电工与电子技术基础.ppt

电工与电子技术基础 信息工程系韩善海 第一章直流电路 1 1电路的基本概念1 2电流 电压及其测量1 3电阻及其测量1 4简单电路的分析1 5复杂电路的分析 1 1电路的基本概念 学习目标1 了解电路的基本组成 电路图的主要类型和作用 2 熟悉电路的三种工作状态 3 了解汽车单线制电路的特点 一 电路的组成 电路是指电流流通的路径 比较课本例图可知 电路是由电源 负载 也称用电器 控制装置和连接导线4个基本部分组成 不同点是在汽车单线制电路中 从电源到负载只用一根导线相连 利用车架 电动机外壳等金属机体作为另一根共用导线构成回路 二 电路图 电路图是指电路中各元器件用图形符号和文字符号 或项目代号 表示 并用导线连接而成的电气关系图 电路图能让我们简洁 直观地表达和了解电路的组成 便于分析电路的工作原理和性能 便于电路的设计和安装 电路图主要有电路原理图 框图 印制电路图等 1 电路原理图电路原理图简称原理图 它主要反映电路中各元件之间的连接关系 并不考虑各元器件的实际大小和相互之间的位置关系 2 框图框图是一种用矩形框 箭头和直线等来表示电路工作原理和系统构成概况的电路图 从根本上说 这也是一种原理图 不过它不是像原理图那样详细地绘制了电路中全部的元器件符号以及它们之间的连接关系 而只是简单地将电路按照功能划分为几部分 各部分用一个方框来代表 在方框中加上简单的文字或符号说明 方框间用直线或带箭头的直线连接 表示各个部分之间的关系 所以框图只能用来体现电路的大致组成情况和工作流程 更多应用于描述较为复杂的电气系统 3 印制电路图对成批电子电路的组装 一般以覆有紫铜箔的绝缘薄板为基础 将电路各元器件用锡焊等方法合理地安装在这块基板上 由于电路板的制作一般先要用印刷油漆等方法将需要保留铜箔处覆盖 所以这种电路的元器件的安装图称为印制电路图 三 电路的三种状态 1 通路 闭路 电流从电源的正极沿着导线经过负载最终回到电源的负极而形成闭合的路径 电路的正常工作状态 2 断路 开路 电路某处因某种需要或发生故障而断开 不能构成回路 电路中的电流为零 实际电路中 因导体的接触面有氧化层 脏污或接触面过小 接触压力不足等会造成电阻过大的现象 严重时也会造成断路 3 短路短路是表示电路中的某元器件因内部击穿损坏或被导线直接短接等原因 使电流未经过元器件或负载而直接从电源正极到达负极的现象 不正常现象 应尽量避免 1 2电流 电压及其测量 学习目标1 掌握电流的基本概念 了解稳恒电流 脉动电流和交流电流的特点 2 会用电流表或万用表测量直流电流 3 掌握电压的基本概念 理解电压 电位 电动势三个物理量之间的联系和区别 4 会用电压表或万用表测量直流电压 5 会测量蓄电池电压 并以此判断蓄电池功能 一 电流 电荷有规则的定向移动称为电流 1 电流的方向和大小电流的大小用单位时间所通过的电荷量来表示 电流的单位为安培 简称安 A 单位换算 1KA A1mA A1uA mA正电荷的移动方向为电流方向 直流电流 直流 电流方向不随时间而变化 符号DC 稳恒直流电 电流大小和方向都不随时间而变化 脉动直流电 电流大小随时间呈周期性变化 方向不变 交变电流 交流 电流大小和方向都随时间而变化 AC 电荷量 时间 电流 2 电流的测量 1 对交 直流电流应分别使用交流电流表 直流电流表 或万用表的相应档位 测量 2 电流表或万用表必须串联到被测的电路中 直流电流表表壳接线柱上标明的 记号 应和电路的极性相一致 不能接错 否则指针要反转 既影响正常测量 也容易损坏电流表 被测电流的数值一般在电流表量程的1 2以上 度数较为准确 因此在测量之前应先估计被测电流大小 以便选择适当量程的电流表 若无法估计 可先用电流表的最大量程挡测量 当指针偏转不到1 3刻度时 再改用较小的挡去测量 直到测得正确数值为止 为了在接入电流表后对电路原有工作状况影响较小 电流表内阻应尽量小 不允许将电流表与负载并联 也不允许将电流表不经任何负载而直接连接到电源的两极 因电流表内阻很小 这样会造成电源短路甚至损坏电流表 二 电压 电位和电动势 1 电压电路中有电流流动是电场力做功的结果 电场力将单位正电荷从a点移到b点所做的功 称为a b两点间的电压 用Uab表示 电压的单位为伏特 V 2 电位电位是指某点与参考点 零电位点 之间的电压 通常在电力系统中以大地作为参考点 电路中任意两点之间的电位差等于这两点之间的电压 故电压也称为电位差 3 电动势电源移动电荷的能力用电动势表示 电动势符号为E 单位为伏特 V 4 电压的测量 1 对交 