基本电路理论
上海交通大学本科学位课程
2003年 7月
绪 言
课程名称,, 基本电路理论,
电路理论是整个电气工程的重要理论基础
之一,它使电气工程与数学和物理很好地
结合在一起。
它不同于理论基础课,也不同于专业课,
电路理论课是一门既有理论性,又有实践
性的课程,是我们的第一门技术基础课。
在电子技术领域内,信号、电路和系统 是三
个相互联系又有区别的基本成分。
信号是运载信息的工具 (信号的任务和本质 )
电信号的基本形式就是变化的电压和电流,
例如实际应用中经常遇到的电话信号、电视
信号、雷达信号、控制信号以及电子计算机
的数字信号等等。
电信号都可表示为时间的函数 (时域分析 ),
也可通过频域分析其频谱。
电路是对信号进行加工、处理的具体结构,
组成各种各样的电路的元件有电阻、电容和
电感等,若再加上半导体元件,尤其是目前
的集成电路,可以组成更为复杂的电路。
系统是信号通过的全部电路和设备的总和,
因此,系统所涉及的问题是全面性的,电路
所关心是为实现系统的特性,电路所应有的
结构和参数,所以是局部性的问题。
信号在电路中传输时,根据条件的不同存在
两中不同的分析研究方法,电磁场理论 的方
法和 电路理论 的方法。
电磁场理论是在三维空间中研究各种电磁现
象,诸如电荷的分布,电流密度的分布,电
磁场的传播以及电磁能的辐射等等。
电路理论是在空间的特定情况下研究各种电
磁过程。它只研究电路元件的外部功能,不
讨论电磁场的具体分布情况,所涉及到的只
是各元件的电压、电流及功率等等。
电路理论近似地认为,热能消耗集中在电阻
元件中,磁场能集中在电感元件中,电场能
集中在电容元件中,联接元件的导线除了构
成电流的通路外无任何其它能量的交换。
电路理论研究电路中的普通规律,根据电路
模型探讨各种电路的一般分析计算方法和设
计方法,它并不分析具体的电气设备,却都
是各种设备中所发生的电磁过程的高度概括
和综合。因此,电路理论在现代电子学、无
线电通信、无线电技术以及自动控制技术中
占有重要地位。
路与场 ? 牛顿力学与相对论力学
电路理论包括电路分析及电路综合。
电路可分为强电类和弱电类。
电路分析,给定电路结构及有关参数,计算
电路 各部分的电压及电流,研究电路的激励
与响应之间 的关系,分析电路的特性等等。
电路综合,根据要求给定电路特性,设计电
路的形式并计算电路元件的参数,从而确定
电路的结构。
强电 类:电能的产生、传输、分配和使用
弱电 类:电信号的产生、传输、放大和使用
第一章 集中参数电路和基尔霍夫定律
§ 1.1 电路模型和基本变量
1、电路模型
工程上实际电气装臵品种繁多,千差万别。
实际元件 ? 电气器件 ? 电气装臵
进行科学抽象的概括,
用 数学模型 表示电气器件外部功能。
模型元件 ? 电路元件 ? 电路模型
模型元件是实际器件的理想化,反映实际电
气器件的主要电磁性能。然后用这些模型元
件按一定规则进行组合,使之具有实际装臵
的主要电磁性能,这种组合就是电路模型,
而根据电路模型得出的数学关系又能反映实
际器件和装臵的基本物理规律。
电器装臵 用电路模型近似表示是有条件的,
一种近似表示只有在一定的条件下适用,条
件变了,电路模型也要作相应的改变。
我们课程将仅对电路模型进行分析和计算。
2,电路参数
称 电阻、电容、电感 为电路参数。
( 1)分布参数
在电路中三种参数是连续分布的,就是说,
在电路的任何部分都既有电阻,又有电容,
又有电感。如两根并行导线,0Lx?0Rx??? 0Gx?0Cx? ??????
R0单位长度的电阻,G0单位长度的电导,
L0 单位长度的电感,C0单位长度的电容。
△ x分得愈小,就愈接近实际情况。
称这种连续分布的电路参数为 分布参数,
这样的电路为分布参数电路。
0Lx?0Rx??? 0Gx?0Cx? ??????
