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1 第 一章集总参数电路路中电压 电流的约束关系 梁梁福 田

2 - 电路路及集总电路路模型 由电阻 电容 电感等集总参数元件组成的电路路称为集总电路路 只含有电阻元件和电源元件的电路路称为电阻电路路, 是集总电路路的 一类 另 一类, 动态电路路 所有电路路均建 立在电路路分析基础上!

3 电路路及集总电路路模型 各种实际电路路都是由电阻器器 电容器器 线圈 电源等部件 (component) 和晶体管等器器件 (devce) 相互连接组成的 现代微电 子技术已经可以将若 干器器件不不可分离地制作在 一起, 电 气上互连, 成为 一个整体, 即集成电路路 (ntegraton crct,ic) 按其功能 结构 : 模拟 数字和数 / 模混合集成电 路路三 大类!

4 部分电 气图 用图形符号 各种部件 器器件可以 用图形符号表示, 采 用这些符号可绘出表明各部分器器件相互连接关系的电 气图!4

5 电路路和元件模型 在 一定条件下, 忽略略元件的次要性质, 用 一个 足以表征其主要性能的模型 (model) 来表示!5

6 集总概念 集总参数 : 器器件的尺 寸远远 小于信号的波 长 c λ f 安徽 音乐 广播 (FM89.5) 89.5MHz, 波 长为.5 米 国家电 网 50Hz, 波 长为 6000 公 里里 手机 900/800MHz, 波 长为 0./0.6 米 WIFI.4GHz, 波 长为 0.5 米 分布参数 : 当信号频率很 高时, 器器件或仪器器中的每 一点的电阻 电容和电感参数!6

7 - 电流 电压及功率 电路路的电性能通常可以 用 一组表示为时间函数的变量量来描述, 最常 用到的是电量量 电流 电压和功率 电量量的单位是库仑 (C), C 6.4x0 8 个电 子电 量量, 用符号 q 或 Q 表示电量量 带电粒 子有秩序的移动形成电流, 单位时间内通过导体横截 面的电量量定义为电流强度 (), 用以衡量量电流的 大 小 dq ( t) dt!7

8 电流定义 如果电流的 大 小和 方向不不随时间变化, 则这种电流称为恒定电流, 简称直流, 简写作 dc 或 DC, 可 用符号 I 表示 (Drect Crrent) 如果电流的 大 小和 方向随时间变化, 则称为交变电流, 简称交流, 简写作 ac 或 AC (Alternatng Crrent) 在国际单位制中 电流的单位是安培 (Ampere, 中 文代号为安, 其符号为 A)!8

9 电流的参考 方向 正电荷运动的 方向定为电流的 方向, 但在分析问题时, 电流的真实 方向往往是要求的, 难以在电路路图中标出 引 入参考 方向 (Reference Drecton) 这 一概念, 参考 方向可以任意选定, 在电路路图中 用箭头表示 规定 : 如果电流的真实 方向与参考 方向 一致, 电流为正值 ; 如果两者相反, 电流为负值 利利 用电流的正负值结合着参考 方向, 就可得到电流的真实 方向 例例如,-A 表示正电荷以每秒 C 的速率逆着参考 方向箭头移动!9

10 电流的参考 方向 电路路图中的电流 方向箭头不不 一定就是电流的真实 方 向 电流的参考 方向 又称为电流的正 方向 在集总电路路中, 传播是瞬间完成的, 流过元件的电流可以是时间 t 的函数, 不不是空间位置的函数, 在任 一时刻从任 一元件 一端流 入的电流 一定等于从它另 一端流出的电流 流经元件的电流可以 用电流表测读!0

11 电压定义 在分析电路路时引 用 电压 这 一物理理量量, 或称为 电位 差, 用符号 表示 电路路中 a b 两点间的电压表明了了单位正电荷由 a 点转移到 b 点时所获得或失去的能量量, 即 dw ( t) dq dq 为由 a 点转移到 b 点的电量量, 单位为库仑 (Colomb, C); dw 为转移过程中, 电荷 dq 所获得或失去的能量量, 单位为焦 耳 (Jole,J), 电压的单位为伏特 (Volt,V)!

12 电压极性 正电荷由 a 转移到 b 获得能量量, 则 a 点为低电位, 即负极,b 点为 高电位, 即正极 正电荷由 a 转移到 b 失去能量量, 则 a 点为 高电位, 即正极,b 点为低电位, 即负极 正电荷在电路路中转移时电能的得或失表现为电位的升 高或降落, 即电压升或电压降 如果电压的 大 小和极性都不不随时间 而变动, 就称做恒定电压或直流电压, 用符号 U 表示 如果电压的 大 小和极性都随时间变化, 称为交变电压或交流电压!

