电工基础知识课件

欢送各位光临指导房山区职业技术学校授课教师：李玉明第一章 电工根底知识第一节 直流电路一、电路和电路主要物理量一一一一 电路的构成及各元件的作用电路的构成及各元件的作用电路的构成及各元件的作用电路的构成及各元件的作用1.电路：由电源、负载、开关经导线连接而形成的闭合回路，是电流流经的路径，实际电路由电气设备和元件组成。是电流流经的路径，实际电路由电气设备和元件组成。n n2.2.元件的作用元件的作用n n电源电源提供电能，把其它形式的能转换成电能。提供电能，把其它形式的能转换成电能。n n负载负载消耗电能，把电能转换成其它形式能。消耗电能，把电能转换成其它形式能。n n开关开关控制作用。控制作用。n n导线导线连接作用。连接作用。n n 通路通路n n3.3.电路的三种状态：电路的三种状态：断路断路n n 短路短路n n n n如下图：如下图：电路的三种状态电路的三种状态二电路的根本物理量n n1 1、电流：电荷的定向运动、电流：电荷的定向运动n n 电流是一个矢量电流是一个矢量,既有大小又有方向既有大小又有方向n n 1 1方向：正电荷运动的方向方向：正电荷运动的方向n n 2 2大小：用电流强度来表示，电流强度是指单位时间内通过导体横截面的大小：用电流强度来表示，电流强度是指单位时间内通过导体横截面的电荷量。电流强度习惯电荷量。电流强度习惯 上又常被简称为电流。上又常被简称为电流。n n n n 交流的计算公式交流的计算公式n n 3 3电流的分类电流的分类n n：n n 脉动直流脉动直流n n 直流直流 恒定直流恒定直流n n电流电流n n 交流交流 正弦交流电正弦交流电n n 非正弦交流电非正弦交流电n n (4)(4)电流的单位电流的单位 安培安培A A国际单位制国际单位制,1,1安培安培:表示表示1 1秒内通过截秒内通过截面的电荷量为面的电荷量为1 1库仑。库仑。n n n n 常用单位常用单位 还有千安还有千安kA,kA,毫安毫安mA,mA,微安微安AAn n 直流的计算公式2.电压和电位 (1).电位：电场力将单位正电荷从电路中某点移到参考点所做的功，数值与参考点的选择有关。电位是相对的。通常以大地为参考点，即为零电位。即O=0，高于零电位为正值，低于零电位为负值。用“表示。单位：V 参考点在电路图中用符号“表示。n2电压：电场中任意两点的电位之差。实际上是电场力将单位正电荷从某一点移到另一点所做的功。数值与参考点的选择无关。用“U表示。n方向：电位降低的方向，即由高电位指向低电位。n单位：在国际单位制中，电压的单位是伏V电压的单位还有千伏KV、毫伏mV和微伏V。n 物理意义：当电场力将1库仑C的电荷量从一点移动到另一点所作的功为1焦耳J时，那么该两点间的电压为1伏特V。n 3电压与电位的区别：n 电位：与参考点的选择有关，是相对的，电位有上下,没方向。n 电压：与参考点的选择无关，是绝对的，电压有方向。3.电动势：在电源力的作用下，将单位正电荷从电源负极移 到正极所做的功。是用来衡量电源本身建立电场并维持电场能力的一个物理量。用“E表示。n n单位：国际单位制为伏V。n n方向：电位升高的方向。n n电动势与电压的区别：n n 电压：衡量电场力做功，方向是电位降低的方向。n n 电动势：衡量电源力做功，方向是电位升高的方向。4.电阻、电阻率、电阻温度系数1电阻：电流在导体中通过时受到的阻力。内电阻：用“R0或“r表示 外电阻：用“R表示2电阻率：以某种导体长1m，截面积为12，在20时所具有的电阻值，作为该导体的电阻率。用“表示，单位：2m3电阻温度系数：我们把导体的温度每升高1 ，电阻增大的百分数叫电阻温度系数。二、欧姆定律1.局部电路欧姆定律 定律内容：一段电路中，流过该段电路的电流与该电路两端的电压成正比，与这段电路的电阻成反比。如下图：U=IRRU+I2.全电路欧姆定律v定律内容：一个含有电源的闭合回路中，电流与电源电动势成正比，与电路的电源内、外阻之和成反比。三、电阻的连接v1.电阻的串联：依次连接，没分支，只有一个电流通路。va串联电阻 b等效电阻v串联的根本特征：v 1串联电路电流处处相等。v 即：v 2总电压等于分电压之和。v 即：v 3等效电阻R等于各个串联电阻之和.v 即：v 4两个串联电阻上的电压分别为：v2.电阻的并联：电阻对应端接在一起，承受同一个电压。a并联电阻并联电阻 b等效电阻等效电阻v根本特征：v 1并联电路总电压等于分电压。v 即：v 2总电流等于分电流之和。v 即：v 3等效电阻的倒数等于各分电阻的倒数之和。