電工電子技術(shù)導論

1、電工(dingng)電子技術(shù)導論鄒逢興 主編(zhbin) 國 防 科 學 技 術(shù) 大 學 機電工程與自動化學院1共四十九頁第1章 電路模型(mxng)和電路定理第2章 電路的分析方法第3章 正弦交流電路第4章 電路的暫態(tài)分析第5章 半導體器件基礎(chǔ)第6章 基本邏輯運算與邏輯門第7章 基本組態(tài)放大電路第8章 數(shù)制與碼制課程主要(zhyo)內(nèi)容2共四十九頁 第1章. 電路模型(mxng)和電路定理 1.1 電路與電路模型 1.2 電路的基本(jbn)物理量及參考方向 1.3 無源電路元件 1.4 有源電路元件 1.5 基爾霍夫定律 1.6 電路的基本狀態(tài) 3共四十九頁電路分析研究的對象是電路模型電

2、路中的主要變量是電流和電壓它們受到兩種規(guī)律的約束（兩類約束）一是元件(yunjin)本身伏安關(guān)系的約束（VAR）二是電路連接方式的約束（KVL、KCL） 本章主要介紹(jisho)幾個基本元件（R、L、C、VS、IS、及受 控電源）和KVL、KCL4共四十九頁 1.1電路及電路模型、集總假設(shè) 1.1.1電路及電路模型電路：是由電工設(shè)備組合后的總稱，并提供(tgng)電流流過的路徑。 功能及作用： a.實現(xiàn)(shxin)能量的轉(zhuǎn)換和傳輸 b.信號的傳遞與處理 c.測量信息 d.存儲信息5共四十九頁1.1.2電路模型與集總假設(shè)在一定條件下（集總假設(shè)）R - 電能的消耗C- 電場(din chng)

3、的儲能L - 磁場的儲能集總假設(shè)的條件： 對于集總元件連接成的電路(dinl)，不論其連接方式如何。只要其電路尺寸遠小于電路工作最高頻率所對應(yīng)的波長，都稱為集總電路。6共四十九頁例：電力網(wǎng)的工作頻率為50HZ，它的波長(bchng)為6000KM 在本課程(kchng)中所討論的電路均滿足此條件。電子技術(shù) - 分布參數(shù)（1000HZ）高頻電路 - 高頻參數(shù)（1M以上）7共四十九頁 1.2參考方向（Reference direction） 參考方向是電路理論中一個最基本的概念，分析電路之前，首先要假定電路中各電流，電壓的參考方向。1.2.1電流（current） 單位時間內(nèi)通過(tnggu)導體

4、橫截面的電量定義為電流強度，用以衡量電流的大小, 即 :單位(dnwi)：A mA A (103進位)8共四十九頁說明實際方向與參考(cnko)方向一致。說明實際(shj)方向與參考方向相反。1.2.2 電壓 Voltage 電路中a、b兩點間的電壓表明了單位正電荷由a點轉(zhuǎn)移到b點時所獲得或失去的能量。9共四十九頁即：單位： V mV V KV (103進位)正方向（參考方向），與電流(dinli)一樣。U0 與參考方向(fngxing)一致U0 （消耗功率） P0 消耗功率 P0 產(chǎn)生功率12共四十九頁 1.3 無源元件 (nactive element)有源元件：其P0 （消耗） 線性R、

5、L、C耦合元件（變 壓器）。1.3.1電阻元件 （Resistor） 用R表示 （一致參考(cnko)方向）13共四十九頁1.3.1.1線性電阻 如果特性曲線是經(jīng)過坐標(zubio)原點的直線，則稱之為線性電阻元件。伏安(f n)關(guān)系為歐姆定侓： U=IR14共四十九頁1.3.1.2 非線性電阻 (nonliner Resistor)如果特性曲線(qxin)不是經(jīng)過原點的直線則稱為非線性電阻。15共四十九頁1.3.2 電容(dinrng)元件1、定義： （q=cu） 一個(y )二端元件如果在任一時刻t，它的電荷量q(t)與它的電壓u(t)關(guān)系可以用u、q平面上的一條曲線來描述，則該元件稱為電

6、容元件。16共四十九頁 1.3.2.1電容元件(yunjin)的伏安特性。（VAR）17共四十九頁當u0， 但 =0 i=0這就是說明電容器不能通過(tnggu)直流電。 當u=0， 但 0 i0說明(shumng)：在某一時刻電容的電流取決于該時刻電容電壓的變 化率。 i(t)有限 有限u不能改變 用數(shù)學知識可以證明：如果通過線性電容器的電流i(t)在閉區(qū)間O，T有界。則在開區(qū)間（O，T）內(nèi)，u(t)是一個連續(xù)函數(shù)。不能突變。 t=0時 u(o)=0 稱為電壓連續(xù)性原理。 18共四十九頁由 可得：= 電容(dinrng)上電壓與電荷有關(guān)。與歷史有關(guān)，故也稱為電容電壓。具有記憶功能。 （記憶是

