電路第一章基本概念

1、電路第一章基本概念第1頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五第一章 基本概念1-1 信號和電路1-2 電路模型1-3 電路變量1-4 電路元件1-5 基爾霍夫定律1-6 基本電信號第2頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五一、信號第一節(jié) 信號和電路 21世紀(jì)是信息時代，社會高度信息化 信息表達方式：語言、文字、圖象、數(shù)據(jù)等。 為方便傳輸和處理，往往將信息轉(zhuǎn)化為聲、光、電等物理量，稱信號。信號是攜帶有信息的變化著的物理量。 電量是最為常見和應(yīng)用最廣的物理量。因為電量容易產(chǎn)生和控制，與非電量的轉(zhuǎn)換比較容易。 目前通信中常用隨時間變化的電壓 / 電流，在某些情況下為電

2、荷 / 磁鏈。 通過電信號在信道中傳遞來實現(xiàn)信息的傳遞。第3頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五例：遠距離電話通信系統(tǒng) 話 音 信 號 聲 電 變 換 器 調(diào) 制 放 大 信 道 解 調(diào) 放 大 電 聲 變 換 器 話 音 信 號（電信號源） （負(fù)載） 話筒 耳機第4頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五二、電路 電工電子器件按照一定的方式相互聯(lián)接起來所構(gòu)成的完成一定功能的裝置。 主要功能：實現(xiàn)電信號的傳遞與處理 信號源：發(fā)出需要傳輸、處理電信號的器件。 信號源上的電壓 / 電流稱電路的輸入 / 激勵 負(fù)載：接收電信號的器件。 負(fù)載上的電壓 / 電流稱電路的輸

3、出 / 響應(yīng)對每個局部電路來說，前級是后級的信號源，后級是前級的負(fù)載。第5頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五三、電路分析由給定的電路及電路的激勵求取電路的響應(yīng)或分析電路的激勵與響應(yīng)的關(guān)系?？捎脭?shù)學(xué)方程描述: 代數(shù) / 常微分 集總參數(shù)電路 偏微分 分布參數(shù)電路 線性 / 非線性 時變 / 時不變第6頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五四、信號分析分析信號的時（間）域特性與頻（率）域特性及其兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系。 信號是時間 t 的函數(shù) 連續(xù) / 離散時間信號第7頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五第二節(jié) 電路模型 實際電路是由一定的電工電子

4、器件按照一定的方式相互聯(lián)接起來，構(gòu)成電流通路，并具有一定功能的整體。 電路模型是實際電路的理想化和模型化，抓住其主要的物理特征，并用一定的數(shù)學(xué)方程來描述。 理想化：保留所發(fā)生的電磁過程的主要方面 模型化：用一種抽象的電路元件來表征所發(fā)生的某一電磁過程 電路理論中所說的電路是指由各種理想電路元件按一定方式連接組成的總體。第8頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五實際器件 理想元件 符號 圖形 反映特性電阻器 電阻元件 R 消耗電能電容器 電容元件 C 貯存電場能電感器 電感元件 L 貯存磁能互感器 互感元件 M 貯存磁能例：手電筒電路實際元件主要電磁過程理想電路元件燈泡電能熱能、

5、光能電阻電池化學(xué)能電能電源聯(lián)接導(dǎo)線引導(dǎo)電流通過理想導(dǎo)線（電阻為零）*第9頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五(a) 實際電路 (b) 電原理圖(c) 電路模型 (d) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖第10頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五 實際器件與理想元件的區(qū)別：實際器件有大小、尺寸，代表多種電磁現(xiàn)象；理想元件是一種假想元件，沒有大小和尺寸，表現(xiàn)在空間上為一個點，僅代表一種電磁現(xiàn)象。 電路模型在一定條件下建立條件變化模型修正例：燈泡通過高頻電流時第11頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五 集總參數(shù)電路：電器器件的幾何尺寸遠遠小于其上通過的電壓、電流的波長時

6、，其元件特性表現(xiàn)在一個點上。 分布參數(shù)電路 ：電器器件的幾何尺寸與其上通過的電壓、電流的波長屬同一數(shù)量級。第12頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五例 晶體管調(diào)頻收音機最高工作頻率約108MHz。問該收音機的電路是集總參數(shù)電路還是分布參數(shù)電路? 幾何尺寸d0 ，表示該元件吸收功率 若 p0, 吸收功率驗證： = 0BCD - u3 + i3+ u4 - i4 第28頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五作業(yè) 1：P.46 1-1, 1-2， 1-3第29頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五有源元件：在某個時間內(nèi)，w(t) 0 時，電容吸收功率

