清华大学电路原理课件1

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第一讲

绪论，电压电流和功率第一部分：绪论

Principles of Electric Circuits Lecture 1 Tsinghua University 2005

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什么是电路？

a电路（electric circuits）就是由若干电气元件（electrical elements）相互连接构成的电流的通路。

a本课程中要接触的电气元件有

`电阻、电容、电感、二极管、MOSFET、理想运算放大器（Operational Amplifier）、

互感线圈、理想变压器等

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为什么要学习电路？

a从学术的观点来看

`电路是电气工程（Electrical Engineering）的基础。

`电路是计算机科学（Computer Science）的基础。

a从实际情况来看

`电路原理是许多高级课程的先修课程。`熟练掌握电路原理对现实生活有帮助。

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电路都有哪些作用？a传输能量`电能的产生、传输和分配a处理信号`电信号的获得、变换和放大Principles of Electric Circuits Lecture 1 Tsinghua University 2005电气化铁道系统处理电能waterPowercoalPlantsTransformersLow voltageac electricityHigh voltageac electricitynuclearConvertersdc electricityDC motors电能的产生、传输和分配Driving forcePrinciples of Electric Circuits Lecture 1 Tsinghua University 20053手机通讯系统处理信号voiceDigital SignalElectromagneticADCcoder and waveantennaCenterDACantenna and voiceDigital SignaldecoderElectromagneticwave电信号的获得、变换和放大Principles of Electric Circuits Lecture 1 Tsinghua University 2005两种可能的后续学习计划电路原理电路原理信号与系统数字电子技术自动控制原理计算机原理电力系统分析下一代电力电子技术柔性交流输电系统计算机网络Internet规范FACTSIPv6Principles of Electric Circuits Lecture 1 Tsinghua University 200电路分析(Analysis)电路理论（电路原理）电路综合(Synthesis)实际电路电路模型分析电路综合电路分析求解方程结果（代数、常微分、偏微分）Principles of Electric Circuits Lecture 1 Tsinghua University 2005本学期的主要内容a直流电路（DC circuits）a动态电路（Transient circuits）`区别在哪里？a交流电路（AC circuits）`区别在哪里？Principles of Electric Circuits Lecture 1 Tsinghua University 20055第二部分：电压电流和功率a电路的组成a电路的模型a电路的变量`电压和电流的参考方向a电路的功率Principles of Electric Circuits Lecture 1 Tsinghua University 20051. 电路的组成电源(发电厂、干电池、光电池)负荷(电动机, 扬声器)导线与开关(输电线路, 电路板)switchBatteryLampline6电路2. 电路的模型1). 理想电路元件抽象实际电路元件简单的u-i 关系导线的建模－－抽象的观点基本理想电路元件：电阻(resistance)：u-i 代数关系电感(inductance)：u是i 的微分关系电容(capacitance)：i是u的微分关系电源(source)：u-i 相互2).电路建模switchBatteryLamp抽象RiRfUSline73. 电路的变量电压voltage, 电流current , 电位potential, 电荷charge, 磁通flux1). 电流current：电荷的时间变化率单位时间内从A到B的电荷量i(t)def=∆lim∆qdqt→0∆t=dtABUnit：A (安) (Ampere: 1775--1836，France)直流电流Direct Current交流电流Alternating Current理想直流电流(I)正弦交流电流2). 