单元1 测量分析电阻电路.ppt

单元1测量分析电阻电路 电子信息系 单元1测量分析电阻电路 基本要求 1 掌握导线和电阻器的识别方法 性能指标与电路符号 2 能熟练使用数字万用表测量电阻 电流 电压 3 掌握实验电路连接的方法 建立理想电路模型概念 4 掌握加电测量电阻电路电流 电压的方法 5 掌握基尔霍夫定律和分析电阻电路的基本方法 电子产品与电路 电子产品如计算机 电视机 手机 组合音响 仪器仪表等 都是由各种电子元器件按特定的设计和生产工艺流程制造出来的 由各种功能电路组合而成的电子产品 电路 Circuit 是由各种电气元器件按一定方式连接起来 让电流流过的通路 基本的电子元器件有 导线 电阻器 电容器 电感器 晶体管 集成电路 电动机 变压器等 电路的分类 一是对电能的传输 转换和分配 可统称为电力传输系统 例如电力系统中将110KV的电能通过变压器转换成220V的电能送入千家万户 二是实现信号的产生 传输 处理及应用 例如家庭座机电话 闭路电视 空调机等 可统称为负载系统 三是电力电源系统 例如发电厂将热能 核能转换成电能 水电站将势能转换成电能 电池将化学能转换成电能 等等 由传输环节 负载和电源构成了现实世界中的各种各样的电路形式 任务1 1识别导线和电阻器 任务目标 1 掌握正确选择使用导线的方法 安全原则 安装原则 经济原则 2 了解电阻器的分类 标识 标称和封装形式 3 掌握色环电阻 片状电阻的识别方法 任务安排 任务1 1 1请为用户设计安装额定功率为1 5千伏安 KAV 额定电流为8安 A 的家用电器选择电线电缆 任务1 1 2在实训元件包中 任意选择5只色环电阻 5只片状电阻 按下表1 1和表1 2填写相关信息 电阻信息表 1 1 1导线的识别和选择 1 电线电缆的分类按GB T2900 10 1984 电线电缆定义为 用以传输电 磁 能 信息和实现电磁能转换的线材产品 为便于选用及提高产品的适用性 我国的电线电缆产品按其用途分成裸电线 绕组线 电力电缆 通信电缆和通信光缆 电气装备用电线电缆五大类 我们关注的电气装备用电线电缆是指把电能直接传送到各种用电设备 器具的电源连接线路用电线电缆 以及各行业装备中的电气安装和控制信号用电线电缆 导线 我们常说的导线就是特指的仪器和设备连接线 主要指仪器 设备内部安装线和外部引接线 如图1 1所示 图1 1单股和多股的仪器和设备连接线 导线的电路图 导线在理想电路模型的电路图中表示为一段直线或折线 导线之间可以直接连接 如图1 2所示 连接点可用实心小圆点标示如图1 2 c d 所示 2 常用导线的型号及应用 1 裸电线与裸导体制品裸电线与裸导体制品是指没有绝缘 没有护层的导电线材 主要包括裸单线 裸绞线和型线材三个系列产品 2 绕组线绕组线是一种具有绝缘层的导电金属电线 用以绕制电工产品的线圈或绕组 绕组线按照绝缘层的特点和用途 可分为漆包线 绕包线 特种绕组线 无机绝缘绕组线四大类 3 电气装备用电线电缆主要涉及供电 配电和用电所需要的各种通用或专用的电线电缆 以及控制 信号 仪表和测温等弱电系统中所使用的电线电缆 耐高温硅橡胶电缆 电缆的导体 新国家标准GB T3956 1997 电缆的导体 规定了电缆和软线用导体标称截面积为0 5 2000mm2并规定了单线根数 单线直径及其电阻值 导体共分四种 第1种为单芯和多芯电线电缆实芯导体 第2种为单芯和多芯电线电缆绞合导体 第5种和第6种为单芯和多芯电线电缆软铜导体 第1种和第2种预定用于固定敷设电缆的导体 第5种和第6种预定用于软电缆和软电线的导体 第6种比第5种更柔软 表1 3第5种单芯和多芯电线电缆软铜导体 安全用电要求 根据AWG AmericanWireGaugestandard 美国导线规格标准 标准 安全用电要求以软铜导体标称截面流过的电流 3A mm2为宜 大功率电器如果使用截面偏小的导线 往往会造成导线过热 发烫 甚至烧融绝缘层 引发电气火灾或漏电事故 因此 在电气安装中 选择合格 适宜的导线规格非常重要 例题1 1 现有1用户 需为额定功率为1千伏安 KAV 额定电流为5安 A 的家用电器选择电线电缆 