1.電路元件和電路定律

1、主主 講講 人：人： 郭福雁郭福雁 所屬部門：控制與機械工程學(xué)院所屬部門：控制與機械工程學(xué)院 建筑電氣系建筑電氣系 辦公地點：機電樓辦公地點：機電樓412412 目目 錄錄 第第1 1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 電路和電路模型電路和電路模型 1.1電阻元件電阻元件1.5 電流和電壓的參考方向電流和電壓的參考方向 1.2電壓源和電流源電壓源和電流源1.6 電功率和能量電功率和能量 1.3受控電源受控電源1.7 電路元件電路元件 1.4基爾霍夫定律基爾霍夫定律1.8 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 電路電路電路模型電路模型 電路中的物理量電路中的物理量 電壓、電流

2、電壓、電流 功率、能量功率、能量 電源電源 獨立電源：電壓源、電流源獨立電源：電壓源、電流源 非獨立電源：受控源非獨立電源：受控源 電阻元件：電阻元件：電壓與電流的關(guān)系、功率關(guān)系、能量關(guān)系電壓與電流的關(guān)系、功率關(guān)系、能量關(guān)系 電感元件：電感元件：電壓與電流的關(guān)系、功率關(guān)系、能量關(guān)系電壓與電流的關(guān)系、功率關(guān)系、能量關(guān)系 電容元件：電容元件：電壓與電流的關(guān)系、功率關(guān)系、能量關(guān)系電壓與電流的關(guān)系、功率關(guān)系、能量關(guān)系 歐姆定律歐姆定律電阻電路的歐姆定律電阻電路的歐姆定律 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 (circuit elements) (circuit laws) 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型

3、和電路定律 s R L R s U 10 BA SE -T w all pl ate 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 d 注注 集總參數(shù)電路中集總參數(shù)電路中u、i可以是時間的函數(shù)，但與空間坐標(biāo)無關(guān)可以是時間的函數(shù)，但與空間坐標(biāo)無關(guān) 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 t q t q i t d d lim) t ( 0 def l電流電流 l電流強度電流強度 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 l 方向方向 l 單位單位 1kA=103A 1mA=1

4、0-3A 1 A=10-6A A（安培）、（安培）、kA、 mA、 A A AB B 問題問題 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 l參考方向參考方向 i 參考方向參考方向 大小大小 方向方向(正負(fù)）正負(fù)） 電流電流(代數(shù)量代數(shù)量) A B i 0i 0 參考方向參考方向 U + + 實際方向?qū)嶋H方向 + 實際方向?qū)嶋H方向 參考方向參考方向 U + 0U 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 U U + A B UAB

5、第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 元件或支路的元件或支路的u，i 采用采用相同的相同的參參 考方向稱之為考方向稱之為關(guān)聯(lián)參考方向關(guān)聯(lián)參考方向。 反之，稱為反之，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向。 i +- + - i U U 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 ABAB i 例例 U 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 1. 電功率電功率 t w p d d ui t q q w t w p d d d d d d q w u d d t q i d d 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 2. 電路吸收或發(fā)出功率的判斷電路吸收或發(fā)出功

6、率的判斷 + - i u + - i u 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 5 6 4 1 2 3 I2I 3 I1 + + + + + + U6 U5 U4 U3 U2 U1求圖示電路中各方框所求圖示電路中各方框所 代表的元件消耗或產(chǎn)生代表的元件消耗或產(chǎn)生 的功率。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。 解：解： （發(fā)出）（發(fā)出）WIUP221 111 （發(fā)出）（發(fā)出）WIUP62)3( 122 （消耗）（消耗）WIUP1628 133 （消消耗耗）WI

7、UP3)1()3( 366 （發(fā)出）（發(fā)出）WIUP7)1(7 355 （發(fā)發(fā)出出）WIUP41)4( 244 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 l 電路符號電路符號 R 電阻元件電阻元件 0 ),(iuf i u 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 GuRui iuR u i l 單位單位 u、i 取關(guān)聯(lián)取關(guān)聯(lián) 參考方向參考方向 R u i + Riu 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 注注 歐姆定律歐姆定律 u R i i G u R u i + - 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路

