电工与电子技术课件

2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 1 任课教师 机电与汽车工程教学部姜海 联系电话绪论一 课程的地位和主要内容电工电子技术 研究电工技术和电子技术的理论及其应用的科学技术 电工电子技术分为 电工技术 电路分析基础 磁路与电机及其控制内容涵盖 第一章至第六章电子技术 模拟电子技术 数字电子技术内容涵盖 第七章至第九章 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 2 二 电工电子技术的发展与应用发展1785年 库仑确定电荷间的作用力 1826年 欧姆提出 欧姆定律 1831年 法拉第发现电磁感应现象 1834年 雅可比造出第一台电动机 1864年 麦克斯韦提出电磁波理论 1883年 发现热电子效应 制成了真空二极管 1895年 马可尼和波波夫实现第一次无线电通信 1904年 弗莱明发明第一只电子管 二极管 1905年 真空三极管在美国问世 1946年 诞生第一台电子计算机 1947年 贝尔实验室发明第一只晶体管 1958年 德克萨斯公司发明第一块集成电路 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 3 现状容量大型化 功率电子技术器件小型化 微电子技术设计自动化 EDA技术 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 4 快速发展原因 电能易转换易传输易控制 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 5 电工电子技术的典型应用 三 如何学好电工电子技术课程特点 内容多且广 学时相对少1 注意掌握 三基 基本原理 基本分析方法 基本应用2 注重综合分析与设计注重工程化素质培养3 提高学习效率 培养自学能力课堂 答疑 作业 自学 讨论 实验 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 6 四 期末成绩评定 1 平时成绩占总成绩的50 组成 作业占20 笔记占20 课堂表现和出勤占10 2 期末笔试成绩占50 3 其他加分按比例 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 7 第一章直流电路内容 1 直流电路的基本概念2 电阻和电阻器3 欧姆定律4 简单电路的连接5 复杂电路的计算 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 8 第一节直流电路的基本概念如图1 1所示为我们日常生活中常用的手电筒及其电路图 试从该电路入手 学习电路的基本知识 并且能够分析电路的组成以及它的工作状态 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 9 知识链接一电路及电路图1 电路的组成电路是由实际元器件构成的电流的通路 是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成 任何一个完整的电路 不论其结构和作用如何 通常是由电源 负载 导线和开关等组成 日常生活中的手电筒是一个最简单的直流电路如图1 1所示 由干电池 开关 灯泡和导线组成的 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 10 1 电源是把其他形式的能量转换成电能的装置向电路提供电能 例如发电机 蓄电池等 2 负载是把电能转化成其他形式能量的装置 在电路中是接受电能的设备 例如建筑工地的照明灯 电动机 电炉 电烙铁等 3 中间环节包括导线和负载 它是电源和负载之间不可缺少的连接 控制和保护部件 如连接导线 开关设备 测量设备以及各种继电保护设备等 它的作用是输送和控制电能 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 11 2 电路的作用实现电能的传输 分配与转换实现信号的传递与处理 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 12 3 电路的状态 1 开路 断路 2 短路 3 负载工作状态4 电路图如手电筒的实物图形表示的实际电路 它直观形象 但画起来复杂 不便于分析和研究 因此 在分析和研究电路时 总是把这些设备抽象成理想化的模型 用国家规定的图形和符号表示 这种用统一规定的图形符号画出的电路模型图称为电路图 能够帮助人们了解整个电路的工作原理和电器的安装顺序 了解各部分的作用 P4表为电路中常用的部分电工图形符号及文字符号 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 13 知识链接二电路的基本物理量1 电流定义 电流的大小用单位时间内通过导体横截面上电量的大小来衡量 表达式 I Q t单位及其换算 在国际单位制 SI 中 