电工电子技术应用（第2版）

学习情境1摩托车照明电路的制作一、知识准备二、任务实施三、能力与知识拓展—直流电压表、电流表量程的扩充一、知识准备1.1简单电路的认识1.1.1认识电路图1-2所示为一个简单的实际电路，图1-3所示为用以代替实际电路的电路模型。1.电路的组成简单地说，电路就是电流的通路。实际电路的组成形式多种多样，但通常由三个部分组成:电源、负载和中间环节。电源:电源是提供电能的设备。电源是把其他形式的能量转换为电能的装置。例如，电池是把化学能转变成电能;发电机是把机械能转变成电能。目前，实用的电源类型很多，最常用的电源是干电池、蓄电池和发电机等。下一页返回一、知识准备负载:在电路中，使用电能的各种设备统称为负载。负载是将电能转换成其他形式能的装置。常见的负载如灯泡、电炉、电动机等，其中灯泡是将电能转换成光能和热能;电炉把电能转换为热能;电动机将电能转换成机械能。中间环节:中间环节是连接电源和负载的部分，使它们构成电流的通路，把电源的能量输送给负载，并根据需要控制电路的接通和断开。电路中，简单的中间环节可以仅由连接导线和开关组成，但复杂的中间环节包括各种辅助设备，用来实现对电路的控制、分配、保护及测量等作用。常用辅助设备包括各种开关、熔断器及测量仪表等。上一页下一页返回一、知识准备2.电路模型在研究电路时，为了便于电路的描述，把实际的元件抽象成为理想化的模型，用规定的图形符号来表示，并使用这种理想化的元件模型近似地代替实际元件，从而构成与实际电路相对应的电路模型(

图1-3)。部分常用理想电路元件的图形符号及文字符号如表1-1所列。3.电流和电压的参考方向电流和电压是电路中的基本物理量，它们的实际方向在物理学中已做过明确的规定，即电路中电流的实际方向是正电荷运动的方向;电路中两点间电压的实际方向是从高电位端指向低电位端即为电位降的方向。

上一页下一页返回一、知识准备1)电流的参考方向在电路分析中，我们往往不能预先知道电流的实际方向或者电流的实际方向不断发生变化(例如交流电流)，很难在电路中标明电流的实际方向。为此，我们在电路中引入人为假定的电流方向，称之为电流的“参考方向”。如图1-4所示，在计算电路之前，任意选择支路电流的参考方向(图中以实线箭头表示)。通过计算，如果所得的电流为正值(I>0)，说明电流的实际方向与参考方向一致;若为负值(I<0)，则电流的实际方向与参考方向相反。引入电流参考方向后，根据电流的正负，便可以确定其实际方向(图中以虚线箭头表示)。上一页下一页返回一、知识准备电流的参考方向在电路中一般用箭头表示，也可以用双下标表示，iab表示参考方向由“a”指向“b”。参考方向是电路中一个重要的概念，学习时应注意以下两点:①电流的参考方向可以任意设定，但一经设定就不得改变;②不标参考方向的电流没有任何意义，只有在指定电流参考方向的前提下，电流值的正负才能反映出电流的实际方向。2)电压的参考方向与电流一样，为方便电路分析，需选定一个电压的参考方向。设定参考方向后，若计算所得电压为正值(u>0)，则实际方向与电压的参考方向一致;若电压为负值(u<0)，则电压的实际方向与电压的参考方向相反。上一页下一页返回一、知识准备在选定的电压参考方向下，根据电压值的正负，就可以确定电压的实际方向。电压参考方向可用箭头来表示，如图1-5(a)所示;或用极性符号来表示，“+”表示高电位，“-”表示低电位，如图1-5(b)所示;也可用双下标表示，Uab表示“a”为高电位，“b”为低电位，如图1-5(c)所示。3)关联参考方向和非关联参考方向一段电路或一个元件上的电压参考方向和电流参考方向可以分别独立地加以任意指定。当电流、电压的参考方向一致时，称之为关联参考方向，如图1-6(a)中的U和I；反之称为非关联参考方向，如图1-6(b)中的U和I。一般来说，对负载采用关联参考方向，对电源采用非关联参考方向。上一页下一页返回一、知识准备4.电位与电动势1)电位如果选择电路中的某点O为零电位参考点，则a点对O点的电压Uab称为a点的电位，记作Va。零电位参考点是可以任意选取的，因此电位的高低是相对的，与设定的零电位参考点有关。当Va>0时，a点电位为正电位;当Va<0时，a点电位为负电位。电路中，任意两点a,b间的电压Uab可以由这两点对零电位参考点的电位之差(电位差)来计算，即Uab=Va-Vb(1.1)参考点与电位的相互关系为:(1)电位参考点可以任意选择，参考点一经选定，电路中各点的电位值就是唯一的。上一页下一页返回一、知识准备(2)参考点不同，电路中各点的电位也不同，但任意两点间的电位差(电压)不变。2)电动势水泵的作用是把低处的水抽到高处，因为有了水泵，广场的喷泉中才有源源不断的水流。在电路中，正电荷是从高电位流向低电位的，因此要维持电路中的电流就必须也有这样一个“水泵”，它就是电源。电源能把正电荷从低电位移至高电位，电源的内部存在非电场力。非电场力把单位正电荷从电源内部由低电位端移到高电位端所做的功，称为电动势，用字母e(或Us)表示。其单位与电压相同，用V(伏特)表示。上一页下一页返回一、知识准备设在电源内部非电场力把正电荷dσ从低电位端移到高电位端所做的功为dW，则电源的电动势为e(t)=dW/dσ(1.2)电动势是衡量电源做功能力的物理量，这和前面所述的电压是衡量电场力做功能力的物理量是相似的。它们的区别在于电场力能够在外电路中把正电荷从高电位端(正极)移向低电位端(负极)，电压正方向规定为自高电位端指向低电位端，是电位降低的方向;而电动势能把电源内部的正电荷从低电位端(负极)移向高电位端(正极)，电动势的正方向规定为在电源内部自低电位端指向高电位端，也就是电位升高的方向，如图1-7所示。

上一页下一页返回一、知识准备5.电功率与电功电路是电流流过的路径，也是电能流动的路径。电场力做功的过程就是能量车令化的过程。1)电功率电功率简称功率，它指单位时间内电场力做的功，即单位时间内电路吸收或释放的电能，通常用P表示。在物理学中一个元件上的电功率等于该元件两端的电压和通过其电流的乘积，即P=UI(1.3)若电压电流都是变量，则瞬时功率为ρ=ui上一页下一页返回一、知识准备式(1.3)是按电压和电流为关联参考方向表示的;若电流和电压为非关联参考方向，电路的功率为P=-UI(1.4)电路消耗的功率有以下几种情况:①P>0，说明该段电路消耗功率，为负载性质;②P=0，说明该段电路不消耗功率，为导线性质;③P<0，说明该段电路发出功率，为电源性质。2)电功电流流过负载时，负载将电能转化成其他形式的能。电流所做的功称为电功(电能)，用符号W表示。