v 即：v 如果两个电阻并联：v 4两个并联电阻上的电流分别为：v综上所述，可得以下结论：v1两个及以上电阻并联后的总电阻值比其中任何一个电阻值都小。v2两个等值电阻并联，其总阻值等于其中一个的一半。v3两个阻值相差悬殊的电阻并联,其总阻值接近于小的电阻值。v3.电阻的混联:v 在一个电路中，既有串联，又有并联，称为混联。v举例说明：四、电功率和电能v1.电能：在一段时间内，电流通过负载时，电源所做的功。v 用“A表示，单位：焦耳Jv 公式表示为：v2.电功率：电场力在单位时间内所做的功叫做电功率。v 用“P表示，单位：“瓦 Wv 公式表示为：v v3.电流的热效应：电流通过导体时，要克服导体电阻做功，将其所消耗的电能转化为热能，从而使导体温度升高，称为电流的热效应。v 公式表示为：五、基尔霍夫定律五、基尔霍夫定律l一、复杂电路：无法用串、并联关系进行简化的电路称为复杂电路。如图2所示l 适用范围：不仅适用于直流，也适用于交流；不仅适用于线性也适用于非线性电路。l1.线性电阻：电压、电流关系曲线是直线时该电阻称为线性电阻。如图3所示l2.线性电路：由线性电阻及其他线性元件组成的电路称为线性电路。R1 R2 R3 E1 E2 A B C D 图2 图3二有关基尔霍夫定律的名词解释二有关基尔霍夫定律的名词解释l1支路：由一个或几个元件首尾相接构成的一段无分支电路。在同一支路内流过所有元件的电流相等。l2节点：三条或三条支路以上的连接点称为节点。l3回路：电路中任意一个闭合路径称为回路。l4网孔：不含多余支路的单孔回路称为网孔。(三)基尔霍夫第一定律节点电流定律n1.节点电流定律(KCL)：对电路中的任意一个节点，在任意时刻流入节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。如图4所示n 即：I入=I出n2.节点电流定律的另外表述方法：规定流入节点的电流为正，流出的为负值，那么电路中的任意一个节点在任意时刻全部电流的代数和为零。n 即：I=0n参考方向：任意假定各支路的电流方向称为参考方向。假设计算结果中，某一支路的电流为正值，说明该支路电流实际方向与参考方向相同；如果为负值，说明该支路电流实际方向与参考方向相反。n注意：在节点上不会有电荷的累积，更不会自然生成与消失。n 列KCL方程时，需注意两种正负号，一种是公式变换后所带的负号，另一种是电流本身带的负号。n 例题一 在图125中，I11A，I2-3A，I3-4A，试求I4 解：根据KCL可知变换写出例题 图所示的闭合面包围的是一个三角形电路，它有三个节图所示的闭合面包围的是一个三角形电路，它有三个节点。求流入闭合面的电流点。求流入闭合面的电流IA、IB、IC之和是多少？之和是多少？解：应用基尔霍夫电流定律应用基尔霍夫电流定律可列出可列出 IA=IAB-ICA IB=IBC-IAB IC=ICA-IBC上列三式相加可得上列三式相加可得 IA+IB+IC=0或或 I=0 可见，可见，在任一瞬时，通过任在任一瞬时，通过任一闭合面的电流的代数和一闭合面的电流的代数和也恒等于零。也恒等于零。基尔霍夫电流定律应用于闭合面四基尔霍夫第二定律回路电压定律n1.回路电压定律KVL)：任意一个闭合回路中，任一时刻全部电压降的代数和等于零。如下图n 即:U=0n2.回路电压定律的另外一种表述方法：任意一个闭合回路中，任一时刻电动势的代数和等于各电阻上电压的代数和。n 即：E=IRl3.一般列KVL可按以下步骤进行：l1首先指定回路的绕行方向，可以为顺时针或逆时针。l2设定各支路电压的参考方向。l3列方程。首先比较元件电压参考方向和回路绕行方向是否相同，当元件电压参考方向与回路绕行方向一致时，电压前符号取“十，否那么取“。例题二：n图128给出某电路的一个回路，选定绕行方向如下图。按图选定的各元件电压的参考方向，从a点出发绕行一周，有把各元件的电压关系代入上式，可得KVL的另一表达式:整理后得:或：IR=U对图对图对图对图(a)(a)所示电路各支路的所示电路各支路的所示电路各支路的所示电路各支路的元件是任意的可列出元件是任意的可列出元件是任意的可列出元件是任意的可列出 U=UAB-U=UAB-UA+UB=0UA+UB=0或或或或 UAB=UA-UB UAB=UA-UB 对图对图对图对图(b)(b)的电路可列出的电路可列出的电路可列出的电路可列出 U=E-U=E-IR0 IR0 列电路的电压与电列电路的电压与电列电路的电压与电列电路的电压与电流关系方程时，不管是应流关系方程时，不管是应流关系方程时，不管是应流关系方程时，不管是应用基尔霍夫定律或欧姆定用基尔霍夫定律或欧姆定用基尔霍夫定律或欧姆定用基尔霍夫定律或欧姆定律，首先都要在电路图上律，首先都要在电路图上律，首先都要在电路图上律，首先都要在电路图上标出电流、电压或电动势标出电流、电压或电动势标出电流、电压或电动势标出电流、电压或电动势的正方向。