电工电子技术 课件 第1章电路基础

电工电子学南昌大学科学技术学院朱海程学习前需要明确的3个问题：1.学什么？What2.为何学？Why3.怎么学？How电工电子学是学习什么内容的？为什么要学习电工电子学课程？如何学习好电工电子学课程？课程内容结构介绍为什么要学习《电工电子学》？1.《电工与电子技术》课程是一门专业基础课程，是电类和部分非电类专业的先导课程，可以让学生学习到电工技术和电子技术的理论知识，为后续课程学习打下基础。2.本课程是《电气工程师证》、《物联网安装调试员》等证书的必考内容，能帮助学生应对各种电工类、电子类证书考试。3.本课程是南京航空航天大学、湖南农业大学、昆明理工大学、北京工业大学等高校的硕士研究生初试课程。4.本课程可以助力学生参加各级各类电子竞赛，可以帮助学生更好地完成中小规模的电子电路设计。电工电子学和计算机科学的关系

随着半导体技术的发展和科学研究、生产与管理等的需要，电子计算机应时而兴起，并且日趋完善。从1946年诞生第一台电子计算机以来，已经经历了电子管、晶体管、集成电路及超大规模集成电路四代，每秒运算速度已达10亿次。

现代计算机是基于集成电路完成各种运算的，集成电路的构成离不开最简单的组成电路，还包含了电路的基本元器件，这些电路元器件有各自的电气特性，计算机内部电路的参数变化遵循电路基本定律，而电工电子学课程内容是学习电路基本定理、定律和电路参数计算等。电工电子和机械自动化关系机械制造专业的培养目标和主要课程都涉及《电工电子技术》课程。从传统机械制造向机械自动化转变过程中，需要依靠传感器的使用，传感器及相关电路的使用可以提高机械生产的精确度和维度。数控机床的使用让机械制造能使用更少的材料，制造出精度更高，维度更多的产品。智能制造的实现更离不开电子电路的加入。学习三相交流电知识可以了解伺服电机工作原理；学习模拟电路知识可以知道如何将电路中的信号进行放大、滤波等；学习数字电路知识可以为学习数控设备打下基础。电工电子和车辆工程关系车辆工程专业要求学生掌握车身、底盘、发动机、电器与电子技术方面知识。汽车的发电、电控、电子点火及信息显示等都与电子电路有关，学习电工电子知识可以更好地理解车辆上的电子电路。纯电动汽车作为新能源汽车的一个重要应用，已经实现了产品数字化设计和生产。它的电力驱动和控制、电源使用及监控、调速控制和传动装置都与电子电路密切相关。学习电工电子知识后可以看懂简单电子电路图，认识常用电子电路元件，进行简单电子电路维修。如何学习《电工电子学》？1.建立对电工电子技术的学习兴趣，经常关注和了解自己身边的各类电子产品，看能否利用自己学习的理论知识了解电子产品构成。2.多动手实践电工电子操作，认真完成电工电子课程的实验，多尝试安装中小规模的电子电路，尽可能实现电路功能。3.养成预习、复习的好习惯，熟记课本中的公式、定理和定律等，能熟练演算例题，夯实理论知识。4.选购高水平的电工技术和电子技术专业教辅书籍，并认真学习和查阅。5.在学习的全过程中多利用网络资源。教学用书课外辅导书推荐：1.《电工学（第7版）》（上/下册）秦曾煌，高等教育出版社2.《电路（第5版）》邱关源，高等教育出版社3.《模拟电子技术（第5版）》4.《数字电子技术（第6版）》

