電路理論基礎

張新建，文華學院機電學部教授，現任湖北省智能製造裝備專精特新產業學院執行院長，教育部產學合作協同育人項目評審專家，湖北省一流本科專業建設點“電氣工程及其自動化”專業負責人，湖北省高等學校優秀中青年科技創新團隊“智能物流裝備數字孿生”負責人，中國武漢（南方十一省）電工理論學會常務理事。主要從事電工理論、電力電子、末端執行器等方向的研究工作。先後榮獲湖北省師德標兵先進個人，文華學院教學貢獻獎、最受學生歡迎魅力教師等。近年來先後主持湖北省自然科學基金項目、湖北省教育廳教研項目、教育部產學研合作計劃項目等科研項目20餘項。主編教材3部，參編教材2部，發表學術論文近20篇。

 

 

目錄

 

 

第1章電路的基本概念、基本定律和電路元件

 

1.1電路的基本概念

 

1.1.1電路

 

1.1.2電路模型

 

1.1.3集中參數電路和分佈參數電路

 

1.1.4電路理論的研究內容和電路分析的方法

 

1.1.5電路中的幾個術語

 

1.2電流、電壓及其參考方向

 

1.2.1電流

 

1.2.2電壓和電位

 

1.2.3電流和電壓的參考方向

 

1.3功率和能量

 

1.3.1電功率的定義

 

1.3.2電功率的計算

 

1.3.3能量及電路的無源性、有源性

 

1.3.4常用電路物理量國際單位制的單位

 

1.4電路的基本定律——基爾霍夫定律

 

1.4.1基爾霍夫電流定律(KCL)

 

1.4.2基爾霍夫電壓定律(KVL)

 

1.4.3關於基爾霍夫定律的說明

 

1.5電路元件的分類

 

1.6電阻元件

 

1.6.1電阻元件的定義及分類

 

1.6.2線性時不變電阻元件

 

1.6.3線性時不變電阻元件的功率和能量

 

1.6.4線性時變電阻元件

 

1.6.5非線性電阻元件

 

1.7獨立電源

 

1.7.1獨立電壓源

 

1.7.2獨立電流源

 

1.8受控電源

 

1.8.1四種形式的受控電源

 

1.8.2受控源的相關說明

 

1.9集成運算放大器及理想運算放大器

 

1.9.1實際運算放大器及其特性

 

1.9.2理想運算放大器及其特性

 

1.9.3含理想運算放大器的電阻電路分析

 

1.10應用實例： 用電壓跟隨器作為緩沖器和消除電源的內阻

 

本章習題

 

第2章電路分析方法之一——等效變換法

 

2.1等效電路和等效變換的概念

 

2.1.1二端電路及埠的概念

 

2.1.2等效電路

 

2.1.3等效變換

 

2.2電阻元件的串聯和並聯

 

2.2.1電阻元件的串聯

 

2.2.2電阻元件的並聯

 

2.3電阻元件的混聯

 

2.3.1混聯電阻電路的等效電阻

 

2.3.2求混聯電路入端電阻的方法要點

 

2.3.3混聯電路中電壓、電流的計算

 

2.4線性電阻的形連接和△形連接的等效變換

 

2.4.1元件的星()形連接和三角(△)形連接

 

2.4.2電阻電路的△等效變換

 

2.5電源的等效變換

 

2.5.1實際電源的電路模型

 

2.5.2實際電源的兩種電路模型的等效變換

 

2.5.3任意支路與理想電源連接時的等效電路

 

2.6受控電源的等效變換

 

2.6.1受控電源的戴維南諾頓等效變換

 

2.6.2其他連接形式的受控源的等效變換

 

2.6.3含受控源電路的去耦等效變換

 

2.7求入端等效電阻的幾種方法

 

2.7.1入端電阻的定義

 

2.7.2電位的相關特性

 

2.7.3求入端電阻的方法

 

2.8應用實例： 多量程直流電壓表的電路設計

 

本章習題

 

第3章電路分析方法之二——電路方程法

 

3.1概述

 

3.2典型支路及其支路特性

 

3.2.1典型支路及其支路特性方程

 

3.2.2電路含有受控源時的支路特性方程

 

3.32b變量分析法

 

3.4支路電流分析法

 

3.4.1支路電流法方程的導出

 

3.4.2視察法建立支路法方程

 

3.4.3電路中含受控源時的支路電流法方程

 

3.4.4應用支路電流法時對理想電流源支路的處理方法

 