的正方向。的正方向。的正方向。基尔霍夫电压定律的推基尔霍夫电压定律的推广应用广应用六、电容器n一电容器和电容量n 1.电容器：电容器是存储电荷、建立电场的容器。n 结构：两片金属导体中间以绝缘物隔开。n图形、符号如下：n 2.电容量：电容器任一极板上的电荷量与两极板间的电压的比值是一个常数，这一比值称为电容量。用符号“C表示，即：n n注意：电容器制造好后，电容量就是一个定值，不随极板上电荷的多少而改变。实验说明，电容量的大小决定于电容器介质的种类与几何尺寸。介电常数越大，极板面积越大，极板间距越小，那么电容量就越大。二电容器的串联、并联二电容器的串联、并联l1.电容器的串联：l l特点：l1总电荷量等于各电容器上所带的电荷量。即：l2总电压等于各电容器电压之和。即：l3总电容值的倒数等于各分电容值的倒数之和。即：l3.电容器的并联l特点：l1每个电容器两端的电压都相等。即：l2总电荷量等于各电容器所带电荷量之和，即：l3总电容量等于各电容量之和。即：三电容器的充、放电电容器充电电容器的特点：电容器具有通交流隔直流的作用。电容器放电第二节电与磁一、磁的根本知识 一磁铁的性质：1.磁极：磁性最强的局部叫做磁极。有两个，N极和S极。2.磁极的性质：同极性相斥，异极性相吸。3.指南针的原理:磁铁之间的相互作用。二磁场及检测方法 1.磁场：在磁铁及载流导体周围存在着磁力作用的空间，我们称之为磁场。2.检测方法：小磁针。3.磁力线：为了描述磁场而引入。4.磁力线的特点：闭合的有向曲线，在磁铁外部 从N S，在磁铁内部从S N。5.均匀磁场：磁力线为同方向，等距离的平行线。三电流产生的磁场 电流的磁效应：通电导体周围存在着磁场，这种现象称为电流的磁效应。1.载流直导线的磁场 判定：右手螺旋定那么。拇指电流方向，四指磁力线的方向。2.直螺线管的磁场 判定：右手螺旋定那么。四指电流方向，拇指内部磁力线的方向。内部的磁场方向四磁场的根本物理量 1.磁感应强度：描述各点磁感应强弱和方向的物理量。用“B表示，单位：特斯拉T 2.磁通：表示某一截面上的磁感应强弱的物理量，其定义为：与磁感应强度方向垂直的某一截面S和磁感应强度B的乘积，用“表示，单位：韦伯Wb 均匀磁场中：3.磁导率：衡量物质的导磁性能的物理量。用“表示，单位：亨/米H/m 相对磁导率：某一物质的磁导率与真空中的磁导率 的比值，称为相对磁导率。用“表示。其中4.磁场强度：描述外磁场强弱的物理量。用“H表示，单位：安/米A/m二、铁磁性材料根据物质的导磁性能不同，可分为铁磁性材料和非铁磁性材料两大类。铁磁性材料：磁导率大，导磁性能好。如铁、钢、钴、镍等。非铁磁性材料：磁导率小，导磁性能也差。如铜、铝、空气等。一铁磁性材料的性质1.磁化：使原来不具有磁性的物质具有磁性的过程，称为磁化。2.初始磁化曲线 磁饱和：H到一定程度后，即使H还在增大，B只极其缓慢的增加，这种现象称为磁饱和。剩磁：H等于零时，B不等于零，此时B等于Br。矫顽力：B等于零了，H不等于零，此时H等于-Hc。3.磁滞回线：反复磁化得到的曲线。图 磁性物质的磁化曲线 a磁化前磁化前 (b)磁化后磁化后图图 铁磁材料的磁化铁磁材料的磁化图图 磁滞回线磁滞回线二铁磁性材料的分类1.软磁性材料：磁滞回线窄，回线所包围的面积小，磁滞损耗小，如硅钢片、铁镍合金、纯铁等，适用于制造电机、电磁铁、继电器、变压器的铁芯等。2.硬磁性材料：磁滞回线所包围的面积大，有较大的剩磁和矫顽力，磁滞损耗也相对较大。如钨钢、钴钢、高碳钢、铁镍钴合金等。适用于制造永久磁铁。3.矩磁性材料：磁滞回线近似于矩形，回线所包围的面积最大，剩磁大。适用于计算机中的记忆磁芯和远程控制设备中的重要元件。HBHBB H三、磁场对电流的作用1.电磁力：通电导体在磁场中受到力的作用，称为电磁力。大小：方向：用左手定那么判定。磁力线穿手心，四指指向电流方向，那么拇指所指的方向电磁力的方向。2.两根平行直导体在磁场中的受力情况3.通电线框在磁场中的受力情况四、电磁感应一电磁感应现象：导体作切割磁力线运动时，就会产生感应电动势，这种现象称为电磁感应现象。假设导体闭合，就会产生感应电流。感应电动势的方向：右手定那么判定。磁力线穿手心，拇指指向运动方向，四指所指方向就是感应电动势的方向。二直导体的感应电动势 大小：是B和 的夹角。