1、電壓、電流的參考方向、特性和電路模型分析重點：1. 電壓、電流的參考方向3. 基爾霍夫定律2. 無源元件和電源元件的特性1.1 電路和電路模型1. 電路的組成電路電源(發(fā)電廠、干電池、光電池)：激勵源負荷(用電設備)導線與開關(輸電線路, 電路板)激勵源：電源響應：由激勵產生的電流和電壓(輸入)(輸出)2. 實際電路 （1）實現(xiàn)電能的傳輸、分配與轉換 放大器揚聲器話筒負載電源開關導線 （2）實現(xiàn)信號的傳遞與處理3. 電路模型實際電路元件抽象u- i 關系表示理想電路元件 （1）基本理想電路元件電阻(resistance)：u- i 代數(shù)關系電感(inductance)：u 是i 的微分關系電容

2、(capacitance)：i 是u的微分關系電源(source)：u- i 相互獨立US+_R0(2) 電路建模負載電源開關導線電源負載ISRL+ U注意理想電路元件是實際電路器件的理想化和近似。I耗能特性R磁場特性L耗能磁場忽略 LR1.2 電流和電壓的參考方向(1) 為什么要引入?yún)⒖挤较颍?a) 電壓或電流的方向不確定？(b) 電壓或電流的方向隨時間變化ii=ImsinwtT/2i0wtT0 t 0與圖上所示方向相同T /2 t T ：i 0或iAB 0AB真實方向i參考方向i 0或iAB 0或uAB 0AB-真實方向+-參考方向uu 0或uAB 0實際吸收功率p吸 0實際發(fā)出功率P發(fā)

3、0實際吸收功率記憶方法 p= u i關聯(lián)吸非關聯(lián)發(fā)例1U =10V , I =1A，求各元件吸收的功率。AB10V+-U10WI解電阻：關聯(lián)參考方向 p吸 = UI= 101= 10W電阻吸收功率： 10W電源：非關聯(lián)參考方向 p發(fā) = UI= 101= 10W電源發(fā)出功率： 10W例2： U1=10V， U2=5V, 求電阻和電源的功率.+-5WIU1U2UR解取各U、I參考如圖所示。UR=U1- U2=10-5=5V I=UR / R=5/ 5=1A 電阻：關聯(lián)PR吸收=URI=51=5W 吸收電源U1：非關聯(lián)PU1發(fā)出=U1I=101=10W 發(fā)出電源U2：關聯(lián)PU2吸收=U2I=51=

4、5W 吸收結論p吸= p發(fā)功率守恒例 如圖電路，若已知元件吸收功率為20W，電壓U=5V，求電流I。元件AB+-UI解由圖可知U、I為關聯(lián)參考方向，因此:I=P吸U=205=4A思考： 如圖電路，若已知元件中電流為I=100A，電壓U=10V，求電功率P，并說明元件是電源還是負載。元件AB+-UI解由圖可知U、I為非關聯(lián)參考方向，因此:P發(fā)出=UI=10(-100)=-1000W0p吸 -ui -(-R i ) i i 2 R - u(-u/ R)= u2/ R0結論電阻始終消耗電功率.非關聯(lián)參考方向下R+ui或p發(fā) ui(-R i ) i - i 2 R 0（無源耗能元件）（2）能量從 t0

5、 到 t 電阻消耗的能量 電能的大小不僅與電壓、電流的大小有關，還取決于用電時間的長短。1度電的概念1000W的電爐加熱1小時；100W的燈泡照明10小時；40W的燈泡照明25小時。結論3.電阻的開路與短路（1）開路Riu+iu+i=0,u0R=,G=0ui0（2）短路iu+u=0,i0R=0,G=ui0貼片電阻體積小重量輕可靠性高碳膜電阻阻值范圍寬價格低廉金屬膜電阻穩(wěn)定性高精度高線繞電阻功率大1.6 電壓源和電流源(獨立電源)1.理想電壓源(1) 特點(a) 端電壓由電源本身決定，與外電路無關；電路符號uSuS直流：uS為常數(shù)交流：uS隨時間變，例如：uS=Umsinwt(b) 電壓源的電流