上一页下一页返回一、知识准备在直流电路中，电流、电压均为恒值，在t时间内电路消耗的电能为W=UIt(1.5)在国际单位制(SI)中，电功W的单位是焦耳，简称为焦(J)。日常生活中常用“度”来衡量使用电能的多少，功率为1kW的设备用电1小时所消耗的电能为1度，即1度=1千瓦x1小时=3.6x10^6J1.1.2电路的工作状态电路的三种工作状态分别为通路、断路和短路，如图1-9所示。1.通路(负载工作状态)电源与负载通过中间环节接成闭合回路的情况称为通路，如图1-9(a)所示状态。上一页下一页返回一、知识准备忽略输电导线的电阻时，根据全电路欧姆定律，有I=E/(RL+R0)(1.6)可见，当电源的电动势E和内阻R0一定时，若负载电阻RL越小(即负载越大)，则电路中的电流也越大。由上式得U=UL=E-IR0(1.7)可见，当电源的电动势E和内阻R。一定时，电源端电压U随着负载的增大，即随着电流I的增大而减小，电源端电压U与电源输出电流I之间的关系曲线U=f(I)称为电源的外特性曲线，如图1-10所示。上一页下一页返回一、知识准备由于电源的内阻R0通常很小，当R0远小于RL时，电源端电压U随电流I的增大而下降很少，实际的电源外特性曲线可以看成是一条微下斜的直线。2.断路(电源开路状态)电源与负载不接成闭合回路的情况称为断路，如图1-9(b)所示。电源处于开路状态时，电路中的电流为零，相当于负载电阻RL等于无穷大的情况，电源不能输出电能。此时，电源的端电压U称为电源开路电压，用符号UOC表示。电源开路电压UOC等于电源电动势E,即UOC=E(1.8)上一页下一页返回一、知识准备3.短路由于某种原因，使电源的输出电流不经过负载而直接形成回路称为短路，如图1-9(c)所示。由于短路点间的电阻几乎为零，因此电流不流过负载电阻RL，此时，电源输出的电流称为短路电流，用符号Is表示，有Is=E/R0(1.9)因为电源内阻R。通常很小，所以短路电流Is通常很大。很大的短路电流流过电气设备时，将使电气设备因温度过高或电磁力过大而迅速损坏。电源短路是一种严重事故，应该防止其发生。上一页下一页返回一、知识准备产生短路的原因，通常是由于电气设备的绝缘损坏、接线错误等。为了避免或减少电源短路带来的损失，通常在电路中接人熔断器或自动断路器，一旦短路故障发生可以迅速切断电路的电源。1.2电路元件及电路的连接1.2.1电路元件在电路理论中，实际的电路元件是用理想化的电路元件的组合来表示的。理想的电路元件按与外部连接的端子数目可分为二端和多端元件;按是否给电路提供能量分为无源元件和有源元件。上一页下一页返回一、知识准备元件的参数如不随端子上电压或电流数值变化称线性元件，否则称非线性元件。本章涉及的无源理想二端元件有电阻、电感和电容。电阻、电感和电容等电路元件如图1-11所示。1.电阻元件电阻是具有两个端钮的理想元件，通常用字母R来表示。1)部分电路欧姆定律当电阻两端加上电压时，电阻中就会有电流通过，如图1-12所示。实验证明:在一段没有电动势而只有电阻的电路中，电流I的大小与电阻R两端的电压U成正比，与电阻值R的大小成反比。上一页下一页返回一、知识准备在电压、电流的关联方向下，一段电阻电路的欧姆定律表达式为U=IR(1.10)需要指出的是:电阻元件上电压和电流的参考方向相反时，上述欧姆定律数学公式应加一负号，即U=-IR。电阻的单位是Ω(欧姆)，简称欧。常用的电阻单位还有1kΩ(千欧),1MΩ(兆欧)，它们的关系为1kΩ=10^3Ω，1MΩ=10^6Ω2)全电路欧姆定律如图1-13所示，在闭合电路中，E为电源的电动势;R0为电源的内阻;E与R0构成了电源的内电路，如图中虚线框的部分;R为负载电阻，是电源的外电路，外电路和内电路共同组成了闭合电路。上一页下一页返回一、知识准备为使电压平衡，有U=E-IR0E=U+IR0=IR+IR0上式整理得I=E/(R+R0)(1.11)式(1.11)就是全电路欧姆定律，其意义是:电路中流过的电流，其大小与电动势成正比，而与电路的全部电阻之和成反比。3)线性电阻与非线性电阻对满足欧姆定律的电阻称为线性电阻，即电阻两端的电压与通过的电流成正比，其电阻值是一个常数。上一页下一页返回一、知识准备线性电阻的伏安特性是一条通过坐标原点的直线，如图1-14(a)所示;反之，不满足欧姆定律的电阻称为非线性电阻，如图1-14(b)所示。实际上，所有电阻器、电炉等元件的伏安特性或多或少地存在着非线性关系。但是，这些元件在一定的工作电流范围内，它们的伏安特性近似为一直线，所以这些元件均可认为是线性电阻。全部由线性元件组成的电路称为线性电路(本章仅讨论线性直流电路)。2.电容元件在电气工程中，电容器的应用非常广泛，且种类繁多。按电容量能否改变分为固定电容和可变电容;按中间介质不同又有空气电容、纸介质电容、电解电容、瓷介质电容等。上一页下一页返回一、知识准备所有电容的基本结构相同，都是在两块平行的金属板之间隔以不同的介质构成的。线性电容是具有两个端钮的理想元件，通常用字母C来表示，其电路符号如图1-15所示。在图中指定参考方向下有σ=Cu(1.12)若将σ,u分别作为纵、横坐标，可以画出电容的库伏特性曲线，如图1-16所示。线性电容C的大小与电压无关，其大小取决于电容的结构。在国际单位制中，电容的单位为法拉(F)，常用单位还有微法(μF)和皮法(ρF)。上一页下一页返回一、知识准备当将电容接到电源上后，电容器极板上就聚集了等量的异号电荷，介质中建立起了电场，并储存了电场能量。当电源除去以后，电荷并不消失，因此电容是一种能储存电场能量的电路元件。3.电感元件通常，把金属导线绕在一骨架上来构成一实际电感器，如图1-17所示。线性电感是一种理想的二端元件，通常用字母L来表示，电路符号如图1-18所示。当电感中通以电流i时，线圈内部就会有磁场产生，伴随有磁通ΦL出现。整个线圈的总磁通量称为全磁通或磁通链。在理想的情况下，每匝线圈的磁通均相同，一个N匝的线圈其磁通链ψL=NΦL。ΦL和ψL都是线圈本身电流产生的，称为自感磁通或自感磁通链。上一页下一页返回一、知识准备当ΦL和ψL的参考方向与电流i参考方向之间满足右手螺旋定则时，有ψL=Li(1.13)式(1.13)中，L称为线圈的自感或电感。在国际单位制中，磁通和磁通链的单位是韦伯(Wb)，自感的单位是亨利(H)。若L=ψi/i为常数时，称为线性电感，线性电感的韦安特性曲线如图1-19所示，是通过原点的一条直线。1.电阻器的标注方法1)直接标注法直接标注法是在电阻上直接标注标称阻值和允许误差(偏差)，如电阻上标有"20K±5%"，则表示电阻的阻值为20kΩ，误差为±5%，如图1-20(a)所示。上一页下一页返回一、知识准备2)文字标注法文字标注法是用字母和数字符号按一定的规律组合起来，在电阻上标注其主要技术参数的方法，即阻值的整数部分写在其单位符号的前面，阻值的小数部分写在单位符号的后面。如电阻上标有“4K7Ⅱ”，表示电阻的阻值是4.7kΩ，允许误差为±10%，如图1-20(b)所示。注:I级为允许误差±5%;II级为允许误差±10%;Ⅲ级为允许误差120%。3)色环标注法色环标注法是用不同颜色的色环，按照规定的排列顺序在电阻上标注标称阻值和允许误差的方法。常用于小功率电阻，特别是0.5W及以下的碳膜电阻和金属膜电阻。上一页下一页返回一、知识准备(1)四色环标注法。这种标注的方法多用于普通电阻器上。它用四条色带表示电阻器的标称阻值和允许偏差，其中前三条色带表示标称阻值，后一条表示允许偏差。表示标称阻值的三条色带中，第一条和第二条分别表示第一位和第二位有效数值，第三条色带表示有效数值的倍率，如图1-21(a)所示。(2)五色环标注法。这种标注方法多用于精密电阻器。它用五条色带表示电阻器的标称阻值和允许偏差，其中前四条表示标称阻值，最后一条表示允许误差，如图1-21(b)所示。上一页下一页返回一、知识准备4)数字标注法用一组数字标注在电阻上表示电阻的标称阻值，如202表示20x100Ω;53表示5x10^3Ω;512表示51x100Ω。数字标注法和色环标注法也适合电感器，识读方法与电阻相同，单位是μH。5)电阻器的额定功率当电流通过电阻器时，电流会对电阻器做功，电阻器会发热。电阻器所能承受的发热是有限度的，如果电阻器上所加电功率大于它能承受电功率时，电阻器就会温度过高而烧毁，所以电阻器要有规定的额定功率。上一页下一页返回一、知识准备电阻器长期工作时所允许承受的最大电功率称为额定功率。常用电阻的功率有1/8W,1/4W,1/2W,1W,2W,3W,5W,10W等。表示电阻额定功率的图形符号如图1-22所示。2.电容器的标注法1)直接标注法方法与电阻器相同，有些电容器由于体积较小，在标注时为了节省空间，省略了单位，但必须遵照以下规则:(1)凡无单位的整数，省略的单位是ρF，如620表示620ρF。(2)凡带小数点其无单位的数，省略的单位是μF，如0.33表示0.33μF。上一页下一页返回一、知识准备(3)许多小型固定电容器，如瓷片电容器，其耐压在100V以上，比一般晶体管电路工作电压要高得多，通常省略不标注。但高电压瓷片电容器的耐压必须标注，如560pF/1600V。2)文字标注法与电阻器相同。例如:n33表示0.33nF;2P2表示2.2ρF;6n8表示6.8nF即6800ρF。电容量允许误差:B表示±0.1ρF;C表示±0.25ρF;D表示±0.5ρF;F表示±1ρF。3)数字标注法与电阻器相同，如103表示10x103ρF;223表示22x103ρF。上一页下一页返回一、知识准备1.2.2电路的连接在电路中，由于不同的工作需要，常将许多元件按不同的方式连接起来，组成一个较复杂的电路网络。电路的连接方式多种多样，其中最简单和最常用的是电阻的串联和并联。串联电路和并联电路分别如图1-23(a),(b)所示。图(c)是既有串联也有并联的混联电路。1.电阻的串联两个或两个以上电阻依次相连，中间无分支的连接方式称为电阻的串联电路，如图1-23(a)所示。几个串联电阻可用一个等效电阻来表示，等效的条件是在同一电压U的作用下电流I保持不变。上一页下一页返回一、知识准备如图1-23所示，图(a)的电路可以等效为图(d)的电路。1)串联电路的性质(1)串联电路中，流过每个电阻的电流都相等，即

