第1章电路和电路元件基本物理量知识课件

退出1.1电路和电路的基本物理量1.1.1电路1.1.2电路元件和电路模型1.1.4

电路功率第1章上页下页返回1.1.3电压、电流及其参考方向1.1.1

电路

电路是电流的通路，它是为了某种需要或实现某种应用目的而由某些电工、电子器件或设备按一定的方式相互连接而成的。电路的组成：电源、负载和导线、开关等。翻页实际电路电路模型第1章上页下页返回E+–SIR翻页上页下页返回第1章

汽轮发电机和风力发电机将机械能转换成电能。实际的负载包括电动机、电动工具和家用电器等等。电动机手电钻吸尘器负载翻页上页下页返回第1章电力系统扩音器电路的作用实现电能的传输和转换(俗称强电）实现信号的传递和处理（俗称弱电）电路的作用和分类翻页上页下页返回第1章电灯电炉电动机发电机升压变压器降压变压器话筒扬声器放大器1.1.2电路元件和电路模型翻页上页下页返回第1章实际电路元件：用于构成电路的电工、电子元器件或设备统称为实际电路元件，简称为实际器件实际电路：用实际元件构成的电路成为实际电路实际电路翻页上页下页返回第1章理想电路元件（简称为电路元件）：是对实际元件在一定条件下进行科学抽象而得到的，具有某种理想的电路特性。电路模型：电路模型是由一些理想电路元件相互连接而构成的整体，是实际电路的一种等效电路。电路模型E+–SIR实际电路翻页上页下页返回第1章理想化电路元件实际电路元件实际电路电路模型理想化连接连接1.1.3电压、电流及其参考方向1.基本物理量W、kW、mWV、kV、mV、μVV、kV、mV、μVA、mA、μA(用电或供电)电源力驱动正电荷的方向（低电位高电位）电位降的方向（高电位低电位）

正电荷移动的方向高电位流向低电位PE（直流）

e（交流）U（直流）

u（交流）i（交流）I（直流）物理量定义和单位方向功率电流电压电动势翻页上页下页返回第1章电压、电流和电动势的定义电流：某时刻单位时间内通过某点的电荷数量i=dq/dt电压：电场力驱使单位正电荷从a点移至b点所做的功Uab=dwab/dq电动势：非电场力在电源内部驱使单位正电荷从a点移至b点所做的功，因此它的实际方向与电压相反：e=-uab翻页上页下页返回第1章2.电压、电流参考方向

在复杂电路中难于预先判断某段电路中电流的实际方向，从而影响电路求解。问题电流方向b

a,a

b？abR5R2R1R3R4R6++E1E2E＋¯＋URIab电压、电流实际方向：翻页上页下页返回第1章¯

在解题前先任意选定一个方向，称为参考方向（或参考正方向）。依此参考方向，根据电路定理、定律列电路方程，从而进行电路分析计算，计算出电压、电流的结果。解决方法:计算结果为正，实际方向与假设方向一致；计算结果为负，实际方向与假设方向相反。

由计算结果可确定U、I

的实际方向：翻页上页下页返回第1章解：假定I的参考方向如图所示。

则：（实际方向与参考方向相反！）已知：E

=2V,R=1Ω问：当Uab为1V时，I=?翻页,上页下页返回第1章[例1.1.1]URE

IRabd＋－＋－假定U、I

的参考方向如图所示，若I=-3A，E

=2V,R=1Ω

Uab=？（实际方向与参考方向一致）

小结1.电压电流“实际方向”是客观存在的物理现象，“参考方向”是人为假设的方向。解：翻页上页下页返回第1章URE

IRabd＋－＋－={[-(-3）]×1+2}V=5V[例1.1.2]4.为方便列电路方程，习惯假设I与U

的参考方向一致（关联参考方向）。

2.方程U/I=R只适用于R中U、I参考方向一致的情况。即欧姆定律表达式含有正负号，当U、I参考方向一致时为正，否则为负。

3.在解题前，一定先假定电压电流的“参考方向”，然后再列方程求解。即

U、I为代数量，也有正负之分。当参考方向与实际方向一致时为正，否则为负。翻页上页下页返回第1章

小结

设电路任意两点间的电压为U，电流为I,则这部分电路消耗的功率为1.1.4电路功率如果假设方向不一致怎么办？功率有无正负？问题：翻页上页下页返回第1章bI电路Ua+-P=UI1)按所设参考方向列式U、I参考方向一致

