《电工与电子学》课件:第1章 电路和电路元件第3版.ppt
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- 电工与电子学 电工与电子学课件:第1章 电路和电路元件第3版 电工 电子学 课件 电路 元件
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1、1.1 1.1 电路和电路的基本物理量电路和电路的基本物理量1.2 1.2 电阻、电感和电容元件电阻、电感和电容元件1.3 1.3 独立电源元件独立电源元件 1.4 1.4 二极管二极管 1.5 1.5 双极晶体管双极晶体管 1.6 1.6 绝缘栅场效晶体管绝缘栅场效晶体管 第第1 1章章 电路和电路元件电路和电路元件1.1.1 1.1.1 电路电路1.1.2 1.1.2 电路元件和电路模型电路元件和电路模型1.1.3 1.1.3 电流、电压及其参考方向电流、电压及其参考方向1.1.4 1.1.4 电路功率电路功率1.1 1.1 电路和电路的基本物理量电路和电路的基本物理量电电 路路由电源、开
2、关、连接导线和负载等组成。由电源、开关、连接导线和负载等组成。 强电电路强电电路电压较高、电流和功率较大;实现电电压较高、电流和功率较大;实现电 能的传输和转换。(如电力系统等)能的传输和转换。(如电力系统等) 弱电电路弱电电路电压较低、电流和功率较小;实现信电压较低、电流和功率较小;实现信 号的传递和处理。(如扩音系统等)号的传递和处理。(如扩音系统等) 发电机发电机升压变压器升压变压器降压变压器降压变压器负载负载(如电灯、(如电灯、电动机等电动机等)话筒话筒放大器放大器扬声器扬声器1.1.1 1.1.1 电路电路1.1.2 1.1.2 电路元件和电路模型电路元件和电路模型o 实际电路元件实
3、际电路元件o 理想理想电路元件电路元件o 实际电路实际电路o 电路模型电路模型1.1.3 1.1.3 电流、电压及其参考方向电流、电压及其参考方向1.1.电流及其参考方向电流及其参考方向电流电流电荷量对时间的变化率电荷量对时间的变化率dqidt直流电流直流电流电流的大小和方向不随时间变化电流的大小和方向不随时间变化电流的实际方向电流的实际方向正电荷移动的方向正电荷移动的方向电流的参考方向电流的参考方向假定方向,也称正方向假定方向,也称正方向交流电流交流电流电流的大小和方向随时间变化电流的大小和方向随时间变化为什么要设电流参考方向?为什么要设电流参考方向? 简单电路简单电路 R2 USI2 U6
4、IS R1 I1 R4 I4 R3 I3 I5 电流的实际方向可知电流的实际方向可知各电流的实际方向未知各电流的实际方向未知复杂电路复杂电路2.2.电压及其参考方向电压及其参考方向电压电压 单位正电荷从一点移至另一点作的功单位正电荷从一点移至另一点作的功电压的实际方向电压的实际方向 高电位指向低电位,电位降低高电位指向低电位,电位降低 的方向的方向 直流电压直流电压 电压的大小和极性不随时间变化电压的大小和极性不随时间变化交流电压交流电压 电压的大小和极性随时间变化电压的大小和极性随时间变化dwudq电压的参考方向电压的参考方向 假定方向假定方向电位、电动势电位、电动势 按定义,电路的功率为电
5、场力在单位时间里按定义,电路的功率为电场力在单位时间里所做的功。即所做的功。即dwpdt如果某个元件(或某段电路)的电压和电流分如果某个元件(或某段电路)的电压和电流分别为别为u和和i,那么,功率就等于,那么,功率就等于dwdw dqpuidtdq dt1.1.4 1.1.4 电路功率电路功率biua+ +- -N根据电压电流的参考方向,电路功率根据电压电流的参考方向,电路功率puiiNu N N消耗功率(吸收功率)消耗功率(吸收功率)0pui N N输出功率(释放功率)输出功率(释放功率) 0pui如图所示电压电流的参考方向,称为如图所示电压电流的参考方向,称为关联参考方向关联参考方向221