7、電流）當to=0時； （一般(ybn)取法）uc(o)稱為電容的初始值。19共四十九頁1.3.2.1電容(dinrng)的貯能 儲能(ch nn); = =若uc(to)=0 則：20共四十九頁例題：將C=2F，初始電壓為-0.5V，接上電源。已知電源的電流(dinli)波形i(t)。試求uc(t)。解：采用(ciyng)分段積分法：1). t2時 i(t)=0 uc(t)=-0.5(v) 記憶（保持） 見uc(t)波形21共四十九頁1.3.3 電感元件定義：一個二端元件如果在任一時刻t，它的磁通(t),同它的電流 i（t）之間的關(guān)系可以用i，平面上一條曲線來確定(qudng)，則此 元件稱電

8、感元件。由物理中可知：=LI由電磁感應(yīng)定律可知：由變化的磁通就會產(chǎn)生(chnshng)電壓。22共四十九頁當 i=0 若 0 則u0 交流當 i0 若 =0 則u=0 直流 （短路）若u(t)為有限值，則i(t)不能突變(tbin)。即：電感上電流不能突變。（uc、iL不能突變）同樣：=故電感是個記憶元件(yunjin)，它記憶電壓。 貯能：23共四十九頁 1.4 有源元件電壓(diny)源（Voltage source）電流源（current source）受控源（Controlled source）1.4.1 電壓源基本特性： 1) 電壓源端電壓是一個恒定的數(shù)值(shz)Us，（或保持按一

9、定規(guī)律變化 的時間函數(shù)us(t)），與通過電流無關(guān)。 2) 輸出電流的大小與外部電路有關(guān)。24共四十九頁以上表明電壓源端電壓不變（符合第1條特性）。輸出電流大小與外電路有關(guān)（符合第2條特性）。用理想(lxing)電壓源和理想(lxing)電阻元件串聯(lián)可以來構(gòu)成實際電源。25共四十九頁1.4.2 電流(dinli)源基本特性： a. 輸出電流是一個恒定值Is或者一定規(guī)律變化(binhu)的時間函數(shù)is(t)，與端 電壓無關(guān)。 b.電流源兩端的電壓與外電路有關(guān)。26共四十九頁實際電流(dinli)源可用理想電流(dinli)源與電阻并聯(lián)來表示27共四十九頁1.4.3 兩種實際電源模型(mxng)的

10、等效變換等效是一個(y )什么概念。 （對外電路而言）二端網(wǎng)絡(luò)（單口網(wǎng)絡(luò)）：有源二端網(wǎng)絡(luò)：電路內(nèi)部含有獨立電源時為有源二端網(wǎng)絡(luò)N無源二端網(wǎng)絡(luò)：電路內(nèi)部不含有獨立電源時為無源二端網(wǎng)絡(luò)No。由定義可知：一個電阻、電容、電感、電源都是二端網(wǎng)絡(luò)的最簡 單的形式。28共四十九頁例:注意：等效是對外電路(dinl)而言。電路(dinl)內(nèi)部并不相等29共四十九頁例:二個電路(dinl)端口的VAR完全相同，則二個電路(dinl)等效。30共四十九頁回到實際電源(dinyun)模型上來那么這二個電源（實際）可以互換，已知電壓(diny)源參數(shù)（Us、Rs）31共四十九頁若已知：Is、Rs 由等效(dn xi

11、o)原則：32共四十九頁例1:例2:33共四十九頁接前例(qinl)34共四十九頁例：化簡等效電路：35共四十九頁36共四十九頁 1.4.4 受控電源 (Controlled Source)定義：受控源是一個具有兩條支路的元件，其中支路2 不是電壓源就 是電流(dinli)源，而支路1不是開路就是短路。支路2中的電源受支路 1 中的電壓或電流的控制。 （支路1, 開、短；支路2, 電流、電壓(diny)；）1.4.4.1電壓受控源（支路2是電壓源時）固定支路2a. VCVS (Voltage Controlled Voltage Source)37共四十九頁b. CCVS（Current Co

12、ntrolled Voltage Source）支路(zh l)2是電壓源。支路(zh l)1是短路。 1.4.4.2 電流(dinli)受控源 （支路2是電流(dinli)源） a. VCCS (支路1，開路)38共四十九頁b. CCCS (Current Controlled Current Source)R1=0 u1=0 i2=i1 電流(dinli)放大系數(shù)受控源的應(yīng)用(yngyng)39共四十九頁1.5 額定值和電功率(自學)1.6 克希荷夫定律 （基爾霍夫定律） 第2個約束(yush)1.6.1 幾個名詞1.支路(branch):電路中的每個分支稱為(chn wi)支路,且通過同