(2)串联电路两端的总电压等于各电阻两端的电压之和，即

(3)串联电路的等效电阻(即总电阻)等于各串联电阻之和，即

(4)串联电路的总功率等于各串联电阻功率之和，即

上一页下一页返回一、知识准备2)串联电路的分压作用在串联电路中，电压的分配与电阻值成正比，即电阻值越大的电阻所分配的电压越大，反之电压越小。各电阻上消耗的功率与其电阻值成正比。当只有两个电阻串联时，U1和U2分别为3)电阻串联的应用在实际中，利用串联分压的原理，可以扩大电压表的量程，还可以制成电阻分压器。

上一页下一页返回一、知识准备2.电阻的并联两个或两个以上电阻接在电路中相同的两点之间的连接方式，称为电阻的并联电路。几个串联电阻可用一个等效电阻来表示，如图1-23所示，图(b)的电路可以等效为图(d)的电路。1)并联电路的性质(1)并联电路中，各电阻两端的电压相等，且等于电路两端的电压，即(2)并联电路中的总电流等于各电阻的电流之和，即

上一页下一页返回一、知识准备(3)并联电路的等效电阻(即总电阻)的倒数等于各并联电阻的倒数之和，总电阻小于任一并联电阻。

(4)并联电路消耗功率的总和等于并联各电阻消耗功率之和，即2)并联电路的分流作用在并联电路中，电流的分配与电阻值成反比，即电阻值越大的电阻分配的电流越小，反之电流越大。当两个电阻并联时，I1和I2分别为上一页下一页返回一、知识准备3)电阻并联的应用利用电阻并联的分流作用，可扩大电流表的量程。在实际应用中，用电器在电路中通常都是并联运行的，属于相同电压等级的用电器必须并联在同一电路中，这样才能保证它们都在规定的电压下正常工作。3.电阻的混联既有电阻串联，又有电阻并联的电路称为电阻混联电路。在计算串、并及混联电路的等效电阻时，关键在于识别各电阻的串、并联关系。上一页下一页返回一、知识准备1.2.3电源电源是将其他形式能量转换成电能的装置。常用的直流电源有干电池、蓄电池、手机电池和太阳能电池等，如图1-24所示。1.电压源电压源(理想电压源)是一种理想二端元件:电压源两端电压是一个定值Us或是一定的时间函数us(t)，与流过它的电流无关。如果电压源的电压是定值US，则称之为直流电压源，如图1-25所示。图1-26所示是直流电压源的伏安特性。理想电压源的内阻等于零，电压源的容量无穷大。电压源严禁短路，可以串联使用但不能并联使用。

