汽車(chē)電工電子基礎(chǔ).pptx

1、中等專(zhuān)業(yè)教育國(guó)家規(guī)劃教材配套用書(shū)汽車(chē)電工電子 基礎(chǔ)第一節(jié) 直流電路的基本概念一、電路和電路圖 1.電路 電路是電流流過(guò)的路徑。復(fù)雜電路呈網(wǎng)狀,所以電路又稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)。 電路是由電源、負(fù)載和中間環(huán)節(jié)三部分構(gòu)成的。電源是給電路提供電能或信號(hào)的器件;負(fù)載是電路中吸收電能或輸出信號(hào)的器件;中間環(huán)節(jié)則根據(jù)電路作用、需要而不同,通常由起引導(dǎo)和控制或測(cè)量作用的器件構(gòu)成。 內(nèi)電路和外電路： 對(duì)電源來(lái)講,負(fù)載和中間環(huán)節(jié)稱(chēng)做外電路,電源內(nèi)部的電路稱(chēng)做內(nèi)電路。 2.電路圖 實(shí)際電氣設(shè)備的安裝和維修都是依據(jù)電原理圖進(jìn)行的,很少使用實(shí)物接線(xiàn)圖。電原理圖也簡(jiǎn)稱(chēng)為電路圖,是指將實(shí)際電路中的各器件用規(guī)定的圖形符號(hào)表示之后所畫(huà)出的圖

2、。如圖所示。 3.汽車(chē)電路的單線(xiàn) 在汽車(chē)上,為了節(jié)省導(dǎo)線(xiàn)和便于安裝、維修,電源和用電器之間通常只用一根導(dǎo)線(xiàn)連接,另一根導(dǎo)線(xiàn)則由車(chē)體的金屬部分代替而構(gòu)成回路。這種連接方式稱(chēng)為單線(xiàn)制,。采用單線(xiàn)制時(shí),汽車(chē)電源(是蓄電池)的一端接到車(chē)體上,稱(chēng)為搭鐵,用符號(hào)表示。按電源搭鐵的極性可分為正接地和負(fù)接地。由于負(fù)極搭鐵時(shí)對(duì)無(wú)線(xiàn)電干擾較小,對(duì)車(chē)架或車(chē)身化學(xué)腐蝕較輕,所以世界各國(guó)的汽車(chē)多采用負(fù)極搭鐵,如圖所示。常用電工圖形符號(hào)二、電路的基本物理量 1.電流 電流是電荷定向移動(dòng)形成的。習(xí)慣上把正電荷定向移動(dòng)的方向規(guī)定為電流方向。因此,自由電子和負(fù)離子移動(dòng)的方向與電流方向相反。 根據(jù)電流的變化可將電流分為直流電流和

3、交流電流。大小隨時(shí)間變化、方向不變的電流稱(chēng)直流電流,其中大小、方向都不變的稱(chēng)恒定電流,簡(jiǎn)稱(chēng)直流(DC),如不特別說(shuō)明,本書(shū)所說(shuō)的直流電均指恒定電流,用字母I 表示。大小和方向都隨時(shí)間變化的電流稱(chēng)為交流電流,用字母i 表示，發(fā)出的交流電都是隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的正弦交流電。不同用電器的電流大小是不一樣的。電流大小也簡(jiǎn)稱(chēng)為電流,是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電量。如果時(shí)間t 內(nèi)勻速流過(guò)導(dǎo)體橫截面的電量為Q,則電流是恒定的,大小為I = Q/t （P4） 電路較復(fù)雜時(shí),電流的實(shí)際方向很難判定。為此,在分析與計(jì)算電路時(shí),常?？墒孪热我膺x定某一方向作為電流的參考方向,也稱(chēng)為正方向。當(dāng)實(shí)際方向與選擇的參考

4、方向一致時(shí),參考方向下的電流值為正數(shù),如右下圖所示;當(dāng)實(shí)際方向與參考方向相反時(shí),參考方向下的電流值為負(fù)數(shù),如左圖所示。 例：如圖所示方框?yàn)槟骋煌飞系囊环N用電器件,試分析:(1)若已知該器件上的電流是從a 到b,大小為1 A,則圖中電流I 等于多少?(2)若已知該器件上的電流是從b 到a,大小為1 A,則圖中電流I 又等于多少?例： 在圖電路中,I1 、I2 分別等于多少? 2.電壓 電路中A、B 兩點(diǎn)間的電壓是指單位正電荷在電場(chǎng)力作用下由A 點(diǎn)移到B 點(diǎn)時(shí),電場(chǎng)力所做的功。電壓用字母u 或U 表示,則 uAB = WAB/Q 式中 WAB 正電荷Q 移動(dòng)過(guò)程中能量的減少量。 電壓的方向是正電

5、荷在電場(chǎng)中的受力方向。例如對(duì)電源而言,電壓的方向是從電源正極到電源負(fù)極。 電壓的分類(lèi)與電流一樣,通常所說(shuō)的直流電壓均指恒定電壓,用字母U 表示,交流電壓是指正弦交流電壓,用u 表示。 電壓的國(guó)際單位制單位是V(伏特)。通常使用的單位還有MV(兆伏)、kV(千伏)、mV(毫伏)、V(微伏)等。 為分析電路方便,通常在分析電壓之前先選定電壓的參考方向,原則上可任意選,但若已知實(shí)際電壓方向,則參考方向應(yīng)盡量與實(shí)際方向一致;若已知電流的參考方向,則電壓的參考方向的選擇最好與電流的參考方向一致,稱(chēng)關(guān)聯(lián)參考方向。電壓、電流參考方向不一致時(shí)稱(chēng)非關(guān)聯(lián)參考方向。 在電路分析中,所標(biāo)的電壓方向均為參考方向,表示方

6、法有: (1)用雙下標(biāo)表示:ua b ,a 到b 的電壓。 (2)用“+ ”、“- ”極性表示,電壓從正極性端到負(fù)極性端。 例 若已知圖示電阻的電壓從a 到b,大小是1 V,則U1 = ?,U2 = ?,Uba = ? 3.電位 電位是一個(gè)相對(duì)的概念,分析電位時(shí)必須先選定一個(gè)參考點(diǎn)。參考點(diǎn)用字母“o”表示,在電路中用符號(hào)表示,原則上可任意選取,但習(xí)慣上選接地點(diǎn)或接機(jī)殼點(diǎn)或電路中連線(xiàn)最多的點(diǎn)作為參考點(diǎn)。電路中某一點(diǎn)的電位就是該點(diǎn)到參考點(diǎn)的電壓,用字母V表示。可見(jiàn),電位的單位與電壓一樣,也是V。圖中a 點(diǎn)的電位為Va = Uao 或 Va = Uao參考點(diǎn)本身的電位顯然為零,所以參考點(diǎn)又叫零電位點(diǎn)

7、。 如果已知a、b 兩點(diǎn)的電位分別為Va 、Vb ,則a、b 兩點(diǎn)間的電壓為Uab = Uao + Uob = Uao - Ubo = Va Vb即:兩點(diǎn)間的電壓等于這兩點(diǎn)的電位的差,所以電壓又叫電位差。 4.電動(dòng)勢(shì) 電流通路中,電場(chǎng)力總是使正電荷從高電位處經(jīng)外電路移向低電位處,而在電源內(nèi)部有一種電源力,正電荷在它的作用下,從低電位處經(jīng)電源內(nèi)部移向高電位處,從而保持電荷運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性。汽車(chē)上使用的鉛蓄電池內(nèi)部的電源力是由化學(xué)作用產(chǎn)生的,發(fā)電機(jī)中的電源力是由電磁作用產(chǎn)生的。 (1)汽車(chē)用鉛蓄電池 鉛蓄電池的兩個(gè)電極板分別接在直流電源的正負(fù)極上時(shí),一個(gè)極板得到電子成為負(fù)極,另一個(gè)極板失去電子成為正極

