第一章 电路模型和基尔霍夫定律3
讲授
板书
1、掌握电压源、电流源的概念、用法及特性;
2、熟悉受控源的用法;
3、掌握基尔霍夫定律的应用。
1、电压源、电流源用法及特性
2、基尔霍夫定律的应用
受控源的概念及用法
1.组织教学 5分钟 2. 复习旧课
3.讲授新课
70分钟
电路元件特性
1)电压源及电流源
25 4.巩固新课
2)受控源
3)基尔霍夫定律
30
5.布置作业
5分钟5分钟5分钟
一、学时:2
二、班级:06电气工程(本)/06数控技术(本)
三、教学内容:
[讲授新课]:
第一章
电路模型和电路定律
(电压源和电流源的概念及特点
受控源的概念及分类
基尔霍夫定律)
§1-8电源元件 (independent source)
1.理想电压源
1)定义:其两端电压总能保持定值或一定的时间函数,且电压值与流过它的电流 i 无关的元件叫理想电压源。
2)电路符号3)理想电压源的电压、电流关系
(1)电源两端电压由电源本身决定,与外电路无关;与流经它的电流方向、大小无关。
(2)通过电压源的电流由电源及外电路共同决定。
伏安关系曲线如下图示:
实际电流源可由稳流电子设备产生,如晶体管的集电极电流与负载无关;光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的电流等。 4)电压源的功率
在电压、电流的非关联参考方向下;P = us i
物理意义:
电流(正电荷 )由低电位向高电位移动,外力克服电场力作功电源发出功率。
例1-3图示电路,当电阻R在0~∞之间变化时,求电流的变化范围和电压源发出的功率的变化。
解:(1)当电阻为R时,流经电压源的电流为:
电源发出的功率为:
表明当电阻由小变大,电流则由大变小,电源发出的功率也由大变小。
(2)当(3)当
,则 ,则
的极端情况,电流 , 由此例可以看出:理想电压源的电流随外部电路变化。在从而电压源产生的功率
,说明电压源在使用过程中不允许短路。
例1-4计算图示电路各元件的功率。
解:
(发出) (吸收)
(吸收)
满足:P(发)=P(吸)
由此例可以看出:5V电压源供出的电流为负值,充当了负载的作用,说明理想电压源的电流由外部电路决定。 5)实际电压源 (1)实际电压源模型
考虑实际电压源有损耗,其电路模型用理想电压源和电阻的串联组合表示,这个电阻称为电压源的内阻。
(2)实际电压源的电压、电流关系
实际电压源的端电压在一定范围内随着输出电流的增大而逐渐下降。因此,一个好的电压源的内阻
注:实际电压源也不允许短路。因其内阻小,若短路,电流很大,可能烧毁电源。 2.理想电流源 1)定义
不管外部电路如何,其输出电流总能保持定值或一定的时间函数,其值与它的两端电压u 无关的元件定义为理想电流源。 2) 电路符号
3)理想电流源的电压、电流关系
(1)电流源的输出电流由电源本身决定,与外电路无关;与它两端电压无关
(2)电流源两端的电压由其本身输出电流及外部电路共同决定。
伏安关系曲线如右图示
实际电流源可由稳流电子设备产生,如晶体管的集电极电流与负载无关;光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的电流等。(用图片展示) 4)电流源的功率
物理意义:
(1)电压、电流的参考方向非关联;
表示电流(正电荷)由低电位向高电位移动,外力克服电场力作功,电源发出功率,起电源作用。
(2)电压、电流的参考方向关联;
表示电流(正电荷)由高电位向低电位移动,电场力作功,电源吸收功率,充当负载。理想电流源两端的电压可以有不同的极性,它可以向外电路提供电能,亦可以从外电路接受电能。 例1-5图示电路,当电阻R在0~∞之间变化时,求电流源端电压U的变化范围和电流源发出功率的变化。
解:(1)当电阻为R时,电流源的电压为:
电流源发出的功率为:
表明当电阻由小变大,电压也由小变大,电源发出的功率也由小变大。
(2)当
(3)当
,则 ,则
的极端情况,
由此例可以看出:理想电流源的电压随外部电路变化。在电压 ,从而电流源产生的功率
,说明电流源在使用过程中不允许开路。
例1-6计算图示电路各元件的功率。
解:
(发出) (发出)
满足:P(发)=P(吸)
5)实际电流源
(1)实际电流源模型
考虑实际电流源有损耗,其电路模型用理想电流源和电阻的并联组合表示,这个电阻称为电流源的内阻。
(2)实际电流源的电压、电流关系
即:实际电流源的输出电流在一定范围内随着端电压的增大而逐渐下降。因此,一个好的电流源的内阻
注:实际电流源也不允许开路路。因其内阻很大,若开路,端电压很大,可能烧毁电源。
§1-9受控电源 (非独立源)(controlled source or dependent source)
受控源是用来表征在电子器件中所发生的物理现象的一种模型,它反映了电路中某处的电压或电流控制另一处的电压或电流的关系。
1.定义
电压或电流的大小和方向受电路中其他地方的电压(或电流)控制的电源,称受控源。
2.符号
3.分类
受控源有两个控制端钮(又称输入端),两个受控端钮(又称输出端),所以受控源也称为四端元件。根据控制量和被控制量是电压u 或电流i ,受控源可分四种类型:当被控制量是电压时,用受控电压源表示;当被控制量是电流时,用受控电流源表示。
(1)电流控制的电流源(CCCS)
受控电流源的电流为:
式中β为无量纲的电流控制系数,它控制着受控电流源电流的大小和方向,若β=0,则 ,若β增大,则βi1亦增大,若β改变极性,βi1亦改变极性。
