电工电子简介

电工电子技术②高等数学中的微积分及常系数微分方程。2.基础要求：①《大学物理》中的电部分；1.课程性质和特点：①专业技术基础课②理论性、实践性很强前言③具有一定的工程性3.研究内容（64学时）：4.教学目标：能够对一般性的、常用的（电子）电路进行分析，同时对较简单的电路进行设计。前言②模拟电子；①

电路基础；③数字电子；④EDA；⑤电气控制；关键在于课后练习，举一反三。5、学习要求：课堂认真听讲，掌握要点；6、成绩评定：平时：20%期末：80%7、参考书目①.《电路原理》邱关源主编高等教育出版社②.《模拟电子技术》童诗白主编高等教育出版社③.《数字电子技术》阎石主编高等教育出版社④.《电工学》，秦曾煌编著高等教育出版社1.基尔霍夫定律与电位的测定2.叠加原理与戴维宁定理3.典型电信号的观察与测量4.RC一阶电路的暂态分析5.功率因数的提高6.三相电路中负载的连接7.电路定理的仿真8.电路暂态分析的仿真研究9.基本运算电路10.运算放大器的线性应用11.整流滤波稳压12.集成门电路的逻辑变换及应用13.组合逻辑电路的设计14.计数、译码、显示电路15.中规模集成模块的应用8、实验课内容(32学时)：1.1电路的基本概念

1.2电路的基本定律1.3电路的分析方法电路的基本定律与分析方法第1章理解物理量的参考方向的概念。掌握各种理想电路元件的伏安特性。掌握基尔霍夫定律。能够正确使用支路电流法、结点电压法列写电路方程。掌握电源等效变换、叠加原理、等效电源定理。理解电位的概念，掌握电位的计算。本章学习目标1.1电路的基本概念1.实际电路由电工设备和电气器件按预期目的连接构成的电流的通路。1.1.1电路的组成及作用电路的组成为电路提供能量（信号）的部分-吸收或转换电能的部分连接、控制电源和用电设备的部分电源（或信号源）：负载：中间环节：~220V电源开关导线用电设备例如:照明电路3、电路的作用：发电机把其他形式的能量转化成电能升压

变压器输电线降压

变压器用户电能的传输把电能转化成其他形式的能量a能量的传输、分配与转换；b信息的传递、控制与处理。信号(接受)--->电路----->信号(已经放大、去噪、合成…)电路的激励和响应输出（能量或信号），称为电路的响应。在电路中响应常表示为某一元件上的电压、电流或电功率。

输入（电能或信号），称为电路的激励。在电路中激励常表示为电源（提供电能，使电路工作）或信号源（作为电路传输、处理信息的对象）。~220V电源开关导线用电设备例如，照明电路中，220V交流电源就是电路的激励，而灯泡获得的电功率则是电路的响应。5、电路模型对电路中的每个元器件特性建立元件模型把所有元器件的元件模型按照原电路结构连接起来，形成实际电路的模型称为电路模型导线电池开关灯泡电路模型实际电路例：一个电阻往往兼有电容电感的性质线圈具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，在一定条件下可用同一电路模型表示；同一实际电路部件在不同的应用条件下，其电路模型可以有不同的形式。注意！6、电路理论与本模块的任务电路理论电路分析电路设计故障诊断建立模型电路分析电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。1.电流的参考方向电流电流强度带电粒子有规则的定向运动单位时间内通过导体横截面的电荷量1.1.2电流和电压的参考方向方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向单位1kA=103A1mA=10-3A1A=10-6AA（安培）、kA、mA、A元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:实际方向AB实际方向AB对于复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断。问题参考方向大小方向(正负）电流(代数量)任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。i>0i<0实际方向实际方向电流的参考方向与实际方向的关系：i

参考方向ABi

参考方向ABi

参考方向AB表明电流参考方向的两种表示：用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。用双下标表示：如iAB