上一页下一页返回一、知识准备2.电流源电流源(理想电流源)也是一种理想二端元件:电流源向外输出定值电流Is或一定的时间函数is(t)而与它的端电压无关。如果电流源的输出电流是定值Is，则称之为直流电流源，如图1-27所示。图1-28所示是直流电流源的伏安特性。理想电流源的内阻等于零，电流源的容量无穷大。电流源严禁开路，电流源可以并联使用但不能串联使用。3.基尔霍夫定律与支路电流法下面是一个较复杂的电路，如图1-29所示。若知道各个电源电压及各个电阻阻值，看一看能不能简单用欧姆定律求出各个电流？上一页下一页返回一、知识准备很显然，这个电路不能简单用欧姆定律解题。那么，用什么方法可以算出答案呢?1.基尔霍夫定律基尔霍夫定律是分析、计算电路的基本定律，包括基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律，前者应用十节点，后者应用十回路。运用基尔霍夫定律可以简化复杂电路的分析、计算。1)支路、节点、回路(1)支路:同一电流所流经的路径。图1-29中共有三条支路，即acb支路、ab支路,adb支路。(2)节点:三条或三条以上支路的连接点。图1-29中有a,b两个节点。(3)回路:由若干支路组成的闭合路径。图1-29中有三个回路，即abca,abda,adbc三个回路。上一页下一页返回一、知识准备(4)网孔:不含支路的闭合路径。在图1-29中，有abca,abda两个网孔。2)尔霍夫电流定律(KCL)基尔霍夫电流定律用于确定连接同一节点各支路电流之间的关系。由于电流是电荷连续运动形成的，电路中的任一节点都不可能堆积电荷，即电流具有连续性。因此，对电路中任一节点而言，任一时刻流入某节点的电流之和等于流出该节点的电流之和，这就是基尔霍夫电流定律，即∑Ii=∑I0(1.16)式中:Ii为流入节点的电流;I0为流出节点的电流。上一页下一页返回一、知识准备根据图1-29中选定的各支路电流的正方向，列出节点a的KCL方程为I1+I2=I3(1.17)基尔霍夫电流定律适用于节点，也可以应用于任一假想的闭合面(广义节点)。如图1-30所示，可以将包含A,B,C三个节点的闭合面看成是一个广义节点，容易证明在任一瞬时有IA+IB+IC=0图1-30中，IA,IB,IC的方向为选定的正方向，但不一定是实际方向。3)基尔霍夫电压定律(KVL)基尔霍夫电压定律用于确定某一回路中各段电路电压之间的关系。上一页下一页返回一、知识准备对于电路中的任一回路，在任一瞬时，沿闭合回路绕行一周的电位升之和等于电位降之和，即∑UT=∑Uf(1.18)式中:UT为电位升;Uf为电位降。根据图1-29中选定的各支路电流的正方向，并设绕行方向为顺时针方向，回路adbca的KVL方程为E1+I2R2=I1R1+E2将上式改写成E1-E2=I1R1-I2R2即∑E=∑IR(1.19)上一页下一页返回一、知识准备式(1.19)是基尔霍夫电压定律的另一种表达式，即以某选定绕行方向沿着任一闭合回路绕行一周，回路中所有电动势的代数和等于所有电阻上电压降的代数和。当电动势的正方向与选定绕行方向一致时，电动势取正号;反之，电动势取负号。当电阻上的电流正方向与选定绕行方向一致时，电阻上的电压取正号;反之，电阻上的电压取负号。基尔霍夫电压定律还可以推广用于开口电路。如图1-31所示，运用式(1.19)可以对回路I列出KVL方程式E=I1R1+I2R2+IUoc上一页下一页返回一、知识准备上式中，假定电路开u处两端接负载，若L,的实际方向与图1-31中的正方向相同时，且计算出Uoc的值为正(上“+”、下“-”)，则说明ab段电路确实接负载(或电位降);若计算出Uoc的值为负，则说明ab段电路接电源(或电位升)。2.支路电流法在分析与计算复杂电路时，单独运用欧姆定律、基尔霍夫电流定律、基尔霍夫电压定律很难求解，往往需要混合运用这些定律使求解简化。支路电流法是以支路电流为待求量，应用基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律分别对节点和回路列出所需要的方程，联立方程组求解，以求出电路中支路电流。应用支路电流法求解的步骤如下:上一页下一页返回一、知识准备(1)选定各支路的电流正方向，如图1-33所示的电流I1,I2,I3。(2)确定独立节点，应用基尔霍夫电流定律列出相应的独立节点方程式。电路中有n个节点时，只能列出(n-1)个独立的节点方程式。如图1-33中，有两个节点，所以只能列出一个独立的节点方程式。对节点a，有I1+I2=I3(3)确定回路，为保证每个方程为独立方程，通常可选网孔回路列出电压方程式。图1-33有两个网孔回路，可列出两条电压方程式。对回路I，有E1=I1R1+I3R3上一页下一页返回一、知识准备对回路Ⅱ，有-E2=-I2R2-I3R3对于b条支路，n个节点，待求支路电流有b条的电路，应用基尔霍夫电流定律可列出(n-1)个独立方程，用基尔霍夫电压定律可列b-(n-1)个独立方程，一共可列b个独立方程，可求解出b条支路。(4)联立方程组，解出各支路电流。(5)验算。将求解结果代人未应用过的回路方程式中，验算计算结果是否正确。1.4万用表的使用万用表的外形及各部分结构名称如图1-35所示，万用表的表盘及刻度线名称如图1-36所示。

上一页下一页返回一、知识准备万用表是一种多功能携带式电工仪是维修电工必备的仪表之一。万用表既可以测量电压、电流、电阻，还可以判断各种元器件的好坏，是维修电工的得力帮手。万用表按其结构、原理不同分为指针式万用表和数字式万用表两大类。在此着重介绍指针式万用表。指针式万用表有MF-30型,MF-50型、MF-47型等多种型号，其中MF-47型万用表的灵敏度较高，操作简单，还可以测量晶体三极管的放大倍数和2500V的高压，内部有保护电路，结构较牢靠，是机床电气维修比较理想的一种万用表。图1-37为MF-47万用表原理线路图。万用表的结构主要由表头、测量线路、转换开关、面板及表壳等部分组成，它采用磁电式仪表为测量机构。上一页下一页返回一、知识准备1.直流电流挡万用表的直流电流挡，实际上是一个多量程的直流电流表，由表头和测量电路组成。表头实际上是一个满偏电流很小的电流表，扩大量程的方法是并联分流电阻。在多量程的直流电流表中，通常采用改变分流电阻来改变量程的大小，分流电阻越大，其量程越小;反之，量程越大。使用直流电流挡测量电流时应注意以下几点:(1)机械调零。转动机械调零旋钮，使指针对准刻度盘的“0”位线。(2)选择合适的量程挡位。测量时，应选择较大的量程，同时要注意选用的量程不能大于被测电流的50倍，否则，指针摆动很小，会造成较大的读数误差。

