汽车电工电子基础课件 项目三 单相正弦交流电路

交流电的基本概念任务一简单正弦交流电路任务二常用仪器仪表的使用任务三项目三

单相正弦交流电路任务一交流电的基本概念一、直流电与交流电现如今，交流电和直流电的使用涉及到人们日常生产生活的方方面面，交流电和直流电拥有各自的优缺点，适用于生活中的不同方面。（一）直流电如图所示电路中，电流流向始终不变（前头为电流方向）。电流是由电池正极，经导线、灯泡，回到电池负极。通路中，电流的方向始终不变，所以我们将输出这种固定电流方向的电源，称为“直流电源”，简称直流电（directcurrent）,简记为DC。如：家用干电池、汽车铅蓄电池。干电池提供的是直流电。任务一交流电的基本概念（二）交流电发电厂的发电机是利用动力使发电机中的线圈运转，每转180°发电机输出电动势、电压、电流的方向就会变换一次，因此电动势、电压、电流的大小也会随时间做规律性的变化，这种电动势、电压、电流的方向、大小会随时间改变的电源就称为“交流电源”，简称交流电（alternatingcueeent），简记为AC，图形符号用“～”表示。如：家用220V电源。墙上的插座提供的是交流电。任务一交流电的基本概念交流电可分为周期性交流电和非周期性交流电。其中按正弦规律周期性变化的交流电称为正弦交流电。由交流电组成的电路称为交流电路。交流电的波形一般有交流正弦波、交流方波、交流三角波和交流锯齿波等正弦交流电产生的原理如图所示，实验中，线圈在匀强磁场中匀速转动，可以观察到电流表的指针随线圈转动而摆动，且线圈每转动一周，指针左右摆动一次。实验说明线圈中产生了感应电动势，从而产生了感应电流，并且其大小和方向随时间作周期性变化，这就是正弦交流电产生的基本原理。二、正弦交流电的产生三、交流电的周期、频率和角频率周期周期是指正弦交流电按正弦规律变化一周所需要的时间，用字母T表示，单位为s（秒），如图3-3所示。频率频率是指正弦交流电在一秒内按正弦规律变化的周期数，用字母f表示，单位为Hz（赫［兹］）。频率和周期互为倒数，即角频率角频率是指单位时间内正弦交流电变化的角度。工程上常用弧度来表示角度，所以角频率的单位是rad/s（弧度每秒），用字母ω表示。角频率、频率与周期之间的换算关系为四、交流电的瞬时值、最大值和有效值瞬时值最大值

瞬时值是指正弦交流电某一时刻的值，用小写字母表示，如e，u，i分别表示电动势、电压和电流的瞬时值。

最大值又称振幅、幅值或峰值，它是指正弦交流电在一个周期内所达到的最大瞬时值，用大写字母加下标m表示，如Em，Um

，Im

分别表示电动势、电压和电流的最大值。如图3-3所示，

Um为电压最大值。有效值是根据交流电的热效应来规定的。我们将交流电与直流电分别通过相同的电阻，如果在相同时间内产生的热量相等，则把这一直流电的数值称为这个交流电的有效值，用大写字母E，U，I分别表示电动势、电压和电流的有效值。有效值是根据交流电的热效应来规定的。我们将交流电与直流电分别通过相同的电阻，如果在相同时间内产生的热量相等，则把这一直流电的数值称为这个交流电的有效值，用大写字母E，U，I分别表示电动势、电压和电流的有效值。生活中所说的220V交流电指的就是交流电的有效值。像冰箱、电视等电器铭牌上面所标的额定电流、额定电压均为交流电的有效值。例3-1我国城市生活用电为50Hz，220V的工频交流电，其最大值是多少？周期是多少？解

