《电路及电路元》ppt课件

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1、,第 1 章 电路及电路元件,1.1 电路,电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。,1. 电路的作用,(1) 实现电能的传输、分配与转换,2. 电路的组成部分,电源: 提供 电能的装置,中间环节：传递、分 配和控制电能的作用,负载: 取用 电能的装置,(2)实现信号的传递与处理,信号源: 提供信息,信号处理： 放大、调谐、检波等,直流电源: 提供能源,负载,电路的组成:电源(信号源)、负载、中间环节,1.1.2 电路元件和电路模型,实际的电路是由一些按需要起不同作用的元件或器件所组成，如发电机、变压器、电动机、电池、电阻器等，它们的电磁性质是很复杂的。,例如：

2、一个白炽灯在有电流通过时，,消耗电能 (电阻性),产生磁场 储存磁场能量 (电感性),忽略 L,为了便于分析与计算实际电路，在一定条件下常忽略实际部件的次要因素而突出其主要电磁性质，把它看成理想电路元件。,电路元件,电源,负载,连接导线,电路实体,电路模型,2. 电路模型,用理想电路元件组成的电路，称为实际电路的电路模型。今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。,开关,1.1.3 电压和电流的参考方向,对电路进行分析计算时，不仅要算出电压、电流、功率值的大小，还要确定这些量在电路中的实际方向。,但是，在电路中各处电位的高低、电流的方向等很难事先判断出

3、来。因此电路内各处电压、电流的实际方向也就不能确定。为此引入参考方向的规定。,习惯上规定,电压的实际方向为：,由高电位端指向低电位端；,电流的实际方向为：,正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向；,电动势的实际方向为：,由低电位端指向高电位端。,1.1.3 电压和电流的参考方向,电压、电流的参考方向：,当电压、电流参考方向与实际方向相同时，其值为正，反之则为负值。,例如：图中若 I = 3 A，则表明电流的实 际方向与参 考方向相同 ；反之，若 I = 3 A，则表明电流的实际方与参考方向相反 。,在电路图中所标电压、电流、电动势的方向，一般均为参考方向。,电流的参考方向用箭头表示；电压的参考方

4、向除用极性 “+”、“” 外，还用双下标或箭头表示。,任意假定。,图 (b) 中若 I = 2 A，R = 3 ，则 U = 3 ( 2 ) = 6 V,欧姆定律：通过电阻的电流与电压成正比。,表达式,U 、I 参考方向相同,U = RI,U、 I 参考方向相反,电流的参考方向 与实际方向相反,图 (a),或,图 (b),I,+,电压与电流参 考方向相反,返回,E,I,U,1.1.4 电源有载工作、开路与短路,1. 电压与电流,R0,R,a,b,c,d,电源的外特性曲线,当 R0 R 时， 则 U E,表明当负载变化时，电源的端电压变化不大，即带负载能力强。,+,_,+,_,U = RI,或

5、U = E R0I,1. 电源有载工作,1. 电压与电流,U = RI,U = E R0I,2. 功率与功率平衡,UI = EI R0I2,P = PE P,电源产 生功率,内阻消 耗功率,电源输 出功率,功率的单位：瓦特(W) 或千瓦(kW),电源产 生功率,=,负载取 用功率,+,内阻消 耗功率,功率 平衡式,E,I,U,R0,R,a,b,c,d,+,_,+,_,3. 电源与负载的判别,根据电压、电流的实际方向判别，若,U 和 I 的实际方向相反，则是电源，发出功率；,U 和 I 的实际方向相同，是负载，取用功率。,根据电压、电流的参考方向判别,P = UI 为负值，是电源，发出功率；,若

6、电压、电流的参考方向相同,P = UI 为正值，负载，取用功率。,3. 电源与负载的判别,例 1,已知：图中 UAB= 3 V， I = 2 A,解 P = UI = (2) 3 = 6 W,求：N 的功率，并说明它是电源还是负载。,因为此例中电压、电流的参考方向相同,而 P 为负值，所以 N 发出功率，是电源。,想一想，若根据电压电流的实际方向应如何分析？,4. 额定值与实际值,U,+,I,P,电源输出的电流和功 率由负载的大小决定,额定值是为电气设备在给定条件下正常运行而规定的允许值,电气设备不在额定 条件下运行的危害：,不能充分利用设备的能力；,降低设备的使用寿命甚至损坏设备。,S1,S

7、2,S3,2 电源开路,电源开路时的特征,I = 0,U = U0 = E,P = 0,当开关断开时，电源则处于开路(空载)状态。,U,IS,U = 0,I = IS = E / R0,P = 0,PE = P = R0IS2,E,R0,R,b,c,d,+,_,电源短路时的特征,a,当电源两端由于某种原因连在一起时，电源 则被短路。,为防止事故发生，需在电路中接入熔断器或自动断路器，用以保护电路。,3 电源短路,上式表明电阻将全部电能消耗掉，转换成热能。,1. 电阻元件,1.2 电阻元件、电感元件和电容元件,图中 u 和 i 参考方向相同，根据欧姆定律得出,u = Ri,电阻元件的参数,电阻对