请给出合理的方案 解 根据安全用电的要求 选择连接电线的导体标称截面积S应为 S导体标称截面积 I额定电流 I单位截面安全电流 5 3 1 67 mm2 查表1 3可知 应选择导体标称截面积S为2 5mm2的电线电缆 安装选择 根据用户对家用电器的使用要求 家用电器可分为固定安装和移动安装 当采用固定安装时 可选择第1种单芯和多芯电线电缆实芯导体或第2种单芯和多芯电线电缆绞合导体生产的通用橡皮塑料绝缘电线 当采用移动安装时 可选择第5种单芯和多芯电线电缆软铜导体或第6种单芯和多芯电线电缆软铜导体生产的通用橡皮塑料绝缘软线 后者也可用于固定安装 只是成本高于前者 1 1 2电阻器的识别和选择 电阻器分为固定电阻器和可变电阻器 固定电阻器通常简称电阻 可变电阻器简称电位器 以示区别 1 电阻电阻是电路中最基本的电子元件之一 符号为R 单位为欧姆 简称欧 常用单位还有干欧 k 兆欧 M 等 电阻大体可分为膜电阻 片状电阻 线绕电阻 特种电阻 集成电阻等 1 色环膜电阻 膜电阻分为碳膜电阻和金属膜电阻 碳膜电阻的精度较低 最高只能做到 5 碳膜电阻属负温度系数电阻 即温度升高时其电阻值朝减小的方向变化 碳膜电阻采用四色色环标注 金属膜电阻的精度较高 通用金属膜电阻精度为 2 1 精密金属膜电阻精度可做到 0 2 0 1 金属膜电阻属正温度系数电阻 即温度升高时其电阻值随之增大 金属膜电阻采用五色色环标注 碳膜电阻的四色色环标注 碳膜电阻色环识别方法 首先确定色环标注为四色色环标注 其次确定金色色环将其方向靠右 然后依次确定 第一色环表示电阻值的第一个有效数字 第二色环表示电阻值的第二个有效数字 第三色环表示电阻值前两位数字所组成的两位数后0的个数 即前两位数乘以10n 记为XX 10n 第四色环表示电阻值的精度 碳膜电阻第四色环均为金色 金色表示碳膜电阻值的精度均为 5 金属膜电阻的五色色环标注 金属膜电阻色环识别方法 首先确定色环标注为五色色环标注 其次确定距离电阻端部最近的色环是第一色环并将其方向靠左 另外 精度色环与数字间隔距离要大一些 然后依次确定 第一色环表示电阻值的第一个有效数字 第二色环表示电阻值的第二个有效数字 第三色环表示电阻值的第三个有效数字 第四色环表示电阻值前三位数字所组成的三位数后0的个数 即前三位数乘以10n 记为XXX 10n 第五色环表示电阻值的精度 电阻直标法 碳膜电阻直标法为RT W 例如 RT 3 3 1W金属膜电阻直标法为RJ W 例如 RJ 100 2W 1 例题1 2 根据图1 3给出膜色环电阻 按下表1 7填写相关信息 a 碳膜电阻 色环序为红红绿金 b 金属膜电阻 色环序为红红黑红棕 例题1 2 解 根据图1 3给出色环电阻 填写相关信息如下 2 片状电阻 片状元件是一种无引线元件 Lead Less 简称LL元件 通常 无引线片状元件有片状电阻 片状电容 片状电感 LL电阻 LL电容 LL电感 随着表面组装技术与LL元件加工技术的高速发展 尺寸规格型号由3216 3 2 1 6mm 型 经过20125 2 0 1 25mm 型 1608 1 6 0 8mm 型 1005 1 0 0 5mm 型 发展出了0603 0 6 0 3mm 型 0402 0 4 0 2mm 型 其结果 使得片状电阻的重量越来越轻 体积越来越小 在表面组装电路板上所占面积越来越少 片状电阻通常采用 三位数字 符号 标注法 和 四位数字标注法 片状电阻的标注 例题1 3 根据图1 4给出片状电阻电阻 按下表1 6填写相关信息 a b c d 例题1 3 解 根据图1 4给出片状电阻图 填写相关信息如下 3 线绕电阻 线绕电阻有普通线绕电阻 水泥电阻等 普通线绕电阻外形 结构如图1 5所示 具有准确度较高 工作比较稳定 可靠 耐热性能良好 容许电流较大等特点 故常用于直流与超低频大功率场合 图1 5圆柱和扁平线绕线电阻 水泥电阻 水泥电阻的特点是结实 耐热 容许电流大 使用寿命长 常用于大功率场合 水泥电阻有立式 卧式 长方形 圆柱形等多种结构形式的成品 其外形 结构如图1 6所示 水泥电阻采用直标法标出功率与阻值 如10W100 a 