,

电流的参考方向由A指向B。i

参考方向ABiABAB电流的符号：I或i注意！电压U

单位2.电压的参考方向单位正电荷q

从电路中一点移至另一点时电场力做功（W）的大小。

实际电压方向

电位真正降低的方向。V(伏)、kV、mV、V电压的符号：U或u注意！复杂电路或交变电路中，两点间电压的实际方向往往不易判别，给实际电路问题的分析计算带来困难。

电压(降)的参考方向U>0参考方向U+–参考方向U+–<0U假设高电位指向低电位的方向。问题+实际方向–+实际方向–电压参考方向的三种表示方式：(1)用箭头表示：(2)用正负极性表示(3)用双下标表示UU+ABUAB3、电动势电源驱动正电荷的方向。即从电位低指向电位高的方向。电动势的符号：E或e电动势的单位：V（伏特）、KV、mV等4.关联参考方向如果一段电路或者一个元件上的电压和电流的参考方向一致，则称为关联参考方向，否则称为非关联参考方向+ui关联参考方向+ui非关联参考方向如果采用关联方向，我们在标示时，标出一种即可。如果采用非关联方向，则必须全部标示。

i已知：E=2V,R=1Ω问：当U分别为

3V和1V时，IR=?IRUR解：(1)假定电路中物理量的正方向如图所示:(2)列电路方程：练习：E

RabU(3)数值计算（实际方向与参考方向一致）（实际方向与参考方向相反）IRURE

RabU(3)为了避免列方程时出错，习惯上采用关联参考

方向。(1)“实际方向”是物理中规定的，而“参考方向”

则是人们在进行电路分析计算时,任意假设的。

(2)在解题过程中，注意一定要先假定“正方向”

(即在图中表明物理量的参考方向)，然后再列方

程计算。缺少“参考方向”的物理量是无意义的。

结论1.1.3能量与功率单位时间内电场力所做的功功率的单位名称：瓦特（W）=焦耳(J)/秒(s)能量的单位名称：焦（耳)符号（J）1、电功率功率和能量的关系：功率是能量的导数，能量是功率的积分2.电路吸收或发出功率的判断

u,i

取关联参考方向P=ui

表示元件吸收的功率P>0

吸收正功率(实际吸收)P<0

吸收负功率(实际发出)+-iu对一完整的电路，满足：元件发出的功率＝元件吸收的功率注意！3、元件的电路性质：有的电路设备起电源作用

是电源性质

发出功率。注：电源在电路中不一定起电源的作用，

负载在电路中不一定起负载的作用。有的电路设备起负载作用

是负载性质

吸收功率。4、电源和负载的判断：当P>0时,则说明此部分电路

吸收功率，为负载。假设u、i取关联参考方向。根据功率的正负判断当P<0时,则说明此部分电路

发出功率，为电源。如果采用非关联参考方向，判断依据正好相反5、功率平衡原理

电路中所有元件吸收（或发出）功率之代数和为0！作用：常用作对分析结果的检验准则例1：已知，u=5v，在i=1A和i=-1A时，问：元件A

是吸收或发出功率？判断电路性质？（1）i=1A:P=ui=5w，P>0u、i采用关联参考方向：A吸收功率，是负载（2）i=-1A:P=ui=-5w，P<0A发出功率，是电源Aui例2求图示电路中各方框所代表的元件吸收或产生的功率。已知：U1=-3V，U2=8V,U4=-5V,U5=8V,U6=-3V，I1=2A,I2=1A,，I3=-1A56412I2I3I1+++++－－－－－U6U5U4U2U1解对一完整的电路，满足：发出的功率＝吸收的功率56412I2I3I1+++++－－－－－U6U5U4U2U1注意例：由5个元件组成的电路如图，各元件上电压、电流参考方向标在图上如下。

确定各元件的功率，指出哪些是电源、哪些是负载？12345+-－＋元件5：P5吸=U5×I5=80×-1=-80W发出功率为电源元件1：P1发=U1×I1=－30×3=－90W吸收功率为负载元件2：P2发=U2×I2=－20×1=－20W吸收功率为负载元件3：P3吸=U3×I3=60×-2=-120W发出功率为电源元件4：P4吸=U4×I4=30×3=90W吸收功率为负载总功率：90＋20－120＋90－80＝0功率平衡！12345+-－＋－AABV+__+若：电压表和电流表均正偏，判断A、B谁是电源，谁是负载IAIBUA：电压和电流的实际方向相反，是电源B：电压和电流的实际方向相同，是负载例1、电源开路（空载）不接外电路，电源不工作I=0Uoc=EP=0+_ER0UocIR1R2S1S21.1.4电源的工作状态2、电源短路：外电路被短路（RL