13 电压参考极性 电压的参考极性是在元件或电路路的两端 用 - 符号来表示 号为 高电位端, - 号为低电位端 当电压为正值时, 该电压的真实极性与参考极性相同, 也就是 a 点电位 高于 b 点电位 当电压为负值时, 该电压的真实极性与所标的极性相反, 也就是 b 点电位 高于 a 点电位 电压的参考极性也称为电压的参考 方向或正 方向!

14 关联参考 方向 在分析电路路时, 既要为通过元件的电流假设参考 方向, 也要为元件两端的电压假设参考极性 关联参考 方向 : 电流参考 方向与电压参考 极到 - 极的 方向 一致, 即电流与电压降参考 方向 一致 (a) 这时, 只需标出电流的参考 方向和电压的参考极性中的任何 一种, 如图 (b) (c)!4

15 在分析电路路时应注意 : 电路路中标出的电流 方向和电压极性均为参考 方向和参考 极性 如果电路路中给定了了参考 方向, 就按给定的参考 方向分析 如果没有给定参考 方向, 首先选定参考 方向, 并在图上标出 没有参考 方向的电流 电压没有任何意义 按参考 方向求出的值为正, 说明真实 方向和参考 方向相同, 为负说明真实 方向和参考 方向相反 相反时也不不要更更改成真实 方向!5

16 能量量交换 电荷在电路路的某些部分 ( 例例如电源处 ) 获得能量量, 而在另外 一些部分 ( 如电阻元件处 ) 失去能量量 电荷在电源处获得的能量量是由电源的化学能 机械能或其他形式的能量量转换 而来的 电荷在电路路某些部分所失去的能量量, 或转换为热能, 或转换为化学能, 或储存在磁场中等 在电路路中存在着能量量的流动, 电源可以提供能量量, 有能量量流出 ; 电阻等元件吸收能量量, 有能量量流 入!6

17 功率 电路路吸收或提供能量量的速率即为功率, 用符号 p 表示 方框表示 一个电路路, 它可能只是 一个电阻元件或是 一个电源, 也可能是若 干元件的组合 采 用关联的电压 电流参考 方向如图中所示 设在 dt 时间内由 a 点转移到 b 点的正电量量为 dq, 且由 a 到 b 为电压降, 其值为, 则在转移过程中 dq 失去的能量量 : dw dq!7

18 功率的计算 电荷失去能量量意味着这段电路路吸收能量量, 亦即能量量由电路路的其他部分传送到这 一部分 吸收能量量的速率, 即功率表示为 : p ( t) ( t) p dw dt dq dt ( t) ( t)( t) dq dt!8

19 功率的 方向 能量量传输 方向定义为功率的 方向 先为功率假设参考 方向, 当功率的实际 方向与参考 方向 一致时, 功率为正, 否则, 功率为负 功率的参考 方向 用箭头表示, 可任意假定进 入或离开电路路 如果电流 电压的参考 方向是关联的, 且功率的参考 方向系进 入该电路路的, 若算得的功率为正, 表示与功率的实际 方向 一致, 该电路路吸收能量量,p 值为吸收能量量的速率!9

20 功率的 方向 若 p 三者的参考 方向中改变其中任何 一个, 与右图中所示者相反, 则改 用 : p ( t) ( t)( t) 计算功率时, 结果为正, 仍表示吸收功率 ; 结果为负, 仍表示提供功率!0

21 能量量 在如图的参考 方向下, 在 t0 到 t 的时刻内电路路吸收的能量量为 : w t t ( t t) p( ξ) dξ ( ξ)( ξ) dξ 0, t 0 t 0!

22 国际单位 电压的单位为伏特, 简称伏 (V) 电流的单位为安培, 简称安 (A) 功率的单位为瓦特, 简称瓦 (W) 能量量的单位为焦尔, 简称焦 (J)!

23 部分 SI 词头!

