電工電子學(第三版)PPT+

退出1.1電路和電路的基本物理量1.1.1

電路1.1.3

電壓、電流及其參考方向1.1.4

電路功率第1章上頁下頁返回1.1.2

電路元件和電路模型1.1.1

電路

電路：是為了某種需要由某些電工、電子器件或設(shè)備組合而成的電流的通路。翻頁第1章上頁下頁返回1.電路的作用2.電路的組成電力系統(tǒng)擴音器電路的作用實現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換實現(xiàn)信號的傳遞和處理1.電路的作用翻頁上頁下頁返回第1章電燈電爐電動機發(fā)電機升壓變壓器降壓變壓器話筒揚聲器放大器2.

電路組成

電路的組成：電源、負載和導線、開關(guān)等。翻頁實際電路第1章上頁下頁返回翻頁上頁下頁返回第1章

各種蓄電池和干電池由化學能轉(zhuǎn)換成電能。電源

實際的負載包括電動機、電動工具和家用電器等等。電動機手電鉆吸塵器負載翻頁上頁下頁返回第1章1.1.2.

電路元件和電路模型翻頁實際電路電路模型第1章上頁下頁返回E+–SIR實際電路元件理想電路元件

在復雜電路中難于預先判斷某段電路中電流的實際方向，從而影響電路求解。問題電流方向ba,ab？abR5R2R1R3R4R6++E1E2E＋ˉ＋URIab電壓、電流實際方向：翻頁上頁下頁返回第1章ˉ1.1.3電壓、電流及其參考方向

在解題前先任意選定一個方向，稱為參考方向（或正方向）。依此參考方向，根據(jù)電路定理、定律列電路方程，從而進行電路分析計算。解決方法:計算結(jié)果為正，實際方向與假設(shè)方向一致；計算結(jié)果為負，實際方向與假設(shè)方向相反。

由計算結(jié)果可確定U、I

的實際方向：翻頁上頁下頁返回第1章1.實際正方向和參考方向

翻頁上頁下頁返回第1章▲實際正方向：物理中對電量規(guī)定的方向；▲假設(shè)正方向（參考正方向）：在分析計算時，為解決問題方便，對物理量任意假設(shè)的參考方向?！P(guān)聯(lián)參考方向：某元件中電壓、電流參考方向一致，適合于電阻、電容、電感等負載元件；▲非關(guān)聯(lián)參考方向：某元件中電壓、電流參考方向不一致，適合于電源元件。2.基本物理量及其實際正方向物理量單位方向W、kW、mW(用電或供電)P功率A、mA、μA

正電荷移動的方向

高電位流向低電位i（交流）I（直流）電流V、kV、mV、μV電位降的方向（高電位低電位）U（直流）

u（交流）電壓V、kV、mV、μV電源力驅(qū)動正電荷的方向（低電位高電位）E（直流）

e（交流）電動勢翻頁上頁下頁返回第1章3.電流及其參考方向▲電流參考方向標注形式：ababiab

表示參考方向由a指向b4.電位、電壓及其參考方向▲電壓參考方向標注形式：

▲

表示a端為高電位端，b為低電位端abU＋－ab▲某點a到參考點o的電壓稱為a點的電位，用表示

小結(jié)1.電壓電流“實際方向”是客觀存在的物理現(xiàn)象，“參考方向”是人為假設(shè)的方向。翻頁上頁下頁返回第1章

2.方程U=RI

只適用于R中U、I參考方向一致的情況。即歐姆定律表達式含有正負號，當U、I參考方向一致時為正，否則為負。3.在解題前，一定先假定電壓電流的“參考方向”，然后再列方程求解。即U、I為代數(shù)量，也有正負之分。當參考方向與實際方向一致時為正，否則為負。4.為方便列電路方程，習慣假設(shè)I與U的參考方向一致（關(guān)聯(lián)參考方向）。

設(shè)電路任意兩點間的電壓為U，電流為I,則這部分電路消耗的功率為1.1.4電路功率如果假設(shè)方向不一致怎么辦？功率有無正負？問題：翻頁上頁下頁返回第1章bIRUa+-P=UI1)按所設(shè)參考方向列式U、I參考方向一致

P=UI功率的計算

U、I參考方向相反翻頁上頁下頁返回第1章bIRUa+-IbRUa-+bRUa+-IbIRUa-+P=–UI2）將U、I

的代數(shù)值代入式中

若計算的結(jié)果P>

0,則說明U、I

的實際方向一致，此部分電路吸收電功率（消耗能量）

負載

。

若計算結(jié)果P<0,則說明U、I

的實際方向相反，此部分電路輸出電功率（提供能量）

電源。P=UI翻頁上頁下頁返回第1章已知：U=

10

V,I=

1A

。按圖中

P=10

W

(負載性質(zhì)）假設(shè)的正方向列式：P=UI1)

