电工电子技术81918

1、电工电子技术上篇 电工技术绪论理论课学时: 电工技术24学时, 电子技术32学时。总计75学时,其中理论课66学时,实验课8学时。 电工电子技术-电子技术部分 电工电子技术-电工技术部分 本课程包括两部分内容： 电 工 电 子 技 术在学习中,同学们应注意基本概念、基本电路、基本分析理论,基本知识和基本技能,为后续课程的学习打下基础。通过本课程的学习,获得关于电子学方面必要的基本方法的掌握。第一章 电路的基本概念与基本定律1.1电路及电路模型一.电路 电路就是电流通过的路径,以手电筒为例:图1-1E实际电路元件电路模型开关电池电珠 又如扩音机,其电路示意图为:图1-2二.电路的作用1.电能传输

2、与转换。 2.信号的传递与处理。三.电路的基本组成 以手电筒为例,包括: 电源: 电池,提供能量。负载: 电珠, 把电能转化为其他形式的能量(光能)。 开关: 控制电路通或断。导线: 筒体, 输送和分配电能。第（1）页1.2 电流、电压及其参考方向一.电流及参考方向带电粒子向一个方向移动形成电流。带电粒子如电子(带负电荷)、离子(可带正或负电荷)、空穴(带正电荷)。 电流由其大小与方向来描述。1.电流的大小 用电流强度来表示,定义为单位时间内通过导体横截面的电荷量。即:(1-1)图1-3dtdqi is在电工技术中有时采用比安培更大的单位千安培(KA),电子技术中则采用小电流的单位,如毫安(m

3、A),微安( ),纳安(nA)。电流强度的单位是安培(A)。当dq = 1C,dt = 1S,则i=1A。(1-2)(1-2)tqI 式(1-1)可改写为:如果电流不随时间变化, = 常数, 这种电流称为直流,这时,dtdquA2.电流的方向 电流的实际方向正电荷运动的方向规定为电流的方向,负电荷形成的电流其方向与运动方向相反。图图1-41-4如图1-4, 带电极板使电荷运动,电荷形成的电流方向为自A到B,这就是电流的实际方向。+ 电流的参考方向在较复杂的电路中,某支路ab其实际电流方向在求解前往往很难判断.但描述电路元件性质和连接方式规律的公式的列写都与电流的方向有关为此在进行分析之前,我们

4、必须给各支路的电流图1-5一个假定的正方向用箭头表示,称为电流的参考方向,也称为假定方向。第（2）页电流的参考方向AB电流的实际方向将根据求解后电流数值的正负以及电流的参考方向来决定,电流的大小由电流数值的绝对值来表示。如图1-5中,若求解结果 i = 5A，则表示该支路电流大小为5A，方向由a到b,若i = -5A，则表示这段电路中的电流大小为5A，方向为由b到a。解：(a) 电流i为正值,说明实际电流方向与参考方向一致,电流的真实方向为由a到b;(b) 电流i为负值,说明实际方向与参考方向相反,电流的真实方向为由b到a。例1-1 指出 图1-6 ( a), ( b)中电流的真实方向，电流参

5、考方向图1-6已用箭头表示在图上。a aAi2 bab bAi3 注意:如果参考方向事先没有给定,也就无法根据电流的正负确定实际电流方向。此外，电流方向除了用箭头表示外,还可以用双下标表示,如图1-5中电流可表示为Iab。3.电流的分类电流大小与方向均不变的称为直流(DC);大小与方向均随时间而改变的称为交流(AC);除此以外,亦有方向不变而大小随时间而变;或者大小不变,而方向随时间而变的电流,常称为脉冲电流。如图1-7（c)及（d）所示：it tiiit tt tt tI( (a a) )直直 流流( (b b) )交交 流流( (c c) )单单 向向 脉脉 冲冲( (d d) )双双 向

6、向 脉脉 冲冲图1-7第（3）页箭头来表示瞬时电流的实际方向,这时,标出电流参考注 意:对交流讲,其方向随时间而变,在电路图上无法用一个方向只是一种理论上的分析方法,目的仅在于确定各电压电流的相对关系.二.电压及参考极性1.电压电压就是单位正电荷从电路中的一点移至另一点时电路所吸收或放出的能量。若为吸收能量则称为电压降; 若为放出能量则称为电压升,电压升就是负的电压降。dqdwu (1-3)应该指出,有时“电压”一词就是指电压降用u表示。即:式中dw为电路吸收的能量；dq为通过的电荷。一库仑的正电荷被电路吸收的能量若为一焦耳,则该电路的电压降为一伏特。2.电压参考极性电路中某两点a、 b间,在