上一页下一页返回一、知识准备(3)将万用表与被测电路串联。(4)注意被测电量极性。应使被测电流从红表笔流入，从黑表笔流出。如果不知道电流的方向，可用“点测法”来判断。2.直流电压挡用万用表的表头测量直流电压时，必须扩大其量程，方法是:利用串联电阻的原理，在表头支路串人一个阻值较大的电阻，使其降去很大一部分电压，这种方法称为附加电阻法。附加电阻不同，电压的量程也就不同。附加电阻越大，其量程就越大;反之，量程就越小。使用时应注意:(1)机械调零。(2)选择合适的量程挡位。上一页下一页返回一、知识准备(3)将万用表与被测电路并联。(4)要注意被测电压的正负极性，应将红表笔接高电位端，黑表笔接低电位端。如果不知道被测电路电位高低，可用“点测法”来判断。3.交流电压挡交流电压挡比直流电压挡多了一个整流电路，其使用方法与直流电压挡相同，但应注意:(1)无须考虑被测电压的极性。(2)被测交流电的频率不能超出50~2000Hz的范围，否则会产生严重的误差。(3)只能用来测量正弦交流电压，而不能直接测量非正弦电压。

上一页下一页返回一、知识准备4.欧姆挡用万用表测量电阻时，应将转换开关旋至欧姆挡的某一挡位。在测量电阻之前，应进行调零，即将两表笔短接，调节“欧姆调零”旋钮，使表头指针对准电阻为零的刻度处;然后把表笔分别接到被测电阻的两端，从“Ω”刻度尺上读取数值，将读数乘以电阻倍率，即可得到被测电阻的值。测量电阻时还应注意:(1)调零时，调整“欧姆调零”旋钮后，指针仍不能指在零位，应更换新电池后再使用。(2)测量电阻的每一挡位的范围都是0~∞，但各挡位有不同的欧姆中心值，即指针指在表盘中央位置时所测量的电阻值(即此挡万用表的内阻值)。上一页下一页返回一、知识准备测量电阻时，要选择合适的倍率，应尽量使所选挡位的欧姆中心值接近被测电阻的值，即尽量使指针指在表头中央位置附近，以提高测量精度。(3)被测电阻不能带电，否则容易损坏电表。(4)测量电路中的电阻时，一定要将其一端从电路断开，以防电路中还有电阻。(5)测量电阻时，不要用手同时触及电阻两端，以防将人体电阻并在被测电阻上。)1.电感器的检测用万用表欧姆挡检测电感器的直流电阻，以此来判断电感器的好坏。上一页下一页返回一、知识准备一般电感线圈的直流电阻值很小(零点几欧至几欧)，低频扼流圈的直流电阻最多也只有几百至几千欧。当测出线圈电阻无穷大时，表明线圈内部或引出端已经断线。注意:在测量时，线圈应与外电路断开，以避免外电路对线圈的并联作用造成错误的判断。2.电容器的检测电容器的质量异常表现为短路(被击穿)、断路、漏电和容量减小、失效。容量大于1μF的电容器可用万用表Rx1K挡进行检测。每次检测前，都必须将电容器两极短路放电后再进行。具体检测如下:上一页下一页返回一、知识准备1)估测电容器容量的大小用万用表两个表笔分别接电容器两端，指针应向小电阻值侧摆动，然后慢慢回摆至∞附近。迅速交换表笔再测一次，看指针摆动情况，摆幅越大表明电容器的电容量越大。2)判断电容器质量好坏若表笔一直接通电容器的引线，指针最终应指在∞附近;如果指针最后指示值不为∞，表明电容器有漏电现象，其电阻值越小，漏电越大，该电容器的质量就越差。3)判断电容器的短路如果在测量时，指针一下指到0欧姆而不回摆，表示该电容器已短路(被击穿)。上一页下一页返回一、知识准备4)判断电容器的失效如果在测量时，指针根本不动，表示电容器已经失去容量(失效)。3.电阻、直流电压、直流电流和交流电压的测量(1)测量电阻R1,R2的阻值，测量干电池的电压，将电池和电阻串联起来，测量电路的电流I。(2)测量220V交流电电压，将两表笔插入供电插座内，注意手不要接触表笔的金属部分，以保证安全。将以上测量结果填入表1-2中。上一页返回二、任务实施1.电路组建在摩托车照明电路中，L1为前大灯(12V,0.2A),L2为尾灯(12V,0.1A),L3为转向灯(12V,0.1A)。S1开关控制L1和L2两盏灯，S2开关控制L3一盏灯，电源电压E为12V，内阻风R0=51Ω。转向灯应为左右两盏灯，用组合开关控制，在此为了简单起见，转向灯只保留了一盏灯L3和一个开关S2。晚上开车时，闭合S1开关，前大灯和尾灯都亮。如图1-38所示，按照电路图组建电路。2.测量步骤(1)用万用表的欧姆挡分别测量每个灯泡的电阻，把所测数据记录到表1-3中。

下一页返回二、任务实施(2)把S1开关合上，用万用表的电压挡分别测量L1和L2两端电压以及电源两端的电压，用万用表的电流挡分别测量流过L1和L2的电流以及流过电源的电流，分别计算L1,L2和电源的功率，把所测的数据和计算结果记录到表1-3中。(3)把S1和S2两个开关合上，用万用表的电压挡分别测量L1、L2和L3两端电压以及电源两端的电压，用万用表的电流挡分别测量流过L1、L2和L3的电流以及流过电源的电流，分别计算L1、L2，L3和电源的功率，把所测的数据和计算结果记录到表1-3中。上一页返回三、能力与知识拓展—直流电压表、

电流表量程的扩充图1-39所示为直流电压表和直流电流表。前面提到，万用表的表头实际上是一个小量程的电流表，也就是灵敏电流计，表头主要组成部分为永久磁铁和放在永久磁铁中的可以转动的线圈。其工作原理是电磁感应现象，当线圈中有电流通过时，通电线圈在永久磁铁所形成的磁场中受到磁场力的作用而偏转，随着电流的增大，线圈的偏转角度增大，于是指针所指示的测量值就大。表头的内阻RG一般是不会改变的，当表头内通过的电流增大到一定的值时，指针会偏转到最大，此时的电流称之为满偏电流，用IG表示。显然，此时表头两端的电压也是最大的，称为满偏电压，用UG来表示。下一页返回三、能力与知识拓展—直流电压表、

电流表量程的扩充根据欧姆定律可知UG=IGRG由于IG很小(几百微安一几十毫安)，RG通常为几百欧姆，故UG也比较小。因此，灵敏电流计的测量范围很小，无法满足实际电路中测量电流和电压的需要。所以，实验中使用的电压表、电流表和万用表的电压电流挡，实际上是由表头和电阻串联或并联而成的。1.直流电流表量程的扩充如图1-40(a)所示，内阻为RG的表头与电阻R并联分流，可将原来的量程IG扩大，改装后的量程为I，如图1-40(b)所示。上一页下一页返回三、能力与知识拓展—直流电压表、

