第一章电路及基本元器件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电工电子技术基础,知识要点,电路及基本物理量,电路中的基本元器件,电压源和电流源,基尔霍夫定律,支路电流法,电路中电位的计算,返回主目录,第一章,电路及基本元器件,知识要点,电路模型的概念,电流、电压的参考方向,功率、电位的计算,电路基本元件的特性,基尔霍夫定律及其应用,1.1,电路和电路模型,一、电路的组成和作用,电路一般由电源、负载和中间环节三部分组成。,电源是向电路提供电能的设备，它们可将机械能、化学能等转换为电能；,负载为各类用电器，它们吸收电能并将电能转换成光能、热能和机械能等；,中间环节主要起连接和控制作用。,二、电路模型,实际电路中元件种类很多，电磁性质也比较复杂。为了使问题简化，采用将实际电路元件理想化的方法，以便突出其主要的电磁性质，这就是所谓的理想电路元件。,在理想电路元件中主要有理想电阻元件、理想电感元件、理想电容元件、理想电源元件等。,由理想电路元件所组成的电路，就是实际电路的电路模型。,常用理想电路元件图形符号,1.2,电路的基本物理量及其参考方向,一、电流,1,、电流的大小：,电荷的定向移动就形成了电流，电流的 大小为单位时间内通过某导体横截面的电荷量，即：,当电流的大小、方向均不随时间变化时，称为直流电流 ，即：,2,、电流的方向,正电荷运动的方向为电流的正方向。任意选定某一方向作为电流的正方向，称为电流的参考方向。,当电流的实际方向与参考方向一致时，该电流为正值；当电流的实际方向与参考方向相反时，该电流为负值，如图,1-1,所示。,图,1-1,二、电压和电动势,1,、电压,电场力把单位正电荷从,a,点移动到,b,点所做的功称为,a b,两点间的电压，即：,电压的实际方向是由高电位端指向低电位端。在实际电路的分析计算中，也需要引入一个电压的参考方向。根据电压的参考方向与数值的正负就可判断出电压的实际方向，如图,1-2,所示。,2,、电动势,电动势描述的是在电源中外力做功的能力，它的大小等于外力在电源内部克服电场力把单位正电荷从负极移动到正极所做的功，用字母来表示。它的实际方向在电源内部是由电源负极指向电源正极的，如图,1-3,所示。,图,1-2,图,1-3,三、电功率和电能,1,、电功率,电流通过电路时传输或转换电能的速率称为电功率，简称为功率，用符号,p,表示。,当电压与电流为关联参考方向时，功率的计算公式为：,当电压与电流为非关联参考方向时，功率的计算公式为：,2,、电能,电路在一段时间内吸收的能量称为电能。在国际单位制（,SI,）中，电能的单位是焦耳（,J,）。,1J,等于,1W,的用电设备在,1s,内消耗的电能。电力工程中，电能常用,“,度,”,作单位，它是千瓦小时（,kWh,）的简称，,1,度等于功率为,1kW,的用电设备在,1,小时内消耗的电能。,1.2,电路中的基本元器件,一、电阻元件,1,、电阻和电导,电阻是反映元件对电流阻碍作用的参数，电阻元件在电路中的主要特征是消耗电能,。,电阻的倒数称为电导，电导表示了导体的导电能力，用,G,来表示，即,电导的单位是西门子（,S,）。,2,、伏安特性,在关联参考方向下，流过线性电阻元件的电流与电阻两端的电压成正比，其表达式为：,u,=,Ri,线性电阻的电阻值是一个常数，,所以其伏安特性曲线是一条经过原,点的直线，如图,1-4,所示。,图,1-4,常用电阻元件的外形与图形符号,二、电感元件,电感元件是实际电感器的理想化模型，它是反映电路器件储存磁场能量这一物理性能的理想元件。,如,图,1-5,所示，一个电感线圈，当电流通过后，会产生磁通，若磁通与,N,匝线圈相交链，则线圈的,磁链,：,图,1-5,常见电感器的外型和图形符号,三、电容元件,电容元件是实际电容器的理想化模型，它是反映在电路中储存电场能量这一物理性能的理想元件。我们常将电容元件简称为电容，它也是表征材料（或器件）储存电场,能量的一种参数。,电容元件的电容量与电容器上存储的电荷量,q,和它两端的电压,u,C,的关系为：,常用电容元件的外型与图形符号,四、半导体二极管,1,、,半导体的基础知识,(1),半导体及其特性,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，常 用的半导体材料有硅和锗等。,根据掺杂半导体中导电粒子的不同，半导体可分为,N,型半导体和,P,型半导体。,N,型半导体的,导电粒子主要,是自由电子，,P,型半导体,的,导电粒子主要,是,空穴。,(2)PN,结及其特性,一块,P,型半导体和一块,N,型半导体采用特殊工艺合为一体，则在其交界处就会形成一种特殊的薄层。这种薄层称为,PN,结，如图,1-6,所示。,图,1-6,2,、二极管的结构与特性,从,PN,结的,P,区和,N,区各引出一个电极，再用管壳加以封装，即构成一个二极管。由,P,区引出的电极称为正极，由,N,区引出的电极称为负极。二极管具有单向导电性，其实验电路如图,1-7,所示。,图,1-7,3,、二极管的伏安特性曲线（硅管）,五、半导体三极管,1,、,三极管的结构,图,1-8,2,、三极管的电流放大作用,三极管工作在放大状态的条件是：发射结正偏，集电结反偏。,(1),电流分配关系：发射极电流等于基极电流和集电极电流之和，即：,(2),电流比例关系,：,I,C,与,I,B,的比值称为三极管的共发射极直流放大系数，即：,(3),电流控制关系,：,I,C,与,I,B,的比值称为三极管共发射极交流电流放大系数，即：,3,、,三极管的伏安特性曲线,三极管的特性曲线分为输入特性曲线和输出特性曲线两种，如图,1-9,所示。