第5章動態(tài)電路時域分析

1、清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,第1章 緒論,1. 1 電路,1. 2 電流和電壓,1. 3 電路模型的建立和電路分析的基本觀點,1. 4 電路用于信號處理,1. 6 電路的分類,1. 5 電路用于能量處理,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,1.1 電路,一、電路 （circuits）,電路主要由電源、負載、連接導(dǎo)線及開關(guān)等構(gòu)成。,電源（source）：提供能量或信號。,負載（load）：將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，或?qū)π盘栠M行處理。,

2、導(dǎo)線（line）、開關(guān)（switch）等：將電源與負載接成通路。,電路是電工設(shè)備構(gòu)成的整體，它為電流（current）的流通提供路徑。,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,二、為什么要學(xué)習(xí)電路？,從學(xué)術(shù)的觀點來看電路是電氣工程（electrical engineering）的基礎(chǔ)。電路是計算機科學(xué)（computer science）的基礎(chǔ)。從實際情況來看電路原理是許多高級課程的先修課程。熟練掌握電路原理對現(xiàn)實生活有幫助。,,,三、什么

3、是電氣工程？,四、電路都有哪些作用？,處理能量 電能的產(chǎn)生、傳輸、分配……處理信號 電信號的獲得、變換、放大……,,,電路原理,*：指各類信號處理課程，包括某些專業(yè)的專門課程（如生物醫(yī)學(xué)工程、核電子學(xué)等）。,五、電路原理的后續(xù)課程,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,電路分析(analysis),,電路理論（電路原理）,實際電路,電路模型,分析,求解方程（代數(shù)、常微分、偏微分）,結(jié)果,,,,,,,,,,電路分析,電路綜合,電路綜合(sy

4、nthesis),六、電路分析與電路綜合,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,根據(jù)電源性質(zhì),,直流電路,交流電路,根據(jù)負荷性質(zhì),,電阻電路,動態(tài)電路,根據(jù)感興趣的時段,,,暫態(tài)分析,穩(wěn)態(tài)分析,七、如何看待電路,,,返回目錄,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,1.2 電流和電壓,一、 電流 （current）,帶電質(zhì)點有規(guī)律的運動形成電流。,電流的大小用電流強度表示。電流強度：單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量。,單位名稱：安[培] 符號

5、：A （Ampere，安培；1775 –1836，F(xiàn)rance）,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,電流的參考方向:,,,?,實際方向,,,實際方向,?,參考方向：任意選定的一個方向即為電流的參考方向。,i 參考方向,,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,電流參考方向的兩種表示：,? 用箭頭表示：箭頭的指向為電流的參考方向；,? 用雙下標(biāo)表示：如 iAB ，電流的參考方向由A指向B。,i

6、 參考方向,i 參考方向,i > 0,i < 0,實際方向,電流的參考方向與實際方向的關(guān)系:,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,例,,電路中電流 I 的大小為1A,其方向為從A流向B。（此為電流的實際方向）,若參考方向如 I1 所示，則I1=1A,若參考方向如 I2 所示，則I2= -1A,因此，同一支路的電流可用兩種方法表示。,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,二、 電壓 （voltage）,電場中

7、某兩點A、B間的電壓（降）UAB 等于將點電荷q從A點移至B點電場力所做的功WAB與該點電荷q的比值，即,單位名稱： 伏[特] 符號：V （Volt，伏特；1745 – 1827，Italian）,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,電壓（降）的參考方向：,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,電路中電壓UAB=10V，方向從A指向B（實際方向）。,若電壓參考方向如 U1 所示，電壓參考方向與實際方向相同，則 U1 =10V。,若電壓參

8、考方向如 U2 所示，電壓參考方向與實際方向相反，則 U2 = -10V。,,,,電壓參考方向的三種表示方式：,(3) 用箭頭表示： 箭頭指向為電壓（降）的參考方向。,(1) 用正負極性表示： 由正極指向負極的方向為電（降）的參考方向。,(2) 用雙下標(biāo)表示： 如 UAB，由A指向B的方向為電（降）的參考方向。,UAB,,,,關(guān)于參考方向的小結(jié)：,（1） 分析電路前必須選定電壓和電流的參考方

9、向。,（2） 參考方向一經(jīng)選定，必須在圖中相應(yīng)位置標(biāo)注 （包括方向和符號），在計算過程中不得任意改變。,u = Ri,u = -Ri,（3） 參考方向不同時，其表達式符號也不同，但實際方向不變。,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,（5） 參考方向也稱為假定方向、正方向，以后討論均在參考方向下進行。,（4） 元件或支路的u，i通常采用相同的參考方向（以減少公式中負號）稱之為關(guān)聯(lián)參考方向。反之，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。,關(guān)聯(lián)參考方向,非關(guān)聯(lián)參考方向,

10、,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,在分析電路問題時，常在電路中選一個點為參考點(reference point)，把任一點到參考點的電壓（降）稱為該點的電位。,參考點的電位為零，參考點也稱為零電位點。,電位用? （或U） 表示，單位與電壓相同，也是V（伏）。,設(shè)c點為電位參考點，則 ? c =0,? a =Uac， ? b =Ubc， ? d =Udc,三、 電位（potential）,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,兩點間電壓與電位的關(guān)系：,