24 基尔霍夫 (Gstav Krchhoff) 于 84 年年 月 日 生于德国柯尼斯堡, 一 生从事科学研究, 在物理理学 天 文学和化学各 方 面都作出了了重 大的贡献 他于 887 年年 0 月 7 日卒于德国柏林林, 享年年 6 岁 基尔霍夫为 人乐观, 无论是在靠拐扙或轮椅才能 走动的 日 子, 或是临终前饱受疾病折磨的 几年年, 都 面不不改容, 坚强 面对现实 基尔霍夫的中学成绩 一向名列列前茅, 毕业后成功考上著名的柯尼斯堡 大学 当时正是电器器技术迅速发展的年年代, 许多科学家都在为解决复杂电路路的问题 而伤脑筋 在法国数学物理理学派思想的影响下, 年年纪仅有 岁的基尔霍夫根据欧姆的 工作, 建 立了了物理理学上义意重 大的两个以他为名的电路路定律律 : 第 一电路路定律律指出在电路路的结点上, 电流的代数和为零 ; 第 二电路路定律律指出沿 一闭合回路路电势变化的代数和为零 大学毕业后, 他在柏林林 大学担任讲师 850 年年转到布雷雷斯劳 大学担任临时教授, 在那 里里他结识了了合作伙伴本 生 在本 生协助下, 他于 854 年年被任为海海德堡 大学教授, 与本 生共事 860 年年他们提出了了光谱分析法, 因 而发现了了铯和铷两种新元素 后来基尔霍夫 又提出了了天体的光谱分析法, 带领天体物理理学进 入新纪元 他在 86 年年发表的 黑体概念, 更更为 0 世纪的量量 子物理理发展奠定了了重要的基础 875 年年基尔霍夫因病结束了了科研 生涯, 转投教育 工作 他留留在柏林林 大学担任理理论物理理学教研室主任, 负责培养年年轻的 一代, 他的四卷本教科书 数学物理理学讲义 (876-94) 更更成为了了当时德国著名 大学的经典教材 在他指导下, 不不少学 生都成为著名的科学家, 其中包括诺 贝尔物理理学奖得主普朗克!4

25 - 基尔霍夫定律律 集总电路路由各种元件通过理理想导体连接 而成 若将每 一个 二端元件 ( 两个端钮,termnal) 视为 一条 支路路 (branch), 则流经元件的电流和元件的端电压分别称为 支路路电流和 支路路电压 集总电路路的基本规律律将 用 支路路电流和 支路路电压 来表达!5

26 名词 支路路的连接点称为节点 (node) 节点是两条或两条以上 支路路的连接点 电路路中的任 一闭合路路径称为回路路 (loop) 在回路路内部不不另含有 支路路的回路路称为 网孔 (mesh) 一般把含元件较多的电路路称为电 网络 (network), 简称 网络!6

27 基尔霍夫定律律 电荷守恒和能量量守恒是 自然界的基本法则, 把它们运 用到集总电路路就得到基尔霍夫的两个定律律 : 基尔霍夫电流定律律 (Krchhoff s crrent law), 该定律律简写为 KCL 基尔霍夫电压定律律 (Krchhoff s voltage law), 该定律律简写为 KVL!7

28 基尔霍夫电流定律律 (KCL) 对于任 一集总电路路中的任 一节点, 在任 一时刻, 流出 ( 或流进 ) 该节点的所有 支路路电流的代数和为零 其数学表示式为 : K k dq dt k t ( ) 0 0!8

29 KCL 的另 一种表达形式 割集是具有下述性质的 支路路的集合, 若把集合的所有 支路路切割 ( 或移去 ), 电路路将成为 两个分离部分, 然 而, 只要少切割 ( 或移去 ) 其中 的任 一条 支路路, 则电路路仍然是连通的 对于任 一集总电路路的任 一割集, 在任 一时刻, 该割集的所有 支路路电流的代数和为零!9

30 线性相关 对节点, 若已知 的数值, 的数值 立即随 之 而定, 不不能 自由选取任何其他的数值 0 这三个电流存在 一个约束关系, 这是 一个线性关系, 称这三个电流线性相关 注 : 一组电流当且仅当满 足 一个 KCL 方程时, 它们才是线性相关的!0

31 例例 - 如图所示, 某复杂电路中的一个节点处, 已知 5A, A, -A, 试求流过元件 A 的电流 4 解 : 在列写 KCL 方程时, 应先标出所有电流的参考方向 图中电流的参考方向已给定 ( 假设 : 流出为正 ) ( 5) ( ) 6A 4!

32 基尔霍夫电压定律律 (KVL) 对于任 一集总电路路中的任 一回路路, 在任 一时刻, 沿着该回路路的所有 支路路电压降的代数和为零 其数学表达式为 k 式中 k (t) 为该回路路中的第 k 条 支路路电压,K 为 该回路路中的 支路路数 K k t ( ) 0!