矩形立式水泥电阻 b 长方形卧式水泥电阻 4 电阻的标称 电阻值及其允许误差采用1952年国际电工学会规定的 固定电阻器和固定电容器优选电阻值及其公差 系列 这些电阻值系列是根据式 1 1 计算出来的 E值的选择 当E分别为6 12 24时 以四舍五入的近似法取两位有效数字时 得出的3组数值为E6系列 E12系列和E24系列 每个系列中的数值数分别为6个 12个和24个 采用这3组系列电阻值的电阻器属于普通电阻器 价格比较便宜 是一些常用的电阻系列 其中E24系列最为常见 而当E分别为48 96 192时 以四舍五入的近似法取三位有效数字得出的3组数值E48系列 E96系列和E192系列 所对应的电阻值允许误差分别是 2 1 和 0 5 采用这3组系列电阻值的电阻器属于精密电阻器 其价格与普通电阻器相比要昂贵得多 它们应用的场合多数是精密测量与精确控制 电阻值的选择 选用电阻器应符合表1 7所列数值 或表中所列数值再乘以乘以10 100 1000 例如 表中的 2 2 包括2 2 22 220 2 2k 22k 220k 2 2M 等这一阻值系列 在设计电路时要尽量选择标称值系列 无标称系列数时应选相近值 2 电位器 可变电阻 电位器 可变电阻 符号表示为RP 是电路中常用的元件之一 它是一种连续可调的可变电阻 广泛用于电位调整 无级分压 增益调节 音量控制 音质调整 晶体管静态工作点微调 频率调节 均衡调整等 电位器的分类多种多样 以工作方式可分为旋转式电位器和直线式电位器 1 旋转式电位器 旋转式电位器通常有三种结构形式 一是旋转式碳膜电位器 电阻的材料由碳膜制成 二是多联同步旋转式电位器 在结构上将两个以上等阻值的旋转式电位器转轴共为一轴 使它们同步转动 以达到对几个单元电路同步调节之目的 三是旋转式线绕电位器 由外表有绝缘层的电阻丝在宽度均匀的环形骨架上排绕 引线 电刷轨迹去绝缘层处理而成 旋转式电位器的标注 旋转式电位器的功率一般在0 5 2W 体积比较大 元件的标注方法均采用直标法 其识别例如 单个电位器标注为WX W 如WX2W470 多联电位器标注为WX W 如WX0 5W3 1M 旋转式电位器的分类 为了适应不同用途 旋转式电位器的阻值变化规律大致可分为三种类型 直线型 X型 指数型 Z型 和对数型 D型 三种类型电位器阻值变化特性如图1 8所示 X型电位器适用于一些要求均匀调节的场合 如分压器 偏流调整等电路中 Z型电位器主要用作收音机 音响功放的音量控制电位器 可得到音量与旋转角度近似线性关系的效果 D型电位器一般调音控制 图1 8三种类型电位器阻值变化特性 2 直线电位器 电刷沿直线轨迹滑动的电位器称为直线电位器 密封式直线电位器己越来越多地用于电子电路应用领域 碳膜 金属膜直线电位器的外形如图1 9所示 3 精密旋转式电位器 近几年来 各种小型 超小型精密旋转式电位器不断用于工程控制设备中 例如 数码式旋转组合电位器 以其调节精度高与具有状态显示之优势广泛用于信号调理器 参数放大器 载波放大器 动态应变仪 隔离放大器 相位检测仪 动态谱分析仪等 旋转式和直线金属膜电位器是一种专用于焊接在线路板上的小型可调电阻 可实现电阻的精确微调 4 数字电位器 数字电位器在国外已经采用 是一种理想的数控微调电阻元件 是一种CMOS集成式元件 封装采用8脚DIP SOIC TSSOP形式 其元件外形与外部接线图如图1 11所示 实训题1 1 有一家庭装修新房 经过测算 照明灯具功率为0 65千伏安 KAV 额定电流为4安 A 最大功率电器柜机空调为3 0千伏安 KAV 额定电流为15安 A 其它家电功率为1千伏安 KAV 额定电流为5安 A 以下 需要同时使用的电器合计最大功率为6 0千伏安 KAV 额定电流为25安 A 请为此家庭用电设计选择电线电缆 提示 可按照明回路 柜机空调回路 其它家电回路 进户线分别考虑 实训题1 2 根据GB2471 81标准 填写E48系列电阻器标称阻值表 任务1 2使用数字万用表和直流稳压电源 任务目标 1 掌握正确使用数字万用表 选定测量功能 量程 和配置测试表笔的方法 2 熟练使用数字万用表测量电阻 