電氣控制第一章 電路及基本元件

1、電氣控制電氣控制課程簡介課程簡介1.本課程是工科專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。它是由電路基礎(chǔ)與電工技術(shù)兩部分組成。2.本課程不僅具有自身的理論體系，而且是一門實踐性很強的課程。3.由于沒有系統(tǒng)的高等數(shù)學(xué)和大學(xué)物理作基礎(chǔ)，加上學(xué)時少、內(nèi)容多，故重點介紹基本概念、基本知識、器件的外特性及使用方法。主講：陳躍安第1章電路及基本元件第一章第一章電路及基本元件電路及基本元件1.1 電路及其基本物理量電路及其基本物理量1.2 電路的三種狀態(tài)電路的三種狀態(tài)1.3 電路基本元件電路基本元件2131.4 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件1.5 電源電源1.1 電路及其基本物理量電路及其基本物理量電路電路基本物理量基本物理量電流電流

2、電壓電壓(電位、電動勢電位、電動勢)電功率電功率(電能電能)包括電源、負載、中間環(huán)節(jié)三部分包括電源、負載、中間環(huán)節(jié)三部分用規(guī)定的符號畫出用規(guī)定的符號畫出由元件按一定結(jié)構(gòu)連接并完成一定功能由元件按一定結(jié)構(gòu)連接并完成一定功能電路及作用電路及作用電路電路弱電電路的作用是不失真地傳遞和處理信號。弱電電路的作用是不失真地傳遞和處理信號。強電電路的作用是產(chǎn)生、輸送、分配和變換電能。強電電路的作用是產(chǎn)生、輸送、分配和變換電能。按功能分為強電電路、弱電電路按功能分為強電電路、弱電電路按電源性質(zhì)分為直流電路、交流電按電源性質(zhì)分為直流電路、交流電路路交流電源：電壓的大小和方向均隨時間變化交流電源：電壓的大小和方向

3、均隨時間變化直流電源：電壓的方向不變。直流電源：電壓的方向不變。按結(jié)構(gòu)分為簡單電路、復(fù)雜電路按結(jié)構(gòu)分為簡單電路、復(fù)雜電路按狀態(tài)分有載、空載、短路三種電按狀態(tài)分有載、空載、短路三種電路路簡單電路簡單電路G1IS1ABG2I1I2GkIkGnInIS2R1RnRkE1IE2+-+-R2R0R1R2EIR3R4I1I2R1.圖1-6 電流方向的判斷IR復(fù)雜電路復(fù)雜電路 1、有載狀態(tài)、有載狀態(tài)（滿載、超載、輕載）（滿載、超載、輕載）2、空載狀態(tài)（斷路）、空載狀態(tài)（斷路）3、短路狀態(tài)、短路狀態(tài)BSERoU+-ELIASIAERoU+-ELBSERoU+-ELIAB電路的三種狀態(tài)電路的三種狀態(tài)常用的電路元

4、件及符號常用的電路元件及符號常用的電路元件有：電阻、電感、電容、二極管、常用的電路元件有：電阻、電感、電容、二極管、三極管、理想電壓源、理想電流源等。三極管、理想電壓源、理想電流源等。(a)電阻R(b)電容C(g)理想電流源IS(f)理想電壓源USVT(e)三極管(d)二極管VD(c)電感L定義：定義：任意假定的方向。任意假定的方向。電流及其參考方向電流及其參考方向在單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體截面的電荷量在單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體截面的電荷量大?。捍笮。杭措娏鲝姸?，即電流強度，恒定電流用恒定電流用I I表示表示 ；瞬時電流用瞬時電流用i表示。表示。方向：方向：規(guī)定正電荷的移動方向為實際方向，規(guī)定正電荷的移動

5、方向為實際方向，用箭頭用箭頭 “”表示。表示。參考方向：參考方向：若求出（或已知）電流為正值，則說明參考若求出（或已知）電流為正值，則說明參考方向與真實方向一致，否則相反。方向與真實方向一致，否則相反。tqi 單位：單位： 安培安培(A、mA、A、nA)定義：定義：任意假定的方向。任意假定的方向。電壓及其參考方向電壓及其參考方向單位正電荷由單位正電荷由A A點運動到點運動到B B點點, ,電場力所做的功。電場力所做的功。大?。捍笮。汉愣妷河煤愣妷河肬 U表示表示 ；瞬時電壓用瞬時電壓用u表示。表示。方向：方向：電路中電壓的方向用一對電路中電壓的方向用一對”“”“”號表示，或號表示，或用一個