6、由外電路決定。(2) 伏安特性uS+_iu+_uSui0uS=0意味著什么？(3) 理想電壓源的開路與短路(a) 開路 (b) 短路電壓源嚴禁短路! R=, i=0 u= uS R=0, u= uS i=(4) 功率p發(fā)= uS iuS+_iu+_(a) i , uS非關聯(lián) 或p吸= - uSi(b) i , uS 關聯(lián) iP吸= uS i或P發(fā)= - uSi例計算圖示電路各元件的功率解i+_+_10V5V-+先指定參考方向uRuR=10-5=5Vi=uR/R=5/5=1A(uR，i關聯(lián))PR吸=i2R=15=5W吸收求10V電源的功率，其u，i非關聯(lián)P10V發(fā)=ui=101=10W發(fā)出(電源

7、)求5V電源的功率，其u，i關聯(lián)P5V吸=ui=51=5W吸收(負載)滿足：P（發(fā)）P（吸）2.理想電流源電路符號iS(1) 特點(a) 電流源電流由電源本身決定，與外電路無關；直流：iS為常數(shù)交流：iS隨時間變，例如：iS=Imsinwt(b) 電源兩端電壓由外電路決定。(2) 伏安特性iSui0iSiu+_iS=0意味著什么？(3) 理想電流源的開路與短路(a) 短路 (b) 開路 R=0, i=iS u= 0 R=, i=0iS u=？電流源嚴禁開路!(4) 功率(a) i , uS非關聯(lián) iSiu+_p發(fā)= uS i或p吸= - uSi(b) i , uS 關聯(lián) +p吸= uS i或p

8、發(fā)= - uSi(5) 實際電流源的產生穩(wěn)流電子設備，如光電池，晶體三極管例計算圖示電路各元件的功率解先指定參考方向5A5V-+i+_u求5A電源的功率，其u，i非關聯(lián)P5A發(fā)=ui=55=25W發(fā)出(電源)求5V電源的功率，其u，i關聯(lián)P5V吸=ui=55=25W吸收(負載)滿足：P（發(fā)）P（吸）實際電源干電池鈕扣電池1.干電池和鈕扣電池（化學電源） 干電池電動勢，僅取決于（糊狀）化學材料，其大小決定儲存的能量，化學反應不可逆。鈕扣電池電動勢，用固體化學材料，化學反應不可逆。 氫氧燃料電池示意圖2. 燃料電池（化學電源） 電池電動勢。以氫、氧作為燃料。約40-45%的化學能轉變?yōu)殡娔?。實驗階

9、段加燃料可繼續(xù)工作。 3. 太陽能電池（光能電源） 一個50cm2太陽能電池的電動勢0.6V,電流 。 太陽光照射到P-N結上，形成一個從N區(qū)流向P區(qū)的電流。約 11%的光能轉變?yōu)殡娔?，故常用太陽能電池板?太陽能電池示意圖太陽能電池板光伏發(fā)電國際空間站太陽能電池板 綠色環(huán)保節(jié)能太陽能 蓄電池示意圖4. 蓄電池（化學電源） 電池電動勢2V。使用時，電池放電，當電解液濃度小于一定值時，電動勢低于2V，常要充電，化學反應可逆。直流穩(wěn)壓源變頻器頻率計函數(shù)發(fā)生器水電站風力發(fā)電1.7 受控電源(非獨立源)1. 定義受控電壓源該電壓源的電壓由電路中某電壓或電流控制。受控電流源該電流源的電流由電路中某電壓或

10、電流控制。電路符號+受控電壓源受控電流源(1) 電流控制的電流源 ( Current Controlled Current Source )2. 四種類型b i1+_u2i2_u1i1+CCCS : 電流放大倍數(shù) i2=b i1(2) 電流控制的電壓源 ( Current Controlled Voltage Source )i2i1r i1+_u2_u1+_+CCVSu2=r i1r : 轉移電阻 (3) 電壓控制的電流源 ( Voltage Controlled Current Source )gu1+_u2i2_u1i1+VCCSi2=gu1g: 轉移電導 (4) 電壓控制的電壓源 (