电流表量程的扩充改装后的电流表满偏时:IRR=(I-IG)·R=IG·RR=IG·RG/(I-IG)(1.20)2.直流电压表量程的扩充如图1-41(a)所示，内阻为RG的表头与电阻R串联分压，可将原来的量程UG扩大，改装后的量程为U，如图1-41(b)所示。改装后的电流表满偏时:U=(RG+R)IGR=U/IG-RG(1.21)上一页返回图1-2返回图1-3返回图1-4返回图1-5返回图1-6返回图1-7返回图1-9返回图1-10返回图1-11返回图1-12返回图1-13返回图1-14返回图1-15返回图1-16返回图1-17返回图1-18返回图1-19返回图1-20返回图1-21返回图1-22返回图1-23返回图1-24返回图1-25返回图1-26返回图1-27返回图1-28返回图1-29返回图1-30返回图1-31返回图1-33返回图1-35返回图1-36返回图1-37返回图1-38返回图1-39返回图1-40返回图1-41返回表1-1返回表1-2返回表1-3返回学习情境2双联开关控制日光灯电路的制作一、知识准备二、任务实施三、能力与知识拓展—节能灯的介绍一、知识准备1.1认识正弦交流电路我们的生活用电和工业用电都是正弦交流电。正弦交流电是由发电厂提供的，发电厂有火力发电厂、水力发电厂、核电站和风力发电厂等，如图2-2所示。正弦交流电的波形如图2-3所示。正弦交流电用数学式表示为i=Imsin(wt+φi)1.正弦交流电的概念如图2-4(a)所示，电压和电流的大小、方向不随时间变化，称之为直流电压或电流。电压和电流的大小、方向随着时间呈周期性变化，称之为交流电压或电流，简称交流电。下一页返回一、知识准备如图2-4(b)所示，随着时间按正弦规律变化的交流电叫做正弦交流电，正弦交流电压和电流常统称为正弦电量，简称正弦量。随着时间不按正弦规律变化的交流电，统称为非正弦交流电，图2-4(c)所示为方波交流电。由于正弦电压和电流的方向是周期性变化的，在分析交流电路时，首先用箭头标出u,i的参考方向。当正弦量的实际方向与参考方向一致时，其值为正，相应的波形画在横轴上方;若实际方向与参考方向相反，其值为负，相应的波形画在横轴下方。2.正弦交流电的基本物理量正弦量的特征表现在变化的快慢、大小及初始值三个方面，分别用频率(或周期)、幅值(或有效值)和初始相位来确定，故我们把频率、幅值和初始相位称为正弦量的三要素。

上一页下一页返回一、知识准备1)正弦量的周期、频率和角频率一个正弦量变化的快慢可以用三种方法表示，它们是周期T,频率f和角频率w。(1)周期:正弦量变化一次所需的时间称为周期T，单位是秒(s)。(2)频率:频率是周期的倒数，即f=1/T，单位是赫兹(Hz)。我国和大多数国家都采用50Hz作为电力标准频率，有的国家(如日本、美国等)采用60Hz。在不同的应用场合也使用着不同的频率，如音频是20Hz~20kHz;航空工业用的交流电是400Hz，无线电广播的中波段频率是535~1650kHz等。(3)角频率:表示正弦量在1秒内所变化的电角度，单位是弧度/秒(rad/s)。上一页下一页返回一、知识准备因为一周期内正弦量经历了2π弧度，所以角频率为w=2π/T=2πf。2)正弦量的瞬时值、最大值和有效值正弦量的大小可用瞬时值、最大值和有效值来表示。(1)瞬时值:正弦量在任一瞬间的值称为瞬时值，用小写字母表示，如电流i,电压u和电动势e。(2)最大值:正弦量在交变过程中的最大瞬时值称为最大值(或幅值)，用带下标“m”的大写字母来表示，如电压幅值Um,电流幅值Im等。(3)有效值:有效值的确定是根据交流电流和直流电流热效应相等的原则来规定的。上一页下一页返回一、知识准备假定在同一电阻上，并且用相等的时间分别通以交流电流i和直流电流I，如果它们产生的总热量相等，我们就说这两个电流量是等效的，则称该直流电流I是该交流电流i的有效值。根据上述规定，可得设正弦电流i=Imsinwt，则有效值I为由上式可知，正弦交流电的有效值等于振幅(最大值)Im的0.707倍。同理可得正弦交流电压的有效值为正弦交流电动势的有效值为上一页下一页返回一、知识准备有效值都用大写字母表示，与表示直流的字母一样。一般所讲的正弦电压或电流的大小，如交流电压380V，都是指它的有效值。在交流电路中，用交流电压表、电流表测得的数据均为有效值。在我国，工业和民用交流电源电压的有效值为220V,频率为50Hz，因而通常将这一交流电压简称为工频电压，频率称为工频。3)正弦量的相位与相位差正弦量是随着时间而变化的，要确定一个正弦量还需要知道计时起点(t=0)。所取的计时起点不同，正弦量的初始值(t=0时的值)就不同，到达幅值或某一特定值所需的时间也就不同。上一页下一页返回一、知识准备正弦量的一般表示形式为i=Imsin(wt+φ)(2.5)在式中，wt+φ称为正弦量的相位角或相位，它反映出正弦量变化的过程。当t=0时的相位角称为初相位角或初相位，用φ表示。两个同频率正弦量的相位角之差，称为相位差，用φ表示(φ与时间t无关)。设第一个正弦量e1的初相为φ1，第二个正弦e2的初相为φ2，则这两个正弦量的相位差为:φ=φ1-φ2;并规定:-π<φ≤π当φ>0时，e1超前于e2，或e2滞后于e1，如图2-5(a)所示。当φ=π/2时，e1与e2为正交，如图2-5(b)所示。当φ=0时，e1与e2为同相，如图2-5(c)所示。当φ=π时，e1与e2为反相，如图2-5(d)所示。上一页下一页返回一、知识准备4)正弦量的相量表示我们已经知道，一个正弦量可以用三角函数式或波形图来表示。用三角函数来描述正弦量，如i=Imsin(wt+φ)，是正弦量的基本表示方法。设一正弦量i=Imsin(wt+φ)，波形如图2-6(b)所示，图2-6(a)是以直角坐标系的O为原点，取有向线段OA的长度等于正弦量的最大值Um，它的初始位置与X轴正方向的夹角等于正弦量的初相φ，并且以角频率w作逆时针方向旋转。由于这一旋转的有向线段OA具有正弦量的三要素，故可用来表示正弦量。可以看出，有向线段OA每一瞬间在纵轴上的投影，即表示相应时刻该正弦量的瞬时值。上一页下一页返回一、知识准备采用波形图来描述比较直观、形象，但用这种方法来分析计算交流电路时，不仅繁琐且作图不便，所以正弦量通常用相量来表示。所谓相量表示，就是用复数来表示同频率的正弦量。正弦交流电用相量表示后，正弦交流电路的分析和计算就可以用复数来进行，直流电路中介绍过的分析方法、基本定律就可以全部应用到正弦交流电路中，这种方法就是向量法。(1)复数的表示形式。正弦量可用有向线段表示，而有向线段又可以用复数表示，所以正弦量可用复数表示，如图2-7所示，是把图2-6中t=0时的正弦量的有向线段OA移至由实数轴与虚数轴所组成的复平面里。复数的表示形式有以下四种。上一页下一页返回一、知识准备①代数式:由图可知，复数可以分为两个部分:实部和虚部，其表达式为A=a+jb(2.6)式中，a为实部;b为虚部。在直角坐标系中，以横坐标为实数轴，单位用+1表示;纵坐标为虚数轴，用单位用+j表示，这样就组成了一个复平面，任何一个复数都可以在复平面上表示出来。例如，复数A=3+j2，其实部等于3,虚部等于2，分别在实轴和虚轴上取三个单位和两个单位，复平面上两个坐标的交点A就是代表该复数。由此可以知道，有向线段的大小即为复数的模，即上一页下一页返回一、知识准备②极坐标表示式:代数式复数A=a+jb还可以用极坐标的方式来表示，其形式为

