電子技工業(yè)務(wù)2 電子技工業(yè)務(wù)-第1節(jié) 電路的基本概念

第2章

船舶電子電氣基礎(chǔ)一、電路的組成及作用第一節(jié)電路的基本概念

電路就是電流的通路,它是為了某種目的,將一些電氣元件或設(shè)備按一定的方式組合而成的。圖2-1是手電筒電路示意圖；一個(gè)完整的電力系統(tǒng)電路大致可以歸納為三個(gè)基本組成部分,即由電源(電池)、負(fù)載(小電珠)、中間環(huán)節(jié)(開(kāi)關(guān)和導(dǎo)線)三部分組成。圖

2-1手電筒電路一、電路的組成及作用第一節(jié)電路的基本概念

1.電源電源是產(chǎn)生和提供電能的裝置,如各種類(lèi)型發(fā)電機(jī)、電池等,是將其他形式能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。2.負(fù)載負(fù)載是指各種類(lèi)型的用電設(shè)備,如電動(dòng)機(jī)、電燈、電爐、電視機(jī)、電腦等各種裝置。3.中間環(huán)節(jié)中間環(huán)節(jié)是電能的傳輸及電路保護(hù)控制裝置,包括連接電源與負(fù)載之間的電纜、變壓器、熔斷器、斷路器等各種控制裝置。一、電路的組成及作用第一節(jié)電路的基本概念

按其所發(fā)揮的作用,電路可以分為兩大類(lèi)。第二類(lèi)是用來(lái)處理與傳遞信息的電路(即信息系統(tǒng)),例如無(wú)線通信系統(tǒng)、電路檢測(cè)系統(tǒng)、船舶集中監(jiān)視與報(bào)警系統(tǒng)等都是信息處理系統(tǒng)。第一類(lèi)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和電能傳輸?shù)?這就是通常所說(shuō)的電力系統(tǒng)。它包括發(fā)電、輸配電、電力拖動(dòng)、照明等部分,例如圖2-1（前面的手電筒電路）所示。一、電路的組成及作用第一節(jié)電路的基本概念

電路模型就是從實(shí)際電路中抽象出來(lái)的,由一些理想元件組成的電路。

所謂理想元件就是將實(shí)際元件理想化,即突出其主要的電氣性能,忽略其次要因素能的元件。理想元件常用規(guī)定符號(hào)及其相應(yīng)的參數(shù)來(lái)表示。圖2-2就是一些常用的理想元件以及符號(hào)，包括純電阻，純電感，純電容，理想電壓源，理想電流源等。

圖

2-2理想電路元件二、電路的主要物理量及單位第一節(jié)電路的基本概念

一般地說(shuō),電流、電壓、電動(dòng)勢(shì)、電位為電路的主要物理量。1.電流電荷定向移動(dòng)即形成電流。電流的大小用電流強(qiáng)度(簡(jiǎn)稱電流)來(lái)衡量。電流強(qiáng)度在數(shù)值上等于單位時(shí)間通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量。若在極短的時(shí)間dt秒內(nèi)，通過(guò)導(dǎo)體橫截面的微小的電荷量為dq庫(kù)侖，則電流為：式(2-1)表示電流的大小是隨時(shí)間變化的。1.電流第一節(jié)電路的基本概念

如果電流的大小不隨時(shí)間變化,即

是常數(shù)，則這種電流稱為直流。當(dāng)在t秒內(nèi)有q庫(kù)侖的電荷量通過(guò)導(dǎo)體橫截面,則直流電流I可用下式計(jì)算,即在國(guó)際單位制(SI)中,電流(強(qiáng)度)的單位是庫(kù)侖/秒,稱為安培,簡(jiǎn)稱安(A),常用的小電流單位有毫安(mA)和微安(μA)。1mA=1000μA=10-3A,1μA=10-3mA=10-6A。本書(shū)如不特別說(shuō)明均采用國(guó)際單位制。1.電流第一節(jié)電路的基本概念