11、Voltage Controlled Voltage Source )u1+_u2_u1+_i2i1+VCVSu2= u1 :電壓放大倍數(shù)，g， ，r 為常數(shù)時，稱線性受控源。3.受控源與獨立源的比較獨立源電壓(或電流)由電源本身決定，受控源電壓(或電流)由控制量決定。獨立源起“激勵”作用，在電路中產生電壓、電流，受控源是反映某處的電壓或電流對另一處的電壓或電流的控制關系，在電路中不能作為“激勵”。例求：電壓u2解5i1+_u2_i1+-3u1=6V+_uR1.8 基爾霍夫定律基爾霍夫(G.R.Kirchhoff) (1824-1887)德國物理學家以光譜分析，光學和電學的研究著名。1860年

12、發(fā)現(xiàn)銫和銣元素。21歲提出了著名的電流定律和電壓定律。分析電路最基本的依據(jù)，被稱為“電路求解大師”。基爾霍夫電流定律 (Kirchhoffs Current LawKCL )基爾霍夫電壓定律 (Kirchhoffs Voltage LawKVL )1. 幾個名詞1. 支路 (branch)：2. 結點 (node):4. 回路(loop)：b=33. 路徑(path)：5. 網(wǎng)孔(mesh)：ab+_R1uS1+_uS2R2R3l=3n=2123123電路中流過同一電流的每個分支. (b)支路的連接點。( n )兩結點間的一條通路。路徑由支路構成。由支路組成的閉合路徑。( l )對平面電路，每

13、個網(wǎng)眼即為網(wǎng)孔。網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。2. 基爾霍夫電流定律 (KCL)物理基礎: 電荷守恒i1+ i2 i3+ i4= 0i1i4i2i3例對于電路中的任一結點，在任一時刻：或 流入結點的電流的代數(shù)和為零：i1+ i3= i2+ i4或7A4Ai110A-12Ai2例 求i1，i2解：對結點編號12對結點1： 4 7i1= 0得i1= 3A 對結點2：i1+i210 (12)=0得 i2= 1A KCL的推廣：ABiABiiABi3i2i1兩條支路電流大小相等，一個流入，一個流出。只有一條支路相連，則 i=0。明確KCL是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任意結點處的反映；KCL是對

14、結點處支路電流加的約束，與元件無關，與電路是線性還是非線性無關；KCL方程按電流參考方向列寫的，與電流實際方向無關。3.基爾霍夫電壓定律 (KVL)在電路中，任一時刻，沿任一回路:或沿任一回路，按一定繞行方向，電壓上升的代數(shù)和為零:例 列寫下圖的KVL方程。解-U1-US1I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4指定繞行方向(上升：-，下降：+)+U2+U3+U4+US4=0-I1R1-US1+I2R2-I3R3+I4R4+US4=0-I1R1+I2R2-I3R3+I4R4=US1-US4KVL也適用于電路中任一假想的回路。注意例:求UbaaUsb_-+U2U1-U

15、S-U2-U1+Uba=0Uba=US+U2+U1明確KVL的實質反映了電路遵從能量守恒定律;KVL是對回路電壓加的約束，與元件無關，與電路是線性還是非線性無關；KVL方程按電壓參考方向列寫，與電壓實際方向無關。圖示電路：求U和I。例 解：1A3A2A3V2V3UIU1+-+-+-+先求I:列KCL:3+1-2+I=0得I= -2A列KVL:U+U1+3-2=0U1=I3= -6VU=5V例求下圖電路開關S打開和閉合時的i1和i2。i1=0i2=i+2i10V55i1i2ii2S解：S打開時：列KCL:5i+5i2=10列KVL:i2=1.5(A)i2=0i1=i+2iS閉合時：列KCL:i=10/5=2Ai1=6(A)4. KCL、KVL小結：KCL是對支路電流的線性約束; KVL是對回路電壓的線性約束。KCL、KVL與組成支路的元件性質及參