电工chapter1

电子技术基础 谢菊芳副教授工程技术学院 电话本课程是一门实践性较强的专业基础课 绪论 二 学习方法 在入门阶段要以听课为线索 辅以适当的课后练习 建立工程的观念 系统的观念 科学进步的观念 实践的观念 特别注意电路原理在电子电路分析中的应用 掌握电路基础知识和模拟电子的基本理论及分析方法具有能够继续深入学习和接收电子技术新发展的能力 为工程实践培养操作技能将所学知识用于本专业的能力 一 学习目的 三 考试方法 平时成绩10 包括出勤 作业 实验30 包括实验操作 实验报告 期末笔试闭卷60 电路分析部分参考资料 电工学 电工技术 第六版秦曾煌主编高等教育出版社 模拟电子技术部分参考资料 模拟电子技术基础 第四版 华成英主编 清华大学电子学教研组 第1章电路的基本概念与基本定律 1 1电路的作用与组成部分 1 2电路模型 1 3电压和电流的参考方向 1 4欧姆定律 1 5电源有载工作 开路与短路 1 6基尔霍夫定律 1 7电路中电位的概念及计算 本章要求 1 理解电压与电流参考方向的意义 2 理解电路的基本定律并能正确应用 3 了解电路的有载工作 开路与短路状态 理解电功率和额定值的意义 4 会计算电路中各点的电位 第1章电路的基本概念与基本定律 1 1电路的作用与组成部分 1 实现电能的传输 分配与转换 电力系统 2 实现信号的传递与处理 1 电路的作用 电路是电流的通路 是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成 2 电路的组成部分 电源 提供电能的装置 负载 取用电能的装置 中间环节 传递 分配和控制电能的作用 直流电源 提供能源 信号处理 放大 调谐 检波等 负载 信号源 提供信息 2 电路的组成部分 电源或信号源的电压或电流称为激励 它推动电路工作 由激励所产生的电压和电流称为响应 1 2电路模型 为了便于用数学方法分析电路 一般要将实际电路模型化 用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件 从而构成与实际电路相对应的电路模型 理想电路元件主要有电阻元件 电感元件 电容元件和电源元件等 1 2电路模型 例 手电筒 手电筒由电池 灯泡 开关和筒体组成 1 2电路模型 例 手电筒 手电筒由电池 灯泡 开关和筒体组成 手电筒的电路模型 电池 导线 灯泡 开关 电池是电源元件 其参数为电动势E和内阻Ro 灯泡主要具有消耗电能的性质 是电阻元件 其参数为电阻R 筒体用来连接电池和灯泡 其电阻忽略不计 认为是无电阻的理想导体 开关用来控制电路的通断 今后分析的都是指电路模型 简称电路 在电路图中 各种电路元件都用规定的图形符号表示 1 3电池 电池的种类 原电池 一次电池 蓄电池 二次电池 燃料电池太阳能电池原子能电池 电池的容量 电池容量是指电池在特定条件下可以提供的能量的数值 电池释放能量多少的条件 温度放电电流 放电速度 放电完成后的最终输出电压 普通的手电筒电池 放电电流从300mA减小到50mA时 它提供的能量大约可增加两倍 温度从21o下降到5o时 其容量下降30 通常电池容量用安培小时 A h 表示 安培小时是电量 电荷 单位当电池的电压确定 已知安培小时就可以知道电池的能量 W Pt由于P UI 因此W UIt如果t的单位为h I的单位为A 那么W的单位为W h 电池的额定电压乘以额定的A h数就是能量 例如1节可充电的镍氢电池容量是2000mA h 额定电压是1 25V它的能量是2 5W h 电池的内部电阻 例1 1电压为6V的电池组 其内电阻为0 15 当负载的电流是3 4A时 电池组两端的电压是多少 解 UL U0 IL RS 6V 3 4 0 15 V 5 49V 常用的电池及其特性 铅酸电池 常用蓄电池特点 2 1V 节 低内阻 大容量 提供大电流用途 汽车 拖拉机的后备电源 电瓶车电源缺点 硫酸是危险化学品 铅是有害重金属 图1 4铅酸电池 镍镉电池 可充电电池 容量在几十毫安小时到几安小时之间 具有从几百次到几千次充放电的额定寿命 它的保存期很长 存放时对环境温度的要求也不高 可以在 40 C 60 C的温度下存放 重要的特点1 很好的低温工作特性 2 生产成本较高 但工作成本较低 3 内电阻很小 因此 其输出电压稳定性好 缺点 会出现严重的 记忆效应 使得使用寿命大大缩短 镉是有毒的 这些缺点使得镍镉电池已基本被淘汰出数码设备电源的应用领域 图镍镉电池 碳锌电池和氯化锌电池 常用的干电池 