教学课件：《电工电子技术及应用》

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1、第1 章电路的基本概念、基本定律和基本元件1. 1电电路与电路路与电路图图1. 2 电路的基本物理量与工作状电路的基本物理量与工作状态态1. 3 基尔霍夫定基尔霍夫定律律1. 4电电压源与电流压源与电流源源1. 5 电位的计算与应电位的计算与应用用1. 6 电电阻阻1. 7 电电容容1. 8 电电感感习题习题 11. 1 电路与电路图电路与电路图1. 1. 1 1. 1. 1 电路的组成与功能电路的组成与功能电路(ElectricalCircuit )或称电子回路,是由电气设备和元器件按一定方式连接起来为电荷流通提供路径的总体,也叫电子线路或称电气回路,简称网络或回路。根据流过的电流性质,电路

2、一般可以分为两种。直流电通过的电路称为直流电路,交流电通过的电路称为交流电路。根据电路的作用,电路一般也可以分为两类。一类用于实现电能的传输和转换,如图1. 1. 1 所示,其中包括电源、负载和中间环节三部分。图 1.1. 1 照明电路图 1.1. 1 中,电能由电源传输至电灯,并转换为内能。其中将电能转换为其他形式能量的元器件或设备统称为负载。这类电路由于电压较高,电流和功率较大,习惯上被称为“强电”电路。另一类电路用于进行电信号的传递和处理,如图 1.1. 2 所示的扩音器电路,话筒把声音转化成相应的电压或者电流,话筒是输出信号的设备,称为信号源,而转化成的电压或者电流称为电信号。经过放大

3、处理后,通过电路传递给扬声器,再由扬声器还原为声音,扬声器是接收和转换信号的设备,称为负载。这类电路通常电压较低,电流和功率较小,习惯上被称为“弱电”电路。图 1.1. 2 扩音器电路示意图1. 1. 2 电路图电路图电路图是一种简化的电路图形表示。电路图是人们为研究、工程规划的需要,用物理电学标准化的符号绘制的一种表示各元器件组成及器件关系的原理布局图。电路图里各电子元件的位置并不反映它们在完成的实体电路上的位置。实际电路由各种作用不同的电路元件或器件所组成,其元件种类繁多,且电磁性质较为复杂。为便于对实际电路进行分析和数学描述,需将实际电路元件用能够代表其主要电磁特性的理想元件或它们的组合

4、来表示,称为实际电路元件的模型。反映具有单一电磁性质的实际器件的模型称为理想元件,包括电阻、电感、电容、电源等将实际电路模型化是研究电路问题的常用方法。图 1.1. 3 中,电池对外提供电压的同时,内部也有电阻消耗能量,所以电池用其电动势 E 和内阻 R 0 的串联表示;电灯主要具有消耗电能的性质,可认为是电阻元件,用 R 表示;中间环节用直线来表示(包括开关),其电阻忽略不计。图 1.1. 3 电路模型1. 2 电路的基本物理量与工作状电路的基本物理量与工作状态态1. 2. 1 1. 2. 1 电流及其参考方向电流及其参考方向图 1.1. 3 中,当开关合上时,电路中会有电荷移动形成电流。在

5、电场的作用下,正电荷与负电荷向不同的方向移动,习惯上规定正电荷的移动方向为电流的方向。电流的大小为单位时间内通过导体横截面的电量,用公式表示为式中, i 表示电流,q 表示电量或电荷量。规定 1 秒内通过导体横截面电量为 1 库仑时的电流为 1 安培。国际单位制中, q 的单位为库仑( C ),电流的单位为安培( A )。常用的电流单位还有毫安( mA )、微安( A )。1. 2. 2 电压及其参考方向电压及其参考方向在电场中,某点电荷的电势能与其所带的电荷量(与正负有关,计算时将电势能和电荷的正负都带入,即可判断该点电势大小及正负)之比,叫做这点的电位(也可称电势)。电压是描述电场力对电荷

6、做功的物理量,它表示两点电位的差值,也称电位差(或电势差)。电压的单位是伏特( V ),规定电场力把 1 库仑的正电荷从一点移到另一点所做的功为1 焦耳时,这两点间的电压为 1 伏特。常用的电压单位还有千伏( kV )、毫伏( mV )和微伏( V )。通常直流电压用大写字母 U表示,交流电压用小写字母 u 表示。 电动势是反映电源把其他形式的能转换成电能的本领的物理量。在电源内部,非静电力把正电荷从负极板移到正极板时要对电荷做功,这个做功的物理过程是产生电源电动势的本质。非静电力所做的功,反映了其他形式的能量有多少变成了电能。因此在电源内部,非静电力做功的过程是能量相互转化的过程。电动势使电

7、源两端产生电压。在电路中,电动势常用 E 表示,单位也是伏特( V )。电路中,电压的实际方向定义为电位降低或称电压降的方向,可用极性“ + ”和“ - ”表示,其中“ + ”表示高电位,“ - ”表示低电位;也可用双下标表示,如 U ab 表示电压的方向由 a到 b 。电源电动势的实际方向,规定为从电源内部的“ - ”极指向“ + ”极,即电位升高的方向。与电流分析相同,分析电路电压时需先假定电压的参考方向。选定电压的参考方向后,经分析计算得到的电压值也成为有正、负的代数量。在参考方向下,电压如果为正值,表明电压的实际方向与参考方向相同;如果为负值,则与之相反。电路中用箭头表示电压的参考方向

8、。1. 2. 3 电路功率电路功率电流在单位时间内做的功叫做电路功率,简称功率。功率是用来表示消耗电能的快慢的物理量,用 P 表示,它的单位是瓦特( W ),简称瓦。若某个元件的电流和电压分别为 I 和 U ,而且电流和电压的参考方向相关联,则功率P = UI(1. 2. 2 )根据电压和电流的实际方向可确定某一元件是电源还是负载:当元件的 U 和 I 的实际方向相反时,电流从“ + ”端流出,发出功率,则元件为电源;反之,当 U 和 I 的实际方向相同时,电流从“ + ”端流入,取用功率,则元件为负载。根据电压、电流的参考方向也可以判别:当 U 和 I 的参考方向相同时,若 P 为正值,取用

9、功率,则元件为负载;若 P 为负值,发出功率,则元件为电源。反之,当 U 和 I 的参考方向相反时,若 P 为正值,发出功率,则元件为电源;若 P 为负值,取用功率,则元件为负载。下面我们通过图 1.2. 1 所示电路中的四种情况来具体讨论。图 1.2. 1 ( a )、( b )中,电压与电流的实际方向相反,则P =4 ( -3 ) =-12W0元件分别吸收 12W 的功率,均为负载。图 1.2. 1 功率的计算1. 2. 4 电路工作状态电路工作状态电路在正常工作时,其工作状态分为电源有载工作、开路和短路三种。将图 1.1. 3 中的开关合上,接通电源与负载,这就是电源有载工作。电源有载工

10、作时,利用欧姆定律可以列出电路中的电流和电压由式(1. 2. 3 )和式( 1. 2. 4 )可得式(1. 2. 5 )中,电源端电压小于电动势,且两者的差值等于电源内阻和电路电流的乘积,表明电路电流越大,则电源端电压下降得越多。将图 1.1. 3 中的开关断开,电源则处于开路状态,此时外电路的电阻对电源来说等于无穷大,所以此时电路的电流为零。而电源的端电压等于电源电动势,电源不输出电能。此时电路特征描述如下:图 1. 2. 2 中,将电源的两端连接到一起,电源被短路。此时外电路电阻为零,整个电路中只有电源电阻 R 0 ,故电路电流很大,此电流称为短路电流 I s ;同时电源的端电压为零。此时

11、电路特征描述如下:图 1.2. 2 电源短路1. 2. 5 电气设备额定值电气设备额定值各种电气设备的电压、电流、功率等都有一个额定值。额定值是制造厂商为了使产品在给定的工作条件下正常运行而规定的正常允许值。电气设备的额定值一般标注在产品的铭牌上,在使用时应充分考虑额定功率。例如,一盏电灯的铭牌上标有 220V60W ,即电灯的额定电压为 220V ,额定功率为 60W ,使用时就不能将其接到 380V 的电源上。电气设备在正常使用时的电压、电流和功率并不一定等于其额定值。例例 1.2. 1 有一盏 220V60W 的电灯,接到 220V 的电源上,试求通过电灯的电流和电灯在 220V 电压下

12、工作的电阻。若此时电网电压只有 210V ,求此时的电流和电阻。解解 电灯在 220V 电压下工作时:电灯在 210V 电压下工作时,电阻值不变,此时的工作电流:1. 3 基尔霍夫定律基尔霍夫定律1. 3. 1 1. 3. 1 常用术语常用术语基尔霍夫定律是电路中的基本定律,不仅适用于直流电路,也适用于交流电路。它包括基尔霍夫电流定律(简称 KCL )和基尔霍夫电压定律(简称 KVL )。基尔霍夫电流定律是针对节点的,基尔霍夫电压定律是针对回路的。在具体讲述基尔霍夫定律之前,我们以图 1.3. 1 为例,介绍电路中的几个基本概念。节点:三个或三个以上支路的连接点称为节点,如图1. 3. 1 所

13、示电路中的 a 、 b 。支路:连接两个节点之间的电路称为支路。例如,图1. 3. 1 中的 ca 、 da 、 ba 等都是支路。回路:电路中任一闭合路径称为回路。例如,图 1.3. 1中的 cabc 、 adba 都是回路。每一条支路的电流称为支路电流,每两个节点之间的电压称为支路电压。在图 1.3. 1 中各支路电流的参考方向均用箭头标出。图 1.3. 1 电路举例1. 3. 2 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律( KCL )指出:对于电路中的任一节点,任一瞬时流入(或流出)该节点电流的代数和为零。我们可以选择电流流入时为正,流出时为负;或流出时为正,流入时为负。电流的这

14、一性质也称为电流连续性原理,是电荷守恒的体现。在直流电路里, KCL 用公式表示为式( 1. 3. 1 )称为节点的电流方程。由此也可将 KCL 理解为流入某节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。以图 1.3. 1 电路中的节点 a 为例,假设电流流入为正,流出为负,列出节点 a 的电流方程。对于节点 a ,有 I 1 + I 2 = I 3 。KCL 不仅适用于电路中的任一节点,也可推广到包围部分电路的任一闭合面(因为可将任一闭合面缩为一个节点)。可以证明,流入或流出任一闭合面电流的代数和为零。这种闭合面有时称为广义节点,如图 1.3. 2 所示的晶体管,就是一个广义节点,此时 I C +

15、 I B = I E 。图 1.3. 2 广义节点1. 3. 3 基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律( KVL )指出:对于电路中的任一回路,任一瞬时沿该回路绕行一周,则组成该回路的各段支路上的元件电压的代数和为零。可任意选择顺时针或逆时针的回路绕行方向,各元件电压的正、负与绕行方向有关。一般规定,当元件电压的方向与所选的回路绕行方向一致时为正,反之为负。例例 1.3. 1 求图 1. 3. 3 中的电流 I 1 、 I 2 。图 1.3. 3 例 1. 3. 1 图1. 4 电压源与电流源电压源与电流源能向电路独立地提供电压、电流的器件或装置称为独立电源,如化学电池、太阳能电池

16、、发电机、稳压电源、稳流电源等。一个电源可用两种不同的电路模型表示:用电压形式表示的,称为电压源;用电流形式表示的,称为电流源。1. 4. 1 理想电压源理想电压源理想电压源的特点是能够提供确定的电压,即理想电压源的电压不随电路中电流的改变而改变,所以理想电压源也称恒压源。电池和发电机都可以近似看做恒压源,图 1.4. 1 ( a )为恒压源的符号。图中,恒压源两端的电压用 U S 表示,方向从正极指向负极;电源内部的电动势用 E S 表示时,方向从负极指向正极。将元件的电压和电流关系用一个函数(如 u = f (i )表示时,称之为元件的伏安特性。电源对外的电压、电流关系一般又称为外特性。理

17、想电压源的外特性曲线是一条与 i 轴平行的直线,如图 1.4. 1 ( b )所示。图 1.4. 1 理想电压源1. 4. 2 理想电流源理想电流源理想电流源的特点是能够提供确定的电流,即理想电流源的电流不随电路中电压的改变而改变,所以理想电流源也称恒流源。图 1.4. 2 ( a )是恒流源的模型符号,其中箭头指示电流的方向。理想电流源的外特性曲线是一条与 u 轴平行的直线,如图 1.4. 2 ( b )所示。图 1.4. 2 理想电流源1. 4. 3 电压源与电流源的等效电压源与电流源的等效一个实际的电源一般不具有理想电源的特性,即当外接电阻 R 变化时,电源提供的电压和电流都会发生变化。

18、有的电源当外部负载电阻变化时输出电压波动很小,比较接近电压源的特性;而有的电源当外部负载电阻变化时输出电流波动较小,比较接近电流源的特性。实际电源的特性可以用理想电源元件和电阻元件的组合来表征。图 1.4. 3 ( a )中实际电源向外部电阻 R 输出电压 U 和电流 I 。当 R 断开时,设 U = U S (称为开路电压)。当 R 减小时,I 将增大,电源内阻 R 0 的电压也增加,输出电压 U 下降。因此可以采用电压源 U S 和电阻 R 0 串联的模型来表示实际电源,如图 1.4. 3 ( b )所示。图 1.4. 3 实际电源的电压源模型和电流源模型图 1.4. 3 ( b )电路中

19、的电流、电压关系可表达为在该电路中,也可以用电流源 I S 和电阻 R 0 并联的模型来表征实际电源对 R 的作用,如图 1.4. 3 ( c )所示。图 1. 4. 3 ( c )电路中的电流、电压关系可表达为1. 5 电位的计算与应用电位的计算与应用前面提到电位是与电压相关的概念。分析电路时,除了经常计算电路中的电压外,也会涉及电位的计算。在电子线路中,通常用电位的高低判断元件的工作状态。例如,当二极管的阳极电位高于阴极电位时,管子才能导通;判断电路中一个三极管是否具有电流放大作用,需比较它的基极电位和发射极电位的高低。计算电路中各点电位时,一般需选定电路中的某一点作参考点,规定参考点的电

20、位为 0 ,并用“ ”表示,称为接地,电路中其他各点的电位等于该点与参考点之间的电压。我们以图 1.5. 1 为例来讨论电路中各点的电位。图 1.5. 1 电路中的电位以 d 点为参考点,即 V d =0V ,则 a 点的电位 V a =10V ,可得若改以 a 点为参考点,即 V a =0V ,同理可得:可见,参考点选的不同,电路中各点的电位也不同,但任意两点间的电压是不变的。在电子线路中,通常将电路中的恒压源符号省去,各端标以电位值。图 1.5. 2 ( a )可以简化成1. 5. 2 ( b )。图 1.5. 2 电路的简化1. 6 电电 阻阻1. 6. 1 1. 6. 1 电阻的定义电

21、阻的定义通常电路中的物质都会阻碍电荷的移动,这种物理特性称为电阻特性。具有这种物理特性的元件称为电阻器,用 R 表示。对于长度为 l ,横截面积为 S 的均匀介质,其电阻为式中, 是导体的电阻率,单位为欧姆/米。在国际单位制中,电阻的单位是欧姆( ),规定当电阻电压为 1V 、电流为 1A 时的电阻值为 1 。电阻器分固定式和可调式两种,大多数电阻器是固定式的,如图 1.6. 1 ( a )所示,其电阻值为常数。固定式电阻器一般分为绕线式和化合物式,其中化合物式一般用于大电阻的制造。电阻器的符号如图 1.6. 1 ( b )所示。图 1.6. 1 电阻器1. 6. 2 电阻的参数电阻的参数电阻

22、器的主要参数有标称阻值(简称阻值)、额定功率和允许偏差。标称阻值通常是指电阻器上标注的电阻值。电阻值的基本单位是欧姆,在实际应用中,还常用千欧( k )和兆欧( M )来表示。一只电阻器的实际阻值不可能与标称阻值绝对相等,两者之间会存在一定的偏差,我们将该偏差允许范围称为电阻器的允许偏差。允许偏差越小的电阻器,其阻值精度就越高,稳定性也越好,但其生产成本相对较高,价格也贵。通常,普通电阻器的允许偏差为 5% 、10% 、 20% ,而高精度电阻器的允许偏差则为 1% 、 0. 5% 。1. 6. 3 欧姆定律欧姆定律欧姆定律指出:通常电阻两端电压与电流的比值是一常数。在直流电路里,欧姆定律用公

23、式表示为式(1. 6. 2 )是在电流、电压取关联方向下得到的。如果取非关联方向,应在等式右边加一负号,即电阻的倒数称为电导。电导也是一个常用的物理量,用 G 表示,单位为西门子( S )。电阻与电导的关系为1. 6. 4 电阻的串联、电阻的串联、 并联及等效并联及等效变换变换在分析计算电路的过程中,常常用到等效的概念。电路等效变换原理是分析电路的重要方法,这里讨论的电路等效仅是指两部分无源电阻电路之间的等效。结构、元件参数不相同的两部分电路 N 1 、 N 2 如图 1.6. 2 所示,若 N 1 、N 2 具有相同的伏安特性 U = f (I ),则称它们彼此等效。由此,当用 N 1 代替

24、 N 2 时,将不会改变 N 2 所在电路其他部分的电流、电压,反之亦成立。这种计算电路的方法称为电路的等效变换。用简单电路等效代替复杂电路可简化整个电路的计算。图 1.6. 2 电路的等效1. 电阻的串联电阻的串联如果电路中两个或两个以上的电阻一个接一个地顺序相连,并且流过同一个电流,则称这些电阻是串联的。图 1.6. 3 ( a )中,由电阻 R 1 、 R 2 串联组成的电路可用图 1. 6. 3 ( b )中的电阻R 来代替,我们说这两个电路是等效的。它们之间的等效关系为另外,两个串联电阻上的电压分别为式(1. 6. 6 )称为串联电阻的分压关系。图 1.6. 3 串联电路的等效2.

25、电阻的并联电阻的并联如果电路中两个或两个以上的电阻连接在两个公共节点之间,且通过同一个电压,则称这两个电阻是并联的。图 1.6. 4 ( a )中,由电阻 R 1 、 R 2 并联组成的电路可用图 1. 6. 4 ( b )中的电阻 R 来代替,我们说这两个电路是等效的。它们之间的等效关系为另外,两个并联电阻上的电流分别为式(1. 6. 8 )称为并联电阻的分流关系。并联电路也有广泛的应用。工厂里的动力负载、家用电器和照明电器等都以并联的方式连接在电网上,以保证负载在额定电压下正常工作。此外,当用电压表测量电路中某两点间的电压时,需将电压表并联在所要测量的两点间。图 1.6. 4 并联电路的等

26、效1. 7 电电 容容1. 7. 1 1. 7. 1 电容的定义电容的定义电容元件简称为电容,如图 1.7. 1 所示。当电容元件两端加有电压 u时,它的极板上就会储存电荷 q ,如果电荷 q 和电压 u 之间是线性函数关系,则称为线性电容。若电容元件的电荷与电压之间不是线性函数关系,则称为非线性电容。图 1.7. 1 电容器在线性电容的情况下,电容元件的特性方程为式中, C 为元件的电容,它是一个与电荷、电压无关的常数,单位为法拉(F )。由于法拉的单位太大,实际中常采用微法( F )、纳法(nF )或皮法(pF)。当电容元件两端的电压 u 随时间变化时,极板上储存的电荷就随之变化,和极板连

27、接的导线中就有电流 i 。若 u 、 i 的参考方向如图 1.7. 1 中所规定,则式(1. 7. 2 )表明,线性电容的电流 i 与端电压 u 对时间的变化率 d u / d t 成正比。对于恒定电压,电容的电流为零,故在直流电路稳态情况下,电容元件相当于开路。电容是一个储能元件,能量储存于电容的电场之中。当时间由 0 变到 t 、电容的端电压 u由 0 变到 U 时,电容所储存的电场能为式(1. 7. 3 )表明,电容元件在某一时刻的储能只取决于该时刻的电压值,而与电压的过去变化进程无关。电容器通常由绝缘介质隔开的金属极板组成。其种类很多,如纸介电容器、云母电容器、瓷介电容器、涤纶电容器、

28、玻璃釉电容器、钽电容器、电解电容器等。电容器的主要参数为电容的标称容量和额定电压。例如,某 CJ10 型纸介电容器的标称容量为 0.15 F 、额定直流工作电压为 400V 。在使用时,电容器实际承受的电压不允许超出其额定电压,否则可能使电容器中的绝缘介质被击穿。电解电容器有正、负极性,使用时应将其正极接高电位端,负极接低电位端,不要接反。1. 7. 2 电容的参数电容的参数电容的主要参数有电容量、电容量误差、额定工作电压、损耗、频率特性等。电容量即电容加上电荷后储存电荷的能力大小。电容量误差是指其实际容量与标称容量间的偏差。额定工作电压是该电容器在电路中能够长期可靠地工作而不被击穿所能承受的

29、最大直流电压(又称耐压)。它与电容器的结构、介质材料和介质的厚度有关。一般来说,对于结构、介质相同,容量相等的电容器,其耐压值越高,体积也越大。在电场作用下,电容器单位时间内发热而消耗的能量叫做电容器的损耗。理想电容器在电路中不应消耗能量。但实际上,电容器或多或少都要消耗能量。其能量消耗主要由介质损耗和金属部分的损耗组成,通常用损耗角正切值来表示。电容器的频率特性通常是指电容器的电参数随电场频率而变化的性质。在高频下工作的电容器,由于介电常数在高频时比低频时小,因此电容量将相应地减小。与此同时,它的损耗将随频率的升高而增加。此外在高频工作时,电容器的分布参数,如极片电阻、引线和极片接触电阻、极

30、片的自身电感、引线电感等,都将影响电容器的性能。由于受这些因素的影响,电容器的使用频率受到限制。1. 8 电电 感感1. 8. 1 1. 8. 1 电感的定义电感的定义电感元件简称为电感。当有电流 i 流过电感元件时,其周围将产生磁场。若电感线圈共有 N 匝,通过每匝线圈的磁通为 ,则线圈的匝数与穿过线圈的磁通之积为 N 。如果电感元件中的磁通和电流 i 之间是线性函数关系,则称为线性电感。若电感元件中的磁通与电流之间不是线性函数关系,则称为非线性电感。在线性电感的情况下,电感元件的特性方程为式中, L 为元件的电感,是一个与磁通、电流无关的常数,单位为亨利( H )。磁通 的单位为韦伯( W

31、b )。当流过电感元件的电流 i 随时间变化时,则要产生自感电动势 e L ,元件两端就有电压 u 。若 i , e , u 的参考方向如图 1.8. 1 中所规定,则当电感中的磁通 或电流 i 发生变化时,在电感元件中产生的感应电动势为根据基尔霍夫定律知:式(1. 8. 3 )表明,线性电感的端电压 u 与电流 i 对时间的变化率 d i / d t 成正比。对于恒定电流,电感元件的端电压为零,故在直流电路的稳态情况下,电感元件相当于短路。图 1.8. 1 电感器电感是一个储存磁场能的元件。当流过电感的电流增大时,磁通增大,它所储存的磁场能也变大。但如果电流减小到零,则所储存的磁场能将全部释

32、放出来。故电感元件本身并不消耗能,是一个储能元件。当时间由 0 变到 t ,流过电感的电流 i 由 0 变到 I 时,电感所储存的磁场能为式(1. 8. 4 )表明,电感元件在某一时刻的储能只取决于该时刻的电流值,而与电流的过去变化进程无关。电感器通常是用导线绕制而成的线圈。有的电感线圈含有铁芯,称为铁芯线圈。线圈中放入铁芯可大大增加电感的数值,但引起了非线性,并产生铁芯损耗。电感器的主要参数是电感值和额定电流。例如某 LG4 型电感器,电感量标称值为 820 H ,最大直流工作电流为 150mA 。1. 8. 2 电感的参数电感的参数电感的重要参数有电感量、允许偏差、品质因数、分布电容及额定

33、电流等。电感量也称自产生自感应能力的一个物理量。电感器电感量的大小与线圈的圈数(匝数)、绕制方式、有无磁心及磁心的材料等有关。通常线圈圈数越多、绕制的线圈越密集,电感量就越大;有磁心的线圈比无磁心的线圈电感量大;磁心磁导率越大的线圈,电感量也越大。允许偏差是指电感器上标称的电感量与实际电感量的允许误差值。一般用于振荡或滤波等电路中的电感器要求精度较高,允许偏差为 0.2%0. 5% ;而用于耦合、高频阻流等线圈的精度要求不高,允许偏差为 10%15% 。品质因数也称 Q 值,是衡量电感器质量的主要参数。它是指电感器在某一频率的交流电压下工作时,所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的 Q 值