=90时，最大 =0时，最小 e v A 三螺旋线圈的感应电动势大小：电磁感应定律，线圈中感应电动势的大小与线圈中磁通的变化率成正比，且与线圈的匝数成正比。方向：由式中负号表示，感应电动势的方向与线圈中磁通变化趋势相反。楞次定律：感应电动势的磁场总是阻碍原磁场的变化 五、自感和互感一自感：线圈自身电流发生变化时产生的电磁感应现象，叫 作自感现象。产生的自感电动势叫自感电动势。用 表示。自感系数自感：通过单位电流变化所产生的自感磁通数，叫自感系数。用“L表示。即：自感是表示线圈产生自感电动势大小的物理量，当L 和 为常数时，二互感：两个线圈产生的电磁感应现象，叫作互感现象，由此而产生的感应电动势称为互感电动势，用“表示 同理：同名端：感应电动势极性相同的端子为同名端。假设把圈数相同的两个互感线圈的同名端连接在一起，其余两端接在电路中，那么两个线圈产生的磁通在任何时刻总是大小相等，方向相反。利用这一原理人们创造了无感线绕电阻和无感电烙铁。三涡流 当线圈通以交变电流时，会在铁芯的任何一个闭合曲线构成的回路中产生一个周期性变化的磁通，从而产生了感应电流，称之为涡流。涡流的危害：涡流将会使铁芯发热，温度上升，严重时会损坏电气设备。因此交流电气设备线圈的铁芯采用相互绝缘的硅钢片叠成，其目的是为了减小涡流。第三节交流电路一、交流电的根本概念 大小、方向都随时间呈周期性变化的电流、电压、电动势，简称为交流。普通应用的交流电是随时间按正弦规律变化的，叫作正弦交流电。如下图 i：电流幅值（最大值）电流幅值（最大值）：角频率（弧度角频率（弧度/秒）秒）：初相角初相角三要素三要素:v一正弦交流电的根本物理量v1.瞬时值、最大值、有效值1 1瞬时值：正弦量在任一瞬间的值。有小写字母表示瞬时值：正弦量在任一瞬间的值。有小写字母表示瞬时值：正弦量在任一瞬间的值。有小写字母表示瞬时值：正弦量在任一瞬间的值。有小写字母表示如如如如u,i,eu,i,e。3 3有效值：有效值：有效值：有效值：在工程应用中常用有效值表示交流电的大小。常用在工程应用中常用有效值表示交流电的大小。常用在工程应用中常用有效值表示交流电的大小。常用在工程应用中常用有效值表示交流电的大小。常用交流电压、电流的读数，就是被测物理量的有效值交流电压、电流的读数，就是被测物理量的有效值交流电压、电流的读数，就是被测物理量的有效值交流电压、电流的读数，就是被测物理量的有效值.用用用用U U、I I、E E表示表示表示表示2 2最大值最大值最大值最大值(幅值幅值幅值幅值)：瞬时值中最大的数值。用大写字母：瞬时值中最大的数值。用大写字母：瞬时值中最大的数值。用大写字母：瞬时值中最大的数值。用大写字母带下标带下标带下标带下标 m m表示，如：表示，如：表示，如：表示，如：。有效值与最大值的关系：v有效值的规定 交流电流交流电流交流电流交流电流 i i通过电阻通过电阻通过电阻通过电阻R R在一个周期在一个周期在一个周期在一个周期T T内产生的热量与一直流内产生的热量与一直流内产生的热量与一直流内产生的热量与一直流电流电流电流电流I I通过同一电阻在同一时间通过同一电阻在同一时间通过同一电阻在同一时间通过同一电阻在同一时间T T内产生的热量相等，那么称内产生的热量相等，那么称内产生的热量相等，那么称内产生的热量相等，那么称I I的的的的数值为数值为数值为数值为i i的有效值。的有效值。的有效值。的有效值。假设购得一台耐压为假设购得一台耐压为 300V 的电器，的电器，是否可用于是否可用于 220V 的线路上的线路上?问题与讨论问题与讨论 电器电器 220V最高耐压最高耐压=300V有效值有效值 U=220V 最大值最大值 Um=220V=311V 电源电压电源电压该用电器最高耐压低于电源电压的最大值该用电器最高耐压低于电源电压的最大值，所以，所以不能用不能用。v2.周期、频率、角频率iT01 周期周期 T：变化一周所需的时间变化一周所需的时间 单位：秒单位：秒S2 频率频率 f：每秒变化的次数每秒变化的次数 单位：赫兹单位：赫兹(Hz)3 角频率角频率：每秒变化的弧度每秒变化的弧度 单位：弧度单位：弧度/秒秒(rad/s)v3.相位、初相位、相位差i相位相位角：交流电在某一瞬时所对应的已经相位相位角：交流电在某一瞬时所对应的已经 变化过的电角度。变化过的电角度。初相位：初相位：t=0 时的相位，即时的相位，即相位差相位差:两个两个同频率同频率正弦量间的相位差正弦量间的相位差(初相差初相差)t0=00两种正弦信号的相位关系两种正弦信号的相位关系同同相相位位相相位位超超前前相相位位落落后后与与同相位同相位超前于超前于 滞后于滞后于例例1:1:已知：已知：A求幅值、频率、初相位。