8、。此過(guò)程中,電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能,儲(chǔ)存在鉛蓄電池中,該過(guò)程稱(chēng)為充電。使用蓄電池時(shí),兩極板與負(fù)載相連,將儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,負(fù)載中形成電流,該過(guò)程稱(chēng)為放電。 (2)電動(dòng)勢(shì)的大小 電動(dòng)勢(shì)是指電源力將單位正電荷從電源負(fù)極經(jīng)電源內(nèi)部移到電源正極所做的功,用字母E或e 表示,方向規(guī)定為從電源負(fù)極到正極。若所做的功為W,則有E = W/Q (3)電動(dòng)勢(shì)的方向 電源電壓方向是從正極到負(fù)極,電動(dòng)勢(shì)的方向是從負(fù)極到正極,所以當(dāng)電源斷路時(shí)電源的電動(dòng)勢(shì)與電壓大小相等,方向相反。 5.電功率 電路傳送或轉(zhuǎn)換電能的速率叫做電功率,簡(jiǎn)稱(chēng)為功率(power),用P或p表示。習(xí)慣上,把發(fā)出或吸收電能說(shuō)成發(fā)出或吸收功率。 分析

9、電路的功率時(shí),當(dāng)電路的電流、電壓選擇關(guān)聯(lián)參考方向時(shí),用公式 P = UI 或 p = ui來(lái)計(jì)算。當(dāng)電路的電流、電壓選擇非關(guān)聯(lián)參考方向時(shí),用公式P =-UI 或 p =-ui 限定的電壓值叫做電氣設(shè)備的額定電壓,用UN 表示。電氣設(shè)備的額定電流和額定電壓的乘積就等于它的額定功率,用PN 表示。 一個(gè)電路中,每一瞬間,吸收電能的各元件功率的總和等于發(fā)出電能的各元件功率的總和?；蛘哒f(shuō),所有元件吸收的功率總和為零,符合能量守恒定律,稱(chēng)“電路的功率平衡”。例：在圖a 中,若Iab = 1 A,試求該元件的功率;(2)在圖b 中,若Iab = 1 A,試求該元件的功率;(3)在圖c 中,若元件發(fā)出功率6

10、W,試求電流。三、電路的三種狀態(tài) 1.通路 通路是指電源與負(fù)載構(gòu)成了閉合回路,電流從電源出發(fā),經(jīng)過(guò)負(fù)載后回到電源的狀態(tài)。通路狀態(tài)根據(jù)負(fù)載大小可分為以下三種情況: (1)輕載:負(fù)載低于額定功率下的工作狀態(tài)。 (2)滿(mǎn)載:負(fù)載在額定功率下的工作狀態(tài)。 (3)過(guò)載:負(fù)載在高于額定功率下的工作狀態(tài),又叫超載。 顯然,輕載沒(méi)有充分利用負(fù)載設(shè)備,過(guò)載容易燒壞電器設(shè)備,前者尚可使用,后者一般不允許長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)。 2.斷路(開(kāi)路) 斷路又稱(chēng)開(kāi)路,是指電源與負(fù)載沒(méi)有接成閉合通路,電路中沒(méi)有電流的狀態(tài)。斷路可以分為控制性斷路和故障性斷路。 3.短路 短路是指電流從電源出發(fā),不經(jīng)負(fù)載而經(jīng)導(dǎo)體直接回到電源的狀態(tài)。 第二

11、節(jié) 簡(jiǎn)單電路一、電阻 物體對(duì)電流的阻礙作用叫做電阻作用。電阻是表示物體電阻作用大小的一個(gè)物理量,用字母R 或r 表示。 電阻的單位是(歐姆)。常用的電阻單位還有k(千歐)、M(兆歐)等。電阻的倒數(shù)叫電導(dǎo),用字母G 表示,即G = 1R 。電導(dǎo)的單位為S(西門(mén)子)。 電阻反映了導(dǎo)體的導(dǎo)電能力,是導(dǎo)體的客觀(guān)屬性,它的大小與導(dǎo)體的材料、長(zhǎng)度以及導(dǎo)體橫截面面積有關(guān),還與導(dǎo)體所處的環(huán)境溫度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明,在一定溫度下,導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的長(zhǎng)度成正比,與導(dǎo)體的橫截面面積成反比,即 R = L/S 式中 L導(dǎo)體的長(zhǎng)度,m; S導(dǎo)體的橫截面面積,m2 ; 反映導(dǎo)體材料性質(zhì)的物理量,叫電阻率, m; R導(dǎo)體的電阻

12、,。二、歐姆定律 德國(guó)物理學(xué)家歐姆于1827 年在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出關(guān)于電壓、電流和電阻三者關(guān)系的定律,稱(chēng)歐姆定律,應(yīng)用于計(jì)算電路中的電壓、電流和電阻三個(gè)物理量。 1.部分電路歐姆定律 不含電源的一段電路稱(chēng)為部分電路。實(shí)驗(yàn)證明:在一段電路中,通過(guò)電路的電流大小與這段電路兩端的電壓大小成正比,與這段電路的電阻值成反比。 電流流過(guò)電阻時(shí),將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量,所以電阻上的電壓與電流的方向總是一致的。當(dāng)電阻電壓、電流選擇關(guān)聯(lián)參考方向時(shí),歐姆定律表達(dá)式為 I = U/R 或 U = IR 當(dāng)電阻電壓、電流選擇非關(guān)聯(lián)參考方向時(shí),歐姆定律表達(dá)式為 I = - U/R 或 U = - RI例: 列

13、出圖所示各電路的電壓、電流關(guān)系式,并求R。 2.全電路歐姆定律 一個(gè)含有電源的閉合電路稱(chēng)為全電路,如圖所示,圖中點(diǎn)畫(huà)線(xiàn)框內(nèi)為電源內(nèi)電路,r為電源的內(nèi)電阻。實(shí)驗(yàn)證明:在全電路中,通過(guò)電路的電流與電源電動(dòng)勢(shì)的大小成正比,與電路的總電阻成反比,這就是全電路歐姆定律,用公式表示為 I = E/(R + r (1 - 13) 式中 E電源的電動(dòng)勢(shì),V; R外電路電阻,; r內(nèi)電路電阻,; I電路中的電流,A。 由式得 E = RI + rI = U + Ur 式中,U 為外電路的電壓降,也稱(chēng)路端電壓;Ur 為內(nèi)電路電壓降,也稱(chēng)內(nèi)阻壓降。所以,電源的電動(dòng)勢(shì)等于端電壓與內(nèi)阻壓降之和。 3.電源的外特性 電源

14、的外特性就是電源的端電壓U 與電流I 的關(guān)系。 U = E - Ur = E - rI 式中,I = E/(R + r)。對(duì)于給定的電源,E 和r 是不變的。當(dāng)負(fù)載電阻R時(shí)(相當(dāng)于電路斷路),I =0,U = E,即電源的電動(dòng)勢(shì)在數(shù)值上等于開(kāi)路電壓。人們利用這一特性,用電壓表來(lái)簡(jiǎn)單測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)負(fù)載電阻R 變小時(shí),引起電流I 變大,內(nèi)阻r 的電壓降也變大,端電壓U就跟著變小,其變化規(guī)律如圖1 -16 所示,稱(chēng)電源的外特性曲線(xiàn)。當(dāng)負(fù)載電阻R = 0 時(shí)(即短路),I = Er。由于電源的內(nèi)阻一般都很小,因而電路的電流比正常工作電流大很多,如果沒(méi)有熔斷器,會(huì)導(dǎo)致電源和導(dǎo)線(xiàn)燒壞。三、電流的熱效

15、應(yīng)焦耳定律 當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體(或用電器)時(shí),由于電阻的存在,會(huì)產(chǎn)生熱量,稱(chēng)電流的熱效應(yīng)。選擇電壓、電流參考方向后,電阻功率的計(jì)算公式為 P = I2 R = U2/R 或 p = i2 R = u2/R 導(dǎo)體(用電器)在時(shí)間t 內(nèi)產(chǎn)生的熱量為 Q = Pt = I2Rt 或 q = pt = i2Rt 英國(guó)物理學(xué)家焦耳通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明:電流通過(guò)導(dǎo)體(或用電器)時(shí)產(chǎn)生的熱量Q 與電流I 的平方、導(dǎo)體(用電器)的電阻R 以及通電時(shí)間t 成正比,這一結(jié)論稱(chēng)為焦耳定律。熱量的單位是J(焦耳)。四、電阻的串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)電路 1.電阻的串聯(lián)電路 幾個(gè)電阻首尾順序相連,引出兩接線(xiàn)端,中間無(wú)分支,稱(chēng)這幾個(gè)電阻串聯(lián)