根据式（3-3）可得由式（3-1）可得五、交流电的相位角、初相位和相位差瞬时值最大值相位角简称相位，是用来表征正弦交流电变化的物理量。在某一时刻，正弦交流电的瞬时值不仅由时间t确定，还由相位确定。相位决定了正弦交流电的变化趋势，是正弦交流电随时间变化的核心部分。初相位简称初相，是指在

t=0时的相位，用字母j0表示，它反映了交流电起始时刻的状态。不同的正弦交流电，计时起点不同，它的初相也就不同，一般规定初相的变化范围为

。相位差是指两个同频率正弦交流电的相位之差，用字母

表示，单位是弧度（rad）或度（°）。如果交流电的频率相同，相位差就等于初相之差，即相位差是恒定的，与计时起点无关，不随时间而改变，表明了两个交流电在时间上超前或滞后的关系，即相位关系。六、交流电的相位角、初相位和相位差例如，相位差反映了两个正弦量e1和e2之间的以下几种相位关系。当Δj=0时，两个正弦量e1和e2相位相同，称为同相，如图（a）所示。当Δj>0时，称为正弦量e1超前正弦量e2（或正弦量e2滞后正弦量e1），如图（b）所示。当

时，称为两个正弦量e1和e2反相，如图（c）所示。当

时

，称为两个正弦量e1和e2正交，如图（d）所示。任何一个正弦量的最大值（有效值）、频率（角频率或周期）、初相确定以后，就可以写出解析式，并可以计算出任一时刻的瞬时值。所以，最大值、频率和初相称为正弦交流电的三要素。七、正弦交流电的表示方法1．解析式表示法用正弦函数式表示正弦交流电随时间变化的关系的方法称为解析式表示法。正弦交流电的电流、电压和电动势的解析式分别为

（3-4）2．波形图表示法用正弦图形曲线来表示交流电随时间变化的关系的方法称为波形图表示法。在平面直角坐标系中，用横坐标表示时间t或角度wt

，纵坐标表示正弦量的瞬时值，然后根据解析式计算出坐标系中各点的值，做出波形图，如图所示。波形图法可以形象、完整地表达正弦交流电的三要素。七、正弦交流电的表示方法3．旋转矢量表示法解析式表示法和波形图表示法都能反映出正弦交流电的变化特性，但是仍有其不足之处。解析式表示法形式准确、完整，但计算较复杂；波形图表示法形象直观，但作图较麻烦。所以为了便于对正弦交流电路进行分析、计算，通常采用旋转矢量表示法。旋转矢量表示法是指在一个直角坐标系中用绕原点旋转的矢量来表示正弦交流电的方法。七、正弦交流电的表示方法如果要表示一个正弦量

，可以以坐标原点O为端点作一条有向线段，以此线段的长度为正弦量的最大值Em，以旋转矢量的起始位置与x轴正方向的夹角为初相je0，以线段绕原点逆时针旋转的角速度为w，这样在任一瞬时，有向线段在纵坐标轴上的投影就是该时刻正弦量的瞬时值，如图所示。七、正弦交流电的表示方法由前文可知，根据正弦量的三要素，当频率已知并确定后，只要求出最大值和初相，这个正弦量也就随之确定。根据正弦电路的这一特点，可以用一个与之对应的矢量来表示正弦量的最大值（振幅）和初相。为了区别于一般矢量相，通常在相应的大写字母上加一圆点“

·”来表示正弦交流电的旋转矢量。如

分别表示正弦交流电的电流最大矢量、电压最大矢量和电动势最大矢量；

分别表示正弦交流电的电流有效矢量、电压有效矢量和电动势有效矢量。七、正弦交流电的表示方法所以，按照正弦量的大小和相位关系就可以用初始位置的有向线段在复平面上画出矢量的图形，这种图形称为矢量图。在矢量图上，矢量的长度就是正弦量的最大值或有效值，矢量与正实轴的夹角就是正弦量的初相

，如图所示。七、正弦交流电的表示方法试电笔也称验电笔、测电笔，简称电笔，是用于检验导线和电气设备是否带电的辅助安全工具。它由金属体、弹簧、氖管、电阻、笔身和笔尖等组成，如图所示。课堂实践