電流的實(shí)際方向:規(guī)定正電荷移動(dòng)的方向(即負(fù)電荷移動(dòng)的反方向)為電流的實(shí)際方向。通常用箭頭或雙下標(biāo)表示，Iab:表示電流由a流向b。電流的參考方向:在分析和計(jì)算電路時(shí),需要根據(jù)電路中各電流的方向,應(yīng)用電路的基本定律寫(xiě)出分析計(jì)算式。

對(duì)未知電路可以任意假設(shè)一個(gè)電流的參考方向,然后再根據(jù)基本定律對(duì)電路列出計(jì)算式進(jìn)行分析運(yùn)算。

計(jì)算結(jié)果電流是正值,即實(shí)際方向與參考方向一致;

負(fù)值,即實(shí)際方向與參考方向相反。2.電壓第一節(jié)電路的基本概念

電壓是衡量電場(chǎng)力對(duì)電荷做功能力的物理量。

電路中任意兩點(diǎn)a和b間的電壓Uab，在數(shù)值上等于電場(chǎng)力把單位正電荷從a點(diǎn)移到b點(diǎn)所做的功,也即單位正電荷從a到b所失去的電位能。

因此電路中兩點(diǎn)之間的電壓等于該兩點(diǎn)的電位之差(也即單位正電荷在該兩點(diǎn)的電位能之差)。

例如,電路中a和b兩點(diǎn)的電位分別為Va和Vb,則該兩點(diǎn)之間的電壓為2.電壓第一節(jié)電路的基本概念

電壓的規(guī)定方向?yàn)橛筛唠娢恢赶虻碗娢?因此電壓又稱電壓降(或電位降)。電壓的實(shí)際方向用雙下標(biāo)表示Uab,電壓由a指向b。

在電源以外的電路中,電流總是從高電位流向低電位,電壓和電流的方向是相互關(guān)聯(lián)的,當(dāng)兩者的方向均不能確定時(shí),假設(shè)了電流的參考方向,也就是關(guān)聯(lián)地設(shè)定了電壓降的參考方向。

在實(shí)際解決電路問(wèn)題時(shí)我們盡量設(shè)電流、電壓參考方向一致。計(jì)算結(jié)果正值表示與假設(shè)方向相同，負(fù)值相反。

電壓?jiǎn)挝皇墙苟?庫(kù)侖(J/C),稱為伏特,簡(jiǎn)稱伏(V),千進(jìn)制。常用的單位還有千伏(kV)、毫伏(mV）和微伏（μV）。

3.電動(dòng)勢(shì)第一節(jié)電路的基本概念

電動(dòng)勢(shì)是衡量電源對(duì)電荷做功的能力。

通常意義是將單位正電荷由電源的低電位(負(fù))端經(jīng)電源內(nèi)部移到高電位(正)端所做的功,即使單位正電荷所獲得的電位能,因此電動(dòng)勢(shì)的方向與電壓的方向相反,在數(shù)值電動(dòng)勢(shì)的量度單位與電壓相同,即伏特。電動(dòng)勢(shì)的規(guī)定方向:由低電位(負(fù))端指向高電位(正)端,與電壓的方向相反,如圖2-3所示。

圖2-3電動(dòng)勢(shì)的實(shí)際方向

3.電動(dòng)勢(shì)第一節(jié)電路的基本概念

電場(chǎng)力與非電場(chǎng)力:

電場(chǎng)力(靜電力)即電荷之間的作用力,表現(xiàn)為同號(hào)電荷相斥,異號(hào)電荷相吸。

非電場(chǎng)力(非靜電力)是指存在電源內(nèi)部作用在電荷上與電場(chǎng)力的作用方向相反的力,如發(fā)電機(jī)繞組導(dǎo)體切割磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生的分離正、負(fù)電荷的力,電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的分離正、負(fù)電荷的力,電源內(nèi)所產(chǎn)生的這種非電場(chǎng)力又稱電源力。

3.電動(dòng)勢(shì)第一節(jié)電路的基本概念

任何帶電現(xiàn)象首先是非電場(chǎng)力克服電場(chǎng)力而分離正負(fù)電荷形成的。電荷在非電場(chǎng)力的作用下移動(dòng),非電場(chǎng)力做功,使電荷的電位能增加;相反，電荷在電場(chǎng)力的作用下移動(dòng),則電場(chǎng)力做功,電荷的電位能減少。