8、定律 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 p u i (R i) i i2 R u(u/ R) u2/ R p u i i2R u2 / R 功率：功率： R u i + - R u i +- 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 t t t tR uipW 00 dd R i u + 能量：能量： l 短路短路00 ui G or R0 l 開路開路00 ui 0 G or R u i 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 1.6 電源元件電源元件 (independent source) l 電路符號電路符號 1. 理想電壓源理想電壓源 l 定義定義

9、S u 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 u i )(tuS 例例 R i - + S u 外外 電電 路路 R u i S )( Ri0 )( 0 Ri 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 l電壓源的功率電壓源的功率 電場力做功電場力做功 ， 電源吸收功率。電源吸收功率。 物理意義：物理意義： + _ i u + _ S u + _ i u + _ S u iuP S 電流（正電荷電流（正電荷 ）由低電位向）由低電位向 高電位移動，外力克服電場高電位移動，外力克服電場 力作功電源發(fā)出功率。力作功電源發(fā)出功率。 iuP S 發(fā)出功率，起電源作用發(fā)出功率，起電源作用

10、 物理意義：物理意義： iuP S 吸收功率，充當(dāng)負(fù)載吸收功率，充當(dāng)負(fù)載 iuP S 或：或： 發(fā)出負(fù)功發(fā)出負(fù)功 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 計算圖示電路各元件的功率。計算圖示電路各元件的功率。例例: 5R + _ i +_ R u + _ 10V5V 解解 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 VuR5)510( A R u i R 1 5 5 WiuP SV 10110 10 WiuP SV 5) 1(5 5 WRiP R 515 2 us u i O i + _ u + _ S u S R iRuu SS 0 S R 第第1章章 電路模型和電路定律電路模

11、型和電路定律 其輸出電流總能保持定值或一定的時其輸出電流總能保持定值或一定的時 間函數(shù)，其值與它的兩端電壓間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u 無關(guān)無關(guān) 的元件叫理想電流源。的元件叫理想電流源。 u 電路符號電路符號 2. 理想電流源理想電流源 u 定義定義 u S i u 理想電流源的電壓、電流關(guān)系理想電流源的電壓、電流關(guān)系 u i )(tiS 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 例例 )( 00 Ru )( Ru R u - + S i 實際電流源的產(chǎn)生實際電流源的產(chǎn)生 S Riu 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 u電流源的功率電流源的功率 S uiP 發(fā)出功率，起

12、電源作用發(fā)出功率，起電源作用 吸收功率，充當(dāng)負(fù)載吸收功率，充當(dāng)負(fù)載 uiP S 或：或：發(fā)出負(fù)功發(fā)出負(fù)功 u + _ S i S uiP S uiP u + _ S i 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 例例: 計算圖示電路各元件的功率。計算圖示電路各元件的功率。 發(fā)出發(fā)出 發(fā)出發(fā)出 + _ u + _ 2A5V i 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 AiiS2 Vu5 WuiP SA 1052 2 WiuP SV 10)2(5 5 is u i O u 實際電流源實際電流源 伏安特性伏安特性 S S R u ii S R u + _ S i S R i 第第1

13、章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 解：解：電流電流 I 恒等于恒等于2A。 2 24V L UR I L (1) =2R 10V 2A L R U I S U S I U S S ( 104)6V I UUU L 22 L 2 28W R PR I S S S 10 220W U PU I SS S 2 ( 6) 12W II PIU 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 10V 2A L R U I S U S I U 5 210V L UR I L (2) =5R S S ( 10 10)0V I UUU L 22 L 5 220W R PR I S S S 10 2