P=UI功率的计算

U、I参考方向相反翻页上页下页返回第1章bIUa+-IbUa-+bUa+-IbIUa-+P=–UI2）将U、I

的代数值代入式中

若计算的结果P>

0,则说明U、I

的实际方向一致，此部分电路吸收电功率（消耗能量）

负载

。

若计算结果P<0,则说明U、I

的实际方向相反，此部分电路输出电功率（提供能量）

电源。P=UI翻页上页下页返回第1章已知：U=

10

V,I=

1A。按图中

P=10

W

(负载性质）假设的正方向列式：P=UI

1)

P为“＋”表示该元件吸收功率；P为“－”则表示输出功率。2）在同一电路中，电源产生的总功率和负载消耗的总功率是平衡的。小结：若：U=10

V,I=－1

A

则

P=－10W（电源性质）IbaU＋－上页下页第1章返回本节结束[例1.1.3]1.2

电阻、电感和电容元件1.2.1电阻元件1.2.2电感元件

1.2.3电容元件第1章上页下页返回1.2.4实际元件的主要参数翻页上页下页第1章返回1.2.1电阻元件电阻（R）：具有消耗电能特性的元件。

元件的伏安特性：元件上电压与电流间的关系称为伏安特性。Riu＋－iu当电压与电流之间不是线性函数关系时，称为非线性电阻。当恒定不变时，称为线性电阻。翻页iu＋-第1章上页下页返回Riu＋－

伏-安特性曲线iu

伏-安特性曲线翻页第1章上页下页返回实际的金属导体的电阻与导体的尺寸及材料的导电性能有关。式中ρ称为电阻率，是表示材料对电流起阻碍作用的物理量。l

是导体的长度，S

为导体的截面积。电阻的单位是欧姆（Ω），千欧（kΩ）。翻页第1章上页下页返回几种常见的电阻元件普通金属膜电阻绕线电阻电阻排热敏电阻1.2.2电感元件

单位：H,mH,

H单位电流产生的磁链

电感：能够存储磁场能量的元件。翻页上页下页第1章返回L符号i电感元件的基本伏—安关系式电感元件的基本关系式翻页其中：第1章上页下页返回uiL+-eL+-iu=Ldidt电感是一种储能元件，储存的磁场能量为电感元件在直流电路中相当于一根无阻导线!翻页第1章上页下页返回翻页第1章上页下页返回线圈的电感与线圈的尺寸、匝数以及附近介质的导磁性能等有关。对于一个密绕的N匝线圈，其电感可表示为式中μ即为线圈附近介质的磁导率（H/m)，S为线圈的横截面积（m2)，l是线圈的长度（m）。翻页第1章上页下页返回几种常见的电感元件带有磁心的电感陶瓷电感铁氧体电感

1.2.3电容元件C相当于开路!电容元件在直流电路中：电容：具有存储电场能量特性的元件。翻页dudt=0i=0第1章上页下页返回ui＋－Ci=Cdudt电容元件的基本伏—安关系式i=dud

tCdqdt=电容是一种储能元件，储存的电场能量为：第1章上页下页返回翻页电容器的电容与其极板的尺寸及其间介质的介电常数有关。式中ε即为其间介质的介电常数（F/m)，S为极板的面积（m2)，d是极板的距离（m）。翻页第1章上页下页返回几种常见的电容器普通电容器电力电容器电解电容器理想元件的伏安关系第1章上页下页返回RLCu=Rii=Cdudtu=Ldidt翻页（u与i参考方向一致）第1章上页下页返回1.2.4实际元件的主要参数本节结束RLC电阻值和额定功率电感值和额定电流电容值和额定电压注意：同性质元件串联和并联时参数的计算公式（P9）第1章上页下页返回任何电气设备的电压、电流和功率都有一定的限额额定值额定转速nN额定电压UN额定电流IN额定功率PN负载设备通常工作于额定状态。*电源设备的额定功率标志着电源的供电能力，是长期运行时允许的上限值。*电源输出的功率由外电路决定，不一定等于电源的额定功率。*本节结束电气设备的额定值1.3独立电源元件