童诗白，高等教育出版社

阎石，高等教育出版社课外辅导书推荐：电子电路设计软件——AltiumDesignerAltium(前称ProtelInternationalLimited)有限公司由NickMatrin于1985年在塔斯马尼亚岛的霍巴特成立，用来开发基于计算机的软件来辅助进行印制电路板(PCB)设计。AltiumDesigner是目前EDA行业中使用最方便,操作最快捷，人性化界面最好的辅助工具。在中国用得最多的EDA工具，早期的电子专业大学生在大学基本上都学过其最初版本protel99se，所以学习资源也最广,公司在招聘新人的时候用Protel新人会很快上手。据统计中国有73%的工程师和80%的电子工程相关专业在校学生正在使用其所提供的解决方案。AltiumDesigner启动图电子电路设计软件——QuartusIIdesignQuartusIIdesign是最高级和复杂的，用于system-on-a-programmable-chip(SOPC)的设计环境QuartusIIdesign是唯一一个包括以timingclosure（计时结束）和基于块的设计流为基本特征的programmablelogicdevice(PLD)的软件。QuartusII设计软件改进了性能、提升了功能性、解决了潜在的设计延迟等，在工业领域率先提供FPGA与mask-programmeddevices开发的统一工作流程。QuartusⅡ启动图电子电路设计软件——MultisimMultisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图设计与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。Multisim启动图国产电路设计软件——嘉立创（/）嘉立创EDA隶属于深圳嘉立创科技集团股份有限公司，与EasyEDA都是由嘉立创EDA团队开发，国内版为嘉立创EDA，国外版为EasyEDA。基于JavaScript，完全由中国团队独立研发，拥有完全的独立自主知识产权。嘉立创公司专注于PCB打样/小批量、SMT贴片、激光钢网、FA机械零部件商城、3D打印等领域，为全球电子行业企业、电子工程师、科研机构提供“价格优、品质高、交期快”的高性价比服务。通过学习应当具备的素养：1.民族自信心和国家自豪感；2.独立思考和思辨能力；3.扎实的专业知识和实践技能；4.正确的价值观和强烈的使命感。目录第1章电路基本概念第2章电路定律及定理第3章电路分析方法第4章正弦交流电路第5章半导体器件目录第6章直流稳压电源第7章三极管放大电路及分析第8章集成运算放大器及其应用第9章数字电路基础第10章组合逻辑电路与时序逻辑电路

1.1电路的基本物理量和工作状态1.2电路元件1.3电压源、电流源及受控源1.4电源的等效变换第1章

电路基本概念1.1电路的基本物理量1.1.1电路的组成①电源②负载③中间环节电路的功能和作用有两类：第一类是进行能量的转换、传输和分配；第二类是进行信号的传递与处理。

图1.1简单的电路图1.2电路模型（电路图）1.1电路的基本物理量表1.1常用理想元件及图形符号1.1电路的基本物理量

1.1.2电流及其参考方向1.电流(1)电流的定义：电荷的定向移动形成电流。大小和方向均不随时间变化的电流叫恒定电流（简称直流）电流强度I：即单位时间内通过导体任一横截面的电量Q(2)电流的单位换算：(3)电流的方向确定：正电荷的移动方向为电流的实际方向。在外电路中，电流由正极流向负极；在内电路中，电流由负极流向正极。电流的参考方向：①电流的参考方向可以任意指定②指定参考方向的用意是将电流看成代数量。电流值的正和负反映电流的实际方向和参考方向的关系。若实际方向和参考方向同向，则

i＞0若实际方向和参考方向反向，则

i＜01.1电路的基本物理量2.电压（1）电压的定义：电场力把正电荷从电场的A点移动到B点所做的功就是A、B两点间的电压。（2）电压的单位换算：（3）电压的方向：电压的实际方向规定为从高电位点指向低电位点，即由正极指向负极电压参考方向电压参考方向指定后，电压就是代数量。①采用正（+）负（-）极性表示，从正极性端指向负极性端的方向为电压参考方向②采用实线箭头表示③采用双下标表示，如UAB表示方向从A到B参考方向和实际方向同向，则u＞0参考方向和实际方向反向，则u＜01.1.4电位和电动势电位：是指在电路中任选一点作为参考点，某点到该点的电压称为该点的电位。用字母“V”表示。零电位点：事先指定的计算电位的起点。零电位点的选择：可选电路中任一点作为参考点，设其电位为0，用⊥表示。习惯上，常规定大地的电位为0，也可以是机器的机壳。高于零电位点的为正，低于零电位点的为负。1.1电路的基本物理量3.电动势：E电动势的方向规定为从低电位指向高电位，即由负极指向正极。

电动势在数值上等于非静电力把1库伦的正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功。公式：单位：伏特（V）注：电源外部电场力做功：W=UQ即单位时间内电场力所做的功称为电功率。电功率表示传递转换电能的速率，用“p或P”表示。在国际单位制中，电功率的单位是W（瓦特），此外还有千瓦（kW）、毫瓦（mW）等换算单位1.1.5电功率