3.5節點分析法

 

3.5.1節點法方程的導出

 

3.5.2視察法建立節點法方程

 

3.5.3電路中含受控源時的節點法方程

 

3.5.4電路中含理想電壓源時的節點法方程

 

3.5.5節點分析法的相關說明

 

3.6網孔電流分析法

 

3.6.1網孔電流的概念

 

3.6.2網孔法方程的導出

 

3.6.3視察法建立網孔法方程

 

3.7應用實例： 採用作封閉面法，用節點分析法求解含有多個理想電壓源的電路

 

本章習題

 

第4章電路分析方法之三——運用電路定理法

 

4.1疊加定理

 

4.1.1線性電路疊加性的示例

 

4.1.2疊加定理的內容

 

4.1.3疊加定理的證明

 

4.1.4關於疊加定理的說明

 

4.1.5運用疊加定理求解電路的步驟

 

4.1.6運用疊加定理求解電路示例

 

4.2替代定理

 

4.2.1替代定理的內容

 

4.2.2替代定理的證明

 

4.2.3關於替代定理的說明

 

4.3戴維南定理和諾頓定理(等效電源定理)

 

4.3.1等效電源定理的內容

 

4.3.2戴維南定理的證明

 

4.3.3關於等效電源定理的說明

 

4.3.4戴維南電路和諾頓電路的互換

 

4.3.5求戴維南電路和諾頓電路的方法

 

4.3.6用等效電源定理求解電路的方法和步驟

 

4.3.7關於含受控源電路的戴維南(或諾頓)等效電路的非唯一性

 

4.4最大功率傳輸定理

 

4.4.1最大功率傳輸定理的內容

 

4.4.2最大功率傳輸定理的證明

 

4.4.3關於最大功率傳輸定理的說明

 

4.4.4運用最大功率傳輸定理求解電路的步驟

 

4.5互易定理

 

4.5.1互易電路

 

4.5.2互易定理的內容

 

4.5.3關於互易定理的說明

 

4.5.4運用互易定理求解電路示例

 

4.6對偶原理

 

4.6.1電路中的對偶現象

 

4.6.2對偶電路

 

4.7應用實例： 用實驗的方法測量含源網絡的戴維南等效電路

 

本章習題

 

第5章動態元件

 

5.1奇異函數

 

5.1.1階躍函數

 

5.1.2單位脈沖函數

 

5.1.3沖激函數

 

5.2電容元件

 

5.2.1電容元件的定義及線性時不變電容元件

 

5.2.2線性時不變電容元件的伏安關系

 

5.2.3電容電壓的連續性原理

 

5.2.4電容元件的能量

 

5.3電感元件

 

5.3.1電感線圈的磁鏈和感應電壓

 

5.3.2電感元件的定義及線性時不變電感元件

 

5.3.3線性時不變電感元件的伏安關系

 

5.3.4電感電流的連續性原理

 

5.3.5電感元件的能量

 

5.4動態元件的串聯和並聯

 

5.4.1電容元件的串聯和並聯

 

5.4.2電感元件的串聯和並聯

 

5.5應用實例： 用電容元件構成微分器和積分器

 

本章習題

 

第6章正弦穩態電路分析

 

6.1正弦交流電的基本概念

 

6.1.1正弦交流電

 

6.1.2正弦量的三要素

 

6.1.3同頻率正弦量的相位差

 

6.1.4周期性電量的有效值

 

6.2正弦量的相量表示

 

6.2.1復數和復數的四則運算

 

6.2.2用相量表示正弦量

 

6.3基爾霍夫定律的相量形式

 

6.3.1KCL的相量形式

 

6.3.2KVL的相量形式

 

6.4RLC元件伏安關系式的相量形式

 

6.4.1正弦穩態電路中的電阻元件

 

6.4.2正弦穩態電路中的電感元件

 

6.4.3正弦穩態電路中的電容元件

 

6.4.4RLC元件在正弦穩態下的特性小結

 

6.5復阻抗和復導納

 

6.5.1復阻抗

 

6.5.2復導納

 

6.6用相量法求解電路的正弦穩態響應

 

6.6.1正弦穩態分析方法之一——等效變換法

 

6.6.2正弦穩態分析方法之二——電路方程法

 

6.6.3正弦穩態分析方法之三——運用電路定理法

 

6.7相量圖

 

6.7.1相量圖簡介

 

6.7.2用相量圖分析電路示例

 