1.3.1电压源和电流源1.3.2实际电源的模型1.3.3两种电源的等效互换下页上页返回第1章概述独立电源：能向电路独立地提供电压、电流的器件称为独立电源。独立电源的例子：化学电池、太阳能电池、发电机、稳压电源、稳流电源理想电源：电压源和电流源翻页第1章上页下页返回

1.3.1电压源和电流源

1.电压源外特性：输出电压与输出电流的关系。U

翻页第1章上页下页1.端电压始终恒定，等于直流电压

。2.输出电流是任意的，即随负载(外电路）的改变而改变。US返回特点：_U+IUS+_RLIO

1.输出电流恒定不变2.端电压是任意的,即随负载不同而不同IUIS＋－

2.电流源RLU=IS.RLI=IS外特性方程翻页下页上页第1章返回特点IUISO分析：IS

固定不变,US

固定不变。USIRU-=翻页上页下页第1章返回IsU=?＋－IUS+-R所以：

I=Is,已知：Is，US，R问：I

等于多少？U

又等于多少？[例1.3.1]解：1.Uab=US

,

2.若R

减小为1Ω，电流源的功率不变！电压源的功率IUs

=I–Is=3A

增大！P=USIUs=12WI=USR=4A翻页上页下页第1章返回为什麽？已知：Is，US

，R0试分析：[例1.3.2]US+bRIsIIUsa-1A4V2ΩI=USR=42=2A2.若使R减小为1Ω，I如何变？两个电源的功率如何变？1.I等于多少？1.3.2实际电源的模型1.实际电源的模型电源模型电压源模型电流源模型具有相同的外特性ISUS下页上页翻页第1章返回IU+-实际电源实际电源的外特性IUORba2.电压源模型翻页U=US-IR0--外特性方程第1章下页上页返回IR+U-USR0+–外特性曲线IUUSUSR0

O3.电流源模型I=IS-IR0---外特性方程翻页上页下页第1章返回外特性曲线baIR+U-R0IR0IsUIISO1.3.3两种电源的等效互换翻页上页下页返回第1章U＋－RLI

电源IUS+UR0＋－－IsR0U＋－I等效互换条件U=Us

I·R0U=IR0·R0

=Is·R0

I·R0=(

Is

I)·R0翻页上页下页第1章返回IUS+UR0＋－－IsR0U＋－IIUIR0

Us=

R0=R0Is·R0电压源模型电流源模型电流源模型电压源模型R0USIs=R0=R0US=Is·R0

R0=R0下页上页第1章翻页返回IUS+UR0＋－－IsR0U＋－IIsR0U＋－IIUS+UR0＋－－2）所谓“等效”是指“对外电路”等效（即对外电路的伏－安特性一致），对于电源内部并不一定等效。例如，在电源开路时：1）电压源模型与电流源模型互换前后电流的方向保持不变，即IS和Us方向一致。R0

不消耗能量

消耗

能量R0

上页下页第1章翻页返回说明IUS+UR0＋－－IsR0U＋－I3）电压源（恒压源）与电流源（恒流源）之间不能互换。为什么?

