电气控制第一章电路及基本元件

1、电气控制电气控制课程简介课程简介v本课程是工科专业的一门技术基础课。它是由电路基础与电工技术两部分组成。v本课程不仅具有自身的理论体系，而且是一门实践性很强的课程。v由于没有系统的高等数学和大学物理作基础，加上学时少、内容多，故重点介绍基本概念、基本知识、器件的外特性及使用方法。主讲：陈跃安第1章电路及基本元件第一章第一章电路及基本元件电路及基本元件1.1 电路及其基本物理量电路及其基本物理量1.2 电路的三种状态电路的三种状态1.3 电路基本元件电路基本元件2131.4 半导体器件半导体器件1.5 电源电源1.1 电路及其基本物理量电路及其基本物理量电路电路基本物理量基本物理量电流电流电压电

2、压(电位、电动势电位、电动势)电功率电功率(电能电能)包括电源、负载、中间环节三部分包括电源、负载、中间环节三部分用规定的符号画出用规定的符号画出由元件按一定结构连接并完成一定功能由元件按一定结构连接并完成一定功能电路及作用电路及作用电路电路弱电电路的作用是不失真地传递和处理信号。弱电电路的作用是不失真地传递和处理信号。强电电路的作用是产生、输送、分配和变换电能。强电电路的作用是产生、输送、分配和变换电能。按功能分为强电电路、弱电电路按功能分为强电电路、弱电电路按电源性质分为直流电路、交流电按电源性质分为直流电路、交流电路路交流电源：电压的大小和方向均随时间变化交流电源：电压的大小和方向均随时

3、间变化直流电源：电压的方向不变。直流电源：电压的方向不变。按结构分为简单电路、复杂电路按结构分为简单电路、复杂电路按状态分有载、空载、短路三种电按状态分有载、空载、短路三种电路路简单电路简单电路G1IS 1ABG2I1I2GkIkGnI nIS 2R1RnRkE1IE2+-+-R2R0R1R2EIR3R4I1I2Rv图1-6 电流方向的判断IR复杂电路复杂电路 1、有载状态、有载状态（满载、超载、轻载）（满载、超载、轻载）2、空载状态（断路）、空载状态（断路）3、短路状态、短路状态BSERoU+-ELIASIAERoU+-ELBSERoU+-ELIAB电路的三种状态电路的三种状态常用的电路元件

4、及符号常用的电路元件及符号常用的电路元件有：电阻、电感、电容、二极管、常用的电路元件有：电阻、电感、电容、二极管、三极管、理想电压源、理想电流源等。三极管、理想电压源、理想电流源等。(a)电阻R(b)电容C(g)理想电流源IS(f)理想电压源USVT(e)三极管(d)二极管VD(c)电感L定义：定义：任意假定的方向。任意假定的方向。电流及其参考方向电流及其参考方向在单位时间内通过导体截面的电荷量在单位时间内通过导体截面的电荷量大小：大小：即电流强度，即电流强度，恒定电流用恒定电流用I I表示表示 ；瞬时电流用瞬时电流用i表示。表示。方向：方向：规定正电荷的移动方向为实际方向，规定正电荷的移动方

5、向为实际方向，用箭头用箭头 “”表示。表示。参考方向：参考方向：若求出（或已知）电流为正值，则说明参考若求出（或已知）电流为正值，则说明参考方向与真实方向一致，否则相反。方向与真实方向一致，否则相反。tqi 单位：单位： 安培安培(A、mA、A、nA)定义：定义：任意假定的方向。任意假定的方向。电压及其参考方向电压及其参考方向单位正电荷由单位正电荷由A A点运动到点运动到B B点点, ,电场力所做的功。电场力所做的功。大小：大小：恒定电压用恒定电压用U U表示表示 ；瞬时电压用瞬时电压用u表示。表示。方向：方向：电路中电压的方向用一对电路中电压的方向用一对”“”“”号表示，或号表示，或用一个箭

6、头用一个箭头“”表示，也可用双下标表示，如表示，也可用双下标表示，如UAB表示方向从表示方向从A点指向点指向B点。点。参考方向：参考方向：若求出（或已知）电压为正值，则说明参考若求出（或已知）电压为正值，则说明参考方向与真实方向一致，否则相反。方向与真实方向一致，否则相反。qWuABAB单位：单位： 伏特伏特（V V、KVKV、mVmV） 电压与电位的关系电压与电位的关系为方便为方便,常将电路中某一点设为参考点常将电路中某一点设为参考点,并规定参考点的电位为零。并规定参考点的电位为零。例如，电路中例如，电路中AB两点之间的电压两点之间的电压UAB=5V若设若设B点为参考点：点为参考点：电压是绝