6.8正弦穩態電路中的功率

 

6.8.1瞬時功率

 

6.8.2平均功率(有功功率)

 

6.8.3無功功率

 

6.8.4視在功率和功率三角形

 

6.8.5復功率守恆定理

 

6.8.6最大功率傳輸定理

 

6.9功率因子的提高

 

6.9.1提高功率因子的意義

 

6.9.2提高功率因子的方法

 

6.9.3提高功率因子的計算方法及示例

 

6.9.4關於提高功率因子計算的說明

 

6.10應用實例： 用電容元件構成理想輸出的分壓器

 

本章習題

 

第7章諧振電路

 

7.1串聯諧振電路

 

7.1.1電路頻率響應的概念

 

7.1.2諧振及其定義

 

7.1.3串聯諧振的條件

 

7.1.4實現串聯諧振的方法

 

7.1.5串聯諧振時的電壓和電流相量

 

7.1.6串聯諧振電路中的能量

 

7.1.7串聯諧振電路的品質因子

 

7.1.8串聯諧振電路的頻率特性

 

7.2並聯諧振電路

 

7.2.1並聯諧振的條件

 

7.2.2並聯諧振時的電壓相量和電流相量

 

7.2.3並聯諧振電路中的能量

 

7.2.4並聯諧振電路的品質因子

 

7.2.5並聯諧振電路的頻率特性及通頻帶

 

7.3一般諧振電路及其計算

 

7.3.1由LC元件構成的電路

 

7.3.2由RLC元件構成的一般諧振電路

 

7.4應用實例： 實用並聯諧振電路及其分析

 

本章習題

 

第8章耦合電感與耦合電感電路分析

 

8.1耦合電感

 

8.1.1互感現象和耦合電感器

 

8.1.2互感系數和耦合系數

 

8.1.3耦合電感元件的電壓方程

 

8.1.4耦合電感元件的含受控源的等效電路

 

8.2互感耦合電路的分析

 

8.2.1用支路法列寫互感耦合電路的方程

 

8.2.2用網孔法列寫互感耦合電路的方程

 

8.3耦合電感元件的去耦等效電路

 

8.3.1耦合電感元件的串聯

 

8.3.2耦合電感元件的並聯

 

8.3.3有一公共連接點的兩繞組耦合電感元件

 

8.4空心變壓器電路

 

8.4.1空心變壓器電路的去耦等效電路

 

8.4.2空心變壓器電路的含受控源的等效電路

 

8.4.3反射阻抗的概念及初級迴路的去耦等效電路

 

8.5理想變壓器

 

8.5.1理想變壓器及其特性方程

 

8.5.2理想變壓器的阻抗變換性質

 

8.6理想變壓器電路的計算

 

8.6.1分析理想變壓器電路時應註意的問題

 

8.6.2理想變壓器電路的分析方法

 

8.7應用實例： 用實驗的方法確定互感器的同名端

 

本章習題

 

第9章三相電路

 

9.1三相電路的基本概念

 

9.1.1對稱三相電源

 

9.1.2對稱三相電源的相序

 

9.1.3三相電路中電源和負載的連接方式

 

9.2三相電路的兩種基本連接方式

 

9.2.1三相電路的星形連接

 

9.2.2三相電路的三角形連接

 

9.3對稱三相電路的計算

 

9.3.1對稱星形三相電路的計算

 

9.3.2對稱三角形三相電路的計算

 

9.3.3其他形式的對稱三相電路的計算

 

9.3.4復雜對稱三相電路的計算

 

9.4不對稱三相電路的計算

 

9.4.1不對稱三相電路的一般計算方法

 

9.4.2簡單不對稱三相電路的計算示例

 

9.5三相電路的功率及測量

 

9.5.1對稱三相電路的功率

 

9.5.2不對稱三相電路的功率

 

9.5.3三相電路功率的測量

 

9.6應用實例： 用有功功率表測量對稱三相電路的無功功率

 

本章習題

 

第10章暫態分析方法之一——時域分析法

 

10.1動態電路暫態過程的基本概念

 

10.1.1動態電路的暫態過程

 

10.1.2動態電路的階數及其確定方法

 

10.1.3暫態過程的分析方法

 

10.1.4建立動態電路微積分方程的方法

 

10.2動態電路初始值的確定

 

10.2.1電量的初始值和原始值的概念

 

10.2.2動態電路的初始狀態

 

10.2.3初始值y(0+)的計算方法

 