上页下页第1章返回IsUS+–本节结束1.4.2二极管的特性和主要参数

1.4.3二极管的电路模型1.4.4稳压二极管1.4.1

PN结及其单向导电性1.4晶体二极管第1章上页下页返回1.本征半导体

完全纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。它具有共价键结构。

锗和硅的原子结构单晶硅中的共价键结构价电子硅原子第1章上页下页翻页返回1.4.1

PN结及其单向导电特性

在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电。空穴和自由电子都称为载流子。它们成对出现，成对消失。在常温下自由电子和空穴的形成复合自由电子本征激发第1章上页下页翻页返回空穴2.N型半导体和P型半导体原理图P自由电子结构图磷原子正离子P+

在硅或锗中掺入少量的五价元素，如磷或砷、锑，则形成N型半导体。多余价电子少子多子正离子在N型半导体中，电子是多子，空穴是少子第1章上页下页N型半导体翻页返回

P型半导体

在硅或锗中掺入三价元素，如硼或铝、镓，则形成P型半导体。原理图BB-

硼原子负离子空穴填补空位结构图在P型半导体中，空穴是多子，电子是少子。多子少子负离子第1章上页下页

翻页返回

用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成P型半导体区域和N型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成一个PN结。P区N区P区的空穴向N区扩散并与电子复合N区的电子向P区扩散并与空穴复合空间电荷区内电场方向

3.PN结的形成第1章上页下页翻页返回空间电荷区内电场方向

在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡。P区N区多子扩散少子漂移第1章上页下页翻页返回

在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定。内电场阻挡多子的扩散运动，推动少子的漂移运动。空间电荷区内电场方向PN多子扩散少子漂移结论：在PN结中同时存在多子的扩散运动和少子的漂移运动。第1章上页下页翻页返回4.PN结的单向导电性P区N区内电场外电场EI空间电荷区变窄

P区的空穴进入空间电荷区和一部分负离子中和

N区电子进入空间电荷区和一部分正离子中和扩散运动增强，形成较大的正向电流。第1章上页下页翻页外加正向电压返回外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走空间电荷区变宽

内电场外电场少子越过PN结形成很小的反向电流IRE第1章上页下页翻页

外加反向电压N区P区返回由上述分析可知：PN结具有单向导电性

即在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大。（PN结处于导通状态）

加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小。（PN结处于截止状态）切记第1章上页下页翻页返回1.4.2二极管的特性和主要参数

1.结构

表示符号

面接触型点接触型引线触丝外壳N型锗片N型硅阳极引线PN结阴极引线金锑合金底座铝合金小球第1章上页下页阴极阳极D翻页返回第1章上页下页翻页返回几种二极管外观图小功率二极管大功率二极管发光二极管2.二极管的伏安特性-40-20OU/VI/mA604020-50-250.40.8正向反向击穿电压死区电压U(BR)硅管的伏安特性I/μA第1章上页下页翻页返回-20-40-250.40.2-5010O155I/mAU/V锗管的伏安特性I/μA死区电压死区电压：硅管约为：0.5V,锗管约为：0.1V。导通时的正向压降：硅管约为:0.6V～0.8V,锗管约为:0.2V～0.3V。常温下，反向饱和电流很小.当PN结温度升高时，反向电流明显增加。注意:3.二极管的主要参数-40-20OI/mA604020-50-250.40.8正向反向击穿电压死区电压U(BR)I/μAU/V第1章上页下页最大整流电流IFM

最高反向电压URM

最高工作频率fM

最大反向电流IRM

翻页返回第1章上页返回下页1.4.3二极管的电路模型

1.二极管的工作点EERUQIQER＋-＋D-UQU=E–RI工作点：Q翻页IUO第1章上页返回下页二极管的静态电阻和动态电阻翻页静态电阻：UQIQRD=动态电阻：rD=

U

IIUUQIQQ

I

UO静态电阻作用：估算静态工作点动态电阻作用：估算电压、电流的变化量第1章上页返回下页IU2.二极管特性的折线近似及模型Q翻页U0NOPU=UON+rD

I二极管的电路模型+－UONrDDi第1章上页返回下页特例一：理想模型翻页二极管的理想模型DiIUO假设：UON=0，rD=0，反向电流IR=0第1章上页返回下页特例二：电压源模型翻页二极管的电压源模型IUO假设：UON=UD，rD=0，反向电流IR=0U0N+－UONDi第1章上页返回下页典型问题：在多个二极管电路中如何如何判断各二极管的导通情况翻页一般方法：利用假设法，然后进行验证特殊方法：（1）两个二极管并联，共阳极接法时，阴极电位最低的二极管导通（2）两个二极管并联，共阴极接法时，阳阳极电位最高的二极管导通。例子：例题1.4.1（P17）稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。符号:DZ阴极阳极特点:(1)反向特性曲线比较陡(2)工作在反向击穿区1.4.4