7、某一时刻的电压可能是电压降,也可能是电压升。这一情况,在求解之前也是不知道的,但描述电路元件性质和连接方式的公式的列写也是与这个电压的极性有关的, 所以,在作电路分析之前,我们也必须给出一个假定的电压降方向,用“+”、 “-”号表示,“+”号表示高电位端,“-”表示低电位端,称为电压的参考极性。如图1-8所示：图1-8电路中两点间电压的真实极性由求解所得电压数值的正.负以及电压的参考极性来确定。如图1-8中,若u = 5v则表示a, b两点间电压的大小为5v,且a点是高电位端,b点是低电位端,a到b有5v的电压降;若u = -5v,则a, b两点间电压为5v,但b点是高电位端,或说a到b有5v

8、电压升。第（4）页解：由于则当 (1)dq=1C,dw=5J时，(2)dq=1C,dw=-5J时， dqdwu Vdqdwu515 Vdqdwu515 该元件的能量变化为5J(焦耳),求电压u 若:(1)电荷为正,该元件为吸收能量；(2)电荷为正，该元件为放出能量。 例1-2 在图1-9中，1C(库仑)电荷通过某电路元件时,图1-9 例1-3 指出图1-10(a),(b),(c)中所示元件电压的真实极性。解： 图1-10中所示元件的电压的真实极性为:(a) a点为高电位端;(b) b点为高电位端;(c) 不能确定,因为没有给出参考极性。应该指出,电压的参考极性除了用+,-号表示外,还可用所谓双

9、下标法表示,如Uab即表示假定a点为高电位端，b点是低电位端。图1-10a ab ba ab ba ab b(a)(b)(c)+ +- -+ +- -2V-3V4V三.关联参考方向一个元件的电流参考方向和电压参考极性的假定都是任意的。为了方便,也为了防止混乱,常采用关联参考方向的标示方法,把电压电流方向一致起来。图1-11如图1-11所示。电流i与电压u参考方向一致时称为关联，否则就是非关联。关联的参考方向：一个元件当它的电流参考方向假定以后，其电压的参考极性就不再任意假定了，而一定是把电压降的方向取为电流的参考方向；或当它的电压的参考极性被假定以后，其电流的参考方向就不再任意假定了，而一定是

10、把电流的参考方向假定为与电压降的方向一致。在图1-12中标示的u和i的参考方向下，对元件B而言，其电压、电流的参考方向是关联的；而对元件A而言，其电压、电流的参考方向是非关联的。例1-4 考察图1-12所示两电路元件.图1-12第（5）页关于四端网络电压电流方向的规定。 1I2I1U2U四端网络四端网络图1-13abcdE四.电位而电路中其它各点对该点的电压就称为相应点的电位。参考点的电位规定为零。在电路中，特别是在电子电路中，选择一个点作为参考点，如图1-13中,若选d点为参考点，则a、 b、c各点的电位为由电压和电位的概念可知，电路中某两点的电压一定等于该两点间的电位之差，如在图1-13中

11、cdcuu bdbuu adauu baabuuu caacuuu 在电子仪器中通常选取公共接地点或仪器的外壳作为参考点，在电路图中符号 或 表示，必须指出，各点电位的大小和正负，与所选参考点有关，而某两点之间的电压却与参考点无关。可见,不管电位参考点选在何处,灯上电压 将均为+10V。对于(a),对于(b),VuB5 VuC10 VVVuuuACCA10010 VuA5 VuC5 VVVuuuACCA10)5(5 CAu例1-5 如图1-14所示。图1-145V灯灯E1E2ABC+ +- -+ + +- - -5V灯灯E1E2ABC+ +- -+ + +- - -(a)选选A点为参考点,点为