34、越高,其损耗越小,效率越高。电感器品质因数的高低与线圈导线的直流电阻、线圈骨架的介质损耗及铁芯、屏蔽罩等引起的损耗有关。分布电容是指线圈的匝与匝之间、线圈与磁心之间存在的电容。电感器的分布电容越小,其稳定性越好。额定电流是指电感器在正常工作时允许通过的最大电流值。若工作电流超过额定电流,则电感器就会因发热而使性能参数发生改变,甚至还会因过流而烧毁。习习 题题 11. 1 题 1. 1 图所示电路中, I 1 、 I 2 、 I 3 的参考方向已标示。已知 I 1 =1. 75A , I 2 =-0. 5A ,I 3 =1. 25A , R 1 =2 , R 2 =3 , E 1 =12V ,

35、E 2 =6V 。试求:(1 )电阻 R 1和 R 2 两端的电压 U 1和 U 2 ;(2 ) a 、 b 、 c 、 d 各点的点位 V a 、 V b 、 V c 和 V d 。 1.1 图题 1.4 图1. 6 一个实际电源的电路和外特性曲线分别如题 1. 6 图( a )和( b )所示。(1 )采用电压源模型来表示该电源时, U S 和 R 0 为多少? 画出相应的电路模型图;(2 )采用电流源模型时, I S 和 R 0 为多少? 画出相应的电路模型图。题 1.6 图1. 10 一只 110V 、 8W 的电灯,要接在 380V 的电源上,问需串联多大的电阻? 该电阻应选用多大瓦

36、数的?1. 11 一个电池的短路电流为 20A ,开路电压为 12V 。如果该电池与一个电阻为 2 的灯泡相连,计算灯泡消耗的功率。1. 12 有两只电阻,其额定值分别为 40 、 10W 和 200 、 40W ,试问允许通过它们的电流各是多少? 如将两者串联起来,其两端最高允许电压可加多大?1. 13 求题 1. 13 图所示电路中的 U ab 。1. 14 计算题 1. 14 图所示电路中的 I 题 1.13 图题 1.14 图1. 15 计算题 1. 15 图所示电路中的 I 和 U 。1. 16 计算题 1. 16 图所示电路中的 I 。题 1.15 图题 1.16 图1. 17 试

37、求题 1. 17 图所示电路中 a 点和 b 点的电位。如将两点直接连成一条线或接一电阻,对电路工作有无影响?1. 18 计算题 1. 18 图所示电路中开关 S 断开或闭合时 a 点的电位。题 1.17 图题 1.18 图1. 19 计算题 1. 19 图所示电路中 a 点的电位。题 1.19 图第2 章电路的分析方法2. 1 支路电流法支路电流法 2. 2 节点电压节点电压法法2. 3 叠加定理叠加定理 2. 4 戴维南定理与诺顿定理戴维南定理与诺顿定理 习习题题 22. 1 支支 路路 电电 流流 法法支路电流法是电路分析最基本的方法之一。它以支路电流为求解对象,应用基尔霍夫定律分别对节

38、点和回路列出所需要的方程式,然后计算出各支路电流。支路电流求出后,支路电压和电路功率就很容易得到。支路电流法的解题步骤如下:(1 )标出各支路电流的参考方向。设支路数目为 b ,则有 b 个支路电流,应有 b 个独立方程式。(2 )根据基尔霍夫电流定律列写节点的电流方程式。设有 n 个节点,则可建立 n -1 个独立方程式。第 n 个节点的电流方程式可以从已列出的 n -1 个方程式求得,不是独立的。(3 )根据基尔霍夫电压定律列写回路的电压方程式。电压方程式的数目为 b - ( n -1 )个。如按网孔(电路中最简单的单孔回路)列写方程式,则恰好建立 b - (n -1 )个独立的电压方程式

39、。(4 )解联立方程组,求出各支路电流。例如对于图 2.1. 1 所示电路,它有 2 个节点和 3 条支路。 3 个支路电流的参考方向已标于图中,可得 3 个独立方程式。应用基尔霍夫电流定律对节点 a 列电流方程式,可得I 1 + I 2 - I 3 =0(2. 1. 1 )接着利用基尔霍夫电压定律对网孔列 3-1 个独立方程式,由左边网孔可得E 1 = R 1 I 1 + R 3 I 3 (2. 1. 2 )由右边网孔可得E 2 = R 2 I 2+ R 3 I 3 (2. 1. 3 )由式( 2. 1. 1 ) ( 2. 1. 3 )可知,应用基尔霍夫电流定律和电压定律一共可列出( n -

40、1 ) +b - ( n -1 )个独立方程,所以能解出 b 个支路电流。图 2.1. 1 支路电流法例图例 2.1. 1 在图 2. 1. 1 所示电路中,设 E 1 =140V , E 2 =90V , R 1 =20 , R 2 =5 ,R 3 =6 ,试求各支路电流。解解 将数据带入式( 2.1. 1 ) ( 2. 1. 3 ),可得解得: I 1 =4A , I 2 =6A , I 3 =10A 。例例 2.1. 2 将例 2. 1. 1 的图 2. 1. 1 中左边的支路化为用电流源模型表示的电路,如图 2. 1. 2所示,用支路电流法求 I 3 。图 2.1. 2 支路电流法例图

41、解解 图 2.1. 2 中,有因 I S 已知,故图 2.1. 2 虽然有 4 条支路,但列 3 个独立方程即可求解。应用基尔霍夫电流定律对节点 a 列方程,可得I S - I 4 - I 3 + I2 =0应用基尔霍夫电压定律对右、中两个网孔列方程,可得E 2 = R 2 I2 + R 3 I 3R 1 I4 - R 3I 3=0可求得 I 3 =10A 。2. 2 节节 点点 电电 压压 法法图 2.2. 1 所示电路只有 a 、 b 两个节点,两节点间的电压称为节点电压,参考方向如图所示。图 2.2. 1 节点电压法例图利用基尔霍夫电压定律可求得各支路的电流。由图 2.2. 1 可得由式

42、(2. 2. 1 )可知,只要求出节点电压 U ,就可以求出各个支路的支路电流。图 2.2. 1 中,由基尔霍夫电流定律可得将式(2. 2. 1 )带入式( 2. 2. 2 ),可得整理得式(2. 2. 3 )中分母的各项总为正,分子的各项可正可负。当电动势和节点电压的参考方向相反时取正号,相同时取负号。例例 2.2. 1 用节点电压法计算例 2. 1. 1 。解解 图 2.2. 1 所示的电路只有两个节点 a 和 b ,利用式( 2. 2. 3 )可求节点电压,即由此可计算各个支路的支路电流:例例 2. 2. 2 试求图 2. 2. 2 所示电路中的 U A0 和 I A0 。图 2.2.

43、2 例 2. 2. 2 图解解 图 2.2. 2 的电路中只有两个节点: A 和参考点 0 。 U A0 即为节点电压,且等于 A 点电位 V A 。2. 3 叠叠 加加 定定 理理叠加定理的含义是:对于一个线性电路来说,由几个独立电源共同作用所产生的某一支路的电流或电压,等于各个独立电源单独作用时分别在该支路所产生的电流或电压的代数和。当其中某一个独立电源单独作用时,其余的独立电源应除去(电压源予以短路,电流源予以开路)。叠加定理体现了线性电路的一个重要性质,在实际的工程系统中有着广泛的应用。下面以图 2.3. 1 所示电路来具体说明。图 2.3. 1 叠加定理应用支路电流法可求得的支路电流

44、 I 1 和 I 2 由式( 2.3. 1 )和式( 2. 3. 2 )表示,它们都由两个分量组成,即必须指出,叠加定理只限于线性电路中电流和电压的分析计算,不适用于功率的计算。因为功率是和电流(或电压)的平方成正比的,不存在线性关系。在含有受控源的电路中,因受控源不是独立电源,不能单独作用。在某个独立电源单独作用而除去其余独立电源时,受控源不能除去,仍要保留在电路中。如前所述,受控源是由电路中某一处的电流或电压来控制的,只有该处的电流或电压为零值时,受控源才会变为零值。例例 2.3. 1 如图 2. 3. 2 ( a )所示, U S =10V , I S =1A , R 1 =10 , R

45、 2 = R 3 =5 ,试用叠加定理求流过 R 2 的电流 I 2 。图 2.3. 2 例 2. 3. 1 图例例 23. 2 用叠加定理计算图 2. 3. 3 ( a )所示电路中 A 点的点位 V A 。图 2.3. 3 例 2. 3. 2 图解解 在图 23. 3 中,应用叠加定理有 I 3 = I 3 1 + I 32 。故2. 4 戴维南定理与诺顿定理戴维南定理与诺顿定理等效电源定理包括戴维南定理和诺顿定理,这两个定理是计算复杂线性电路的一种有力工具。一般地说,凡是具有两个接线端的部分电路,就称为二端网络,如图 2.4. 1 所示。二端网络还视其内部是否包含电源而分为有源二端网络和

46、无源二端网络。常以 N A 表示有源二端网络, N P 表示无源二端网络。如果把端口以内的网络用一个方框来表示并标以N ,就得到如图 2.4. 1 ( a )所示的二端网络的一般形式。在电路分析计算中,常常会碰到这样的情况:只需知道一个二端网络对电路其余部分(外电路)的影响,而对二端网络内部的电压电流情况并不关心。这时希望用一个最简单的电路(等效电路)来替代复杂的二端网络,使计算得到简化。如图2.4. 1 ( a )中,把 ab 支路划出,其余部分看成一个有源二端网络。有源二端网络不管其繁简程度如何,对所要计算的这个支路来说,仅相当于一个电源。因此,这个有源二端网络一定可以化简成一个等效电源。

47、由 1.5 节可知,一个电源可以用两种电路模型表示,故电路等效定理可根据电源模型的不同分为戴维南定理和诺顿定理。图 2.4. 1 等效电源2. 4. 1 戴维南定理戴维南定理对外电路来说,一个线性有源二端网络可用一个电压源和一个电阻串联的电路来等效,该电压源的电压等于此有源二端网络的开路电压 E ,串联电阻等于此有源二端网络除去独立电源后在其端口处的等效电阻 R 0 (除去电源时,电压源短路,电流源开路)。这个电压源和电阻串联的等效电路称为戴维南等效电路。图 2.4. 1 表示了这种等效关系。图 2.4. 1 ( b )的等效电路是一个最简单的电路,其中电流可由下式计算:例例 2. 4. 1

48、用戴维南定理计算例 2. 1. 1 中的支路电流 I 3 。图 2.4. 2 例 2. 4. 1 图解解 图 2.1. 1 的电路可以化简成图 2. 4. 2 ( a )所示的等效电路。等效电源的电动势 E 可由图 2.4. 2 ( b )求得:例例 2.4. 2 图 2. 4. 3 ( a )中 E 1 =40V , E2 =40V , R 1 =4 , R 2 =2 , R 3 =5 , R 4 =10 ,R 5 =8 , R 6 =2 。求流过 R 3的电流 I 3 。图 2.4. 3 例 2. 4. 2 图2. 4. 2 诺顿定理诺顿定理对外电路来说,一个线性有源二端网络除了可以用一个

49、电压源和一个电阻串联的电路来等效外,还可以用一个电流源和内阻并联的电路来等效。该电流源的电流等于此有源二端网络的短路电流 I ,并联电阻等于此有源二端网络除去独立电源后在其端口处的等效电阻 R 0 。这个电流源和电阻并联的等效电路称为诺顿等效电路。图 2.4. 4 表示了这种等效关系。图 2.4. 4 等效电源图 2.4. 4 ( b )的等效电路是一个最简单的电路,其中电流可由下式计算:因此,一个有源二端网络既可以用戴维南定理转换为图 2. 4. 1 所示的等效电压源,也可以用诺顿定理转化为图 2.4. 4 所示的等效电流源,两者对外电路来说是等效的,关系为:例例 2. 4. 3 用诺顿定理

50、计算例 2. 1. 1 中的支路电流 I 3 。图 2.4. 5 例 2. 4. 3 图解解 图 2.1. 1 的电路可化简成图 2. 4. 5 ( a )所示的等效电路。等效电源的电流 I S 可由图 2.4. 5 ( b )求得:等效电源的内阻 R 0 同例 2.4. 1 相同,即 R 0 =4 。所以习习 题题 2题 2.1 图2. 1 题 2. 1 图中, U S =2V , I S =3A , R 1 =4 , R 2 =1 , R 3 =3 , R 4 =2 ,试用支路电流法求流过电压源 U S 的电流 I 和电流源 I S 两端的电压 U 。2. 2 题 2. 2 图中, R 4

51、 =10k , R 1 = R 2 = R 3 =20k ,试求在下列三种情况下的输出电压 U o 。题 2.2 图2. 3 试用支路电流法和节点电压法求题 2. 3 图所示电路中的各支路电流,并求三个电源的输出功率和负载电阻 R L 取用的功率。题 2.3 图2. 4 用节点电压法计算例 2. 3. 2 的图 2. 3. 3 ( a )所示电路中 A 点的电位。2. 5 电路如题 2. 5 图所示,试用节点电压法求电压 U ,并计算理想电流源的功率。题 2.5 图2. 6 试用叠加定理求题 2. 1 图电路中流过 U S 的电流 I 。2. 7 应用叠加定理计算题 2. 7 图所示电路中各支

52、路的电流和各元件两端的电压,并说明功率平衡关系。2. 8 应用戴维南定理计算题 2. 8 图中 1 电阻中的电流。题 2.7 、题 2. 8 图2. 9 如题 2. 9 图所示是常见的分压电路,试用戴维南定理和诺顿定理分别求负载电流 I L 。题 2.9 图2. 10 用戴维南定义计算题 2. 10 图所示电路中的电流 I 题 2.10 图2. 11 电路如题 2. 11 图所示,试分别用戴维南定理和诺顿定理计算 I 。题 2.11 图2. 12 题 2. 12 图中是一个以 a 、 b 为端点的有源二端网络,试求:(1 )端点 a 、 b 处的开路电压 U 和等效电阻 R 0 ,并画出戴维南

53、等效电路;(2 )若用内阻 R V 分别为 5k 、 50k 、 200k 的三只电压表依次测量 a 、 b 间的电压,问电压表的读数 U V 各为多少?题 2.12 图第3 章正弦交流电路3. 1 正弦交流电的基本概正弦交流电的基本概念念3. 2 正弦量的相量表正弦量的相量表示示3. 3 电阻、电感、电容在交电阻、电感、电容在交流流 电电路中的特路中的特征方征方程及功程及功率率3. 4 电阻、电感与电容串联的交流电电阻、电感与电容串联的交流电路路3. 5 正弦交流电路的一般分析方正弦交流电路的一般分析方法法3. 6 电路的谐振及应电路的谐振及应用用3. 7 功率因数的提功率因数的提高高3.

54、8 日光灯电路日光灯电路习习题题 33. 1 正弦交流电的基本概念正弦交流电的基本概念正弦交流电是指大小、方向随时间按正弦规律变化的电压、电动势和电流等物理量,并统称为正弦量,如图 3.1. 1 所示。在不加特殊说明时,今后所说的交流电都是指正弦交流电。由图 3.1. 1 可知,正弦交流电的取值时正时负。这实际上和直流电路一样,是先设定了参考方向的,取正值表示实际方向和参考方向一致,取负值则表示实际方向和参考方向相反。图 3.1. 1 正弦交流电的波形图正弦交流电可以用三角函数表达式表示,其数学表达式为式( 3. 1. 1 )是正弦交流电的瞬时值表达式,其中 U m 、 I m 为正弦交流电的

55、最大值(或称幅值); 为角频率; u 、 i为初相位。最大值(有效值)、周期(频率或角频率)和相位(初相位)称为正弦交流电的三要素,即反映数值大小、变化快慢和确定初始状态的三个特征量。3. 1. 1 有效值与幅值有效值与幅值正弦交流电在任一瞬时的值称为瞬时值,规定用小写字母表示,如 u 、 i 。正弦量瞬时值中的最大值称为幅值,也可称为振幅或峰值,规定用大写字母加下标“ m ”表示,如电压幅值U m 、电流幅值 I m 。对周期量来说,一个周期内的平均值为零,因此常用有效值来表示其做功能力并度量其“大小”。正弦交流电流 i 通过电阻 R 在一个周期 T 内产生的热量与直流电流 I 通过电阻 R

56、 在时间 T 内产生的热量相等时,这个直流电流 I 的数值称为正弦交流电流的有效值,即则有效值表达式为式(3. 1. 2 )表明正弦交流电流 i 的有效值等于它的均方根值。这一结论适用于任意周期量。将式(3. 1. 1 )的正弦交流电流表达式代入式( 3. 1. 2 ),可得正弦电流 i 的有效值 I 与最大值I m 的关系为或者是同理,也可以得到3. 1. 2 周期与频率周期与频率正弦交流电变化一次所需的时间称为周期,用 T 表示,单位为秒( s )。正弦交流量每秒钟变化的次数称为频率,用 f 表示,单位为赫兹( Hz )。频率是周期的倒数,即正弦量每秒钟相位角的变化称为角频率 ,正弦交流电

57、一个周期变化 360 ,即 2 弧度,我们把它在单位时间内变化的弧度数称为角频率,用 表示,单位是弧度每秒(rad / s )。由此可见周期、频率、角频率都是描述正弦交流电变化快慢的物理量,一般用角频率 描述这一特征。这三者只要知其一,则其余皆可求得。比如,当频率为 f =50Hz 时,则可求出其周期和角频率分别为3. 1. 3 相位与相位差相位与相位差正弦交流电任一瞬时的角度 t + 称为正弦交流量的相位角或相位,它与交流量的瞬时值相联系,反映出正弦量变化的进程。t =0 时的相位角称为初相位角或初相位,它是正弦量初始值大小的标志。事实上初相位的大小与所取的计时起点有关。如果将图 3.1.

58、2 中的计时起点左移到图中虚线处,则初相位 =0 。当然,初相位不同,其起始值也就不同。初相位的单位用弧度或度来表示。度与弧度之间的关系为:度 = ( 180 / ) 弧度,规定初相位在 | | 的范围内取值。图 3.1. 2 角频率与初相位两个同频率正弦量的相位之差称为相位差,也用 表示。相位差是区分两个同频率正弦量的重要标志之一。如果 u = U m sin (t + u ), i = I m sin ( t + i ),则它们的相位差为相位差用来描述两个同频正弦量在时间上的先后顺序,先经过某一参考值(如正最大值)的称为超前,后经过这一参考值的称为滞后。在一个正弦交流电路中,电压和电流的频

59、率相同,但它们的初相可能相同,也可能不同,如图 3.1. 3 所示。图 3.1. 3 正弦量的相位关系例 3.1. 1 已知 u =311sin ( 314 t +60 ) V , i =141cos ( 100 t -60 ) A 。(1 )在同一坐标下画出波形图。(2 )求最大值、有效值、频率、初相位。(3 )比较它们的相位关系。解解(1 )波形图如图 3. 1. 4 所示。图 3.1. 4 例 3. 1. 1 图(3 )因为相位差 = u - i =60-30=30 ,所以它们的相位关系是 u 比 i 超前 30 。3. 2 正弦量的相量表示正弦量的相量表示3. 2. 1 3. 2. 1

60、 复数的表示形式及运算复数的表示形式及运算1. 1. 复数的表示复数的表示设定一直角坐标系,横轴称为实轴,以 +1 为单位,用来表示复数的实部;纵轴称为虚轴,以+j为单位 是虚数的单位(在电工中, i 用来表示电流,故用 j 代表虚数的单位),用来表示复数的虚部。复平面上的点和复数之间是一一对应的关系,如图 3.2. 1 所示。图 3.2. 1 相量的复数表示1 )代数形式复数可以用复平面上的有向线段来表示,如图 3.2. 1 所示,图中由坐标原点 O 到 P 点的有向线段同样对应着复数式中, a 、 b 均为实数,a 是复数的实部, b 是复数的虚部。有向线段的长度就是复数 的模,用 r 表

61、示;有向线段与实轴正方向的夹角就是复数 的辐角,用 表示。由图 3.2. 1 可知:2 )三角函数形式将式(3. 2. 3 )代入复数 ,则式(3. 2. 4 )即为复数 的三角函数表达式。2. 复数的四则运算复数的四则运算3. 2. 2 正弦量的相量表示正弦量的相量表示设有一正弦交流电流 i = I m sin (t + 0 ),其波形如图 3. 2. 2 ( b )所示。图 3.2. 2 ( a )是复平面上一旋转有向线段 OP 。有向线段的长度等于正弦量的最大值 I m ,它的初始位置(t =0 时的位置)与实轴正方向的夹角等于正弦量的初相位,并以正弦的角频率 做逆时针方向的旋转。图 3

62、.2. 2 用正弦波和旋转有向线段来表示正弦量正弦量可用有向线段表示,而有向线段又可用复数表示,所以正弦量也可用复数表示。复数的模即为正弦量的最大值(或有效值),复数的辐角即为正弦量的初相位。为了与一般的复数相区别,我们把表示正弦量的复数称为相量。这种表示正弦量的方法称为相量表示法。相量只能表示正弦量,但不等于正弦量,因为它只是具有正弦量的两个要素,即最大值(或有效值)和初相位,角频率则无法体现出来。但是在分析正弦交流电时,正弦电源、电压和电流等均为同频率的正弦量,频率是已知或特定的,可不考虑,只要用相量求出最大值(或有效值)和初相位即可。按照各个同频率正弦量的大小和相位关系,在同一坐标中画出

63、它们对应的有向线段,这样的图形称为相量图。为了简便,常省去坐标轴,只画出代表实轴正方向的虚线。例例 3.2. 2 试画出以下两个正弦量的相量图:图 3.2. 3 正弦量 u 与 i 的相量注意:(1 )只有正弦周期量才能用相量表示。(2 )只有同频率的正弦量才能画在同一相量图上。由上可知,表示正弦量的相量有两种形式:相量图和复数式(即相量式)。以相量图为基础进行正弦量计算的方法称为相量图法;用复数表示正弦量来进行计算的方法称为相量的复数运算法。在分析正弦交流电路时,这两种方法都可以用。( 2 )用相量图求。在复平面上,复数用有向线段表示时,复数间的加、减运算满足平行四边形法则,那么正弦量的相量

64、加、减运算也满足该法则,因此还可用作图的方法,即用相量图法求出,其相量图如图 3. 2. 4 所示。根据总电压 的长度 U 和它与实轴的夹角 0 ,可写出 u的瞬时值表达式:图 3.2. 4 例 3. 2. 3 的相量图为了简便计算,以后在画相量图时,复平面上的“ +1 ”和“+j”以及坐标轴均可省去不画。应该指出,正弦量是时间的实函数,正弦量的复数形式和相量图表示只是一种数学手段,目的是简化运算,正弦量既不是复数,又与空间矢量有本质的区别。3. 3 电阻、电阻、 电感、电感、 电容在交流电容在交流电路中的特征方程及功率电路中的特征方程及功率电路中的参数一般有电阻 R 、电感 L 和电容 C

65、三种。任何一个实际的电路元件,这三种参数都有。所谓单一参数,是指忽略其他两种参数的理想化元件,学会分析单一参数元件(电阻 R 、电感 L 、电容 C )电路后,实际的电路元件就可以看成由单一参数元件串、并联而成。3. 1. 1 纯电阻元件纯电阻元件对于一个负载,若只考虑其电阻性质,而忽略其他性质,则称为纯电阻元件,其电阻阻值 R 的计算式为式中, 为电阻系数或称电阻率,单位为( mm2 )/m ; l 为导体长度,单位为 m ; S 为导体截面积,单位为 mm2 ;电阻的单位为欧姆( )或千欧( k )等。若正弦交流电源接入的负载为纯电阻元件,则所形成的电路称为纯电阻电路。1. 伏安关系伏安关

66、系对于电阻来说,当电压与电流的参考方向如图 3.3. 1 ( a )所示时,则电压和电流之间符合欧姆定律 u = Ri 图 3.3. 1 电阻元件的正弦交流电路2. 功率问题功率问题1 )瞬时功率在任意时刻,电压的瞬时值 u 和电流的瞬时值 i 的乘积,称为该元件的瞬时功率,用小写字母 p 表示,则3. 3. 2 纯电感元件纯电感元件一个直流铜阻 R 很小的空心线圈可视为理想的电感 L 。若元件在电路中没有电阻和电容方面的效应,只有电感效应,则该元件称为纯电感元件。其电感量的大小计算式为式中, 为介质的磁导率,单位为 H/ m ; N 为线圈匝数; S 为横截面积,单位为 mm2 ;l 为线圈

67、长度,单位为 m ;电感的单位为亨利( H )或毫亨( mH )。1. 伏安关系伏安关系当电压与电流的参考方向如图 3.3. 2 ( a )所示,则电压和电流之间的关系为若设电流 i = I m sin t 为参考正弦量,则图 3.3. 2 电感元件的正弦交流电路由此可知:(1 ) u 是与 i 同频的正弦量。(2 )在相位上, u 超前 i 相位角 90 。(3 )在数值的大小上, u 与 i 的有效值(或最大值)间受 L 的约束,表示为我们称 L 为感抗,用 X L 表示,单位为欧姆( )。它体现的是电感对交流电的阻碍作用。感抗 X L 与电感量 L 和频率 f 成正比。 L 一定时, f