16、。常用符號(hào)“+ ”表示電阻的串聯(lián)。 串聯(lián)電路有以下特點(diǎn): (1)流過(guò)每個(gè)電阻的電流相等,并等于總電流,即 I = I1 = I2 = = In (1 - 18) (2)電路兩端的總電壓等于各電阻兩端的分電壓之和,即 U = U1 + U2 + + Un (1 - 19) (3)電路的總電阻(等效電阻)等于各電阻之和,即 R = R1 + R2 + + Rn (1 - 20) (4)每個(gè)電阻上分配到的電壓與電阻成正比,即 U1/R1 = U2/R2 = = Un/Rn = U/R = I 由上式可得到電阻串聯(lián)的分壓公式: Ui = Ri/R U = Ri/(R1 + R2 + + Rn)U 式中

17、Ri(R1 + R2 + + Rn)稱(chēng)為分壓系數(shù),i =1,2,3,n。 例:有一表頭,滿(mǎn)刻度電流I =50A(即允許通過(guò)的最大電流),內(nèi)阻R= 3 k?，F(xiàn)需擴(kuò)展其量程,如圖所示。當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA 置于a 點(diǎn)時(shí),其量程擴(kuò)展為10 V,當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA 置于b 點(diǎn)時(shí),其量程擴(kuò)展為50 V,問(wèn)擴(kuò)展量程所串的電阻Ra 、Rb 分別為多少?例:在圖所示的分壓器中輸入電壓Ui = 12 V,R1 = 350 ,R2 = 550,RW =270 ,試求輸出電壓Uo的變化范圍。 2.電阻的并聯(lián)電路 幾個(gè)電阻的首、尾接在相同兩點(diǎn)之間所構(gòu)成的電路叫并聯(lián)電路。常用符號(hào)“”表示電阻的并聯(lián)。圖所示為三個(gè)電阻并聯(lián)的電路,可

18、表示為“R1 R2 R3 ”。并聯(lián)電路有以下特點(diǎn):(1)并聯(lián)電阻兩端的電壓相等,并等于總電壓,即U=U1=U2= =Un (2)總電流等于各電阻分電流之和,即I = I1 + I2 + + In (3)電路的總電阻(等效電阻)的倒數(shù)等于各分電阻倒數(shù)之和,即IR = I/R1 + I/R2 + + I/Rn如果只有兩個(gè)電阻并聯(lián)R = R1R2/(R1 + R2)如果有n 個(gè)阻值相等的電阻并聯(lián)R = Ro/n (4)每個(gè)電阻分配到的電流與電阻成反比,即I1 R1 = I2 R2 = = In Rn = IR = U 例:有一表頭,滿(mǎn)刻度電流I = 100 A(通過(guò)的最大電流),內(nèi)阻R = 1 k。

19、現(xiàn)需擴(kuò)展其量程,如圖所示。若要改變成量程為10 mA、50 mA 的電流表,應(yīng)并聯(lián)多大的電阻Ra 、Rb ? 3.電阻的混聯(lián)電路 電路中既有電阻的串聯(lián)又有電阻的并聯(lián),叫做電阻的混聯(lián)電路。 分析混聯(lián)電路,必須先搞清楚混聯(lián)電路中各電阻之間的連接關(guān)系,然后應(yīng)用串并聯(lián)電路的特點(diǎn),求出各單純的串聯(lián)和并聯(lián)部分的等效電阻,最后求出電路的總電阻。 畫(huà)等效電路圖的方法是: (1)用字母將各電阻連接點(diǎn)標(biāo)出,相同的點(diǎn)用同一字母。 (2)將各字母依次排開(kāi),端點(diǎn)字母在兩端。 (3)畫(huà)出各字母間的電阻,得到等效電路圖。例：在圖電路中,已知R1 =2,R2= R3=R4=R5=4,UAB = 6V,求通過(guò)R4的電流I4 例

20、:求圖所示混聯(lián)電路的等效電阻。已知R1=R8=5,R2=2,R3 =16,R4=40,R6=60,R5= R7= R9=10。第三節(jié) 復(fù)雜電路一、電路的有關(guān)術(shù)語(yǔ) 在引入基爾霍夫定律之前,先介紹幾個(gè)常用的電路術(shù)語(yǔ)。 (1)支路:電路中每一段不分支的電路,稱(chēng)一條支路,如圖所示電路中有三條支路:acb、adb、ab。 (2)結(jié)點(diǎn):電路中支路的交點(diǎn),如圖所示電路中有兩個(gè)結(jié)點(diǎn):a 與b。 (3)回路:電路中由支路組成的閉合路徑稱(chēng)回路,如圖所示電路中有三個(gè) 回路:adba、abca、adbca。 (4)網(wǎng)孔:回路內(nèi)部不含支路的回路,稱(chēng)為網(wǎng)孔,即一個(gè)“窟窿”為一個(gè)網(wǎng)孔。如圖所示電路中有兩個(gè)網(wǎng)孔:abca、a

21、dba。二、基爾霍夫定律 1.基爾霍夫電流定律 表達(dá)式為Ii = Io 又可寫(xiě)成I = 0 它也可描述為:任一時(shí)刻,電路任一結(jié)點(diǎn)所連各支路電流的代數(shù)和為零。 列 KCL 方程的步驟為: (1)找出結(jié)點(diǎn)所連支路; (2)標(biāo)出各支路電流參考方向; (3)列出方程。 2.基爾霍夫電壓定律 基爾霍夫電壓定律(Kirchhoffs Voltage Law),簡(jiǎn)寫(xiě)為KVL,又叫基爾霍夫第二定律。其內(nèi)容為:電路中任一回路,在任一時(shí)刻,組成該回路的各支路的電壓的代數(shù)和為零,即 U =0 該方程稱(chēng)為KVL 方程,又叫回路電壓方程。 列KVL 方程的步驟為: (1)找出組成回路的各支路及支路上的元件; (2)標(biāo)出

22、各元件電壓參考方向; (3)從回路上任一點(diǎn)出發(fā),沿回路“走”回到這一點(diǎn)(又稱(chēng)繞行),對(duì)所經(jīng)元件的電壓求代數(shù)和,電壓標(biāo)向與繞行方向一致時(shí),該電壓為正,否則為負(fù); (4)列出方程,令(3)中的代數(shù)和等于零?；芈穉bca 的KVL 方程為:U3 - E1 + U1 =0。三、支路電流法 以圖所示電路為例,說(shuō)明如何建立支路電流法方程。圖示電路中有4 個(gè)結(jié)點(diǎn),6 條支路,7 個(gè)回路,3 個(gè)網(wǎng)孔,要求的未知數(shù)是支路電流,所以未知數(shù)有6 個(gè):I1 I6 ,如圖所示,因此需要列6 個(gè)方程組成方程組,聯(lián)立才能求得。 列KCL 方程: 結(jié)點(diǎn)a:I1 + I2 - I4 = 0 結(jié)點(diǎn)b:I3 + I4 - I5 =

23、 0 結(jié)點(diǎn)c:- I6 - I1 + I5 = 0 結(jié)點(diǎn)d:- I2 - I3 + I6 = 0 如把上述四個(gè)方程相加,可得到0 = 0 的關(guān)系,可見(jiàn)這四個(gè)方程中任一個(gè)方程都可由其他三個(gè)推出。 上述四個(gè)方程中可采用三個(gè)方程,那么要求出I1 I6 ,還需要列三個(gè)方程。列7 個(gè)回路的KVL 方程,因未知數(shù)是支路電流,所以用支路電流表示電阻電壓。 abca:R4I4 + R5I5 + R1I1 - E1 = 0 adba:E2 - R2I2 + R3I3 - E3 - R4I4 = 0 bdcb:E3 - R3I3 - R6I6 - R5I5 = 0 abdca:R4I4 + E3 - R3 I3