单位是安培 A 简称安 工程上常用的单位还有KA mA A 他们的关系为 1KA 103A 106mA 109 A 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 14 电流的方向 电流不但有大小而且还有方向 电流的方向 习惯上规定以正电荷的运动方向为电流方向 实际方向 在分析电路时 有时难以判定某处电流的方向 此时先可以任意选择某一方向为电流的参考方向 然后列方程求解 当解出的电流为正值时 就认为电流实际方向与参考方向一致 反之 为负时 就认为电流方向与参考方向相反 例题 P5例1电流的分类 直流电和交流电 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 15 2 电压定义 电路中要有电流 必须要有电位差 有了电位差 电流才从电路中的高电位点流向低电位点 电压是指电路中 或电场中 任意两点之间的电位差单位 在国际单位制 SI 中 电压的单位是伏特 V 简称伏 工程上常用的单位还有毫伏 mV 微伏 V 和千伏 KV 换算关系为 1KV 103V1V 103mV 106 V 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 16 3 电位定义 电压又叫电位差 它表示电场中两点间点位的差别 而电位是电场力把单位正电荷从A点移到参考点所做的功 点位的选取 参考点的电位等于零 参考点可以任意选取 通常选大地为参考点 用符号 表示 在电场中 任意两点 如A B 之间的电压就等于着两点间的电位差 即 UAB A B例题 P6例二 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 17 4 电动势在手电筒的电路中 由于电源两端有恒定的电压 灯泡才持续发光 要维持恒定的电压 电源内部就必须通过其他形式能量的作用 产生一种外力克服电场力 将正电荷源源不断地移到正极 这种力叫电源力 电池中的电源力是电解液和极间化学作用产生的 发电机的电源力是电磁作用产生的 电动势是衡量电源将非电能转化为电能本领的物理量 电动势的定义为 在电源内部 电源力将单位正电荷从电源负极移动到电源正极所做的功 用字母E表示 电动势的实际方向是由电源负极经电源内部指向电源正极 在分析问题时也可加设参考方向 电动势的单位与电压单位相同 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 18 5 电能 电功 定义 在导体两端加上电压 导体内就建立了电场 电场力在推动自由电子定向移动中要做功 表达式 设导体两端电压为U 通过导体横截面的电荷量为q 电场力所做的功及电路消耗的电能W qU 由于q It 所以W UIt 式中 W U I t的单位分别为焦耳 J 伏特 V 安培 A 秒 S 电能的单位 为瓦 秒即焦耳 J 它表示功率为1W的用电设备在1s时间内所消耗的电能 实际生活中测量电能的电度表的单位是千瓦小时 kW h 称为1度电 1度电 lkW h 3 6 106J 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 19 6 电功率定义 在一段时间内 电路产生或消耗的电能与时间的比值叫做电功率 用P表示 则P W t或P UI式中 P U I的单位应分别为瓦 W 伏特 V 安培 A 可见一段电路上的电功率 跟这段电路两端的电压和电路中的电流成正比 用电器上通常标明它的电功率和电压 叫做用电器的额定功率 PN 和额定电压 UN 如果给它加上额定电压 它的功率就是额定功率 这时用电器正常工作 根据额定功率和额定电压 可以很容易计算出用电器的额定电流 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 20 第二节电阻和电阻器一 导体电阻当金属导体两端加上电压时 金属导体中的自由电子作定向运动形成电流 自由电子在运动中跟金属正离子频繁碰撞 这种碰撞阻碍了自由电子的定向运动 即对电流有阻碍作用 我们用电阻来描述这种阻碍作用 不仅金属有电阻 其它物体也有电阻 对金属导体来说 它的电阻是由导体的长短 粗细 材料以及温度决定的 在保持温度 20 不变条件下 电阻R与导体的长度l成正比 与导体的截面积S成反比 即R 式中 为材料的电阻率 单位为 m 欧米 不同的物质有不同的电阻率 电阻率的大小反映了各种材料的导电性能的好坏 电阻率越小的物质导电性能越好 通常将电阻率小于10 6 m的材料称为导体 电阻率大于107 m的材料称为绝缘体 而电阻率的大小介于导体和绝缘体之间的材料 称为半导体 几种常见材料的电阻率见表1 2所示 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 21 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 22 二 温度变化对电阻的影响一般金属的电阻随温度的上升而增大 温度每升高1 时 