6、1ttttwpdtuidt 根据功率与能量的关系,在根据功率与能量的关系,在t1t2内时内时间,电路吸收的电能间,电路吸收的电能若电压为伏特(若电压为伏特(V),电流为安培电流为安培(A),时间,时间为秒为秒(S),则电能单位为焦耳,则电能单位为焦耳(J);实用中常;实用中常用千瓦时用千瓦时(kWh),1kWh=3.6106J,俗称,俗称 1度电。度电。电流、电压、功率的符号和单位电流、电压、功率的符号和单位 电电 量量 名名 称称 符符 号号 基基 本本 单单 位位 常用工程单位常用工程单位 电电 流流I (直流)(直流)i (交流)(交流) AkA、mA 、A、nA 电电 压压U (直流)
7、(直流)u (交流)(交流) VkV、MV 、mV、V 功功 率率P(平均功率)(平均功率) WkW、MW、mW1.2.1 1.2.1 电阻元件电阻元件 1.2 1.2 电阻、电感和电容元件电阻、电感和电容元件1.2.2 1.2.2 电感元件电感元件 1.2.3 1.2.3 电容元件电容元件1.2.4 1.2.4 实际元件的主要参数及电路模型实际元件的主要参数及电路模型电压电流关系电压电流关系 uRi电阻功率电阻功率 电阻耗能电阻耗能 伏安特性伏安特性电压与电流的关系电压与电流的关系22up uiRiR耗能元件耗能元件22112ttttWpdtRi dtIUOIUO线线 性性电电 阻阻 非线性
8、非线性电电 阻阻 (电阻(电阻R R单位:单位: )k1.2.11.2.1 电阻元件电阻元件 部分电阻器的照片部分电阻器的照片膜电阻器膜电阻器线绕电阻器线绕电阻器电位器电位器热敏电阻器热敏电阻器水泥电阻器水泥电阻器1.2.2 1.2.2 电感元件电感元件线性电感线性电感 iNLiNLi电压电流关系电压电流关系 LdNdieLdtdt Lue diuLdt在直流电路中,在直流电路中,i=I,为常数,为常数0diuLdt 电感相当于短路电感相当于短路电感是一种储能元件,储存的磁场能量电感是一种储能元件,储存的磁场能量 212LWLI电感电感L L的单位:亨利的单位:亨利( )( )、毫亨、毫亨(
9、)( )、微亨、微亨( )( )HmHH电感的功率电感的功率dipuiLidt 在直流电路中,在直流电路中,p=0电感的能量电感的能量 212LdiwpdtLidtLidiLidt 部分电感器的照片部分电感器的照片不同类电感器不同类电感器陶瓷电感器陶瓷电感器标准电感器标准电感器1.2.3 1.2.3 电容元件电容元件线性电容线性电容 uqqcu 电压电流关系电压电流关系 dqidtduicdt电容在直流电路中,电容在直流电路中,0i 相当于开相当于开路路 电容是一种储能元件,储存的电场能量电容是一种储能元件,储存的电场能量 212Wccu电容电容C C的单位:法拉的单位:法拉 、微法拉、微法拉
10、 、 微微法拉微微法拉()F()F()pF 部分电容器的照片部分电容器的照片 电解电容器电解电容器 普通电容器普通电容器 电力电容器电力电容器单相电动机单相电动机 电容器电容器 1.2.4 1.2.4 实际元件的主要参数及电路模型实际元件的主要参数及电路模型主要参数(额定参数)主要参数(额定参数):电阻器:标称电阻值、额定功率电阻器:标称电阻值、额定功率电感器:标称电感值、额定电流电感器:标称电感值、额定电流电容器:标称电容值、额定电压电容器:标称电容值、额定电压电路模型电路模型: :理想电路模型理想电路模型: : 电阻器电阻器R R、电感器、电感器L L、电容器、电容器C C实际电路模型实际
11、电路模型: : 理想元件理想元件模型模型的不同组合的不同组合1.3 1.3 独立电源元件独立电源元件1.3.2 1.3.2 实际电源的模型实际电源的模型1.3.1 1.3.1 电压源和电流源电压源和电流源1.3.1 1.3.1 电压源和电流源电压源和电流源电压源(理想电压源):电压源(理想电压源): I I 端电压(输出电压)端电压(输出电压) 端电流(输出电流)端电流(输出电流)SUUU O I US输出电压输出电压 等于源电压等于源电压 ,与,与 输出电流和外电路的情况无关。输出电流和外电路的情况无关。USUSU 源电压源电压 UI I电流源(理想电流源):电流源(理想电流源):I I 源