电压voltage：电场力移动单位电荷做的功电场力u=dwAB将单位电荷从A移动到B所作的功ABdqAB经常称为：电压降Unit：V (伏) (Volt: 1745--1827，Italian)u=dwBABAdq=−dwABdq=−uAB83). 电位potential：从某点到参考节点的电压降.参考点（reference point）的电位是零。Symbol: ϕ(or U）Unit: V(伏)abC为参考点，ϕc =0dϕa =Uac，ϕb =Ubc，ϕd =Udcc已知（1）任意两点之间有电压。（2）某点的电位是该点到参考点的电压降。两点的电位和两点之间的电压有什么关系？abϕc=0Uac = ϕa，Udc = ϕdUac= Uad+UdcKVLdcUad= Uac–Udc= ϕa–ϕd两点间的电压等于两点间的电位差.9例：Uab=1.5 V，Ubc=1.5 V ，求ϕa, ϕb, ϕc, Uac(1) a为参考点，ϕaa =0Uab= ϕa–ϕb →ϕb =ϕa –Uab= –1.5 V b1.5 VUbc= ϕb–ϕc →ϕc = ϕb –Ubc= –1.5–1.5= –3 VUac= ϕa–ϕc =0–(–3)=3 V 1.5 V(2) b为参考点，ϕb=0cUab=ϕa–ϕb →ϕa =ϕb +Uab= 1.5 VUbc= ϕb–ϕc →ϕc = ϕb –Ubc= –1.5 VUac= ϕa–ϕc = 1.5–(–1.5) = 3 V两点间的电压不随参考点的选择而变化。4). 电动势eletromotiveforce：dW非电场力eBABA=dq将单位电荷从B移动到A所作的功AUnit:V (伏)eBA, 电位的升高，eBA=ϕA−ϕBUAB, 电位的降低，uAB=ϕA−ϕB∴ eBBA=uAB10电压和电流的参考方向(1). 为什么要引入参考方向？(a) 电压或电流的方向不确定. (b) 电压或电流的方向随时间变化. iii=Imsinωt0T/2Tt00如何求电流i？真实方向等于参考方向T2 0i< 0表示电流参考方向的两种方法:•箭头看仿真•双下标( iAB): 参考方向从A指向B12例:IAI110ΩI ＝1A,10V真实的方向从A到B。BI2如果参考方向为I1，I1=1A如果参考方向为I2，I2= －1A(3). 电压的参考方向看仿真+真实方向真实方向+参考方向参考方向+U–+U–U > 0U < 013例:AUAB=10V，从A指向B(真实方向)10VUU1210ΩB如果参考方向为U1, U1=10V.如果参考方向为U2，U2= －10V.表示电压参考方向的3种方法(1) 箭头：U(2)正负极性：+U(3) 双下标：AUABB表示电动势参考方向的3种方法＋e－AeBeBA14总结：(1)分析电路之前要首先设置电压和电流的参考方向(2) 分析过程中始终根据这些参考方向列写方程(3)参考方向也称作正方向(4) 元件上电压参考方向和电流参考方向之间的关系ii+u–+u–关联参考方向非关联参考方向associatereference directionsnon-associatereference directionsu = Riu = –Ri1. 电路的功率（Power）(1). 功率：单位时间内从A到B的电荷量i=dqdtu=dwdq关联单位时间内从A到B所作的功将单位电荷从A移动到B所作的功元件吸收p=dwdwddt=qdqdt=uiPower Unit：W (瓦) (Watt，瓦特，British)Energy Unit：J (焦) (Joule，焦耳，British)(2). 功率的计算记忆方法1+ip 吸= ui, 元件吸收的功率p=ui，关联uP 吸ÅÆ关联吸>0 (元件真正吸收功率)P 发ÅÆ非关联–吸<0 (元件真正发出功率)+i非关联p = u发ui元件发出的功率P 发>0 (元件真正发出功率)–P 发<0 (元件真正吸收功率)16记忆方法2永远用关联计算+p吸=ui关联iup 吸= ui, 元件吸收的功率–+-ip 吸= u(－i)=－ui, 元件吸收的功率非关联up 发= ui元件发出的功率–iPrinciples of Electric Circuits Lecture 1 Tsinghua University 2005例1:IAII10ΩU=10V,I=1A10VUU, I为真实方向B解:法1PR󰙵=U×I=10×1=10W电阻吸收功率: 10WPU发=U×I=10×1=10W电源发出功率: 10W法2PR吸=U×I=10×1=10W电阻吸收功率: 10WPU󰙵=U×(󰊵I)=−10×1=−10W电源发出功率: 10W17例2：U1=10V，U2=5V, 求电阻和电源的功率.I5ΩI=UR/5=(U1–U2)/5=(10–5)/5=1 A+PUR吸= URI = 5×1 = 5 WUR–P1UU1发= U1I = 10×1 = 10 W2PU2吸= U2I = 5×1 = 5 WP发= 10W，P吸= 5+5=10WP发=P吸功率守恒•电阻总是吸收功率，电源可能吸收也可能发出功率。•电路中被吸收的功率之和一定等于发出的功率之和。复习a电路分析与电路综合a电流及其参考方向a电压及其参考方向`电位、电动势a关联与非关联元宵节快乐！a功率Principles of Electric Circuits Lecture 1 Tsinghua University 200518