学习使用试电笔在实训老师的带领下参观学校实训室，观察各个仪器仪表并练习使用试电笔。使用试电笔时，右手握住笔身，食指碰触笔身尾部的金属体，如图（a）所示。用试电笔的笔尖碰触被测体，如果被测物体带电，则试电笔中的氖管便会发光。在测量时，绝对禁止触摸试电笔笔尖，如图（b）所示。课堂实践

学习使用试电笔任务二简单正弦交流电路一、纯电阻电路在交流电路中只考虑电阻作用的电路称为纯电阻电路，如图（a）所示。在纯电阻电路中电流与电压是同频率、同相位的正弦量，它们的波形图和失量图如图（b）、（c）所示。通过实验证明：在纯电阻电路中，电流、电压和电阻三者任一时刻都符合欧姆定律。例如，在电阻两端加上交流电压

，然后测量其电流值，则对于瞬时值有

（3-5）对于最大值有

（3-6）对于有效值有

（3-7）所以在交流电作用下纯电阻电路的电流瞬时值表达式为一、纯电阻电路例3-2将一电阻值为220Ω的电阻接到

的电源上，求通过电阻的电流。解

由电源电压可知则电阻两端的电压有效值为通过电阻的电流有效值为由于电流与电压同相，电流的解析式为一、纯电阻电路2．纯电阻电路的功率我们把电压瞬时值和电流瞬时值的乘积称为瞬时功率，用小写字母p表示，即所以纯电阻正弦交流电路的瞬时功率表达式为一、纯电阻电路通过公式可做出瞬时功率随时间变化的曲线，如图5-11所示。为了测量和计算方便，纯电阻电路的功率常用有功功率来表示。有功功率是指瞬时功率在一个周期内的平均值，用大写字母P表示，单位为W（瓦［特］），它表示电阻元件的实际耗能效果。一、纯电阻电路纯电阻电路的有功功率等于电压有效值和电流有效值的乘积，用公式表示为1．容抗纯电容电路如图所示，在通过交流电时，电源与电容器之间不断地充电和放电，此时电容器会对交流电有阻碍作用，我们把这种阻碍作用称为电容电抗，简称容抗，用符号XC表示，单位为Ω（欧［姆］）。二、纯电容电路容抗的大小与电源的频率及电容器的电容量成反比，用公式表示为

（3-9）对于直流电来说，当频率f=0时，

，电容器相当于开路。所以电容器在电路中有“隔直流，通交流”的特性。二、纯电容电路2．纯电容电路中电流与电压的关系在电容两端加上交流电压

，然后测量其电流值，则可发现，在纯电容交流电路中，电流和电压的最大值（或有效值）符合欧姆定律，即

（3-10）或

（3-11）二、纯电容电路纯电容电路的电流与电压的相位关系为：电路两端电压滞后电流

，或者说电流超前电压

。电压与电流的波形图如图3-13所示，矢量图如图3-14所示。二、纯电容电路因此，纯电容交流电路的电流瞬时值表达式为（1）瞬时功率纯电容交流电路的瞬时功率为根据公式可做出纯电容交流电路的瞬时功率变化曲线，如图3-15所示。二、纯电容电路（3）无功功率虽然电容器不消耗电能，但是它与电源之间无时无刻不在进行着能量交换，即电容器的充电和放电。为了反映这种可逆的能量所转换的量，把单位时间内能量转换的最大值（即瞬时功率的最大值）称为电容的无功功率，用符号QC表示，单位V·A（伏［特］·安［培］），曾用单位var（乏），用公式表示为

（3-12）将

代入式（5-12）中，可得

（3-13）二、纯电容电路1．感抗纯电感电路如图所示，在通过交流电时，变化的电流产生了变化的磁场，电感线圈中产生的自感电动势阻碍原电流的变化，形成了电感器对交流电的阻碍作用，这种阻碍作用称为电感电抗，简称感抗，用符号XL表示，单位为Ω（欧［姆］）。通过实验可知：感抗的大小与电源的频率及电感器的电感量成正比，用公式表达为

