電路與電子模擬技術

單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,1.3 電阻、電感、電容元件,電路元件有源元件和無源元件,電壓源、電流源稱為有源元件，它們向電路提供電能。,電阻、電感和電容元件稱為無源電源,電阻元件,當元件上的電壓,u,和電流,i,存在著確定的代數(shù)關系時，這種元件就稱為電阻元件,關聯(lián)參考方向下，電阻上的電壓和電流滿足關系：,u,=,Ri,歐姆定律,在國際單位制中，電阻的單位是歐姆(),電壓與電流為非關聯(lián)參考方向,u,=,-,Ri,電導定義為電阻的倒數(shù)，用,G,表示,電阻的功率為,電感元件,具有存儲磁場能量特性的元件稱為電感元件,設線圈中的電流為,i,，單匝線圈的磁通為,，,N,匝線圈的總磁通磁鏈為,N,，記作,電流,i,與磁通,滿足右手關系時，定義,為線圈的,電感,與,i,成線性關系，電感元件稱為線性電感,空心線圈可視為線性電感，含有鐵心的線圈則是非線性電感,國際單位制中磁通的單位是韋伯(Wb)，電感的單位是亨利(H),電感元件的電流與磁鏈的關系曲線稱為,韋安特性,。線性電感的韋安特性在,i,平面中是一條通過原點的直線,電流變化,感生電動勢,其大小為,當電感上的電壓與電流為關聯(lián)參考方向,時，,當,i,0時，若,i,增大，則,u,0,感應電動勢產(chǎn)生的電壓阻止電流的增加；若,i,減小，則,u,0,，,感應電動勢在回路中產(chǎn)生與,i,相同方向的電流，以阻止電流的減小,電感上的電壓和電流為關聯(lián)參考方向時，電感的功率為,d,t,時間內(nèi)，電感中磁場能量的增加量為,電流由0增大到,i,時，電感儲存的磁場能為,電感儲存的能量只與最終的電流值有關，與電流建立的過程無關,當電感上的電壓與電流為非關聯(lián)參考方向 時，,電容元件,具有儲存電場能量特性的元件稱為電容元件,設在電容器的極板上加上電壓,u,，極板的電量為,q,，定義,為電容器的電容量，亦簡稱電容,若,q,與,u,成線性關系，則電容器稱為線性電容器。我們一般所講的電容器都是線性電容器,線性電容器上電量與電壓的關系曲線在,qu,平面上是一條通過原點的直線，也稱電容的,庫伏特性,國際關系制中，電荷的單位為庫侖，電容的單位為法拉(F)、微法(,f)或皮法(pf),電容器上的電壓,u,和電流,i,為關聯(lián)參考方向時,流過電容的電流取決于該時刻電容電壓的時間變化率,u,是直流電壓，則,i,=0，電容相當于開路,u,和,i,為,非關聯(lián)參考方向,時,電容的功率為,（,u,和,i,為關聯(lián)參考方向,）,d,t,時間內(nèi)，電容中電場能量的增加量為,電壓由0增大到,u,時，電容存儲的電場能為,電容器存儲的能量只與最終的電壓值有關，與電壓建立的過程無關,1.4 電壓源和電流源,電源：,元件兩端的電壓或流出的電流保持為一恒定值或確定的時間函數(shù),電源分為,獨立源,和,受控源,兩類,電壓源,電源的端電壓與流過的電流無關,理想電壓源,實際電源可以看成是一個恒壓源,U,S,和一個電阻,R,S,的串聯(lián),電流源,從電源流出的電流與電源兩端的電壓大小無關,理想電流源,實際電源可以看成是一個恒流源,I,S,和一個電阻,R,S,的并聯(lián),光電池,一個實際的電源，其電路模型既可采用電壓源模型，也可采用電流源模型，這要視電源的外部電壓或電流的特性而定。