14、20W U PU I SS S 2 00W II PI U 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 10V 2A L R U I S U S I U 10 220V L UR I L (3) =10R S S ( 1020)10V I UUU L 22 L 10 240W R PR I S S S 10 220W U PU I SS S 2 1020W II PI U 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 【例例】 求求RL 分別為分別為2、5 、10情況下情況下，I、U、電源及電源及 負(fù)載的功率負(fù)載的功率 。 解解 電壓電壓U 恒等于恒等于10V。 2A L R U I

15、 10V S U S I S U I L (1) =2R L 10 5A 2 U I R S S 253A U III S S S 10 220W I PU I L 22 L 2 550W R PR I SS S 10 330W UU PU I 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 2A L R U I 10V S U S I S U I L (2) =5R L 10 2A 5 U I R S S 220A U III S S S 10 220W I PU I L 22 L 5 220W R PR I SS S 10 00W UU PU I 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和

16、電路定律 2A L R U I 10V S U S I S U I L (3) =10R L 10 1A 10 U I R S S 2 11A U III S S S 10 220W I PU I L 22 L 10 110W R PR I SS S 10 ( 1)10W UU PU I 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 1.7 受控電源受控電源 (非獨立源非獨立源) (controlled source or dependent source) n 電路符號電路符號 + 受控電壓源受控電壓源 1. 定義定義 受控電流源受控電流源 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定

17、律 根據(jù)控制量和被控制量是電壓根據(jù)控制量和被控制量是電壓u 或電流或電流i ，受控源可分四種，受控源可分四種 類型：當(dāng)被控制量是電壓時，用受控電壓源表示；當(dāng)被控制量類型：當(dāng)被控制量是電壓時，用受控電壓源表示；當(dāng)被控制量 是電流時，用受控電流源表示。是電流時，用受控電流源表示。 2. 分類分類 b b i1 + _ u2 i2 _ u1 i1 + 12 ii b b 輸出：受控部分輸出：受控部分輸入：控制部分輸入：控制部分 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 g: 轉(zhuǎn)移電導(dǎo)轉(zhuǎn)移電導(dǎo) (2) 電壓控制的電流源電壓控制的電流源 ( VCCS ) u1gu u1 1 + _ u2 i2

18、_ i1 + 12 gui (3) 電壓控制的電壓源電壓控制的電壓源 ( VCVS ) u1 + _ u2 i2 _ u1 i1 + - 12 uu : 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) 例例: :電子三極管電子三極管 例例: :場效應(yīng)管場效應(yīng)管 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 ri1 + _ u2 i2 _ u1 i1 + - (4) 電流控制的電壓源電流控制的電壓源 ( CCVS ) 12 riu r : 轉(zhuǎn)移電阻轉(zhuǎn)移電阻 例例 b i c i bc ii b b b i b b b i c i 例例: :直流發(fā)電機直流發(fā)電機 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 受

19、控電源是一種常用的電路元件，在電路中常被用受控電源是一種常用的電路元件，在電路中常被用 來模擬電子器件中所發(fā)生的物理現(xiàn)象。如晶體管用來模擬電子器件中所發(fā)生的物理現(xiàn)象。如晶體管用 受控電源表示的模型。受控電源表示的模型。 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 （1）非獨立的電源：）非獨立的電源：不能獨立向外電路提供能量。不能獨立向外電路提供能量。 （2）具有兩重性：）具有兩重性：電源性、電阻性。電源性、電阻性。 注意：注意：獨立電源在電路中可以獨立地起獨立電源在電路中可以獨立地起“激勵激勵”作作 用，是實際電路電能或電信號的用，是實際電路電能或電信號的“源泉源泉”。 受控源是描述電子

20、器件中某一支路對另一支路控受控源是描述電子器件中某一支路對另一支路控 制作用的理想模型，本身不直接起制作用的理想模型，本身不直接起“激勵激勵”作用。作用。 線性時不變受控源特點：線性時不變受控源特點： 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 5i1 + _ u2 _ u1=6V i1 + +- 3 Ai2 3 6 1 V iu 4610 65 12 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 1.8 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 ( Kirchhoffs Laws ) 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 1. 幾個名詞幾個名詞 b=3 a n=2 b + _ R1 u