=0）U=0

ISC=E/R0电源短路容易烧坏电源，因此电源使用中通常接入熔断器+_ER0IR1R2S1S2P=0（输出功率）

PE=I2R0

（电源消耗的功率）3、电源的负载状态：（接负载）+_ER0RLUIU=E-IR0IR0IUE伏安特性伏安特性的斜率与R0有关，R0越小，斜率越小。R0<<RL时，U随负载的变动很小，受负载的影响很小，电源带负载能力强。电源的内阻越小，带负载能力越强。（1）满载工作：输出额定的I、U、P。（2）轻载工作：输出的P低于额定值。（3）超载工作：输出的P高于额定值。

——不允许+_ER0RLUI额定值：额定值是电气设备长期工作所允许的电压、电流、功率的最大值。对负载来讲：额定值指负载正常工作时的条件及消耗的功率限额。（例：220v，40w的白炽灯）。对电源来讲：额定值指电源向负载提供的

电流、电压和功率的限额。

通常在铭牌或说明书中标出

注意使用时不要超过额定值。以电压源为例：R2+_ER0R1R0

0I总R3负载增加，I总、P总增加电源输出的电流、功率取决于负载的大小习题:1-3+-SER0RLIU（1）额定电流：负载电阻：（2）开路状态下的端电压等于电动势：（3）短路电流：练习与思考:1-1-6（3）满载工作：当负载电流、电压、功率等于发电机的额定电流电压功率时I=IN

、U=UN、P=PN（2）轻载工作：当发电机接上负载，但输出的电流I<IN,功率P<PN（4）超载工作：输出I>IN,P>PN。不允许（1）空载工作：当发电机输出端未接负载，电流I=0、P=0称为空载运行。练习与思考:1-1-7+_E=220vR00I60w

220v100w

220vI1I2s(1)R00，S闭合后

I、I1、I2变化？I增加I1不变(2)由于接线不慎，100w的电灯被短路，电灯会不会烧毁？不会。电源被短路，电流过大烧坏熔断器，100W灯中没有电流流过，不会被烧断。1.1.5理想电路元件电阻元件电压源电流源电感元件电容元件－＋无源元件有源元件5种基本的理想电路元件：电阻元件：表示消耗电能的元件电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件电压源和电流源：表示将其它形式的能量转变成电能的元件。5种基本理想电路元件有三个特征：

（a）只有两个端子；

（b）可以用电压或电流按数学方式描述；

（c）不能被分解为其他元件。注意！1.电阻元件电阻元件对电流呈现阻力的元件。其伏安关系用u～i平面的一条曲线来描述：iu1）.定义伏安特性非线性电阻线性电阻2）.线性定常电阻元件符号R+ui－线性电阻元件的伏安特性为一条过原点的直线－线性电阻元件的参数为特性曲线的斜率，记作

R－线性电阻R是一个与电压和电流无关的常数－Rtg

关联参考方向3）.

欧姆定律

(Ohm’sLaw)u

RiR

称为电阻单位名称：欧(姆)R+ui令G

1/RG

称为电导则欧姆定律表示为单位名称：西(门子)符号:S(Siemens)符号:iGu.(2)如电阻上的电压与电流参考方向非关联公式中应冠以负号注(3)说明线性电阻是无记忆、双向性的元件欧姆定律(1)只适用于线性电阻，(R为常数）4）.短路与开路对于一电阻R当R=0(G=