6、箭頭用一個箭頭“”表示，也可用雙下標表示，如表示，也可用雙下標表示，如UAB表示方向從表示方向從A點指向點指向B點。點。參考方向：參考方向：若求出（或已知）電壓為正值，則說明參考若求出（或已知）電壓為正值，則說明參考方向與真實方向一致，否則相反。方向與真實方向一致，否則相反。qWuABAB單位：單位： 伏特伏特（V V、KVKV、mVmV） 電壓與電位的關(guān)系電壓與電位的關(guān)系為方便為方便,常將電路中某一點設(shè)為參考點常將電路中某一點設(shè)為參考點,并規(guī)定參考點的電位為零。并規(guī)定參考點的電位為零。例如，電路中例如，電路中AB兩點之間的電壓兩點之間的電壓UAB=5V若設(shè)若設(shè)B點為參考點：點為參考點：電壓是

7、絕對量，電位是相對量。電壓是絕對量，電位是相對量。則則UB=0V，若設(shè)若設(shè)A點為參考點：點為參考點：則則UA=0V，再如，若電路中再如，若電路中A、B兩點的電位分別為兩點的電位分別為UA=8V，UB=3V則則ABAB兩點間的電壓：兩點間的電壓： UA=UAB=5VUB=UBA則其它點與參考點之間的電壓稱為該點的電位。則其它點與參考點之間的電壓稱為該點的電位。 任意兩任意兩點間的電壓等于該兩點的電位差。點間的電壓等于該兩點的電位差。UABUAUB=UAB=5V835V應(yīng)該清楚：應(yīng)該清楚：電流與電壓是兩個相互獨立的物理量。電路中的某電流與電壓是兩個相互獨立的物理量。電路中的某個元件，其兩端有電壓，

8、卻不一定有電流流過，例如不個元件，其兩端有電壓，卻不一定有電流流過，例如不接負載的電壓源等；但是，如果元件中有電流流過，其接負載的電壓源等；但是，如果元件中有電流流過，其上一般會產(chǎn)生電壓上一般會產(chǎn)生電壓( (理想導(dǎo)線除外理想導(dǎo)線除外) )。在負載中，電流與電壓的實際方向一致，即沿著電在負載中，電流與電壓的實際方向一致，即沿著電位降低的方向。位降低的方向。電壓與電動勢、電流之間的關(guān)系電壓與電動勢、電流之間的關(guān)系在電源中，電流與電動勢的實際方向一致，即沿著在電源中，電流與電動勢的實際方向一致，即沿著電位升高的方向。電位升高的方向。電壓是電壓是電場力電場力做功的表現(xiàn)，電動勢是做功的表現(xiàn)，電動勢是電源

9、力電源力做功的做功的表現(xiàn)，兩者單位一致，但方向不同（沿著電壓的方向，表現(xiàn)，兩者單位一致，但方向不同（沿著電壓的方向，電位逐點降低；沿著電動勢的方向，電位逐點升高）。電位逐點降低；沿著電動勢的方向，電位逐點升高）。定義：定義：功功 率率單位時間內(nèi)電路元件上能量的變化量單位時間內(nèi)電路元件上能量的變化量大小：大?。赫撝档囊饬x：正負值的意義：twp 單位：單位：在一個電路中，產(chǎn)生的功率之和等于消耗的功率之和。在一個電路中，產(chǎn)生的功率之和等于消耗的功率之和。瓦特瓦特(W、mW、KW)(為關(guān)聯(lián)參考方向、iuuip )(為非關(guān)聯(lián)參考方向、iuuip若若P0，消耗功率或吸收功率（，消耗功率或吸收功率（負載負