24、- R6I6 + R1I1 - E1 = 0 adbca:E2 - R2I2 + R3I3 - E3 + R5 I5 + R1I1 - E1 = 0 adcba:E2 - R2I2 - R6I6 - R5I5 - R4I4 = 0 adca:E2 - R2I2 - R6I6 + R1I1 - E1 = 0 以上七個(gè)方程也是非獨(dú)立方程,只需從中選取三個(gè)獨(dú)立方程即可。 結(jié)論:平面電路中,網(wǎng)孔數(shù)= 支路數(shù)- (結(jié)點(diǎn)數(shù)-1),而網(wǎng)孔的KVL 方程一定獨(dú)立,所以只需列網(wǎng)孔的KVL方程即可。例:已知圖中,E1 =5V,r1 = 1,E2 =9V,r2 =6,R2 = 2,R1 =3,求各支路電流。四、戴維

25、寧定理 任何具有兩個(gè)引出端的部分電路叫二端網(wǎng)絡(luò)。若在這部分電路中含有電源,就叫有源二端網(wǎng)絡(luò),反之叫無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò),如圖所示。 任何有源二端網(wǎng)絡(luò)(圖a),都可以用一個(gè)具有電動(dòng)勢(shì)E0 和內(nèi)電阻r0 的等效電源來(lái)代替(圖b),而其中E0 等于該有源二端網(wǎng)絡(luò)兩端間的開(kāi)路電壓U0 (圖c),而r0 等于該有源二端網(wǎng)絡(luò)中所有電動(dòng)勢(shì)等于零時(shí)網(wǎng)絡(luò)兩端點(diǎn)間的等效電阻(圖d)。這就是戴維寧定理,又叫等效電壓源定理。例:在圖所示的電路中,已知 E=100V,R1=R3=10,R2=5,R4=15,求通過(guò)負(fù)載電阻R4的電流。例: 在圖1 -30a 所示的電橋電路中,已知R1 =10,R2=2.5,R3 =5,R4=20

26、,E=12.5 V(內(nèi)阻不計(jì)),求R =69時(shí)的電流大小及方向。一、電容器的電容量 1.電容器的概念 電容器是由被絕緣物質(zhì)隔開(kāi)而又相互靠近的兩個(gè)導(dǎo)體組合而形成的,用以?xún)?chǔ)存和容納電荷,也簡(jiǎn)稱(chēng)為電容。兩個(gè)導(dǎo)體叫電容器的極板,用導(dǎo)線(xiàn)引出,中間的絕緣物質(zhì)叫電介質(zhì)。常見(jiàn)的電介質(zhì)有空氣、蠟紙和云母等,如圖所示。 電容器最基本的特性是能夠儲(chǔ)存電荷,當(dāng)電容器極板上有電荷積聚時(shí),兩極板間就建立電場(chǎng),產(chǎn)生電壓。不同的電容器儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng)是不一樣的。對(duì)給定的電容器,它儲(chǔ)存電荷的電量Q與其建立電場(chǎng)所產(chǎn)生的電壓U 的比值是一個(gè)常數(shù)。這個(gè)常數(shù)既反映了電容器儲(chǔ)存電荷、維持電壓的物理性質(zhì),同時(shí)又表征了電容器儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng)。把

27、這個(gè)常數(shù)定義為電容器的電容量,簡(jiǎn)稱(chēng)電容,用符號(hào)“C”表示。即 C = Q/U 式中 Q極板上的電荷量,C(庫(kù)); U兩極板間的電壓,V; C電容器的電容量,F(法)。2.平行板電容器 實(shí)際上,一個(gè)電容器的電容大小僅決定于 其結(jié)構(gòu)(極板形狀大小和相對(duì)位置)與中間絕緣介質(zhì)的性質(zhì)。如平行板電容器,其電容為 C = S/d 式中 S兩極板的相對(duì)有效面積,m2 ; d兩極板間的距離,m; 介電常數(shù),由介質(zhì)性質(zhì)決定,F/ m。 上式的意義是:極板的相對(duì)有效面積越大,在相同電壓作用下能容納的電荷越多,電容也就越大;極板間距離越小,兩極板的靜電引力越大,于是極板能吸附更多的電荷,所以電容就越大。二、電容器的充

28、電和放電 1.電容器的充電 如圖所示,當(dāng)開(kāi)關(guān)SA 接“1”時(shí),電容器處于充電狀態(tài)。其物理過(guò)程為:SA 接通“1”瞬間,電容器上還未積聚電荷,uC = 0,充電電流i = E / R 為最大。隨著充電的繼續(xù),uC 逐漸增大,i逐漸減小,當(dāng)uC = E 時(shí),i =0,充電結(jié)束。如圖1 -33 所示為充電曲線(xiàn)。這時(shí),電容器將電能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能的過(guò)程也結(jié)束,電路中不再有電流通過(guò)。這就是電容的隔直作用。 2.電容器的放電 充電結(jié)束后,在圖中,把開(kāi)關(guān)SA 接“2”,電容器處于放電狀態(tài)。其物理過(guò)程為:SA 接通“2”瞬間,電容器放電,放電電流與充電電流方向相反,且i = uC /R = E / R 為最大。隨

29、著放電的圖電容器放電時(shí)uC 與i 的變化曲線(xiàn)圖繼續(xù),uC 逐漸下降,i 也逐漸減小,當(dāng)uC = 0 時(shí)電容器中所儲(chǔ)存的電場(chǎng)能全部釋放完,這時(shí)i = 0,放電結(jié)束。如圖所示,圖中電流畫(huà)在縱軸的負(fù)半軸,是考慮到放電電流方向與充電電流方向相反。這時(shí),電容器將儲(chǔ)存的電場(chǎng)能釋放給電阻R 而消耗。三、電容器的種類(lèi)和選用第二章電磁現(xiàn)象及其應(yīng)用第一節(jié) 磁的基礎(chǔ)知識(shí)一、電流的磁場(chǎng) 組成一切物質(zhì)的分子是一個(gè)個(gè)的小環(huán)形電流,物質(zhì)被磁化后,分子環(huán)流規(guī)則排列,從而對(duì)外產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁場(chǎng)方向規(guī)定為:小磁針的N 極在磁場(chǎng)中任一點(diǎn)所指的方向?yàn)樵擖c(diǎn)的磁場(chǎng)方向。在研究磁場(chǎng)時(shí)引入磁感線(xiàn)來(lái)形象地描繪磁場(chǎng)分布,磁感線(xiàn)在任一點(diǎn)的切線(xiàn)方向?yàn)樵?/p>

30、點(diǎn)的磁場(chǎng)方向。 1.磁場(chǎng)的特性 (1)磁場(chǎng)對(duì)處在場(chǎng)內(nèi)的另一載流導(dǎo)體或鐵磁物質(zhì)有力的作用,并能在對(duì)磁場(chǎng)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 (2)磁場(chǎng)具有能量。 2.通電直導(dǎo)線(xiàn)和通電線(xiàn)圈的磁場(chǎng) 對(duì)于載流導(dǎo)線(xiàn)所激發(fā)的磁場(chǎng),電流及其磁場(chǎng)之間的方向關(guān)系可用右手螺旋定則來(lái)判斷,即將右手拇指指向電流方向,而彎曲的四指指向就是磁場(chǎng)方向,如圖a 所示。對(duì)于載流線(xiàn)圈所激發(fā)的磁場(chǎng),電流及其磁場(chǎng)也滿(mǎn)足右手螺旋定則,即右手握住線(xiàn)圈,使彎曲的四指指向與線(xiàn)圈中電流的方向一致,則拇指指向即是線(xiàn)圈內(nèi)的磁場(chǎng)方向。規(guī)定磁感線(xiàn)從線(xiàn)圈出來(lái)的一端是N 極,磁感線(xiàn)進(jìn)入線(xiàn)圈的一端為S 極,如圖b 所示。二、磁場(chǎng)的基本物理量 1.磁感應(yīng)強(qiáng)度和