68、 越高, X L 越大; f 越低, X L 越小;当 f 减小为零,即为直流时, X L 等于零,即电感对直流可视为短路。由此可见,电感具有“通直流,阻交流”和“通低频,阻高频”的作用。(4 ) u 与 i 的波形如图 3. 3. 2 ( b )所示。(5 ) u 与 i 的伏安关系的相量形式为( 6 ) u 与 i 的相量图如图 3. 3. 2 ( c )所示。2. 功率问题功率问题1 )瞬时功率由瞬时功率的定义可得由式( 3. 3. 12 )可见, p 是一个幅值为 UI ,并以 2 的角频率随时间而变化的交变量,其波形如图 3.3. 2 ( d )所示。将电压 u 和电流 i 每个周期

69、的变化过程分成四个 1 / 4 周期:在第一和第三个 1 / 4 周期,电感中的电流在增大,磁场在增强,电感从电源吸取能量,并将之储存起来, p 为正;在第二和第四个 1 / 4 周期,电感中的电流在减小,磁场在减弱,电感将储存的磁场能量释放出来,归还给电源, p 为负。可以看出,理想电感 L 在正弦交流电源的作用下,不断地与电源进行能量交换,但不消耗能量。2 )平均功率瞬时功率 p 在一周期内的平均值即为平均功率,则说明纯电感元件在正弦交流电路中是不消耗电能的3 )无功功率电感本身并不消耗能量,但要和电源进行能量交换,是储能元件。为了反映能量交换的规模,用 u 与 i 的有效值乘积来衡量,称

70、为电感的无功功率,用 Q L表示,则为了与有功功率区别,无功功率的单位为乏( Var )或千乏( kVar )。3. 3. 3 纯电容元件纯电容元件两个导体中间用电介质隔开就构成电容器,其容量大小的计算式为式中, 为电介质的介电常数;S 为极板面积; d 为极板间的距离。电容器容量的单位为法拉(F )、微法( F )或皮法(pF)。若正弦交流电源接入的负载为纯电容元件,则所形成的电路称为纯电容电路。1. 伏安关系伏安关系电容是一种聚集电荷的元件,它所带的电荷量 q 与电压 U 有关,即q = Cu式中, C 是电容量。如图 3.3. 3 ( a )所示,对于电容来说,电压和电流之间的关系为由此

71、可知:(1 ) u 是与 i 同频的正弦量。(2 )在相位上, i 超前 u 相位角 90 。(3 )在数值的大小上, u 与 i 的有效值(或最大值)受容抗 1 /( C )的约束,表示为我们称 1 /( C )为容抗,用 X C 表示,单位为欧姆( )。它体现的是电容对交流电的阻碍作用。容抗 X C 与电容量 C 和频率 f 成反比。 C 一定时, f 越高, X C 越小; f 越低, X C 越大;当 f 减小为零,即为直流时, X C 趋于无穷大,即电容对直流可视为断路。由此可见,电容具有“通交流,阻直流”和“通高频,阻低频”的作用。(4 ) u 与 i 的波形如图 3. 3. 3

72、( b )所示。图 3.3. 3 电容元件的正弦交流电路(5 ) u 与 i 的伏安关系的相量形式为( 6 ) u 与 i 的相量图如图 3. 3. 3 ( c )所示。2. 功率问题功率问题1 )瞬时功率由瞬时功率的定义可得由式( 3. 3. 20 )可见, p 是一个幅值为 UI ,并以 2 的角频率随时间而变化的交变量,其波形如图 3.3. 3 ( d )所示。2 )平均功率。瞬时功率 p 在一周期内的平均值即为平均功率,则电容本身并未消耗能量,但要和电源进行能量交换,是储能元件。3 )无功功率为了反映能量交换的规模,用 u 的有效值与 i 的有效值的乘积来衡量,称为电容的无功功率,用

73、Q C 表示,则其单位为乏( Var )或千乏(kVar )。储能元件(L 或 C )虽本身不消耗能量,但需占用电源容量并与之进行能量交换,对电源是一种负担。例例 3.3. 3 把一个电容量 C =4. 75 F 的电容器接到交流电源上,电容器的端电压 u =220sin314 t V ,电路如图 3. 3. 3 ( a )所示。试求:(1 )容抗 X C ;(2 )电容通过的电流有效值 I C ;(3 )电容中电流的瞬时值 I C ;(4 )电容的有功功率 P C 和无功功率 Q C 。解解 ( 1 )容抗:(2 )电流有效值:3. 4 电阻、电阻、 电感与电容串联的交电感与电容串联的交流电

74、路流电路RLC 串联电路是指由电阻 R 、电感 L 和电容 C 串联而成的电路,如图 3. 4. 1 ( a )所示。因为是串联电路,所以通过各元件的电流相同,设电流 i = I m sin t 。电流与各个电压的参考方向如图 3.4. 1 所示。3. 4. 1 电压与电流的关系电压与电流的关系根据基尔霍夫电压定律可知各元件上电压和电流之间的关系用相量表示,分别为原电路对应的相量模型如图 3. 4. 1 ( b )所示,总电压相量等于串联电路各元器件上电压相量之和,即 称为串联电路的复阻抗,单位为欧姆( )。图 3.4. 1 RLC 串联电路由此可知, RLC 串联电路总的复阻抗应为复阻抗的模

75、为它体现了电压 u 的有效值和电流 i 的有效值之间的约束关系。复阻抗的辐角为它表示了电压 u 和电流 i 的相位关系。由此可知,复阻抗的模 | Z | 、实部 R 、虚部电抗 X 三者构成一直角三角形,称为阻抗三角形,如图 3.4. 2 所示。图 3.4. 2 阻抗、电压和功率三角形(3 )若 X L - X C =0 ,则 u - i =0 ,此时电压和电流同相,电路呈电阻性。可见,采用相量的复数运算法对 RLC 串联电路进行分析计算时,可同时确定电压和电流之间有效值(幅值)和相位上的关系并判断该电路的性质。图 3.4. 3 例 3. 4. 1 电路图解解 ( 1 )当输入直流电压时, L

76、 可视为短路,此时可求得电阻阻值为当 u 为交流电压时,可求得电路阻抗模,即图 3.4. 4 例 3. 4. 1 相量图3. 4. 2 电路中的功率电路中的功率由式(3. 4. 6 )可见, p 是一个常量与一个正弦量的叠加。2. 平均功率平均功率平均功率又称有功功率,它是指电阻消耗的功率。由平均功率的定义,得由图 3. 4. 2 所示的电压三角形可知平均功率还可表示为3. 无功功率无功功率电路中电感和电容都要与电源之间进行能量交换,因此相应的无功功率为这两个元件共同作用形成的,考虑到相位相反,则4. 视在功率视在功率电压的有效值 U 和电流的有效值 I 的乘积称为视在功率,用 S 表示,即视

77、在功率的单位是伏安( V A )或千伏安(kV A ),以区别于平均功率和无功功率。5. 功率三角形功率三角形将电压三角形的各边乘以电流 I 即成为功率三角形,如图 3.4. 2 所示。功率三角形的各个变量的计算式为功率三角形与阻抗三角形、电压三角形是相似三角形。6. 功率因数功率因数功率因数 cos的大小等于有功功率与视在功率的比值,在电工技术中,一般用 表示,即例例 3. 4. 2 在图 3. 4. 1 所示的 RLC 串联电路中,已知 R =30 , X L =120 , X C =80 ,u =220 sin ( 314 t +30 ) V 。试求:(1 )电路的电流 i ;(2 )各

78、元件电压 u R 、 u L 、 u C ,画出相量图。图 3.4. 5 例 3. 4. 2 相量图3. 5 正弦交流电路的一般分析方正弦交流电路的一般分析方法法3. 5. 1 3. 5. 1 相量形式的基尔霍夫定律相量形式的基尔霍夫定律基尔霍夫电流定律( KCL )指出,在任意时刻,流出(流入)某一节点的所有支路电流的代数和为零。对于正弦交流电路,则可以表示为式中, n 为对应节点的支路个数,i k 为对应第 k 条支路的电流。在正弦电路中,各支路电流都是同频率的正弦量,只是幅值和初相位不同。根据复数的运算规则,可得到 KCL 的相量表达形式为式(3. 5. 1 )说明,在正弦电路中,流出(

79、流入)某一节点的各支路电流相量的代数和为零。但是,流出(流入)某一节点的各支路电流的有效值(幅值)的和一般不满足 KCL 。同理,基尔霍夫电压定律( KVL )指出,正弦电路中的任意回路,沿任意循线方向绕行一周,回路中所有元件的电压相量的代数和为零。 KVL 的相量表达形式为3. 5. 2 阻抗的串联与并联阻抗的串联与并联1. 阻抗串联电路阻抗串联电路图 3.5. 1 阻抗串联电路2. 阻抗并联电路阻抗并联电路图 3.5. 2 阻抗并联电路例例 3.5. 1 图 3. 5. 3 所示电路中,已知 R 1 =5 , R 2 =3 , X L =4 , X C =4 ,图 3.5. 3 例 3.

80、5. 1 电路图解解 若记 Z 1 =-j4 , Z 2 =3+j4 ,则由图 3.5. 3 知, Z 1 与 Z 2 并联,由分流公式有由以上分析与计算可以推证,在正弦交流电路中,当电压和电流用相量表示、阻抗为复数形式时,不仅其串、并联电路的运算类似于直流电路,即使对于复杂交流电路,第 2 章所介绍的电路基本定律与分析方法也是适用的。需要注意的是,这些电路基本定律应该以相量式的形式表达,而在计算过程中则进行的是复数运算。3. 5. 3 应用举例应用举例对于混联交流电路的分析方法有两种:一种是借助于相量图的分析与计算,另一种是完全用复数来运算。前者只对参数已知、相位角度特殊的一部分电路适用,而

81、后者则为普遍适用的基本方法。下面通过举例介绍其分析及计算。例例 3.5. 2 图 3. 5. 4 ( a )所示电路中,已知 U =100V , f =50Hz , I 1 = I 2 = I 3 , P =866W ,求 R 、 L 、 C 。图 3.5. 4 例 3. 5. 2 电路图例例 3.5. 3 图 3. 5. 5 所示电路中,已知 R 1 =1k , R 2 =3k , L =1H , C =0. 1 F ,u S ( t ) =10 2sin5000 t V ,求电流 i ( t )、 i L ( t )和 i C ( t )。图 3.5. 5 例 3. 5. 3 电路图则所以

82、3. 6 电路的谐振及应用电路的谐振及应用3. 6. 1 3. 6. 1 串联谐振及应用串联谐振及应用在交流电路中,当电压和电流同相,即电路的性质为电阻性时,就称此电路发生了谐振。1. 谐振条件和谐振频率谐振条件和谐振频率如图 3.4. 1 所示的 RLC 串联电路中,根据谐振的概念可知,谐振时该电路的复阻抗为其虚部为零,即这就是 RLC 串联电路的谐振条件。由式( 3.6. 1 )可得谐振时的谐振角频率 0 和谐振频率 f 0分别为2. 串联谐振电路的特点串联谐振电路的特点(1 )谐振时,串联电路有最小的纯阻性阻抗。 RLC 串联电路的阻抗为( 2 )谐振时,串联电路有最大的谐振电流,即(

83、3 )谐振时,因 X L 0 = X C 0 ,使即电感和电容上的电压相量等值反相;电路的总电压等于电阻上的电压,即如图 3. 6. 1 所示。图 3.6. 1 串联谐振相量图串联谐振时,电感(或电容)上的电压与电阻上的电压的比值通常用 Q 表示,即Q 称为电路的品质因数。一般 Q 远远大于 1 ,在高频电路中可达几百。因此,串联谐振时,电感(或电容)上的电压远大于电路的总电压(或电阻上的电压),即故串联谐振又称电压谐振。串联谐振在无线电中应用十分广泛。如调谐选频电路,可以通过调节 C (或 L )的参数,使电路谐振于某一频率,使这一频率的信号被接收,而其他信号被抑制。但电气工程上,一般要防止

84、产生电压谐振,因为电压谐振时产生的高电压和大电流会损坏电气设备。例例 3.6. 1 在 RLC 串联谐振电路中, L =2mH , C =5 F ,品质因数 Q =100 ,交流电压的有效值为 U =6V 。试求:(1 ) f 0 ;(2 ) I 0 ;(3 ) U L 0 、 U C 0 。3. 6. 2 并联谐振及应用并联谐振及应用发生在并联电路中的谐振称为并联谐振。1. 谐振条件和谐振频率谐振条件和谐振频率在实际工程电路中,最常见的、应用最广泛的是由电感线圈和电容器并联而成的谐振电路,如图 3.6. 2 ( a )所示。电路的等效阻抗 Z 为图 3.6. 2 RLC 并联电路通常电感线圈

85、的电阻很小,所以一般在谐振时 L R ,式( 3. 6. 8 )可表示为谐振的条件是端口的电压与电流同相位,即复阻抗 Z 的虚部为零,由此可得并联谐振的条件与谐振的频率。谐振的条件为谐振的频率(与串联谐振近似相等)为2. 并联谐振电路的特点并联谐振电路的特点(1 )谐振时,并联电路阻抗达到最大值,电流为最小值。此时有在电源电压一定的情况下,电路的电流 I 在谐振时最小。此时有( 2 )电路对电源呈电阻性。(3 )谐振时,支路电流为总电流的 Q 倍,即 I L = I C = QI 。 Q 是品质因数,定义为因此,并联谐振又叫做电流谐振。 RLC 并联谐振电路在无线电技术中有着广泛的应用,是各种

86、谐振器和滤波器的重要组成部分。3. 7 功率因数的提高功率因数的提高3. 7. 1 3. 7. 1 提高功率因数的意义提高功率因数的意义由于功率因数 cos = P / S ,因此提高功率因数即提高电源容量的利用率,亦即使发电设备的容量得以充分利用,或减小电源与负载间的无功互换规模。例如,电磁镇流式的日光灯,cos =0.5 (电感性),若不提高线路的功率因数,其与电源间的无功互换规模就达 50% 。另一方面,此种无功互换虽不直接消耗电源能量,但在远距离的输电线路上必将产生功率损耗,即 P = rI2 =r ( P / U cos )2 ,其中 r 可认为是线路及发电机绕组的内阻。因此,提高

87、cos 可同时减小线损与发电机内耗。从实质上讲,有功功率的利用取决于用户,如果用户不考虑 cos 的大小,势必造成“大马拉小车”的后果,所以这里还蕴含着用户能否顾全大局的深刻意义。3. 7. 2 提高功率因数的理论方法提高功率因数的理论方法提高功率因数的首要任务是减小电源与负载间的无功互换规模,而不改变原负载的工作状态。因此,电感性负载需并联电容性元件去补偿其无功功率;电容性负载则需并联电感性元件补偿。一般企业大多数为电感性负载,下面以电感性负载并联电容元件为例,分析提高功率因数的过程。图 3.7. 1 提高功率因数示意图3. 7. 3 提高功率因数的工程应用提高功率因数的工程应用下面介绍提高

88、功率因数与需要并联电容的电容量间的关系,由图 3.7. 1 ( b )中的无功分量可得到又因故例例 3.7. 1 某学校有 1000 只 220V 、 40W 的日光灯,采用电磁整流器,本身功耗为 8W ,其功率因数 cos =0.5 ,若改用 cos =0.95 的电子式镇流器,功耗为 0. 1W ,线路电流可减小多少? 仅此一项可使变压器的输出功率减少多少?3. 8 日日 光光 灯灯 电电 路路图 3.8. 1 所示为由两线镇流器构成的日光灯电路。这是一种最基本的日光灯电路,应用范围相当广泛,大部分日光灯均采用该电路。安装好的日光灯外形如图 3.8. 2 所示。图 3.8. 1 日光灯电路

89、示意图当接通电源开关 S 以后,电源开关 S 、灯管、镇流器构成串联电路连接在 220V 交流电的两端,启辉器并联在灯管两端。当接通 S 时, 220V 交流电加到启辉器的 U 形双金属片和静触头之间,引起辉光放电。放电时,产生的热量使双金属片膨胀,并向外伸张,与静触头接触,接通电路,使灯丝受热并发射出电子。与此同时,由于双金属片与静触头接触而停止辉光放电,使双金属片逐渐冷却并向内弯曲,脱离静触头。在静触头断开的瞬间,在镇流器两端会产生一个比电源电压高得多的感应电动势。这个感应电动势加在灯管两端,使大量电子从灯管中流过。电子在运动中冲击管内的气体,发出肉眼看不见的紫外线。紫外线激发灯管内壁的荧

90、光粉后,发出了近似于日光的可见光。图 3.8. 2 所示的日光灯主要由灯管、启辉器和镇流器构成。其各件结构及作用如下所述。图 3.8. 2 日光灯组成结构及外形示意图1. 灯管灯管日光灯管主要由灯丝、灯头、玻璃管等构成。灯管内壁涂有一层荧光粉(有毒的金属盐),灯管两端各有一个灯丝,灯丝由钨丝构成,用以发射电子。灯管内在真空情况下充有一定量的氩气与少量的汞(水银)。2. 启辉器启辉器启辉器主要由氖泡、电容器、电极及外壳等组成。氖泡为充有氖气的玻璃泡,其内装有由U 形金属片静触头组成的两个电极,其间留有很小的间隙。电容器 C 的电容量约为 0. 0060. 007 F ,用以消除 U 形双金属片脱

91、离静触头时发生的火花,并避免荧光灯对收音机和电视机的干扰。3. 镇流器镇流器镇流器主要由铁芯和线圈组成。镇流器是一只绕在硅钢片铁芯上的电感线圈。它有两个作用:在启动时,与启辉器配合,产生瞬时高电压,促使灯管放电;在工作时,起限制灯管中电流的作用。习习 题题 33. 1 已知某一元件的电压、电流(关联方向)分别为下述三种情况时,它可能是什么元件? 试求元件的阻抗。3. 2 题 3. 2 图所示为一交流电路元件,已知当元件为以下情况时,分别求并画出电压、电流的相量图。(1 )纯电阻 R =100 ;(2 )纯电感 L =319mH ;(3 )纯电容 C =31. 8 F 。题 3.2 图3. 3

92、电路如题 3. 3 图所示,已知 R =30 , C =25 F ,且 i S =10sin ( 1000 t -30 ) A 。题 3.3 图3. 4 题 3. 4 图所示电路中,已知 R =5 , X C 0 =10 , X L =5 , A 1 的读数为 10A , V 1的读数为 100V ,试求 A 0 与 V 0 的读数。 题 3.4 图3. 5 题 3. 5 图所示电路中,试确定阻抗 Z 的性质。题 3.5 图3. 6 题 3. 6 图所示的电路中,已知输出电压 R =30 , C =100 F ,用相量法求电源电压 u 1的瞬时值表达式,并画出的相量图。题 3.6 图3. 7

93、题 3. 7 图所示的 RLC 串联电路中,已知 ( 314 t -20 ) V , R =30 ,L =217mH , C =400 F 。 (1 )计算感抗、容抗及总阻抗;(2 )计算电流的有效值 I 及瞬时值 i ;(3 )计算 U R 、 U L 、 U C 及 u R 、 u L 、 u C ;(4 )画出相量图;(5 )计算 P 及 Q 。题 3.7 图3. 8 题 3. 8 图所示的电路中,已知 R =2 , X C =2 , X L =2 ,求 题 3.8 图3. 9 题 3. 9 图所示电路中,已知 U =220V , R 1 =10 ,电流 I 1 、 I 2 、 I 及平

94、均功率。 题 3.9 图3. 10 在题 3. 10 图所示的电路中,已知 R 1 =10 , R 2 =20 , X L 1 =2 , X L 2 =6 ,题 3.10 图3. 11 题 3. 11 图所示电路中,电压 u =220 sin314 t V , RL 支路的平均功率为 40 W ,功率因数 cos 1 =0.5 ,为提高电路的功率因数,并联电容 C =5. 1 F ,求电容并联前、后电路的总电流。题 3.11 图3. 12 收音机的调谐电路如题 3. 12 图所示,利用改变电容 C 的值使电路谐振以达到选台的目的。已知 L 1 =0.3mH ,可变电容 C 的变化范围为 720

95、pF , C 1 为微调电容,是为调整波段覆盖范围而设置的,设 C =20pF ,试求该收音机的波段覆盖范围。题 3.12 图3. 13 一个线圈接在 50Hz 、 220V 的交流电源上,测得的功率为 20 W ,电流为 0. 5A 。线圈的等效电路可以看成是 R 和 L 串联而成,求 R 和 L 3. 14 题 3. 14 图所示电路中,已知输入电压 u 1 = ( 6+ sin6280 t ) V ,若 R 远大于 X C ,求输出电压 u 2 。题 3.14 图3. 15 RLC 串联电路中,已知 R =11 , L =0. 015H , C =70 F ,外加电压为 u ( t )

96、=(11+100 sin1000 t -250 2sin2000 t ) V ,求电路中的电流 i ( t )。第4 章三相交流电路4. 1 三相交流电三相交流电源源4. 2 负载的星形连负载的星形连接接4. 3 负载三角形连负载三角形连接接4. 4 三相电路的功率计三相电路的功率计算算4. 5 安全用安全用电电习习题题 44. 1 三相交流电源三相交流电源4. 1. 1 三相交流电源的产生三相交流电源是由三相发电机产生的,一台三相交流发电机的示意图如图 4.1. 1 所示。图 4.1. 1 三相交流发电机示意图若以图 4.1. 1中 U 相(位于磁场为零的中性面上)为参考,规定其参考方向为末

97、端指向首端,则可以证明这种幅值相等、频率相同且相位互差 120 的三相电源称为三相对称电源,如图 4. 1. 2 所示。三相交流电到达正最大值的顺序称为相序。上述的三相电源的相序为 UVW 。工程中,规定各相用不同的颜色加以区别。 U 用黄色标记, V 用绿色标记, W 用红色标记。图 4.1. 2 三相对称电源的波形若以有效值相量表示,则为其相量图如图 4.1. 3 所示。可以得图 4.1. 3 三相对称电动势相量图4. 1. 2 三相交流电源的连接三相交流电源的连接三相交流发电机绕组的连接方式有两种:星形连接和三角形连接。较为常见的是星形接法的三相四线制供电系统,即三个末端 U 2 、 V

98、 2 、 W 2 连在一起,三个首端 U 1 、 V 1 、 W 1 连同末端连接点 N 引出,如图 4.1. 4 所示。图 4.1. 4 三相电源的星形连接图 4.1. 4 中由中性点引出的导线称为中性线或零线,中性线接地,又称地线,用黑色标记。从 U 、 V 、 W 端引出的导线称为相线,俗称火线。这种连接方式的优点主要有:可以提供两种电压;各相绕组承压低;空载时发电机无内耗等。所谓两种电压指相电压和线电压。每相绕组的端电压称为相电压,其有效值记为 U p ;任意两条相线间电压称为线电压,其有效值记为 U l 。各电压的参考方向如图 4.1. 4 所示,应用 KVL ,可得线电压与相电压之

99、间的关系为忽略发电机内阻抗上的电压降,则相电压基本上等于电源的电动势,故线电压与相电压间的相量关系如图 4.1. 5 所示。图 4.1. 5 线电压与相电压间关系相量图可见,三相电源的线电压也是对称的,其在相位上领先于相应的相电压 30 ,且由其几何关系可得三根相线和一根中性线都引出的供电方式称为三相四线制供电方式,我国的低压配电系统大都采用三相四线制。相电压为 220V 时,线电压为 380V ;线电压为 220V 时,相电压为127V ,这是常用的两种电压模式。4. 2 负载的星形连接负载的星形连接三相负载的连接方式有两种,即星形连接( Y 连接)和三角形连接( 连接),依电源额定电压与负

100、载的实际情况,两种连接方式都较常用。至于采用哪种方法,要根据负载的额定电压和电源电压确定。在将三相负载连接到电源上的时候要遵循以下原则:(1 )电源提供的电压 = 负载的额定电压;(2 )单相负载尽量均衡地分配到三相电源上。图 4.2. 1 所示的是三相四线制电路,设其线电压为 380V 。负载如何连接,应视其额定电压而定。通常电灯(单相负载)的额定电压为 220V ,因此要接在相线与中性线之间。电灯负载是大量使用的,不能集中接在一相中,从总的线路来说,它们应当比较均匀地分配在各相之中,如图 4.2. 1 所示。电灯的这种连接方法称为星形连接。至于其他单相负载(如单相电动机、电炉、继电器吸合线

101、圈等)该接在相线之间还是相线与中性线之间,应视额定电压是 380V 还是 220V 而定。如果负载的额定电压不等于电源电压,则需用变压器。例如,机床照明灯的额定电压为 36V ,就要用一个 380 / 36V 的降压变压器。三相电动机的三个接线端总是与电源的三根相线相连。但电动机本身的三相绕组可以连成星形或三角形。它的连接方法在铭牌上标出,例如 380VY 形连接或 380V 形连接。图 4.2. 1 电灯与电机的星形连接4. 2. 1 负载星形连接电路的电压负载星形连接电路的电压电流关系电流关系负载星形连接的三相四线制电路如图 4.2. 2 所示,三相负载分别为 Z U 、 Z V 、 Z

102、W 。由于中性线的存在,负载的相电压即为电源的相电压,且流过每相负载的电流亦即相线中的电流,分别为根据 KCL ,中性线电流为图 4.2. 2 三相四线制电路1. 负载对称负载对称所谓对称负载,即三相负载的阻抗模和阻抗角完全相同,即设 0 ,其电流相量图如图 4.2. 3 所示。图 4.2. 3 负载对称时的相量图2. 负载不对称负载不对称三相负载不完全相同时,称为不对称负载。若中性线牢固,则每个单相满足式(4. 2. 1 ),显然,三个电流不再对称,且此时中性线不可省去。例例 4.2. 2 在图 4. 2. 4 ( a )的电路中, U l =380V ,三相电源对称, R U =11 ,

103、R V = R W =22 。求负载的相电流与中性线电流。图 4.2. 4 例 4. 2. 2 的电路图和相量图4. 2. 2 负载星形连接电路的故障负载星形连接电路的故障分析分析下面通过几个例题来说明星形连接电路的故障分析方法。例例 4.2. 3 在图 4. 2. 5 中,电源电压对称,每相电压 U p =220V ;负载为白炽灯组,在额定电压下其电阻分别为 R 1 =5 , R 2 =10 , R 3 =20 。试求下列两种情况下各相负载上的电压。(1 ) L 1 相短路时;(2 ) L 1 相短路而中性线又断开时(图 4. 2. 6 )。图 4.2. 5 例 4. 2. 3 的电路2.