33 ! KVL 简要说明若在某段时间内元件 所得到的能量为 w, 由能量守恒法则可知 : p p p p p p w w w w w w p p p p p p ( ) ( ) 和 线性无关, 系数必为 0

34 线性相关 KVL 对各 支路路的元件并 无要求, 不不论电路路中的元件如何, 只要是集总电路路,KVL 总是成 立的 一组电压当且仅当满 足 一个 KVL 方程时, 它们才是线性相关的 KCL 是电荷守恒法则运 用于集总电路路的结果 ;KVL 是能量量守恒法则和电荷守恒法则运 用于集总电路路的结果 KCL 反映电路路中各 支路路电流间的约束关系 ;KVL 反映电路路中各 支路路电压间的约束关系!4

35 例例 -4 已知各元件的电压 : 6 V, V, 4-7V, 求 5 解 : 根据 KVL, 这 6 个支路电压线性相关, 为此, 应先列出 KVL 方程 : 式中 : 凡参考极性所表示的电压降方向与绕行方向一致者取正号, 否则为负 ( 假设 : 顺时针, 电压降 ) ( V ) V V ( 7V ) ( V ) V 5 5 0!5

36 支路路电压的双下标记法 采 用双下标记法, 如 ab ad 等, 双下标字 母即 表示计算电压时所涉及的两点, 其前后次序则表示计算电压降时所遵循的 方向 双下标 ab 表示由 a 点到 b 点计算电压降, 亦即 a 点为电压参考 极处,b 点为电压参考 - 极处 采 用双下标记法, 就可不不必在 a b 点分别标以 号及 - 号, 避免符号间混淆不不清!6

37 -4 电阻元件 电路路是由元件连接组成的, 而各种元件都有精确的定义, 由此可确定每 一元件电压与电流之间关系, 电压 - 电流关系简写为 VCR(Voltage Crrent Relaton) 元件的 VCR 连同基尔霍夫定律律构成了了集总电路路分 析的基础 ( -9 两类约束 ) 电阻元件 (Resstor) 是从实际电阻器器抽象出来的模型 只反映电阻器器对电流呈现阻 力力的性能!7

38 欧姆定律律 (ohm s law) 欧姆定律律 ( t) R( t) 式中 为电阻元件两端的电压, 单位为伏 (V), 为流过电阻元件的电流, 单位为安 (A),R 为电阻, 单位为欧 (Ω) R 为常数, 故 与 成正 比 所以, 由欧姆定律律定义的电阻元件, 称为线性 (Lnear) 电阻元件 可以是时间的函数, 也可以是常量量 ( 直流 )!8

39 伏安特性曲线 如果把电阻元件的电压取为纵坐标 ( 或横坐标 ), 电流取为横坐标 ( 或纵坐标 ), 可绘出 - 平 面 ( 或 - 平 面 ) 上的曲线, 称为电阻元件的伏安特性曲线 线性电阻元件的伏安特性曲线是 一条经过坐标原点的直线, 电阻值可由直线的斜率来确定 ( t) R( t)!9

40 电导 电导 (Condctance), 用符号 G 表示, 其定义 为 : 在国际单位制中电导的单位是 西 门 子, 简称 西 ( 符号为 S), 用电导表征线性电阻元件时, 欧姆定律律为 : ( t) ( t) G R G ( t) G( t)!40

41 电阻的 无记忆特性 根据欧姆定律律, 任 一时刻, 线性电阻的电压 ( 或电流 ) 是由同 一时刻的电流 ( 或电压 ) 决定的 线性电阻的电压 ( 或电流 ) 不不能 记忆 电流 ( 或电压 ) 在 历史 上起过的作 用 这种 无记忆的性质不不只为线性电阻所具有 任何 一个 二端元件只要它的 (t) 与 (t) 之间存在着代数关系, 不不论这 一关系是线性的还是 非线性的, 都具有这种 无记忆的性质 ( t) R( t)!4

42 电阻的 一般定义 任何 一个 二端元件, 如果在任 一时刻的电压 (t) 和电流 (t) 之间存在代数关系 : f (, ) 0 亦即这 一关系可以由 - 平 面 ( 或 - 平 面 ) 上 一条曲线所决定, 不不论电压或电流的波形如何, 则此 二端元件称为电阻元件 对线性电阻来说 : f f (, ) R 0 (, ) G 0!4

43 电阻分类 电阻可以是线性的或 非线性的 时不不变的或 时变的 特性曲线不不随时间 而变化的, 称为时不不变的 ( 或称为定常的 ), 否则称为时变的 线性时变电阻非线性时不变电阻非线性时变电阻!4