31、磁通 (1)磁感應(yīng)強(qiáng)度B 磁感應(yīng)強(qiáng)度是表示空間某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱與方向的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的方向即為磁場(chǎng)各點(diǎn)的磁場(chǎng)方向,其大小等于與磁感線(xiàn)方向垂直的載有單位電流、單位長(zhǎng)度的直導(dǎo)線(xiàn)在該點(diǎn)受到的電磁力,并有B = F/IL 若在磁場(chǎng)的各個(gè)點(diǎn)上,載流導(dǎo)體受到的電磁力F 大小相等,方向相同,則表明磁場(chǎng)中各點(diǎn)的強(qiáng)弱程度相同,亦即磁感應(yīng)強(qiáng)度相同,這樣的磁場(chǎng)稱(chēng)為均勻磁場(chǎng)。對(duì)于均勻磁場(chǎng),可用疏密均勻、方向相同的磁感線(xiàn)表示。 (2)磁通 在均勻磁場(chǎng)中,磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的大小與垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的某一面積的乘積稱(chēng)為磁通:磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱(chēng)為磁通密度。 2.磁導(dǎo)率 磁導(dǎo)率表示物質(zhì)的導(dǎo)磁性能,其單位是H / m(亨/ 米)

32、。三、鐵磁材料 1.鐵磁材料的磁性能 將線(xiàn)圈繞在鐵磁材料上并通入直流電流(勵(lì)磁電流)就會(huì)產(chǎn)生很大的磁場(chǎng),這個(gè)過(guò)程叫鐵磁材料的磁化。鐵磁材料在磁化過(guò)程中表現(xiàn)出如下特性: (1)高導(dǎo)磁性 (2)剩磁性 (3)磁飽和性 (4)磁滯性 2.鐵磁材料的分類(lèi) 根據(jù)鐵磁材料的磁性能,常把鐵磁材料分為兩類(lèi): (1)軟磁性材料 (2)硬磁性材料第二節(jié) 電磁鐵和繼電器一、電磁鐵 1.電磁鐵的作用和分類(lèi) 電磁鐵是利用通電的鐵心線(xiàn)圈吸引銜鐵或保持某種機(jī)械零件、工件于固定位置的一種電器。 電磁鐵可分為線(xiàn)圈、鐵心及銜鐵三部分。它的結(jié)構(gòu)形式通常有如圖 所示幾種。 2.直流電磁鐵的工作原理 在圖所示電磁鐵的線(xiàn)圈兩端加以直流電

33、壓U,則鐵心線(xiàn)圈通電電流為I 時(shí),電磁鐵的吸力為 F = 107 SB2/8 式中 F磁鐵吸力,N; B氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度,T; S鐵心與銜鐵吸合處的橫截面積,m2 。 二、繼電器 1.繼電器的作用和分類(lèi) 用來(lái)改變控制電路的工作狀態(tài),按照預(yù)先設(shè)計(jì)的控制程序完成預(yù)定的控制任務(wù),也可以根據(jù)電路狀態(tài)、參數(shù)的改變對(duì)電路實(shí)現(xiàn)某種保護(hù)。 繼電器種類(lèi)很多。按輸入信號(hào)可分為電壓繼電器、電流繼電器、功率繼電器、壓力繼電器、溫度繼電器等;按工作原理可分為電磁式繼電器、感應(yīng)繼電器、電動(dòng)式繼電器、電子式繼電器、熱繼電器等。 2.電磁式繼電器的組成和工作原理 如圖所示。按其在電路中的連接方式,可分為電流繼電器、電壓繼電

34、器和中間繼電器等。 電磁式電流繼電器的線(xiàn)圈串于被測(cè)電路中,根據(jù)電流變化而動(dòng)作。電磁式電壓繼電器把線(xiàn)圈并接于被測(cè)電路中,線(xiàn)圈的匝數(shù)多、導(dǎo)線(xiàn)細(xì)、阻抗大。繼電器根據(jù)所接線(xiàn)路電壓值的變化,處于吸合或釋放狀態(tài)。中間繼電器實(shí)質(zhì)上是電壓繼電器,只是觸點(diǎn)數(shù)量多,容量也大,當(dāng)電壓繼電器、電流繼電器的觸點(diǎn)容量不夠時(shí),可以利用中間繼電器作功率放大;當(dāng)觸點(diǎn)數(shù)量不夠時(shí),也可利用中間繼電器增加觸點(diǎn)數(shù)量以控制多條回路。三、汽車(chē)?yán)入娐?電喇叭的工作原理 第三節(jié) 電磁感應(yīng) 實(shí)驗(yàn)一:如圖a 所示,G 為檢流計(jì)。當(dāng)導(dǎo)體沿磁感線(xiàn)垂直方向上下運(yùn)動(dòng)時(shí),檢流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn);如果導(dǎo)體不動(dòng),而使磁場(chǎng)上下運(yùn)動(dòng),檢流計(jì)指針也發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這兩種情況

35、說(shuō)明導(dǎo)體中產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì),并在與檢流計(jì)組成的回路中引起了電流。當(dāng)導(dǎo)體沿磁感線(xiàn)方向左右移動(dòng)或?qū)w與磁場(chǎng)以同一速度上下移動(dòng)時(shí),檢流計(jì)指針均不發(fā)生偏轉(zhuǎn),這說(shuō)明導(dǎo)體中沒(méi)有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。 實(shí)驗(yàn)二:如圖所示,當(dāng)條形磁鐵插入或拔出線(xiàn)圈時(shí),檢流計(jì)指針發(fā)生了左右偏轉(zhuǎn),說(shuō)明線(xiàn)圈中產(chǎn)生了兩次方向不同的電流;當(dāng)磁鐵插在線(xiàn)圈中靜止不動(dòng)或以同一速度和線(xiàn)圈一起上下移動(dòng)時(shí),檢流計(jì)指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn),說(shuō)明檢流計(jì)沒(méi)有電流通過(guò)。 以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)證明:當(dāng)導(dǎo)體切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或通過(guò)線(xiàn)圈的磁通量發(fā)生變化時(shí),導(dǎo)體或線(xiàn)圈中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為電磁感應(yīng)現(xiàn)象,而由電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電流叫感應(yīng)電流。 一、直導(dǎo)體中的感

36、應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 1.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向 作切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體,其產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向可用右手定則來(lái)確定:平伸右手,拇指與四指垂直,讓磁感線(xiàn)垂直穿過(guò)手心,拇指指向運(yùn)動(dòng)方向,四指所指方向就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向(或是感應(yīng)電流方向)。 需要注意的是:判斷感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向時(shí)要把導(dǎo)體看成一個(gè)電源,在導(dǎo)體內(nèi)部,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向由負(fù)極指向正極。感應(yīng)電流方向與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同。當(dāng)直導(dǎo)體沒(méi)有形成閉合回路時(shí),導(dǎo)體中只產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),不產(chǎn)生感應(yīng)電流。 2.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小 實(shí)驗(yàn)證明:在均勻磁場(chǎng)中,作切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的直導(dǎo)體,其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e 的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度l、導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度v 以及導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向與磁感線(xiàn)方向之間

37、夾角 的正弦值成正比,即e = Blvsin 例: 如圖所示,受外力作用的直導(dǎo)體AB,在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中以v = 20 m / s 的速度做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)B =1 T,導(dǎo)體有效長(zhǎng)度l =0. 5 m,導(dǎo)體電阻R0 = 1 ,負(fù)載電阻R = 9 。試求導(dǎo)體AB 中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e 和電流I、作用于導(dǎo)體的外力F外及其所提供的功率P。 二、線(xiàn)圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 1.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向 線(xiàn)圈中的磁通量發(fā)生變化時(shí),線(xiàn)圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向由楞次定律和右手螺旋定則來(lái)判定。 楞次通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明:感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通總是企圖阻礙原磁通的變化。也就是說(shuō),當(dāng)線(xiàn)圈中的磁通量要增加時(shí),感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通方向與