7、，儲存電場能量增加；當(dāng) p 0 時，W ( t )不可能為負(fù)值，電容不可能放出多于它儲存的能量，這說明電容是一種儲能元件。 上式可以理解為什么電容電壓不能輕易躍變，因為電壓的躍變要伴隨儲能的躍變，在電流有界的情況下，是不可能造成電場能發(fā)生躍變和電容電壓發(fā)生躍變的。 第46頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五三、電感定義：如果一個二端元件在任一時刻，其磁鏈與電流之間的關(guān)系由 (t) i(t) 平面上一條曲線所確定，則稱此二端元件為電感元件。實際電感器是由在不同材料的芯子上繞以導(dǎo)線構(gòu)成不同形狀的線圈。是一個能建立磁場、儲存磁場能的元件。第47頁，共85頁，2022年，5月20日，

8、8點0分，星期五線性電感特性曲線是通過坐標(biāo)原點一條直線，否則為非線性。時不變特性曲線不隨時間變化，否則為時變電感元件。符號和特性曲線：i斜率為L線性時不變電感的特性+ -(t)i(t) Lu (t) 今后我們只討論線性時不變電感。第48頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五線性時不變電感元件的數(shù)學(xué)表達式： 系數(shù)L為常量（直線的斜率），稱為電感，表征產(chǎn)生磁鏈的能力。 與i 符合右手螺旋法則。單位是亨利,用H表示。 第49頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五 電感元件的電壓電流關(guān)系(VCR) 電感的電壓與其電流對時間的變化率成正比。假如電感的電流保持不變，則電感的

9、電壓為零。直流時I 恒定，電感元件相當(dāng)于短路(u = 0)。 1. 電感是動態(tài)元件微分形式：積分形式：第50頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五 2. 電感是慣性元件u 有限時，電流變化率 必然有限，電流只能連續(xù)變化而不能跳變。3. 電感是記憶元件電感電流 i 有“記憶”電壓歷史的作用。取決于電壓 （ -，t ）的值。第51頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五 t0 時刻電感的初始電流+ t0 后電壓作用的結(jié)果電路分析中常對t0 時刻以后的電感電流感興趣：第52頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五 電壓電流參考方向關(guān)聯(lián)時，電感吸收功率 p

10、可正可負(fù)：當(dāng) p 0 時，電感吸收功率，儲存磁場能量增加；當(dāng) p 0 時，W ( t )不可能為負(fù)值，電感不可能放出多于它儲存的能量，這說明電感是一種儲能元件。 上式可以理解為什么電感電流不能輕易躍變，因為電流的躍變要伴隨儲能的躍變，在電壓有界的情況下，是不可能造成磁場能發(fā)生躍變和電感電流發(fā)生躍變的。 p.24 例1-4-3第55頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五四、獨立源是有源的，能獨立對外提供能量。常作激勵 + -特性： 端電壓由元件本身確定，與流過的電流無關(guān) 流過的電流由外電路確定 us = 0，相當(dāng)于一條短路線1 電壓源 干電池、蓄電池、發(fā)電機等實際電源的理想化模型

11、。 電路符號： 第56頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五 常取非關(guān)聯(lián)參考方向 注意不能短接（電流為無窮大） us = Us 為常數(shù)時，稱為直流電壓源。VCR曲線如下 i第57頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五特性： 流過的電流由元件本身確定，與端電壓無關(guān)。 端電壓由外電路確定 is = 0，相當(dāng)于開路 常取非關(guān)聯(lián)參考方向 注意不能開路（電壓為無窮大） is = Is 為常數(shù)時，稱為直流電流源。is2 電流源 光電池等一類實際電源的理想化模型。 電路符號：第58頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五例1-4-5 求圖(a)、(b)電路中電源

12、吸收的功率解：U = Us = 5V，I = Is = 2A (a) 電壓源上u、i關(guān)聯(lián)，而電流源不關(guān)聯(lián) PUs = UI = UsIs = 52 = 10W(吸收功率) PIs = -UI = -10W (產(chǎn)生功率)第59頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五例1-4-5 求圖(a)、(b)電路中電源吸收的功率解：U = Us = 5V，I = Is = 2A (b) 電壓源上u、i不關(guān)聯(lián)，而電流源關(guān)聯(lián) PUs = -UsIs = -52 = -10W(產(chǎn)生功率) PIs = UsIs = 10W (吸收功率)第60頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五五、受

13、控源可對外提供能量，但其值受另外支路電壓或電流控制，是四端元件，兩個控制端（輸入端），兩個受控端（輸出端）。 受控電壓源 受控電流源有四種形式：第61頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五 CCVS R ：轉(zhuǎn)移電阻1 受控電壓源 VCVS ：電壓放大系數(shù) i1 i2 + + +u1 u1 u2- - - i1 i2 + + +u1 Ri1 u2- - -無量綱電阻量綱第62頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五 CCCS ：電流放大系數(shù) 2 受控電流源 VCCS G：轉(zhuǎn)移電導(dǎo) i1 i2 + +u1 Gu1 u2- - i1 i2 + +u1 u2- -電導(dǎo)量綱