③指数表示式:

④三角表示式:A=rco5φ+jrsinφ(2.10)用复数来表示的正弦量称为相量，为了和一般的复数相区别，规定正弦量相量用上方加“·”的大写字母来表示。如上一页下一页返回一、知识准备(2)用相量求正弦量的和、差、积、商。求两个正弦量的和、差、积、商的规则是:①相量加减采用代数式。相量的加减与复数的加减求解相同，即实部与实部相加减，虚部与虚部相加减，然后变换成极坐标的形式，再写出瞬时值的形式。②相量乘除采用极坐标式。相量的乘除与复数的乘除求解相同，即两相量相乘时，模与模相乘，幅角相加。两相量相除时，模与模相除，幅角相减。1.2RLC串联电路电阻元件、电感元件及电容元件是交流电路的基本元件，在电路中表现出不同的物理特性。上一页下一页返回一、知识准备日常生活中的交流电路都是由这三个元件组合起来的，为了分析这种交流电路，我们先来分析单个元件上电压与电流的关系、能量的转换及储存情况(表2-1)。然后写成瞬时值的形式。1.纯电阻负载电路

图2-8(a)为纯电阻负载交流电路。设i=Imsinwt，根据欧姆定律，电阻R两端的电压为u=IR=ImRsinwt=Umsinwt(2.11)上式中看出电阻的电压和电流同频率;电压与电流相位相同。电压、电流的幅值或有效值关系为Um=ImR或U=IR(2.12)电压、电流的相量关系为上一页下一页返回一、知识准备或(2.13)电压、电流的波形图和相量图如图2-8(b)、(c)所示。任意时刻的电压、电流瞬时值之乘积称为瞬时功率ρ。电阻上消耗的瞬时功率为瞬时功率ρ的波形图如图2-8(d)所示。由于电压u和电流i同相，即同时为正或同时为负，因此瞬时功率ρ总是正值，说明电阻在每一瞬间都从电源吸收电能，电阻是耗能元件。瞬时功率在一个周期内的平均值称为平均功率，用P表示。有上一页下一页返回一、知识准备可见，电阻消耗的平均功率等于电压和电流有效值的乘积。2.纯电感负载电路

图2-9(a)为纯电感负载交流电路，如果电感L流过电流i=Imsinwt，则可见，电感流过正弦电流L时，其两端的电压u是与电流L频率相同的正弦电压，电压超前电流晋相位·幅值或有效值的关系为或上一页下一页返回一、知识准备相量关系为或XL=wL=2πfL，称为感抗，它是电压、电流的有效值之比，其单位为欧姆(Ω)。感抗XL正比于电流的频率f,频率越高，感抗越大，阻碍高频电流的作用越明显。频率越低，感抗越小，感抗对频率为零的直流电流没有阻碍作用，因此纯电感在直流电路中相当于短路。电压、电流的波形图和相量图如图2-9(b)、(c)所示。纯电感的瞬时功率为

瞬时功率P的波形图如图2-9(d)所示。上一页下一页返回一、知识准备由于电压超前电流π/2相位，因此电压u与电流i的瞬时值在第一和第三个1/4周期内同时为正或同时为负，瞬时功率ρ为正值;在第二和第四个1/4周期内不同时为正或不同时为负，瞬时功率ρ为负值。在一个周期内，瞬时功率ρ一半为正、一半为负，说明电感从电源吸收电能和向电源回送电能的量相等，电感是储能元件。显然，纯电感的平均功率为零，即纯电感负载在交流电路中不消耗能量，只是与电源进行能量互换，其互换能量的规模称为无功功率。无功功率等于瞬时功率的幅值，用符号口表示，单位为乏(var)或千乏(kvar),即上一页下一页返回一、知识准备与之相区别，平均功率称为有功功率。3.纯电容负载电路

图2-10(a)为纯电容负载交流电路，图中标明了电压、电流的正方向。如果在电容C两端加正弦电压u=Umsinwt，则可见，电容两端加正弦电压u时，电路中流过的电流L是与外加电压频率相同的正弦电流，电流超前电压π/2相位。幅值或有效值的关系为或上一页下一页返回一、知识准备相量关系为或Xc=1/(wC)=1/(2πC)，称为容抗，它是电压·电流的有效值之比，其单位为欧姆(Ω)。容抗Xc与电流的频率f成反比，频率越高，容抗越小，高频电流通过电容越容易。频率越低，容抗越大，容抗对频率为零的直流电流起“隔直”作用，因此纯电容在直流电路中相当于断路。电压、电流的波形图和相量图如图2-10(b),(c)所示。纯电容的瞬时功率为上一页下一页返回一、知识准备瞬时功率P的波形图如图2-10(d)所示。由于电流超前电压π/2相位，因此电流i与电压u的瞬时值在第一和第三个1/4周期内同时为正或同时为负，瞬时功率ρ为正值;在第二和第四个1/4周期内不同时为正或不同时为负，瞬时功率ρ为负值。在一个周期内，瞬时功率ρ一半为正、一半为负，说明电容从电源吸收电能和向电源回送电能的量相等，电容是储能元件。显然，纯电容的平均功率为零，即纯电容负载在交流电路中不消耗能量，只是与电源进行能量互换，其互换能量的规模用无功功率来反映，即上一页下一页返回一、知识准备4.RLC串联交流电路1)电压与电流的关系由电阻、电感、电容相串联构成的电路叫做RLC串联电路，如图2-11(a)所示。设电路中电流为i=Imsinwt，根据基尔霍夫定律(KVL)，在任一时刻总电压的瞬时值为:u=uR+uL+uc，画出相量图，如图2-11(b)所示，得令Z=R+j(XL-Xc),Z称为复阻抗，单位为Ω，其中X=XL-XC称为电抗，单位也为Ω。阻抗Z的表示法有代数式、指数式和极坐标式三种，为上一页下一页返回一、知识准备上式中阻抗|Z|与R和(XL-XC)三者的关系可用阻抗三角形表示，如图2-11(d)所示。|Z|为复阻抗的模，φ为阻抗角。由电压相量U,UR及(UL+UC)组成的三角形称为电压三角形，如图2-11(c)所示。显然，电压三角形是阻抗三角形各边乘以电流I所得。复阻抗的阻抗角φ即为电压与电流的相位差φ。求出复阻抗的阻抗角，就可求得该电路电压与电流的相位差φ在电流频率一定时，电压与电流的大小关系、相位关系、电路性质完全由负载的电路参数决定。(1)当XL=XC时，即UL=UC，则φ=0,电压u与电流i同相位，电路呈电阻性;上一页下一页返回一、知识准备(2)当XL>XC时，即UL>UC，则φ>0,电压“超前于电流iφ相位，电路呈感性;(3)当XL<XC时，即UL<UC，则φ<0,电压“滞后于电流iφ相位，电路呈容性。2)RLC串联电路的功率(1)有功功率P:瞬时功率在一个周期内的平均值称为平均功率，为了与无功功率相区别，称平均功率为有功功率。有功功率的单位为瓦特(W)。上一页下一页返回一、知识准备式中:cosφ称为电路的功率因数。(2)无功功率Q:电容或电感元件在交流电路中不消耗能量，只是与电源进行能量互换，其互换能量的规模称为无功功率。无功功率的单位为乏(var)或千乏(kvar)。

