第一章電路及基本元器件

1、第一章電路及基本元器件知識要點(diǎn) 電路模型的概念 電流、電壓的參考方向 功率、電位的計(jì)算 電路基本元件的特性 基爾霍夫定律及其應(yīng)用1.1 電路和電路模型一、電路的組成和作用 電路一般由電源、負(fù)載和中間環(huán)節(jié)三部分組成。電源是向電路提供電能的設(shè)備，它們可將機(jī)械能、化學(xué)能等轉(zhuǎn)換為電能；負(fù)載為各類用電器，它們吸收電能并將電能轉(zhuǎn)換成光能、熱能和機(jī)械能等；中間環(huán)節(jié)主要起連接和控制作用。二、電路模型 實(shí)際電路中元件種類很多，電磁性質(zhì)也比較復(fù)雜。為了使問題簡化，采用將實(shí)際電路元件理想化的方法，以便突出其主要的電磁性質(zhì)，這就是所謂的理想電路元件。 在理想電路元件中主要有理想電阻元件、理想電感元件、理想電容元件、理

2、想電源元件等。由理想電路元件所組成的電路，就是實(shí)際電路的電路模型。 常用理想電路元件圖形符號 1.2 電路的基本物理量及其參考方向 一、電流 1、電流的大?。?電荷的定向移動(dòng)就形成了電流，電流的 大小為單位時(shí)間內(nèi)通過某導(dǎo)體橫截面的電荷量，即： 當(dāng)電流的大小、方向均不隨時(shí)間變化時(shí)，稱為直流電流 ，即： 2、電流的方向 正電荷運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯恼较颉Ｈ我膺x定某一方向作為電流的正方向，稱為電流的參考方向。當(dāng)電流的實(shí)際方向與參考方向一致時(shí)，該電流為正值；當(dāng)電流的實(shí)際方向與參考方向相反時(shí)，該電流為負(fù)值，如圖1-1所示。 圖1-1二、電壓和電動(dòng)勢 1、電壓 電場力把單位正電荷從 a點(diǎn)移動(dòng)到b點(diǎn)所做的功稱

3、為a b兩點(diǎn)間的電壓，即： 電壓的實(shí)際方向是由高電位端指向低電位端。在實(shí)際電路的分析計(jì)算中，也需要引入一個(gè)電壓的參考方向。根據(jù)電壓的參考方向與數(shù)值的正負(fù)就可判斷出電壓的實(shí)際方向，如圖1-2所示。 2、電動(dòng)勢 電動(dòng)勢描述的是在電源中外力做功的能力，它的大小等于外力在電源內(nèi)部克服電場力把單位正電荷從負(fù)極移動(dòng)到正極所做的功，用字母來表示。它的實(shí)際方向在電源內(nèi)部是由電源負(fù)極指向電源正極的，如圖1-3所示。 圖1-2 圖1-3 三、電功率和電能 1、電功率 電流通過電路時(shí)傳輸或轉(zhuǎn)換電能的速率稱為電功率，簡稱為功率，用符號p表示。 當(dāng)電壓與電流為關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，功率的計(jì)算公式為： 當(dāng)電壓與電流為非關(guān)聯(lián)參考

4、方向時(shí)，功率的計(jì)算公式為：2、電能 電路在一段時(shí)間內(nèi)吸收的能量稱為電能。在國際單位制（SI）中，電能的單位是焦耳（J）。1J等于1W的用電設(shè)備在1s內(nèi)消耗的電能。電力工程中，電能常用“度”作單位，它是千瓦小時(shí)（kWh）的簡稱，1度等于功率為1kW的用電設(shè)備在1小時(shí)內(nèi)消耗的電能。 1.2 電路中的基本元器件 一、電阻元件 1、電阻和電導(dǎo) 電阻是反映元件對電流阻礙作用的參數(shù)，電阻元件在電路中的主要特征是消耗電能。 電阻的倒數(shù)稱為電導(dǎo)，電導(dǎo)表示了導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，用G來表示，即 電導(dǎo)的單位是西門子（S）。2、伏安特性 在關(guān)聯(lián)參考方向下，流過線性電阻元件的電流與電阻兩端的電壓成正比，其表達(dá)式為： u=R

