电路和电路元件

,退出,1.1电路和电路的基本物理量,1.1.1电路,1.1.2电压、电流及其参考方向,1.1.3电路功率,第1章,上页,下页,返回,1.1.1电路,电路是电流的通路，它是为了某种需要由某些电工、电子器件或设备组合而成的。,翻页,实际电路,电路模型,第1章,上页,下页,返回,翻页,上页,下页,返回,第1章,各种蓄电池和干电池由化学能转换成电能。,电源,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。,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,翻页,上页,下页,返回,第1章,1.1.2电压、电流及其参考方向,1.基本物理量,翻页,上页,下页,返回,第1章,2.电压、电流参考方向,a,b,R5,R2,R1,R3,R4,R6,+,+,E1,E2,E,U,R,I,a,b,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。,解决方法:,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=1问：当Uab为1V时，I=?,翻页,上页,下页,返回,第1章,例1.1.1,假定U、I的参考方向如图所示，若I=-3A，E=2V,R=1Uab=？,（实际方向与参考方向一致）,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,UR,E,I,R,a,b,d,=-(-3）1+2V=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,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,1.1.3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,P=UI,1)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,P=UI,2）将U、I的代数值代入式中,P=UI,翻页,上页,下页,返回,第1章,已知：U=10V,I=1A。按图中,P=10W(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=10V,I=1A则P=10W（电源性质）,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额定值,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。,伏安特性：电阻元件上电压与电流间的关系称为伏安特性。,i,u,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,第1章,上页,下页,返回,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（），千欧（k）。,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,电感元件的基本关系式,翻页,其中：,第1章,上页,下页,返回,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,i=0,第1章,上页,下页,返回,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,翻页,（u与i参考方向一致）,第1章,上页,下页,返回,1.2.4电气设备的额定值,任何电气设备的电压、电流和功率都有一定的限额,额定转速nN,本节结束,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,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,返回,特点：,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,I,U,IS,2.电流源,翻页,下页,上页,第1章,返回,特点,分析：IS固定不变,US固定不变。,翻页,上页,下页,第1章,返回,解：1.Uab=US,2.若R减小为1，,电流源的功率不变！,电压源的功率,IUs=IIs=3A,翻页,上页,下页,第1章,返回,2.若使R减小为1，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,下页,上页,翻页,第1章,返回,I,U,+,-,b,a,2.电压源模型,翻页,第1章,下页,上页,返回,R,外特性曲线,3.电流源模型,翻页,上页,下页,第1章,返回,外特性曲线,b,a,R,1.3.3两种电源的等效互换,翻页,上页,下页,返回,第1章,等效互换条件,U=UsIR0,U=IR0R0,=IsR0IR0,=(IsI)R0,翻页,上页,下页,第1章,返回,电压源模型电流源模型,下页,上页,第1章,翻页,返回,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,上页,下页,第1章,翻页,返回,3）电压源（恒压源）与电流源（恒流源）之间不能互换。,上页,下页,第1章,返回,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,1.4.1PN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,1.4.1PN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,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,在N型半导体中，电子是多子，空穴是少子,第1章,上页,下页,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,B,B-,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。,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。,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,E,I,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,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,IR,E,第1章,上页,下页,翻页,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,翻页,返回,第1章,上页,下页,翻页,返回,2.二极管的伏安特性,-40,-20,O,U/V,I/mA,60,40,20,-50,-25,0.4,0.8,正向,反向,击穿电压,死区电压,U(BR),硅管的伏安特性,I/A,第1章,上页,下页,翻页,返回,-20,-40,-25,0.4,0.2,-50,10,O,15,5,I/mA,U/V,锗管的伏安特性,I/A,死区电压,3.二极管的主要参数,第1章,上页,下页,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,E,UQ,IQ,E,R,-,Q,U=ERI,翻页,第1章,上页,返回,下页,二极管的静态电阻和动态电阻,翻页,第1章,上页,返回,下页,I,U,2.二极管特性的折线近似及模型,Q,翻页,U0N,O,P,U=UONrDI,二极管的电路模型,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/mA,U/V,0,UZ,IZ,稳压管的主要参数:,第1章,上页,下页,返回,I/mA,U/V,0,UZ,IZ,翻页,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。,由于稳压管工作在其反向特性端，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。,1.5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,PNP型,C,P,N,N,N,P,P,E,E,B,B,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,第1章,上页,下页,翻页,返回,晶体管的电流放大原理,IE,IB,RB,UBB,IC,UCC,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：UBE0UBCVBVE,RC,B,C,E,共发射极放大电路,第1章,上页,下页,翻页,返回,三极管的电流控制原理,UBB,RB,IB,IC,UCC,RC,N,P,IE,N,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IC,EB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：,ICIB或ICIB,第1章,上页,下页,翻页,返回,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,UCE1V,第1章,上页,下页,翻页,返回,UBE,/V,IB/,A,O,O,2.晶体管输出特性曲线,IC=f(UCE)|IB=常数,IB减小,IB增加,UCE,IC,IB=20A,IB=60A,IB=40A,第1章,上页,下页,翻页,返回,晶体管输出特性曲线分三个工作区,UCE/V,IC/mA,80,60,40,0,IB=20A,O,2,4,6,8,1,2,3,4,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=IB,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,IC0,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ICEO,ICEO=(1+)ICBO,交流电流放大系数=IC/IB,第1章,上页,下页,翻页,返回,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=ICUCE,UCE/V,U(BR)CEO,IC/mA,ICM,O,使用时不允许超过这些极限参数.,第1章,上页,下页,翻页,返回,1.5.3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A数量级）,上页,下页,第1章,翻页,返回,三极管微变等效模型的建立步骤：,Uce1V,IB,IB,UBE,第1章,上页,下页,Q,翻页,返回,输出回路微变等效电路,UCE,UCE,第1章,上页,下页,翻页,返回,IC,IB,e,第1章,上页,下页,返回,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）。,1.6.1基本结构和