电路模型和电路定律

发布时间 2023-05-07 11:52:53作者: 清巡

电路和电路模型

电源:电能和电信号的发生器,又称为激励源或者激励
负载:用电设备
响应:由激励而在电路中产生的电压和电流
有时把激励称为输入,响应称为输出
电路模型由理想元件和理想导线构成,前者具有良好的电磁特性并有精确的数学定义,后者的电阻为0,且通电后导线周围没有电场和磁场
一个电子元件在不同的环境条件下要对应不同的建模,比如一个线圈在直流电、交流电、高频交流电的环境下具有不同的电路建模。

电流和电压参考方向

指定参考方向后,电流和电压的实际值可以反映实际电压和电流的方向。
指定方式有箭头法和双下标法
电压的参考方向可以参考极性,从正极到负极的方向可以认为是电压参考方向
电压和流经电子元件电流的参考方向一致,称为关联参考方向,否则称为非关联参考方向。

电功率和能量

在电路的分析和计算中,能量和功率的计算十分重要。因为电路在工作情况下会伴随着电能和其他形式能量的转换。

电能的消耗反映为电场力对电荷做的功
电压的定义:A、B两点的电压u等于电场力将单位正电荷自A点移动到B点所做的功。
电功率和能耗大于0,表示元器件吸收能量,反之为释放能量。

电路元件

电路元件可分为线性元件和非线性元件,时变元件和时不变元件,有源元件和无源元件。

电阻元件

电阻的倒数称为电导G,单位是S(西门子,简称西)。

\[ G = \frac1{R} \]

电路为开路状态,认为电路存在一个无穷大的电阻,因此电流为0
电路为短路状态,认为电路存在一个无穷小的电阻,此时电流为无穷大
由于电阻元件通电后会产生热量,进而影响电阻数值,因此严格来说,电阻带有非线性因素。
现实中存在负电阻元器件,用于发出电能,如果要获取这种元件,一般需要专门设计。

电压源和电流源

常见的电源如发电机、蓄电池可以视为电压源,电路模型为电压源和电阻的串联组合。
光电池一类的器件工作特性接近于电流源,其模型可以看作电流源和电阻的并联组合。

受控电源

受控电源又称为非独立电源。受控电源的电压或电流受电路某部分电压或电流控制。

双极晶体管的集电极电流受基极电流控制,运算放大器的输出电压受输入电压控制。它们都是受控源。

受控电源分为四种

  • VCVS 电压控制电压源
  • VCCS 电压控制电流源
  • CCVS 电流控制电压源
  • CCCS 电流控制电流源
    为了和独立电源做区分,一般用菱形符号表示电源部分

基尔霍夫定律

基尔霍夫电流定律KCL:节点的流出电流和流入电流相加为0
基尔霍夫电压定律KVL:在规定回路绕行方向后,回路的总电压相加为0
无论电子元件是线性还是非线性的时变还是时不变的,这两个定律总成立。实质上,KCL和KVL是能量守恒和转换定律的反映。
电路功率平衡:吸收功率 = 发出功率