104、6 L 1 相短路、中性线断开解解 ( 1 )此时 L1 相短路电流很大,将 L1 相中的熔断器熔断,而 L 2 相和 L 3 相未受影响,其相电压仍为 220V 。(2 )此时负载中性点 N 即为L1 ,因此各相负载电压为在这种情况下, L 2 相和 L 3 相的电灯组上所加的电压都超过电灯的额定电压( 220V ),这是不容许的。例 4.2. 4 在例 4. 2. 3 中,试求下列两种情况下各相负载上的电压。(1 ) L1 相断开时;(2 ) L1 相断开而中性线也断开时(图 4. 2. 7 )。图 4.2. 7 L 1 相断开、中性线断开解解 ( 1 )此时, L2 相和 L 3 相未受

105、影响,其相电压仍为 220V 。(2 )这时电路已成为单相电路,即 L 2 相的电灯组和 L 3 相的电灯组串联,接在线电压U 23 =380V 的电源上,两相电流相同。至于两相电压如何分配,决定于两相的电灯组电阻值。如果 L 2 相的电阻比 L 3相的电阻小,则其相电压低于电灯的额定电压,而 L 3 相 的 电 压 可 能 高 于 电 灯 的 额 定 电 压,这 是 不容许的。从上面所举的几个例题可以看出:(1 )负载不对称而又没有中性线时,负载的相电压就不对称。当负载的相电压不对称时,势必引起有的相的电压过高,高于负载的额定电压;有的相的电压过低,低于负载的额定电压。这都是不容许的。(2

106、)中性线的作用就在于使星形连接的不对称负载的相电压对称。为了保证负载的相电压对称,就不应让中性线断开。因此,中性线(指干线)内不接入熔断器或闸刀开关。4. 3 负载三角形连接负载三角形连接负载作三角形连接的三相电路如图 4.3. 1 所示。电压与电流的参考方向如图 4. 3. 1 中所示,可见,三相负载的电压即为电源的线电压,且无论负载对称与否,电压总是对称的,即图 4.3. 1 负载的三角形连接根据 KCL ,三个负载电流(相电流)与三条端线中的电流(线电流)的关系应为1. 负载对称负载对称三相负载对称时, Z U = Z V = Z W =| Z | ,则三个相电流为三个相电流是对称的,相

107、位互差 120 。以为参考相量,则三个线电流相量图如图 4.3. 2 所示,它们也是对称的。线电流比相电流滞后 30 ,且图 4.3. 2 相电流与线电流间的关系2. 负载不对称负载不对称负载不对称时,三个相电压依然对称,但是三个相电流因阻抗不等而不对称,线电流也是不对称的。由上述可知,负载三角形接法时电压与电流的关系如表 4.3. 1 所示。4. 4 三相电路的功率计算三相电路的功率计算三相电路的有功功率为各相有功功率之和,即当三相负载对称时,有式中, 是负载相电压与相电流间的相位差,即负载的阻抗角。一般为了方便起见,常用线电压与线电流计算三相对称负载的有功功率。无论是星形连接,还是三角形连

108、接的对称负载,都有所以式( 4.4. 2 )常表示为同理,三相对称负载的无功功率为三相对称负载的视在功率为例例 4. 4. 1 某三相对称负载 Z =6+j8 ,接于线电压 U l =380V 的三相对称电源上。求:(1 )负载星形连接时的有功功率;(2 )负载三角形连接时的有功功率。另外, U l 一定时,同一负载接成星形连接时的功率 P Y 与接成三角形连接时的功率 P 有如下关系:4. 5 安安 全全 用用 电电4. 5. 1 4. 5. 1 电流对人体的危害电流对人体的危害通过人体的电流一般不能超过 710mA ,有的人对 5mA 的电流就有感觉,当通过人体的电流在 30mA 以上时,

109、就有生命危险。 36V 以下的电压,一般不会在人体中产生超过30mA 的电流,故把 36V 以下的电压称为安全电压。当然,触电的后果还与触电持续时间及触电部位有关,触电时间越长越危险。4. 5. 2 触电的方式触电的方式常见的触电方式如图 4.5. 1 所示,其中图 4. 5. 1 ( a )为双相触电,是最危险的触电方式,人体将直接承受电源线电压。图 4.5. 1 ( b )所示为典型的单相触电,人体承受电源的相电压,也是很危险的,即使电源的中性点不接地,因为导线与大地之间存在分布电容,也会有电流经人体与另外两相构成通路,如图 4.5. 1 ( c )所示,在高压输电线路中,其足以危及人身安

110、全,也是很危险的。图 4.5. 1 常见的触电方式4. 5. 3 工程应用中设备的接地与工程应用中设备的接地与接零接零为了防止触电事故的发生,需要采取的预防措施主要有接地保护和接零保护。1. 接地保护接地保护对中性点不接地的供电系统,将电气设备的外壳用足够粗的导线与接地体可靠连接,称为接地保护,如图 4.5. 2 所示。当电动机的某相绕组因绝缘损坏而与外壳相碰时,由于其外壳与大地有良好接触,所以人体触及带电的外壳时,仅仅相当于一条电阻很大的(大于 1k )与接地体并联的支路,而接地体电阻 R 0 (规定不大于 4 )很小,人体中几乎无电流流过,避免了单相触电 的事故。图 4.5. 2 接地保护

111、2. 接零保护接零保护对中性点接地的供电系统,还需将电气设备的外壳与电源的中性线连接起来,这样的连接称为接零保护,如图 4.5. 3 所示。图 4.5. 3 接零保护接零保护还适用于三相五线制系统,第五条线(PE 线)也与中性线连接,但正常情况下无电流流过(不闭合)。只有相线与设备外壳接触时,才有电流流过,这不会导致人体触电,如图 4.5. 3 ( b )所示。这种系统比三相四线制系统更安全、更可靠,家用电器都应设置此种系统。金属外壳的单相电器,必须使用三孔插座和三级插头,也如图 4.5. 3 ( b )所示。由于外壳可靠接零,故可保证人体触及时不会触电。需要指出的是,中性点接地的供电系统,若

112、只采用接地保护不能可靠地防止触电事故,如图 4.5. 4 所示。当绝缘设备损坏时,接地电流 I e = U p /( R 0 + R0 ),其中 R 0 、R 0 分别为保护接地和工作接地的接地电阻。若 R 0 = R0 =4 ,则其对地电压为接地电流为若供电系统相电压为 220V ,则 I e =27.5A , U e =110V ,这对人体是极不安全的。3. 利用各种联锁、信号、标利用各种联锁、信号、标志防止触电志防止触电电气设备设置联锁环节,当设备的防护罩打开时,能自动切断连在其上的电源,防止触电。在危险场合设置信号,声、光报警,或“高压危险”等标志;在检修电路时,挂上“正在工作,请勿合

113、闸”等标志,作为警示。工程实际中为防止触电事故的发生应注意以下几点。(1 )对电力线路按有关规定进行严格的电气和机械强度的设计及施工验收,保证其对建筑物及大地的安全距离,避免人体触电。(2 )对人体经常接触的电气设备应尽量使用 36V 以下的安全电压。在潮湿和危险的环境下,应使用更低的 24V 或 12V 电压。(3 )对工作电压大于安全电压而人体又不可避免会触及的电气设备,如电动机等,必须采用接地保护或接零保护。4. 5. 4 电气火灾及防火措施电气火灾及防火措施工程上用电时,还有一类危险也必须要注意,那就是电气火灾。1. 电气火灾成因电气火灾成因电气火灾成因主要有以下几点。(1 )电路或电

114、气设备因受潮使其绝缘程度降低,造成漏电起火。(2 )电路过载甚至短路时,熔断器未起作用,造成线路和设备温度升高,使绝缘熔化燃烧。(3 )电气设备没按规定安装灭弧罩、防护板等造成电火花、电弧,引起周围易燃物燃烧。2. 防火措施防火措施常用的防火措施有以下几点。(1 )不私拉乱接电线,避免造成短路。(2 )保持必要的防火间距与良好的通风。(3 )有良好的过热、过电流保护,不随意增设用电设备,以免造成线路的过载运行。(4 )根据导线截面核算线路容量,配用熔断器。一般是根据导线的安全载流量 I a 配用熔断器电流 I RN ,且满足式 I a I RN I L ,其中 I L 是负载电流。若线路中某些

115、设备对电压的要求比较高,则按安全载流量选择了导线后,还要进行电压损失校验。3. 触电与电气火灾的急救措触电与电气火灾的急救措施施无论是触电还是电气火灾及其他电气事故,首先应切断电源。拉闸时要用绝缘工具,需切断电线时要用绝缘钳错位剪开,切不可同一位置剪,以免造成电源短路。对已脱离电源的触电者要用人工呼吸或胸外心脏挤压法进行现场抢救,以争取进医院抢救的时间,但千万不可打强心针。在发生火灾但不能及时断电的场合,应采用不导电的灭火剂(如四氯化碳、二氧化碳干粉等)带电灭火,切不可用水灭火。电气事故重在预防,一定要按照有关规程和规定办事,这样才能从根本上杜绝电气事故。习习 题题 44. 1 三相对称负载采

116、用星形连接的三相四线制电路,线电压为 380V ,每相负载 Z =(20+j15 ) ,试求各相电压、相电流和线电流的有效值,并画出相量图。若负载的连接方式为三角形连接,试求各相电压、相电流和线电流的有效值。4. 2 已知对称三相负载星形连接,每相阻抗 Z = ( 30. 8+j23. 1 ) ,电源的线电压 U l =380V ,求三相功率 S 、 P 、 Q 和功率因数 cos 。4. 3 有一台星形连接的发电机,相电流为 1380A ,线电压为 9300V ,功率因数为 0. 80 ,求此发电机提供的有功功率、无功功率和视在功率。4. 4 三相对称负载采用三角形连接,电源的线电压为 38

117、0V ,线电流为 20A ,三相总功率为 5kW ,求每相负载的电阻和感抗。4. 5 有一三相异步电动机,其绕组接成三角形,接在线电压 U l =380V 的电源上,从电源所取用的功率 P 1 =11.43kW ,功率因数 cos =0.87 ,试求电动机的相电流和线电流。4. 6 题 4. 6 图中所示电路的三相对称电源的线电压为 380V ,每相负载的电阻值分别为R U =10 , R V =20 , R W =40 。试求:(1 )各相电流及中线电流;(2 ) W 相开路时,各相负载的电压和电流;(3 ) W 相和中线均断开时,各相负载的电压和电流;(4 ) W 相短路且中线断开时,各相

118、负载的电压和电流。题 4.6 图4. 7 有一次某楼电灯发生故障,第二层楼和第三层楼的所有电灯突然都暗淡下来,而第一层楼的电灯亮度未变,试问这是什么原因? 这楼的电灯是如何连接的? 同时又发现第三层楼的电灯比第二层楼的还要暗些,这又是什么原因? 画出电路图。4. 8 有一台三相发电机,其绕组接成星形,每相额定电压为 220V 。在一次试验时,用电压表量得相电压 U 1 = U 2 = U 3 =220V ,而线电压则为 U 12 = U 31 =220V , U 23 =380V ,试问这种现象是如何造成的?4. 9 在题 4. 9 图所示的电路中,三相四线制电源电压为 380 / 220V

119、,接有对称星形连接的白炽灯负载,其总功率为 180W 。此外,在 L3 相上接有额定电压为 220V ,功率为 40W ,功率因数 cos =0.5 的日光灯一支,试求电流设 U 1 =2200V 。题 4.9 图4. 10 在线电压为 380V 的三相电源上,接两组电阻性对称负载,已知 R 1 =10 , R 2 =38 ,如题 4. 10 图所示,试求线电流 I。题 4.10 图4. 11 在题 4. 11 图中,电源线电压 U l =380V 。(1 )如果图中各相负载的阻抗模都等于 20 ,即 R = X L = X C =20 ,是否可以说负载是对称的?(2 )试求各相电流,并用电压

120、与电流的相量图计算中性线电流。如果中性线电流的参考方向选定的同电路图上所示的方向相反,则结果有何不同?(3 )试求三相平均功率 P 。题 4.11 图4. 12 在题 4. 12 图中,对称负载接成三角形,已知电源电压 U l =220V ,电流表读数I l =17. 3A ,三相功率 P =4. 5kW 。试求:(1 )每相负载的电阻和感抗;(2 )当 L 1 、 L 2 相断开时,图中各电流表的读数和总功率 P ;(3 )当 L 1 线断开时,图中各电流表的读数和总功率 P 。题 4.12 图第5 章一阶瞬态电路分析5. 1 瞬态电路的基本概念与换路定瞬态电路的基本概念与换路定则则5. 2

121、 瞬态电路的三要素分析瞬态电路的三要素分析法法5. 3 RC 瞬瞬态电态电路的路的应应用用5. 4 工程中对工程中对 RL 瞬态电瞬态电路路 “放放电电”的应对方的应对方法法5. 5 RC 电路的工程应电路的工程应用用习习题题 55. 1 瞬态电路的基本概念与换路瞬态电路的基本概念与换路定则定则5. 1. 1 5. 1. 1 瞬态电路的基本概念瞬态电路的基本概念1. 1. 电路中的瞬态过程电路中的瞬态过程自然界许多宏观事物的运动都存在由一个稳定状态向另一个稳定状态的过渡,这一过程称为过渡过程。有些事物的过渡过程历时很长,有些事物的过渡时间较短。电路中也存在这一现象。而电路中过渡过程用时很短,几

122、乎可以用“瞬间”来说明,因此把这一过程又称为电路的瞬态过程。处于瞬态过程的电路便是瞬态电路。电路的接通、断开、短路、电源或电路中参数的突然改变等称为换路,而电路中的瞬态过程发生在电路换路时。究其原因,是因为电路中有储能元件(电感或电容)的存在,而宏观能量是不能跃变的,即只能连续地变化。亦即储能元件所储存能量的连续性变化产生了电路中的瞬态过程。由于换路现象,而使得电路进入瞬态过程,其原因是由于电路中存在储能元件由于换路而发生的充、放电过程。可以说,当储能元件的充、放电过程结束时,则意味着电路的瞬态过程结束,重新进入新的稳定过程。研究电路瞬态过程中电压或电流随时间的变化规律 u (t )、 i (

123、 t )及瞬态过程时间的长短称为瞬态分析。需要注意的是,瞬态过程只是一个电路的一种状态。其电路响应是时刻变化的,不是稳定的、保持不变的。瞬态过程在日常的生活和工作中经常遇到,如电感镇流式荧光灯就是利用电感线圈在突然断电时产生的自感高压使荧光灯启辉的,电子时间继电器是利用电容充电或放电的快慢程度来控制延时时间的,电子技术中的波形变换也是利用了瞬态电路。然而在电力电路中的大部分情况下,瞬态过程会出现过电压或过电流现象,甚至会损坏电气设备,造成严重事故。因此,分析电路的瞬态过程,目的在于掌握规律以便在工作中用其“利”,克其“弊”。2. 瞬态过程的研究方法瞬态过程的研究方法只含有一个储能元件或可等效为

124、一个储能元件的线性电路,其瞬态过程可以用一阶微分方程描述,这种电路称为一阶电路。在瞬态过程分析中,由于电容元件和电感元件的伏安特性是微分或积分关系,所得到的电路方程是以电压、电流为变量的微分方程。对于一阶线性电路可以不必求解微分方程而利用所谓三要素进行求解,称为三要素法。5. 1. 2 换路定则与初始值计算换路定则与初始值计算由于电路换路时,电路中的能量发生变化,这种变化只能是渐变的,而不能是跃变的,否则将使功率达到无穷大,这在实际中显然是不可能的。换路时电容和电感储存的能量不能跃变,所以电容电压 u C 和电感电流 i L 只能连续变化,一般也不能跃变。设 t =0 为换路瞬间,则 t =0

125、 - 为换路瞬间前, t =0 + 便为换路瞬间后,而 t 则表示电路重新处于稳定状态了。 从 0 - 到 0 + 的换路瞬间,电容元件上的电压和电感元件中的电流不能跃变,是连续变化的,所以有这就是换路定则。它适用的前提条件分别是在换路瞬间,电容中的电流 iC 有限,电感中的电压 u L 有限,而这一条件在一般实际情况下都是满足的。需要注意的是,在任何时刻,电路中的电学量都必须遵守基尔霍夫定律( KCL 和 KVL ),同时,各电路元件的伏安特性也依然成立。在换路瞬间,对于电容元件而言,其电压不能跃变,但其电流可以跃变;对于电感元件而言,其电流不能跃变,但电压可以跃变。换句话说,在换路瞬间,除

126、 u C 和 iL 外的其他电学量仍然满足基尔霍夫定律。换路定则仅适用于换路瞬间。可以根据换路定则来确定 t =0 + 时电路中电压和电流之值,即瞬态过程的初始值。确定各个电压和电流的初始值可先由 t =0 - 的电路求出 iL ( 0 - )或u C ( 0 - ),而后由 t =0 + 的电路在已求得的 i L ( 0 + )或 u C ( 0 + )的条件下求其他电压和电流的初始值。在换路前,如果储能元件没有储能,那么在换路瞬间, u C (0 +) = u C ( 0 -) =0 ,电容相当于短路; iL ( 0 + ) = i L ( 0 -) =0 ,电感相当于开路。例例 5.1.

127、 1 如图 5. 1. 1 所示, t =0 时开关 S 由 b 点投向 a 点。已知 U S =12V , R 1 =2 ,R 2 =6 , R 3 =3 ,换路前电路已是稳定状态。求换路瞬间各元件上的电压和电流。图 5.1. 1 例 5. 1. 1 电路图解解 ( 1 )换路前:开关位于 b 点,电路已处于稳定状态,所以 u C =0V 、 iL =0A ,即( 2 )换路:开关离开 b 点,移向 a 点。接触到 a 点瞬间,电路状态发生改变,即电路与直流电源接通,电路开始其瞬态过程。根据换路定则,可知而由换路后的电路可知换路瞬间电路中各元件的电流、电压的变化有如下规律:(1 )直流电路中

128、,在换路前已是稳态电路,则 i C =0 ,电容相当于开路; u L =0 ,电感相当于短路。(2 )换路瞬间电容电压、电感电流不能发生跃变,但电容电流和电感电压却是可以突变的。(3 )储能元件没有储能, u C ( 0- ) =0 , i L ( 0 - ) =0 ,在 0 + 时,电容元件相当于短路,电感元件相当于开路;储能元件有储能, u C(0 - ) = U 0 , i L ( 0- ) = I 0 ,在 0 + 时,电容元件相当于电压为 U 0 的恒压源,电感元件相当于电流为 I 0 的恒流源。通常,将电路从电源或者信号源输入的信号称为激励,也称为输入。电路在外部激励或者内部储能的

129、作用下所产生的电压或电流称为响应,也称为输出。电路的瞬态分析就是分析电路的瞬态过程,根据激励,求电路的响应。按照产生响应的原因,可以将响应分为零输入响应、零状态响应和全响应。(1 )零输入响应。换路前,储能元件中已储存能量,换路时,外部激励为零,仅由内部储能元件中所储存的能量引起的响应,称为零输入响应。(2 )零状态响应。换路时,储能元件中所储存的能量为零时,由外部激励作用下引起的响应,称为零状态响应。(3 )全响应。换路时,储能元件中存在能量,而且又有外部激励,这种情况下引起的电路响应称为全响应。5. 1. 3 一阶一阶 RC 电路瞬态过程简电路瞬态过程简介介根据储能元件的储能状态和外部激励

130、的有无,一阶 RC电路的响应同样可以分为零输入响应、零状态响应和全响应。以下主要介绍一阶 RC 电路的全响应。全响应是指既有初始储能又有外界激励产生的响应。 RC 电路的全响应是指电源激励和电容元件的初始电压均不为零时的响应,对应着电容从一种储能状态转换到另一种储能状态的过程,如图 5.1. 2 所示。图 5.1. 2 RC 电路的全响应在图 5.1. 2 所示电路中,开关 S 处于位置 a 时, RC 电路与激励(电源) U 0 接通,电容充电到 U 0 ,即 u C ( 0 - ) = U 0 。将开关 S 拨向位置 b ,进行换路。 t =0 , RC 电路与激励(电源) U0 断开,同

131、时接通激励(电源)U S ,该电路的响应是由储能元件和激励 U S 共同作用的结果,因此称为电路的全响应。换路后, t ,电路达稳态, u C ( ) = U S 。式( 5. 1. 5 )是一个一阶微分方程,其初始值为 u C ( 0 + ) = U 0 (由换路公式和 u C ( 0 - ) = U 0而得)。根据数学相关解法,式(5. 1. 5 )微分方程的特解为5. 1. 4 一阶一阶 RL 电路瞬态过程简介电路瞬态过程简介RL 串联电路是一种常用电路,如电动机励磁绕组、电磁铁等电磁元器件都可等效为 RL的串联电路。因电感是储能元件,所以,上述电磁元件在换路时也可能会产生瞬态过程。下面

132、简要分析一阶 RL 电路的全响应。在图 5.1. 3 所示的电路中,电源电压为 U S ,设开关 S 闭合时,发生换路, t =0 。换路前,电路已处于稳定状态,电感上已有储能,电流为图 5.1. 3 RL 电路的全响应式( 5. 1. 11 )和式( 5. 1. 5 )一样是一个一阶微分方程,其初始值为 (由换路公式和 iL ( 0 - ) = I 0 而得)。根据数学相关解法,式( 5. 1. 11 )微分方程的特解为与 RC 电路一样,若分析复杂的 RL 电路的瞬态过程,可应用戴维南定理,将除电感 L外的电路等效为一个含有内阻的电压源,再进行分析。5. 2 瞬态电路的三要素分析法瞬态电路

133、的三要素分析法在对 RC 电路与 RL 电路的瞬态过程进行简要分析后发现,对于式( 5.1. 5 )而言,换路后电路处于稳定状态时的电容电压 u C 是定值 U S 。如果用 f (t )代替式( 5. 1. 5 )中的 u C ,用 代替 RC ,则可得同样对于式( 5. 1. 11 ),换路后电路处于稳定状态时的电感电流 i L 是定值 U S / R 。如果用f ( t )代替式( 5. 1. 11 )中的 i L ,用 代替 L / R ,则同样可得式( 5. 2. 1 )。而对于式( 5. 2. 1 ),其解为由此可见,对于 RC 与 RL 电路而言,只要求出 f ( 0 + )、

134、f ( )和 这三个参数,就能确切写出 u C 或 iL 的解析表达式。满足式(5. 2. 1 )的电路即为一阶(最高导数)线性(常系数)电路,式( 5. 2. 2 )中的 f ( 0 + )、 f( )和 这三个参数称为瞬态电路的三要素。套用式(5. 2. 2 )求解一阶线性电路的方法即是三要素法。其中 f ( 0 + )为换路后的初始值, f ( )为换路后的稳态值, 为时间常数。可以证明:对于可化为 RC 串联的电路,其时间常数为 = R 0 C ;对于可化为 RL 串联的电路,其时间常数为 = L / R 0 。其中 R 0 是化简后电路的等效电阻。三要素法具有方便、实用和物理概念清楚

135、等特点,是求解一阶电路常用的方法。下面介绍利用三要素法求解瞬态电路的步骤和注意事项。(1 )确定初始值 f ( 0 + )。一阶电路响应的初始值 iL ( 0 + )和 u C ( 0 + )必须在换路前 t =0 - 的等效电路图中进行求解,然后根据换路定则,得出 iL ( 0 + )和 u C ( 0 + );如果是其他各量的初始值,则应根据 t =0 +的等效电路图去进行求解(切忌不管什么量都套用换路定则)。(2 )确定稳态值 f( )。画出换路后稳态的等效电路,应用电路的分析方法求解电路中相应的稳态值。(3 )分离储能元件,计算时间常数 。一阶电路的时间常数 应在换路后处于稳态时电路的

136、等效电路中求解。当电路为 RC 一阶电路时,时间常数 = R 0 C ;当电路为 RL 一阶电路时,时间常数 = L / R 0 。求解时首先将换路后处于稳态时电路的等效电路除源(所有电压源短路处理,所有电流源开路处理),然后让储能元件断开,并把断开处看作是无源二端网络的两个对外引出端,对此无源二端网络求出输入端等效电阻 R 0 。例例 5.2. 1 电路如图 5. 2. 1 所示。已知 U S =10V , R 1 =2k , R 2 =3k , C =20 F , t =0时开关闭合。换路前电路已处于稳态。求换路后电容上的电压 u C 。图 5.2. 1 例 5. 2. 1 电路图解解 电

137、路中含有一个储能元件电容。换路后,电路从稳态过程变化到了瞬态过程,瞬态过程中,电容两端的电压处于不断变化过程中,直至电路重新达到稳定状态而停止变化。可以利用三要素法来进行求解。(1 )求初始值 u C ( 0 + )。换路前电路已处于稳态,可知换路前u C ( 0 - ) =0根据换路定则,可知电路处于瞬态过程初始时电容上的电压(也就是电容电压的初始值)为u C ( 0 + ) = u C ( 0 - ) =0(2 )求稳态值 u C ( )。换路后,电路达到稳态时,其等效电路如图(b )所示,则此时的 u C 为(3 )求时间常数 。由图 5.2. 1 ( a )可知,电阻 R 1 和 R

138、2 都在换路后的电路中。可利用戴维南定理把电容 C 以外的有源二端网络化为一个等效电压源,则图 5.2. 1 ( a )所示电路可等效成图 5. 2. 1 ( c )所示电路。根据戴维南定理,其等效电阻为例例 5. 2. 2 电路如图 5. 2. 2 所示。已知 U S =10V , R 1 =2k , R 2 =3k , C 1 =40 F ,C 2 =20 F , C 3 =20 F , t =0 时开关闭合。换路前电路已处于稳态。求换路后电路中的电流i 、 i 1 和 i 2 。图 5.2. 2 例 5. 2. 2 电路图解解 欲求电流 i 、 i1 和 i 2 ,应先求出 a 、 b

139、两端点之间的电压 u C 。可将 a 、 b 之间的电容等效为电容等效后,图 5.2. 2 ( a )电路等效为图 5. 2. 2 ( b )。图 5. 2. 2 ( b )的电路及参数与图 5. 2. 1 ( a )的电路及参数相同,利用例 5.2. 1 的结果,得根据如下各式,即可求出各电流为通过以上两例,我们可以看出,在用三要素法求解一阶 RC 电路时应注意以下几点。(1 )根据换路定则,换路前后瞬间电容上的电压保持不变。因此,电容上电压的初始值u C ( 0 + )应由换路前瞬间的值 u C ( 0 - )来确定,其他物理量的初始值则由 u C ( 0 + )求出。(2 )若 u C

140、( 0 - ) = U 0 0 ,电容元件可用恒压源代替,其值等于 U 0 ;若 u C( 0 - ) =0 ,电容元件视为短路。若 iL ( 0 - ) = I 0 0 ,电感元件可用恒流源代替,其值等于 I 0 ;若 i L ( 0 - ) =0 ,电感元件视为开路。(3 )电容上电压的稳态值 u C ( )由换路后到达稳态时的电路求得。对于直流电路来说,稳态时电容相当于开路。(4 )在一阶 RC 电路中,时间常数 = RC ,但是其中的电阻 R 和电容 C 是指换路后的等效值。如果换路后的电路中含有多个电阻或电容,应采用适当的方法化简,求出等效电阻、电容,然后计算时间常数。例例 5.2.