（3-14）对于直流电来说，当频率f=0时，XL=0，电感器相当于短路。所以电感器在电路中有“通直流，隔交流”的特性。三、纯电感电路2．纯电感电路中电流与电压的关系在电感两端加上交流电压

，然后测量其电流值，则可发现，在纯电感交流电路中，电流和电压的最大值（或有效值）符合欧姆定律，即

（3-15）或

（3-16）三、纯电感电路纯电感电路的电流与电压的相位关系为：电路两端电压超前电流

，或者说电流滞后电压

。电压与电流的波形图如图所示，矢量图如图所示。三、纯电感电路因此，纯电感交流电路的电流瞬时值表达式为3．纯电感电路的功率（1）瞬时功率纯电感交流电路的瞬时功率为根据公式可作出纯电感交流电路的瞬时功率变化曲线，如图所示。三、纯电感电路（2）有功功率根据图可知，瞬时功率p的波形在横坐标上、下的面积是相等的，因此电感的有功功率P=0w，所以电感不消耗能量，只是将能量以磁场能的形式储存在线圈内部，它同电容一样是储能元件。三、纯电感电路（3）无功功率同电容一样，为了反映纯电感交流电路中能量转换的量，把单位时间内能量转换的最大值（即瞬时功率的最大值）称为电感的无功功率，用符号QL表示，单位为V·A（伏［特］·安［培］），用公式表示为

（3-17）将

代入式（5-17）中，可得

（3-18）三、纯电感电路根据已知条件计算结果，然后将结果填入表中（保留两位有效数字）。课堂实践

计算容抗与感抗任务二

简单正弦交流电路在实际中，如果电感线圈的电阻无法忽略不计，可以将它等效成电阻与电感串联的电路，称为RL串联电路，如图所示。如果再将一个电容器串联在RL串联电路中所得到的电路，称为RLC串联电路，如图所示。四、RLC串联正弦交流电路1．RL串联电路电压间的关系如果电路中通入交流电

，则电阻和电感两边的电压分别为且

四、RLC串联正弦交流电路1．RL串联电路电压间的关系由此可做出RL串联电路的电压电流矢量图，如图（a）所示。由矢量图可知，电压超前电流一个j角。我们称此类负载为电感性负载，其呈电感性。若电压滞后电流一个

j角，则称为电容性负载，其呈电容性。四、RLC串联正弦交流电路进而我们可以做出

U，UR

，UL

的电压三角形，如图（b）所示，则相位差j的角度为

（3-19）总电压的有效值为

（3-20）四、RLC串联正弦交流电路2．RL串联电路的阻抗通过前面章节的学习可以知道在纯电阻电路和纯电感电路中，电阻器和电感器都对交流电有阻碍作用。通过实验证明，在RL串联电路中，它们对交流电同样具有阻碍作用，这种阻碍作用称为阻抗，用符号|Z|表示，单位为Ω（欧［姆］）。在RL串联电路中，电阻两端的电压

，电感两端的电压

，将它们代入式（3-20）中，可得（3-21）（3-22）四、RLC串联正弦交流电路|Z|，R，XL的关系可以用一个直角三角形表示，称为阻抗三角形，如图所示。|Z|与R的夹角称为阻抗角，也就是总电压与电流的相位差。四、RLC串联正弦交流电路RLC串联电路对交流电的阻碍作用依然用阻抗|Z|表示，单位为Ω（欧［姆］）。在RLC串联电路中，电阻两端的电压UR与电流I同相，电感两端的电压UL滞后电流I的相位差为

，电容两端的电压UC超前电流I的相位差为

。电感两端电压UL与电容两端的电压UC的相位关系为反相，可作矢量图如图所示，可得四、RLC串联正弦交流电路总电压的有效值为

（3-24）阻抗|Z|可以通过阻抗三角形来表示，如图所示，用公式表示为

（3-25）RLC串联电路的有功功率不像纯电阻电路中的有功功率那样只等于电压与电流的有效值乘积UI，而要乘上一个系数cosj，即P=UIcosj。这是因为电压和电流不同相出现了相位差的缘故。其中，cosj称为交流电素的功率因数。在RL串联电路中，已知