44 二极管的伏安特性曲线 任何 一个 二端器器件或装置, 只要从端钮上看, 能满 足电阻元件的定义都可看成是电阻元件, 不不论其内部结构和物理理过程如何 半导体 二极管的伏安特性曲线如图所示来表征, 因 而它是 一个 非线性电阻 电阻值随着电压或电流的 大 小甚 至 方向 而改变, 不不是常数 对坐标原点来说不不对称!44

45 电阻元件的功率 在电压和电流的关联参考 方向下 : p p ( t) R ( t) ( t) R ( t) 式中 (t) 是流过电阻上的电流,(t) 是电阻 R 两端的电压, 若 R 0, 则 p(t) 0, 上式算得的结果即为该电阻消耗的功率 因此, 若 R 0, 电阻元件是 一种耗能元件 G ( t) ( t)g!45

46 负电阻元件 根据电阻元件的 一般定义, 在 - 平 面 (- 平 面 ) 上 用 一条斜率为负的特性曲线来表征的元件也属电阻元件 这种元件称为负电阻元件或负电阻 由于 R 0, 由前式算得的功率为负值, 说明该元件是提供功率的, 对外电路路提供能量量 有源元件, 无源元件!46

47 线性电阻的特殊情况 开路路 :R 0 短路路 :R0 0 例例 -6, 电阻元件的功率对实际电流电压的限制!47

48 电阻分类 固定电阻器器 碳膜 (RT) 金金属膜(RJ) 绕线等 热敏敏 光敏敏 压敏敏等 可变电阻器器 半可调电阻器器 电位器器!48

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50 第 一章集总参数电路路中电压 电流的约束关系 梁梁福 田

51 前情提要 节点 网孔 正 方向 : 电流的参考 方向, 电压的参考极性 关联参考 方向 : 电流参考 方向与电压参考 极到 - 极的 方向 一致, 即电流与电压降参考 方向 一致 基尔霍夫定律律 KCL: KVL: K k K k ( t k ) 0 k ( t) 0!5

52 -5 电压源 在含电阻的电路路中有电流流动时, 就会不不断地消耗能量量, 这就要求电路路中必须要有能量量来源 电源不不断提供能量量 理理想电源 自身没有能量量损耗, 是从实际电源抽象出来的 一种模型 在理理想的情况下, 每库仑的正电荷由电源的负极转移到正极时, 就能获得这 一定值能量量的全部, 也就是说, 电源的端电压 U s 是定值, 其值等于电源的电动势!5

53 电压源基本性质 电压源有两个基本性质 : () 它的端电压是定值 U s, 或是时 间函数 s (t), 与流过的电流 无 关 当电流为零时, 其两端仍有电压 U s 或 s (t) () 电压源的电压是由它本身确定的, 流过它的电流则是任意的!5

54 电压源伏安特性曲线 在 - 平 面上, 电压源在时刻 t 的伏安特性曲线是 一条平 行行于 轴, 且纵坐标为 s (t) 的直线 电压源特性曲线表明了了电压源端电压与电流 大 小 无关!54

55 例例 -7 单回路电路如图所示, 已知 s V s 6V R 0.Ω,R 0. Ω,R.4 Ω, R 4. Ω 求电流 及电压 ab 解根据基尔霍夫定律和元件的电压电流关系 设电流参考方向如图中所示, 相应的标出各电阻上电压的参考极性 s 4 s 0!55

56 解答 由欧姆定律得电阻元件的电压电流关系 : s R R s R R 4 s R R R 4 R 6 A.5A 根据图中所标极性, 循着右边路径计算可得 : ab s s R 4 s R V!56

57 例例 -9 求图中直流电阻电路中的 U I R R 及 U s 解 : I 为流过 Ω 电阻的电流, 由欧姆定律可得 : I A. 5A R R 和 Ω 电阻共同组成一个回路, 由 KVL 可得 U U R 5V V U I V.5 0 Ω.Ω 由 KCL( 丁字节点 ) 可得 A A I I I I 0.5A 由欧姆定律可得 0.5A 0 5 R Ω 0Ω 0.5 U s V 5V V!57

58 -6 电流源 电流源有两个基本性质 : () 它发出的电流是定值 I s, 或是时间函数 s (t), 与两端的电压 无关 当电压为零时, 它的电流仍为 I s 或 s (t) () 电流源的电流是由它本身确定的, 它两端的电压由与之相连接的外电路路来决定 电流源两端电压可以有不不同的极性 因 而电流源既可以对外电路路提供能量量, 也可以从外电路路接受能量量, 视电压的极性 而定!58