,當端電壓變化不大時，可采用電壓 源模型；,當端電流變化不大時，可采用電流 源模型,電源的功率,元件上的電壓和電流為非關聯(lián)參考方向時，P=,-,UI,一般選擇電源的電壓和電流之間為非關聯(lián)參考方向,恒壓源的功率為,：P,S,=,-,U,S,I,恒流源的功率為,：P,S,=,-,UI,S,P,S,0，電源吸收功率,例,下圖中，,I,S,=2A，,U,S,=4V，求,R,分別為4,、2,、1,時電阻和電流源上的電壓，并計算各元件的功率,解：電路中的電流為,：I=I,S,=2A,電源上電壓與電流為非關聯(lián)參考方向，故,隨著外電路的變化,電流源上的電壓隨之變化,不僅數(shù)值改變,方向也會改變，電流源在電路中的作用也隨之變化,R,=4,時，電流源釋放功率，起電源的作用；,R,=1,時，吸收功率，起負載的作用,電路的功率是平衡的，即電路中提供電能的元件產(chǎn)生的功率等于消耗電能的元件吸收的功率,1.5 基爾霍夫定律,元件上電壓與電流的關系,元件約束,相互聯(lián)接的各元件之間電流及電壓的關系（由電路結(jié)構(gòu)決定）,拓撲約束,包括基爾霍夫電流定律和電壓定律,(1),支路,：電路中通過同一電流的每個分支稱支路。,ab、acb、adb,(2),結(jié)點（節(jié)點）,：電路中三條或三條以上支路的連接點稱為結(jié)點。,a、b,c、d一般不稱為結(jié)點,(3),回路,：電路中的任一閉合路徑稱為回路。,abca、abda和adbca,(4),網(wǎng)孔,：內(nèi)部不包含支路的回路稱為網(wǎng)孔。,abca和abda。,可以證明，一個具有m條支路，n個結(jié)點的電路，有m-n+1個網(wǎng)孔,基爾霍夫電流定律（）,描述同一結(jié)點上的各支路電流間關系,在任何時刻，流入任一結(jié)點的電流之和等于流出該結(jié)點的電流之和,對結(jié)點a有,在任何時刻，流入任一結(jié)點的電流的代數(shù)和恒為零,規(guī)定流入結(jié)點的電流取正號，流出結(jié)點的電流取負號,基爾霍夫電流定律是電荷守恒定律在電路中的具體表示,注意,(1)應用KCL進行計算時，首先應設定各支路電流的參考方向,(2)KCL不僅適用于結(jié)點，也適用于電路中的任意假想封閉面,對圖a,假想的封閉面電路的廣義結(jié)點,對圖b電路有,例,：右圖電路中，,I,1,=3A，,I,2,=-5A，,I,3,=-4A，求,I,4,。,解,：根據(jù)KCL，規(guī)定電流流入為正，流出為負,應用KCL時，會遇到兩種正負號：,一種是電流方程中各項前的正負號，由各電流相對結(jié)點的流向決定,另一種是電流數(shù)值本身的正負號，由參考方向相對實際方向確定,基爾霍夫電壓定律（）,描述同一回路中各元件電壓間關系，表述如下,在任何時刻，任一回路中沿某一繞行方向，各元件上電壓降的和等于電壓升的和,任何時刻，沿某一回路繞行方向，任一回路中各元件上電壓降的代數(shù)和恒為零,注意,(1)列寫電壓方程時，首先選定回路的繞行方向。電壓降的方向與繞行方向一致時，電壓取正號，反之取負號。,(2)KVL也可推廣運用于電路中的假想回路,對假想回路abca,例,：右圖電路中，已知,U,1,=-2V，,U,2,=1V，,U,3,=4V，求電壓,U,4,解,：先選定回路的繞行方向,再列出KVL方程：,-,U,1,+,U,2,+,U,5,=0；,U,3,+,U,4,-,U,5,=0,消去,U,5,得：,U,4,=,U,1,-,U,2,-,U,3,=,-2-1-,4=,-,7V,應用基爾霍夫電壓定律時，也會遇到兩種正負號,一種是各電壓相對回路繞行方向確定的，,另一種是參考方向相對實際方向確定的,基爾霍夫定律只與元件的相互聯(lián)接方式有關，而與元件的性質(zhì)無關，故對任何集總參數(shù)電路都適用，即不論元件是線性的還是非線性的，電壓、電流是直流還是交流，KCL和KVL總是成立的。,作業(yè)：1.4,；,1.6,