记录测量数据 理解测量结果与标称值的差异 3 掌握使用数字万用表 直流稳压电源测量绘制电阻元件的伏安特性曲线的方法 任务安排 任务1 2 1在实验元器件包中 选择5个不同的电阻器 读取记录相关信息 用数字万用表测量记录电阻器的参数 填入下表 说明 电位器需按 最小阻值 最大阻值分别测量记录 备注栏填写对该电阻器的评价 任务安排 任务1 2 2选择一只功率 阻值适当的电阻 使用数字万用表 直流稳压电源测量绘制该电阻元件的伏安特性曲线 画出电路连接图 测量数据填入下表并绘制V I特性曲线 1 2 1DT9203数字万用表的使用 DT9203数字万用表是一种操作方便 读数精确 功能齐全 体积小巧 携带方便 使用9V电池作为电源的手持袖珍式大屏幕液晶显示四位半数字万用表 如图1 13所示 可用来测量直流电压 电流 交流电压 电流 电阻 电容 频率 二极管正向压降 晶体三级管hFE参数及电路通断等 DT9203数字万用表的特点 CMOS集成电路 双积分A D转换 自动校零 超量程指示 采用高反差液晶显示显示屏 70 40毫米 字高25毫米 显示屏幕可自由改变角度 以获得最佳读数观察效果 具有自动关机功能 开机之后无操作约15分钟会自动切断电源 以防止仪表使用完毕忘关电源 重复电源开关操作 即可继续开机 优化设计的高可靠量程 功能旋转开关 采用32档位结构 有效地避免误操作 最大显示值为19999 过量程指示时最高位显示 1 其余消除 表1 13DT9203四位半数字万用表技术指标 测量操作通则 测量时将电源ON OFF开关按钮按下 屏幕显示对应档位的初始值 如果电池不足 则显示屏左上方会出现一个电池符号 在测量前要先将量程放置在合适测量的档上 如果不知被测电压范围 则先将功能开关置于最大量程 随后视情况降至合适量程 如果只显 1 表示过量程 功能开关应置于更高量程 另外 必须注意测试笔插孔旁符号 保证测试电压和电流不要超过指示数字 1 电压测量 1 将黑表笔插入COM插孔 红表笔插入V Hz插孔 测DCV时 将功能开关置于DCV量程范围 测ACV时置于ACV量程范围 2 将测试表笔连接到被测负载或信号源上 屏幕显示电压读数同时会指示出红表笔的极性 注意 测量DCV不能高于1000 测量ACV时不能高于750V有效值 电流测量 1 将黑表笔插入COM插孔 当被测电流在200mA以下时红表笔插A插孔 如被测电流在200mA 20A之间 则将红表笔移至20A插孔 2 将功能开关置于DCA或ACA量程范围 测试笔串联接入被测电路中 屏幕显示电流读数同时会指示出红表笔的极性 注意 A插孔输入时 电流过载会将内装保险丝熔断 必须更换 20A插孔没有用保险丝 测量时间应小于15秒 3 电阻测量 1 将黑表笔插入COM插孔 红表笔插入V Hz插孔 注意红表笔极性为 2 将功能开关置于所需 量程上 将测试笔跨接在被测电阻上 屏幕显示电阻读数 注意 当测量1M 以上大电阻时 需数秒后方能稳定读数 这是正常的 检测在线电阻时 必须关闭电路电源 使电容完全放电 方可测量 测量高阻值电阻时应尽可能将电阻直接插入 V Hz 和 COM 插孔中 长线在阻抗测量时容易感应干扰信号 使读数不稳 4 电容测量 1 将功能开关置于F量程范围 接上电容器以前 显示屏缓慢地自动校零 但在2nF量程上最后的10数字以内无效是正常的 2 将测量电容器完全放电后 把引脚插进位于面板左下方的Cx二个插孔中 如果是电解电容器必须注意极性连接 屏幕显示电容读数 注意 单位 1pF 10 6 F 1nF 10 3 F 测试大电容时 注意在最后指示之前会存在一个一定的滞后时间 5 频率测量 1 将黑表笔或屏蔽层插入COM插孔 红表笔或屏蔽电缆芯线插入V Hz插孔 2 把功能开关置于Hz量程 把测试笔或电缆跨接在电源或负载之间 屏幕显示频率读数 注意 测量高压时使用外部衰减以避免与高压接触 电压高于100V有效值虽然可以显示出来 但可能超出技术指标 6 二极管测量 1 将黑表笔或屏蔽层插入COM插孔 红表笔插入V Hz插孔 注意红表笔为内电路 极 2 把功能开关置于档 并将测试笔跨接在被测二极管上 屏幕显示二极管结电压读数或 