14、無量綱第63頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五 與獨立源相似之處：1. 受控電壓源的電流由外電路決定； 受控電流源的電壓由外電路決定。 2. 能提供電壓或電流（有源）。 與獨立源不同之處：受控源不能獨立提供能量。第64頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五瞬時功率：關(guān)聯(lián)參考方向下由于控制端不是 i1=0,就是 u1=0, 故對于CCVS右端接RL的電路，得 ，即為有源。 i1 i2 + + +u1 ri1 u2- - -第65頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五第五節(jié) 基爾霍夫定律它們是電路基本定律，適用于任何集總參數(shù)電路，而與元件性質(zhì)無關(guān)

15、。幾個重要概念：ac d eb（）支路：一個二端元件稱為一條支路。往往將流過同一電流的幾個元件的串聯(lián)組合作為一條支路。a-c-b, a-d-b, a-e-b.第66頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五()節(jié)點：三條或三條以上支路的匯集點 兩個節(jié)點：a,bac d eb()網(wǎng)孔： 內(nèi)部不含有支路的回路 a-c-b-d-a, a-d-b-e-a平面網(wǎng)絡(luò)才有網(wǎng)孔的定義()回路：電路中任意一個閉合的路徑 3個回路：a-c-b-d-a, a-d-b-e-a, a-c-b-e-a第67頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五（）網(wǎng)絡(luò)：指電網(wǎng)絡(luò)，一般指含元件較多的電路，但往往

16、把網(wǎng)絡(luò)與電路不作嚴(yán)格區(qū)分，可混用（）平面網(wǎng)絡(luò)：可畫在一平面上而無支路交叉現(xiàn)象的網(wǎng)絡(luò)（）有源網(wǎng)絡(luò)：含獨立電源的網(wǎng)絡(luò)。第68頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五在集總參數(shù)電路中，任一時刻，任一節(jié)點上，所有支路電流的代數(shù)和為零。一、基爾霍夫電流定律KCLi1 i4 i2 i3說明： 先選定參考方向，習(xí)慣上取流出該節(jié)點的支路電流為正，流入為負(fù)。如由下圖可得：第69頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五 另一形式： 流出電流之和 = 流入電流之和。 實質(zhì)是電流連續(xù)性或電荷守恒原理的體現(xiàn) i3i2i1i6i5i7i4電路 可以推廣到廣義節(jié)點（封閉面）第70頁，共85頁，2

17、022年，5月20日，8點0分，星期五例7 已知：i1= -1 A , i2 = 3 A , i 3 = 4 A , i8= -2A, i 9=3A求：i4 , i5 , i6 , i7解：A： i8 i4 i9 i2 B i5 C i7i1 A i3 D i6第71頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五例7 已知：i1= -1A , i2 =3A, i3 =4A, i8= -2A, i 9=3A求：i4 , i5 , i6 , i7解：B i2 B i5 C i7 i8 i4 i9i1 A i3 D i6第72頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五i1 A i

18、3 D i6D: i8 i4 i9 i2 B i5 C i7第73頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五 i8 i4 i9 i2 B i5 C i7i1 A i3 D i6第74頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五在集總參數(shù)電路中，任一時刻，任一回路中，各支路電壓的代數(shù)和等于零。即二、基爾霍夫電壓定律KVL說明： 先選定回路的繞行方向。支路電壓參考方向與繞行方向一致時取正，相反時取負(fù)。+-_+_+u3u1u4u2第75頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五 例8 求 uAD另一形式： 電壓降之和 = 電壓升之和。 推廣到廣義回路（任意假想回路）

19、實質(zhì)是能量守恒原理在電路中的體現(xiàn)解：選順時針方向，+ u1=3V - - u2=-5V+ u3=-4V - + 第76頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五a: I2+I a c-3=0, 得 I2=1Ad: -I2-I b d-I1=0 I1=-I2-I b d=-1-1=-2A例9 求 i1 和 i2 。 d解：u b d-4+2=0 u b d=2V, I b d=1A u a c+4-14=0 u a c=10V, I a c=2Aa + 14V -3A - b2V +c + 4V - i2I a ci1第77頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五例10

20、 求電壓U及各元件吸收的功率。解：4-I+2I-U/2=0 又 U=6I 故 U=12V, I=2AP6 =UI=24W; P4A= -4U= -48W;P2 =U2/2=72W; P2I= -2IU= -48W（產(chǎn)生功率）2I26 + 4A I U -第78頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五 +6V -+ 3U - U +6I例11 求電流I及各元件吸收的功率。P6 = 6I2 = 54W; P2 = -UI = 18W; P6V = -6I = -18W; P3U = 3IU = -54W （產(chǎn)生功率）解： -6-U+3U+ 6I =0 又 U= -2I 故 U= -6V, I=3A第79頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五作業(yè) 2：P.49 1-11, 1-12, 1-13, 1-14(1)求Uaf、Ucg、Ujh(2)求Uae、Ubc、Uaf第80頁，共85頁，2022年，5月20日，8點0分，星期五第六節(jié) 基本電信號一、指數(shù)信號二、單位階躍信號三、單位沖激信號第81頁，共85頁，2