功率的实际方向与u、i参考方向：

u、i取关联参考方向，即u、i同向时：

P＞0，功率为正，表示吸收功率，元件为负载

P＜0，功率为负，表示发出功率，元件为电源

u、i取非关联参考方向，即u、i反向时：

P＞0，功率为正，表示发出功率，元件为电源

P＜0，功率为负，表示吸收功率，元件为负载1.1.6电路工作状态电路工作状态：①有载工作、②开路、③短路1.电源有载工作的特点(1)电压与电流的关系：

a.电压源端电压：

有负载时，端电压总是小于电源电动势b.在电源考虑内阻时，当R0＜＜R时，U≈E，表明当负载变化时，

电源的端电压变化不大，即带负载能力强电源有载工作状态(2)功率的平衡：电源产生功率=电源输出功率+内阻损耗功率例：下图所示方框为电路元件，已知：UAB=

50V，I1=15A，I2=10A，I3=-5A，试求电路各元件的功率，并校验功率是否平衡。+-123ABI1I2I3UAB解：∵UAB=50V∴A点为“+”，B点为“-”∴I1实际方向与参考方向相同，电流与电压反向，“1”元件为电源，输出功率为：∵I1=15A∵I2=10A∴I2实际方向与参考方向相同，电流与电压同向，“2”元件为负载，吸收功率为：∵I3=-5A∴I3实际方向与参考方向相反，电流与电压反向，“3”元件为负载，吸收功率为：可见负载吸收的功率与电源输出的功率平衡B电源有载工作(3)电源与负载的判定电源：U、I实际方向相反，电流从“+”流出，发出（输出）功率。负载：U、I实际方向相同，电流从“+”流入，吸收（取用）功率。(4)额定值与实际值。电气设备工作在最佳状态时各个量的值称为额定值，处在实际工作状态时各量的值为实际值。

电源开路（断路或空载）2.电源开路的特点如图所示，当开关断开时，电源处于开路（空载）状态，此时电流为0，且电源的端电压U（或开路电压U0）等于电源电动势E电源短路3.电源短路的特点*当电源两端由于某种原因而连在一起时，电源被短路*电源短路时，电流不再经过负载，因此，形成短路电流IS*电源短路时外电阻为0，电源的端电压也为0，电源电动势全部加在内阻上电源短路例题分析若电源的开路电压U0=12V，其短路电流IS=30A，试问该电源的电动势和内阻为多少？解：电源的电动势为：电源的内阻为：欧姆定律1．欧姆定律：流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。欧姆定律公式实际测量电阻值时采用的伏安法，就是欧姆定律的应用。（如左图所示实验电路）由于在分析电路时，电压和电流的参考方向不同，欧姆定律公式变换表达式可正可负。a.电压和电流参考方向一致时b.电压和电流参考方向相反时2．闭合电路的欧姆定律

外电路中用电器都是纯电阻时，消耗的能量：

内电路的电阻消耗的能量：电流在流过电源时非静电力做功：∵能量守恒定律W=Q外+Q内∴电路中流过的电流大小与电动势成正比，而与电路的全部电阻成反比。1.2电路元件1.2.1电阻元件电阻在电路中起分压、分流、降压、限流、负载等作用。电阻元件是一个二端元件，它的电流方向和电压方向总是一致的，电流和电压的大小成代数关系。线性电阻的伏安特性曲线线性电阻元件的电流和电压的大小成正比，元件的电流与电压的伏安特性曲线是经过坐标原点的直线非线性电阻的伏安特性曲线电流和电压不成正比的电阻元件称为非线性电阻元件。其伏安特性曲线如图所示。公式中的“±”标明了电路中的电压和电流是否为关联参考方向电阻的倒数称为电导，用G表示，单位是西[门子]，G=1/R电阻电路的连接1.电阻的串联2.电阻的并联例题解析一白炽灯220V/60W接在220V的电源上，试求通过该灯的电流和其在220V电压下工作时的电阻。如果每晚用3小时，问一个月消耗多少电能？

解：白炽灯电流

220V时的电阻

一个月消耗电能（按30天计算）1.2.2电感元件电感元件是表征产生磁场、存储磁场能量的元件。电感线圈上电压为u，当通过电流i时，将产生磁通Φ。设磁通通过每匝线圈，若线圈有N匝，则L称为电感，单位H（亨）贴片电感电感元件