求幅值、频率、初相位。幅值：幅值：频率：频率：初相位：初相位：例例2:求相位差。求相位差。解解:如果相位差为如果相位差为+180 或或-180 ,称为称为两波形两波形反相反相二正弦交流电的平均值v平均值：正弦交流电流或电压在半个周期内的平均值。用“表示。v平均值与最大值的关系为：二、正弦交流电的表示方法一、解析式二、波形图法三、旋转矢量法v概念概念：一个正弦量的瞬时值可以用一个旋转矢：一个正弦量的瞬时值可以用一个旋转矢量在纵轴上的投影值来表示。量在纵轴上的投影值来表示。xyu矢量长度矢量长度 =矢量与横轴夹角矢量与横轴夹角=初相位初相位矢量以角速度矢量以角速度 按逆时针方向旋转按逆时针方向旋转同频率正弦量的同频率正弦量的相量画在一起，相量画在一起，构成相量图。构成相量图。例题：同频率例题：同频率正弦波相加正弦波相加-平行四边形法则平行四边形法则U2U1Uu=u1+u2=()2221 sin2 jw+=tUu()11 sin2jw+tUu()sin2jw+tU21UUU+=一一.纯电阻电路纯电阻电路三、单相交流电路1.1.电流、电压的关系电流、电压的关系 uiR+_2.2.结论结论u u、i i同频率同频率u u、i i同相位同相位tuiUItuipt3.3.电阻电路中的功率电阻电路中的功率(1)瞬时功率瞬时功率p：(2)平均功率有功功率平均功率有功功率P：单位：瓦、千瓦单位：瓦、千瓦(W(W、kW)kW)cos2=tLIdtdiLuww则则)90sin(2o+=tUw)90sin(2o+=tIwXL二二.电感电路电感电路1.1.电流、电压的关系电流、电压的关系 令：令：U=IXL ，其中：，其中：XL=L 称感抗称感抗 单位：欧姆单位：欧姆iuL+_感抗感抗XL=L XL=L 是频率的函数，是频率的函数，表示电感电表示电感电路中电压、电流有效值之间的关系，且只对正弦路中电压、电流有效值之间的关系，且只对正弦量有效。量有效。=0 时时XL=02.关于感抗的讨论关于感抗的讨论u+_LR直流直流U+_R对直流电，电感相当于短路。对直流电，电感相当于短路。1瞬时功率瞬时功率 p：3.3.电感电路中的功率电感电路中的功率iuL+_uiP 0P 0可逆的可逆的能量转换能量转换过程过程储存储存能量能量释放释放能量能量 2平均功率平均功率 P 有功功率有功功率结论：纯电感不消耗能量，只和电源进行能量结论：纯电感不消耗能量，只和电源进行能量 交换能量的吞吐交换能量的吞吐瞬时功率瞬时功率无功功率等于瞬时功率到达的最大值。无功功率等于瞬时功率到达的最大值。(3)(3)无功功率无功功率无功功率无功功率 Q Q单位：乏单位：乏(var)为了衡量电感与电源之间能量交换的规模大小，把为了衡量电感与电源之间能量交换的规模大小，把电感与电源之间能量交换的最大值，称为无功功率。电感与电源之间能量交换的最大值，称为无功功率。iuL+_4.4.结论结论u 超前超前 i 90 iu用相量图表示：用相量图表示：UIu u、i i同频率同频率例例1:将一将一0.1H的线圈接到的线圈接到f=50Hz，U=10V的正的正弦交流电源的电流多大？假设弦交流电源的电流多大？假设U不变，改不变，改变变f=5000Hz，电流多大？，电流多大？解解:iuL+_电流与电压电流与电压的变化率成的变化率成正比。正比。1.1.1.1.电流与电压的关系电流与电压的关系电流与电压的关系电流与电压的关系则：则：三三.电容电路电容电路uiC+_设：设：)90sin(2o+=tIw 令：令：U=IXC ，其中：，其中：XC=1/C 称容称容抗抗 单位：欧姆单位：欧姆那么那么:2.容抗容抗定义：定义：所以电容所以电容C具有隔直通交的作用具有隔直通交的作用 XC直流：直流：XC ，电容，电容C视为视为开路开路交流：交流：f3.功率关系功率关系(1)(1)瞬时功率瞬时功率瞬时功率瞬时功率uiC+_由由uiou,ip 0充电充电充电充电p 0p 0(2)(2)平均功率平均功率平均功率平均功率 C C是非耗是非耗是非耗是非耗能元件能元件能元件能元件结论：结论：纯电容不消耗能量，只纯电容不消耗能量，只和电源进行能量交换能和电源进行能量交换能量的吞吐量的吞吐)。同理，无功功率等于瞬时功率到达的最大值。同理，无功功率等于瞬时功率到达的最大值。(3)(3)无功功率无功功率无功功率无功功率 Q Q单位：乏单位：乏var为了同电感电路的无功功率相比较，这里也设为了同电感电路的无功功率相比较，这里也设则：则：iuiu波形图波形图:4 4结论结论u 滞后滞后 i 90 uiC+_用相量图表示：用相量图表示：UIu u、i i同频率同频率例例2:电容器电容器C=0.5F，外加交流电压，外加交流电压U=10V，=30，=106rad/s，求，求i。