10.3一階電路的響應

 

10.3.1一階電路的零輸入響應

 

10.3.2一階電路的零狀態響應

 

10.3.3一階電路的全響應

 

10.3.4三要素法

 

10.4階躍響應和沖激響應

 

10.4.1階躍響應

 

10.4.2沖激響應

 

10.5二階電路

 

10.5.1二階電路的零輸入響應

 

10.5.2二階電路的全響應

 

10.5.3二階電路的階躍響應和沖激響應

 

10.6應用實例： 用一階電路實現繼電器延時及用二階電路產生大電流

 

本章習題

 

第11章暫態分析方法之二——復頻域分析法

 

11.1拉普拉斯變換

 

11.1.1拉普拉斯變換對

 

11.1.2幾種常用函數的象函數

 

11.1.3拉氏反變換

 

11.2拉氏變換的基本性質

 

11.3用部分分式展開法求拉氏反變換

 

11.3.1F(s)只有簡單極點時的拉氏反變換

 

11.3.2F(s)含有多重極點時的拉氏反變換

 

11.4用運算法求解暫態過程

 

11.4.1運算法

 

11.4.2基爾霍夫定律及元件伏安關系式的運算形式

 

11.4.3運算電路

 

11.4.4用運算法解電路的暫態過程

 

11.5網絡函數

 

11.5.1網絡函數的定義和分類

 

11.5.2網絡函數的相關說明

 

11.5.3求取網絡函數的方法

 

11.5.4零點、極點及零極點與網絡的穩定性

 

11.6應用實例： S域中的網絡函數和正弦穩態情況下網絡函數的相互轉換

 

本章習題

 

第12章周期性非正弦穩態電路分析

 

12.1周期性非正弦穩態電路的基本概念

 

12.1.1周期性非正弦電壓、電流

 

12.1.2周期性非正弦穩態電路

 

12.1.3非正弦電路的穩態分析方法

 

12.2周期性非正弦函數的諧波分析

 

12.2.1周期性非正弦函數的傅里葉展開式

 

12.2.2幾種對稱的周期函數

 

12.3周期性非正弦電壓、電流的有效值與平均值

 

12.3.1周期電壓、電流的有效值

 

12.3.2周期電壓、電流的平均值和均絕值

 

12.4周期性非正弦穩態電路的功率

 

12.4.1周期性非正弦穩態電路的瞬時功率

 

12.4.2周期性非正弦穩態電路的有功功率(平均功率)

 

12.4.3周期性非正弦穩態電路的視在功率和功率因子

 

12.5周期性非正弦電源激勵下的穩態電路分析

 

12.5.1計算非正弦穩態電路的基本思路

 

12.5.2諧波阻抗

 

12.5.3計算非正弦穩態電路的步驟

 

12.5.4非正弦穩態電路計算舉例

 

12.5.5濾波器的概念

 

12.6應用實例： 將交流電壓轉換為直流電壓的電路(整流器)

 

本章習題

 

第13章雙口網絡

 

13.1雙口網絡及其方程

 

13.1.1多端網絡埠的定義

 

13.1.2雙口網絡及其埠變量

 

13.1.3雙口網絡的方程

 

13.2雙口網絡的參數

 

13.2.1Z參數

 

13.2.2Y參數

 

13.2.3H參數(混合參數)

 

13.2.4T參數(傳輸參數)

 

13.2.5關於雙口網絡參數的說明

 

13.3雙口網絡參數間的關系及互換

 

13.3.1變換網絡方程法

 

13.3.2查表法

 

13.4雙口網絡的等效電路

 

13.4.1互易雙口網絡的等效電路

 

13.4.2非互易雙口網絡的等效電路

 

13.5復合雙口網絡(雙口網絡的互聯)

 

13.5.1雙口網絡的串聯

 

13.5.2雙口網絡的並聯

 

13.5.3雙口網絡的級聯

 

13.5.4雙口網絡的串並聯

 

13.6有端接的雙口網絡

 

13.6.1有端接的雙口網絡的輸入阻抗和輸出阻抗

 

13.6.2有端接的雙口網絡的分析計算

 

13.7回轉器與負阻抗變換器

 

13.7.1回轉器

 

13.7.2負阻抗變換器

 

13.8應用實例： 用運算放大器構成負阻抗變換器及用其將電容變換為電感

 

本章習題

 

附錄ASmartEDA簡介及電路模擬

 

附錄B習題參考答案(分析計算題)

 

參考文獻