7、对量，电位是相对量。电压是绝对量，电位是相对量。则则UB=0V，若设若设A点为参考点：点为参考点：则则UA=0V，再如，若电路中再如，若电路中A、B两点的电位分别为两点的电位分别为UA=8V，UB=3V则则ABAB两点间的电压：两点间的电压： UA=UAB=5VUB=UBA则其它点与参考点之间的电压称为该点的电位。则其它点与参考点之间的电压称为该点的电位。 任意两任意两点间的电压等于该两点的电位差。点间的电压等于该两点的电位差。UABUAUB=UAB=5V835V应该清楚：应该清楚：电流与电压是两个相互独立的物理量。电路中的某电流与电压是两个相互独立的物理量。电路中的某个元件，其两端有电压，却

8、不一定有电流流过，例如不个元件，其两端有电压，却不一定有电流流过，例如不接负载的电压源等；但是，如果元件中有电流流过，其接负载的电压源等；但是，如果元件中有电流流过，其上一般会产生电压上一般会产生电压( (理想导线除外理想导线除外) )。在负载中，电流与电压的实际方向一致，即沿着电在负载中，电流与电压的实际方向一致，即沿着电位降低的方向。位降低的方向。电压与电动势、电流之间的关系电压与电动势、电流之间的关系在电源中，电流与电动势的实际方向一致，即沿着在电源中，电流与电动势的实际方向一致，即沿着电位升高的方向。电位升高的方向。电压是电压是电场力电场力做功的表现，电动势是做功的表现，电动势是电源力

9、电源力做功的做功的表现，两者单位一致，但方向不同（沿着电压的方向，表现，两者单位一致，但方向不同（沿着电压的方向，电位逐点降低；沿着电动势的方向，电位逐点升高）。电位逐点降低；沿着电动势的方向，电位逐点升高）。定义：定义：功功 率率单位时间内电路元件上能量的变化量单位时间内电路元件上能量的变化量大小：大小：正负值的意义：正负值的意义：twp 单位：单位：在一个电路中，产生的功率之和等于消耗的功率之和。在一个电路中，产生的功率之和等于消耗的功率之和。瓦特瓦特(W、mW、KW)(为关联参考方向、iuuip )(为非关联参考方向、iuuip若若P0，消耗功率或吸收功率（，消耗功率或吸收功率（负载负载

10、）若若P0，产生功率或提供功率（，产生功率或提供功率（电源电源）单位：单位：功率与电能之间的关系功率与电能之间的关系能量是功率与时间的乘积。能量是功率与时间的乘积。w=pt焦耳（焦耳（J J）千瓦千瓦小时（度）小时（度）例：例：教室里有40盏标有“220V 40W”的日光灯，接在220V的电源上。如果每天使用10小时，一个月(30天)耗电多少？若电费单价为0.5元度，则每月应付电费多少？解：解：月耗电为WPt40盏40W/盏10h/天30天10-3每月电费为0.5480240元480KWh 电阻元件电阻元件1.3 电路的基本元件电路的基本元件 电容元件电容元件 电感元件电感元件 三极管三极管

11、二极管二极管 电压源电压源吸收电能吸收电能用曲线来描述。用曲线来描述。电阻元件（简称电阻）电阻元件（简称电阻）功能：功能：伏安关系：伏安关系：当当u u与与i i取关联方向时：取关联方向时：u uiRiR单位：单位：符号：符号：欧姆欧姆),(MkR当当u u与与i i取非关联方向时：取非关联方向时：u uiRiR对线性电阻：对线性电阻：对非线性电阻：对非线性电阻：电阻的倒数称电导电阻的倒数称电导 单位：单位：西门子（西门子（S）大小：大小：注：注：电阻上的功率：电阻上的功率：P=UI=I2R=U2/R0耗能元件耗能元件将电能转换为热能将电能转换为热能作用：作用：SLR定义：定义：iuR 储存电

12、场能量储存电场能量电容元件（简称电容）电容元件（简称电容）功能：功能：伏安关系：伏安关系：单位：单位：符号：符号：当当u u与与i i取关联方向时：取关联方向时：大小：大小：对于直流：对于直流：U为常数，其电压变化率为零，故为常数，其电压变化率为零，故I=0所耗功率所耗功率P=UI=0(非耗能元件非耗能元件)隔直流通交流隔直流通交流作用：作用：Ciu+dSC法拉法拉),(pFFFdtduCi 定义：定义：UqC 储能：储能：221CuW 储存磁能储存磁能电感元件（简称电感）电感元件（简称电感）功能：功能：伏安关系：伏安关系：单位：单位：符号：符号：当当u u与与i i取关联方向时：取关联方向时