(3)视在功率S:电压与电流有效值的乘积称为视在功率，用符号S表示，其标准单位为伏安(VA)。

由三种功率的关系式可知，把阻抗三角形三条边同时乘以I^2，就可以得到功率三角形，如图2-11(e)所示。阻抗三角形与功率三角形和电压三角形都是相似三角形。上一页下一页返回一、知识准备R,L,C元件伏安关系的相量形式如表2-2所列。1.3电感与电容并联电路电网中大部分的负载是感性负载，在配电线路中并联电容器，可以提高功率因数，降低线路损耗，如图2-12(a)所示。

图2-12(b)为计算机电源局部结构图，图中的电容器为高压滤波电容器，电感器在此的作用就是提高功率因数。1.电压与电流关系在图2-13(a)中，电路中R,L串联支路与R,C支路具有相同的电压，选择正弦电压为参考量，设电压为u=Usinwt，则电压相量为U=U∠0°。然后求线路总电流I,最后由I得到瞬时总电流i。上一页下一页返回一、知识准备求线路总电流I有三种方法:1)先计算各支路的复阻抗

式中

式中然后计算各支路电流再根据基尔霍夫电流定律的相量式求总电流，即上一页下一页返回一、知识准备2)先计算并联电路的等效复阻抗Z再求总电流，即3)借助于相量图求解由于并联电路电压相同，以电压U为参考相量，画出电压U,电流I相量图，如图2-13(b)所示。按照相量图上的矢量关系求解线路总电流I。2.功率因数的提高1)功率因数低对电路的影响交流电路的有功功率P=UIcosφ,cosφ为电路的功率因数，它与电路的参数有关，纯电阻电路cosφ=1，纯电感和纯电容电路cosφ=0。上一页下一页返回一、知识准备一般电路中，0<cosφ<1。日前，在各种用电设备中，除自炽灯、电阻炉丝等少数电阻性负载外，大多数属于电感性负载。例如工农业生产中广泛应用的三相异步电机和日常生活中大量使用的日光灯、电风扇等都属于电感性负载，而且它们的功率因数往往比较低。功率因数低，会引起如下两个问题:(1)降低了供电设备的利用率。供电设备的额定容量S=UI是一定的，其输出的有功功率为P=UIcosφ。当cosφ=1时，供电设备的利用率最高。一般情况下，cosφ<1,cosφ越低，则输出的有功功率P越小，而无功功率Q越大，电源与负载交换能量的规模越大，供电设备所提供的能量就越不能充分利用。上一页下一页返回一、知识准备(2)增加了供电设备和线路的损耗。负载从电源取用的电流为I=P/(Ucosφ)。在P和U一定的情况下，cosφ越低，I就越大，供电设备和输出电路的功率损耗就越大。因此，提高电路的功率因数就可以提高供电设备的利用率和减少供电设备和输出线路的功率损耗，具有非常重要的经济意义。2)提高功率因数的办法如图2-13中所示，当不并接电容支路时，电流为I1，功率因数为cosφ1;并接电容支路后，总电流为I，功率因数为cosφ。由于φ<φ1，所以cosφ>cosφ1，功率因数得到提高。上一页下一页返回一、知识准备如图2-14所示电路，是在感性负载两端并联电容来提高功率因数的电路图与相量图。根据相量图，电容器支路电流大小和总电流及线圈支路电流的关系是IC=I1sinφ1-Isinφ，而电容器支路的电流又可以写成将系统的有功功率P的表达式代入上式，则得所以，需要并联的电容器的容量为根据我国有关部门规定，电力用户功率因数不得低于0.9，但当cosφ=1时，电路发生谐振，在电力电路中，这是不允许的。上一页下一页返回一、知识准备通常，单位用户把功率因数提高到略小于1。1.4认识日光灯电路日光灯的工作电路如图2-15所示。1.日光灯管日光灯管包括灯脚、灯丝、玻璃管、灯夹、荧光粉涂层，结构如图2-16所示。日光灯怎么会发光呢?原来，日光灯管是内壁涂有荧光粉的玻璃管，两端有钨丝，钨丝上涂有易发射电子的氧化物，玻璃管抽成真空后充人一定量的氢气和少量水银，氢气具有使灯管易发光和保护电极延长灯管寿命的作用。上一页下一页返回一、知识准备当灯丝导电加热，阴极发射出电子，与惰性气体碰撞而电离，汞汽化为汞蒸汽，在电子撞击和两端电场作用下，汞离子大量电离，正负离子运动形成气体放电，产生紫外线，玻璃管内壁上的荧光粉吸收紫外线的能量后，被激发而放出可见光。2.启辉器启辉器是一只由玻璃管制成的辉光放电管与一只小电容器并联而成(没有电容器也能工作)。玻璃管制成的辉光放电管内有一个U形双金属片和一个静触片，玻璃管内充有氖气，如图2-17所示。当电路接通，启辉器两端极片得电，击穿惰性气体而导电(辉光放电过程)，双金属片发热弯曲而与静触板接通形成闭合电路。上一页下一页返回一、知识准备此时电流直接经过双金属片与静触片流通，惰性气体失去作用而不放电，双金属片开始冷却，经过1~8s的时间，双金属片收缩回原来状态，启辉器停止工作。因此，启动时间主要取决于双金属片的弯度和双金属片的膨胀特性。一般情况下，启辉器应使灯管在8s内启动工作。3.日光灯镇流器如图2-18所示，日光灯镇流器是一个具有铁芯的线圈，也称为电感镇流器。在日光灯启动时，它和启辉器配合产生瞬间高压促使灯管导通，管壁荧光粉发光。灯管发光后在镇流器电路中起限流作用。上一页下一页返回一、知识准备当电路中电流突然中断时，使电感镇流器两端产生一个比电源电压高得多的感应电动势，同时与电源电压