)，视其为短路。

i为有限值时，u=0。当R=(G=0)，视其为开路。

u为有限值时，i=0。ui0开路伏安特性曲线ui0短路伏安特性曲线R+ui5）.功率和能量p吸

ui

i2Ru2/R功率：能量：可用功表示。从t0

到t

电阻消耗的能量R+uiP≥0w≥0电阻是一种耗能元件

电阻属于无记忆元件

是一种无源元件

实际电阻器

电阻器R12220Ω红红棕

R15.6kΩ

绿蓝红

R1324k红黄橙

R31.2KΩ

棕红红

R533KΩ

橙橙橙

R722Ω红红黑

R42.2kΩ

红红红

R81.5kΩ

棕绿红

R6330kΩ

橙橙黄R9470Ω黄紫棕

R1022Ω

红红黑

R21kΩ

红黑红

R111k

棕黑红i(t)+-u(t)1）.实际的电感线圈把金属导线绕在一骨架上构成一实际电感线圈，当电流通过线圈时，将产生磁通，是一种抵抗电流变化、储存磁能的部件。(t)＝N(t)2.电感元件贴片型空心线圈可调式电感环形线圈立式功率型电感电抗器任何时刻，通过电感元件的电流i

与其磁链

成正比。~i

特性为过原点的直线。2）.线性时不变电感元件io电路符号H(亨利)，常用H，mH表示。单位电感器的自感Li+–u3).线性电感的电压、电流关系u、i取关联参考方向电感元件VCR的微分关系根据电磁感应定律与楞次定律Li+–u电感元件VCR的积分关系电感电压u

的大小取决于i

的变化率,与i

的大小无关，电感是动态元件；当i为常数(直流)时，u=0。电感相当于短路；实际电路中电感的电压

u为有限值，则电感电流i

不能跃变，必定是时间的连续函数.表明Li+–u电感元件VCR的积分关系表明某一时刻的电感电流值与-到该时刻的所有电流值有关，即电感元件有记忆电压的作用，电感元件也是记忆元件。研究某一初始时刻t0

以后的电感电流，不需要了解t0以前的电流，只需知道t0时刻开始作用的电压u

和t0时刻的电流i（t0）。4).电感的功率和储能功率u、i取关联参考方向当电流增大，p>0,

电感吸收功率。当电流减小，p<0,电感发出功率。电感的储能只与当时的电流值有关，储能不能跃变，反映了电感电流不能跃变。电感储存的能量一定大于或等于零。电感中的电流是直流时,储存的磁场能量是否为0？否！？++++––––+q–q1).实际的电容元件电容元件的符号有极性无极性+CC3.电容元件在外电源作用下，两极板上分别带上等量异号电荷，撤去电源，板上电荷仍可长久地集聚下去，是一种储存电能的部件。云母电容器薄膜电容器瓷片电容器电解电容器

任何时刻，电容元件极板上的电荷q与电压

u成正比。qu

特性曲线是过原点的直线。quo2).线性时不变电容元件电容器的电容F(法拉),常用F，pF等表示。单位1F=106

F1F

=106pFu,i

取关联参考方向3).线性电容的伏安特性Ciu+–+–动态元件q=Cu初始电压(2)

当

u

为常数(直流)时，du/dt=0i=0。电容在直流电路中相当于开路，电容有隔直作用；(3)

电容元件是一种记忆元件；⑴在某一时刻电容的电流取决于该时刻电容电压的变化率。电容电压变化越快，电流的值越大（微分式）表明电容元件VCR的积分形式电容元件VCR的微分形式电容是一种储能元件,储存的电场能量为：4).电容的储能？电容两端的电压是直流时,储存的电场能量是否为0？否！例1＋－C0.5Fi求电容电流i和储能W(t)21t/s20uS/V电源波形解uS

(t)的函数表示式为:解得电流21t/s1i/A-100.5F21t/s10WC/J无源元件小结LCRu，I关系能量储放iRu=4.理想电压源电路符号定义其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其值与流过它的电流i

无关的元件叫理想电压源。+-EuS电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；与流经它的电流方向、大小无关。通过电压源的电流由电源及外电路共同决定。理想电压源的特点I15VI=5AI105VI=0.5A5VI=0A与理想电流源并联的元件，电压受电压源的约束伏安特性若uS=US

