)低频电路一般可抽象为集总参数电路模型 (concentrated constant circuit model) 。 (2)长距离工业输电,抽象为分布参数电路模型( 详见第18章 均匀传输 线的正弦稳态分析) (3)高频时要根据电路具体设计要求,来决定建立何种电路模型。
2、按元件是否全是线性来分类
2 u p = ui = i 2 R = R
p<0,发出功率,也称 “有源电阻”,通常是由电子电路来实现。
四、*补充:电阻的阻值 (1)色码法*
A和B代表电阻值第一位和第二位数 C代表零的个数 D代表误差百分数 (E代表额定功率)
(2)数码法*
用三位数字表示元件的标称值。从左至右,前两位表示有 效数位,第三位表示 10^n (n=0~8)。 0-10欧带小数点电阻值表示为 XRX , RXX. 例如:471 = 470Ω 105 = 1M Ω 2R2 = 2.2 Ω 000 = 0 Ω(当作跳线,或者做保险丝用)
受控源:反映了一个支路对另一个支路的控制关系
★ 独立源 电 源 受控源
电压源 电流源
+
系数意义
µu1
电压传输比
*应用场合
运放、 变压器
压控压源VCVS
压控流源VCCS 流控压源CCVS
gu1
转移电导
(跨导)
IGBT
+
ri 1
β i1
转移电阻
流控流源CCCS
电流传输比
晶体管
*例:晶体管
等效为:流控流源
无论关联与否,都用公式: p=ui 正电荷在电场的作用下向势能减小的方向运动,做正功, 如果p>0 p>0 关联时为吸收,非关联时为发出; 吸收能量,也称正在 “吸收”功率。 p<0 关联时为发出,非关联时为吸收
p<0 “发出”功率。
i = 2A
电 阻
u = 3V
关联
i = −2A
p = u × i = 3 × 2 = 6 吸收6 W p = −u × i = −3 × ( −2) = 6
A
i
B
A
i
B
+
A
u
i
B A
u
i
+
B
+
u
u
+
一个二端元件(网络)的端口电压和该端口的电流:
如果电流参考方向从元件的电压参考方向的正极指向负极, 则称电压、电流的参考方向是“关联”的。否则,称为“非关联”的。
例:
i1
A
i2
B
u1
+
C
五、对高中时代欧姆定律的 “修正” ★ ★ ★ 关联时: R= u/i R=u/i
4、要求:完整的笔记,及时做作业
第一章 电路模型和定律
课件符号: ★ 重要 * 大纲之外的知识扩展
§ §1-1 1-1 电路模型 电路模型
一、思考:电路的本质目的
1、能量的转换和传输: 2、信号的处理、传输、存储:
所以:电路建模可忽略实际电路的大小、位置等一些次要因 素,仅抓住主要矛盾(1、电路的连接结构;2、元件的电压电流关 系),用数学去描述。
|ΣP吸收| = |ΣP发出| ΣP=0
例2:求各部分的功率
电流源 :( 关联) 8V×3A=24W 吸收24W,工作在“负载”状态 电阻: (关联) 8V×2A=16W 吸收16W,工作在“负载”状态
外电路:( 非关联) -(8V×5A)= - 40W 发出40W,工作在“电源”状态
§ §1-5 1-5 电阻元件 电阻元件
§ §1-6 1-6 独立源 独立源
一、理想电压源元件
+ i -
总保持为常数或确定的时间函数, uS ( t ) 端电压 端电压总保持为常数或确定的时间函数, 与外电路无关。
常用的电压源:
U S (t)
US
uS ( t )
uS (t )
i
t
t
二、理想电流源元件 总保持为常数或确定的时间函数, 端电流 端电流总保持为常数或确定的时间函数, 与外电路无关。 思考: 理论上,理想电流源元件不能开路,但 思考:理论上,理想电流源元件不能开路,但 可短路工作,为什么?