由于電源內(nèi)存在電源力,正電荷只能通過(guò)電源內(nèi)部由負(fù)端回到正端。當(dāng)電源與外部負(fù)載接通時(shí),正電荷可在電場(chǎng)力的作用下通過(guò)外電路由高電位端向低電位端移動(dòng),從而形成電路電流。

從能量角度上看：電源內(nèi)部是將其他形式能(化學(xué)能、機(jī)械能)轉(zhuǎn)換為電能。在電源外部電路中是將電能轉(zhuǎn)化為其他形式能(熱能、機(jī)械能)。

電場(chǎng)力與非電場(chǎng)力:4.電位第一節(jié)電路的基本概念

在一個(gè)電路里面,電荷在不斷地流動(dòng),電荷在電路中不同的點(diǎn)上具有不同的能量,常用電位表示電荷在電路中不同的點(diǎn)上所具有的能量；某點(diǎn)的點(diǎn)位高,則電荷在某點(diǎn)具有的能量就高;某點(diǎn)的電位低,則電荷在某點(diǎn)具有的能量就低。4.電位第一節(jié)電路的基本概念

電路中某點(diǎn)的電位高、低只是相對(duì)于電路中某一參考點(diǎn)而言,因此,進(jìn)行電位計(jì)算時(shí),必須根據(jù)需要選定電路中某一點(diǎn)作為參考點(diǎn)位點(diǎn)(用符號(hào)“┻”表示),它的電位稱為參考電位,通常設(shè)參考電位為零。其他各點(diǎn)的電位都同它比較,比它高的為正電位,比它低的為負(fù)電位。正數(shù)值越大則電位越高,負(fù)數(shù)值越大則電位越低。

參考點(diǎn)選定后,電路中某一點(diǎn)的電位等于該點(diǎn)與參考點(diǎn)(電位為零)之間的電壓;參考點(diǎn)選得不同,電路中各點(diǎn)的電位值隨著改變,但是任意兩點(diǎn)間的電壓值是不變的,所以各點(diǎn)電位的高低是相對(duì)的,而兩點(diǎn)間的電壓值是絕對(duì)的，電位與電壓具有相同的單位,即伏特,用字母V表示。三、電路的工作狀態(tài)第一節(jié)電路的基本概念

1.電路的帶載通路電路的負(fù)載與電源接通時(shí)，即為電路的有載工作狀態(tài),如圖2-4所示。圖2-4電路的有載工作狀態(tài)第一節(jié)電路的基本概念

電路帶載狀態(tài)的特征:

(1)電路中的電流當(dāng)電路接通時(shí),電路的電流大小主要決定于負(fù)載電阻R(R0為內(nèi)阻)。(2)電源的外特性實(shí)際電壓源的端電壓U小于其電動(dòng)勢(shì)E。根據(jù)歐姆定律I=U/R,由此可得端電壓平衡方程式三、電路的工作狀態(tài)1.電路的帶載通路第一節(jié)電路的基本概念

(2)電源的外特性式2-5表明電源的輸出端電壓U與輸出電流I的關(guān)系,常稱為電源的外特性。電源的輸出端電壓U等于電動(dòng)勢(shì)E減去內(nèi)阻電壓降I?R0,負(fù)載電流I越大其端電壓越低。電壓源的端電壓U與輸出電流I的關(guān)系曲線稱為電源的外特性曲線,如圖2-5所示。圖2-5電源的外特性三、電路的工作狀態(tài)1.電路的帶載通路電路帶載狀態(tài)的特征:

(2)電源的外特性電路帶載狀態(tài)的特征:

第一節(jié)電路的基本概念

電壓源的端電壓U與輸出電流I的關(guān)系曲線斜率與電源的內(nèi)阻R0有關(guān)，電源的內(nèi)阻越小越好,輸出電壓就越穩(wěn)定,當(dāng)R0?R時(shí),則U≈E。即使電路電流變化，電源的端電壓基本不變,可以看成理想的恒壓源,驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力就很強(qiáng)。無(wú)窮大電網(wǎng)、電子穩(wěn)壓電源就近似是一個(gè)理想的恒壓源。三、電路的工作狀態(tài)1.電路的帶載通路(2)電源的外特性電路帶載狀態(tài)的特征:

第一節(jié)電路的基本概念

(3)電路的功率與功率平衡將U=E-I?R0，各項(xiàng)均乘以電流I,則得到電路的功率平衡方程式,即：式2-6表明，電路中功率是平衡的，即電源所產(chǎn)生的電功率（P=E?I），等于內(nèi)阻損耗功率（P0=I2?R0)與負(fù)載消耗功率（P=U?I=I2?R)之和。三、電路的工作狀態(tài)1.電路的帶載通路電路帶載狀態(tài)的特征:

2.開(kāi)路狀態(tài)第一節(jié)電路的基本概念

開(kāi)路就是負(fù)載電路與電源斷開(kāi)。如圖2-6所示,無(wú)論是工作開(kāi)路或故障斷路,最主要的特征是:回路電流I=0,各電阻上的電壓均為零。電路的功率為零,電源處于空載狀態(tài)。

圖2-6開(kāi)路狀態(tài)電源的開(kāi)路端電壓U0(或斷路點(diǎn)兩端的電壓)等于電源電動(dòng)勢(shì)E,即U0=E特征：I=0U=U0=EP=03.短路狀態(tài)第一節(jié)電路的基本概念

短路即電源的兩個(gè)輸出端或負(fù)載的兩個(gè)輸入端被電阻為零的導(dǎo)體短接,如圖2-7所示。圖2-7短路狀態(tài)一般電壓源的內(nèi)阻R0都很小,而短路時(shí),電源電動(dòng)勢(shì)E全部加在電源內(nèi)阻上,故短路電流IS比額定電流大很多倍,內(nèi)阻上的電流熱效應(yīng)足以將電源燒毀。同時(shí)巨大的短路電流也會(huì)在短路的線路上產(chǎn)生巨大的熱量而迅速燃燒起來(lái)。特征：I=IS=E/R0

U0=0P=0，PE=I2R0(式2-8）3.短路狀態(tài)第一節(jié)電路的基本概念

短路即電源的兩個(gè)輸出端或負(fù)載的兩個(gè)輸入端被電阻為零的導(dǎo)體短接,如圖2-7所示。圖2-7短路狀態(tài)電路短路是引發(fā)火災(zāi)的重要原因之一,所以,所有電路都必須采取短路保護(hù)措施；通常辦法是加裝熔斷器或自動(dòng)空氣斷路器,當(dāng)電路發(fā)生短路時(shí),立即切斷電路,避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。四、歐姆定律與電阻第一節(jié)電路的基本概念

1.歐姆定律通常流過(guò)電阻的電流與電阻兩端的電壓成正比,這就是歐姆定律。它是分析電路的基本定律之一。假設(shè),電壓和電流所選的參考方向一致,歐姆定律可用下式表示

式中:R該段電路的電阻由式(2-9)可見(jiàn),當(dāng)所加電壓U定時(shí),電流I與電阻R成反比,電阻越大,電流則越小。顯然,電阻具有對(duì)電流起阻礙作用的物理性質(zhì)。四、歐姆定律與電阻第一節(jié)電路的基本概念

1.歐姆定律

在國(guó)際單位制中,電阻的單位是V/A,稱為歐[姆](Ω)。當(dāng)電路兩端的電壓為1V、通過(guò)的電流為1A時(shí),則該段電路的電阻為1Ω。計(jì)量高電阻時(shí),常以千歐(kΩ)或兆歐(MΩ)為單位。注意：一個(gè)公式有兩種表示，是根據(jù)電壓和電流的參考方向得出的。此外，電壓和電流本身還有正負(fù)之分，但電阻是一個(gè)標(biāo)量。