，即直流电源。则其伏安特性为平行于电流轴的直线。

uS+_iu+_USui0恒压源理想电压源的开路与短路uS+_iu+_R(1)开路：R，i=0，u=us(2)短路：R=0，i

，此时理想电源模型不存在。理想电压源不允许短路。电压源的功率电压、电流参考方向非关联；电流（正电荷）由低电位向高电位移动，外力克服电场力作功，电源发出功率。

发出功率，起电源作用物理意义：电压、电流参考方向关联；物理意义：电场力做功，电源吸收功率吸收功率，充当负载uS+_iu+_理想电压源特性中不变的是：_________

uS

理想电压源特性中变化的是：_____________i_________________会引起i

的变化。外电路的改变理想电压源特性小结uS+_iu+_实际电源干电池钮扣电池1.干电池和钮扣电池（化学电源）干电池电动势1.5V，仅取决于（糊状）化学材料，其大小决定储存的能量，化学反应不可逆。钮扣电池电动势1.35V，用固体化学材料，化学反应不可逆。

氢氧燃料电池示意图2.燃料电池（化学电源）电池电动势1.23V。以氢、氧作为燃料。约40-45%的化学能转变为电能。实验阶段加燃料可继续工作。3.太阳能电池（光能电源）一块太阳能电池电动势0.6V。太阳光照射到P-N结上，形成一个从N区流向P区的电流。约11%的光能转变为电能，故常用太阳能电池板。

一个50cm2太阳能电池的电动势0.6V,电流0.1A

太阳能电池示意图太阳能电池板蓄电池示意图4.蓄电池（化学电源）电池电动势2V。使用时，电池放电，当电解液浓度小于一定值时，电动势低于2V，常要充电，化学反应可逆。直流稳压源函数发生器发电机组草原上的风力发电5.理想电流源直流：iS为常数，称为直流电流源或恒流源交流：iS是确定的时间函数，如

iS=ImsintiS其输出电流总能保持定值或一定的时间函数，其值与它的两端电压u

无关的元件叫理想电流源。定义电路符号

理想电流源的电压、电流关系电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关；与它两端电压方向、大小无关。电流源两端的电压由电源及外电路共同决定。UIR1A与理想电流源串联的元件，电流受电流源的约束若iS=IS

，即直流电源。则其伏安特性为平行于电压轴的直线，反映电流与端电压无关。

ISui0iSiu+_直流电源伏安特性(1)开路：R，i=iS

，u。若强迫断开电流源回路，电路模型为病态，理想电流源不允许开路。(2)短路：R=0，i=iS

，u=0

，电流源被短路。RiSiu+_理想电流源的开路与短路实际电流源的产生：可由稳流电子设备产生，有些电子器件输出具备电流源特性，如晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的电流等p发=uis

iSiu+_u,iS非关联

p发<0，则电流源吸收电功率，变成了负载。p发>0，为供电状态在u,iS

非关联条件下电流源的功率理想电流源特性中不变的是：_________

iS

理想电流源特性中变化的是：_____________u_________________会引起u

的变化。外电路的改变理想电流源特性小结iSiu+_例计算图示电路各元件的功率。解发出10w吸收10W满足：P（发）＝P（吸）5V+_u+_2Ai+_10v2AR例：求：R=1和R=10两种情况下的UIs，并判断恒流源的电路性质。取关联参考方向：当R=1，UIs=10-2R=8v当R=10，UIs=10-2R=-10v是负载是电源恒压源与恒流源特性比较恒压源恒流源不变量变化量us+_abiUabUab=us

（常数）Uab的大小、方向均为恒定，外电路负载对Uab

无影响。iabUabisi=is

（常数）i

的大小、方向均为恒定，外电路负载对i

无影响。输出电流i

可变-----

i的大小、方向均由外电路决定端电压Uab

可变-----Uab

的大小、方向均由外电路决定6、受控电源(非独立源)电路符号+–受控电压源受控电流源1)、定义：受控电源是另一类电源模型，它的输出端具有理想电源的特征，但其参数却受到电路中其它变量的控制.受控电源是为了描述电子器件的特性而提出的电路元件模型。ic=bib电流控制的电流源例RcibRbic受控源是一个四端元件:控制部分输入端口是控制支路，受控部分输出端口是受控支路.ibbib四种类型电流控制的电流源（cccs）电流控制的电压源(ccvs)电压控制的电流源(vccs)电压控制的电压源(vcvs)（CurrentControlledCurrentSource）（CurrentControlledVoltageSource)（VoltageControlledCurrentSource）（VoltageControlledVoltageSource)(1)电流控制的电流源