10、載）若若P0，產(chǎn)生功率或提供功率（，產(chǎn)生功率或提供功率（電源電源）單位：單位：功率與電能之間的關(guān)系功率與電能之間的關(guān)系能量是功率與時間的乘積。能量是功率與時間的乘積。w=pt焦耳（焦耳（J J）千瓦千瓦小時（度）小時（度）例：例：教室里有40盞標有“220V 40W”的日光燈，接在220V的電源上。如果每天使用10小時，一個月(30天)耗電多少？若電費單價為0.5元度，則每月應(yīng)付電費多少？解：解：月耗電為WPt40盞40W/盞10h/天30天10-3每月電費為0.5480240元480KWh 電阻元件電阻元件1.3 電路的基本元件電路的基本元件 電容元件電容元件 電感元件電感元件 三極管三極管

11、 二極管二極管 電壓源電壓源吸收電能吸收電能用曲線來描述。用曲線來描述。電阻元件（簡稱電阻）電阻元件（簡稱電阻）功能：功能：伏安關(guān)系：伏安關(guān)系：當(dāng)當(dāng)u u與與i i取關(guān)聯(lián)方向時：取關(guān)聯(lián)方向時：u uiRiR單位：單位：符號：符號：歐姆歐姆),(MkR當(dāng)當(dāng)u u與與i i取非關(guān)聯(lián)方向時：取非關(guān)聯(lián)方向時：u uiRiR對線性電阻：對線性電阻：對非線性電阻：對非線性電阻：電阻的倒數(shù)稱電導(dǎo)電阻的倒數(shù)稱電導(dǎo) 單位：單位：西門子（西門子（S）大小：大?。鹤ⅲ鹤ⅲ弘娮枭系墓β剩弘娮枭系墓β剩篜=UI=I2R=U2/R0耗能元件耗能元件將電能轉(zhuǎn)換為熱能將電能轉(zhuǎn)換為熱能作用：作用：SLR定義：定義：iuR 儲存

12、電場能量儲存電場能量電容元件（簡稱電容）電容元件（簡稱電容）功能：功能：伏安關(guān)系：伏安關(guān)系：單位：單位：符號：符號：當(dāng)當(dāng)u u與與i i取關(guān)聯(lián)方向時：取關(guān)聯(lián)方向時：大?。捍笮。簩τ谥绷鳎簩τ谥绷鳎篣為常數(shù)，其電壓變化率為零，故為常數(shù)，其電壓變化率為零，故I=0所耗功率所耗功率P=UI=0(非耗能元件非耗能元件)隔直流通交流隔直流通交流作用：作用：Ciu+dSC法拉法拉),(pFFFdtduCi 定義：定義：UqC 儲能：儲能：221CuW 儲存磁能儲存磁能電感元件（簡稱電感）電感元件（簡稱電感）功能：功能：伏安關(guān)系：伏安關(guān)系：單位：單位：符號：符號：當(dāng)當(dāng)u u與與i i取關(guān)聯(lián)方向時：取關(guān)聯(lián)方向

13、時：大?。捍笮。簩τ谥绷麟娐罚簩τ谥绷麟娐罚篒為常數(shù)，其電流變化率為零，故為常數(shù)，其電流變化率為零，故U=0所耗功率所耗功率P=UI=0(非耗能元件非耗能元件)平穩(wěn)電流平穩(wěn)電流作用：作用：亨利亨利),(mHHdtdiLu 定義：定義：LiulsNL2iL儲能：儲能：221LiW 單向?qū)щ妴蜗驅(qū)щ姸O管二極管功能：功能：符號：符號：無觸點開關(guān)無觸點開關(guān)作用：作用：原理似單向閥：原理似單向閥：VDui二極管的伏安特性二極管的伏安特性反向(a)加正向壓力正向(b)加反向壓力小球小球小球小球IF/mAUF/V0.10.51030501020301020兩種半導(dǎo)體：兩種半導(dǎo)體：二極管的實質(zhì)：二極管的實質(zhì)

14、：常見半導(dǎo)體材料：常見半導(dǎo)體材料：硅和鍺硅和鍺型和型型和型PN結(jié)結(jié)硅和鍺死區(qū)電壓分別為硅和鍺死區(qū)電壓分別為0.5V和和0.1V硅和鍺導(dǎo)通電壓分別為硅和鍺導(dǎo)通電壓分別為0.60.8V和和0.20.3V小電流控制大電流小電流控制大電流三極管三極管功能：功能：結(jié)構(gòu)類型有結(jié)構(gòu)類型有NPN和和PNP兩種，符號分別為兩種，符號分別為電流放大電流放大無觸點開關(guān)無觸點開關(guān)作用：作用：飽和、放大、截止飽和、放大、截止三種工作狀態(tài)：三種工作狀態(tài)：三種連接方式三種連接方式：共射極、共集電極、共基極共射極、共集電極、共基極三極管伏安特性：三極管伏安特性：輸入特性、輸出特性輸入特性、輸出特性基極base集電極colle