uiC+_1相量图法：先画相量图，相量图法：先画相量图，分别求分别求I、。解解:30单一参数交流电路中的根本关系单一参数交流电路中的根本关系小小 结结(w(w、kw)kw)(var(var、kvar)kvar)相量式相量式相量图相量图功率功率瞬时式瞬时式电路图电路图RLC(var(var、kvar)kvar)图图3.23 白炽灯串联电感调光电路白炽灯串联电感调光电路a电阻上电压与电流相量图电阻上电压与电流相量图 (b)电感上电压与电流相量图电感上电压与电流相量图 (c)R、L串联电路的相量图串联电路的相量图 R、L串联电路的相量图串联电路的相量图上一页下一页返 回v1.电压：但是 v2.功率：有功功率 v 无功功率v 視在功率 v 功率因数 U UR+UL五五.R-C串联电路串联电路以以I为参考相量为参考相量IURUCU 有效值关系有效值关系:0u+_+_+_RCi先画出参先画出参考相量考相量（设（设 ）u+_+_+_+_RLCi五五.RLC.RLC串联交流电路串联交流电路1.电流、电压大小的关系电流、电压大小的关系（设（设 ）电压三角形电压三角形阻抗：阻抗：2.电压与电流的相位差：电压与电流的相位差：阻抗三角形阻抗三角形阻抗：阻抗：电压三角形电压三角形电压与电流的相位差：电压与电流的相位差：小结：此时,电路发生谐振,称为串联谐振,又叫电压谐振。当当 时时，u 落后落后 i 电路呈电容性电路呈电容性当当 时时，u 超前超前 i 电路呈电感性电路呈电感性当当 时，时，u、i同相同相 电路呈电阻性电路呈电阻性当电路的功率因数较低时，有两个不良后果：当电路的功率因数较低时，有两个不良后果：当电路的功率因数较低时，有两个不良后果：当电路的功率因数较低时，有两个不良后果：COS I当当U、P 一定时，一定时，P=PR=UICOS 六六.功率因数的提高功率因数的提高1 1电源设备的容量不能充分利用。电源设备的容量不能充分利用。电源设备的容量不能充分利用。电源设备的容量不能充分利用。2 2增加输电线路功率损耗。增加输电线路功率损耗。增加输电线路功率损耗。增加输电线路功率损耗。工业上规定：工业上规定：工业上规定：工业上规定：0.90.9以上以上以上以上3.造成功率因数低的原因：造成功率因数低的原因：大多数用电设备是感性负载，造成负载与电源大多数用电设备是感性负载，造成负载与电源大多数用电设备是感性负载，造成负载与电源大多数用电设备是感性负载，造成负载与电源之间无功功率徒劳无益的往返交换。之间无功功率徒劳无益的往返交换。之间无功功率徒劳无益的往返交换。之间无功功率徒劳无益的往返交换。4.提高功率因数的原那么：提高功率因数的原那么：必须保证原负载的工作状态不变。即：加至负必须保证原负载的工作状态不变。即：加至负必须保证原负载的工作状态不变。即：加至负必须保证原负载的工作状态不变。即：加至负载上的电压载上的电压载上的电压载上的电压U U和负载的有功功率和负载的有功功率和负载的有功功率和负载的有功功率P P不变。不变。不变。不变。并联电容并联电容C5.提高功率因数的方法提高功率因数的方法:_u+_+_RLiiCiRLC_u+_+_RLi并联电容前：并联电容前：并联电容后：并联电容后：电路呈感性电路呈容性电路呈电阻性，称为并联谐振或电流谐振。呈电容性。呈电容性。呈电感性呈电感性问题与讨论问题与讨论 功率因数补偿到什么程度功率因数补偿到什么程度？理论上可以补偿？理论上可以补偿成以下三种情况成以下三种情况:功率因素功率因素补偿问题一一呈电阻性呈电阻性结论：在在 角相同的情况下，补偿成容性要求使用的电容角相同的情况下，补偿成容性要求使用的电容容量更大，经济上不合算，容量更大，经济上不合算，所以一般工作在欠补偿状态所以一般工作在欠补偿状态。感性（感性（较小）较小）容性（容性（较大）较大）C 较大较大功率因数补偿成感性好，还是容性好？功率因数补偿成感性好，还是容性好？一般情况下很难做到完全补偿一般情况下很难做到完全补偿（即：（即：）过过补补偿偿欠欠补补偿偿 四四 .三相交流电路三相交流电路一一.三相交流电动势的产生三相交流电动势的产生图图 三相发电机原理示意图三相发电机原理示意图上一页下一页返 回 1.对称三相电动势：幅值即大小相等，频率相同，对称三相电动势：幅值即大小相等，频率相同，相位互差相位互差120 eU=Emsin t eV=Emsin(t-120)eW=Emsin(t-240)=Emsin(t+120)2.