141、 3 电路如图 5. 2. 3 所示。已知 U S =12V , R 1 = R 2 =6 , R 3 =3 , L =1H , t =0 时开关闭合。换路前电路已处于稳态。求换路后电路中 R 3 两端的电压 u 3 。图 5.2. 3 例 5. 2. 3 电路图解解 当开关闭合时,电路发生换路。电路处于瞬态过程。在瞬态过程中,电路各处的电流依然要符合电路元件各处的电路特性。对于电阻 R 3 来说,其电流 i3 与电压 u 3 之间必然满足欧姆定律。由于电阻 R 2 与 R 3 并联,同时根据基尔霍夫电流定律,可知所以只要求得 iL ,就可以得到 u 3 。5. 3 RC 瞬态电路的应用瞬态电

142、路的应用微分电路和积分电路是电容元件充放电的 RC 电路,这种电路在不同的输出连接方式及选取不同的时间常数时,构成了输出电压波形和输入电压波形之间的特定(微分或积分)的关系。5. 3. 1 微分电路微分电路图 5.3. 1 所示 RC 电路中,如果输入信号是如图 5. 3. 2 ( a )所示的矩形脉冲电压 u i ,脉冲电压的幅值为 U 、宽度为 tp ,则电阻 R 两端输出的电压为 u o = u R ,电压 u R的波形与电路的时间常数 有关。当输入脉冲宽度 tp 一定时,改变 和 tp 的比值,电容充、放电的快慢就不同,输出电压 u o 的波形也就不同,如图 5.3. 2 ( b )

143、( e )所示。图 5.3. 1 微分电路图 5.3. 2 不同时间常数对应的输出波形图 5.3. 3 RC 电路在矩形脉冲作用下的瞬态过程5. 3. 2 积分电路积分电路微分和积分在数学上是矛盾的两方面。同样,微分电路和积分电路也是矛盾的两个方面。若满足 tp ,譬如 ( 510 ) tp,从电容上输出,便构成了积分电路,如图 5. 3. 4 所示。图 5.3. 4 积分电路下面分析这个电路输入电压 u i 和输出电压 u o之间的关系。在图 5.3. 4 中, t = t 1 瞬间,电路接通矩形脉冲信号, u i ( t )由零跃变到 U ,电容开始充电,u C 按指数规律增长。由于时间常

144、数 较大,因此电容 C 充电缓慢, u o ( t )变化也缓慢,电容上所充电压 u C远未达到稳态值 U 时,输入信号脉冲已结束(t = t 2 )。矩形脉冲由 U 跃变到零值,相当于短路,电容上所充电压通过电阻 R 放电。同样由于 较大,电容上电压衰减缓慢,在远未衰减完时第二个脉冲又来到,重复以上过程,如图 5.3. 5 所示。图 5.3. 5 RC 积分电路的波形图这样积分电路在矩形脉冲信号作用下,将输出一个锯齿波信号。 越大,充放电越慢,所得的锯齿波电压线性度就越好。由于 tp ,充电时 u C = u o u R ,因此,在 tp 时间内可近似认为电阻电压就是输入电压,即因而输出电压

145、这表明输出电压与输入电压的积分成正比,该电路称为积分电路。由此可见, RC 积分电路具有两个必备条件:(1 ) (时间常数) t p (脉冲宽度)。(2 )从电容 C 两端输出电压。电子技术中,积分电路常用来将矩形波信号变换成锯齿波信号。具有初始储能的电感电路,在稳态的情况下突然切断开关 S ,相当于在开关 S 两端有一个电阻 就很小,电流变化率很大,在电感线圈上产生很强的自感应电动势 e L ,其极性如图 5.4. 1 所示。5. 4 5. 4 工程中对工程中对 RL RL 瞬态电路瞬态电路“放电放电”的应对方法的应对方法图 5.4. 1 RL 电路断开e L 和电源电压 U 叠加在开关 S

146、 两端,这样就在开关触头之间使空气电离形成火花或电弧,延缓了电路的断开,而火花和电弧具有极高的温度,可能使开关损坏,甚至危及工作人员的安全。同时出现过高的自感电动势,也可能将线圈的绝缘材料击穿损坏。为了防止这种危害,可在线圈两端并接一适当阻值的电阻 R 0 (称为泄放电阻),使 适当地增大,如图 5.4. 2 ( a )所示;或在线圈两端并以适当电容 C ,以吸收突然断开电感时释放的能量,如图 5.4. 2 ( b )所示;或用二极管与线圈并联(称为续流二极管)提供放电回路,使电感所储存的能量消耗在自身的电阻中,如图 5.4. 2 ( c )所示。图 5.4. 2 防止 RL 电路突然断开产生

147、的高电压5. 5 RC 电路的工程应用电路的工程应用热敏电阻阻值随温度变化而显著变化,能直接将温度的变化转换为电量的变化。可以利用这一特点应用热敏电阻对温度进行测量。热敏电阻的温度特性如图 5.5. 1 所示。图 5.5. 1 热敏电阻的温度特性对于负温度系数的热敏电阻,其温度与电阻的关系可以表示为式中, R T 、 R 0 分别为温度 T 和 T 0 时的阻值;B 为热敏电阻的材料常数。记则由式(5. 5. 1 )得可见 T随着温度降低而迅速增大。由图 5.5. 1 可以看到,热敏电阻的阻值与温度不是线性关系。这对利用热敏电阻进行温度的测量带来了一定麻烦。利用温度 电压转换电路可以将热敏电阻

148、与温度之间的非线性关系进行调整,使其非线性关系得到一定的改善。图 5.5. 2 是一个温度 频率转换电路,该电路利用 RC 充放电过程的指数函数和热敏电阻的指数函数相比较的方法改善热敏电阻的非线性。图 5.5. 2 温度 频率转换器电路图转换器电路由温度 电压转换电路( A1A3 )、 RC 充放电电路、电压比较器 A4 和延时电路组成。其工作原理如下:温度 电压转换电路由热敏电阻 R T 和运算放大器A1A3 组成,产生一个与温度相对应的电压 U + ,加到比较器 A4 的正端。运算放大器 A1 为差动放大器 A2 提供一个低电压输入信号,其目的是减小热敏电阻自身发热所引起的误差。 A2 输

149、出再由反相放大器 A3 提高信号幅值。该幅值为RC 电路(见 A4 反相输入端)中电容 C 上的充电电压为该转换器是把 RC 电路充电过程中电容 C 上的电压 U C 与温度 电压转换电路的输出电压 U + 相比较,当 U C U + 时,比较器的输出电压由正变负,此负跳变电压触发延时电路( T1 , T2 ),使延时电路输出窄脉冲,驱动开关电路 VT ,为电容器 C 构成放电通路;当 U C 0 时电压 u C (t )和电流 i C ( t )。题 5.2 图5. 3 在题 5. 3 图所示电路中,已知 U S =20V , R =5k , C =100 F 。设电容初始储能为零。试求:(

150、1 )电路的时间常数 ;(2 )开关 S 闭合后的电流 i 及电压 u C 和 u R ;(3 )经过一个时常后的电容电压值 u C 。题 5.3 图5. 4 在题 5. 4 图所示电路中,已知 I S =9mA , R 1 =6 , R 2 =3 , C =2 F 。在开关 S闭合前电路已处于稳态,求开关 S 闭合后的响应 u C 。题 5.4 图5. 5 电路如题 5. 5 图所示,已知 I S =3A , U S =3V , R 1 = R 4 =3 , R 2 =2 , R 3 =6 , C =0. 5F 。 t 0 时 i L ( t )和 i (t ),并画出它们随时间变化的曲线。

151、题 5.9 图第6 章磁路与铁芯线圈电路6. 1 磁磁路路6. 2 交流铁芯线圈电交流铁芯线圈电路路6. 3 变压变压器器习习题题 66. 1 磁磁 路路通过实验可知,若给某一线圈通电,线圈周围就会产生磁场,我们常常用磁力线去描述这一磁场。磁力线的切线方向与该点的磁场方向一致,磁场强的地方,磁力线较密,反之较疏。常见导线及线圈的磁力线如图 6.1. 1 图 6. 1. 3 所示。图 6.1. 1 长直导线磁力线图 6.1. 2 圆电流磁力线图 6.1. 3 螺线管磁力线在电工设备中常用磁性材料做成一定形状的铁芯。铁芯的磁导率比周围空气或其他物质的磁导率高得多,因此铁芯线圈中电流产生的磁通绝大部

152、分经过铁芯而闭合。这种人为造成的磁通闭合路径,称为磁路,如图 6.1. 4 虚线所示。图 6.1. 4 磁路6. 1. 1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量磁路是封闭在一定范围内的磁场,因此磁路问题就是磁场问题,描述磁场的物理量也适用于磁路。磁场的特性可用下列几个基本物理量来表示。1. 磁感应强度磁感应强度磁感应强度 B 是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。它是一个矢量。它与电流(电流产生磁场)之间的方向关系可用右手螺旋定则来确定,其大小可用式(6. 1. 1 )表示。式中, F 表示安培力;l 表示磁场中导体的长度; I 表示电流。磁感应强度的单位是特斯拉( T ),即韦伯/米 2 。

153、如果磁场内各点的磁感应强度的大小相等,方向相同,这样的磁场称为均匀磁场。2. 磁通磁通磁感应强度 B (如果不是均匀磁场,则取 B 的平均值)与垂直于磁场方向的面积 S 的乘积,称为通过该面积的磁通 ,即由式( 6. 1. 2 )可见,磁感应强度在数值上可以看成与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通,故又称为磁通密度。根据电磁感应定律的公式可知,磁通的单位是伏秒( V s ),通常称为韦伯( Wb )。磁感应强度的 SI 单位是特斯拉( T ),特斯拉也就是韦伯每平方米( Wb / m2 )。3. 磁导率磁导率磁导率 是一个用来表示磁场介质磁性的物理量,也就是用来衡量物质导磁能力的物理量。磁导

154、率 的单位是亨利每米( H / m ),即式中的欧秒( s )又称亨利(H ),是电感的单位。由实验测出,真空的磁导率因为这是一个常数,所以将其他物质的磁导率和它去比较是很方便的。任意一种物质的磁导率 和真空的磁导率 0 的比值,称为该物质的相对磁导率 r ,即4. 磁场强度磁场强度磁场强度 H 是计算磁场时所引用的一个物理量,也是矢量,通过它来确定磁场与电流之间的关系,即磁场强度的单位是安培每米( A / m )。6. 1. 2 磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能分析磁路,首先要了解磁性材料的磁性能,磁性材料主要是指铁、镍、钴及其合金,常用的几种磁性材料及其相对磁导率列在表 6.1. 1 中,

155、它们具有下列磁性能。1. 高导磁性高导磁性磁性材料的磁导率很高, r 1 ,可达数百、数千乃至数万,这就使它们具有被强烈磁化(呈现磁性)的特性。由于磁性材料具有高导磁性,因此在具有铁芯的线圈中通入不大的励磁电流,便可产生足够大的磁通和磁感应强度。这就解决了既要磁通大,又要励磁电流小的矛盾。利用优质的磁性材料可使同一容量的电机的重量和体积大大减轻和减小。在外磁场作用下,高导磁材料被磁化过程如 6.1. 5 所示。图 6.1. 5 磁性材料磁化过程2. 磁饱和性磁饱和性将磁性材料放入磁场强度为 H 的磁场(常由线圈的励磁电流产生)内,会受到强烈的磁化,其磁化曲线(B H 曲线)如图 6. 1. 6

156、 所示。开始时, B 与 H 近似于成正比的增加,而后随着 H 的增加, B 的增加缓慢下来,最后趋于磁饱和。图 6.1. 6 B 和 与 H 的关系磁性物质的磁导率为 = B / H ,由于 B 与 H 不成正比,所以 不是常数,它随 H而变。由于磁通 与 B 成正比,产生磁通的励磁电流 I 与 H 成正比,因此在存在磁性物质的情况下, 与 I 也不成正比。必须指出,在额定工作状态时通常电磁设备的磁感应强度都设计在接近磁饱和的拐点附近,如果此时再使磁通稍有增加,就会进入饱和状态,其所需励磁电流将急剧增大,而导致设备损坏。3. 磁滞性磁滞性当铁芯线圈中通有交变电流时,铁芯就受到交变磁化。在电流

157、变化一次时,磁感应强度B 随磁场强度 H 而变化的关系如图 6. 1. 7 所示。由图 6. 1. 7 可见,当 H 已减到零值时, B 并未回到零值。这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁性物质的磁滞性。图 6.1. 7所示的曲线也就称为磁滞回线。图 6.1. 7 磁滞回线当线圈中电流减到零值(即 H =0 )时,铁芯在磁化时所获得的磁性还未完全消失,这时铁芯中所保留的磁感应强度称为剩磁感应强度 Br (剩磁),在图 6.1. 7 中即为纵坐标 O 2 和O 5 ,永久磁铁的磁性就是由剩磁产生的。但对剩磁的作用也要一分为二,有时它是有害的。例如,当工件在平面磨床上加工完毕后,由于电磁吸

158、盘有剩磁,还将工件吸住,为此要通入反向去磁电流,去掉剩磁,才能将工件取下。再如,有些工件(如轴承)在平面磨床上加工后得到的剩磁也必须去掉。如果要使铁芯的剩磁消失,可以改变线圈中励磁电流的方向,也就是改变磁场强度 H 的方向来进行反向磁化。使 B =0 的 H 值,在图 6.1. 7 中用 O 3 和 O 6 代表,称为矫顽磁力 Hc 。按磁性材料磁滞回线形状不同,磁性材料可以分成三种类型。1 )软磁材料软磁材料具有较小的矫顽磁力,磁滞回线较窄,一般用来制造电机、电器及变压器等的铁芯。常用的有铸铁、硅钢、铁氧体等。铁氧体在电子技术中应用也很广泛,例如,可做计算机的磁心、磁鼓以及录音机的磁带、磁头

159、。2 )永磁材料永磁材料具有较大的矫顽磁力,磁滞回线较宽,一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。近年来稀土永磁材料发展很快,如稀土钴、稀土钕铁硼等,其矫顽磁力更大。3 )矩磁材料矩磁材料具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁,磁滞回线接近矩形,稳定性也良好,在计算机和控制系统中可用作记忆元件、开关元件和逻辑元件,常用的有镁锰铁氧体及 1J51 型铁镍合金等。6. 1. 3 磁路的分析方法磁路的分析方法以图 6.1. 4 所示的磁路为例,根据安培环路定律可得出式中, N 是线圈的匝数;l 是磁路(闭合回线)的平均长度; H 是磁路铁芯的磁场强度。线圈匝数与电流的乘积 NI 称为磁通势,用字

160、母 F 表示,即磁通就是由它产生的。它的单位是安培( A )。将式(6. 1. 7 )、 H = B / 和 B = / S 代入式( 6. 1. 6 ),得式中, R m 称为磁路的磁阻;S 为磁路的截面积。式(6. 1. 8 )与电路的欧姆定律在形式上相似,所以称为磁路的欧姆定律。有些磁路,材料不相同,截面不相同,有时还有极小空气隙,这样的磁路为非均匀磁路。对于这样的磁路,每段的 H 不相同:式中, H i li 称为磁路的磁压降,式( 6. 1. 9 )类似于电路的基尔霍夫定律,因此被称为磁路的基尔霍夫定律。6. 2 交流铁芯线圈电路交流铁芯线圈电路线圈又叫绕组,是由普通的导线绕制而成的

161、,绕制一圈称为一匝。线圈的匝数之间彼此绝缘。线圈在电工设备中是构成电路的主体,负责通电而产生磁场,完成电能的传输和转换。铁芯线圈分为两种:直流铁芯线圈和交流铁芯线圈。直流铁芯线圈通直流电来励磁(如直流电机的励磁线圈、电磁吸盘及各种直流电器的线圈),交流铁芯线圈通交流电来励磁(如交流电机、变压器及各种交流电器的线圈)。分析直流铁芯线圈比较简单些,因为励磁电流是直流,产生的磁通是恒定的,在线圈和铁芯中不会感应出电动势来;在一定电压 U 下,线圈中的电流 I 只和线圈本身的电阻 R 有关;功率损耗也只有 RI2 。而交流铁芯线圈在电磁关系、电压电流关系及功率损耗等几个方面和直流铁芯线圈是有所不同的。

162、6. 2. 1 交流铁芯线圈电磁关系交流铁芯线圈电磁关系图 6.2. 1 所示的交流线圈具有铁芯,我们先来讨论其中的电磁关系。磁通势 Ni 产生的磁通绝大部分通过铁芯而闭合,这部分磁通称为主磁通 。此外还有很少的一部分磁通主要经过空气或其他非导磁介质而闭合,这部分磁通称为漏磁通 (实际上上面各节所述的铁芯线圈中也存在漏磁通,但未计及)。这两个磁通在线圈中产生两个感应电动势:主磁电动势 e 和漏磁电动势 e 。图 6.2. 1 铁芯线圈交流电路这个电磁关系表示如下:因为漏磁通不经过铁芯,所以励磁电流 i 与 之间可以认为呈线性关系,铁芯线圈的漏磁电感为6. 2. 2 交流铁芯线圈电压电流关交流铁

163、芯线圈电压电流关系系交流铁芯线圈电路的电压和电流之间的关系也可由基尔霍夫电压定律得出,即或当 u 是正弦电压时,式中各量可视为正弦量,于是式( 6.2. 1 )可用相量表示为式中,漏磁感应电动势称为漏磁感抗,它是由漏磁通引起的;R 是铁芯线圈的电阻。至于主磁感应电动势,由于主磁电感或相应的主磁感抗不是常数,应按下法计算。设主磁通 = m sin t ,则式中, 2fN m 是主磁电动势 e 的幅值,而其有效值则为式(6. 2. 4 )是常用的公式,应特别注意。由式(6. 2. 1 )或式( 6. 2. 2 )可知,电源电压 u 可分为三个分量: u R = Ri 是电阻上的电压降;u =- e

164、 是平衡漏磁电动势的电压分量; u =- e 是与主磁电动势相平衡的电压分量。因为根据楞次定则,感应电动势具有阻碍电流变化的物理性质,所以电源电压必须有一部分来平衡它们。通常由于线圈的电阻 R 和感抗 X (或漏磁通 )较小,因而其上的电压降也较小,与主磁电动势比较起来,可以忽略不计。于是式中, B m 是铁芯中磁感应强度的最大值,单位用 T ;S 是铁芯截面积,单位用 m2 。若 B m 的单位用高斯, S 的单位用 cm2 ,则上式为6. 2. 3 功率损耗功率损耗在交流铁芯线圈中,除线圈电阻 R 上有功率损耗 RI2 (所谓铜损耗 P Cu )外,处于交变磁化下的铁芯中也有功率损耗(所谓

165、铁损耗 P Fe )。铁损耗是由磁滞和涡流产生的。由磁滞所产生的铁损耗称为磁滞损耗 P h 。可以证明,交变磁化一周在铁芯的单位体积内所产生的磁滞损耗能量与磁滞回线所包围的面积成正比。磁滞损耗会引起铁芯发热。为了减小磁滞损耗,应选用磁滞回线狭小的磁性材料制造铁芯。硅钢就是变压器和电机中常用的铁芯材料,其磁滞损耗较小。由涡流所产生的铁损耗称为涡流损耗 P e 。在交变磁通的作用下,铁芯内的磁滞损耗和涡流损耗合称铁损耗 P Fe 。铁损耗差不多与铁芯内磁感应强度的最大值 B m 的平方成正比,故 B m 不宜选得过大,一般取 0.81. 2T 。从上述可知,铁芯线圈交流电路的有功功率为6. 3 变

166、变 压压 器器变压器是一种常见的电气设备,在电力系统和电子线路中应用广泛,它具有变换电压、变换电流和变换阻抗的作用。在输电时必须利用变压器将电压升高。在用电方面,为了保证用电的安全和合乎用电设备的电压要求,还要利用变压器将电压降低。在电子线路中,除电源变压器外,变压器还用来耦合电路,传递信号,并实现阻抗匹配。6. 3. 1 变压器的工作原理变压器的工作原理变压器的一般结构如图 6.3. 1 所示,它由闭合铁芯和高压、低压绕组等几个主要部分构成。图 6.3. 1 变压器的结构图 6.3. 2 所示的是变压器的原理图。为了便于分析,将高压绕组和低压绕组分别画在两边。与电源相连的称为一次绕组(或称初

167、级绕组、原绕组),与负载相连的称为二次绕组(或称次级绕组、副绕组)。一次、二次绕组的匝数分别为 N 1 和 N 2 。一次绕组接上交流电压 u 1 ,主磁通穿过一次绕组和二次绕组而在其中感应出的电动势分别为 e 1 和 e 2 。一次绕组中的电流为 i1 ,二次绕组中的电流为 i 2 ,负载两端的电压为 u 2 。一次、二次绕组的磁通势还分别产生漏磁通 1 和 2 ,在各自的绕组中分别产生漏磁电动势 e 1 和 e 2 。图 6.3. 2 变压器的原理图变压器的符号如图 6.3. 3 所示。图 6.3. 3 变压器的符号1. 电压变换电压变换根据变压器的工作原理,由交流铁芯电路可得同理,对二次

168、绕组电路可列出式中, R 2 和 X 2 = L 2 分别为二次绕组的电阻和感抗; U2 为二次绕组的端电压。感应电动势 e 2 的有效值为在变压器空载时,有式中, U 20 是空载时二次绕组的端电压。在变压器有载工作时,有一次、二次绕组的电压之比为式中, K 称为变压器的变比,亦即一次、二次绕组的匝数比。可见,当电源电压 U1 一定时,只要改变匝数比,就可得出不同的输出电压 U 2 。2. 电流变换电流变换由 U 1 E 1 =4.44fN1 m 可见,当电源电压 U 1 和频率 f 不变时, E 1 和 m 也都近于常数,就是说,铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时是差不多恒定的。因

169、此,有负载时产生主磁通的一次、二次绕组的合成磁通势( N 1 i1+ N 2 i 2 )应该和空载时产生主磁通的一次绕组的磁通势 N 1 i0 差不多相等,即如用相量表示,则为变压器的空载电流 i 0 是励磁用的。由于铁芯的磁导率高,空载电流是很小的,它的有效值 I 0在一次绕组额定电流 I1N 的 10% 以内。因此 N 1 I 0 与 N 1 I 1 相比,常可忽略。于是式( 6. 3. 5 )可写成由式( 6. 3. 6 )的关系可知,一次、二次绕组的电流关系为3. 阻抗变换阻抗变换上面讲过变压器能起变换电压和变换电流的作用。此外,它还有变换负载阻抗的作用,以实现“匹配”。在图 6.3.