15、ctor 發(fā)射極emitterVTVTbceNPN型型PNP型型原理似水輪控制閥原理似水輪控制閥集電極 水流發(fā)射極 水流IcIe基極水流AB閥門關(guān)斷Ib=0I Ib b= =很小，很小，I IC C00截止。截止。C-EC-E之間斷開之間斷開BCEUCE=UCES 0（ b） 接 通 （ 飽 和 ）BCEIC=ICEO 0(a)關(guān) 斷 （ 截 止 ）集電極 水流發(fā)射極 水流IcIe基極水流細繩彈簧水輪AB閥門IbI Ib b中等，中等，I IC C=I=Ib b 放大。放大。cebic=ibib(1+)ib集電極 水流發(fā)射極 水流IcIe基極水流AB閥門全開Ib過大IbI Ib b過大，過大，

16、I IC C達到最大達到最大 飽和。飽和。C-E之間閉合之間閉合BCEUCE=UCES0（b）接通（飽和）BCEIC=ICEO0(a)關(guān)斷（截止）三極管常見的三極管常見的3種偏置方式對應(yīng)的工作狀態(tài)及特點種偏置方式對應(yīng)的工作狀態(tài)及特點工作工作狀態(tài)狀態(tài)偏置電壓偏置電壓特特 點點發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié)放大放大正偏正偏反偏反偏ICIb(IC受小電流受小電流Ib的控制的控制)截止截止反偏或零反偏或零偏偏反偏反偏ICICEO0(各極之間均斷開各極之間均斷開)飽和飽和正偏正偏正偏正偏ICICS，UCEUCES 0 (C、E之間相當(dāng)于開關(guān)閉合之間相當(dāng)于開關(guān)閉合)發(fā)射結(jié)正編電壓：發(fā)射結(jié)正編電壓：飽和電壓：飽和

17、電壓：NPN型、型、PNP型分別為型分別為0.60.8V和和0.20.3VNPN型、型、PNP型分別約為型分別約為0.3和和0.1V三種連接方式三種連接方式BEC（b）共基極 輸出輸入（a）共射極 CBE輸出輸入（C）共集電極 EBC輸出輸入共射極三極管（共射極三極管（NPN管）伏安特性管）伏安特性輸出特輸出特性性常數(shù)CEuBEBufi| )(常數(shù)BiCECufi| )(輸入特性輸入特性RBUBBUCCRCmARPIC+-AIB+-V UBE+-VUCE+-+-1008060402000.2 0.40.6 0.8IB/AUB E/V120100806040100246810IC/mAUCE/V

18、IB=0 A12341.52.3截止區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)放大區(qū)A1A2電壓源電壓源-一般用電動勢一般用電動勢E（或（或US）和電源內(nèi)阻和電源內(nèi)阻RS相串聯(lián)來表示相串聯(lián)來表示 理想電壓源（內(nèi)阻為零）理想電壓源（內(nèi)阻為零）符符號號實際電壓源（內(nèi)阻不為零）實際電壓源（內(nèi)阻不為零）伏伏安安特特性性或或外外特特性性U=USI由由US及外電路共同決定及外電路共同決定U=USIRS符號中的符號中的豎線豎線表示表示US=0，相當(dāng)于，相當(dāng)于短路短路IUSRUIUSRSRUoIUUSoIUUSU1I1U0=I1RS小結(jié)一小結(jié)一iRu dtduCi dtdiLu 電壓、電流都是具有大小和方向的量。電壓、電流都是具有大小和方向的量。 在關(guān)聯(lián)的參考方向下，功率為正時表示消耗功率在關(guān)聯(lián)的參考方向下，功率為正時表示消耗功率（負載），功率為負時表示產(chǎn)生功率（電源）。（負載），功率為負時表示產(chǎn)