12、参考点,UA=0V (b)选选B点为参考点,点为参考点,UB=0V五.电 动 势由电源E和外电路R构成的电流通路。在电源两极板电场的作用下正电荷从电极a经外电路R 流向电极b,流经R 时,正电荷放出能量,而外电路R吸收能量。电荷的移动使电极a正电荷减少,电位逐渐降低,电极b因正电荷的增多,电位逐渐升高,其结果是a和b两电极的电位之差逐渐减小,电流亦逐渐减小。为了维持电流的持续性,电源应该产生外力(电源力),把正电荷从电源负极(低电位处)电磁力又由热或机械力转化而来。对于发电机这种电源力是电磁力,在电池中这种电源力就是化学力,重新送到电源正极(高电位处)。图1-15第（6）页设电源力把电荷q 从

13、电源极板b移动到极板a,所做的功为w ,则电源电动势E定义为(1-4)dqdwE 若电源力把1库仑正电荷从电源负极移动到电源正极所做的功为1焦耳,该电源的电动势等于1伏特。 电源电动势的方向规定为在电源内部由低电位端指向 高电位端,即为电动势升高的方向。1.1电路及电路模型电路基本概念与术语元件element,cell电路circuit网络network模型model小结 一个实际电源除了包含电动势E,还包含内电阻R0, 如图1-16所示.图1-16+ + - -E电源电源0R1.2电流、电压及其参考方向电流二要素：大小（强度）与方向电流强度电流实际方向（正方向）的规定电流方向的表示方法：(a

14、)箭头表示：形象(b)电流数值前符号表示：便于列式计算（必须先设假定方向，又称参考方向）(c)下标表示：便于用英文字母表示dtdqi 一.电流及方向 IAI2 RIAI2 RIRababI注意： 符号仅表示方向，不表示加与减 方向的假定是任意的，不影响结果 一旦方向假定以后，不得中途变更 二.电压及极性1.电压大小（电压降）dqdwqwu VmVVkV ,2.电压的极性表示 下标表示下标表示箭头表示箭头表示符号表示符号表示RI RI uR V10abVUab10 VUba10 第（7）页3.电压参考极性若某两点间电压极性系未知，为了确定其实际极性，可先假定极性，再根据计算结果电压数值前的与号来

15、确定实际电压极性。 Rabu假定极性计算结果 VVu11RabV1RabV1（实际极性）（实际极性）单位时间内某电路所吸收或放出的能量称为该电路的功率。若dt时间内,电路能量的变化为dw ,则定义电功率 (1-5)一个二端网络所吸收或放出的功率与端电压、电流的关系为 (1-6)当p0为吸收功率,p0为放出功率。 1.3 电功率和电能量一.电功率dtdwp iudtdqdqdwdtdwp 结论:1. 一个二端网络所吸收的功率等于在关联参考方向上的端电压与电流的乘积;如果u与i 是非关联的,则u与i 的乘积是该二端网络所放出的功率。2. 要判断一个二端网络是吸收还是提供功率，只要看实际电压与电流的

16、方向是否一致。一致的为吸收功率，不一致的为提供功率。 i uR 非关联 非关联放出功率放出功率 关联 关联吸收功率吸收功率图1-17对于直流电或正弦交流电，电阻所吸收的功率可以写为RIRUIUP22 (1-7)电功率P也可表述为：单位时间内电流所做的功，单位是瓦(W),或KW、mW、W等。二.电功电能)定义为：电流通过负载所做的功，与电功率的关系为：PtW 对于220伏市电，电功的实际单位是千瓦小时(KWH)，简称“度”。第（8）页例1-6试计算图1-18电路中负载在一小时内消耗的电能。负载电阻为图1-18该负载一小时消耗的电能为 11002 . 0220AVIURkWWIUP044. 044

17、2 . 0220 度度044. 01102202 . 03 IUtPtW220VUI=0.2AR负载负载1.4 欧姆定律一.欧姆定律它是电路的基本定律。欧姆定律指出：流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比，用公式表示RIU (1-8)式中比值R即为该电阻的阻值。用伏安特性表示该电阻,如图1-19所示。电阻单位 ：,K,M。图1-19U(V)I( (A) )线性电阻元件的伏安特性线性电阻元件的伏安特性 电导定义为：二. 电导和电阻率RUIG1 电导单位： ( S )(称“西门子”）， ( mS )。电导就是电阻元件伏安特性的斜率。下面我们研究图1-20所示某导电材料AB两端之间的电阻阻值。 1 K