170、 4 ( a )中,负载阻抗模 | Z | 接在变压器二次侧,而图中的点画线框部分可以用一个阻抗模 | Z | 来等效代替,如图 6.3. 4 ( b )所示。所谓等效,就是输入电路的电压、电流和功率不变。就是说,直接接在电源上的阻抗模 | Z | 和接在变压器二次侧的负载阻抗模 | Z | 是等效的。两者的关系可通过下面计算得出。图 6.3. 4 负载阻抗的等效电路根据式(6. 3. 4 )和式( 6. 3. 7 )可得出由图 6. 3. 4 可知将式( 6. 3. 9 )代入式( 6. 3. 8 ),可得由式( 6. 3. 10 )可见,匝数比不同,负载阻抗模 | Z | 折算(反映)到一

171、次侧的等效阻抗模 | Z |也不同。可以采用不同的匝数比,把负载阻抗模变换为所需要的、比较合适的数值。这种做法通常称为阻抗匹配。6. 3. 2 特殊变压器特殊变压器下面简单介绍几种特殊用途的变压器。1. 三相变压器三相变压器要变换三相电压可采用三相变压器,如图 6.3. 5 所示。图中各相高压绕组的始端和末端分别用 U 1 、 V 1 、 W 1 和 U 2 、 V 2 、 W 2 表示,低压绕组的始端和末端则分别用 u1、 v 1 、 w 1 和 u 2 、v 2、 w 2表示。图 6.3. 5 三相变压器Y / Y 0 连接的三相变压器是供动力负载和照明负载共用的,低压一般是 400V ,

172、高压不超过 35kV ; Y / 连接的变压器,低压一般是 10kV ,高压不超过 60kV 。高压侧接成 Y 形,相电压只有线电压的 ,可以降低每相绕组的绝缘要求;低压侧接成 形,相电流只有线电流的,可以减小每相绕组的导线截面。2. 自耦变压器自耦变压器图 6.3. 6 所示的是一种自耦变压器,其结构特点是二次绕组是一次绕组的一部分。一次、二次绕组电压之比和电流之比分别为实验室中常用的调压器就是一种可改变二次绕组匝数的自耦变压器,其外形和电路如图6. 3. 6 所示。图 6.3. 6 自耦变压器的外形和电路3. 电流互感器电流互感器电流互感器是根据变压器的原理制成的。它主要是用来扩大测量交流

173、电流的量程。因为要测量交流电路的大电流(如容量较大的电动机、工频炉、焊机等的电流)时,通常电流表的量程是不够的。此外,使用电流互感器也是为了使测量仪表与高压电路隔开,以保证人身与设备的安全。电流互感器的接线图如图 6.3. 7 所示。一次绕组的匝数很少(只有一匝或几匝),它串联在被测电路中。二次绕组的匝数较多,它与电流表或其他仪表及继电器的电流线圈相连接。图 6.3. 7 电流互感器接线图根据变压器原理,可认为或式中, K i 是电流互感器的变换系数。利用电流互感器可将大电流变换为小电流。电流表的读数 I 2 乘上变换系数 K i 即为被测的大电流 I 1 (在电流表的刻度上可直接标出被测电流

174、值)。通常电流互感器二次绕组的额定电流都规定为 5A 或 1A 。习习 题题 66. 1 变压器的负载增加时,其一次绕组中的电流怎么变化? 铁芯中的磁通怎么变化? 输出电压是否一定要降低?6. 2 已知环形铁芯线圈平均直径为 12.5cm ,铁芯材料为铸钢,磁路有一气隙长为0. 2cm ,若线圈中电流为 1A ,问要获得 0. 9T 的磁感应强度,线圈匝数应为多少?6. 3 题 6. 3 图所示线圈,其匝数 N =1000 ,绕在由铸钢制成的闭合铁芯上,铁芯的截面积 A Fe =20cm2 ,铁芯的平均长度 lFe =50cm 。如要在铁芯中产生磁通 =0. 002Wb ,试问线圈中应通入多大

175、直流电流?题 6.3 图6. 4 有一交流铁芯线圈,接在 f =50Hz 的正弦电源上,在铁芯中得到磁通的最大值为 m =2. 2510-3Wb 。若在此铁芯上再绕一个线圈,其匝数为 200 ,当此线圈开路时,求其两端电压。6. 5 题 6. 5 图所示单相变压器,原边绕组接在 3300V 的交流电源上,空载时副边绕组接上伏特计,其读数为 220V ,如果副边绕组有 20 匝。试求:(1 )变压比;(2 )原边绕组的匝数。题 6.5 图6. 6 一台 f =50Hz 的变压器,原边绕组匝数为 120 匝,副边绕组匝数为 60 匝,如果原边绕组接在 2300V 的电源上,试求:(1 )铁芯中的最

176、大磁通;(2 )空载时副边绕组的端电压。6. 7 已知单相变压器的容量是 1. 5kV A ,电压为 220 / 110V 。试求原、副边绕组的额定电流。如果副边绕组的电流是 13A ,则原边绕组的电流是多少?6. 8 一台晶体管收音机的输出端要求匹配阻抗为 450 时输出功率最大,现接一个负载阻抗为 80 的扬声器,若用变压器进行阻抗变换,求输出变压器的变比。6. 9 题 6. 9 图所示为是一电源变压器,一次绕组为 550 匝,接 220V 电压。二次绕组有两个:一个电压 36V ,负载 36W ;一个电压 12V ,负载 24 W 。两个负载都是纯电阻负载。试求一次电流 I 1 和两个二

177、次绕组的匝数。题 6.9 图第7 章电动机及其控制7. 1 三相异步电动机的结构与工作原三相异步电动机的结构与工作原理理7. 2 异步电动机的参数和铭异步电动机的参数和铭牌牌7. 3 三相异步电动机的继电器控三相异步电动机的继电器控制制7. 4 三速异步电动机启动三速异步电动机启动和和 自自动加速控制电路动加速控制电路习习题题 77. 1 三相异步电动机的结构与工三相异步电动机的结构与工作原理作原理7. 1. 1 7. 1. 1 三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构三相异步电动机主要由定子部分和转子部分组成。定子部分主要包括定子铁芯、三相定子绕组、机座等;转子部分主要由转子铁芯、转子绕组等

178、组成。图 7.1. 1 所示的是三相异步电动机的构造分解图。图 7.1. 1 三相异步电动机的构造机座是用铸铁或铸钢制成的,它的作用是保护和固定三相定子铁芯,通常机座的外表要求散热性能好,所以一般都铸有散热片。铁芯是由互相绝缘的硅钢片叠成的。异步电动机的定子铁芯是磁路的一部分,是用 0.350. 5mm 的硅钢片叠压而成,铁芯的内圆周表面冲有槽,如图 7.1. 2 所示,用以放置三相对称绕组 U 1 U 2 、 V 1 V 2 、 W 1 W 2 ,三相定子绕组有的接成星形,有的接成三角形。图 7.1. 2 定子铁芯和定子绕组三相异步电动机的转子铁芯是用 0.5mm 的硅钢片叠压而成,转子铁芯

179、是圆柱状,也用硅钢片叠成,表面冲有槽,如图 7.1. 3 所示。铁芯装在转轴上,轴上加机械负载。转子铁芯还用来安放转子绕组。异步电动机的转子绕组分为两种:笼型异步电动机和绕线转子异步电动机。图 7.1.3 转子铁芯和定子铁芯笼型的转子绕组做成鼠笼状,就是在转子铁芯的每个槽中插一根铜条,其两端用端环连接,也可在槽中浇铸铝液,铸成一鼠笼,如图 7.1. 4 所示,这样便可以用比较便宜的铝来代替铜,称为铸铝转子。 100kW 以下的异步电动机一般采用铸铝转子。图 7.1. 4 鼠笼式转子绕线转子异步电动机的构造如图 7.1. 5 所示,它的转子绕组同定子绕组一样,也是三相的,一般接成星形。三相引出线

180、接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上,通过电刷装置与外电路相连,这就有可能在转子电路中串接电阻或电动势以改善电机的启动及调速特性。但笼型电动机由于构造简单、价格低廉、工作可靠、使用方便,成为生产上应用得最广泛的一种电动机。图 7.1. 5 绕线转子异步电动机的构造7. 1. 2 三相异步电动机的工作原三相异步电动机的工作原理理图 7.1. 6 是一个异步电动机的模型,在一个装有手柄的蹄形磁铁磁极间放有一个可以自由转动的、由铜条组成的转子。铜条两端分别用铜环连接起来,形似鼠笼,作为笼型转子。磁极和转子之间没有电气和机械联系。当转动磁铁摇柄时,发现转子跟着磁极一起转动。摇得快,转子转得也快;摇得慢

181、,转子转得也慢;反摇,转子马上反转。图 7.1. 6 异步电动机转子转动的演示1. 旋转磁场旋转磁场三相异步电动机的定子铁芯中放有三相对称绕组 U 1 U 2 、 V 1 V 2 和 W 1 W 2 ,设将三相绕组接成星形,如图 7.1. 7 ( a )所示,接在三相电源上,绕组中便通入三相对称电流:其波形如图 7.1. 7 ( b )所示。取绕组始端到末端的方向作为电流的参考方向。在电流的正半周时,其值为正,其实际方向与参考方向一致;在负半周时,其值为负,其实际方向与参考方向相反。图 7.1. 7 三相对称电流在 t =0 的瞬时,定子绕组中的电流方向如图 7.1. 7 ( b )所示。此时

182、, U 向绕组中没有电流; V向绕组电流为负值,电流的流向是由尾端V 2 流进,从首端 V 1 流出; W 向绕组电流为正值,电流的流向是由首端 W 1 流进,从流尾端 W 2 出。根据右手定则可判断出每个绕组产生的磁场的方向,从而得到合成磁场的方向如图 7.1. 8 ( a )所示。在 t =60 的瞬时,定子绕组中的电流方向如图 7.1. 7 ( b )所示。此时, W 向绕组中没有电流; V 向绕组电流为负值,电流的流向是由尾端 V 2 流进,从首端 V 1 流出; U 向绕组电流为正值,电流的流向是由首端 U 1 流进,从流尾端 U 2 出。根据右手定则可判断出每个绕组产生的磁场的方向

183、,从而得到合成磁场的方向如图 7.1. 8 ( b )所示。同理可得在 t =90 时的三相电流的合成磁场,它比 t=60 时的合成磁场在空间又转过了 30 ,如图 7.1. 8 ( c )所示。图 7.1. 8 三相电流产生的旋转磁场三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关,每相绕组只有一个线圈,绕组的始端之间相差 120 空间角,则产生的旋转磁场具有一对磁极,即 p =1 (p 是磁极对数)。每相绕组有两个线圈串联,绕组的始端之间相差 60 空间角,则产生的旋转磁场具有两对极,即 p =2 。当旋转磁场具有 p 对磁极时,磁场的转速为因此,旋转磁场的转速

184、n 0 决定于电流频率 f 1 和磁极对数 p ,而后者又决定于三相绕组的安排情况。对某一异步电动机讲, f 1和 p 通常是一定的,所以磁场转速 n 0 是个常数。2. 电动机的转动原理电动机的转动原理当电动机的定子绕组通过三相交流电时,便在气隙中产生旋转磁场。设旋转磁场以顺时针速度n 0 旋转,则静止的转子绕组和旋转磁场就有了相对运动,从而在转子导体中产生了感应电动势,其方向可用右手定则判断。可假定磁场不动,导体以相反方向切割磁力线,从而判断出上半部分的导体感应电动势的方向是从里到外,下半部分的导体感应电动势的方向相反,如图 7.1. 9 所示。图 7.1. 9 转子转动原理3. 转差率转

185、差率电动机转子转动的方向与磁场旋转的方向相同,但转子的转速 n 不可能达到与旋转磁场的转速 n 0 相等,即 n n 0 。因为如果两者相等,则转子与旋转磁场之间就没有相对运动,因而磁通就不切割转子导条,转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在,这样转子就不可能继续以 n 0 的转速转动。因此转子转速与磁场转速之间必须要有差别。这就是异步电动机名称的由来。而旋转磁场的转速 n 0 常称为同步转速。用转差率 s 来表示转子转速 n 与同步转速 n 0 相差的程度,即7. 2 异步电动机的参数和铭牌异步电动机的参数和铭牌要正确使用电动机,必须要看懂铭牌。现以 Y3 132M 4 型电动机为例,来说

186、明铭牌上各个数据的意义。1. 型号型号为了适应不同用途和不同工作环境的需要,电动机制成不同的系列,每种系列用不同的型号表示。例如, Y 代表三相异步电动机, 3 代表第 3 次更新, 132 代表机座中心高度, M 代表长度号 , 4 代表极对数。2. 电压电压铭牌上所标的电压值是指电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。一般规定电动机的电压不应高于或低于额定值的 5% 。三相异步电动机的额定电压有 380V 、3000V 及6000V 等多种。3. 电流电流铭牌上所标的电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。4. 功率与效率功率与效率铭牌上所标的功率值是指电动机在额定运行时轴上输

187、出的机械功率值。输出功率与输入功率不等,其差值等于电动机本身的损耗功率,包括铜损耗、铁损耗及机械损耗等。所谓效率 就是输出功率与输入功率的比值。5. 功率因数功率因数因为电动机是电感性负载,定子相电流比相电压滞后一个 角, cos 就是电动机的功率因数。6. 转速转速由于生产机械对转速的要求不同,需要生产不同磁极数的异步电动机,因此有不同的转速等级。最常用的是四个极的(n 0 =1500r / min )。7. 绝缘等级绝缘等级绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分级的。所谓极限温度,是指电机绝缘结构中最热点的最高容许温度。8. 工作方式工作方式电动机的工作方式分为八类

188、,分别用字母 S1S8 表示。例如:连续工作方式( S1 );短时工作方式(S2 ),分 10min 、 30min 、 60min 、 90min 四种;断续周期性工作方式( S3 ),其周期由一个额定负载时间和一个停止时间组成,额定负载时间与整个周期之比称为负载持续率,标准持续率有 15% 、 25% 、 40% 、 60% 几种,每个周期为 10min 。此外, Y3 132M 4 型电动机的主要技术数据还有:功率因数 0.84 ,效率( % ) 87 。7. 3 三相异步电动机的继电三相异步电动机的继电器控制器控制7. 3. 1 7. 3. 1 常用控制电器常用控制电器1. 1. 刀开

189、关刀开关刀开关是一种手动电器,用来不频繁地接通和断开电路,起到隔离电源的作用,其外形和符号如图 7.3. 1 所示。刀开关由静触头、动触片、手柄、底板构成,通常刀开关的进线接在静触头,负载接在另一侧,保证当切断电源时,触刀不带电。图 7.3. 1 刀开关2. 按钮按钮按钮通常用来接通或断开控制电路(其中电流很小),从而控制电动机或其他电气设备的运行。将按钮帽按下时,下面一对原来断开的静触点被动触点接通,以接通某一控制电路;而上面一对原来接通的静触点则被断开,以断开另一控制电路。原来就接通的触点,称为动断触点或常闭触点;原来就断开的触点,称为动合触点或常开触点。常见控制按钮如图 7.3. 2 所

190、示。图 7.3. 2 控制按钮3. 交流接触器交流接触器交流接触器常用来接通和断开电动机或其他设备的主电路,每小时可开闭千余次。接触器主要由电磁铁和触点两部分组成。它是利用电磁铁的吸引力而动作的。图 7.3. 3所示是交流接触器的主要结构图。当吸引线圈通电后,吸引“山”字形动铁芯(上铁芯),从而使动合触点闭合。图 7.3. 3 交流接触器4. 热继电器热继电器热继电器用来保护电动机使之免受长期过载的危害。热继电器是利用电流的热效应而动作的,它的原理图如图 7.3. 4 所示。热元件是一段电阻不大的电阻丝,接在电动机的主电路中。双金属片由两种具有不同线膨胀系数的金属碾压而成。图中,下层金属的膨胀

191、系数大,上层金属的膨胀系数小。当主电路中电流超过容许值而使双金属片受热时,它便向上弯曲,因而脱扣,扣板在弹簧的拉力下将动断触点断开。触点是接在电动机的控制电路中的。控制电路断开而使接触器的线圈断电,从而断开电动机的主电路。由于热惯性,热继电器不能作短路保护。因为发生短路事故时,要求电路立即断开,而热继电器是不能立即动作的。图 7.3. 4 热继电器5. 熔断器熔断器熔断器是最简便的而且是有效的短路保护电器,如图 7.3. 5 所示。熔断器中的熔片或熔丝用电阻率较高的易熔合金制成,例如铅锡合金等;或用截面积甚小的良导体制成,例如铜、银等。线路在正常工作情况下,熔断器中的熔丝或熔片不应熔断。一旦发

192、生短路或严重过载时,熔断器中的熔丝或熔片应立即熔断。图 7.3. 5 熔断器7. 3. 2 电动机基本控制线路电动机基本控制线路1. 笼型电动机直接启动的控笼型电动机直接启动的控制线路制线路图 7.3. 6 所示是中、小容量笼型电动机直接启动的控制线路,其中用了组合开关 Q 、交流接触器 KM 、按钮 SB 、热继电器 FR 及熔断器 FU 等几种电器。图 7.3. 6 笼型电动机自锁控制线路如果将图 7.3. 6 中的自锁触点 KM 除去,则可对电动机实现点动控制,就是按下启动按钮 SB2 ,电动机就转动,一松手就停止。这在生产上也是常用的,例如在调整时用。2. 笼型电动机正反转的控制笼型电

193、动机正反转的控制线路线路图 7.3. 7 ( a )所示的控制线路中,正转接触器 KM F 的一个动断辅助触点串接在反转接触器KM R 的线圈电路中,而反转接触器的一个动断辅助触点串接在正转接触器的线圈电路中。这两个动断触点称为联锁触点。这样一来,当按下正转启动按钮 SB F 时,正转接触器线圈通电,主触点 KM F 闭合,电动机正转。与此同时,联锁触点断开了反转接触器 KM R 的线圈电路。因此,即使误按反转启动按钮 SB R ,反转接触器也不能动作。但是这种控制电路有个缺点,就是在正转过程中要求反转,必须先按停止按钮 SB1 ,让联锁触点 KM F 闭合后,才能按反转启动按钮使电动机反转,

194、带来操作上的不方便。为了解决这个问题,在生产上常采用复式按钮和触点联锁的控制电路,如图 7.3. 7 ( b )所示,当电动机正转时,按下反转启动按钮 SBR ,它的动断触点断开,而使正转接触器的线圈 KM F断电,主触点 KM F 断开。与此同时,串接在反转控制电路中的动断触点 KM F 恢复闭合,反转接触器的线圈通电,电动机就反转。同时串接在正转控制电路中的动断触点 KM R 断开,起着联锁保护的作用。图 7.3. 7 笼型电动机正反转控制线路3. 时间控制时间控制在交流电路中常采用空气式时间继电器,如图 7.3. 8 所示,它是利用空气阻尼作用而达到动作延时的目的。当吸引线圈通电后就将动

195、铁芯吸下,使动铁芯与活塞杆之间有一段距离。在释放弹簧的作用下,活塞杆就向下移动。在伞形活塞的表面固定有一层橡皮膜。因此当活塞向下移动时,在膜上面造成空气稀薄的空间,活塞受到下面空气的压力,不能迅速下移。当空气由进气孔进入时,活塞才逐渐下移。移动到最后位置时,杠杆使微动开关动作。延时时间即为自电磁铁吸引线圈通电时刻起到微动开关动作时为止的这段时间。通过调节螺钉调节进气孔的大小,就可调节延时时间。图 7.3. 8 空气式时间继电器吸引线圈断电后,依靠恢复弹簧的作用而复原。空气经由出气孔被迅速排出。图 7.3. 8 所示的时间继电器是通电延时,有两个延时触点:一个是延时断开的动断触点,一个是延时闭合

196、的动合触点。此外,还有两个瞬时触点,即通电后下面的微动开关瞬时动作。图 7.3. 9 是单台电机时间控制线路,能实现电机运行时间的定时控制。图 7.3. 9 单台电机时间控制线路7. 4 三速异步电动机启动和自动三速异步电动机启动和自动加速控制电路加速控制电路图 7.4. 1 所示为由两只时间继电器构成的三速异步电动机启动和自动加速控制电路图。图 7.4. 1 中, SB 1 为停止按钮开关; SB 2 为启动按钮开关; KA 为中间继电器; 1KM 为电动机低速运转控制交流接触器; 2KM 为电动机中速运转控制交流接触器; 3KM 为电动机高速运转控制交流接触器; 1KT 为时间继电器,有一

197、组常开延时闭合触点 1KT1 ,一组常闭延时断开触点 1KT 2 ; 2KT 也为时间继电器,有一组常闭延时断开触点 2KT 1 ,一组常开延时闭合触点 2KT 2 。图 7.4. 1 三速异步电动机启动和自动加速控制电路图7. 4. 1 工作原理工作原理图 7.4. 1 所示电路的工作原理可从以下几个方面来进行分析说明。1. 启动控制启动控制合上电源开关 QS ,按下启动开关 SB2 按钮后, KA 继电器线圈得电, KA 2 常开触点闭合后自锁,其 KA 1 与 KA 4 常开触点闭合后,使 1KM 与 1KT 线圈均得电。当 1KM 线圈得电后,其 1KM 1 和 1KM 2 常闭触点均

198、断开, 1KM 4 1KM 7 常开触点均闭合,使电动机得电,启动低速运转。2. 中速运行控制中速运行控制当 1KT 时间继电器线圈得电,经一段时间延时后,其常开延时断开触点 1KT 2 断开,切断了 1KM 线圈的供电,使 1KM 失电,从而使 1KM 1 和 1KM 2 常闭触点复位接通, 1KM 4 1KM 7 常开触点断。与此同时, 1KT 时间继电器的常开延时闭合触点 1KT 1 闭合,又使 2KM 交流接触器线圈和 2KT 时间继电器线圈均得电。当 2KM 线圈得电后,其 2KM 6 常开触点闭合后自锁, 2KM 1 和 2KM 2 常闭触点均断开,2KM 3 2KM 5 常开触点

199、闭合后,使电动机中速运转。3. 高速运行控制高速运行控制当 2KT 时间继电器线圈得电,经过一段时间的延时后,其常闭延时断开触点 2KT 1 断开,从而切断了 2KM 线圈的供电,使 2KM 断电,常开触点释放,其 2KM 1 和 2KM 2 常闭触点复位闭合, 2KM 3 2KM 5 常开触点断开。与此同时, 2KT 时间继电器的常开延时闭合触点 2KT2 闭合,又使 3KM 交流接触器线圈得电,其 3KM 3 常闭触点均断开,进行互锁以防误按开关造成短路; 3KM 5 3KM 7 常开触点闭合后,使电动机进入高速运转状态。7. 4. 2 安装指导安装指导三速电动机是在双速电动机的基础上发展

200、而来的。图 7.4. 2 所示为双层绕组、恒转矩的三速电动机内部定子绕组的接线示意图。图 7.4. 2 双层绕组、恒转矩的三速电动机内部定子绕组的接线示意图习习 题题 77. 1 三相异步电动机的定子和转子主要由哪些部分构成,各起什么作用?7. 2 简述三相异步电动机的转动原理。7. 3 若供电电源频率 f =50Hz ,三相异步电机电动机的转速是否高于 3000r / min ? 为什么?7. 4 交流接触器有何用途,主要由哪些部分构成,各起什么作用?7. 5 简述热继电器的主要结构和动作原理。7. 6 在题 7. 6 图中,有几处错误? 请改正。题 7.6 图第8 章常见半导体器件及应用8

201、. 1 半导体基础知半导体基础知识识8. 2 半导体二极半导体二极管管8. 3 二极管的应二极管的应用用8. 4 半导体三极半导体三极管管8. 5 三极管的应三极管的应用用8. 6 场效应场效应管管8. 7 仿真实验仿真实验习习题题 88. 1 半导体基础知识半导体基础知识所谓半导体,就是指它的导电特性处于导体和绝缘体之间,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体具有热敏性、光敏性、掺杂性。所谓热敏性,指的是半导体对温度反应灵敏,环境温度升高,它的导电性能增强。因此,人们根据这种特性制成各种热敏元件,如双金属片、热电偶、铂热电阻、热敏电阻等。光敏性指的是半导体对光照反应灵敏,它受到光照时