如果在電路圖上所選電壓和電流的參考方向不一致,則在歐姆定律的表示式中要加一負(fù)號(hào),則得

四、歐姆定律與電阻第一節(jié)電路的基本概念

1.歐姆定律歐姆定律U=IR所表示的電流與電壓的正比關(guān)系，是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的。我們可以測(cè)量電阻兩端的電壓值和對(duì)應(yīng)流過(guò)電阻的電流值來(lái)繪制的是一根通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，如圖2-8所示：對(duì)同一電路，電阻本身是一個(gè)常數(shù)。

圖2-8電路的伏安特性四、歐姆定律與電阻第一節(jié)電路的基本概念

1.歐姆定律材料的導(dǎo)電性也可用電導(dǎo)G表示，G=1/R,單位為1/Ω，稱為西門(mén)子（S），當(dāng)電壓和電流的參考方向一致時(shí)，用電導(dǎo)G表示歐姆定律表達(dá)式為：I=UGU=I/GG=I/U(式2-11）

當(dāng)電壓和電流的參考方向不一致時(shí),以上各式均應(yīng)加一負(fù)號(hào)。如果一個(gè)電阻的伏安特性不是直線,這個(gè)電阻稱為非線性電阻。

圖2-8電路的伏安特性四、歐姆定律與電阻第一節(jié)電路的基本概念

2.功率根據(jù)歐姆定律,電阻的功率的計(jì)算式有三種形式P=UI=I2R=U2/R(W)功率的單位為J/s，稱為瓦特，簡(jiǎn)稱瓦（W）。電能的單位為焦耳（J），因?yàn)镴這個(gè)單位太小，計(jì)量不方便，所以電氣工程中，常用千瓦小時(shí)（kW·h)為電能的計(jì)量單位，1千瓦小時(shí)俗稱一度電。兩者之間的換算關(guān)系為：

1度電=3.6x106（J）五、基爾霍夫(Kirchhoff)定律第一節(jié)電路的基本概念

歐姆定律只能計(jì)算簡(jiǎn)單的電路,對(duì)于復(fù)雜電路,通常用基爾霍夫定律來(lái)分析計(jì)算。在討論基爾霍夫定律之前,先熟悉支路、節(jié)點(diǎn)和回路的相關(guān)概念。

(1)支路:即每一分支電路,每一條支路的電氣元件電流相等。圖2-9中有三個(gè)支路,其中I1、I2和I3分別為三個(gè)支路電流。(2)節(jié)點(diǎn):與三條或三條以上支路相連接的點(diǎn)。如圖2-9中有a、b兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。(3)回路:電路中任意閉合的路徑。圖2-9中有cabc、adba和cadbc三個(gè)回路。圖2-9三支路電路五、基爾霍夫(Kirchhoff)定律第一節(jié)電路的基本概念

1.基爾霍夫電流定律（簡(jiǎn)稱KCL）基爾霍夫電流定律是將物理學(xué)中的“液體流動(dòng)的連續(xù)性”和“能量守恒定律”用于電路中,它指出:任一時(shí)刻,流入任一節(jié)點(diǎn)的電流的代數(shù)和恒等于零。數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

Ｉ=0根據(jù)KCL,對(duì)于圖2-9電路中的節(jié)點(diǎn)a,可列出電流方程：

Ｉ=I1+I2–I3=0基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流定律反映了任何節(jié)點(diǎn)上的電荷不能堆積的原理,所以在任何瞬時(shí)流入節(jié)點(diǎn)的電荷必然等于流出該節(jié)點(diǎn)的電荷。

五、基爾霍夫(Kirchhoff)定律第一節(jié)電路的基本概念

基爾霍夫電流定律也滿足于廣義節(jié)點(diǎn),所謂廣義節(jié)點(diǎn),即任一閉合面包圍的電路,稱為廣義節(jié)點(diǎn)。對(duì)于圖2-10中的電路,根據(jù)基爾霍夫電流定律,可得出

Ｉ=IA+IB+IC=0可證明其正確性：

圖2-10廣義節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)A有IA+ICA=IAB,IA=IAB-ICA對(duì)節(jié)點(diǎn)B有對(duì)節(jié)點(diǎn)C有IB+IAB=IBC,IB=IBC-IABIC+IBC=ICA,IC=ICA-IBC以上3式相加，有IA+IB+IC=01.基爾霍夫電流定律（簡(jiǎn)稱KCL）五、基爾霍夫(Kirchhoff)定律第一節(jié)電路的基本概念