直流电压应分别采用交流电压表 直流电压表测量 2 电压表必须并联在被测电路的两端 直流电压表表壳接线柱标明的 记号 应和被测两点的电位相一致 即 端接高电位 端接低电位 不能接错 否则指针要反转 并会损坏电压表 应注意合理选择电压表的量程 其方法和电流表相同 为了在接入电压表后对电路的原有工作状况影响较小 电压表的内阻应尽量大 使通过电压表的电流相对于正常工作电流小到可以忽略不计 1 3电阻及其测量 学习目标1 掌握电阻的概念 了解导体 半导体何绝缘体的特点 2 能正确识读色环电阻 会用万用表测量电阻 3 了解敏感电阻器的特点和应用 4 掌握直流电桥的平衡条件 了解直流电桥在测量电路中的应用 一 电阻和电阻率导体在通过电流的同时也对电流骑着阻碍作用 这一阻碍作用称为电阻 用R表示 电阻的单位为欧姆 符号为 导体电阻的大小决定于导体的材料 长度和横截面积 电位换算 1K 1000 1M 1000K 电阻率的单位是欧 米 m 电阻率的大小反映了各种材料导电性能的好坏 电阻率小 容易通过电流的物体称为导体 电阻率大 几乎不能通过电流的物体称为绝缘体 长度 横截面积 电阻 电阻率 二 常用电阻器1 常用电阻器的外形和符号在各种电路中 经常要用到具备一定阻值的元件 称为电阻器 电阻器也简称电阻 固定电阻器 碳膜电阻器 线绕电阻器 金属膜电阻器 热敏电阻器 可变电阻器 滑动变阻器 带开关电位器 微调电位器 2 电阻器的主要参数 1 标称阻值标称阻值即电阻的标准电阻值 电阻的常用标称系列值有1 0 1 2 1 5 1 8 2 2 2 7 3 3 4 7 5 6 6 8 8 2等 标称阻值可以乘以 n为整数 例如对应于3 3这一标称阻值 就有0 33 3 3 33 330 3 3K 33K 等 2 允许偏差允许偏差是指电阻真实值与标称阻值之间的误差值 3 额定功率额定功率也称标称功率 是指在一定的条件下 电阻器连续工作所允许消耗的最大功率 常用小型电阻的标称功率一般分为1 8W 1 4W 1 2W 1W 2W等 选用电阻器时一定要考虑其额定功率 以保证电阻器的安全工作 3 电阻的标注方法 1 直标法直接在电阻元件表面标出其主要参数的技术性能 随着电子设备小型化的要求 这种方法越来越不适用 2 文字符号法将需要标出的主要参数和技术性能用文字和数字符号有规律地组合标志在电阻元件表面 其规律是 阻值的整数部分卸载阻值单位标志的前面 小数部分写在阻值单位标志的后面 如 5 1 5 1 3 色标法体积小的电阻一般采用文字符号法或色换表示法 固定电阻色环的识读方法如课本例图 4色环电阻器通常为四道色环 其中 三道相距较近 作为阻值标注 第一道 第二道各代表一位数字 第三道则代表零的个数 第四道相距前三道较远 作为偏差标注 5色环电阻器共有5道色环 其中 1 2 3道分别表示有效数 第4道为倍乘色环 第5道为偏差色环 4 数标法用三位阿拉伯数在电阻表面标出其标称阻值 其中第一 二位分别表示阻值标称系数在十位和个位上的数字 第三位表示倍率 若用四位数 则第四位表示倍率 数标法被广泛应用于片状电阻 三 敏感电阻器敏感电阻器是指对温度 电压 湿度 光照 气体 磁场 压力等敏感的电阻器 如 热敏电阻器 压感电阻器 湿敏电阻器 光敏电阻器等 敏感电阻器在电子测量和自动控制电路中有广泛应用 以热敏电阻器为例 电阻值随温度升高而减小的热敏电阻器称为负温度系数 NTC 的热敏电阻器 电阻值随温度升高而增大的热敏电阻器称正温度系数 PTC 的热敏电阻器 四 电阻的测量1 用万用表测量电阻注意事项 准备测量电路中的电阻时 应先切断电源 切不可带电测量 然后进行机械调零 首先估计被测电阻的大小 选择适当的倍率挡 然后进行欧姆调零 即将两只表笔相触 旋动调零电位器 使指针指在零位 测量时双手不可碰到电阻引脚及表笔金属部分 以免接入人体电阻 引起测量误差 测量电路中某一电阻时 应将电阻的一端断开 2 用直流电桥测量电阻电桥是一种比较常用的比较式电工仪表 其种类很多 按所测量的对象主要分为直流电桥和交流电桥两大类 桥臂 比例臂 比较臂 被测臂 待测电阻 电桥平衡 调整已知电阻 直至检流计读数为零 平衡条件 电桥相对臂电阻的乘积相等 1 4简单电路的分析 学习目标1 理解全电路欧姆定律和电源的外特性 2 掌握电阻串 并联电路的特点和应用 电池串 并联电路的特点和应用 3 理解电功和电功率的概念 4 了解电流的热效应 一 欧姆定律1 部分电路欧姆定律不包含电源的电路称为部分电路 欧姆定律指出 通过电阻的电流跟它两端的电压成正比 与电阻的大小成反比 I表示流过导体的电流 