相序：正弦交流电依次出现最大值的顺序。分正相序、相序：正弦交流电依次出现最大值的顺序。分正相序、负相序、零相序。：正相序负相序、零相序。：正相序 负相序：负相序：上一页下一页返 回二三相电源的连接：Y、v1.星形连接 v 相电压：每相绕组之间的电压。v 相电流：每相绕组中的电流。v 线电压：两根相线间的电压。v 线电流：每根相线中的电流。v2 三角形联接三角形联接联接联接三.三相负载的连接：Y、v1.负载的星形连接三相对称负载 2.负载的三角形连接三相对称负载四 三相交流电路的功率 在对称三相交流电路中，其总功率等于各相负载之和。即：1.有功功率 对称三相电路中：当对称负载为星形连接时：当对称负载为角形连接时：所以：所以：单位：W、KW2.无功功率无功功率同理有单位：var kvar3.视在功率视在功率单位：VA KVA注意注意：线电压相同、同一组负载角形连接的有功功率是星接的3倍，无功也如此。第四节 半导体管根底知识v一.半导体与半导体管v一半导体的概念v导体：原子核对外围电子束缚能力较差，有大量的自由电子。v绝缘体：原子核对外围电子束缚能力较强，自由电子极少。v半导体：导电性介于导体与绝缘体之间。热激发产生自由电子和空穴室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为空穴空穴空穴空穴。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。在电子技术中，将空穴看成带正电荷的载流子。每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键共价键共价键共价键紧密结合在一起。两个相邻原子共用一对电子。1 1 1 1半导体的导电特征半导体的导电特征半导体的导电特征半导体的导电特征空穴运动与自由电子的运动不同有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。本征半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为复合复合复合复合。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。二半导体管v在纯洁半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强v1.N型半导体：在纯洁的半导体材料如硅、锗、硫化镉等 按重量比中参加百万分之一的砷、锑、磷等元素，就会在正常晶格结构之外还有很多带负电的电子，就形成了N型半导体。v 这种半导体主要靠自由电子这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。v自由电子 多数载流子简称多子v空 穴 少数载流子简称少子v2.P型半导体：在同样的比例中掺入铝、铟、硼等等元素，就会在正常晶格结构之外还有很多带正电的电子，就形成了P型半导体。v 这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。v自由电子 少数载流子简称少子v空 穴 多数载流子简称多子无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，对外不显电性。掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。3 3 3 3PNPNPNPN结及其单向导电性结及其单向导电性结及其单向导电性结及其单向导电性PNPN结的形成结的形成结的形成结的形成u半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动漂移运动。在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动扩散运动。u将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结结。多子扩散 形成空间电荷区产生内电场 少子漂移促使促使阻止阻止 扩散与漂移到达动态平衡形成一定宽度的PN结u外加正向电压也叫正向偏置u外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。