12、电流源电流ISSII 端电压端电压 U 端电流端电流I IU O I IS输出电流输出电流 等于源电流等于源电流 ,与,与输出电压和外电路的情况无关。输出电压和外电路的情况无关。I IIS1.3.2 1.3.2 实际电源的模型实际电源的模型1.1.实际电压源实际电压源0SUUR I 端电压随端电流的增加而减小端电压随端电流的增加而减小 ,开路状态,开路状态, R 当0,I SU U 开路电压开路电压 ,短路状态,短路状态, 0R 当SOUIR0,U 短路电流短路电流 实际电压源在工作时要避免短路!实际电压源在工作时要避免短路!U O I US部分电压源照片部分电压源照片2.2.实际电流源实际电
13、流源U O I IS0SUIIR00SUR IR I端电流随端电压的增加而减小端电流随端电压的增加而减小 。等效等效-对外电路等效对外电路等效3.3.两种实际电源模型的等效互换两种实际电源模型的等效互换互换互换-实际电压源可变换为实际电流源,实际电压源可变换为实际电流源, 实际电流源可变换为实际电压源实际电流源可变换为实际电压源0SSUIR0SUUR I 00SUR IR I00RR0SSUR I 1.4 1.4 二极管二极管1.4.1 PN1.4.1 PN结及其单向导电性结及其单向导电性1.4.2 1.4.2 二极管的特性和主要参数二极管的特性和主要参数1.4.3 1.4.3 二极管的工作点
14、和理想特性二极管的工作点和理想特性1.4.4 1.4.4 稳压二极管稳压二极管1.4.5 1.4.5 发光二极管和光电二极管发光二极管和光电二极管 1.4.1 PN1.4.1 PN结及其单向导电性结及其单向导电性物质按导电能力分为:导体、半导体、绝缘体。物质按导电能力分为:导体、半导体、绝缘体。本征半导体本征半导体 纯净的半导体(如硅、锗、砷化镓等)纯净的半导体(如硅、锗、砷化镓等)P P型半导体型半导体 在纯净的半导体硅、锗中掺入少量在纯净的半导体硅、锗中掺入少量 三价元素。三价元素。 多数载流子为空穴多数载流子为空穴。N N型半导体型半导体 在纯净的半导体硅、锗中掺入少量在纯净的半导体硅、
15、锗中掺入少量 五价元素。五价元素。 多数载流子为电子。多数载流子为电子。PNPN结的形成:结的形成: 浓度差浓度差扩散和复合扩散和复合 空间电荷区(耗尽层)空间电荷区(耗尽层)内电场内电场 扩散和复合扩散和复合空间电荷区空间电荷区 (耗尽层)(耗尽层)内电场内电场阻止扩散、并引起少数载流子漂移阻止扩散、并引起少数载流子漂移最终,扩散与内电场作用达到平衡最终,扩散与内电场作用达到平衡PNPN结结PNPN结的单向导电性结的单向导电性 o PNPN结加正向电压结加正向电压 外电场与内电场方向相反外电场与内电场方向相反外电场外电场空间电荷区变窄空间电荷区变窄当外加电压足够大当外加电压足够大外电场足够强
16、外电场足够强克服内电场克服内电场作用作用 PN PN结导通结导通电流电流I I从从P P流向流向N N外加正向电压外加正向电压外电场外电场o PNPN结加反向电压结加反向电压 PNPN结的单向导电性结的单向导电性 外电场与内电场方向相同外电场与内电场方向相同外电场外电场空间电荷区变宽空间电荷区变宽不导通(截止)不导通(截止)结论:结论:PNPN结具有单向导电性。结具有单向导电性。PNPN结加正向电压导结加正向电压导 通,加反向电压截止,导通方向:通,加反向电压截止,导通方向:P P NN1.4.2 1.4.2 二极管的特性和主要参数二极管的特性和主要参数二极管:一个二极管:一个PNPN结,两个
17、电极结,两个电极-阳极、阴极阳极、阴极1.1.二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管两湍的电压与流二极管两湍的电压与流过的电流之间的关系曲线过的电流之间的关系曲线 正向特性正向特性死区死区电压小,基本不电压小,基本不导通。死区电压:硅管导通。死区电压:硅管0.40.40.5V 0.5V 锗管约锗管约0.1V0.1V1.1.二极管的伏安特性二极管的伏安特性非线性区非线性区开始导通,电流小开始导通,电流小 正向特性正向特性导通区导通区近似线性,导通压降:近似线性,导通压降: 硅管硅管0.60.7V 0.60.7V 锗管锗管0.20.3V0.20.3V 反向特性反向特性正常工作区正常工作区截止截止
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