金属电阻的增加量约为千分之三至千分之六 所以 温度变化不大时 金属电阻可认为是不变的 但当温度变化大时 电阻的变化就不可忽视 例如 40W白炽灯的灯丝电阻在不发光时约为100 正常发光时超过1k 即超过原来的10倍 而半导体 电解液 绝缘体等的电阻却温度上升而减小 电阻随温度变化的情况如图所示 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 23 根据实验可知 在初始温度为t1时 电阻为R1 当温度为t2时 电阻为R2 它们之间存在着下列关系R2 R1 1 t2 t1 式中 为电阻温度系数 单位为1 根据电阻温度系数 利用式R2 R1 1 t2 t1 就可以计算出不同温度下物质的电阻值 例如 若20 时某铜线的电阻为540 到30 时约为561 温度传感器就是利用材料的电阻随温度发生变化的特征而制成的一类非常有用的测量元件 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 24 例 有一台电动机 其线圈是铜芯漆包线 在常温26 时测得电阻为1 25 通电运行3h后 测得电阻为1 5 问此时电动机的温度是多少 解 从表1 1中查的铜的 3 93 10 31 由R2 R1 1 t2 t1 得t2 76 89 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 25 三 线性电阻常用线性电阻外形如图所示 电阻元件的参数 例如阻值 功率 允许误差等 一般都直接标注在电阻上 也有使用色环来表明 紧靠电阻器一端的色环为第一环 而另一端则为最后一环 色环表示的意义见表所示 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 26 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 27 四 固定电阻色环的识读色环通常有四道 其中三道相距较近 作为阻值标注 第一道 第二道各代表一位数字 第三道则代表零的个数 第四道距前三道较远 作为误差标注 例如阻值为27k 允许偏差 5 的电阻器 阻值为17 4 允许偏差为 1 的电阻器 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 28 敏感电阻器敏感电阻是指对温度 电压 湿度 关照 气体 磁场 压力等敏感的电阻器 如热敏电阻 压敏电阻 湿敏电阻 光敏电阻等 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 29 五 额定值1 额定电压 额定电流 额定功率以及电气设备的铭牌 2 满载 轻载以及过载或超载例题 P11例5 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 30 第三节欧姆定律1 一段电路的欧姆定律如图所示为不含电源的部分电路 当电阻两端加上电压时 电阻中就会有电流通过 如果加在R两端的电压U发生变化时 流过电阻的电流也随着变化 而且这种变化是成比例的 即写成公式就是 I U R上式说明 流过导体的电流强度与这段导体两端的电压成正比 与这段导体的电阻成反比 这一规律称为欧姆定律 它揭示了电流 电压 电阻三者之间的联系 是电路的基本定律之一 应用非常广泛 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 31 2 全电路欧姆定律 1 全电路指含有电源的闭合电路 如图1 4所示 电源内部一般都是有电阻的 这个电阻称为内阻 用字母r表示 2 全电路欧姆定律的内容 3 表达式 I 上式还可以写成 E IR Ir 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 32 根据上式分析电路的三种工作状态 1 开路电路断开 即电路中的电流为零 Ir为零 此时U E R 2 短路电阻R接近于零 端电压等于零 E Ir 由于r很小 所以I很大 容易损坏电源3 理想电源R 0 即内阻为零时 U E的情况 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 33 知识链接四简单直流电路的连接及应用1 电阻的串联及应用在电路中 若两个或两个以上的电阻按顺序一个接一个地连成一串 使电流只有一个通路 电阻的这种连接方式叫做电阻的串联 电路串联的特点 电流处处相等I I1 I2 I3 In电阻可以用一个等效电阻R替代 R R1 R2 R3 Rn电路两端的总电压等于各个电阻两端的电压之和 即 U U1 U2 U3 Un电阻的串联应用很广泛 在实际工作中常见的应用有 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 34 1 用几个电阻串联来获得阻值较大的电阻 2 采用几个电阻构成分压器 使同一电源能供给几种不同的电压 3 当负载的额定电压低于电源电压时 可用串联的办法来满足负载接入电源使用的需要 