202、,导电性能变得很强;无光照时,基本不导电。基于此,人们可制作出各种光敏元件,如光敏二极管、光敏三极管等。另外,若在纯净的半导体中掺入某种杂质后,它的导电性能可以大大增强到原来的几十万到几百万倍,半导体二极管、三极管、场效应管等应运而生。8. 1. 1 本征半导体本征半导体本征半导体指的是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。由于半导体具有晶体结构,所以由半导体构成的管件也称为晶体管。典型的本征半导体有硅、锗。它们的原子结构示意图如图 8.1. 1 所示。由图 8. 1. 1 可见,纯净的硅和锗都属于四价元素,其原子的最外层有四个价电子,它们呈晶体结构排列,原子排列整齐,为了达到原子最外层有八个电子

203、的稳定状态,最外层的四个价电子与相邻的四个原子所共有,形成了共价键结构。图 8.1. 1 硅、锗原子结构图硅原子共价键结构示意图如图 8.1. 2 所示。从示意图中可以看到,一旦形成共价键后,每个原子的最外层价电子都两两成为相邻两个原子所需要的价电子,每一对价电子同时受到两个相邻原子核的吸引而被紧紧地束缚在一起。这种束缚使得价电子不像导体那样容易挣脱原子核的束缚,也不像绝缘体那样被原子核束缚得很紧。因此,半导体的导电性介于导体与绝缘体之间。图 8.1. 2 硅原子共价键结构图常温下,这些束缚的价电子很难脱离共价键成为自由电子。但是共价键中的价电子在获得一定的能量(受光照、环境温度升高、辐射等)

204、后,会发生本征激发现象,如图 8.1. 3 所示,即价电子在一定的能量下可以挣脱共价键的束缚成为自由电子,同时在共价键上留下一个空位,这个空位被称为空穴。自由电子带负电,空穴因失去一个电子带正电。由于共价键破裂而形成的自由电子和空穴称为电子 空穴对。图 8.1. 3 本征激发8. 1. 2 杂质半导体杂质半导体本征半导体中虽然有自由电子和空穴两种载流子参与导电,但是数量极少,因此导电性能很差。如果在其中掺入适量的杂质,可大大提高半导体的导电性能,故掺入微量杂质的半导体称为杂质半导体。杂质半导体可分为 N 型半导体和 P 型半导体两类。1.N 型半导体型半导体如果在本征半导体硅或锗中掺入五价(磷

205、、砷等)元素,则这些元素的原子最外层有五个价电子,这个元素与相邻的硅原子形成共价键的时候,因存在一个多余的价电子不受共价键的束缚,从而形成自由电子,如图 8.1. 4 ( a )所示。五价元素掺得越多,自由电子的浓度就越大,导电能力就大大增强。其中,自由电子是多数载流子(多子),而由本征激发出来的空穴是少数载流子(少子),因而这类半导体主要靠自由电子导电,故称为电子半导体,也叫 N 型半导体图 8.1. 4 ( b )给出了 N 型半导体表示法。其中“ ”代表磷原子,“ ”代表自由电子。图 8.1. 4 N 型半导体结构及表示法2.P 型半导体型半导体如果在本征半导体硅或锗中掺入三价(硼、铝等

206、)元素,则这些元素的原子最外层有三个价电子,这个元素与相邻的硅原子形成共价键的时候,因缺少一个价电子,从而形成空穴,如图 8.1. 5 ( a )所示。三价元素掺得越多,空穴的浓度就越大,导电能力越强。其中,空穴是多数载流子(多子),而由本征激发出来的自由电子是少数载流子(少子),因而这类半导体主要靠空穴导电,故称为空穴半导体,也叫 P 型半导体。图 8.1. 5 ( b )给出了 P 型半导体表示法。其中“ ”代表硼原子,“ ”代表空穴。图 8.1. 5 P 型半导体结构及表示法8. 1. 3 PN 结的形成及特性结的形成及特性1.PN 结的形成结的形成在同一块半导体基片上的不同区域通过掺入

207、不同的杂质形成 P 型半导体和 N 型半导体,由于 P 区空穴浓度大,电子浓度小,而 N 区电子浓度大,空穴浓度小,因此电子和空穴存在浓度差, P 区空穴就向 N 区扩散,同样 N 区电子向 P 区扩散。图解如图 8.1. 6 ( a )所示。图 8.1. 6 PN 结的形成向对方扩散的多子在两种半导体的交界面附近基本复合掉,仅在交界面的两侧留下了不能移动的等量的正、负离子,形成空间电荷区,建立了从正离子指向负离子的内电场。所以说多子的扩散使得空间电荷区变宽。图解如图 8.1. 6 ( b )所示。由于内电场方向与多子扩散方向相反,因此内电场阻碍多子的扩散。内电场越宽,场强就越大,阻碍多子扩散

208、的能力就越强。同时,做杂乱无章运动的少子进入内电场后,在电场力的作用下,做与扩散反方向的运动,这种运动我们称为漂移运动。图解如图 8.1. 6 ( c )所示。内电场的场强越大,漂移运动越明显,内电场促进少子的漂移,这种漂移使得在空间电荷区的边界处的正、负离子容易捕获漂移过来的电子和空穴(正离子捕获电子,负离子捕获空穴),从而使得空间电荷区变窄。图解如图 8.1. 6 ( d )所示。在无外电场的情况下,最终扩散运动和漂移运动达到动态平衡,空间电荷区的左右边界确定,此时的空间电荷区称为 PN 结。 PN 结的宽度保持在一个相对稳定的状态。 PN 结也叫空间电荷区、内电场。由于在 PN 结内,多

209、子都复合耗尽掉,因此 PN 结也叫耗尽层。2.PN 结的特性结的特性1 )外加正压PN 结外加正压指的是 P 型半导体接外加电压正极, N 型半导体接外加电压负极,如图8. 1. 7 所示。此时外电场的方向和内电场的方向相反,多子扩散和少子漂移的动态平衡被打破,多子向对方进行扩散。向对方扩散的多子一部分在空间电荷区中复合掉,另一部分被空间电荷区内左右两边的正、负离子捕获(正离子捕获电子,负离子捕获空穴),空间电荷区变窄,内电场的作用被削弱,削弱的内电场使得多子的扩散能力进一步加强,更多的多子向对方扩散,从而形成较大的扩散电流(正向电流)。图 8.1. 7 PN 外加正压2 )外加反压PN 结外

210、加反压指的是 P 型半导体接外加电压负极, N 型半导体接外加电压正极,如图8. 1. 8 所示。此时外电场的方向和内电场的方向相同,少子在外电场的作用下做定向移动,由于少子的排列在靠近空间电荷区的地方较多,离空间电荷区较远的地方较少,因此空间电荷区外侧两边的多子容易被做定向移动的少子复合掉( N 区的电子被少子空穴复合掉, P 区的空穴被少子电子复合掉),仅剩下不能移动的正、负离子,空间电荷区变宽,内电场增强,增强的内电场更加促进少子的漂移,阻碍多子的扩散,而少子的数量很少,形成的漂移电流很小(反向电流)。这么小的电流我们一般忽略不计,因此,我们称 PN 结反向截止。 PN 结截止时,结电阻

211、很大。图 8.1. 8 PN 外加反压8. 2 半导体二极管半导体二极管8. 2. 1 8. 2. 1 二极管的基本结构与分类二极管的基本结构与分类几种常见的二极管实物图如图 8.2. 1 所示,二极管的内部结构和符号如图 8. 2. 2 所示。从二极管的内部结构来看,将一个 PN 结连上电极引线,再封装到管壳中,就成了半导体二极管,简称二极管。从 P 区引出的为阳极(又称正极),从 N 区引出的为阴极(又称负极),文字符号用 VD 表示。图 8.2. 1 半导体二极管实物图二极管按照材料可分为硅管、锗管、砷化镓管;按照结构可分为点接触型、面接触型、平面型;按照用途可分为普通二极管、整流二极管

212、、开关二极管、稳压二极管、发光二极管、光敏二极管、变容二极管等。图 8.2. 2 半导体二极管内部结构和符号8. 2. 2 二极管的伏安特性与基本二极管的伏安特性与基本参数参数1. 伏安特性伏安特性所谓二极管伏安特性,指的是二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。其关系曲线如图 8.2. 3 所示。通过这条曲线可以看出,二极管和 PN 结一样具有单向导电性,即当二极管两端加正向电压时导通,加反向电压时截止。在一般情况下,二极管的伏安特性近似为理想化,即在二极管正向导通时管压降取零值,二极管近似成导线;二极管反向截止时电流取零值,二极管近似成开路。这样的二极管称为理想二极管。图 8.2. 3

213、二极管的伏安特性曲线2. 主要参数主要参数二极管的主要参数如下。(1 )最大整流电流 I CM :指二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。使用时通过二极管的正向电流要小于此电流,否则可能导致二极管的热损坏。(2 )反向工作峰值电压 U RM :指保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压,一般是二极管反向击穿电压的一半或三分之二。二极管一旦击穿就不能正常使用。(3 )反向峰值电流 I RM :指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大,说明管子的单向导电性差,其受温度的影响大,温度越高,反向电流越大。(4 )最高工作频率 f M :指二极管应用时单向导电性出现明显差异的频率。

214、8. 2. 3 二极管的命名及选用二极管的命名及选用1. 二极管的命名二极管的命名1 )国产二极管命名规则国产二极管的型号由五部分组成。第一部分:用阿拉伯数字表示器件的电极数目,如 2 表示二极管。第二部分:用汉语拼音字母表示器件的材料和极性,如 A 表示 N 型锗材料, B 表示 P 型锗材料, C 表示 N 型硅材料, D 表示 P 型硅材料。第三部分:用汉语拼音字母表示器件的类型,如 P 表示普通管, V 表示微波管, W 表示稳压管, C 表示参量管, Z 表示整流管, L 表示整流堆, S 表示隧道管, N 表示阻尼管, U 表示光电器件, K 表示开关管。第四部分:用数字表示器件序

215、号。第五部分:用汉语拼音字母表示规格号,如 A 、 B 、 C 、 D 、 E 表示耐压档次, A 是 25V耐压, B 是 50V 耐压, C 是 100V 耐压,字母越大,耐压值越高。2 )国外二极管命名规则目前我们最常用的国外二极管是 1N 系列,如 1N4001 、 1N4002 、 1N4007 等。1N 是日本电子元件命名法:“ 1 ”代表有一个 PN 结的二极管,“ N ”代表注册标志,“ 4007 ”代表登记号。2. 半导体二极管的选用半导体二极管的选用通常小功率锗二极管的正向电阻值为 300500 ,硅管为 1k 或更大些。锗管反向电阻为几十千欧姆,硅管反向电阻在 500k

216、以上(大功率二极管的数值要大得多)。正反向电阻差值越大越好。点接触二极管的工作频率高,不能承受较高的电压和通过较大的电流,多用于检波、小电流整流或高频开关电路。面接触二极管的工作电流和能承受的功率都较大,但适用的频率较低,多用于整流、稳压、低频开关电路等方面。8. 2. 4 二极管的测量与判别二极管的测量与判别1. 二极管极性判断二极管极性判断对于 2AP12AP7 、 2AP112AP17 等系列的二极管,二极管有色点的一端为正极。对于透明玻璃壳封装的二极管,内部连触丝的一端是正极,连半导体片的一端是负极。对于 1N4000 系列的塑封二极管,有圆环标志的一端是负极。对于无标记的二极管,可用

217、万用表电阻挡测量二极管正、反向阻值来判别二极管的正、负极。二极管具有正向电阻小、反向电阻大的特点。将万用表拨到“ R100 ”或“ R1k ”挡,用红、黑表笔分别与二极管的两极相接,测量二极管正、反向阻值。当所测的阻值较小时,与黑表笔相接的一端为二极管的正极;当所测的阻值较大时,与红表笔相接的一端为二极管的正极。2. 二极管好坏判断二极管好坏判断万用表拨到“ R100 ”或“R1k ”挡,用红、黑表笔分别与二极管的两极相接,测量二极管正、反向阻值。一般二极管的正向阻值约为几十到几百欧姆,反向阻值约为几千欧姆到几百千欧姆。如果测得的正、反向电阻均很小,说明管子内部短路;反之,如果测得的正、反向电

218、阻均很大,则说明管子内部开路。在这两种情况下,管子就不能使用了。8. 3 二极管的应用二极管的应用8. 3. 1 8. 3. 1 普通二极管的应用举例普通二极管的应用举例普通二极管的应用主要是利用它的单向导电性。它可以用于限幅、检波、整流、元件保护等。应用应用 1 : 1 :限幅限幅限幅又叫削波,它是把输出的信号限制在一定的范围内,或者说是将输入信号的某部分削去。例例 8.3. 1 如图 8. 3. 1 ( a )所示,已知 u i = sin t V , VD 1 和 VD 2 均为硅二极管,导通压降为 0.7V ,试画出 u o 。图 8.3. 1 二极管限幅电路解解 当 u i -0.7

219、V 时,二极管 VD 2 导通, VD 1 截止,输出电压 u o =-0. 7V 。当 -0.7V u i 基极电压 发射极电压。根据这个原则,搭建实验线路如图 8.4. 3 所示。这里发射极为公共端,因此这种接法的电路称为共发射极电路。改变电阻 R B 的阻值,记录测量的基极电流 I B 、集电极电流 I C 、发射极电流 I E 到表 8.4. 1 。图 8.4. 3 三极管电流放大实验电路通过实验结果可得实验结论如下:(1 )无论三极管的电流变化如何,三个电流始终满足KCL ,即 I E = I C +I B 。(2 ) I C和 I E 电流较大, I B 很小,因此 I E I C

220、 。(3 ) I B 很小,但对 I C有控制作用, I C 随着 I B 的改变而改变,两者有相应的比例关系,基极电流的微小变化 I B 引起集电极电流的较大变化 I C ,这就是三极管的电流放大作用。8. 4. 3 三极管的特性曲线三极管的特性曲线1. 输入特性曲线输入特性曲线输入特性曲线是指当集 射极电压 U CE 为常数时,输入电路中的基极电流 I B 与基 射极电压 U BE 之间的关系曲线。该曲线如图 8.4. 4 所示。由图可见,三极管的输入特性与二极管的伏安特性相似。图 8.4. 4 三极管输入特性曲线2. 输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线是指当基极电流 I B 为常数时,

221、输出回路中集电极电流 I C 与集 射极电压U CE 之间的关系曲线。该曲线如图 8. 4. 5 所示。由图可见,由于在不同的 I B 下可得到不同的曲线,所以三极管的输出特性曲线是一组曲线。当 I B 增大时,相应的 I C 也增大,曲线上移,而且 I B 微小的增加会引起 I C 较大的增加,这就是三极管的电流放大作用。图 8.4. 5 三极管输出特性曲线例例 8.4. 1 图 8. 4. 6 所示各三极管均为硅管,测得的各管脚的电压值分别如图 8. 4. 6 所示,试分析各三极管工作在什么区。图 8.4. 6 例 8. 4. 1 图解解 在图 8.4. 6 ( a )中, U BE =0

222、. 75V , U CE =0. 3V ,则发射结正偏,集电结正偏,所以该三极管工作在饱和区。在图 8.4. 6 ( b )中, U BE=0. 62V , U CE=6V ,则发射结正偏,集电结反偏,所以该三极管工作在放大区。在图 8.4. 6 ( c )中, U BE=-0. 2V , U CE =6V ,则发射结反偏,集电结反偏,所以该三极管工作在截止区。例例 8.4. 2 图 8. 4. 7 所示各三极管均为 NPN 管且工作在放大状态,且测得的各管脚对地电位如图 8.4. 7 所示。试判断各三极管的管脚及类型。图 8.4. 7 例 8. 4. 2 图解解 通过前面的学习可知,对于 N

223、PN 型的三极管如果工作在放大状态, U BE 0.60. 7V为硅管, U BE 0.20. 3V 为锗管,其三个管脚的电位关系为 V C V B V E 。在图 8.4. 7 ( a )中, 7V 对应的管脚为 C 极, 1. 6V 对应的管脚为 B 极, 1V 对应的管脚为E 极, U BE =1. 6-1=0. 6V 。因此该管为硅管。在图 8.4. 7 ( b )中, 10V 对应的管脚为 C 极, 3V 对应的管脚为 B 极, 2. 8V 对应的管脚为 E 极, U BE =3-2.8=0. 2V 。因此该管为锗管。8. 4. 4 三极管的主要参数三极管的主要参数三极管的主要参数如

224、下所述。(1 )集 基极反向漏电电流 I CEO :指当发射极开路、集电极上加一反向电压时,流过集电极的反向电流。该电流越小,管子受温度的影响越小。(2 )集 射反向饱和电流 I CEO :指当基极开路时,流过集电极、发射极之间的反向电流。此电流也称为穿透电流,它越小越好。 I CEO = (1+ ) I CEO 。(3 )集电极最大允许电流 I CM :晶体管的集电极电流 I C 若超过一定的数值,它的电流放大倍数 将显著下降,下降到 2 / 3 时所对应的集电极电流为集电极最大允许电流 I CM 。(4 )集 射极击穿电压 U ( BR ) CEO :指基极开路时,允许加在集电极和发射极之

225、间的最大电压。(5 )集电极最大允许耗散功率 P CM :指集电极电流流过集电结时要产生功率损耗,使集电结发热,当结温超过一定数值后,管子性能变坏,甚至于烧坏。为了使管子结温不超过允许值,规定了此参数。三极管工作时,设管子两端的压降为 U CE ,集电极流过的电流为 I C ,则P CM = U CEI C 。8. 4. 5 三极管的命名及选用三极管的命名及选用1. 三极管的命名三极管的命名国产三极管的型号由五部分组成。第一部分:用阿拉伯数字表示器件的电极数目,如 3 表示三极管。第二部分:用汉语拼音字母表示器件的材料和极性。如 A 表示 PNP 型锗材料, B 表示NPN 型锗材料, C 表

226、示 PNP 型硅材料, D 表示 NPN 型硅材料, E 表示化合物材料。第三部分:用汉语拼音字母表示器件的类型,如 G 表示高频小功率管, X 表示低频小功率管, A 表示高频大功率管, D 表示低频大功率管, T 表示闸流管,K 表示开关管, V 表示微波管, B 表示雪崩管, J 表示阶跃恢复管, U 表示光敏管(光电管),J 表示结型场效应晶体管。第四部分:用数字表示器件序号。第五部分:用汉语拼音字母表示规格号。2. 三极管的选用三极管的选用选用三极管既要符合设备及电路的要求,又要符合节约的原则。选管时一般应考虑工作频率、集电极电流、耗散功率、电流放大系数、反向击穿电压、稳定性及饱和压

227、降等参数。这些因素具有相互制约的关系,在选管时应抓住主要矛盾,兼顾次要因素。低频管的特征频率一般在 2.5MHz 以下,而高频管的特征频率从几十兆赫兹到几百兆赫兹甚至更高,选管时应使特征频率为工作频率的 310 倍。原则上讲,高频管可以代换低频管,但是高频管的功率一般都比较小,动作范围窄,在代换时应注意功率条件。选择三极管时一般希望 选大一些,但也不是越大越好。 太高容易引起自激振荡。另外,一般 高的管子工作大多不稳定,受温度影响大,通常 多选在 40100 之间。但低噪声、高 值的管子( 1815 、 90119015 等)其 值达数百时温度稳定性仍较好。另外,对整个电路来说还应该从各级的配

228、合来选择 。例如,前级用 高的,后级就可以用 较低的管子;反之,前级用 较低的,后级就可以用 较高的管子。另外,集 射反向击穿电压 U CEO 的值应选得大于电源电压,穿透电流越小,对温度的稳定性越好。普通硅管的稳定性比锗管好得多,但普通硅管的饱和压降较锗管大,在某些电路中会影响电路的性能,应根据电路的具体使用情况选用。选用三极管的耗散功率时应根据不同电路的要求留有一定的裕量。对高频放大、中频放大、振荡器等电路用的三极管,应选用特征频率高、极间电容较小的三极管,以保证在高频情况下仍有较高的功率增益和稳定性。8. 4. 6 三极管的测量与判别三极管的测量与判别1. 三极管类型和引脚判断三极管类型

229、和引脚判断1 )从封装外形上判引脚对于常用的 9011 、 9012 、 9013 、 9014 、 9015 、 9018 、 8050 、 8550 、 C2078 等系列中小功率塑料三极管,如图 8.4. 8 ( a )所示,把印有型号的平面朝向自己,三个引脚向下放置,从左向右依次为发射极(E )、基极( B )、集电极( C )。对于如图 8. 4. 8 ( b )所示的三极管,金属帽底端有一个小突起,将底端面朝自己,距离这个突起最近的是发射极( E ),然后顺时针依次是基极(B )、集电极( C )。对于如图 8. 4. 8 ( c )所示的三极管,金属帽底端没有突起,将底端面朝自己

230、,顺时针依次是发射极(E )、基极( B )、集电极( C )。图 8.4. 8 三极管引脚判断2 )用万用表判三极管类型和引脚将万用表拨到“ R100 ”挡,将任意一个表笔固定在三极管任意一个引脚上,用另一个表笔测另两个引脚,如果一次导通,一次不通,则固定的引脚不是基极。表笔色不变,另换一个引脚作为测量的固定脚,再测量,如果两次都不导通,则交换表笔,重复上述步骤。直到测到两次都通,则固定的引脚为基极。如果固定的表笔是黑表笔,则三极管是 NPN 型;如果固定的表笔是红表笔,则三极管是 PNP 型。NPN 管:任意假设一个为集电极,用黑表笔接在假设的集电极上,红表笔接在假设的发射极上,将手蘸湿捏

231、住集电极和基极,记录阻值,然后假设另一个极为集电极,重复上述过程,记录阻值,阻值大的那一次假设正确,则黑表笔接的为集电极,红表笔接的为发射极。PNP 管:任意假设一个为集电极,用红表笔接在假设的集电极上,黑表笔接在假设的发射极上,将手蘸湿捏住集电极和基极,记录阻值,然后假设另一个极为集电极,重复上述过程,记录阻值,阻值大的那一次假设正确,则红表笔接的为集电极,黑表笔接的为发射极。2. 三极管好坏判断三极管好坏判断(1 )用前面的方法判不出引脚,则三极管是坏的。(2 )以 NPN 型管为例,当将黑表笔接基极、红表笔分别接集电极和发射极时,测出的两个 PN 结的正向电阻应为几百欧姆或几千欧姆,然后

232、把表笔对调再测两个 PN 结的反向电阻,一般应为几十千欧姆或几百千欧姆以上。然后再用万用表测发射极和集电极之间的电阻,测完后对调表笔再测一次,两次的阻值都应在几十千欧姆以上,这样的三极管可以基本上断定是好的。3. 三极管的放大能力判断三极管的放大能力判断将万用表调到“ R100 ”或“R1k ”挡,以 NPN 型管为例,红表笔接发射极,黑表笔接集电极,测出的阻值一般应为几十千欧姆以上;然后在基极和集电极之间串接一个100k 的电阻,这时用万用表所测的阻值应明显地减少,变化越大,说明该三极管的放大能力越大,三极管正常;如果变化很小或根本没有变化,则说明该三极管没有放大能力或放大量很小。8. 5

233、三极管的应用三极管的应用8. 5. 1 8. 5. 1 普通三极管的应用举例普通三极管的应用举例普通三极管的应用大致如下:(1 )普通三极管与合适的电路相组合,可构成基本放大器、差分放大器、反馈放大器、功率放大器、振荡器等。此时的三极管基本工作在放大区。这些电路的结构、原理、计算选择、应用等将在后续的章节作重点介绍。(2 )普通三极管工作在饱和区和截止区,此时三极管就相当于开关,即三极管工作在截止区,相当于开关断开,三极管工作在饱和区,相当于开关闭合。这样的三极管与相关电路相配合,可构成与门、或门、非门、触发器、组合逻辑电路、时序逻辑电路等。这些电路的结构、原理和应用也将会在后续的章节作重点介

234、绍。实例实例:简易水位控制电路简易水位控制电路简易水位控制电路如图 8.5. 1 所示。图中 VT 1 、 VT 2 、 VT 3 做开关用,当 VT 1 的基极只要有微弱的电流输入时, VT1、 VT 2 、 VT 3 均饱和导通。 C 1为旁路电容器。 M 为直流电动机。水箱内装有由两电极构成的水位传感器。当水面淹没电极时,电极导通,导通电阻大约为50k ,否则不通。图 8.5. 1 简易水位控制电路8. 5. 2 达林顿管及其应用达林顿管及其应用达林顿管又称为复合管,它是把两只或多只三极管的电极做适当连接,作为一只管子使用。由两只三极管复合成的复合管通常有四种接法,如图 8.5. 2 所

