实际电路是指为了实现某种功能,由电路元器件(如电阻器、电容器、电感线圈、变压器、晶体管等)按照一定的方式相互连接构成的电流通路。实际电路的种类繁多,如自动控制系统、通信系统、电力系统和集成电路芯片等。不同的实际电路几何尺寸也相差很多,如电力系统或通信系统可能跨省跨国,而集成电路芯片小的如同指甲。这些电路的特性和功能也各不相同。总体来说,电路的作用有两种:一种是实现电能的传输、分配与转换,如电力系统;另一种是实现信号的处理、测量、控制和计算等功能,如控制系统、信号处理系统等。
在电路分析中,为了方便对实际电气装置的分析和研究,通常需要在一定条件下对实际电路采用模型化处理,即用抽象的理想电路元件及其组合近似地代替实际的器件,从而构成与实际电路相对应的电路模型。理想电路元件是指根据实际电路元件所具备的电磁性质所假想的具有某种单一电磁性质的元件,其电压、电流关系可用数学公式严格表示。理想的电路元件有电阻元件、电容元件、电感元件和电源元件。电阻元件是一种只消耗电能的元件,电感元件是一种能够产生磁场并储存磁场能量的元件,电容元件是一种能够产生电场并储存电场能量的元件,电源元件是一种能够将其他形式的能量转变成电能的元件。
电路模型只是近似地描述实际电路的电气特性。根据实际电路的不同工作条件以及对模型精确度的不同要求,应当用不同的电路模型模拟同一实际电路,这个过程称为电路的建模。实际电路由电源(信号源)、负载和中间环节构成。其中,电源(信号源)用来提供能量或信息,电源(信号源)的电压或电流称为激励(输入),它推动电路工作。由激励所产生的电压和电流称为响应(输出)。负载是指能够将电能转化为其他形式的能量,或者对信号进行处理的用电设备。中间环节将电源(信号源)与负载连接成通路。实际电路及其模型如图1-1 所示,从(a)到(b)为建模的过程。
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图1-1 实际电路及其模型
(a)实际电路;(b)电路模型
根据实际电路的几何尺寸d 与其工作信号波长λ的关系,可以将电路分为两大类:集总参数电路和分布参数电路。满足d≪λ 条件的电路称为集总参数电路;不满足d≪λ 条件的电路称为分布参数电路。例如,电磁波的传播速度v=3×105km/s,我国电力系统的用电频率是50 Hz,则其对应的波长,一般电路的尺寸远远小于波长,可以视为集总参数电路,但电力系统的远距离传输电路,则需要利用分布参数电路进行建模。
本书主要讨论集总参数电路,简称电路。集总参数电路是电路基本定律(基尔霍夫定律)应用的前提。
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