5、i 線性電阻的電阻值是一個(gè)常數(shù)， 所以其伏安特性曲線是一條經(jīng)過原 點(diǎn)的直線，如圖1-4所示。 圖1-4 常用電阻元件的外形與圖形符號 二、電感元件 電感元件是實(shí)際電感器的理想化模型，它是反映電路器件儲存磁場能量這一物理性能的理想元件。 如圖1-5所示，一個(gè)電感線圈，當(dāng)電流通過后，會產(chǎn)生磁通，若磁通與N匝線圈相交鏈，則線圈的磁鏈： 圖1-5 常見電感器的外型和圖形符號 三、電容元件 電容元件是實(shí)際電容器的理想化模型，它是反映在電路中儲存電場能量這一物理性能的理想元件。我們常將電容元件簡稱為電容，它也是表征材料（或器件）儲存電場能量的一種參數(shù)。 電容元件的電容量與電容器上存儲的電荷量q和它兩端的電

6、壓uC的關(guān)系為： 常用電容元件的外型與圖形符號 四、半導(dǎo)體二極管1、半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 (1)半導(dǎo)體及其特性 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體，常 用的半導(dǎo)體材料有硅和鍺等。根據(jù)摻雜半導(dǎo)體中導(dǎo)電粒子的不同，半導(dǎo)體可分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電粒子主要是自由電子， P型半導(dǎo)體的導(dǎo)電粒子主要是空穴。 (2)PN結(jié)及其特性 一塊P型半導(dǎo)體和一塊N型半導(dǎo)體采用特殊工藝合為一體，則在其交界處就會形成一種特殊的薄層。這種薄層稱為PN結(jié)，如圖1-6所示。 圖1-62、二極管的結(jié)構(gòu)與特性 從PN結(jié)的P區(qū)和N區(qū)各引出一個(gè)電極，再用管殼加以封裝，即構(gòu)成一個(gè)二極管。由P區(qū)引出的電極稱為正極

7、，由N區(qū)引出的電極稱為負(fù)極。二極管具有單向?qū)щ娦?，其?shí)驗(yàn)電路如圖1-7所示。圖1-7 3、二極管的伏安特性曲線（硅管）五、半導(dǎo)體三極管1、三極管的結(jié)構(gòu) 圖1-82、三極管的電流放大作用 三極管工作在放大狀態(tài)的條件是：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 (1)電流分配關(guān)系：發(fā)射極電流等于基極電流和集電極電流之和，即：(2)電流比例關(guān)系：IC與IB的比值稱為三極管的共發(fā)射極直流放大系數(shù)，即：(3)電流控制關(guān)系 ： IC與 IB的比值稱為三極管共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)，即： 3、三極管的伏安特性曲線 三極管的特性曲線分為輸入特性曲線和輸出特性曲線兩種，如圖1-9所示。圖1-9 (1)輸入特性 死區(qū)電壓：硅管約

8、為，鍺管約為； 導(dǎo)通電壓(發(fā)射結(jié))：硅管約為，鍺管約為。 (2)輸出特性 截止區(qū)： UBE小于死區(qū)電壓，IC 0，UCE UCC，。 飽和區(qū)：集電結(jié)正向偏置 ，UCEUBE， IC UCC/RC 。 放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏 , ICIB。 六、MOS型場效應(yīng)晶體管 場效應(yīng)晶體管是利用電場效應(yīng)來控制電流的電壓控制型器件，它的輸入阻抗高且熱穩(wěn)定性好，并且還有制造工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)在放大電路中得到廣泛應(yīng)用。 場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型（J型）和絕緣柵型（MOS型）兩大類。 MOS型場效晶體管的圖形符號 七、晶閘管 晶閘管是一種可控的大功率半導(dǎo)體器件，具有體積小、重量輕、耐壓高、容量大、效率高