11、仍設(shè)c點為電位參考點， ? c=0,Uac = ? a ， Udc = ? d,Uad= ?a–?d,前例,結(jié)論：電路中任意兩點間的電壓等于該兩點間的電位差（potential difference）。,,,例,1.5 V,1.5 V,已知 Uab=1.5 V，Ubc=1.5 V,(1) 以a點為參考點，? a =0,Uab= ? a–? b ? ? b = ? a –Uab= –1.5 V,Ubc= ? b–? c

12、 ? ? c = ? b –Ubc= –1.5–1.5 = –3 V,Uac= ? a–? c = 0 –(–3)=3 V,(2) 以b點為參考點，? b=0,Uab= ? a–? b ? ? a = ? b +Uab= 1.5 V,Ubc= ? b–? c ? ? c = ? b –Ubc= –1.5 V,Uac= ? a–? c = 1.5 –(–1.5) = 3 V,結(jié)論：電路中電位參考點

13、可任意選擇；當(dāng)選擇不同的電 位參考點時，電路中各點電位將改變，但任意兩點 間電壓保持不變。,,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,外力（非靜電力）克服電場力把單位正電荷從負極經(jīng)電源內(nèi)部移到正極所作的功稱為電源的電動勢。,e 的單位與電壓相同，也是 V（伏）,電壓UAB 表示A點到B點電位的降低（potential drop）,電動勢eBA表示B點到A點電位的升高（potential rise）,所以,四、 電動勢 （electromo

14、tive force）,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,五、 端口（port）與二端口（two-port）,端口由一對端鈕構(gòu)成，且滿足從一個端鈕流入的電流等于從另一個端鈕流出的電流。,當(dāng)一個電路與外部電路通過兩個端口連接時稱此電路為二端口網(wǎng)絡(luò)。,,,返回目錄,1.3 電路模型的建立和電路分析的基本觀點,一、電路模型（circuit model）,理想電路元件 由實際元件抽象出來具有某種單一電磁性質(zhì)的假想元件。,幾種基本

15、的理想電路元件：,電阻（resistor）元件：表示消耗電能的元件。,電感（inductor）元件：表示各種電感線圈產(chǎn)生磁場、儲存能量的作用。,電容（capacitor）元件：表示各種電容器產(chǎn)生電場、儲存能量的作用。,電源（source）元件：表示各種將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件。,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,2. 電路模型 由理想電路元件組成的電路，其與實際電路具有基本相同的電磁性質(zhì)。,,,,,,導(dǎo)線,電池

16、,開關(guān),燈泡,例,實際電路,電路模型,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,二、電路分析的基本觀點,抽象觀點,工程近似觀點,等效觀點,,,返回目錄,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,1.4 電路用于信號處理,一、 信號（signal）,信號是消息的表現(xiàn)形式。,消息是指運動或狀態(tài)變化的直接反應(yīng)，即待傳輸與處理的原始對象。,信號,,確定性信號,隨機信號,,周期信號,非周期信號,,離散信號,連續(xù)信號,,數(shù)字信號,抽樣信號,,模擬信號,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組

17、,二、 周期信號的平均值,信號的平均值,信號的絕對平均值,,,返回目錄,1.5 電路用于能量處理,一、 功率（power）,單位時間內(nèi)電場力所做的功。,功率的單位名稱：瓦[特] 符號：W （Watt， 瓦特； 1736 –1819 ， British）,能量的單位名稱： 焦[耳] 符號：J （Joule，焦耳； 1818 – 1889， British）,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組

18、,電壓、電流采用參考方向時功率的計算和判斷：,1. u，i 取關(guān)聯(lián)參考方向,P>0 吸收正功率 （實際吸收）,P<0 吸收負功率 （實際發(fā)出）,元件發(fā)出的功率 P發(fā) = ui,P>0 發(fā)出正功率 （實際發(fā)出）,P<0 發(fā)出負功率 （實際吸收）,2. u， i 取非關(guān)聯(lián)參考方向,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,例 U1=10V， U2=5V。 分別求電源、電

19、阻的功率。,I=UR/5=(U1–U2)/5=(10–5)/5=1 A,PR吸= URI = 5?1 = 5 W,PU1發(fā)= U1I = 10?1 = 10 W,PU2吸= U2I = 5?1 = 5 W,P發(fā)= 10 W， P吸= 5+5=10 WP發(fā)=P吸 （功率守恒）,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,二、 周期信號的有效值（effective value）,有效值也稱方均根值(root-meen-square，簡記為rms),

20、W1=I 2RT,電壓有效值,,,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,正弦電流、電壓的有效值：,設(shè) i(t)=Imsin(? t + y ),注意:只適用正弦量,,,,返回目錄,清華大學(xué)電路原理教學(xué)組,1.6 電路的分類,一、 線性與非線性,線性電路：負荷由線性電阻、線性受控源等線性元件構(gòu)成的電路。用線性方程描述。,非線性電路：負荷中包含非線性元件的電路。用非線性方程描述。,非時變（定常）電路： 負荷由非

21、時變元件構(gòu)成的電路。,時變電路：負荷中包含時變元件的電路。,二、 時變與非時變,,,例 烏魯木齊發(fā)電站發(fā)出的正弦電磁波需要多少時間才能傳輸?shù)介L沙 ？,50Hz的正弦波周期為20ms。經(jīng)過10ms以后，烏魯木齊發(fā)出的電磁波剛剛到達長沙，而此時烏魯木齊發(fā)電機的電壓與長沙的電壓正好反相！,關(guān)鍵在哪里？,50Hz電磁波的波長 ? = 3 ? 108 ?0.02=6000 km,如果電路尺寸的遠小于其工作電磁波的波長? ，則可將該電路建模為