59 电流源的伏安特性曲线 在 - 平 面上, 电流源在时刻 t 的伏安特性曲线是 一条平 行行于 轴且纵坐标为 s (t) 的直线, 特性曲线表明了了电流源电流与端电压 大 小 无关!59

60 例例 -0 计算如图所示电路中 Ω 电阻的电压以及电流源的端电压及功率 解与电流源串联的元件, 其电流即为电流源的电流 故知, 流过 Ω 电阻的电流为 A, 其电压为 : V R I RV 极性如图所示 电流源电压 : V I V U V R 5V 电流源功率 ( 非关联参考方向 ) P-V I I-5-5W!60

61 练习题 求图中所示电路中的 解 : 因无法确定 0A 电流源的电压, 所以不能直接将电流源的电压和电压源相加 右侧支路由 KVL 得 ( 看作 整体 ) 5V ( 0 ) 5V!6

62 -7 受控源 受控源是 一种双 口元件, 它含有两条 支路路, 其 一为控制 支路路, 这条 支路路或为开路路或为短路路 ; 另 一为受控 支路路 受控 支路路或 用 一个受控 电压源 表明该 支路路的电压受控制的性质, 或 用 一个受控 电流源 表明该 支路路的电流受控制的性质 受控源不不是严格意义上的电源 受控源 用菱形符号表示!6

63 4 种类型受控源 ( 电 ) 压控 ( 制 ) 电压源 (VCVS) a, 流控电压源 (CCVS) b, 压控电流源 (VCCS) c 和流控电流源 (CCCS) d!6

64 !64 受控源数学表示受控源是一种双口电阻元件, 由两个代数方程定义 : 各式中 µ 称为转移电压比 r 称为转移电阻 g 称为转移电导 α 称为转移电流比 ( ) ( ) 0,,, 0,,, f f ( ) ( ) 0,,, 0,,, f f µ CCCS g VCCS r CCVS α VCVS

65 受控源转移特性和输出特性 若线性受控源的参数不随时间而变, 则该受控源就是一种线性 时不变 双口电阻元件 VCVS 为例, 下图反映的 与 l 的约束关系, 它是一条通过原点 斜率为 µ 的直线 由于控制电压 和受控电压 不在同一端口, 这 是一种转移的约束关系, 称为转移特性 输出特性 -, 它们是一族对应于不同控制电压 且并行于 轴的 直线 6!65

66 受控源功率 采 用关联参考 方向. 受控源吸收的功率为 : ( t) ( t) ( t) ( t) ( t) p 由于控制 支路路不不是开路路 ( 0), 便便是短路路 ( 0), 所以, 对所有四种受控源, 其功率为 : ( t) ( t) ( t) p!66

67 例例 - VCVS 连接于信号电压源 s 与负载电阻 R L 之间,R s 为信号电压源的 内阻 试求负载电压 o 与信号电压 s 的关系, 并求受控源的功率 解由 KVL 可得 : µ O 0 由于 0, 可得 O S µ S 受控支路电压和电流为关联参考方向, 其功率为 : µ p µ L µ R L ( µ ) R S L!67

68 例例 -4 含 CCCS 电路如图所示, 试求电压 o 和流经受控源的电流!68

69 解答 含受控源电路路仍需满 足两类约束 在列列写 KVL KCL 方程时, 要把受控源暂时看作独 立源 本题把受控源看作是电流为 4 的电流源, 可得 (KCL): 6 ( 4 ) 0 0 列列出 方程后, 必须找出控制量量 ( 本题为 ) 与求解量量 ( 本题为 ) 的关系, 代 入写出的 方程才能求得答案 ( ) 解得 : O Ω 8V V 4 6A 4A!69

70 -8 分压公式和分流公式 串串联电路路的分压公式 若有 n 个电阻串串联, 第 k 个电 阻的电压为 : 并联电路路的分流公式 k n R k k R k 若有 n 个电阻并联, 第 k 个电 阻的电流为 : k n G k k G k!70

71 !7 串串联电路路的分压公式 电路路中, 两个串串联电阻的总电压为, 流过同 一电流, 显然, 每个电阻的电压只是总电压的 一部分 由 KVL 及欧姆定律律得 : R R R R R R R R R R 若有 n 个电阻串串联, 则第 k 个电阻的电压为 : R R n k k k k