4.PN4.PN结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性u外加反向电压也叫反向偏置u外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流 IR，因为是少子漂移运动产生的，IR很小，这时称PN结处于截止状态。二二.半导体二极管半导体二极管v一二极管的分类v1.按封装材料分类：v 环氧树脂封装v 玻璃封装v 塑料封装v 金属封装v 大型金属封装v2.按基体材料分类v 锗二极管v 硅二极管v3.按用途分类v 整流管v 检波管v 稳压管v 开关管v4.按特殊用途分类v 光敏二极管v 发光二极管v 热敏二极管v 微波二极管v 变容二极管一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。1结构 半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管PN结面积很小，结电容很小，多用于高频检涉及脉冲数字电路中的开关元件。面接触型二极管PN结面积大，结电容大，多用在低频整流电路中。2命名：见书54页 2.2.2.2.半导体二极管的结构、符号与命名半导体二极管的结构、符号与命名3.3.3.3.半导体二极管的伏安特性曲线半导体二极管的伏安特性曲线1 1正向特性正向特性正向特性正向特性外加正向电压较小时，外电场缺乏以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态。正向电压大于死区电压后，正向电流 随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。外加反向电压时，PN结处于截止状态，反向电流 很小。反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。2 2反向特性反向特性反向特性反向特性4.4.4.4.半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数1最大整流电流IF：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。2反向击穿电压UB：指管子反向击穿时的电压值。3最大反向工作电压UDRM：二极管运行时允许承受的最大反向电压约为UB 的一半。4反向电流IR：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，那么管子的单向导电性越好。5最高工作频率fm：主要取决于PN结结电容的大小。理想二极管理想二极管理想二极管理想二极管：正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。5.二极管的极性判别二极管的极性判别v1根据标志识别v 红色点正极 有的印有图形v 白色点负极v2标志不清时 整流二极管用小灯泡，灯泡亮时电池正极为二极管的正极。点接触的不用此法。v3标志不清时 用指针式万用表的欧姆档v 万用表调至R100、R1K档，红表笔接正，黑表笔接负。v指针偏转角度大正向导通黑表笔接正，红表笔接负。v指针偏转角度小反向截止黑表笔接负，红表笔接正。7.1.3 稳压管稳压管稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于：电流增量很大，只引起很小的电压变化。稳压管的主要参数：1稳定电压UZ。反向击穿后稳定工作的电压。2稳定电流IZ。工作电压等于稳定电压时的电流。3动态电阻rZ。稳定工作范围内，管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比。即：rZ=UZ/IZ4额定功率PZ和最大稳定电流IZM。额定功率PZ是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。最大稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是：PZ=UZIZM7.2 半导体三极管半导体三极管7.2.1 三极管的结构及类型三极管的结构及类型三极管的结构及类型三极管的结构及类型半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。在工作过程中，两种载流子电子和空穴都参与导电，故又称为双极型晶体管，简称晶体管或三极管。两个PN结，把半导体分成三个区域。这三个区域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三极管有两种类型：NPN型和PNP型。