，

，

，试计算电路的阻抗及电路中的电流，将计算过程及结果写在下面方框中。课堂实践

计算RL串联电路的阻抗及电流任务三常用仪器仪表的使用一、数字万用表的使用数字万用表是指测量结果主要以数字的方式显示的万用表。数字万用表与指针式万用表相比，具有以下特点：（1）采用大规模集成电路，提供了测量精度，减少了测量误差；（2）以数字方式在屏幕上显示测量值，使读数变得更为直观、准确；（3）增设了快速熔断器和过压、过流保护装置，使过载能力进一步加强；（4）具有防磁干扰能力，测试数据稳定，能使万用表在强磁场中也能正常工作；（5）具有自动调零、极性显示、超量程显示及低压指示功能。有的数字万用表还增加了语音自动报测数据装置，真正实现了会说话的智能型万用表。任务三常用仪器仪表的使用(一)数字万用表的分类1.按转换量程分为手动、自动、手动/自动量程数字万用表。2.按结构分为台式、手持式数字万用表。3.是否带微处理器分为传统A/D转换型、智能型数字万用表。4.按位数分为3位半、4位半数字万用表。任务三常用仪器仪表的使用（二）数字万用表的组成数字万用表（DMM）是在直流数字电压表的基础上配接相应的交流—直流转换器（AC/DC）、电流—电压转换器（I/V）、电阻—电压转换电路（R/V）等构成的。因此，数字万用表的核心是直流数字电压表（DVM），其原理方框图。功能量程选择输入被测量LCD显示器HV

AC/DC转换LCD驱动ICL7106V/V转换I/V转换R/V转换参数转换电路UIN任务三常用仪器仪表的使用（三）数字万用表的主要功能数字万用表主要用于测量交直流电压、电流，电阻、电容、电感、三极管放大倍数、二极管正向压降及电路通断等。任务三常用仪器仪表的使用电阻200Ω～200MΩ直流电压200mv～1000v交流电压2oomv~750vHFE三极管电流放大倍数B电压、电阻、二极管红表笔插孔公共、接地端黑表笔插孔2mA~200mA红表笔插孔型号DT9205A电源开关（按钮）液晶显示器数据保持按钮信息锁定键直流电流2mA~20A交流电流2mA~20A电容2nF~200uFCx电容测量插孔NPN、PNP插孔200mA~20A红表笔插孔二极管蜂鸣档（四）DT9205A数字万用表前面板任务三常用仪器仪表的使用（五）DT9205A数字万用表的使用1.电阻的测量（如图3-37所示）(1)红表笔插入VΩ孔，

黑表笔插入COM孔；(2)量程旋钮打到“Ω”量程档适当位置；(3)分别用红黑表笔接到电阻两端金属部分；(4)读出显示屏上显示的数据。重要提示：(1)量程选择和转换量程选小了显示屏上会显示“1”此时应换用较之大的量程；反之，量程选大了的话，显示屏上会显示一个接近于“0”的数，此时应换用较之小的量程。(2)如何读数显示屏上显示的数字再加上下边档位选择的单位就是它的读数。要提醒的是在“200”档时单位是“Ω”，在“2k～200k”档时单位是“kΩ”，在“2M～2000M”档时单位是“MΩ”。(3)如果被测电阻值超出所选择量程的最大值，将显示过量程“1.”,应选择更高的量程，对于大于1MΩ或更高的电阻，要几秒钟后读数才能稳定，这是正常的。(4)当没有连接好时，例如开路情况，仪表显示为“1”。

(5)当检查被测线路的阻抗时，要保证移开被测线路中的所有电源，所有电容放电.被测线路中，如有电源和储能元件，会影响线路阻抗测试正确性。(6)万用表的200MΩ档位，短路时有10个字，测量一个电阻时，应从测量读数中减去这10个字。如测一个电阻时，显示为101.0，应从101.0中减去10个字.被测元件的实际阻值为100.0即100MΩ。任务三常用仪器仪表的使用2.电压的测量①红表笔插入VΩ孔