若电源频率 f 很高,波长 λ很短,当 λ与电路的尺寸 l
可以相比拟,甚至更小时,电源中电流或电荷的分
布发生的变化,就不能及时影响到整个电路,电路
中不同部分的电磁场,以及电流、电荷的变化将按
距离的远近而不同,各处的电压也不同。
分布参数电路,除了有时间变化以外,还有空间变
化,电路中的电流和电压既是时间的函数,又是距
离的函数,i=i(x,t),v=v(x,t)。
分布参数电路中的电流和电压关系必须用偏微分方
程来描述。
?l
( 2)集中参数
若电源的频率 f 不高, 电路元件及电路的各向最
大尺寸 l 远小于电源最高频率 f 的波长 λ时, 电磁
场的变化传布整个电路所需的时间 τ= l /c 远小于
一个周期 T,在此短暂的时间里, 电流, 电荷和
电磁场的分布都未来得及发生显著变化, 电路参
数的分布性对电路性能的影响并不明显, 分布参
数的影响可以集中起来表示 。
电阻、电容、电感都集中
到一点,能量损耗、电场
储能、磁场储能过程也分
别集中在电阻、电容、电
感元件中进行。
?l
称这些电阻、电容、电感元件为集中参数元
件,由集中参数元件组成的电路为集中参数
电路。
电路的这种近似处理的方法和物理力学中将
物体看成质点是相仿的。
集中化判据,λ≥100 l
集中参数电路中的电压、电流为时间的函数
v=v(t),i=i(t),电路可用常微分方程来描述。
我们的课程将只讨论集中参数电路。
音频信号,
f,20Hz~25kHz,λ=3× 108/25× 103=12000m
对实验室仪器而言,可不必考虑分布参数。
实验室电子仪器的尺寸 l, 3~30cm,允许信号
波长 λ=300~3000cm,则 f = c/λ=3× 1010/λ
? f,107Hz~108Hz( 10兆 ~100兆)
在实验室,一般情况下 50兆频率的信号,可作
集中参数电路来处理。
信号频率继续升高,分布参数将上升到主
导地位。
信号频率到微波波段(称超高频或射频),
f > 1010 Hz,1mm≤λ≤10cm 。
在这种情况下,电路概念完全被破坏,只能
用电磁场理论分析各种现象。
如天线,它的下端有电流,顶端电流为零。
设联接于电视接收天线与电视机间的平
行双导线(称传输线)没有损耗,并延
伸至无限长(这样可不涉及反射波),
若天线端口 A点感生了频率为 100MHz即
?=2π× 108rad/s的电压 vA(t)=VmSin?t,
在距 A点 1.5m处 B点的电压 vB(t)相对于 A
点的电压 vA(t)将延迟
相当于相位落后 ?t0=2π× 108× 5× 10-9=π rad,于是 B
点的电压 vB(t)= VmSin(?t-π)=- VmSin?t=- vA(t)。
9
0 8
1, 5 5 1 0
3 1 0ts
?? ? ?
?
与 A点的线间电压反相。这信号的波长 8
8
3 1 0 3
10 m?
???
AB间的距离是波长的一半,该段传输线不能看作集
中参数电路。
????CvA
Bv
ACB电 视 接 收 天 线
传 输 线
若 C点距 A点较近为 0.015m,从 A点到
C点的传输时间是 5× 10-11s 相位落后
2π× 108× 5× 10-11=10-2× π rad=1.8?
在任意时刻 t均可认为 vC(t)≈vA(t),即可
以将该段传输线看作是集中参数电路。
这是 AC间的距离远小于信号波长的缘
故。
????CvA
Bv
ACB电 视 接 收 天 线
传 输 线
3,基本变量(电路变量、网络变量)
电路中能量交换情况,往往无法直接测量
得到,如电阻器上消耗了多少电能,电容
器、电感器中分别储存了多少电场能和磁
场能,然而,可以用间接的方法测得电阻
器、电容器、电感器两端的电压及流过它
们的电流,再进行能量方面的计算。
在电路理论中,为了定量地描述电路的状
态或元件特性,一般选用 电流 i和电压 v作
为基本变量。
电流,
直流,
dqi
dt?
(单位时间内通过导体横截面的电量)
dqI
dt?? 常数
交流,dq
i dt?? 常数
电压,
dwv
dq
?