13、：大小：大小：对于直流电路：对于直流电路：I为常数，其电流变化率为零，故为常数，其电流变化率为零，故U=0所耗功率所耗功率P=UI=0(非耗能元件非耗能元件)平稳电流平稳电流作用：作用：亨利亨利),(mHHdtdiLu 定义：定义：LiulsNL2iL储能：储能：221LiW 单向导电单向导电二极管二极管功能：功能：符号：符号：无触点开关无触点开关作用：作用：原理似单向阀：原理似单向阀：VDui二极管的伏安特性二极管的伏安特性反向(a)加正向压力正向(b)加反向压力小球小球小球小球IF/mAUF/V0.10.51030501020301020两种半导体：两种半导体：二极管的实质：二极管的实质：

14、常见半导体材料：常见半导体材料：硅和锗硅和锗型和型型和型PN结结硅和锗死区电压分别为硅和锗死区电压分别为0.5V和和0.1V硅和锗导通电压分别为硅和锗导通电压分别为0.60.8V和和0.20.3V小电流控制大电流小电流控制大电流三极管三极管功能：功能：结构类型有结构类型有NPN和和PNP两种，符号分别为两种，符号分别为电流放大电流放大无触点开关无触点开关作用：作用：饱和、放大、截止饱和、放大、截止三种工作状态：三种工作状态：三种连接方式：三种连接方式：共射极、共集电极、共基极共射极、共集电极、共基极三极管伏安特性：三极管伏安特性：输入特性、输出特性输入特性、输出特性基极base集电极colle

15、ctor 发射极emitterVTVTbceNPN型型PNP型型原理似水轮控制阀原理似水轮控制阀集电极 水流发射极 水流IcIe基极水流AB阀门关断Ib=0I Ib b= =很小，很小，I IC C00截止。截止。C-EC-E之间断开之间断开BCEUCE=UCES 0（ b） 接 通 （ 饱 和 ）BCEIC=ICEO 0(a)关 断 （ 截 止 ）集电极 水流发射极 水流IcIe基极水流细绳弹簧水轮AB阀门IbI Ib b中等，中等，I IC C=I=Ib b 放大。放大。cebic=ibib(1+)ib集电极 水流发射极 水流IcIe基极水流AB阀门全开Ib过大IbI Ib b过大，过大，

16、I IC C达到最大达到最大 饱和。饱和。C-E之间闭合之间闭合BCEUCE=UCES 0（ b） 接 通 （ 饱 和 ）BCEIC=ICEO 0(a)关 断 （ 截 止 ）三极管常见的三极管常见的3种偏置方式对应的工作状态及特点种偏置方式对应的工作状态及特点工作工作状态状态偏置电压偏置电压特特 点点发射结发射结集电结集电结放大放大正偏正偏反偏反偏ICIb(IC受小电流受小电流Ib的控制的控制)截止截止反偏或零反偏或零偏偏反偏反偏ICICEO0(各极之间均断开各极之间均断开)饱和饱和正偏正偏正偏正偏ICICS，UCEUCES 0 (C、E之间相当于开关闭合之间相当于开关闭合)发射结正编电压：发

17、射结正编电压：饱和电压：饱和电压：NPN型、型、PNP型分别为型分别为0.60.8V和和0.20.3VNPN型、型、PNP型分别约为型分别约为0.3和和0.1V三种连接方式三种连接方式BEC（b）共基极 输出输入（a）共射极 CBE输出输入（C）共集电极 EBC输出输入共射极三极管（共射极三极管（NPN管）伏安特性管）伏安特性输出特输出特性性常数CEuBEBufi| )(常数BiCECufi| )(输入特性输入特性RBUBBUCCRCmARPIC+-AIB+-V UBE+-VUCE+-+-1008060402000.2 0.40.6 0.8IB/AUB E/V12010080604010024

18、6810IC/mAUCE/VIB=0 A12341.52.3截止区截止区饱和区饱和区放大区放大区A1A2电压源电压源-一般用电动势一般用电动势E（或（或US）和电源内阻和电源内阻RS相串联来表示相串联来表示 理想电压源（内阻为零）理想电压源（内阻为零）符符号号实际电压源（内阻不为零）实际电压源（内阻不为零）伏伏安安特特性性或或外外特特性性U=USI由由US及外电路共同决定及外电路共同决定U=USIRS符号中的符号中的竖线竖线表示表示US=0，相当于，相当于短路短路IUSRUIUSRSRUoIUUSoIUUSU1I1U0=I1RS小结一小结一iRu dtduCi dtdiLu 电压、电流都是具有大小和方向的量。电压、电流都是具有大小和方向的量。 在关联的参考方向下，功率为正时表示消耗功率在关联的参考方向下，功率为正时表示消耗功率（负载），功率为负时表示产生功率（电源）。（负载），功率为负时表