黑表笔插入COM孔；②量程旋钮打到V-或V~适当位置；③读出显示屏上显示的数据。(1)直流电压的测量（如图3-38所示）①把旋钮选到比估计值大的量程档（注意：直流档是V-,交流档是V～）接着把表笔接电源或电池两端；保持接触稳定。数值可以直接从显示屏上读取。

②

若显示为“1.”，则表明量程太小，那么就要加大量程后再测量。③若在数值左边出现“-”，则表明表笔极性与实际电源极性相反，此时红表笔接的是负极。任务三常用仪器仪表的使用(2)交流电压的测量①表笔插孔与直流电压的测量一样，不过应该将旋钮打到交流档“V～”处所需的量程即可。②交流电压无正负之分，测量方法跟前面相同。①无论测交流还是直流电压，都要注意人身安全，不要随便用手触摸表笔的金属部分。任务三常用仪器仪表的使用3.电流的测量①断开电路；②黑表笔插入COM端口，红表笔插入mA或者20A端口；③功能旋转开关打至A~(交流)或A-(直流)，并选择合适的量程；④断开被测线路，将数字万用表串联入被测线路中，被测线路中电流从一端流入红表笔，经万用表黑表笔流出，再流入被测线路中；⑤接通电路；⑥读出LCD显示屏数字。任务三常用仪器仪表的使用4.电容的测定(1)将电容两端短接，对电容进行放电，确保数字万用表的安全。(2)将功能旋转开关打至电容“F”测量档，并选择合适的量程。(3)将电容插入万用表CX插孔。(4)读出LCD显示屏上数字。任务三常用仪器仪表的使用5.二极管的测量(1)红表笔插入VΩ孔黑表笔插入COM孔。(2)转盘打在()档

。(3)判断正负:红表笔接二极管正，黑表笔接二极管负。(4)读出LCD显示屏上数据。(5)两表笔换位，若显示屏上为“1”，正常；否则此管被击穿。

任务三常用仪器仪表的使用6.三极管的测量(1)红表笔插入VΩ孔，黑表笔插入COM孔

。(2)转盘打在()档。(3)找出三极管的基极b。(4)判断三极管的类型（PNP或者NPN）。(5)转盘打在hFE档。(6)根据类型插入PNP或NPN插孔测β。(7)读出显示屏中β值

。任务三常用仪器仪表的使用二、函数信号发生器的使用函数信号发生器是一种多波形信号源,它能产生某种特定的周期性时间函数波形，可输出很低频率的信号，也称为低频信号发生器或波形发生器。工作频率从几毫赫兹到十兆赫兹。一般能产生正弦波,方波和三角波,有的还可以产生锯齿波、矩形波（宽度和重复周期可调）、正负尖脉冲等波形。任务三常用仪器仪表的使用（一）信号发生器的分类1.按被测电路对测试信号要求分为：专用信号发生器:电视信号发生器、编码信号发生器等。通用信号发生器：正弦信号发生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器等。2.按频率范围分类(1)超低频信号发生器（0.0001～1KHz），应用于电声学、声呐；(2)低频信号发生器（1Hz～20KHz或1MHz范围内，音频信号发生器为20HZ～20KHZ），应用于电报通信；

(3)视频信号发生器（20Hz～10MHz），应用于无线电广播；(4)高频信号发生器（200KHz～30MHz），应用于广播、电报；(5)甚高频信号发生器（30～300MHz，相当于米波波段），应用于电视、调频广播、导航；(6)超高频信号发生器300MHz以上，相当于分米波、厘米波），应用于雷达、导航、气象。任务三常用仪器仪表的使用（二）信号发生器的基本组成信号发生器由振荡器、交换器、输出电路、指示器和调制器组成。(1)振荡器：主要产生不同频率、不同波形的信号。(2)变换器：可以是电压放大器、功率放大器、调制器或整形器。(3)输出电路：调节输出信号的电平和输出阻抗。(4)指示器：用来监视输出信号。(5)电源：提供信号发生器各部分的工作