1 表示反向 注意 当输入端未接入时 即开路时 显示值为 1 7 晶体三级管hFE测量 1 把功能开关置于hFE档 2 先认定晶体三级管是PNP型还是NPN型 然后再将被测管E B C三脚分别插入面板对应的晶体三级管插孔内 屏幕显示的则是hFE近似值 1 2 2TRP3002高精度直流稳压电源的使用 TPR3002恒压恒流 ConstantVoltage CV ConstantCurrent CC 高精度直流稳压电源是专门为实验室 学校和生产线的使用而设计 其输出电压从0 30V之间连续可调 输出负载电流同样也可以从0 2A之间连续可调 电源的稳定度和纹波系数都非常好 具有完善的过载保护电路 既可用作稳压电源 也可用作稳流电源 1 参数规格 1 额定工作条件电源电压 220V 10 50 60Hz工作条件 温度 10 40 储存条件 相对湿度 80 2 稳压工作状态输出电压从0 30V之间连续可调 3 稳流工作状态输出电流从0 2A之间连续可调 2 使用说明 1 限流设定决定需要供电仪器的最大安全电流 用一短路线暂时将电流 和 端子短路 旋转电压控制旋钮 直至CC指示灯亮 调节电流旋钮到需要的电流值 电流值 过载保护 设定完毕 以后请勿改变电流旋钮 取掉短路线 可进入工作状态 2 恒压 恒流特性该系列电源的工作特性称为恒压 恒流自动转换型 它能随负载的变化在恒压与恒流状态之间连续转变 恒压与恒流方式之间的交点称为转换点 3 操作方法 将电源开关置于 OFF 位置 确保输入电源电压正确 接上电源 将电源开关置于 ON 位置 调节 VOLTAGE 或 CURRENT 旋钮到需要的电压或电流值 连接外部负载到 输出端子 当用在要求较高的地方 输出端 或 接线柱必须有一个要与GND接线柱可靠连接 这样可以减小输出的纹波电压 3 电源安装 使用和维护须知 1 作为使用前的第一步 必须将电源的金属外壳可靠接地以确保安全 但不可误将外壳接在零线上 2 在安装完毕通电试运行之前 请再次检查和校对各接线端子上的连线 确信输入和输出 交流和直流 正极和负极 电压值和电流值等正确无疑 杜绝接反接错现象的发生 3 电源不允许长期处于满负荷下作状态 请将线性电源的使用率控制在60 以内 将开关电源的使用率控制在80 以内 否则将有可能造成人为的早期失效 4 对于高压电源 必须重视安全用电 使用过程中及停电后十分钟之内均不可触及高压危险区 5 如果保险管烧断 稳压或稳流指示灯都熄灭 电源将停止工作 此时必须找出并纠正保险管烧断的原因 然后打开保险盒用相同值的保险管替换 4 电源常用术语 1 电压调整率 在额定输出电流下 输出电压从额定输入到拉偏输入的相对变化量 2 电流调整率 在输入电压不变时 输出电压从空载到满载的相对变化量 3 纹波系数 纹波电压与输出电压的百分比 4 负载率 0 100 指电源可以空载 0 也可满载 100 5 使用率 指电源连续长期工作允许的最大负载占满载的百分比 任务拓展 实训题1 3自主设计实验测量精密型NTC热敏电阻MF51在常温 100 以下的电阻 温度 R T 特性曲线 内容包括实验名称 实验仪器和设备 实验内容或步骤 实验结果 任务1 3测量与分析简单电阻电路 任务目标 1 建立理想电路元 器 件与电路模型 2 掌握电路的主要物理量 电流和电压及其参考方向 电功率与电能 3 掌握实际电路中电阻 电源的主要物理量与测量与分析技能 任务安排 任务1 3 1现有某型号的电饭煲及其电路原理图 煮饭时 接通电源后保温指示灯绿灯亮 煮饭指示灯绿灯灭 处于保温工作状态 按下联动开关 保温指示灯绿灯灭 煮饭指示灯绿灯亮 处于煮饭工作状态 饭煮好后 联动开关自动断开 回到保温工作状态 保温指示灯绿灯亮 煮饭指示灯绿灯灭 请分别画出保温工作状态和煮饭工作状态的工作电路图 标出电流 电压的参考方向 图1 15电饭煲及其电路原理图 任务安排 任务1 3 2请设计测量数字万用表在电阻档不同量程电阻测量时的功率参数 1 3 1建立理想电路模型 1 理想电路元 器 件组成实际电路的元 器 件种类非常繁多 性能也是千差万别 为了分析电路方便 须在一定条件下对实际电路元 