P為“＋”表示該元件吸收功率；P為“－”則表示輸出功率。2）在同一電路中，電源產(chǎn)生的總功率和負載消耗的總功率是平衡的。小結(jié)：若：U=10

V,I=－1

A

則

P=－10W

（電源性質(zhì)）IbaU＋－上頁下頁第1章返回本節(jié)結(jié)束[例1.]上頁下頁第1章返回本節(jié)結(jié)束[例1.1.1]已知I1=2A，I2=-1.25A，I3=0.75A。試求：（1）Va、Vb、Vc；（2）Uab、Ubc；（3）PS1、PS2

。解:(1)Va=US1=10VVc=US2=8VVb=R3I3=9Vd10V8Vcba+R1R20.5I1I2I30.8US112+US2R3（2）Uab=R1I1=1VUbc=-R2I2=1V（3）PS1=US1I1=20WPS2=US2I2=-10W1.2

電阻、電感和電容元件1.2.1

電阻元件1.2.2電感元件

1.2.3

電容元件第1章上頁下頁返回翻頁上頁下頁第1章返回1.2.1電阻元件電阻（R）：具有消耗電能特性的元件。Riu＋－iu當電壓與電流之間不是線性函數(shù)關(guān)系時，稱為非線性元件。當恒定不變時，稱為線性電阻。翻頁iu＋-第1章上頁下頁返回Riu＋－

伏-安特性曲線iu

伏-安特性曲線

伏安特性：電阻元件上電壓與電流間的關(guān)系翻頁第1章上頁下頁返回幾種常見的電阻元件普通金屬膜電阻繞線電阻熱敏電阻1.2.2電感元件

單位：H,mH,HL:與磁通和電流都無關(guān)

電感：能夠存儲磁場能量的元件。翻頁上頁下頁第1章返回L符號i電感元件的基本伏—安關(guān)系式電感元件的基本關(guān)系式翻頁第1章上頁下頁返回uiL+-eL+-iu=Ldidt電感是一種儲能元件，儲存的磁場能量為電感元件在直流電路中相當于一根無阻導線!翻頁第1章上頁下頁返回翻頁第1章上頁下頁返回幾種常見的電感元件帶有磁心的電感陶瓷電感鐵氧體電感

1.2.3電容元件C相當于開路!電容元件在直流電路中：電容：具有存儲電場能量特性的元件。翻頁dudt=0i=0第1章上頁下頁返回ui＋－Ci=Cdudt電容元件的基本伏—安關(guān)系式i=dud

tCdqdt=翻頁第1章上頁下頁返回幾種常見的電容器普通電容器電力電容器電解電容器理想元件的伏安關(guān)系第1章上頁下頁返回RLCu=Rii=Cdudtu=Ldidt翻頁（u與i參考方向一致）1.3獨立電源元件

1.3.1

電壓源和電流源1.3.2

實際電源的模型1.3.3

兩種電源的等效互換下頁上頁返回第1章

1.3.1

電壓源和電流源

1.電壓源外特性：輸出電壓與輸出電流的關(guān)系U

翻頁第1章上頁下頁1.端電壓始終恒定，等于直流電壓

。2.輸出電流是任意的，即隨負載(外電路）

的改變而改變。US返回特點：_U+IUS+_RLIO

1.輸出電流恒定不變2.端電壓是任意的,即隨負載不同而不同IUIS＋－

2.電流源RLU=IS.RLI=IS外特性方程翻頁下頁上頁第1章返回特點IUISO分析：IS

固定不變,US

固定不變。USIRU-=翻頁上頁下頁第1章返回IsU=?＋－IUS+-R所以：

I=Is,已知：Is，US，R問：I=？U=？[例2]1.3.2實際電源的模型翻頁U=US-IR0--外特性方程第1章下頁上頁返回baIR+U-USR0+–IU+-實際電源R電壓源模型1.3.2實際電源的模型翻頁第1章下頁上頁返回IU+-實際電源RbaIR+U-R0IR0IsI=IS-IR0---外特性方程電流源模型翻頁第1章下頁上頁返回baIR+U-USR0+–IU+-實際電源RbaIR+U-R0IR0Is1.3.3兩種電源的等效互換等效互換條件：U=UsI·R0U=IR0·R0