38、原磁通方向相反;若線(xiàn)圈中原來(lái)的磁通量減少,則感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通方向與原來(lái)磁通方向一致。例:如圖所示,請(qǐng)判斷兩種情況下線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。例: 如圖所示,如果穿過(guò)閉合金屬環(huán)的磁通在2 s 內(nèi)由4 10 -2 Wb 均勻增加到20 10 -2 Wb,試求閉合金屬環(huán)中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向。 三、自感 1.自感現(xiàn)象 由通入線(xiàn)圈的電流變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫自感現(xiàn)象,由自感現(xiàn)象產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)叫自感電動(dòng)勢(shì),用符號(hào)eL 表示。顯然,自感現(xiàn)象屬于電磁感應(yīng)現(xiàn)象。 2.自感系數(shù) 自感系數(shù)是用來(lái)描述線(xiàn)圈產(chǎn)生自感磁通能力的物理量。定義線(xiàn)圈中的磁通量與產(chǎn)生該磁通的電流的比值叫自感系數(shù),又叫電感,用符號(hào)L 表

39、示,單位是亨利(H)。即L = /I 由上式看出,電感表示線(xiàn)圈通過(guò)單位外電流所產(chǎn)生的自感磁通。電感越大,表示線(xiàn)圈產(chǎn)生自感磁通的能力越大。電感的大小與線(xiàn)圈的匝數(shù)、形狀、大小及周?chē)橘|(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)。 3.自感電動(dòng)勢(shì) 自感電動(dòng)勢(shì)的大小可由法拉第電磁感應(yīng)定律求得,即自感電動(dòng)勢(shì)的大小與線(xiàn)圈的電感及線(xiàn)圈中外電流的變化率成正比。負(fù)號(hào)表示自感電動(dòng)勢(shì)的方向總是企圖阻礙外電流的變化。自感電動(dòng)勢(shì)的方向仍用楞次定律判斷。所以,當(dāng)線(xiàn)圈電流i 增大時(shí),自感電動(dòng)勢(shì)方向與外電流i 方向相反,以阻礙外電流增大,如圖a 所示;當(dāng)線(xiàn)圈電流i 減小時(shí),自感電動(dòng)勢(shì)方向與外電流i 方向相同,以阻礙外電流減小,如圖b 所示。 在含有大電感

40、元件的電路被切斷的瞬間,由于電感兩端產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)很高,會(huì)在開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)之間產(chǎn)生電弧,容易燒壞開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)或引起火災(zāi),故應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。圖所示是汽車(chē)點(diǎn)火電路原理圖,一次線(xiàn)圈2 的電流突然減少,會(huì)產(chǎn)生200 300 V 的自感電動(dòng)勢(shì),方向與蓄電池的電動(dòng)勢(shì)方向相同,這兩個(gè)電壓相加會(huì)使觸點(diǎn)之間產(chǎn)生火花,將觸點(diǎn)燒壞。為了保護(hù)觸點(diǎn),通常在觸點(diǎn)兩端并聯(lián)一個(gè)電容器,用來(lái)吸收儲(chǔ)存在線(xiàn)圈中的磁場(chǎng)能,從而起到保護(hù)觸點(diǎn)的作用。四、互感 1.互感現(xiàn)象 互感現(xiàn)象是指一個(gè)線(xiàn)圈中的電流變化而使另一個(gè)線(xiàn)圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象,如所示。互感現(xiàn)象產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫互感電動(dòng)勢(shì),用符號(hào)eM 表示。 2.互感電動(dòng)勢(shì)的大小 在圖中當(dāng)開(kāi)關(guān)S

41、A 閉和時(shí),線(xiàn)圈1 中產(chǎn)生磁通1 1 ,這個(gè)變化的磁通中有一部分12 要通過(guò)線(xiàn)圈2,則線(xiàn)圈2 中產(chǎn)生的互感電動(dòng)勢(shì)的大小為e2 ,互感電動(dòng)勢(shì)的大小與互感磁通量的變化率以及線(xiàn)圈2 的匝數(shù)成正比。由此,可以得到汽車(chē)高壓點(diǎn)火線(xiàn)圈產(chǎn)生高壓的解釋。 3.同名端 互感電動(dòng)勢(shì)的方向不僅與磁通的變化趨勢(shì)有關(guān),還與線(xiàn)圈的繞向有關(guān)。為此,有必要引入描述線(xiàn)圈繞向的概念同名端。所謂同名端,就是繞在同一鐵心上的線(xiàn)圈其繞向相同的接線(xiàn)端。在圖a 中,線(xiàn)圈ABC 中的1、4、5 端點(diǎn)為同名端,2、3、6 端點(diǎn)也是同名端。在圖a 中SA 閉合瞬間,線(xiàn)圈A 的“1”端電流增大,根據(jù)楞次定律和右手螺旋定則可以判斷出各線(xiàn)圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的

42、極性如圖2 - 13b 所示。 第三章正弦交流電路第一節(jié) 正弦交流電的基本知識(shí)一、交流電概述 交流電是指大小和方向都隨時(shí)間變化,并且在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為零的電動(dòng)勢(shì)(或電壓、電流),或說(shuō)交流電是交變電動(dòng)勢(shì)、交變電壓和交變電流的總稱(chēng)。交流電按變化規(guī)律可分為正弦交流電和非正弦交流電,如圖所示。 交流電的物理量用小寫(xiě)字母表示,如e、u、i 等。交流電動(dòng)勢(shì)的圖形符號(hào)與直流電動(dòng)勢(shì)的不同。如圖所示,圖中標(biāo)出的電動(dòng)勢(shì)e、電流i 和電壓u 的方向?yàn)閰⒖挤较?它們的實(shí)際方向是不斷反復(fù)變化的,與參考方向相同的半個(gè)周期為正值,與參考方向相反的半個(gè)周期為負(fù)值。交流電動(dòng)勢(shì)e 又常寫(xiě)為eS 。二、正弦交流電的三要素 正弦

43、交流電(簡(jiǎn)稱(chēng)為交流電),是指隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的交流電,統(tǒng)稱(chēng)為正弦量。通常將某一瞬間交流電的值叫做交流電的瞬時(shí)值,可用解析式或波形圖來(lái)表示。以電流i 為例,正弦量的一般解析式(即瞬時(shí)值表達(dá)式)為i(t) = Im sin(t + )波形如圖 (設(shè) 0)所示。圖中Im 、 三個(gè)值,稱(chēng)為正弦交流電的三要素。1.最大值2.角頻率(1)頻率 (2)周期(3)角頻率 3.初相角 在正弦交流電的解析式中,角度(t + )叫相位角,簡(jiǎn)稱(chēng)相位,是決定正弦交流電在某一時(shí)刻所處狀態(tài)的物理量;而初相角是指正弦交流電在計(jì)時(shí)起點(diǎn)t = 0 時(shí)的相位角值,也就是角度。相位角和初相角的范圍都是(- ,+ ),它有以下三種

44、情況: 三、相位差 相位差是兩個(gè)正弦量的相位之差,用字母 表示。 設(shè)有兩個(gè)正弦電壓 u1 = U1m sin(1 t + 1 ) u2 = U2m sin(2 t + 2 ) 這兩個(gè)正弦量的相位差為 = (1 t + 1 )- (2 t + 2 ) 當(dāng)兩正弦量的頻率相同,即1 = 2 時(shí),有 = 1 - 2 可見(jiàn),兩個(gè)同頻率正弦量的相位差就是它們的初相角之差。相位差的范圍是(- ,+ 。 相位差有以下幾種情況:(1)當(dāng) = 1 - 2 0 時(shí),說(shuō)明u1 比u2 先到達(dá)最大值或零值,稱(chēng)u1 的相位超前u2 的相位,簡(jiǎn)稱(chēng)u1 超前u2 角,或u2 滯后u1 角,如圖a 所示。(2)當(dāng) = 1 -

45、2 0 時(shí),矢量在橫坐標(biāo)的上方,當(dāng) 0 和UCE1V 的范圍內(nèi),各曲線(xiàn)平坦且間隔均勻,說(shuō)明IB 增大,相應(yīng)的IC 也增大(表現(xiàn)為曲線(xiàn)上移)。此時(shí)IC 的變化基本上與UCE 無(wú)關(guān),而且IC 隨IB 成比例增大,即IC =IB。這就是晶體管的電流放大作用,所以該區(qū)域稱(chēng)為放大區(qū)。 (3)飽和區(qū)。在UCE 很小時(shí),特性曲線(xiàn)上升段拐點(diǎn)連接線(xiàn)左側(cè)區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū)。飽和區(qū)的特點(diǎn)是,IB 再增大,IC 也很少增大,即集電極電流IC 不再受基極電流IB 的控制。晶體管作放大使用時(shí)工作在放大區(qū);晶體管作開(kāi)關(guān)使用時(shí)工作在飽和區(qū)和截止區(qū)。例:試根據(jù)圖中晶體管各電極上的電位值判斷它的工作狀態(tài)。四、晶體管的主要參數(shù) 1.電流