1 5V 是最便宜的原电池 因为其价格便宜而广泛使用 碳锌电池正极是二氧化锰 负极是锌 电解液是氯化铵碳锌电池有许多缺点 如 低温工作特性较差 内电阻较大 当电池放电时输出电压下降速度较快 容量 重量比较低 只有其他类型原电池的二分之一到三分之一 因为内电阻大 在大负载时效率低 碳锌电池和电池组可以制成多种尺寸和形状 电池组的容量可以达到30A h 氯化锌电池的结构与碳锌电池类似 不同的是用氯化锌做电解液 氯化锌电池优于普通碳锌电池 图碳锌电池 碱性二氧化锰电池 二氧化锰电池和碳锌电池的电极相同 都用锌和二氧化锰 但是 它的电解液是氢氧化钾溶液 常常叫作碱性电池 有原电池和蓄电池两种类型 电压通常为1 5V左右优点 输出电流大 在输出较大电流时效率高 电池电压更稳定 它可以在 30 C低温的环境下工作 而碳锌电池的最低工作温度为 7 C 低的内电阻 较高的容量 重量比 一个相同大小的二氧化锰电池其容量至少比一个碳锌电池多50 可充电二氧化锰蓄电池比镍镉电池便宜 缺点 充电次数较少 对充放电要求高 充放电的情况对其使用寿命有明显的影响 放电超过额定容量和过充电都会缩短其使用寿命 可充电锂离子电池 此类电池单体电压为3 6V 无法代替普通电池 主要用在手提电脑等数字设备中 它具有容量高 重量轻 无记忆等优点 是目前最好的可充电电池 锂电池工作温度值在 50 C 75 C 在使用时 它们有非常稳定的输出电压 这种电池自我放电小 又没有记忆效应 充放电次数可达500次以上 图可充电锂离子电池 燃料电池 光电电池 太阳能电池 1 4电压和电流的参考方向 1 电路基本物理量 1 电荷 1 4电压和电流的参考方向 2 电压 无论是正电荷还是负电荷被分离 都要消耗能量 电压是由分离引起的单位电荷的能量 表示为 3 电流 电流是指电荷流动的速率 表示为 电流是由离散运动的电子组成的 但由于电子数量太大 可将这些电子和相应的电荷看成平滑的流体 因此电流被视为连续量 与电荷关联的功率可推出 功率 物理中 功率是指支出或吸收的能量对时间的导数 即 在国际单位制中 功率的单位为瓦特 W 或KW 即 1 4电压和电流的参考方向 物理中对基本物理量规定的方向 2 电路基本物理量的实际方向 2 参考方向的表示方法 电流 电压 1 参考方向 在分析与计算电路时 对电量任意假定的方向 3 电路基本物理量的参考方向 实际方向与参考方向一致 电流 或电压 值为正值 实际方向与参考方向相反 电流 或电压 值为负值 3 实际方向与参考方向的关系 注意 在参考方向选定后 电流 或电压 值才有正负之分 若I 5A 则电流从端a流向端b 例 若I 5A 则电流从端b流向端a 若U 5V 则电压的实际方向从端a指向端b 若U 5V 则电压的实际方向从端b指向端a 1 电阻元件 电阻元件的分类 可变电阻 电位器 1 5可调电阻实物图 图1 6联动电位器 1 5欧姆定律 固定电阻 图1 7几种不同额定功率电阻的实物图 电阻的额定功率 为安全起见 在选用电阻时应使其额定功率大于此电阻在电路中功率的实际值 通常可按电阻在电路中功率的实际值或计算值的两倍确定选用电阻的额定功率 电阻器的种类 碳合成电阻线绕电阻金属陶瓷电阻镀层薄膜电阻电阻网络 排电阻 图1 9排阻实物图 贴片电阻热敏电阻 图1 10贴片电阻实物图 压敏电阻 压敏电阻可以保护设备不受电压冲击 压敏电阻用于一些敏感电路 如计算机等设备的电源中 2 欧姆定律 欧姆定律 流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比 电阻是物质阻碍电流 或电荷 流动的能力 模拟这种行为的电路元件称为电阻 用R表示电阻的阻值 在国际单位制中 电阻的单位为欧姆 或 可表示为 式中R即为该段电路的电阻 U I参考方向相同时 U I参考方向相反时 表达式中有两套正负号 式前的正负号由U I参考方向的关系确定 U I值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系 通常取U I参考方向相同 U IR U IR 根据U和I参考方向的不同 欧姆定律表示式中可带有正负号 解 对图 a 有 U IR 例 应用欧姆定律对下图电路列出式子 并求电阻R 对图 b 有 U IR 电路端电压与电流的关系称为伏安特性 遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻 它表示该段电路电压与电流的比值为常数 线性电阻的概念 