稳压二极管第1章上页下页翻页返回I/mAU/V0UZIZIU＋-稳压管的主要参数:第1章上页下页返回I/mAU/V0UZIZ翻页稳定电压UZ稳定电流IZmin动态电阻rZ最大允许耗散功率PZ

M一般情况:高于6V的αUZ为负,低于6V的αUZ为正。电压温度系数αUZrz=△UZ/△IZ最大稳定电流IZmax第1章上页下页本节结束返回稳压管构成的稳压电路

图中R为限流电阻，用来限制流过稳压管的电流。RL为负载电阻。UiR＋-＋-DZRL＋-UOIILIZUZ由于稳压管工作在二极管的反向特性上，因而在反向击穿的情况下可以保证负载两端的电压在一定的范围内基本保持不变。第1章上页下页本节结束返回稳压管构成的稳压电路限流电阻R的选取原则：UiR＋-＋-DZRL＋-UOIILIZUZ在电网电压波动的情况下，选取限流电阻R，使稳压管始终工作在稳压状态，即要求在电网电压波动范围内，稳压管中的电流满足：IZmin≤IZ≤IZmax第1章上页下页本节结束返回稳压管稳压电路的典型例子1、给定稳压二极管的参数：稳定电压UZ、稳定电流Izmin、最大稳定电流Izmax、负载电阻RL，输入电压Ui的波动范围，求限流电阻R的范围UiR＋-＋-DZRL＋-UOIILIZUZ2、习题1.4.4（动态电阻的使用）3、习题1.4.51.5双极型晶体管1.5.1基本结构和电流放大作用1.5.2特性曲线和主要参数1.5.3简化的小信号模型第1章上页下页返回1.5.1基本结构和电流放大作用NPN型CPNNEB发射区集电区基区基极发射极集电结发射结集电极BETCNPN第1章上页下页翻页返回结构特点：基区：比较薄，且杂质浓度低发射区：比较厚，但杂质浓度最高集电区：最薄，杂质浓度较高，但比发射区低图形符号：双极型晶体管的两种类型NPN型PNP型CPNNNPPEEBB发射区集电区基区基区基极发射极集电结发射结发射结集电结集电区发射区集电极集电极C发射极基极BETCNPNBETCPNP第1章上页下页翻页返回晶体管的电流放大原理IEIBRBUBBICUCC输入电路输出电路公共端晶体管具有电流放大作用的外部条件：发射结正向偏置集电结反向偏置NPN管：

UBE>0

UBC<0即VC>VB>VERCBCE共发射极放大电路第1章上页下页翻页PNP管：

UBE<0

UBC>0即VC<VB<VECEB返回三极管的电流控制原理UBBRBIBICUCCRCNPIEN发射区向基区扩散电子电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IE电子在基区的扩散与复合集电区收集电子电子流向电源正极形成ICEB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IB第1章上页下页翻页返回由上所述可知:由于基区很薄且掺杂浓度小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。即：IC>>IB或△IC>>△IB第1章上页下页翻页返回晶体管起电流放大作用，必须满足发射结正偏，集电结反偏的条件。3当基极电路由于外加电压或电阻改变而引起IB的微小变化时，必定使IC发生较大的变化。即三极管的基极电流对集电极电流具有控制作用。1.5.2特性曲线和主要参数1.输入特性曲线IB