单位AU表示加在导体两端的电压 单位VR表示导体的电阻 单位 这一定律称为部分电路欧姆定律 2 全电路欧姆定律 1 全电路是含有电源的闭合电路 包括电气和导线等 电源内部的电路称为内电路 电源内部的电阻称为内电阻 简称内阻 电源外部的电路称为外电路 外电路中的电阻称为外电阻 全电路欧姆定律的定义是 闭合电路中电流与电源的电动势成正比 与电路的总电阻 内电路电阻与外电路电阻之和 成反比 U内为内电路的电压降 U外为外电路的电压降 也是电源两点的电压 这样 全电路欧姆定律可表述为 电源电动势等于U外与U内之和 观察课本图示 折线上各点表示电路中各处对应的电位 2 电源的外特性由全电路欧姆定律可知 当电源电动势E和内阻r一定时 电源端电压U随负载电流的变化而变化 人们把电源端电压随负载电流变化的关系特性称为电源的外特性 其关系特性曲线称为电源的外特性曲线 如课本图示 电源端电压U随着电流I的增大而减小 电源内阻越大 直线倾斜得越厉害 直线与纵轴交点的纵坐标表示电源电动势的大小 I 0时 U E 二 电阻的串联和并联1 电阻的串联把两个或两个以上的电阻依次连接起来 就组成了串联电路 电阻串联电路的特点 2 电阻的并联把两个或两个以上电阻并列地连接起来 由同一电压供电 就组成了并联电路 凡是额定工作电压相同的负载可以采用并联的工作方式 电阻并联电路的特点 3 电池的串联和并联 1 电池的串联当用电器的额定电压高于单个电池的电动势时 可以将多个电池串联起来使用 称串联电池组 设串联电池组是由n个电动势都为E 内阻都是r的电池组成 则串联电池组的总电动势E串 nE串联电池组的内阻 r串 nr 2 电池的并联有些用电器需要电池能输出较大的电流 这时可用并联电池组 设并联电池组是由n个电动势都为E 内阻都是r的电池成 则并联电池组的总电动势 E并 E并联电池组的总内阻 r并 r n使用电池时应注意 通常情况下 不得将不同容量或不同电动势 不同内阻的电池进行串并联使用 否则易造成个别电池内部 发热 或 充电 现象 使电池损坏或缩短使用寿命 三 电功和电功率1 电功电流在通过用电器的过程中消耗了电能 同时产生了其他形式的能 这个能量转化的过程就是电流做功的过程 电流所做的功称为电功 其计算式为 W UIt电功的单位是焦耳 J 另一常用单位为千瓦时 KW h 即 度 2 电功率在相同的时间内 电流通过不同的用电器所做的功 一般并不相同 为了表征电流做功的快慢程度 引入了电功率这一物理量 电流在单位时间内所做的功称为电功率 用字母P表示 单位为W 其计算式为对于纯电阻电路 还可以写为 四 电流的热效应电流通过导体时要产生热量 使导体的温度升高 这就是电流的热效应 焦耳定律指出 电流通过导体时产生的热量 跟电流强度的平方 导体的电阻和通电时间成正比 焦耳定律 数学表达式 式中Q 电流产生的热量 单位是焦耳 J I 电流 A R 电阻 t 通电时间 S 如果是纯电阻电路 那么电流所做的功与产生的热量相等 即电能全部转换为电路的热能 如果不是纯电阻电路 例如电路中有电动机 电解槽等负载 电能除部分转化为热能外 还有一部分要转化为机械能 化学能等 1 5复杂电路的分析 学习目标1 了解基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律 2 建立电压源和电流源的概念 了解它们的特性及等效变换 3 掌握负载获得最大功率的条件 一个实际的电路往往包含更多元件 在电路分析中 经常遇到经过串 并联简化后仍有两个或两个以上闭合回路的电路 这样的电路称之为复杂电路 对复杂电路的分析计算 只应用欧姆定律是不够的 还要借助基尔霍夫定律等定律和法则 一 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律也称基尔霍夫第一定律或节点电流定律 其定义是 电路中任一节点上 在任一时刻 流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和 基尔霍夫电流定律的依据是电流连续性原理 也就是说 在电路中任一节点上 任何时刻都不会产生电荷的堆积或减少 所有流进节点的电荷必须全部流出该节点 如果把流入节点的电流规定为正 流出节点的电流规定为负 则基尔霍夫电流定律还可以表述为各节点支路电流的代数和恒等于零 即 利用基尔霍夫电流定律进行电路分析或计算时要注意如下两点 1 合理选取节点 这样可以简化对复杂电路的分析和计算 2 电流的参考方向可以任意规定 如果计算的结果为负值 则表明实际电流的方向与电流的参考方向相反