例如可以将两个相同的6V的指示灯串联后接到12V电源中使用 4 利用串联电阻的方法来限制和调节电路中电流的大小 例如在建筑电气中的调光和风扇的调速使用的变阻器 5 在电工测量中广泛应用电阻的串联来扩大电压表的测量量程 例题 P15 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 35 例 图所示为某万用表的直流电压部分 它有五个量程 分别为U1 2 5V U2 10V U3 50V U4 250V U5 500V 表头参数Rg 3k Ig 50 A 求分压电阻 解 用欧姆定律分别求出分压电阻的值为 36 628 2 电阻的并联及应用两个以上的电阻首尾各自连接在两个端点之间 使每个电阻都直接承受同一个电压 这样的电路称为并联电路 电阻并联的特点 各电阻两端的电压相等 且等于电路两端的电压 即U U1 U2 Un总电流等于流过各并联电阻的电流之和 即I I1 I2 In总电阻的倒数等于各并联电阻的倒数之和 即 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 37 1 用几个电阻并联来获得阻值较小的电阻 且这个电阻的阻值小于并联电阻中任意一个电阻的阻值 2 凡是工作电压相同的负载几乎全是并联 例如建筑施工现场的电动机以及各种照明灯都是并联使用的 3 在电工测量中 广泛应用并联电阻的方法来扩大电流表的量程 例题 P16 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 38 例 工程上常采用并联分流电阻的方法来扩大电流表的量程 如图所示 某量程为100 A的微安表 其内阻为1k 现要改装成量程为1A的电流表 需要并联多大的电阻 解 微安表允许通过的最大电流为Ig 100 A 0 1mA 分流电阻R上通过的电流为IR I Ig 1000 0 1 mA 999 9mA由于并联电路各支路电压相等 Ug UR 因此RgIg RIR可见 该微安表并联0 1 电阻后 其量程就扩大为1A的电流表 39 628 3 电阻的混联定义 电路中既有串联 又有并联混联的计算 先等效简化 最后求总电阻例题 参见P164 电池的连接串连电池组的特点与电阻相似 输出电压高并联电池组的特点及使用 汽车拖拉机供启动用的蓄电池 输出电流大习题讲解 P18 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 40 例 图 a 所示的电路中 已知R1 30 R2 13 R3 R4 5 R5 24 R6 14 电路端电压U 224V 试求通过电阻R6的电流和R6两端的电压各为多少 解 先将图1 22示的电路根据电流的流向进行整理 总电流通过电阻R1后在C点分成两路 一条支路经R5到D点 另一支路经R3 R6 R4也到D点 电流汇合成总电流通过R2到B点 画出等效电路如图 b 所示 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 41 由于R3 R6 R4 5 14 5 24 R5所以RCD 电路的总的等效电阻R总为R总 R1 R2 RCD 30 13 12 55 电路的总电流为I总 A 4A通过R6的电流和R6两端的电压分I6 A 2AU6 R6I6 14 2V 28V 42 628 知识链接五复杂电路的计算复杂电路的定义 不能用串联和并联电路简化的且含有多个电源和电阻 不能用欧姆定律解决的电路 几个相关的专业术语 节点 电路中三条或三条以上导线的连接点 图1 5中的B D两点为节点 图1 5复杂电路支路 任意两个节点之间不分叉的一条电路 如图1 5有BAD BD BCD三条支路 回路 在复杂电路中由两条或两条以上的支路组成的闭合的电路称为回路 图1 5中 ABCDA ABDA BCDB为三个回路 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 43 1 基尔霍夫电流定律 KCL 基尔霍夫电流定律也称节点电流定律 其内容为 在任一瞬间 流入电路中任一节点的电流之和等于流出该节点的电流之和 其数学表达式为 Ii I0也可写为 Ii I0 0如果规定流入节点的电流为正 流出节点的电流为负 则可以写成一般形式 I 0根据基尔霍夫电流定律 对上图B节点可以列出方程I1 I2 I3 0或I1 I2 I3 2020年2月26日星期三9时13分53秒 机电与汽车工程教学部 44 2 基尔霍夫电压定律 KVL 基尔霍夫电压定律也称为回路电压定律 其内容为 在任一时刻 沿电路任一闭合回路 所有支路电压的代数和恒等于零 根据电压的本质含义和定律内容可以看出 基尔霍夫电压定律是能量守恒的体现 其数学表达式为 U 0为了计算方便 一般把负载放在等式的左边 把电源放在等式的右边 那么其数学表达式为 IR E根据基尔霍夫电压定律 对上图中的ABDA回路可列出I1R1 I3R3 E1用此公式是 必须先选定回路的绕行方向 凡是电流的参考方向与绕行方向相同的 取正值 反之 则取负值 同样 电动势的实际方向与