18、1A AB BS SL L材料的电阻材料的电阻图1-20 由于RAB正比于长度l，反比于截面积S，即SlRAB (1-9)式中系数称为电阻率，单位为欧姆米(m)。材料的阻值与温度有关,例如 220V 40W 白炽灯,冷阻100,热阻1200。材料电阻值随温度变化而改变的特性,可用电阻温度系数表示,一般金属具有正的温度系数温度系数.TR 温度系数:电阻值随温度的变化在许多情况下是不希望的，特别是在电子仪器设备中，会造成电路性能的恶化，但是人们亦可以利用来作为热敏元件，测量温度的变化等。0 TR0 TR,半导体材料具有负的第（9）页1.5 电路的有载工作状态，开路与短路一. 有载工作状态+ + +

19、- - -ER0RUKI电动势电动势电源内阻电源内阻负负载载最简单的电路最简单的电路图1-21研究图1-21电路，当开关K闭合时根据欧姆定律，电路中的电流为RREI 0(1-10)负载电阻两端的电压为于是IRU 0IREU (1-11)上式表示了电路在有载工作状态下电源端电压U与输出电流I的关系，如图1-22所示，称为电源的外特性曲线，又称负载特性。UEI0电源的外特性曲线电源的外特性曲线图1-22结论：1. 负载电阻越小，电流越大。2. 电流越大，电源两端电压越小。二二. .开路开路开关断开，电路开路（空载），I0,这时电源的端电压称为开路电压或空载电压U0，显然电路开路时，EUUI 00三

20、.短路K闭合时若电源负载端短路，R = 0 ,U=0 , 这时电源输出电流很大，称为短路电流IS。显然，电路短路时，0 U0REIIS 由于短路电流IS远大于正常输出电流，电源能量全部消耗在它的内阻上，造成电源损坏，这是不允许的。因此常在电路中接入熔断器或自动断路器，起到保护作用。1.6 克希荷夫定律先介绍几个电路分析中常用的术语。支路电路中的每一支。如图1-23中有六条分支。节点三条以上支路的交汇点。 如图1-23中 a , b , c , d 点。回路由多条支路所组成的闭合电路。 如图1-23中有回路abca; bcdb; abcda等。图1-23abcdR1RgR2R3R4EG复杂电路举

21、例复杂电路举例第（10）页一.克希荷夫第一定律节点电流定律 (KCL)电流定律用来确定联接在同一节点上的各支路电流间的关系。克希荷夫电流定律指出：由于电流的连续性，电路中任何一点均不能堆积电荷，因此，在任一瞬时流进一个节点的电流之和恒等于流出这个节点的电流之和。如果规定流进节点的电流为正，流出为负，则克希荷夫电流定律又可表示为：流向任一节点的电流的代数和为零。用节点电流方程表示，即01 niiI(1-12)例如图1-24，则有:054321 IIIIII4I5I3I2I11A1A2A3A3A图1-24注意： 1.对已知电流，一般按实际方向标示，对未知电流 可任意设定方向，由计算结果确定未知电流

22、的方 向，即正值时，实际方向与假定方向一致，负值 时，则相反。 2.节点电流定律不仅适用于节点，还可推广应用到某 个封闭面，如晶体三极管， 必有 ， 如图1-25所示。CBEIII 二. 克希荷夫第二定律回路电压定律 (KVL)电压定律用来确定回路中各段电压之间的关系。定律指出：如果从回路中任一点出发，以顺时针方向(或逆时针方向)沿回路循行一周，则在这个方向上的电位升之和应该等于电位降之和。IEIBIC封闭面封闭面图1-25E E2 2E E1 1I1I2R1R2abcd+ +- -+ +- -+ +- -+ +- -以图1-26为例，我们假定沿顺时针方向一周，电位升之和为电位降之和为则如果规定电位升取正号，电位降取负号，则克希荷夫电压定律又可表述为：在任一瞬时，沿任一回路循行方向（顺时针或逆时针方向），回路中各段电压的代数和恒等于零。 即:221RIE 112RIE 112221RIERIE 0 U图1-26(1-14)以图1-26为例，就是或改写为:上式表明，若回路中同时包含电动势与电阻，则克希荷夫电压定律还可表述如下：在任意回路中，电动势的代数和恒等于各电阻上的电压降的代数和。 即:式（1-15）称为回路电压方程