=Is·R0I·R0=(

IsI)·R0

Us=

R0=R0Is·R0電壓源模型電流源模型電流源模型電壓源模型R0USIs=R0=R0US=Is·R0

R0=R0下頁上頁第1章翻頁返回IUS+UR0＋－－IsR0U＋－IIsR0U＋－IIUS+UR0＋－－2）所謂“等效”是指“對外電路”等效（即對外電路的伏－安特性一致），對于電源內(nèi)部并不一定等效。例如，在電源開路時：1）電壓源模型與電流源模型互換前后電流的方向保持不變，即IS和Us方向一致。R0

不消耗能量

消耗

能量R0

上頁下頁第1章翻頁返回說明IUS+UR0＋－－IsR0U＋－I3）電壓源（恒壓源）與電流源（恒流源）

之間不能互換。為什么?

上頁下頁第1章返回IsUS+–上頁下頁第1章返回例3用兩種電源模型等效互換的方法求I3和I110V8V+R20.5I30.8US112+US2R320A10AR1R2I3IS1R3IS230AR12I3ISR3R10.5I1上頁下頁第1章返回例1.3.3用兩種電源模型等效互換的方法求I1。R2R10.5I10.810V+US18V+US212R310AR2R3IS2R10.5I110V+US1R10.5I110V+US1R230.757.5V+US231.4.2

二極管的特性和主要參數(shù)

1.4.3

二極管的電路模型1.4.4

穩(wěn)壓二極管1.4.1

PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.4二極管第1章上頁下頁返回1.本征半導體完全純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體稱為本征半導體。它具有共價鍵結(jié)構(gòu)。鍺和硅的原子結(jié)構(gòu)單晶硅中的共價鍵結(jié)構(gòu)價電子硅原子第1章上頁下頁翻頁返回1.4.1

PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦?/p>

在半導體中，同時存在著電子導電和空穴導電。空穴和自由電子都稱為載流子。它們成對出現(xiàn)，成對消失。在常溫下自由電子和空穴的形成復合自由電子本征激發(fā)第1章上頁下頁翻頁返回空穴2.N型半導體和P型半導體原理圖P自由電子結(jié)構(gòu)圖磷原子正離子P+

在硅或鍺中摻入少量的五價元素，如磷或砷、銻，則形成N型半導體。多余價電子少子多子正離子在N型半導體中，電子是多子，空穴是少子第1章上頁下頁N型半導體翻頁返回電子帶負（Negative）電荷

P型半導體

在硅或鍺中摻入三價元素，如硼或鋁、鎵，則形成P型半導體。原理圖BB-

硼原子負離子空穴填補空位結(jié)構(gòu)圖在P型半導體中，空穴是多子，電子是少子。多子少子負離子第1章上頁下頁

翻頁返回空穴帶正（Positive）電荷

用專門的制造工藝在同一塊半導體單晶上，形成P型半導體區(qū)域和N型半導體區(qū)域，在這兩個區(qū)域的交界處就形成一個PN結(jié)。P區(qū)N區(qū)P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散并與電子復合N區(qū)的電子向P區(qū)擴散并與空穴復合空間電荷區(qū)內(nèi)電場方向

3.PN結(jié)的形成第1章上頁下頁翻頁返回

在一定條件下，多子擴散和少子漂移達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定。內(nèi)電場阻擋多子的擴散運動，推動少子的漂移運動?？臻g電荷區(qū)內(nèi)電場方向PN多子擴散少子漂移結(jié)論：在PN結(jié)中同時存在多子的擴散運動和少子的漂移運動。第1章上頁下頁翻頁返回4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮區(qū)N區(qū)內(nèi)電場外電場EI空間電荷區(qū)變窄

P區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)和一部分負離子中和

N區(qū)電子進入空間電荷

區(qū)和一部分正離子中和擴散運動增強，形成較大的正向電流。第1章上頁下頁翻頁外加正向電壓返回外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走空間電荷區(qū)變寬

內(nèi)電場外電場少子越過PN結(jié)形成很小的反向電流IRE第1章上頁下頁翻頁

外加反向電壓N區(qū)P區(qū)返回由上述分析可知：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?/p>

在PN結(jié)上加正向電壓時，PN結(jié)電阻很低，正向電流較大。（PN結(jié)處于導通狀態(tài)）

加反向電壓時，PN結(jié)電阻很高，反向電流很小。（PN結(jié)處于截止狀態(tài)）切記第1章上頁下頁翻頁返回1.4.2二極管的特性和主要參數(shù)

1.結(jié)構(gòu)