器 件进行近似化处理 用能够表示实际电路元 器 件主要物理性能的模型来代替实际电路元 器 件 即理想电路元件 另外 各种实际电路元 器 件可抽象为通用的负载Z表示 2 电路模型 实际电路中各种元 器 件是通过导线相互连接起来的 在电路模型中导线和理想元 器 件的端子引线是用 理想导线 电阻为零的导线 连接起来的 根据端子数可分为二端 三端 四端元 器 件 电路分析中用理想电路元件代替实际的各种元 器 件及其组合 从而构成了与实际电路相对应的电路模型 将电路模型用规定的理想元件符号画在平面上形成的图形称作电路原理图 简称电路图 今后我们研究的电路都是由理想元 器 件构成的电路图 电路模型 图1 17手电筒的电路图 1 3 2设定参考方向 测量电流 电压 1 建立电流概念 设定参考方向在电场中 带电粒子 电子 离子 定向移动形成电流 并规定正电荷移动的方向为电流的方向 其大小用电流强度来度量 单位时间内通过导体横截面的电荷量称为电流强度 简称电流 符号用i表示 即 式中的dq为时间dt内通过导体横截面的电荷量 1 建立电流概念 设定参考方向 如果电流i的大小和方向不随时间变化 即i为固定值 则称此电流为直流电流 简称直流 DirectCurrent DC 符号用I表示 电流既代表一种物理现象 也代表一个物理量 在国际单位制 SI 中 电荷的单位是库仑 Coulomb C 时间的单位是秒 second s 电流的单位是安培 简称安 Ampere A 实用中还有毫安 mA 和微安 A 等 其换算关系为 1A 103mA 106 A 参考方向的引入 在电路图中可预先任意设定电流参考方向 用实线箭头表示 并规定 如果电流的参考方向与实际方向一致 电流为正值 I 0 反之 如果电流的参考方向与实际方向相反 电流为负值 I 0 这样就可以把电流看成一个代数量 其正 负可确定电流的实际方向 电流的参考方向除了用箭头表示外 也可用双下标表示 如Iab表示电流的参考方向是从a点指向b点 如Iba表示电流的参考方向是从b点指向a点 并且Iab Iba 2 建立电压概念 设定参考方向 当导体中存在电场时 单位正电荷由a点移动到b点时电场力所做的功就是a b两点的电压 Voltage 电压用uab表示 即式中 dq为由a点转移到b点的电荷量 dw为移动电荷dq电场力所做的功 在SI中 电压的单位为伏特 Volt 简称伏 V 实用中还有千伏 kV 毫伏 mV 和微伏 V 等 其换算关系为 1A 103mV 106 V 参考电位与电压 在电路中任意设置一点c作为参考点 则由点a到参考点c的电压uac称为点a的电位 Potential 电位用 a 带单下标 表示 电位的单位与电压相同 电位参考点可以任意选取 通常选择大地 设备外壳或接地点作为参考点 参考点的电位为零 a b两点的电压就是这两点的电位之差 因此 式 1 4 中 a表示点a的电位 b表示点b的电位 电压的参考方向 电路中 规定电位真正降低的方向为电压的实际方向 电压的实际方向也是很难预先判别的 因此 通常的办法是给电路中的两点电压设出参考方向 电压的参考方向 就是电路中假定的电位降低的方向 在电路图中用 极性符号标出 表示高电位端 称正极 表示低电位端 称负极 也可用带双下标的字母表示 如uab就表示a b两点之间的电压 而且表明a为电压参考方向的正极性端 b为电压参考方向的负极性端 第三种方法是用带箭头的实线段表示 箭头所指即电压的参考方向 由 指向 电压的参考方向 如果电压的大小和方向都不随时间变化 这样的电压叫做恒定电压 用U表示 当电压的参考方向与实际方向相同时 电压为正 反之 电压为负 如图1 20所示 当参考方向改变后 Uab Uba 有了参考方向 电压也就成为一个代数量 3 设定参考方向应注意的问题 1 参考方向是人为规定的电流 电压数值为正的方向 在分析电路时必须预先确定 2 参考方向一经确定 在分析电路的过程中不能变动 3 参考方向可以任意确定 不会影响计算结果 当参考方向设定相反时 计算出的电流 电压数值的正负不同 但实际方向仍然相同 4 为了分析方便 通常采用关联参考方向 即确定 