9、、控制靈敏等優(yōu)點(diǎn)。 晶閘管的外部結(jié)構(gòu)有三個(gè)電極：陽極A、陰極K和控制極G（也稱門極），晶閘管的圖形符號如圖1-10 所示。 圖1-10八、集成電路集成電路是采用半導(dǎo)體制作工藝，在一塊較小的單晶硅片上制作上許多晶體管及電阻器、電容器等元器件，并按照多層布線或隧道布線的方法將元器件組合成完整的電子電路。集成電路按其功能、結(jié)構(gòu)的不同，可以分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類。集成電路按集成度高低的不同可分為小規(guī)模集成電路(SSI)、中規(guī)模集成電路(MSI)、大規(guī)模集成電路(LSI)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)。 1.3 電壓源和電流源一、電壓源1、理想電壓源 圖1-11 理想電壓源 圖1-12 理

10、想電壓源的伏安特性曲線2、實(shí)際電壓源 U=US-IR0 圖1-13 實(shí)際電壓源 圖1-14 實(shí)際電壓源的伏安特性 二、電流源 1、理想電流源 圖1-15理想電流源 圖1-16 理想電流源的伏安特性曲線 2、實(shí)際電流源 I=IS-U/R0 圖1-17 實(shí)際電流源 圖1-18實(shí)際電流源的伏安特性曲線 1.4 基爾霍夫定律 一、名詞介紹 1、支路 2、節(jié)點(diǎn)3、回路4、網(wǎng)孔 圖1-19 復(fù)雜直流電路 二、基爾霍夫定律 1、基爾霍夫電流定律（KCL） 基爾霍夫電流定律描述了結(jié)點(diǎn)處各支路電流間的關(guān)系，體現(xiàn)的是電流的連續(xù)性。其內(nèi)容為：對電路中任一結(jié)點(diǎn)而言，任意時(shí)刻流入該結(jié)點(diǎn)的電流總和等于流出該結(jié)點(diǎn)的電流總和

11、。 或 KCL還可以推廣應(yīng)用到電路中任意假想的封閉面（廣義結(jié)點(diǎn)）。即：在任一瞬間通過任一封閉面的電流的代數(shù)和恒等于零。圖1-20 基爾霍夫電流定律推廣 如對圖1-20（a）中的封閉面得:I1+I2+I3=0 ；對圖1-20（b）中的封閉面得:I1-I2=0 。2、基爾霍夫電壓定律（KVL） 基爾霍夫電壓定律描述了電路中任一閉合回路中各部分電壓間的關(guān)系，其內(nèi)容為：任一瞬間，電路的任一閉合回路中，各段電壓的代數(shù)和恒等于零。 根據(jù)列回路電壓方程時(shí)，首先設(shè)定回路的繞行方向，并標(biāo)出各支路或元件的電 流與電壓參考方向。當(dāng)回路中各段電壓的參考方向與繞行方向一致時(shí)該電壓取正；與回路繞行方向相反時(shí)該電壓取負(fù)。

12、KVL應(yīng)用于電路 (左)R1I1+R3I3-US1=0(右)-R3I3-R2I2+US2=0 KVL可以推廣應(yīng)用到電路中任一不閉合的假想回路R0I-E+U=0 圖1-21 基爾霍夫電壓定律的推廣1.5 支路電流法 支路電流法是以支路電流為未知量，利用基爾霍夫定律列寫方程進(jìn)行求解的方法，是分析復(fù)雜電路最基本的方法之一。支路電流法分析問題的一般步驟如下： 選定各支路電流的參考方向，并在電路圖中標(biāo)明。 對有n個(gè)結(jié)點(diǎn)的電路，應(yīng)列出（n-1）個(gè)獨(dú)立結(jié)點(diǎn)電流方程。選定網(wǎng)孔繞行方向，應(yīng)列出b-（n-1）個(gè)獨(dú)立回路電壓方程，b為電路的支路數(shù)。 代入數(shù)值，聯(lián)立求解方程組。 例：列寫圖1-22中求解支路電流的方程組。 I1R1+I3R3-US3-US1=0 I5R5+I4R4+US3-I3R3=0 -I2R2+US2-I4R4=0圖1-221.6 電路中電位的計(jì)算電路中某點(diǎn)的電位是指該點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的電壓。參考點(diǎn)又稱零電位點(diǎn)。電路中各點(diǎn)的電位與參考點(diǎn)的選擇有關(guān)。由電位的定義可知：電路中a點(diǎn)到b點(diǎn)的電壓就是a點(diǎn)電位與b點(diǎn)電位之差，即： UAB=VA-VB