表示符號

面接觸型點接觸型N型硅PN結(jié)第1章上頁下頁陰極陽極D翻頁返回第1章上頁下頁翻頁返回幾種二極管外觀圖小功率二極管大功率二極管

發(fā)光二極管2.二極管的伏安特性-40-20OU/VI/mA604020-50-250.40.8正向反向擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)硅管的伏安特性I/μA第1章上頁下頁翻頁返回-20-40-250.40.2-5010O155I/mAU/V鍺管的伏安特性I/μA死區(qū)電壓死區(qū)電壓：約0.5V正向?qū)▔航担?.6V～0.8V死區(qū)電壓：約0.1V正向?qū)▔航担?.2V～0.3V反向電流IR3.二極管的主要參數(shù)-40-20OI/mA604020-50-250.40.8正向反向擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)I/μAU/V第1章上頁下頁最大正向電流IFM

最高反向電壓URM

最高工作頻率fM

翻頁返回-第1章上頁返回下頁1.4.3二極管的電路模型

1.二極管的工作點R＋＋D-U工作點：Q翻頁U=–RIUQIQQIUO第1章上頁返回下頁二極管的靜態(tài)電阻和動態(tài)電阻翻頁靜態(tài)電阻：UQIQRD=IUUQIQQIUO動態(tài)電阻：第1章上頁返回下頁2.二極管特性的折線近似及模型O+－UONDiODi穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管，具有穩(wěn)定電壓作用。特點:(1)反向特性曲線比較陡(2)工作在反向擊穿區(qū)1.4.4

穩(wěn)壓二極管第1章上頁下頁翻頁返回DZ陰極陽極I/mAU/V0UZIZUiR＋-＋-DZRL＋-UOIILIZUZ穩(wěn)壓管的主要參數(shù):第1章上頁下頁穩(wěn)定電壓UZ：不同型號的穩(wěn)壓管其UZ是不同的，使用是注意選擇動態(tài)電阻rZ：

rZ越小，穩(wěn)壓性能越好最大允許耗散功率PZM：PZM≈UZIZM一般情況:高于6V的αUZ為負,低于6V的αUZ為正。電壓溫度系數(shù)αUZ：溫度每升高時穩(wěn)壓值的相對變化量。rz=△UZ/△IZ返回翻頁最大穩(wěn)定電流IZM：允許通過的最大反向電流第1章上頁返回下頁1.4.5發(fā)光二極管和光電二極管1.發(fā)光二極管（LED，LightEmittingDiode）翻頁＋D-U特征：單向?qū)щ娦怨ぷ麟娏鳎簬字翈资涟补ぷ麟妷海?.5~3V用途：信號燈指示數(shù)字和字符指示光電轉(zhuǎn)換工作在正向偏置狀態(tài)第1章上頁返回下頁2.光電二極管/光敏二極管翻頁＋D-U工作在反向偏置狀態(tài)用途：測光元件光電轉(zhuǎn)換反向電流隨光照強度的增加而上升IV照度增加1.5

雙極晶體管1.5.1基本結(jié)構(gòu)和電流放大作用1.5.2特性曲線和主要參數(shù)1.5.3簡化的小信號模型第1章上頁下頁返回例：習題1.4.11.5.1基本結(jié)構(gòu)和電流放大作用NPN型PNP型CPNNNPPEEBB發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū)基極發(fā)射極集電結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電區(qū)發(fā)射區(qū)集電極集電極C發(fā)射極基極BETCNPNBETCPNP第1章上頁下頁翻頁返回晶體管的電流放大原理IEIBRBUBBICUCC輸入電路輸出電路公共端

晶體管具有電流放大作用的外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置集電結(jié)反向偏置NPN管：

UBE>0

UBC<0即Vc<Vb<VeRCBCE共發(fā)射極放大電路第1章上頁下頁翻頁返回三極管的電流控制原理UBBRBIBICUCCRCNPIEN發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子電源負極向發(fā)射區(qū)補充電子形成發(fā)射極電流IE電子在基區(qū)的擴散與復合集電區(qū)收集電子電子流向電源正極形成ICEB正極拉走電子，補充被復合的空穴，形成IB第1章上頁下頁翻頁返回由上所述可知:Ic=βIb由于基區(qū)很薄且摻雜濃度小,電子在基區(qū)擴散的數(shù)量遠遠大于復合的數(shù)量。即：IC>>IB

或△IC>>△IB第1章上頁下頁翻頁返回晶體管起電流放大作用，必須滿足發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏的條件。3當基極電路由于外加電壓或電阻改變而引起IB的微小變化時，必定使IC發(fā)生較大的變化。即三極管的基極電流對集電極電流具有控制作用。1.5.2