46、放大系數(shù) (1)交流電流放大系數(shù)。當(dāng)UCE 為定值時(shí),集電極電流的變化量IC 與基極電流的變化量IB 的比值,叫做晶體管的交流電流放大系數(shù)(也稱(chēng)動(dòng)態(tài)電流放大系數(shù)),用表示 (2)直流電流放大系數(shù) 當(dāng)UCE 為定值時(shí),集電極電流IC 與基極電流IB 的比值,叫做晶體管的直流電流放大系數(shù),用表示 2.穿透電流 穿透電流是IB =0 時(shí)的集電極電流,也就是基極開(kāi)路時(shí),集、射極間的反向電流。用ICEO 表示。 3.集電極最大允許電流ICM 晶體管正常工作時(shí),集電極所允許通過(guò)的最大電流叫做集電極最大允許電流,用IC M 表示。 4.集- 射極反向擊穿電壓UCE (BR ) 當(dāng)基極開(kāi)路時(shí),允許加在集電極與

47、發(fā)射極之間的最大電壓,叫做反向擊穿電壓,用U CE(BR )表示。 5.集電極最大允許耗散功率PCM 晶體管正常工作時(shí),集電極允許耗散的最大功率,叫做集電極最大允許耗散功率,用PCM 表示。五、晶體管的簡(jiǎn)易測(cè)試 晶體管的質(zhì)量、性能、類(lèi)型及管腳判別,可用萬(wàn)用表的電阻擋進(jìn)行簡(jiǎn)易測(cè)試。 1.管腳和類(lèi)型判別 (1)確定基極和類(lèi)型 用萬(wàn)用表的兩根表棒分別對(duì)晶體管的三個(gè)管腳中的任意兩個(gè)進(jìn)行正接測(cè)量和反接測(cè)量各一次,如果在正、反接時(shí)測(cè)得的電阻均較大,則此次測(cè)量中所空下的管腳即為基極。 (2)集電極和發(fā)射極的判斷 萬(wàn)用表的黑表棒接到假定的集電極;紅表棒接到假定的發(fā)射極(見(jiàn)圖),這時(shí)從萬(wàn)用表上讀出一個(gè)阻值。而后

48、把第一次測(cè)量中所假定的集電極和發(fā)射極互換,把萬(wàn)用表的黑表棒接到第二次所假定的集電極上,進(jìn)行第二次測(cè)量。在兩次測(cè)量中,測(cè)得阻值小的那一次與黑表棒相接的極便是集電極。 集電極和發(fā)射極的判斷 2.管子好壞的粗略判別 根據(jù)晶體管內(nèi)PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?可以分別測(cè)量B、E 極間和B、C 極間PN 結(jié)的正、反向電阻。如果正、反向電阻相差較大,說(shuō)明管子基本上是好的。如果正、反向電阻都很大,說(shuō)明管子內(nèi)部有斷路;如果正、反向電阻都很小或?yàn)榱?說(shuō)明管子極間短路或擊穿。 第三節(jié) 晶 閘 管一、概述 晶閘管是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱(chēng),又稱(chēng)為可控硅。應(yīng)用如: (1)可控整流:把交流電變換成電壓值可調(diào)的直流電,作為直流電動(dòng)機(jī)、蓄

49、電池充電機(jī)、電解、電鍍等設(shè)備的可調(diào)直流電源。 (2)逆變:把直流電變換成交流電。 (3)變頻:把某種頻率的交流電變換成另一種頻率的交流電。 (4)交流調(diào)壓:把有效值恒定的交流電壓變換成有效值可以調(diào)節(jié)的交流電壓。 (5)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān):在控制系統(tǒng)中,用來(lái)迅速接通或斷開(kāi)大功率的交流或直流電路,而且不會(huì)產(chǎn)生火花。二、晶閘管的結(jié)構(gòu)及特性 1.晶閘管的結(jié)構(gòu) 主要介紹使用最為廣泛的普通型晶閘管。它的外形有螺栓式(多為中小功率)和平板式(多為中大功率),如圖所示。晶閘管的符號(hào)如圖所示,它有三個(gè)電極:陽(yáng)極A、陰極K 和控制極(也稱(chēng)門(mén)極)G。 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示,P型和N 型半導(dǎo)體組成四層PNPN 結(jié)構(gòu)

50、,形成三個(gè)PN 結(jié):J1 、J2 、J3 。由端面N 層半導(dǎo)體引出陰極K,由中間P 層引出控制極K,由端面P 層引出陽(yáng)極A。所以,晶閘管又稱(chēng)為四層三端半導(dǎo)體器件。 2.晶閘管的特性 (1)晶閘管的反向阻斷 如圖所示,將晶閘管的陰極接電源的正端,陽(yáng)極通過(guò)白熾燈H 接U AA 的負(fù)端(此回路稱(chēng)為主回路),然后將控制極通過(guò)開(kāi)關(guān)S 接電源UGG 的正端,陰極通過(guò)保護(hù)電阻R接UGG 的負(fù)端(此回路稱(chēng)為觸發(fā)回路)。這時(shí),不管開(kāi)關(guān)S 閉合與否,白熾燈HL 始終不亮。這說(shuō)明當(dāng)晶閘管加反向電壓時(shí),不管控制極是否加上正向電壓,它都不會(huì)導(dǎo)通而處于阻斷狀態(tài)。這種阻斷狀態(tài)稱(chēng)為反向阻斷狀態(tài)。 (2)晶閘管的正向阻斷 如圖

51、所示,當(dāng)晶閘管加上正向電壓時(shí),如果開(kāi)關(guān)S 不閉合,燈也不亮。這就說(shuō)明晶閘管盡管加上正向電壓,但控制極未加正向電壓時(shí),也不會(huì)導(dǎo)通而仍處于阻斷狀態(tài)。這種阻斷狀態(tài)稱(chēng)為晶閘管的正向阻斷狀態(tài)。 (3)晶閘管的導(dǎo)通和控制極的作用 晶閘管怎樣才能導(dǎo)通呢?如圖所示,在晶閘管加上正向電壓的同時(shí),合上開(kāi)關(guān)S,使其控制極也加上正向電壓,燈才被點(diǎn)亮。若在燈亮后,把開(kāi)關(guān)S 斷開(kāi),則燈將繼續(xù)點(diǎn)亮。由此可見(jiàn),在陽(yáng)極加上正向電壓的同時(shí),控制極也必須加上正向電壓,晶閘管才能導(dǎo)通。然而晶閘管一旦導(dǎo)通后,其控制極便失去了控制作用。晶閘管導(dǎo)通時(shí),陽(yáng)極與陰極之間的正向壓降很小,約為1V。 (4)晶閘管導(dǎo)通后的關(guān)斷 晶閘管導(dǎo)通后,將陽(yáng)極

52、電流減小到一定程度,晶閘管可由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)。由此可見(jiàn),要維持晶閘管導(dǎo)通,它所通過(guò)的陽(yáng)極電流必須在一定值以上。這個(gè)電流值就稱(chēng)為晶閘管的維持電流。 綜上所述,可得出如下結(jié)論: 晶閘管導(dǎo)通的條件是:第一,陽(yáng)極與陰極之間加正向電壓;第二,控制極與陰極之間加正向電壓。 晶閘管導(dǎo)通后,控制極就失去了控制作用。這時(shí)去掉或重復(fù)供給控制電壓,都不會(huì)影響晶閘管的繼續(xù)導(dǎo)通。 要使處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管關(guān)斷,必須將陽(yáng)極電壓降低使陽(yáng)極電流小于管子的維持電流,或在陽(yáng)極上加反向電壓。 晶閘管正、反向都能夠阻斷,相當(dāng)于一個(gè)可以控制的單向?qū)ㄩ_(kāi)關(guān)。與二極管比較它的正向?qū)ň哂锌煽匦?。三、晶閘管的測(cè)試及使用注意事項(xiàng) 1.晶