72 分压电路路的习惯表示形式 机壳称为 地 (Gond), 又称为电路路的参考节点, 参考点是 节点电压的 - 端 各节点 至参考节点间的电压降定义为该点的节点电压 a 点的节点电压即为 a 点 至参考点 c 的电压降 ac, 可记为 Na, 也可记为 a 参考节点 c 的电压 c cc 0, 故参考节点 又称为 零点 或 零 电位点!7

73 !7 例例 -5 空载直流分压电路如图所示, R R R 00Ω, 求 U 及 U 解注意 U U 均指节点 分别至参考点的电压,U 并非是 R 两端的电压, 而是 R R 两端的电压 : V V R R R R U V V R R R R R U

74 例例 -6 电路为双电源直流分压电路, 试说明 U A 可在 5V 至 - 5V 间的连续变化 电位器电阻为 R,α 表示 ac 间的电阻在电位器总电阻 R 中所占比例的数值,0<α<!74

75 解答 解 : 设电流 I 的参考方向如图中所示, 由 KVL 及欧姆定律可得 RI 5V 5V 0 0 I V R U A U AD αri 5V ( 0α 5)V 实际上利用分压公式可以直接得到 αr Ua Ubc Uc ( α ) R αr (5 ( 5)) α 5 0α 5!75

76 !76 并联电路路分流公式 两个并联电阻的总电流为, 两端的电压同为 每个电阻的电流只是总电流的 一部分, 并联电阻电路路具备对总电流的分流作 用 用电导表示电阻元件, 由 KCL 及欧姆定律律得并联电路中的任一电导的电流等于总电流乘以该电导对总电导的比值 ( ) G G G G G G G G G G G G 若有 n 个电阻并联, 第 k 个电阻的电流为 : G G n k k k k

77 电阻串串联和并联公式 电阻串串联求和公式 若有 n 个电阻 R 串串联, 总电阻的 R Σ 为 : R Σ n Σ R 电阻并联求和公式 若有 n 个电阻 R 并联, 总电阻的 R Σ 为 : G Σ n Σ G R Σ n Σ R!77

78 !78 练习题求图所示各电路路中的 x x 5V 0 4 R 4 Ω R V x 4 7 V V V b a x b a

79 练习题 求图 (a) 中的 和 ; 图 (b) 中的 和 ; 图 (c) 中的 x 和 x.5 0 0mA mA.5 5 如法炮制 先算 x, 再算 x!79

80 -9 两类约束 KCL KVL 方程的独 立性 KCL KVL 和元件的 VCR 是对电路路中各电压变量量 电流变量量施加的全部约束 两类约束 来 自元件的相互连接 方式 : 与 一个节点相连接的各 支路路, 其电流必须受到 KCL 的约束 ; 与 一个回路路相联系的各 支路路, 其电压必须受到 KVL 的约束 这种只取决于互连形式的约束, 称为拓拓扑约束 来 自元件的性质 : 每种元件的电压 电流形成 一个约束, 这种只取决于元件性质的约束, 称为元件约束!80

81 两类约束 根据这两类约束关系, 可以列列出联系电路路中所有电压变量量 电流变量量的 足够的独 立 方程组 具体说, 对 一个具有 b 条 支路路的电路路, 可以列列出联系 b 个 支路路电流变量量和 b 个 支路路电压变量量所需的 b 个独 立 方程式 电路路分析的典型问题是 : 若给定电路路的结构 元件的特性以及各独 立电源的电压或电流, 能否求出电路路中所有的 支路路电压和 支路路电流, 或某些指定的 支路路电压 支路路电流? 两类约束是解决集总电路路问题的基本依据!8

82 !8 例例依次对节点 4 运 用 KCL 可得这 4 个 方程式中只有 个是独 立的 由 5 条 支路路所得的 VCR 为 S S R R R 运 用 KVL 可得 4 个节点 5 个 支路路的独 立 方程 Us,Us 给定的输 入

83 推论 在 一般情况下, 如果电路路有 b 条 支路路, 则有 b 个电压 电流变量量, 需 用 b 个联 立 方程来反映它们的全部约束关系 由 b 条 支路路的 VCR 可得到 b 个 方程, 其余的 b 个独 立 方程, 则恰好可以由 KCL 及 KVL 提供!8