特性曲線和主要參數(shù)1.輸入特性曲線IB

=f(UBE)UCE=常數(shù)UCE≥1V第1章上頁下頁翻頁返回IEIBRBUBICUCCRC＋--＋UBEUCEUBE/VIB/μAOO2.晶體管輸出特性曲線IC

=f

(UCE)|

IB=

常數(shù)IB

減小IB增加UCEICIB

=20μAIB

=60μAIB

=40μA第1章上頁下頁翻頁返回IEIBRBUBICUCCRC＋--＋UBEUCE晶體管輸出特性曲線分三個工作區(qū)UCE

/VIC

/mA8060400IB=20μAO24681234截止區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)第1章上頁下頁翻頁返回

晶體管三個工作區(qū)的特點:截止區(qū):飽和區(qū):發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏有電流放大作用,IC=βIB輸出曲線具有恒流特性發(fā)射結(jié)、集電結(jié)處于反偏失去電流放大作用,IC≈0晶體管C、E之間相當于開路發(fā)射結(jié)、集電結(jié)處于正偏失去放大作用晶體管C、E之間相當于短路上頁下頁翻頁返回CEUCE≈0IC≈0CE放大區(qū)UCE

/VIC

/mA8060400IB=20μAO24681234截止區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)

3.主要參數(shù)穿透電流ICEO基極開路IB=0時集電極電流交流電流放大系數(shù)β=△IC/△IB第1章上頁下頁直流電流放大系數(shù)β=（Ic-ICEO）/IB=IC/IB

電流放大系數(shù)翻頁返回ICEOCBEμA集電極最大允許電流ICM（超過此值時β會下降，當β值下降到正常值2/3時的集電極電流，但不會損壞三極管）集-射反向擊穿電壓U(BR)CEO集電極最大允許耗散功率PCM過壓區(qū)過流區(qū)安全工作區(qū)過損區(qū)PCM=ICUCEUCE/VU(BR)CEOIC/mAICMO使用時不允許超過這些極限參數(shù).第1章上頁下頁翻頁

極限參數(shù)返回例：1.5.3

簡化的小信號模型

三極管工作在放大狀態(tài)時可用電路模型來表征它的特性。建立簡化小信號模型的條件：1）三極管工作在放大狀態(tài);2)輸入信號非常?。ㄒ话悝藺數(shù)量級）上頁下頁第1章翻頁返回

rbe

=200Ω+（1+β）————26（mv）IE（mA）三極管微變等效模型的建立步驟：iB0uBEUce≥1VIB△IB△UBE第1章上頁下頁Q

輸入回路微變等效電路翻頁返回berbe△UBE△IBubeib=rbe=ibec+-+-uceubeicb常溫小功率晶體管輸出回路微變等效電路β

=———△IB△IC第1章iC=βib

icβ=ib受控恒流源ebibiCcβibubeucerbe–++–UCE

/VIC

/mA8060400IB=20μAO24681234放大區(qū)本節(jié)結(jié)束1.6

絕緣柵場效晶體管1.6.1

基本結(jié)構(gòu)和工作原理第1章上頁下頁返回1.6.2

特性曲線和主要參數(shù)1.6.3

簡化的小信號模型1.6.1

基本結(jié)構(gòu)和工作原理1.結(jié)構(gòu)BGN溝道增強型結(jié)構(gòu)示意圖BDS圖形符號第1章上頁下頁返回翻頁第1章上頁下頁返回翻頁絕緣柵型場效應管的應用最為廣泛，這種場效應管又稱為金屬－氧化物－半導體場效應晶體管（MOS）。metaloxidesemi-condutorP溝道增強型耗盡型N溝道增強型耗盡型

按其導電類型可將場效應晶體管分為N溝道和P溝道兩種，按其導電溝道的形成過程可分為耗盡型和增強型兩種。

因而就出現(xiàn)了四種不同形式的場效應晶體管，它們是：2.工作原理

D與S之間是兩個PN結(jié)反向串聯(lián)，無論D與S之間加什么極性的電壓，漏極電流均接近于零。(1)UGS=0結(jié)構(gòu)示意圖襯底引線BUDSID=0GDSP型硅襯底SiO2柵源電壓

UGS

對導電溝道的控制作用第1章上頁下頁N+N+翻頁返回(2)UGS增加

由柵極指向襯底方向的電場使空穴向下移動,電子向上移動。UDSSiO2GDSB結(jié)構(gòu)示意圖P型硅襯底N+N+ID=0UGS

在P型襯底表面形成耗盡層。第1章上頁下頁翻頁返回(3)UGS繼續(xù)增加到開啟電壓UGS(th)

柵極下P型半導體表面形成N型導電溝道。

當D、