53、閘管的測(cè)試 (1)萬(wàn)用表測(cè)試法 根據(jù)PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?可用萬(wàn)用表測(cè)試判斷晶閘管的陽(yáng)極和陰極,并初步判斷管子的好壞。 (2)電珠測(cè)試法 用萬(wàn)用表測(cè)試法只能初步鑒別晶閘管的好壞,而管子能否工作,還需按圖接線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試,圖中VT 為被測(cè)試的晶閘管。開(kāi)關(guān)SA 未合上時(shí),指示燈不應(yīng)亮,否則表明管子陽(yáng)極和陰極之間已短路。合上開(kāi)關(guān)SA 指示燈亮,再斷開(kāi)開(kāi)關(guān)SA,指示燈仍然亮,表明管子工作正常,可以使用。否則可能是控制極已損壞或陽(yáng)、陰極已擊穿而斷路。 2.使用注意事項(xiàng) 晶閘管是具有體積小、損耗小、無(wú)聲、控制靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)的半導(dǎo)體器件。但它對(duì)過(guò)流和過(guò)壓承受能力比其他電器產(chǎn)品要小得多,為了保證管子正常工作,不致

54、造成損壞,使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。 (1)在選擇晶閘管額定電壓、電流時(shí)應(yīng)留有足夠的安全余量。 (2)應(yīng)有過(guò)電流、過(guò)電壓保護(hù)和限制電流、電壓變化率的措施。 (3)晶閘管的散熱系統(tǒng)應(yīng)嚴(yán)格遵守規(guī)定要求,使用中若冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障,應(yīng)立即停止使用或?qū)⒇?fù)載減小到額定值的三分之一,作短時(shí)應(yīng)急使用。 (4)嚴(yán)禁用兆歐表檢查晶閘管的絕緣情況。第六章整流與直流穩(wěn)壓電路 常用的直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成,結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。第一節(jié) 整流與濾波電路 整流電路是利用二極管(或晶閘管)的單向?qū)щ娞匦?把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)直流電的電路。根據(jù)所用交流電源的相數(shù),整流電路可分為單相整流、三相整

55、流和多相整流。從整流所得的電壓波形看,又可分為半波整流與全波整流。一、單相半波整流電路1.電路組成 單相半波整流電路如圖所示,圖中Tr 是整流變壓器,VD 是整流二極管,RL 是負(fù)載電阻。 2.工作原理 其波形如圖所示。式中U2 為變壓器二次繞組電壓的有效值。當(dāng)u2 為正半周時(shí),變壓器二次繞組的a 端為正,b 端為負(fù),二極管承受正向電壓而導(dǎo)通。電流從a 端經(jīng)二極管VD,通過(guò)負(fù)載RL 回到b 端。若略去二極管正向?qū)〞r(shí)的管壓降不計(jì),則加在負(fù)載RL 上的電壓為u2 的正半周電壓。當(dāng)u2 為負(fù)半周時(shí),則b 端為正,a 端為負(fù),二極管承受反向電壓而截止,電路電流為零。這時(shí),RL 兩端電壓也為零。所以u(píng)

56、2 的負(fù)半周電壓全部加在二極管上。電路電流和電壓的波形如圖所示 3.電路的電壓與電流 在輸入正弦電壓的一個(gè)周期內(nèi),負(fù)載獲得的是脈動(dòng)直流電壓,其大小用平均值表示,經(jīng)數(shù)學(xué)分析,可得Uo = 0.45U2 表明,半波整流電路輸出的直流電壓平均值,等于輸入的交流電壓(即變壓器二次繞組電壓)有效值的0.45 倍。 因此,通過(guò)負(fù)載RL的直流電流平均值(簡(jiǎn)稱(chēng)直流電流)為Io = Uo/RL = 0.45U2/RL 通過(guò)二極管的正向電流平均值(簡(jiǎn)稱(chēng)正向電流)等于通過(guò)負(fù)載的電流,即IF = Io 二極管截止時(shí)所承受的最大反向電壓等于變壓器二次繞組電壓的幅值,即UVDRM例:單相半波整流電路如圖所示。已知直流負(fù)載

57、電阻為20,工作電壓40 V,單相交流電源電壓220V,試選擇整流二極管,并計(jì)算變壓器的變比。 二、單相橋式全波整流電路 1.電路組成 單相橋式整流電路如圖a所示,四個(gè)二極管作為整流器件接成電橋形式。電橋的一組對(duì)角頂點(diǎn)a、b 接交流輸入電壓;另一組對(duì)角頂點(diǎn)c、d 接至直流負(fù)載。其中二極管VD1和VD2 負(fù)極接在一起的共負(fù)極端c 為整流電源輸出端的正極,而VD3和VD4 的正極接在一起的共正極端d 為其負(fù)極。 2.工作原理 其波形如圖所示。當(dāng)u2 在正半周時(shí),變壓器二次繞組的a 端為正、b 端為負(fù),二極管VD1 和VD3 因承受正向電壓而導(dǎo)通,而二極管VD2 、VD4 因承受反向電壓而截止。這時(shí)

58、,電流從aVD1 RL VD3 b;當(dāng)u2 為負(fù)半周時(shí),變壓器次級(jí)線(xiàn)圈的a 端為負(fù)、b 端為正,二極管VD2 和VD4 因承受正向電壓而導(dǎo)通,VD1 和VD3因承受反向電壓而截止。電流從b 端VD2 RL VD4a 端。由此可見(jiàn),在交流電壓u2 的一個(gè)周期內(nèi),二極管VD1 、VD3 和VD2 、VD4 輪流導(dǎo)通半個(gè)周期,通過(guò)負(fù)載RL 的是兩個(gè)半波的電流,而且電流方向相同,故稱(chēng)為全波整流。輸出直流電壓的脈動(dòng)程度比半波整流降低了。 3.電路的電壓與電流 由于兩組二極管輪流工作,所以通過(guò)各個(gè)二極管的電流為負(fù)載電流的一半。二極管截止時(shí),承受的反向電壓最大值仍等于變壓器二次側(cè)電壓U2 的最大值。有關(guān)計(jì)算

59、公式如下:負(fù)載兩端的直流電壓平均值Uo = 0.9U2 通過(guò)負(fù)載的直流電流平均值Io = 0.9U2/RL 通過(guò)每只二極管的正向電流平均值IF = 1/2Io 每個(gè)二極管承受的最大反向 電 壓 UVDRM 例:單相橋式整流電路如圖所示。已知直流負(fù)載電阻為20 所需電壓為40 V,單相交流電源電壓220 V。試選擇整流二極管,并計(jì)算變壓器的變比。 三、三相橋式整流電路 1.電路組成 三相橋式整流電路如圖所示,它由三相整流變壓器和六個(gè)二極管組成。六個(gè)二極管分為兩組,其中VD1 、VD3 、VD5 三個(gè)二極管的負(fù)極連在一起,稱(chēng)為共負(fù)極組;VD2 、VD4 、VD6 三個(gè)二極管的正極連接在一起,稱(chēng)為共

60、正極組。負(fù)載電阻接在負(fù)極公共點(diǎn)與正極公共點(diǎn)之間,變壓器次級(jí)三相繞組的三個(gè)端點(diǎn)a、b、c 分別接在VD1 、VD2、VD3 VD4 ;VD5 、VD6 的連接線(xiàn)上。2.工作原理 設(shè)三相變壓器二次繞組輸出的交流電壓ua 、ub 、uc 為三相對(duì)稱(chēng)電壓,其波形如圖a 所示。為了便于分析整流原理,現(xiàn)將一個(gè)周期的時(shí)間分成六個(gè)小區(qū)間加以說(shuō)明。四、濾波電路 1.電容濾波 左下圖是帶有電容濾波的單相半波整流電路,濾波電容器并聯(lián)在負(fù)載的兩端,因此負(fù)載兩端電壓等于電容器兩端電壓,即uo = uC 。在二極管導(dǎo)通時(shí),電容器被電源充電,在二極管截止時(shí),電容器可向負(fù)載RL 放電。所以帶有電容器濾波的單相半波整流電路輸出