(CCCS):电流放大倍数r:转移电阻{u1=0i2=bi1{u1=0u2=ri12).四种类型(2)电流控制的电压源

(CCVS)CCCSbi1+_u2i2+_u1i1i2i1CCVSr

i1+_u2+_u1+_控制量：电流i1

输出：电流源

βi1

控制量：电流i1

输出：电压源ri1g:转移电导

:电压放大倍数{i1=0i2=gu1{i1=0u2=u1(3)电压控制的电流源

(VCCS)(4)电压控制的电压源

(VCVS)VCCSgu1+_u2i2+_u1i1VCVSu1+_u2+_u1+_i2i1*，g，，r为常数时，被控制量与控制量满足线性关系，称为线性受控源。控制量：电压u1

输出：电流源gu1控制量：电压u1

输出：电压源u1实际电路分析中的符号省去开路或短路的控制端CCCSi2bi1+_u2CCVSi2r

i1+_u2+_VCCSgu1+_u2i2VCVSu1+_u2+_i2控制变量必须在电路其它位置标出3).受控源与独立源的比较(1)独立源电压(或电流)由电源本身决定，与电路中其它电压、电流无关，而受控源电压(或电流)直接由控制量决定.(2)独立源作为电路中“激励”，在电路中产生电压、电流，而受控源只是反映输出与输入的控制关系，在电路中不能作为“激励”。Rui注意：用欧姆定律列方程时，一定要在图中标明正方向。RuiRui1.2.1欧姆定律1.2电路的基本定律1.2.2基尔霍夫定律(Kirchhoff’sLaws)基尔霍夫电流定律

(Kirchhoff’sCurrentLaw—KCL)基尔霍夫电压定律(Kirchhoff’sVoltageLaw—KVL)基尔霍夫定律与元件特性是电路分析的基础。GustavRobertKirchhoff(1824-1887)基尔霍夫/克西霍夫电路中通过同一电流的分支(b)b=3支路(branch)电路中每一个两端元件就叫一条支路。结点(node):三条或三条以上支路的连接点称为结点(n)n=2注意两种定义分别用在不同的场合。1.几个名词ab+_R1uS1+_uS2R2R3123由支路组成的闭合路径(l)两结点间的一条通路。由支路构成对平面电路，其内部不含任何支路的回路称网孔(m)。l=3路径(path)回路(loop)网孔(mesh)网孔是回路，但回路不一定是网孔。注意ab123+_R1uS1+_uS2R2R3123m=2支路：ab、ad、…...

（共6条）回路：abda、bcdb、

…...

（共7个）结点：a、b、…...(共4个）E4E3_+R3R6+R4R5R1R2abcd-网孔：abda、bcdb

adca

（共3个）二.基尔霍夫电流定律

(KCL)：1、在集总参数电路中，任一时刻，对任一结点流出（或流入）该结点电流的代数和为零。即-当支路k的电流参考方向指向结点n，上述求和式中取“_”，-当支路k的电流参考方向背向结点n，上述求和式中取“+”。aI1I2E2+-R1R3R2+_I3bE1对a节点：或：i1+i2=10–12i2=1A

4=7+i1i1=–3A

2、在集总参数电路中，任一时刻，对任一结点，流入结点的支路电流之和等于流出该结点的支路电流之和基尔霍夫电流定律是电荷守恒定律的具体表现例2••7A4Ai110A-12Ai2流进的电流等于流出的电流KCL通常用于节点，但是对于包围几个节点的闭合面也是适用的集总电路中，任一时刻，对任一封闭曲面，流进（或流出）封闭曲面的所有电流的代数和总是为零3、基尔霍夫电流定律的扩展:广义KCL当支路k

的电流参考方向流进曲面，上述求和式中取“-”；如果支路k的电流参考方向离开曲面，求和式中取“+”。电路理论中也把穿过该闭合曲面的所有支路集合称为一个割集KCL适用于电路的任一封闭面I1+I2+I3=0证明：I1I2I3abcIbcI