(2)电压控制的电流源(VCCS)
受控电流源的电流为:
(3)电压控制的电压源(VCVS)
式中g为电压控制系数,单位为S(西门子),亦称转移电导。
受控电压源的电压为:
(4)电流控制的电压源(CCVS)
式中μ为无量纲的电压控制系数。
受控电压源的电压为: 为转移电阻。
如图所示晶体三极管电路,基极电流和 集电极电流满足关系:
,
式中r 为电流控制系数,单位为(欧姆),亦称
因此晶体三极管的电路模型可以用电流控制的电流源表示。
4.受控源与独立源的比较
(1)独立源电压(或电流)由电源本身决定,与电路中其它电压、电流无关,而受控源的电压(或电流)由控制量决定。
(2)独立源在电路中起“激励”作用,在电路中产生电压、电流,而受控源只是反映输出端与输入端的受控关系,在电路中不能作为“激励”。 例1-7图示电路,求:电压u2。
解:
§1-10基尔霍夫定律
( Kirchhoff’s Laws )
基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律(KCL)和基尔霍夫电压定律(KVL)。它反映了电路中所有支路电压和电流所遵循的基本规律,是分析集总参数电路的根本依据。基尔霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。
在具体讲述基尔霍夫定律之前,先介绍电路模型图中的一些术语。
1.一些术语
(1)支路 (branch)——电路中通过同一电流的分支。通常用b表示支路数。一条支路可以是单个元件构成,亦可以由多个
元件串联组成。如图所示电路中有三条支路。
(2)节点(node)——三条或三条以上支路的公共连接点称为节点。通常用 n表示结点数。如图所示电路中有a、b两个结点。
(3)路径(path)——两节点间的一条通路。路径由支路构成。 如图所示电路中a、b两个结点间有三条路径。
(4)回路(loop)——由支路组成的闭合路径。通常用 l 表示回路。如图所示电路中有三个回路,分别由支路1和支路2构成、支路2和支路3构成、支路1和支路3构成。
(5)网孔(mesh)——对平面电路,其内部不含任何支路的回路称网孔。如图所示电路中有两个网孔,分别由支路1和支路2构成、支路2和支路3构成。支路1和支路3构成的回路不是网孔。因此,网孔是回路,但回路不一定是网孔。 2.基尔霍夫电流定律(KCL)
KCL是描述电路中与结点相连的各支路电流间相互关系的定律。它的基本内容是:
对于集总参数电路中的任意结点,在任意时刻流出或流入该结点电流的代数和等于零。
用数学式子表示为:
图示为电路的一部分,对图中结点列KCL方程,设流出结点的电流为“+”,有: 即:
则KCL又可叙述为:对于集总参数电路中的任意结点,在任意时刻流出该结点的电流之和等于流入该结点的电流之和。
事实上KCL不仅适用于电路中的结点,对电路中任意假设的闭合曲面它也是成立的,
或表示成:
如图所示电路:三个结点上的KCL方程为:
三式相加得:
需要明确的是:
(1) KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任意结点处的反映;
(2) KCL是对支路电流加的约束,与支路上接的是什么元件无关,与电路是线性还是非线性无关;
(3) KCL方程是按电流参考方向列写,与电流实际方向无关。
例1-8求图示电路中的电流i
解:作一闭合曲面,如图示,
把闭合曲面看作一广义结点,应用KCL,有:
3.基尔霍夫电压定律(KVL)
KVL是描述回路中各支路(或各元件)电压之间关系的定律。它的基本内容是:
对于集总参数电路,在任意时刻,沿任意闭合路径绕行,各段电路电压的代数和恒等于零。
用数学式子表示为:
图示为电路的一部分,首先
(1)标定各元件电压参考方向;
(2)选定回路绕行方向,顺时针或逆时针。
对图中回路列KVL方程有:
–U1–US1+U2+U3+U4+US4=0
表明KCL可推广应用于电路中包围多个结点的任一
闭合面,这里闭合面可看作广义结点。
或:U2+U3+U4+US4=U1+US1
应用欧姆定律,上述KVL方程也可表示为:
–R1I1+R2I2–R3I3+R4I4=US1–US
4 KVL也适用于电路中任一假想的回路,如图所示电路,想象成一假想回路,
可列方程:
需要明确的是:
(1) KVL的实质反映了电路遵从能量守恒定律;
(2) KVL是对回路电压加的约束,与回路各支路上接的是什么元件无关,与电路是线性还是非线性无关;
(3) KVL方程是按电压参考方向列写,与电压实际方向无关。
4.KCL、KVL小结
(1) KCL是对支路电流的线性约束,KVL是对回路电压的线性约束。 (2) KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。
(3) KCL表明每一节点上电荷是守恒的;KVL是能量守恒的具体体现(电压与路径无关)。
(4) KCL、KVL只适用于集总参数的电路。 例1-9:求图示电路中电流源的端电压u 。
解: 列写支路上的KVL方程 (也可设想一回路)
例1-10:求图示电路中的输出电压u 。
解:由欧姆定律知
根据KCL:
从而解得:
所以
电源发出的功率为: 输出功率为:
输出电压与电源电压的比值为:
输出功率与电源发出功率的比值为:
本题的结果可以看出:通过选择参数α,可以得到电压和功率放大。
四、预习内容
第二章
电阻电路的等效变换
五、作业