(单位正电荷由一点转移到另一点获
得或失去的能量 )
直流,V=常数 交流,v≠常数
(注:一般直流变量用大写字母,交流变量用小写字母)
除电流和电压外,电荷 q和磁通 φ也可作为
一对基本变量,在分析时变电路或非线性电
路时,优点尤为突出。
4、参考方向
电压的参考极性也任意选定,
经计算,电压值为正,说明参
考极性与真实极性一致,否则
相反。
电流的参考方向可任意给定,并在电路图上
用箭头表示。电流的参考方向一经选定,就
不再任意改变。经过计算,电流值为正,说
明电流的参考方向与真实方向一致;电流值
为负,说明参考方向与真实方向相反。 a??b电路元件iv
一致参考方向,
电流和电压的参考方向,也可用
双脚标表示,iba,vba。 a
??b电路元件iv
电流从标有, +”号的端点流入,从, -”
号端流出元件。
一致参考方向也称关联参考方向。
在一致参考方向下,
P(t) = v(t) i(t) > 0 吸收功率
P(t) = v(t) i(t) < 0 发出功率
§ 1.2 基尔霍夫定律
1、有关术语
基尔霍夫定律概括了电路中电流和电压分别遵循
的基本规律,是用以分析和计算电路的基本依据。
KCL适用于电路中的任一, 节点,,
KVL适用于电路中的任一, 回路, 。 ?1i 2
i 3i4i 5i? ??
( 1)支路:二端元件
( 2)节点:元件的端点
( 3)回路:电路中任一闭合路经
( 4)网孔:内部不含组成回路以外支路的回路
( 5)网络:含元件较多的电路
网孔的概念仅适用于平面网
络。平面网络是指支路间没
有交叉点的网络。右图为非
平面网络。
2、基尔霍夫电流定律(基尔霍夫第一定律)
KCL
对于任一集中参数电路中的任一节点,在任
一瞬间,流出(或流入)该节点的所有支路
电流的代数和等于零。
1
( ) 0
n
k
k
it
?
??
KCL反映了电路中会合到任一节点的各电流
间相互约束关系。
对右图所示电路,取流出
节点的支路电流为正,流
入为负(或取流入为正,
流出为负)则有,
节点 ? -i1+i2=0
节点 ? -i2+i3+i4=0
?1i 2i 3i4i 5i? ??
KCL的实质是电流连续性原理在集中参数电
路中的表现。所谓电流连续性:在任何一个
无限小的时间间隔里,流入节点和流出节点
的电流必然是相等的,或在节点上不可能有
电荷的积累,即每个节点上电荷守恒。
KCL的重要性和普遍性还体现在该定律与
电路中元件的性质无关,即不管电路中的
元件是 R,L,C,M、受控源、电源,也
不管这些元件是线性、时变、定常,…
KCL的也适用于广义节
点,即适合于一个闭合
面。右图所示电路,根
据 KCL设流入节点的电
流为负,则,
-i1-i2-i3=0
3i1i??2i
应用 KCL时必须和电流的两套符号打交道。
3、基尔霍夫电压定律(基尔霍夫第二定律)
KVL
对于任一集中参数电路中的任一回路,在任
一瞬间,沿该回路的所有支路电压的代数和
等于零。
1
( ) 0
n
k
k
vt
?
??
KVL反映了回路中各支路电压间的相互约束
关系。
对右图所示电路,取支路
电压方方向与回路方向一致
时为正,否则为负,则有
回路 ① v4-v5+v6=0
回路 ② -v1+v5-v4-v3=0
KVL实质上是能量守恒定律在集中参数电路
中的反映。单位正电荷在电场作用下,由任
一点出发,沿任意路经绕行一周又回到原出
发点,它获得的能量(即电位升)必然等于
在同一过程中所失去的能量(即电位降)。
3124561
KVL的重要性和普遍性也体现在该定律
与回路中元件的性质无关。
KCL, KVL只对电路中各元件相互连接
时,提出了结构约束条件。因此,对电
路只要画出线图即可得方程。 bI
cI
eI
1bR
2bR
cR
eR cE
cE
例,右图所示电路中 Ec=12V,Rc=5kΩ,
Re=1 kΩ,Ic=1mA,Ib=0.02mA,
求,Vce及 c点,e点的电位。
解,KCL,Ie=Ib+Ic=0.02+1=1.02mA
KVL,RcIc+Vce+ReIe-Ec=0
Vce=5.98V
φc=Ec-RcIc=7V(或 φc=vce+φe=7V), φe=ReIe=1.02V