电流从电压的正极性端流入而从电压的负极性端流出 当确定的电流和电压参考方向相反时 称为非关联参考方向 例题1 4 在图1 22 a 的电路图中 已知I1 0 10A I2 0 04A I3 0 06A a 10V b 6V 1 为测量验证I1 I2 I3 b数值是否正确 电流表 电压表在图中应如何连接 请标明电流表 电压表极性 2 求Uab 若要测量该电压 问电压表如何连接 请标明电压表极性 例题1 4 解 1 测量验证电流I1 I2 I3数值的电流表A1 A2 A3按图1 22 b 所示串联接入所测支路 测量验证电位 b数值的电压表V2按图1 22 b 所示并联在所测支路上 其极性对应标注在图上 2 测量验证电压Uab数值的电压表V1按图1 22 b 所示并联在所测支路上 其极性对应标注在图上 Uab a b 10 6 4V 1 3 3计算电功率与电能 1 计算电功率在电路中 正电荷dq受电场力的作用在dt时间内由a点移动到b点 设a b间的电压为u 根据式 1 4 可知 在转移过程中dq减少的能量为正电荷dq失去能量表示电能转换成为其他形式的能量 即电路吸收或消耗了能量 电能转换的速率称为电功率 简称功率 Power 用p表示 则ab段电路所吸收或消耗的功率为 1 计算电功率 在直流电路中 功率用P表示 则 在SI中功率的单位为瓦特 Watt 简称瓦 W 实用中还有千瓦 kW 毫瓦 mW 等 在计算时 电压的单位为伏 V 电流的单位为安 A 则功率的单位为瓦 W 同时必须注意 当电压 电流为关联方向时 可直接运用式 1 7 式 1 8 当电压 电流为非关联方向时 则功率计算式应为通过计算 若功率P 0 表明该段电路吸收功率 若功率P 0 则表明该段电路输出功率 2 计算电能 从时间t0到t内 电路吸收或消耗的电能为在直流电路中 有在SI中 电能的单位为焦耳 joule 简称焦 J 1J等于1W的电器在1s内消耗的电能 实用的电能单位还有千瓦时 kW h 简称度 1度 1千瓦 1小时 1千瓦时 kW h 1千瓦时 kW h 103W 3600s 3 6 106J 3 6MJ 3 运用额定值 各种电子元器件 如电阻 热水器 电视机 空调机等 都有一定的量值限额 称为额定值 包括额定电压 额定电流 额定功率 各种电器必须在额定的电流 电压 功率范围内才能正常 稳定 可靠地工作 电压过高容易损坏电器 电源功率不足会会使电压下降 电器不能正常启动运行 电流过大会烧毁电器 根据式 1 7 式 1 8 可知电流 电压 功率的内在关系 因此只要给出电器的2个额定参数即可 例如照明电灯为230V25W 电视机为180 240V100W 例题1 5 图1 23为某电路中的一部分 已知I 0 2A U1 15V 1 求元件1的功率P1 并说明是吸收功率还是输出功率 2 若元件2向输出的功率为5W 元件3吸收的功率为1W 求U2和U3 例题1 5 解 1 由于元件1的电压 电流为非关联参考方向 故P1 U1I 15 0 2 3W 吸收 2 由于元件2和元件3的电压 电流均为关联参考方向 且元件2向外输出功率 而元件3吸收功率 故P2 5W U2IP3 1W U3I则U2 P2 I 5 0 2 25VU3 P3 I 1 0 2 5V 1 3 4建立理想电阻模型 1 建立线性电阻模型伏安特性 表示电子元 器 件的端电压与流过的电流二者之间的关系 Voltage CurrentRelationship VCR 伏安特性曲线 指以电压为纵坐标 电流为横坐标 对一系列的电压和电流值绘制的一条代表二者之间函数关系的曲线 线性电阻元件 指电阻元件的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线 1 建立线性电阻模型 线性电阻是一种的理想二端电路元件 其端电压与电流之间的关系总是服从欧姆定律 在电压电流符合关联方向时 欧姆定律表示为式中 R是一个与电压 电流均无关的常数 称为元件的电阻 电阻的倒数叫做电导 conductance 用G表示 单位是西门子 Simens 简称西 S 用电导表征电阻时 欧姆定律可表示为现实中的线性电阻是不存在的 