8、电流有阻碍作用,将 u = Ri 两边同乘以 i ，p= ui= Ri2 积分之，则得,R 是耗能元件,i,安(A),韦伯(Wb),亨利(H),N,电感,2. 电感元件,在图示 u、i 、e 假定参考方向的前提下，当通过线圈的磁通或 i 发生变化时，线圈中产生感应电动势为,L 称为电感或自感。线圈的匝数越多，其电感越 大；线圈单位电流中产生的磁通越大，电感也越大。,P 0, L 把电能转换为磁场能，吸收功率。,P 0, L 把磁场能转换为电能，放出功率。,L 是储能元件,根据 KVL 可写出,电压电流关系,或,瞬时功率,储存的磁场能,在直流稳态时，电感相当于短路。,伏(V),库仑(C),法拉(

9、F),3. 电容元件,电容元件的参数,C,当通过电容的电荷量或电压 发生变化时，则在电容中引起电流,在直流稳态时， I = 0 ，电容隔直流。,储存的电场能,C 是储能元件,外特性曲线,U0= E,IS =,1.3 电压源与电流源及其等效变换,一个电源可以用两种模型来表示。用电压的形式 表示称为电压源，用电流的形式表示称为电流源。,1.3.1 电压源,U = E R0 I,理想电压源,电,压,源,理想电压 源电路,当 R0 = 0 时，U = E ，是一定值，则 I 是任意的，由负载电阻 RL 和 U 确定，这样的电源称为理想电压源或恒压源。,外特性曲线,U0 = IS R0,IS,1.3.2

10、 电流源,理 想 电 流 源,电,流,源,将式 U = E R0 I 两边同除以 R0，则得,当 R0 = 时,I 恒等于 IS 是一定值，而其两端电压 U 是任意的, 由负载电阻 和 IS 确定，这样的电源称 为理想电流源或恒流源。,理想 电流 源电 路,1.3.3 电源模型的等效变换,电压源的外特性和电流源的外特性是相同的。 因此两种模型相互间可以等效变换。,E = IS R0,内阻改并联,内阻改串联,1.3.3 电源模型的等效变换,E = IS R0,内阻改并联,内阻改串联,电压源与电流源模型的等效变换关系仅 对外电路而言，至于电源内部则是不相等的。,注意,例 1 用电源等效变换方法求图

11、示电路中电流 I3 。,+,_,+,_,I3,90 V,140 V,20 ,5 ,6 ,20 ,7 A,5 ,18 A,4,11 A,解,4 ,注意事项：, 电压源和电流源的等效关系只对外电路而言， 对电源内部则是不等效的。,例：当RL= 时，电压源的内阻 R0 中不损耗功率， 而电流源的内阻 R0 中则损耗功率。, 等效变换时，两电源的参考方向要一一对应。, 理想电压源与理想电流源之间无等效关系。, 任何一个电动势 E 和某个电阻 R 串联的电路， 都可化为一个电流为 IS 和这个电阻并联的电路。,1.4 二极管,半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的 物质。,半导体特性：热敏特性、光敏

12、特性、掺杂特性,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,本征半导体就是完全纯净的半导体。,应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素.,硅的原子结构,1.4.1 本征半导体,纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体 晶体管名称的由来,本征半导体晶体结构中

13、的共价健结构,自由电子与空穴,共价键中的电子在获得一定能量后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子,同时在共价键中 留下一个空穴。,热激发与复合现象,由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象- 热激发,自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象,Si,Si,Si,Si,自由电子,空穴,半导体导电方式,载流子,自由电子和空穴,温度对半导体器件性能的影响很大。,当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动,1.4.2 N型半导体和P型半导体,N型半导体,在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或其它五价元素）。,自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,电

14、子型半导体或N型半导体,P型半导体,在硅或锗晶体中掺入硼（或其它三价元素）。,空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,空穴型半导体或P型半导体。,不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。,返回,1.4.2 PN结,PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称 PN 结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,形成空间电荷区,扩散运动和漂移运动的动态平衡,扩散强,漂移运动增强,内电场

15、增强,两者平衡,PN结宽度基本稳定,外加电压,平衡破坏,扩散强,漂移强,PN结导通,PN结截止,1.4.2 PN结的单向导电性,1. PN 结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,PN 结变宽,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,结 论,PN结具有单向导电性,（1） PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。,（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。,返回,1.4.3 半导体二极管,P,N,伏安特性,半导体二极管的伏安特性是非线性的。,硅管0.5V锗管0.1V,反向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区,电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压,二极管被击穿，失去