,图,1-9,(1),输入特性,死区电压：硅管约为，锗管约为；,导通电压,(,发射结,),：硅管约为，锗管约为。,(2),输出特性,截止区：,U,BE,小于,死区电压，,I,C,0,，,U,CE,U,CC,，。,饱和区：,集电结正向偏置,，,U,CE,U,BE,，,I,C, U,CC,/,R,C,。,放大区：,发射结正偏，集电结反偏,I,C,I,B,。,六、,MOS,型场效应晶体管,场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的电压控制型器件，它的输入阻抗高且热稳定性好，并且还有制造工艺简单等优点，现在已经在放大电路中得到广泛应用。,场效应晶体管分为结型（,J,型）和绝缘栅型（,MOS,型）两大类。,MOS,型场效晶体管的图形符号,七、晶闸管,晶闸管是一种可控的大功率半导体器件，具有体积小、重量轻、耐压高、容量大、效率高、控制灵敏等优点。,晶闸管的外部结构有三个电极：阳极,A,、阴极,K,和控制极,G,（也称门极），晶闸管的图形符号如图,1-10,所示。,图,1-10,八、集成电路,集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或隧道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。,集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。,集成电路按集成度高低的不同可分为小规模集成电路,(SSI),、中规模集成电路,(MSI),、大规模集成电路,(LSI),和超大规模集成电路,(VLSI),。,1.3,电压源,和电流源,一、电压源,1,、理想电压源,图,1-11,理想电压源 图,1-12,理想电压源的伏安特性曲线,2,、实际电压源,U,=,U,S,-,IR,0,图,1-13,实际电压源 图,1-14,实际电压源的伏安特性,二、电流源,1,、理想电流源,图,1-15,理想电流源 图,1-16,理想电流源的伏安特性曲线,2,、实际电流源,I,=,I,S,-,U,/,R,0,图,1-17,实际电流源 图,1-18,实际电流源的伏安特性曲线,1.4,基尔霍夫定律,一、名词介绍,1,、支路,2,、节点,3,、回路,4,、网孔,图,1-19,复杂直流电路,二、基尔霍夫定律,1,、基尔霍夫电流定律（,KCL,）,基尔霍夫电流定律描述了结点处各支路电流间的关系，体现的是电流的连续性。其内容为：对电路中任一结点而言，任意时刻流入该结点的电流总和等于流出该结点的电流总和。,或,KCL,还可以推广应用到电路中任意假想的封闭面（广义结点）。即：在任一瞬间通过任一封闭面的电流的代数和恒等于零。,图,1-20,基尔霍夫电流定律推广,如对图,1-20,（,a,）中的封闭面得,:,I,1,+,I,2,+,I,3,=0,；,对图,1-20,（,b,）中的封闭面得,:,I,1,-,I,2,=0,。,2,、基尔霍夫电压定律（,KVL,）,基尔霍夫电压定律描述了电路中任一闭合回路中各部分电压间的关系，其内容为：任一瞬间，电路的任一闭合回路中，各段电压的代数和恒等于零。,根据列回路电压方程时，首先设定回路的绕行方向，并标出各支路或元件的电 流与电压参考方向。当回路中各段电压的参考方向与绕行方向一致时该电压取正；与回路绕行方向相反时该电压取负。,KVL,应用于电路,(,左,),R,1,I,1,+,R,3,I,3,-,U,S1,=0,(,右,)-,R,3,I,3,-,R,2,I,2,+,U,S2,=0,KVL,可以推广应用到电路中任一不闭合的假想回路,R,0,I,-,E,+,U,=0,图,1-21,基尔霍夫电压定律的推广,1.5,支路电流法,支路电流法是以支路电流为未知量，利用基尔霍夫定律列写方程进行求解的方法，是分析复杂电路最基本的方法之一。,支路电流法分析问题的一般步骤如下：,选定各支路电流的参考方向，并在电路图中标明。,对有,n,个结点的电路，应列出（,n-1,）个独立结点电流方程。,选定网孔绕行方向，应列出,b-,（,n-1,）个独立回路电压方程，,b,为电路的支路数。 代入数值，联立求解方程组。,例：,列写图,1-22,中求解支路电流的方程组。,I,1,R,1,+I,3,R,3,-U,S3,-U,S1,=0,I,5,R,5,+,I,4,R,4,+,U,S3,-,I,3,R,3,=0 -,I,2,R,2,+,U,S2,-,I,4,R,4,=0,图,1-22,1.6,电路中电位的计算,电路中某点的电位是指该点与参考点之间的电压。参考点又称零电位点。,电路中各点的电位与参考点的选择有关。,由电位的定义可知：电路中,a,点到,b,点的电压就是,a,点电位与,b,点电位之差，即：,U,AB,=,V,A,-,V,B,例：,计算图,1-23,中各点的电位。,解：选,e,点为参考点，,V,e,=0,，则,I,=(6+4)/(2+3+4+1)=1A,V,a,=,U,ae,=,31+4=1V,V,b,=,V,be,=1(4+1)=5V,V,c,=,U,ce,=11=1V,图,1-23,在电子电路中，电源的一端通常是接地的，为了作图简便，习惯上不画电源，而在电源的非接地端标注其电位的数值。图,1-24,（,a,）、图,1-24,（,b,）是等价的。,图,1-24,电源接地电路,