=f(UBE)UCE=常数UCE≥1V第1章上页下页翻页返回IEIBRBUBICUCCRC＋--＋UBEUCEUBE/VIB/µAOO2.晶体管输出特性曲线IC

=f

(UCE)|IB=

常数IB

减小IB增加UCEICIB

=20µAIB

=60µAIB

=40µA第1章上页下页翻页返回IEIBRBUBICUCCRC＋--＋UBEUCE晶体管输出特性曲线分三个工作区UCE

/VIC

/mA8060400IB=20µAO24681234截止区饱和区放大区第1章上页下页翻页返回

晶体管三个工作区的特点:放大区:截止区:饱和区:发射结正偏,集电结反偏有电流放大作用,IC=βIB输出曲线具有恒流特性发射结、集电结处于反偏失去电流放大作用,IC≈0晶体管C、E之间相当于开路发射结、集电结处于正偏失去放大作用晶体管C、E之间相当于短路第1章上页下页翻页返回

3.主要参数集电极基极间反向饱和电流ICBO集电极发射极间穿透电流ICEOICEO=(1+β)ICBO交流电流放大系数β=△IC/△IB第1章上页下页直流电流放大系数β=IC/IB电流放大系数极间反向饱和电流翻页返回ICEOCBEµAµAICBOCEB集电极最大允许电流ICM集-射反向击穿电压U(BR)CEO集电极最大允许耗散功率PCM过压区过流区安全工作区过损区PCM=ICUCEUCE/VU(BR)CEOIC/mAICMO使用时不允许超过这些极限参数.第1章上页下页翻页

极限参数返回1.5.3三极管的等效模型

三极管工作在直流（静态）时可用直流模型来表征它的特性。建立直流模型的条件：1）三极管工作在放大状态;2)三极管工作在直流状态（无交流输入），所有信号都是直流量。上页下页第1章翻页返回一、直流模型（或叫静态模型）

UBE

基本恒定，可用一电压源等效，硅管取0.7V，锗管取0.3V。三极管直流模型的建立步骤：iB0uBE第1章上页下页输入回路的直流等效电路翻页返回eIBec+-+-UCEUBEIEbIBQQUBEbUBE输出回路的直流等效电路iC

0uCEICQUCEβ

≈——IBIC第1章上页下页翻页IC=βIB返回受控恒流源，是电流控制电流源eCβIBIC受控源的类型第1章上页下页翻页返回电压控制电压源（VCVS）I2=gU1

+U1-U2=μU1

+U1-+-电压控制电流源（VCCS）电流控制电压源（CCVS）电流控制电流源（CCCS）U2=γI1

I1+-I2=βI1

I1二、简化的小信号模型

三极管工作在放大状态时可用电路模型来表征它的特性。建立简化小信号模型的条件：1）三极管工作在放大状态;2)输入信号非常小（一般μA数量级）上页下页第1章翻页返回

rbe

=200Ω+（1+β）————26（mv）IE（mA）三极管微变等效模型的建立步骤：iB0uBEUce≥1VIB△IB△UBE第1章上页下页Q输入回路微变等效电路翻页返回berbe△UBE△IBubeib=rbe=ibec+-+-uceubeicb输出回路微变等效电路iC

0uCEICQUCE∆IC"△UCEβ

=———△IB△IC

rce=———△I’’C△UCE第1章上页下页翻页iC=βib

返回icβ=ib受控恒流源△IC△IBCeβibrcee第1章上页下页返回ibec+-+-uceubeicbebibicrceβib等效模型cuceuberbe+–+–bibiCcβib简化模型ubeucerbe–++–本节结束1.6绝缘栅场效应晶体管1.6.1基本结构和工作原理第1章上页下页返回1.6.2特性曲线和主要参数1.6.3简化的小信号模型概述第1章上页下页返回翻页

场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，绝缘栅型场效应管的应用最为广泛，这种场效应管又称为金属－氧化物－半导体场效应晶体管（MOS）。P沟道增强型耗尽型N沟道增强型耗尽型

按其导电类型可将场效应晶体管分为N沟道和P沟道两种，按其导电沟道的形成过程可分为耗尽型和增强型两种。

因而就出现了四种不同形式的场效应晶体管，它们是：1.6.1基本结构和工作原理1.结构BG栅极D漏极SiO2BDGSP型硅衬底S源极N沟道增强型结构示意图图形符号第1章上页下页返回N+N+翻页2.工作原理

D与S之间是两个PN结反向串联，无论D与S之间加什