1.基爾霍夫電流定律（簡(jiǎn)稱KCL）在電路中節(jié)點(diǎn)電流的參考方向可以設(shè)在全部指向節(jié)點(diǎn)或背向節(jié)點(diǎn),這并不表明實(shí)際電流只進(jìn)不出或只出不進(jìn),通過(guò)計(jì)算，其值必定有正負(fù)。

對(duì)于圖2-10,如果設(shè)參考方向?yàn)榱魅牍?jié)點(diǎn)，則IC計(jì)算出的值為負(fù)值,則表示電流是流出的。圖2-10廣義節(jié)點(diǎn)五、基爾霍夫(Kirchhoff)定律第一節(jié)電路的基本概念

2.基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律（簡(jiǎn)稱KVL）指出，在任一瞬間,沿任一回路、以任一方向(順時(shí)針或逆時(shí)針)繞行一周,則沿繞行回路,各元件電壓降U的代數(shù)和等于零。應(yīng)用電壓定律分析計(jì)算電路的關(guān)鍵,是要能正確地確定上式中各元件電壓降U的正、負(fù)。在繞行回路中:(1)若流過(guò)電阻的電流的參考方向與繞行方向一致,則該電阻的電壓降取正值(IR),與繞行方向相反則取負(fù)值(-IR);(2)當(dāng)繞行經(jīng)過(guò)電源時(shí),若從電源的高電位端繞向低電位端則取正電壓降(+E或+U);反之由低電位走向高電位則取負(fù)的電壓降(-E或-U);(3)若繞行經(jīng)過(guò)某元件電壓時(shí),若電壓方向與繞行一致取正,相反取負(fù)值。即：

U=0五、基爾霍夫(Kirchhoff)定律第一節(jié)電路的基本概念

2.基爾霍夫電壓定律按上述規(guī)則列寫(xiě),則圖2-9中電路的各回路電壓方程如下：由d點(diǎn)出發(fā),沿dacbd回路繞行一周,則I2R2-I1R1+E1-E2=0由a點(diǎn)出發(fā),沿acba回路繞行一周,則-I1R1+E1-I3R3=0由a點(diǎn)出發(fā),沿adba回路繞行一周,則-I2R2+E2-I3R3=0五、基爾霍夫(Kirchhoff)定律第一節(jié)電路的基本概念

2.基爾霍夫電壓定律

基爾霍夫電壓定律不僅滿足回路電路,也同樣滿足開(kāi)口電路，如圖2-11（a）所示電路。要求A、B兩點(diǎn)間電壓,可將此圖看成是一個(gè)開(kāi)口電路如圖2-11（b）所示，-E1-IR+E2-UAB=0整理得：UAB=-E1-IR+E2圖2-11開(kāi)口電路按順時(shí)針?lè)较蚶@行一周,根據(jù)基爾霍夫電壓定律得到電壓方程：六、串、并聯(lián)電阻電路第一節(jié)電路的基本概念

1.電阻的串聯(lián)

兩個(gè)或多個(gè)電阻一個(gè)接一個(gè)地順序相連,各電阻流過(guò)同一電流,即為串聯(lián)電阻。串聯(lián)等效電阻等于各串聯(lián)電阻之和,即等效條件就是用等效電阻代替串聯(lián)電阻而原串聯(lián)電阻電路的電壓U和電流I不變。對(duì)于圖2-12(b)電路,根據(jù)歐姆定律有:U=IR比較以上兩式可見(jiàn):R=R1+R2六、串、并聯(lián)電阻電路第一節(jié)電路的基本概念

1.電阻的串聯(lián)

串聯(lián)電阻的分壓:因串聯(lián)電阻流過(guò)同一個(gè)電流,故每個(gè)電阻的電壓與其電阻成正比。例如圖2-12(a)兩個(gè)電阻串聯(lián),R1和R2的分壓公式分別為:以上兩式稱為分壓公式,其中分壓電阻