线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线 1 6电源有载工作 开路与短路 开关闭合 接通电源与负载 负载端电压 U IR 特征 1 6 1电源有载工作 电流的大小由负载决定 在电源有内阻时 I U 或U E IR0 当R0 R时 则U E 表明当负载变化时 电源的端电压变化不大 即带负载能力强 负载端电压 1 6 1电源有载工作 电流的大小由负载决定 在电源有内阻时 I U U E IRo UI EI I Ro P PE P 负载取用功率 电源产生功率 内阻消耗功率 电源输出的功率由负载决定 负载大小的概念 负载增加指负载取用的电流和功率增加 电压一定 电气设备的额定值 额定值 电气设备在正常运行时的规定使用值 电气设备的三种运行状态 欠载 轻载 I IN P PN 不经济 过载 超载 I IN P PN 设备易损坏 额定工作状态 I IN P PN 经济合理安全可靠 特征 开关断开 1 6 2电源开路 1 开路处的电流等于零 I 02 开路处的电压U视电路情况而定 电路中某处断开时的特征 电源外部端子被短接 1 6 3电源短路 1 短路处的电压等于零 U 02 短路处的电流I视电路情况而定 电路中某处短路时的特征 1 7基尔霍夫定律 如果电路中每个元件上的电压和电流已经确定 就称这个电路已经求解 在求解过程中 欧姆定律是一个重要的方程式 然而单凭欧姆定律还不足以得到完全解答 如下图的电路 需要用到两个更重要的代数关系式 即基尔霍夫定律 基尓霍夫定律是由基尓霍夫首先在1848年发表的论文中提出的 他用数学形式陈述了约束的两个定律 分别为基尓霍夫电流定律和基尓霍夫电压定律 1 7基尔霍夫定律 支路 电路中的每一个分支 一条支路流过一个电流 称为支路电流 结点 三条或三条以上支路的联接点 回路 由支路组成的闭合路径 网孔 内部不含支路的回路 例1 支路 ad ab ac bd bc dc 共6条 回路 adb abc dcb adbc adcb abdc adca 共7个 结点 a b c d 共4个 网孔 abd abc bcd 共3个 1 7 1基尔霍夫电流定律 KCL定律 1 定律 入 出 电路中任何一点都不能堆积电荷 即在任一瞬间 流向任一结点的电流之和等于流出该结点的电流之和 0 基尔霍夫电流定律 KCL 反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系 在电路中 任何结点上的所有电流的代数和等于零 实质 电流连续性的体现 1 7 1基尔霍夫电流定律 KCL定律 使用基尓霍夫电流定律时 对应参考方向的代数符号必须分配给每一个结点电流 假设进入结点的电流为正号 离开结点的电流为负号 或反过来 对结点a 或I1 I2 I3 I1 I2 I3 0 或 I1 I2 I3 0 即 0 即 入 出 电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面 2 推广 I 例 广义结点 I 0 IA IB IC 0 即 入 出 即 入 出 在电路中 环绕任何闭合路径的所有电压的代数和等于零 1 7 2基尔霍夫电压定律 KVL定律 1 定律 U 0 即在任一瞬间 从回路中任一点出发 沿回路循行一周 则在这个方向上电位升之和等于电位降之和 回到原来的出发点时 该点的电位不会发生变化 基尔霍夫电压定律 KVL 反映了电路中任一回路中各段电压间相互制约的关系 U升 U降 1 7 2基尔霍夫电压定律 KVL定律 对回路1 对回路2 或E1 I1R1 I3R3 或I2R2 I3R3 E2 I1R1 I3R3 E1 0 I2R2 I3R3 E2 0 即 U升 U降 在使用基尓霍夫电压定律 必须对回路中每一个电压分配代数符号 参考方向 当沿着闭合路径时 电压将沿着相应方向升高或降低 如果正号表示电压升 则负号表示电压降 或反过来 即 U 0 或 I1R1 I3R3 E1 0 1 列方程前标注回路循行方向 U升 U降E2 UBE I2R2 U 0I2R2 E2 UBE 0 2 应用 U 0列方程时 项前符号的确定 如果规定电位降取正号 则电位升就取负号 3 开口电压可按回路处理 注意 对回路1 例 对网孔abda 对网孔acba 对网孔bcdb R6 I6R6 I3R3 I1R1 0 I2R2 I4R4 I6R6 0 I4R4 I3R3 E 0 对回路adbca 沿逆时针方向循行 I1R1 I3R3 I4R4 I2R2 0 应用 U