13、一電流。2.節(jié)點(node): 電路中三條或三條以上支路的聯(lián)接點稱為節(jié)點。3.回路(loop): 電路中任一閉合路徑稱為回路。4.網(wǎng)孔(mesh):電路中未被其它支路分割的最簡回路。40共四十九頁我們研究的對象是：支路電流和支路電壓(diny)支路電流和支路電壓必須受到兩類約束，一類是元件的特性對本元件上的電流和電壓造成的約束，另一類是元件之間的連接給支路電流和支路電壓造成的約束。表示這類約束關(guān)系的基本規(guī)律是基爾霍夫定律。它與元件的性質(zhì)無關(guān)，只與連接方式有關(guān)。1.6.2 克希荷夫定律 （電流(dinli)定律）KCL（kirchkhoffs Current law）KCL表述為：對于任一集總電

14、路的任一節(jié)點，在任一時刻，流入該節(jié)點的所有支路電流的代數(shù)和為零。（且為線性相關(guān)）數(shù)學表達式：41共四十九頁流入=流出； i1 + i2 = i3KCL也可以推廣運用(ynyng)電路中的任一假設(shè)的閉合面。即：+i1+i2-i3=042共四十九頁1.6.3 克希荷夫電壓定律 KVL（Kirchhoffs Voltage Law）KVL：對于任一集總電路中的任一回(y hu)路，在任一時刻沿該回路的所有支路電壓降的代數(shù)和為零。即：43共四十九頁講到獨立電源等效(dn xio)的問題，那么受控源呢，是不是也存在等效(dn xio)變換的問題呢。答案是肯定的。U=-500I+2000I+10=1500

15、I+10 （v）找出具有相同(xin tn)VAR的電路。44共四十九頁1.6.4 兩類約束及KCL、KVL方程的獨立性 當把元件相互接成具有一定幾何結(jié)構(gòu)形成的電路后，電路中出現(xiàn)了節(jié)點和回路。其各部分電壓和電流將受到兩類約束：其一，來自于元件的聯(lián)接方式，與一個節(jié)點相連接的支路；其電流必受到KCL的約束，與一個回路相聯(lián)系的各支路，其電壓必受到KVL的約束。這種只取決于互聯(lián)接形式的約束稱為拓撲(tu p)約束 （topoligical constraints）其二，來自元件的性質(zhì)VAR對于電阻元件：這類約束關(guān)系稱為(chn wi)元件性質(zhì)的約束。45共四十九頁 下面我們(w men)來討論一下如何

16、根據(jù)兩類約束，列出分析這類電路所需的方程。即求解出電路所有支路電壓和電流。 根據(jù)電路結(jié)構(gòu)、元件特性、獨立源數(shù)據(jù)求解。 看一個電路：已知各個電壓源，各個電阻值。 us1、us2、us3、us4、R1、R2、R3、R4、R5、R6求解各支路電壓和支路電流。46共四十九頁 按給定的支路電流下標命名各支路代號共有6條支路、12個未知量、要列12個方程。根據(jù)VAR先列出6個支路方程（支路的伏安關(guān)系）VAR支路1 （I1 ): u1=-us1+I1R1支路2 (I2)： u2=-us2+I2R2支路3 (I3)： u3=-us3+I3R3支路4 (I4)： u4=us4+I4R4支路5 (I5)： u5=

17、I5R5支路6 (I6)： u6=I6R6 顯見這6個方程是獨立的，任何一個(y )式子都不能由其它式子推導出來。47共四十九頁網(wǎng)孔： U1+U5+U4=0網(wǎng)孔： U2+U5+U6=0網(wǎng)孔： U6+U3-U4=0這樣就有12個方程，那么12個未知數(shù)便可解出。如果電路有b條支路，就有2b個求解量（I、U）。由支路的VAR可得到b個方程，由KCL、KVL可得b個。 那么怎么才知道KCL、KVL方程是否為獨立呢？（如何找b個方程）不加證明有3條結(jié)論。a.若電路有幾個節(jié)點，則KCL方程為n1個是獨立的，且是任意的 n1個。b.對于一個平面電路，則該電路有b（n1）個網(wǎng)孔，且b（n1） 個網(wǎng)孔的KVL方程是獨立的。c.由KCL和KVL可以得到獨立方程的總數(shù)是b個。 提供(tgng)獨立KCL方程的節(jié)點叫做獨立節(jié)點。 提供獨立KVL方程的節(jié)點的回路叫做回路。48共四十九頁內(nèi)容摘要電工電子技術(shù)導論。它們受到兩種規(guī)律的約束（兩類約束）。說明實際方向與參考方向相反。電路中a、b兩點間的