举例: 一段实际的导线,总电阻10Ω,…… ★集总的前提条件 :
当构成电路的器件以及电路线路本身的尺寸远远小于电路工 作的电磁波波长( L « λ),可按集总参数建模。
λ = c/f f = 50Hz (工频) 时, λ = 6000km f = 25kHz时, λ = c/f = 12km f =200MHz(电视机)时, λ = c/f = 1.5m
吸收6 W
+
电 阻
非关联
+ u = 3V
例1:求三部分的功率情况
i = 1A
R1
1
+ +
u S 1 = 10V
u1 = 3V
R2
+
R3
u2 = 7V
3
+
uS 2
2
ui,非关联用p=ui ★★★关联用p= p=ui p=-ui
p>0 吸收,工作在“负载”状态 p<0 发出,工作在“电源”状态
★常用验算方法之一:功率守恒 形式一: 形式二:
何谓“时变”元件?
生活中的例子: PTC陶瓷恒温暖风机 ,电阻越热越大…… (positive temperatrue coefficient )
时不变
电 路 模 型
线性 集总参数
非线性 分布参数 时变
本书前十六章仅学习“线性、时不变的集总参数电路模型”的计算
§ §1-2 1-2 电流和电压的参考方向 电流和电压的参考方向
一、电阻元件的参数
1)电阻 2)电导
i 1 G= = u R
单位:西门子(简称西) S
开路等效为∞Ω(0S), 短路等效为0Ω( ∞S)
二、电阻的 VCR( Voltage
Current Relation )
关联时: u = R × i 非关联时:u = − R × i
三、负电阻: R<0
分别画出关联、非关联时的伏安特性曲线。
i
+
非关联时: R= - u/i
u
i
u
+
i = 3A
A
4Ω
B
思考:1、求电压 2、画出该电阻的伏安特性曲线
u=?
+
§ ) 描述能量转换的快慢 §1-3 1-3 瞬时功率 瞬时功率( ( 描述能量转换的快慢 )
功率计算公式:
书上提供的一种计算方法,因繁琐故不推荐使用
先判断是否关联,如果关联用p= ui,如果非关联用p=ui p=ui p=-ui
或:

u升 =∑ u降
例2:
+
u2
+ +
u6
u4
u1
+


+ u5
+ u3
回路 I:
回路II :
思考:物理依据?
+ ux
KVL 知: 设沿回路绕行方向,电压降为正。由 设沿回路绕行方向,电压降为正。由KVL KVL知:
− u1 + u 2 + u6 − u3 = 0 − u 6 + u 4 + u5 − u x = 0
is
i s = 1A
短路时(R=0Ω),功率为0W
R
R=10Ω,功率为 10W R=1000Ω,功率为 1000W 开路时(R=∞Ω),功率为∞ W
§ §1-7 1-7 受控源 受控源
引例:
输入信号
发 电 厂
输出信号
当我们只关心输入输出之间的函数关系时,内部可以简化为:
+
u1
+ µu1
+ 压控压源 VCVS u2 control voltage source ) (voltage
L
R
R
*如果要更精确的分析, 还须考虑到线圈微弱的电场储能 :
C
L
C
L
例2:电容器
R
寄生电阻
R
寄生电阻
C
C
C
L
寄生电感
*原则:根据工程计算精度的需要、兼顾分析计算复杂度,建立合理的电路模型!
二、电路模型的分类
1、按物理尺寸L与波长λ的关系来分类 集总参数:参数集中于一个理想元件,像物理中“质点”的概念; 分布参数:认为参数分布在每一点上,要用微积分的思想计算。
实际电路
建模
电路模型( 由“理想元件 ”组成)
有精确的数学模型,可作定量分析计算
★电路建模原则:
电能的消耗 ——— 用理想电阻元件表示 电场能存储与释放———用理想电容元件表示 磁场能存储与释放———用理想电感元件表示
例1:电热炉
R
如果是家庭日用的(工频),可只考虑热现象:
*思考:为什么错误?
R
如果工作在高频下,须考虑到线圈的磁现象 :
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