但绝大多数电阻性电器 如电炉 电烙铁 膜电阻等 在一定的工作范围内都非常近似于线性电阻 因此可用线性电阻作为模型进行分析计算 不会引起明显的误差 2 计算线性电阻的功率 电阻元件始终是吸收 或消耗 功率的元件 根据式 1 8 无论是关联或非关联参考方向下 电阻元件消耗的功率应为 1 3 5建立电源模型 1 建立电压源模型现实中 为电器电路提供能量的装置是电源 常用的电源有手机电池 汽车蓄电池 计算器光电池 摄像机充电电池 发电机等 经过模型化抽象成为理想电压源和理想电流源 理想电压源是一种理想二端电路元件 元件的电压与流过它的电流无关 始终保持定值US或给定的时间函数 理想电压源的电路符号及直流伏安特性如图1 25所示 电压源的工作状态 根据所连接的外电路不同 电压源电流的实际方向分为两种情况 从电压源的低电位端流入 从高电位端流出 此时电压源输出功率 例如汽车发动时由蓄电池供电 另外 从高电位端流入 从低电位端流出 例如汽车行驶过程中发动机给蓄电池充电 实际电源模型 实际的电压源可以用一个理想电压源和电阻相串联的电路模型来表示 如图1 26 a 所示 电阻RS称作电压源的内阻 从电压源模型可求出电压源的端电压为 2 建立电流源模型 理想电流源也是一种理想二端电路元件 其输出电流总保持定值IS或一定的时间函数 而与其端电压无关 理想电流源的电路符号与直流伏安特性如图1 27所示 理想电流源有两个基本特性 一是输出电流IS为给定的时间函数 与电压无关 二是两端电压的极性和大小由外部电路确定 当实际电压极性与电流方向相反为非关联方向时 电流源输出功率 当实际电压极性与电流方向相同为关联方向时 电流源消耗功率 实际电流源 电流源可以用一个理想电流源和电阻并联的模型来表示实际电流源 电阻RS为电流源的内阻 电阻R表示外接电路负载 当电流源两端接上电阻R后 如图1 28 a 所示 可计算出电流源向外输出的电流为 例题1 8 电路如图1 29所示 试求 1 电阻两端的电压U1 2 电流源两端的电压U2及功率P2 3 电压源的功率P3 例题1 8 解 1 图1 29电路中电流源为理想电流源 因此流过10 电阻的电流就是lA而与2V电压源无关 即U1 RIS 10 1 10V 2 电流源两端的电压为10 电阻上的电压 电压源电压之和 即U2 U1 US 10 2 12V因电流源上的电流与电压为非关联方向 故P2 U2IS 12 1 12W 输出 3 电压源的电流与电压为关联方向 故P2 USIS 2 1 2W 吸收 任务拓展 实训题1 4有1位客户需购买1台蒸汽电熨斗 比较中意两种型号 其电路图如图1 30 b 图1 30 c 所示 请你为客户提出1个选择方案 并说明理由 任务拓展 实训题1 5根据如下电路图 选择元器件连接电路 按kS闭合和断开两种情况 分析计算并测量电阻的电流和电压并标出关联参考方向 当以c作为参考点时 分别测量和计算出 a b 画出电流表和电压表的连接图 标明极性 任务拓展 实训题1 6根据 1 2 2TRP3002高精度直流稳压电源的使用 要求 自主设计实验分别测量该电流源工作在0 5A 1 0A 1 5A的内阻RS1和电压源工作在5V 15V 25V的内阻RS2 内容包括实验名称 实验仪器和设备 实验内容或步骤 实验结果与分析 任务1 4用基尔霍夫定律测量分析电路 任务目标 1 掌握理想电路分析中支路 节点 回路 网孔的定义 2 巩固掌握电路连接和电源 数字万用表的操作使用技能 3 掌握基尔霍夫定律 KCL KVL 技术分析电路的基本方法 任务安排 任务1 4 1根据图1 42选择元器件连接电路 测量电路中各元件的电流 电压值计入表1 15中 画出测量电路图 并用基尔霍夫定律分析验证测量值是否正确 元件约束关系与拓扑约束关系 线性电阻的特性可用其端电压U和电流I的伏安特性来描述 而与整个电路的结构无关 此特性称为元件的约束关系 与电路结构 元件连接方式有关的约束关系 称为拓扑约束关系 电路中的电压和电流遵循基尔霍夫定律 是分析和计算电路的基础 电路术语 支路 由单个元件或若干个元件串联 构成电路的一个分支 同一分支上的电流相同 电路中每个分