当电感元件中磁通Φ或电流i变化时，则在电感元件中产生的感应电动势为线圈两端的电压当线圈中通过恒定电流时，其上电压为零，故电感元件可视为短路。对上式两边乘以i，并积分之，则表明：当电感元件中的电流增大时，磁场能量增大；在此过程中电能转换为磁能，即电感元件从电源取用能量。当电流减小时，磁场能量减小，磁能转换为电能，即电感元件向电源返还能量。因此，电感是储能元件。*电感的串、并联n个具有相同初始电流的电感的串联

即有由于各电感中电流相等，各电感电压之和等于总电压：因此等效电感：*电感的串、并联n个具有初始电流分别为的电感并联根据KCL可知等效电感和初始电流分别为1.2.3电容元件电容元件是储存电能的元件，是实际电容器的理想化模型。一个二端元件，如果在任意时刻，其端电压u与其储存的电荷q之间的关系为C=q/u，就称为电容。电容的单位是法[拉]（F），由于法[拉]的单位太大，工程上多采用微法（μF）和皮法（pF）当电容上电荷[量]q或电压u发生变化时，则在电路中引起电流当电容两端加恒定电压时，其中电流i为零，故电容元件视为开路。（u和i的参考方向相同，否则要加负号）电容吸收的功率为则0→t时刻，电容吸收的能量WC为即电容元件中储存的电场能量是表明：当电容元件上的电压增高时，电场能量增大，在此过程中电容元件从电源取用能量（充电）；

当电压降低时，电场能量减小，即电容元件向电源返还能量（放电）。因此，电容元件是储能元件。*电容的串、并联n个电容的串联，对于每一个电容都具有相同的电流串联的等效电容为：u(t0)是n个串联电容的等效初始条件，其值为*电容的串、并联n个电容并联，且，由于各电容电压相等，根据KCL可得并联的等效电容为1.3电源元件1.3.1电压源理想电压源基本特性是其电动势（或端电压）保持固定不变或者是一定的时间函数e(t)，但电压源输出的电流由电源与外电路共同决定。端电压可以按照某一给定规律变化，而与其电流无关的二端元件，称为理想电压源（恒压源）实际电压源可以用理想电压源与电阻串联表示。理想电压源具有以下特点：①电压源对外提供的电压u(t)是某种确定的时间函数，不会因为外电路不同而改变，即②通过电压源的电流i(t)随外接电路不同而不同理想电压源连接外电路时工作情况：①当外电路的电阻R=∞时，电压源处于开路状态，I=0，其对外提供的功率为P=USI=0②当外电路的电阻R=0时，电压源处于短路状态，I=∞，其对外提供的功率为P=USI=∞③当外电路的电阻为一定值时，电压源对外输出的电流为I=US/R，对外提供的功率等于外电路电阻消耗的功率，即1.3.2电流源输出电流总能保持常数或一定的时间函数，电流的大小与端电压无关的电源为理想电流源。电流源基本特性是其发出的电流IS不变或者是一定的时间函数is(t)，但电流源的端电压由电源与外电路共同决定。实际电流源可以用理想电流源和电阻并联表示。理想电流源具有以下特点：①电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关，与其两端电压无关②电流源两端的电压由本身输出电流及外部电路共同决定理想电流源连接外电路的工作情况：①当外电路电阻R=0时，电流源处于短路状态，i=is，电流源两端电压u=0②当外电路电阻R=∞时，电流源处于开路状态，u=isR=∞，理想电流源不允许开路③当外电路电阻为某一定值时，电流源两端的电压为u=isR,其对外提供的功率例题解析如图所示电路，已知电源电动势US=6V，内阻R0=0.2Ω，当接上R=5.8Ω负载时，分别用电压源模型和电流源模型计算负载消耗的功率和内阻消耗的功率。

解：a.用电压源模型计算电压源电流负载消耗的功率内阻消耗的功率例题解析b.用电流源模型计算

内阻R0=RS=0.2Ω电流源的电流负载中的电流负载消耗的功率内阻消耗的功率1.3.3受控电源1.4.1理想电压源的串联和并联n个电压源串联，就端口而言，等效于一个独立电压源。根据