84 证明 () () 设电路路的节点数为 n. 则独 立的 KCL 方程为 (n-) 个, 且为任意的 (n-) 论证 : 每 一 支路路接在两个节点之间, 因 而每 一 支路路电流对 一个节点为流出 ( 设为 j ), 则对另 一个节点为流 入 (- j ) 因此, 如为所有的节点写 KCL 方程, 每 一 支路路电流将出现两次, 一次为正, 一次为负 所有 n 个节点的 KCL 方程之和为 : n b ( ) [ ( j) ( j) ] 0 k k j 表明对电路路的每 一个节点写出 KCL 方程, 则所得的 n 个 方程是 非独 立的 ( 线性相关 ) 去掉任意 一个, 余下的 (n-) 个 方程 一定是互相独 立的!84

85 证明 () () 对于 一个包含 b 条 支路路平 面电路路有 [b-(n-)] 个 网孔, 所列列的 [b-(n-)] 个 网孔的 KVL 方程是独 立的 论证 : 平 面电路路 网孔数 mb-(n-), 用数学归纳法证明 当 m 时, 由图 (a) 可知. 这 一关系式 无疑是正确的 若对 一个具有 m 个 网孔的电路路, 该式正确, 则当电路路改为 (m) 个 网孔时, 该式仍然正确, 见图 (b)!85

86 !86 证明 ( 续 ) 可以在现存的节点之间加上 一条 支路路使 网孔数增加 个 ; 也可加上 k 条串串联 支路路, 这些 支路路经过 (k-) 个节点与原来的电路路相连, 也能使 网孔增加 个 如令新电路路的 网孔数为 m, 支路路数为 b, 节点数为 n, 则显然 : 网孔数的公式依然正确 ( ) ( ),, ' ' ' n b m k n n k b b m m ( ) ( ) ' ' ' ' ' n b k n k b n b m m

87 证明 ( 续 ) 在平 面电路路中, 每 一 支路路或为两 网孔所共有, 或只属于电路路的边界 如把边界也看成是 一个包围外部 空间 的 网孔, 称为外沿 网孔, 则所有 支路路都将为两个 网孔所共有 设电路路的 网孔数为 m, 则包括外沿 网孔在内的 (m) 个 网孔的 KVL 方程之和为 n b ( ) [ ( j) ( j) ] 0 k k j 每 一 支路路电压出现两次, 一次为正, 一次为负, 互相抵消之故 因此,(m) 个 KVL 网孔 方程是 非独 立的 如去掉 一个 网孔 方程, 其余 m 个 网孔 方程是独 立的!87

88 证明 () () 综上, 对 n 个节点 b 条 支路路的电路路, 可以得到 b 个独 立 方程 : 由 KCL 及 KVL 可以得到的独 立 方程总数是 b 个 由 支路路的 VCR 可列列出其中的 b 个 ( n ) b n m n b 根据两类约束列列出 支路路电压变量量 支路路电流变量量的联 立 方程组, 从 而求得未知电压 电流的 方法常称为 b 法 若在 b 条 支路路中, 独 立电压源 支路路及独 立电流源 支路路的总数为 b s, 则在 b 法中, 未知电压 电流数 b-b s 由 KCL 及 KVL 可列列出 b 个, 由 非电源 支路路的 VCR 可列列出其中的 (b-b s ) 个!88

89 -0 支路路电流法和 支路路电压法 支路路电流法和 支路路电压法, 在分析电路路时所需的联 立 方程数可 比 b 法所需者少 各电阻 支路路的电流与电压是由相应 支路路的 VCR 相联系的 一旦求得各电阻 支路路电流, 各电阻 支路路电压 立即可由相应 支路路的 VCR 求得 ; 反之, 一旦求得各电阻 支路路电压, 各电阻 支路路电流也可由相应 支路路的 VCR 立即求得 电阻的 VCR 是已知的, 因此可以只求 支路路电流或电阻 支 路路电压!89

90 示例例 如以电阻支路电流 ( 或支路电压 ) 和电压源支路电流为未知量, 所需联立方程式为 b5 个, 少于 b 法中的 bb s 8 个联立方程式 解 : 以电阻和电压源支路的电流 4 0 为未知量, 仍按任意三个节点写出三个 KCL 方程, VCR 代入 KVL 式得 0 R 4 R 0 0 R 0 R S 0 0 S!90

91 !9 示例例也可以将 VCR 关系代入 KCL 方程中 : 运用 KVL: 支路电流法和支路电压法常称为 b 法 S S R R R R R

92 练习题 用支路电流法求解电路的各支路电流 解 : 根据 KCL 方程 根据 KVL 和 VCR 得 个方程连立, 解得 6A, -A, 4A 0 0!9

93 作业 第四版 : 习题 一,4,6,7,,6,,, 第五版 : 习题 一,4,6,7,,6,,,7 请预习第 二章 课件地址 :

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