21、S1 + _ uS2 R2 R3 （1）支路）支路 (branch) i3 i2 i1 b=5 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 l=3 + _ R1 uS1 + _ uS2 R2 R312 3 (3) (3) 路徑路徑(path)(path) (4) (4) 回路回路(loop)(loop) (5) (5) 網(wǎng)孔網(wǎng)孔(mesh)(mesh) 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 例例 m k ti 1 0)( 出出入入 iior 1 i 5 i 4 i 3 i 2 i 0 54321 iiiii 54321 iiiii 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路

22、定律 1 3 2 5 i 6 i 4 i 1 i 3 i 2 i 0 641 iii 例例 0 542 iii 0 653 iii 0 321 iii 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 U1US1+U2+U3+U4+US4= 0 m k tu 1 0)( 升升降降 uuor I1 + US1 R1 I4 _ + US4 R4 I3 R3 R2 I2 _ U3 U1 U2 U4 U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：或： R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 a Us b _ _ - + + + U2 U1 例

23、例 Sab UUUU 21 明確明確 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 (1) KCL是對支路電流的線性約束，是對支路電流的線性約束，KVL是對回路電壓是對回路電壓 的線性約束。的線性約束。 (2) KCL、KVL與組成支路的元件性質(zhì)及參數(shù)無關(guān)。與組成支路的元件性質(zhì)及參數(shù)無關(guān)。 (3) KCL表明在每一節(jié)點上電荷是守恒的；表明在每一節(jié)點上電荷是守恒的；KVL是能是能 量守恒的具體體現(xiàn)量守恒的具體體現(xiàn)(電壓與路徑無關(guān)電壓與路徑無關(guān))。 (4) KCL、KVL只適用于集總參數(shù)的電路。只適用于集總參數(shù)的電路。 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 + + - - 4V 5

24、V i =? 3.3. Ai523 )( A3 A2 ? i 3 3 5 1 4 1. Vu1552010 V5 ? u V10 V20 2. + +- - - 4V 5V 1A +- u =? 4.4. Ai i 3 543 Vu1275 3 3 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 10V + + - - 1A -10V I =? 10 5. 4V + - 10A U =? 2 6.+ - 3A I1 I 10V + + - - 3I2 U= ? I =05 7. 5 - + 2I2 I2 5 + - 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 0)10(1010 1 I

25、 解解 AI2 1 AII3121 1 10V + + - - 1A -10V I =? 10 5. 4V + - 10A U =? 2 6.+ - 3A I 解解 AI7310 024 IU VIU1041442 I1 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 解解AI1 55 10 2 VIIIIU222553 2222 10V + + - - 3I2 U=? I =05 7. 5 - + 2I2 I2 5 + - 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 + + - I1 U=? 8. R2 I1 R1 US 解解 12 IRU 111 RUII S )1( 1 1 R

26、U I S )1( 1 2 R UR U S )1( 1 2 1 R U IUP S SS 22 1 2 2 2 )1( R U RP S o )1( 1 2 R R U U S )1( 2 1 20 R R P P S 第第1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 電路的基本概念和定理電路的基本概念和定理 知識點小結(jié)知識點小結(jié) 1、實際電路的幾何尺寸遠(yuǎn)小于電路工作信號的波長時，、實際電路的幾何尺寸遠(yuǎn)小于電路工作信號的波長時， 可用電路元件連接而成的集總參數(shù)電路（模型）來模擬?？捎秒娐吩B接而成的集總參數(shù)電路（模型）來模擬。 基爾霍夫定律適用于任何集總參數(shù)電路。基爾霍夫定律適用于任何集總參數(shù)電路。 2、基爾霍夫定律（、基爾霍夫定律（KCL）陳述為：對于任何集總參數(shù)）陳述為：對于任何集總參數(shù) 電路，在任一時刻，流出任一節(jié)點或