235、示。复合时一般前一只管子是小功率管,后一只管子是大功率管。复合管的等效管型由第一只管的管型确定。在组合成复合管时,管子的各极电流必须保持畅通。复合管的电流放大倍数 第一只管的电流放大倍数 1 第二只管的电流放大倍数 2 。图 8.5. 2 不同类型的复合管达林顿管的典型应用如下。(1 )用做大功率开关电路,比如电机调速、逆变电路等。(2 )用于驱动小型继电器、蜂鸣器等,如图 8. 5. 3 所示。图中,虚线框内是小功率 NPN 达林顿管 FN020 。当 U i 输入高电压时, FN020 导通,则有电流流过继电器 KR 的线圈,继电器动作。当 U i 输入低电压时, FN020 不导通,继电

236、器KR 不动作。图 8.5. 3 复合管驱动继电器电路(3 )用于驱动 LED 智能显示屏。 LED 智能显示屏是由微型计算机控制的,以 LED 矩阵板作显示器系统,可显示各种文字及图案。系统中的行驱动器和列驱动器均可采用高电流放大倍数、高速、低压降的达林顿管控制 LED 矩阵板上相应的像素发光。8. 5. 3 光敏三极管及其应用光敏三极管及其应用光敏三极管是由光敏二极管和三极管结合而成的,其等效电路、符号和伏安特性如图8. 5. 4 所示。从伏安特性曲线图中可知,光照强度越高,集电极电流 I C 越大。光敏三极管的灵敏度较高,比光敏二极管提高了 倍,但是响应的速度要比光敏二极管慢。图 8.5

237、. 4 光敏三极管实例实例 1 :简易路灯控制器简易路灯控制器如图 8.5. 5 所示,图中 L 是路灯, J 是继电器, J 1 是继电器的常开开关, VD 是续流二极管, E 是直流电源电压。白天时光敏三极管V 导通, B 点电位接近于零,则三极管 VT 不导通,继电器 J 的线圈没有电流流过, J 1 的常开开关不闭合,路灯 L 不亮。到了晚上,无光照,光敏三极管 V 不导通,三极管 VT 的基极电位接近于直流电源电压 E ,则三极管 VT 饱和导通,继电器 J 线圈得电,常开开关 J1 闭合,路灯 L 亮起,为马路进行照明。图 8.5. 5 简易路灯控制器实例实例 2 :红外检测器红外

238、检测器红外检测器主要用于检测红外遥控发射装置是否正常工作。其电路如图 8.5. 6 所示。当红外遥控发射装置发出的红外光照射到光敏三极管 VT 1 时,其内阻减小,驱动 VT 2 导通,发光二极管 VD1 也导通发光。由于发光二极管 VD 1 的亮度取决于照射到光敏三极管 VT 1 的红外光的强度,因此,根据发光二极管 VD1 的发光亮度,可以估计出红外发射装置上的电池是否能继续使用。图 8.5. 6 红外检测器8. 6 场场 效效 应应 管管场效应管是一种较新型的半导体器件,其外形与一般的三极管相似,但两者的控制方式是不同的。三极管是电流控制型器件,输入电阻低;场效应管是电压控制型器件,输入

239、电阻高,工作时只有一种载流子参与导电,具有稳定性好、噪声低、抗干扰能力强等特点。8. 6. 1 场效应管的基本结构与工场效应管的基本结构与工作原理作原理1. 基本结构基本结构图 8.6. 1 ( a )、( b )给出了四种绝缘栅场效应管的符号。图 8. 6. 1 ( c )为 N 沟道增强型绝缘栅场效应管结构图。该管用一块低掺杂的 P 型硅片作为衬底,利用扩散工艺制作成两个高掺杂的 N + 区,并引出两个电极,分别为源极 S 和漏极 D 。另外半导体之上制作一层二氧化硅(SiO 2 )绝缘层,再在 SiO 2 之上制作一层金属铝,引出电极,作为栅极 G 。通常衬底与源极接在一起使用,大多数管

240、子在出厂时已经连接好。图 8.6. 1 场效应管结构和符号2. 工作原理工作原理以 N 沟道增强型 MOS 管为例,其工作原理如下:当 U DS 0V 、 U GS =0V 时,漏极与源极之间相当于两个背靠背的二极管,漏极、源极之间不会形成电流,即 MOS 管处于截止状态。图解见图 8.6. 2 ( a )。在 U DS =0V 的情况下,将 U DS从零开始正向增大,由于 SiO 2 绝缘层的存在,栅极电流为零,但栅极金属层将聚集正电荷,形成纵向电场,该电场向下排斥 P 型衬底中靠近 SiO 2 绝缘层的多子空穴,剩下不能移动的负离子,形成耗尽层。随着 U GS 的增大,耗尽层将纵向加宽,同

241、时继续向下排斥空穴,向上吸引电子,当电子的浓度大于空穴的浓度时, P 型半导体就被反型成 N 型半导体,此时导电沟道产生,这个导电沟道也叫反型层。这个反型层将两个 N +区连通,则 MOS 管的漏极和源极间将没有耗尽层,均为 N 区。此时的栅极和源极间电压 U GS为开启电压 U GS (th ) 。图解见图 8. 6. 2 ( b )。形成导电沟道后,在漏极与源极加电压,就可以形成漏极电流 I D 。图解见图 8.6. 2 ( c )。图 8.6. 2 N 沟道增强型 MOS 管工作原理8. 6. 2 场效应管的特性曲线场效应管的特性曲线图 8.6. 3 ( a )所示为 N 沟道增强型 M

242、OS 管的转移特性曲线。所谓转移特性,指栅 源电压对漏极电流的控制特性。图 8.6. 3 ( b )所示为 N 沟道增强型 MOS 管的输出特性曲线,它分为三个工作区:可变电阻区、恒流区、夹断区。图 8.6. 3 N 沟道增强型 MOS 管的特性曲线8. 6. 3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数场效应管的主要参数如下所述。(1 )开启电压 U GS ( th ) :增强型 MOS 管的参数,指 U DS 为一定值时,产生某一微小电流 I D所需要的 | U GS | 的最小值。(2 )直流输入电阻 R GS :指栅极和源极之间的直流电阻。(3 )跨导 g m :是 U GS 对 I D

243、控制作用大小的参数,指 U DS 在一定数值的条件下, U GS 的变化引起的I D 变化量与 U GS 变化量的比值,即8. 6. 4 场效应管与双极型三极管场效应管与双极型三极管的对比的对比场效应管与双极型三极管的对比如表 8.6. 1 所示。我们可根据不同的场合选取需要的管型。8. 7 仿仿 真真 实实 验验我们以图 8.3. 1 为例进行仿真实验。仿真软件采用 Multisim 软件,搭建的仿真电路如图8. 7. 1 所示,输出波形如图 8. 7. 2 所示。仿真的基本操作步骤如下。(1 )创建电路:从元件库中找到相关的电阻、二极管、交流电源,从仪器库里找到示波器,再进行线路的连接,得

244、到图 8.7. 1 。图 8.7. 1 仿真电路图(2 )参数设置:对交流电源、电阻、二极管进行参数设置。(3 )启动仿真开关:可从图 8. 7. 2 中观察到输入和输出波形。图 8.7. 2 示波器波形图习习 题题 88. 1 题 8. 1 图所示电路中, U =6V , u i =10sin t V ,二极管为理想二极管,试画出图中各电路输出 u o 的波形。8. 2 题 8. 2 ( a )图所示电路中,已知输入波形如题 8. 2 ( b )图所示,二极管为理想二极管,试画出图中电路输出 u o 的波形。题 8.1 图题 8.2 图8. 3 题 8. 3 图所示电路中,二极管为理想二极管

245、,求下列几种情况下,输出电压 U F 及各元件中通过的电流。(1 ) U A =10V , U B =0 ;(2 ) U A =6V , U B =2V ;(3 ) U A = =5V , U B =5V 。8. 4 有两个稳压管 VD Z 1 和 VD Z 2 ,其稳定电压分别为 6V 和 9V ,正向压降都为 0. 5V 。若要得到 0.5V 、 3V 、 6. 5V 、 9. 5V 、 15V 几种稳定电压,试问这两个稳压管及限流电阻应该如何连接? 试画出连接的电路图。题 8.3 图8. 5 题 8. 5 图所示电路中,已知稳压管的稳定电压为 5V ,试画出输出电压的波形。题 8.5 图

246、8. 6 测得几个晶体管的各极电位如题 8. 6 图所示,试判断各个晶体管分别工作在哪个区。题 8.6 图8. 7 测得某放大电路中晶体管的各极电位如题 8. 7 图所示,试识别它们的引脚,确定是NPN 管还是 PNP 管,是硅管还是锗管。题 8.7 图8. 8 测得几个晶体管的电流如题 8. 8 图所示,试识别它们的引脚,确定是 NPN 管还是PNP 管,并确定它们的电流放大倍数 题 8.8 图8. 9 试分析题 8. 9 图所示电路的原理。题 8.9 图8. 10 如何理解 MOSFET 管是电压控制型器件,而不是电流控制型器件?8. 11 试用 Multisim 软件对图 8. 5. 1

247、 “简易水位控制电路”进行仿真。通过仿真实验体会电路功能。8. 12 试用 Multisim 软件对题 8. 1 图所示电路进行仿真,观察输出波形。8. 13 试用 Multisim 软件对题 8. 5 图所示电路进行仿真,观察输出波形。8. 14 题 8. 14 图所示电路中,二极管是导通还是截止? 为什么?题 8.14 图8. 15 电路如题 8. 15 图所示,晶体管的电流放大倍数 =50 , | U BE |=0. 2V ,饱和管压降| U CES |=0. 2V ,稳压管的稳压值为 6V ,正向导通压降为 0. 5V 。试问: u i =0V 时,输出为多少? u i =-5V 时,

248、输出为多少?题 8.15 图第9 章基本交流放大电路9. 1 基本放大电路的组成及各元件的作基本放大电路的组成及各元件的作用用9. 2 放大电路的静态分放大电路的静态分析析9. 3 放大电路的动态分放大电路的动态分析析9. 4 静态工作点的设置与稳定方静态工作点的设置与稳定方法法9. 5 共集电极放大电共集电极放大电路路9. 6 多级放大电路的分析与计算多级放大电路的分析与计算 第9 章基本交流放大电路9. 7 差动放大差动放大电路电路9. 8 功率放大电功率放大电路路9. 9 三极管放大电路在电子设备中的应三极管放大电路在电子设备中的应用用9. 10 三极管开关电路在电子设备中三极管开关电路

249、在电子设备中的应的应用用习习题题 9晶体管工作区分别为放大区、饱和区、截止区。当晶体管工作在放大区时,主要是利用其组成放大电路,将微弱的电信号放大成较强的电信号,以便有效地进行观察、测量或控制较大功率的负载。9. 1 基本放大电路的组成及各元基本放大电路的组成及各元件的作用件的作用9. 1. 1 9. 1. 1 基本放大电路的组成基本放大电路的组成图 9.1. 1 是最基本的共射极交流放大电路(又称放大器)。由晶体管 VT 、电阻、电容、直流电源等组成。待放大的交流信号 u i (通常可用一个理想电压源 eS 和电阻 R S串联表示)。图 9.1. 1 共射极基本交流放大电路9. 1. 2 放

250、大电路中各元件的作用放大电路中各元件的作用晶体管 VT 是放大元件,工作在线性放大区。利用它的放大作用,当微小的输入信号电压 u i 在基极产生微小的基极电流 i B 时,晶体管控制电源 U CC 在输入回路中产生较大的与基极电流成比例的集电极电流 i C ,从而在负载上获得较大的与输入电压成比例的输出电压 u o 。如果从能量传递的角度看,输入信号的能量较小,而输出信号的能量较大,但这不是说放大电路将输入能量放大了。能量是守恒的,不能放大,输出较大能量是来自直流电源 U CC 。集电极电源电压 U CC 有两个作用:一个是保证晶体管集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作在放大区;另一个作用是为

251、电路提供能源。 U CC 一般为几伏特到几十伏特。集电极电阻 R C 将集电极电流变化转变为电压变化,以实现电压放大。 R C的阻值一般为几千欧姆到几十千欧姆。它可以是一个纯电阻,也可以是继电器、发光二极管等,作为执行元件或能量转换元件。基极偏置电阻 R B 主要作用是与电源 U CC 配合为晶体管提供合适的静态基极电流 I B (也称为偏置电流), R B 的阻值较大,一般为几十千欧姆到几百千欧姆。耦合电容 C 1 、 C 2 的主要作用是“隔直流,通交流”,它们可以有效地构成放大电路的交流信号通路,避免信号源与放大器之间直流电位的互相影响。在图 9.1. 1 中, C 1 左边与 C 2

252、右边只有交流信号,中间部分交直并存。耦合电容多采用电解电容,连接时注意极性,正极接高电位,一般为几微法拉至几十微法拉。9. 1. 3 放大电路的常用性能指标放大电路的常用性能指标1. 放大倍数放大倍数放大倍数可分为电压放大倍数、电流放大倍数、功率放大倍数。它们用于衡量放大电路对信号的放大能力,电压放大倍数是最常用的指标,表达式为2. 输入电阻输入电阻输入电阻用来衡量放大电路从信号源获取信号的能力,是信号源的负载,越大越好。它等于输入信号的电压i 与输入信号的电流i 之比,表达式为3. 输出电阻输出电阻输出电阻是用来衡量放大电路带负载能力的指标,其值越小越好,越小带负载能力越强,即负载变化时对输

253、出电压影响越小,表达式为9. 2 放大电路的静态分析放大电路的静态分析放大电路中没有交流输入信号(u i =0 )时,电路中各处的电压、电流都是不变的直流,称为静态工作状态。静态工作状态下的各电流、电压值称为静态值,用大写字母的平标和下标表示,如基极电流 I B 、集电极电流 I C 、基 射极电压 U BE 、集 射极电压 U CE ,其中根据 I B 、I C 、 U CE 的值可以在晶体管特性曲线上确定一点,称为静态工作点。静态分析的目的就是确定静态工作点,因为静态工作点选取不当,放大电路的输出会失真,甚至不能放大。9. 2. 1 直流通路法静态分析直流通路法静态分析静态值是直流,因此可

254、以用放大电路的直流通路进行分析计算。直流通路是指在直流电源作用下直流电流流经的通路。画直流通路时电容视为开路,电感视为短路,信号电压源视为短路,但应保留其内阻。图 9.2. 1 所示电路就是图 9. 1. 1 所示电路的直流通路,分析的具体步骤如下。图 9. 2. 1 图 9. 1. 1 所示放大电路的直流通路例例 9.2. 1 在图 9. 1. 1 中, U CC =12V , R C =4k , R B =300k , =37. 5 ,求放大电路的静态工作点。解解 根据图 9.2. 1 所示的直流通路,按求解步骤可得9. 2. 2 图解法静态分析图解法静态分析放大电路的静态工作点也可以通过

255、图解法确定,但考虑到作图的准确程度,一般不用图解法确定具体的静态工作点数值。图解法主要用于直观分析和了解电路参数对静态工作点的影响,以及静态工作点对放大电路工作的影响,对例 9.2. 1 用图解法确定静态工作点的步骤如下:(1 )作出放大电路中三极管的输出特性曲线。在例 9.2. 1 中, I B =40 A ,所以 I C 、 U CE 的关系就是三极管对应于 I B =40 A 的一条输出特性曲线,如图 9.2. 2 所示。(2 )作出放大电路中的直流负载线。由图 9.2. 1 所示直流通路可以得到或图 9.2. 2 图解法确定静态工作点(3 )确定静态工作点。直流负载线与三极管的某条(由

256、 I B 决定)输出特性曲线的交点 Q ,称为静态工作点,由它可以确定静态工作点的数值。例 9.2. 1 中 I B =40 A ,所以由图 9. 2.2 可确定 Q 点,得到 I B =40 A , I C =1. 5mA , U CE =6V 。由图 9.2. 2 可见, I B大小不同,静态工作点在直流负载线上的位置也不同。因此改变 I B的大小,就可以调整静态工作点的位置,以适应不同的工作状态的要求。9. 3 放大电路的动态分析放大电路的动态分析对放大电路进行动态分析时要使用交流通路,所谓交流通路是指交流信号在放大电路中的传输通道。画交流通路的原则是:电路中电容视为短路,直流电源视为短

257、路。图 9.3. 1 所示是图 9.1. 1 所示放大电路的交流通路。图 9.3. 1 图 9. 1. 1 所示放大电路的交流通路9. 3. 1 图解法动态分析图解法动态分析在进行动态分析时,由于要用到较多的电压、电流名称,因此进行统一约定,以便区别。对于静态值用大写斜体字母加大写正体字母下标表示,如基极电流 I B 、集射极电压U ce ;对于交流分量的有效值用大写斜体字母加小写正体字母下标表示,如基极电流 I b 、集射极电压U ce ;对于交流分量的瞬时值用小写斜体字母加小写正体字母下标表示,如基极电流 i b 、集射极电压 u CE;对于电路中的总电压或总电流的瞬时值用小写斜体字母加大

258、写正体字母下标表示,如基极电流 i B、集射极电压 u CE 。对例 9.2. 1 进行图解分析,图解法动态分析的具体步骤:(1 )根据 u i 的波形,在三极管输入特性曲线上求 i B 。(2 )在输出特性曲线上作交流负载线,求 i C 及 u CE 波形。(3 )求出放大倍数(不精确)。根据图 9.3. 1 所示交流通路可得放大电路输出回路电阻为类似于直流负载线,交流负载线是一条过 Q 点,斜率为 -1 / RL 的直线,如图 9. 3. 2 所示。图 9.3. 2 直流负载线与交流负载线图 9.3. 3 为放大电路有正弦输入信号的图解分析过程。由图解分析,可得如下结论:图 9.3. 3

259、放大信号有正弦输入信号的图解分析过程(1 )交流信号传输过程: u i ( u be ) i b i c u o ( u ce )。(2 )交流直流共存,即静态的直流分量上都叠加了交流分量:由于电容 C 2 的隔直作用,只有交流分量 u ce 能通过电容 C 2 ,构成输出电压 u o ,输出明显大于输入,体现了放大作用。(3 )输出与输入相位相反,即反向电压放大作用。图解法的主要作用是分析放大电路的非线性失真。三极管有三个工作区,如果静态工作点选取不当,就会使在一个输入信号周期内,三极管工作在饱和区或截止区,而产生波形失真(非线性失真)。(1 )截止失真。在图 9.3. 4 中,静态工作点

260、Q 2 的位置太低,在输入信号的负半周,三极管进入截止状态,输出电压正半周被削平,严重失真,称为截止失真。(2 )饱和失真。在图 9.3. 4 中,静态工作点 Q 1 的位置太高,在输入信号的正半周,三极管进入饱和状态,输出电压负半周被削平,严重失真,称为饱和失真。图 9.3. 4 静态工作点选取不当引起的输出失真(3 )非线性失真解决办法。产生非线性失真的原因是静态工作点不合适或者输入信号太大,使放大电路的工作范围超出了三极管的线性范围引起的。截止失真与饱和失真都是非线性失真。解决的方法是: 截止失真时,减小 R B ,使 Q 点上移。 饱和失真时,增大 R B ,使 Q 点下移。9. 3.

261、 2 微变等效法动态分析微变等效法动态分析当放大电路的输入信号电压很小时,可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替,从而对三极管放大电路进行线性化处理,即微变等效变换。图 9.3. 5 是三极管的微变等效电路。此处省略了变换推导过程,有兴趣的同学可以参考电子技术相关参考书。三极管微变等效电路中 r be 的估算公式为图 9.3. 5 三极管微变等效电路1. 画出放大电路的微变等效画出放大电路的微变等效电路电路进行动态分析时首先要画出放大电路的交流通路,如图 9.3. 1 所示,再将三极管用微变等效电路代替,即得到放大电路的微变等效电路,如图 9.3. 6 所示。由于输入是正弦信号,所以

262、图 9.3. 6 中的电压与电流可以是向量形式。图 9.3. 6 放大电路的微变等效电路图2. 电压放大倍数计算电压放大倍数计算由图 9.3. 6 可得其中因此电压放大倍数3. 求输入电阻求输入电阻输入电阻就是从放大器输入端向内看进去的等效电阻,由图 9.3. 6 及式( 9. 1. 2 ),得4. 求输出电阻求输出电阻输出电阻是从放大器输出端看进去的一个电阻。求放大器输出电阻时应将信号源短路,输出端开路(去掉负载电阻),并在输出端加一个交流电压 ,以产生一个电流。根据图 9.3. 6 及式( 9. 1. 3 ),得综合以上分析,共射极放大电路的特点为:电压放大倍数较大,输入电压与输出电压相位

263、相反,输入电阻较小,输出电阻较大。图解法与微变等效电路法的对比如表 9. 3. 1 所示。9. 4 静态工作点的设置与稳定方静态工作点的设置与稳定方法法9. 4. 1 9. 4. 1 静态工作点的设置静态工作点的设置在上一节中说过,静态工作点位置太高或太低,放大电路都会产生非线性失真,因此我们一般要求设置静态工作点在直流负载线的中间位置比较好。但是当静态工作点设置好以后经常会受到工作温度影响,例如在图 9.3.2 中,当温度上升时 I C 增大,此时直流负载线( -1 / R C )和 I B (I B U CC / R B )均未变化,而静态工作点将向上移动,进入饱和区。9. 4. 2 常用

264、静态工作点稳定电路常用静态工作点稳定电路分压式偏置放大电路分压式偏置放大电路图 9.1. 1 所示放大电路的偏流由 R B 与 U CC 确定,一经选定就固定不变,所以称为固定偏置放大电路,它不能稳定静态工作点。图 9.4. 1 ( a )所示电路是分压式偏置放大电路,它能提供合适的偏流,也能稳定静态工作点。该电路有两个基极电阻 R B1 和 R B2 ,多了射极电阻 R E及电容 C E 。图 9.4. 1 分压式偏置放大电路及其直流通路1. 静态工作点的计算静态工作点的计算先画出放大电路的直流通路,如图 9.4. 1 ( b )所示。由图可得由此可以看出, U B 与三极管参数无关,不受温

265、度影响。由图 9.4. 1 ( b )还可得出通过调整两个基极电阻 R B1 和 R B2 ,可使 U B 远远大于 U BE ,则当 R E 固定不变时, I C 和 I E 也不变。因此只要适当选取 R B1 和 R B2 ,使 I 2 远远大于 I B, U B远远大于 U BE ,则 U B 、 I C 、 I E 均与三极管参数无关,不受温度影响,因此静态工作点不变。一般 R B1 和 R B2 为几十千欧姆, U B 电位不能太高,否则,由于发射极电位 UE ( U B )增高而使U CE 减小,最终会减小放大电路输出电压范围。因此,对硅管而言,一般取 I 2 为 5 到 10 倍

266、的I B , UB 为 5 到 10 倍的 U BE 。对分压式偏置放大电路静态工作点计算过程归纳如下:2. 动态分析动态分析首先画出放大电路的微变等效电路,如图 9.4. 2 所示。图 9.4. 2 分压式偏置放大电路微变等效电路参见前面推导过程,得式(9. 4. 5 )中 R L 是等效负载,其值为 R C R L 。例例 9.4. 1 在图 9. 4. 1 ( a )所示的电路中, U CC =12V , R B1 =20k , R B2 =10k , R C =3k , R E =2k , R L =3k , =50 。计算静态工作点,求电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。解解 由式(

267、9.4. 1 ) 式( 9. 4. 4 )可得静态工作点为由式(9. 4. 5 ) 式( 9. 4. 7 )进行动态分析,得9. 5 共集电极放大电路共集电极放大电路在晶体管组成的放大电路中,将集电极作为输入和输出信号的公共端,输入电压从基极对地(集电极)之间输入,输出电压从发射极对地(集电极)之间取出,这种电路称为共集电极放大电路,由于输出电压取自发射极,因此也称射极输出器,电路如图 9.5. 1 所示。图 9.5. 1 共集电极放大电路1. 静态工作点计算静态工作点计算图 9.5. 2 是共集电极放大电路的直流通路,由此可以确定静态工作点。由图可得图 9.5. 2 共集电极放大电路的直流通

268、路2. 动态分析计算动态分析计算图 9.5. 3 是共集电极放大电路(射极输出器)的微变等效电路,由此可以进行动态分析图 9.5. 3 射极输出器微变等效电路1 )电压放大倍数由微变等效电路可知式中, RL 是等效负载,其值为 R C R L 。2 )输入电阻由微变等效电路可以看出输入电阻为 R B 与 r be + (1+ ) RL 的并联,即射极输出器输入电阻很高,可达几十千欧姆到几百千欧姆。图 9.5. 4 计算输出电阻时的等效电路3. 射极输出器特点与用途射极输出器特点与用途射极输出器的特点如下:(1 )电压放大倍数小于 1 ,且近似于 1 ,对输入电压无放大作用。(2 )输入电阻高,

269、输出电阻低。射极输出器的用途如下:(1 )用于多级放大电路的输入级。因其输入电阻高,使信号源内阻压降小,利于信号电压传送入放大器。(2 )用于多级放大电路的输出级。放大电路相对于负载而言相当于一个实际电压源,输出电阻低意味着当负载变化时,放大电路输出电阻上的压降小,从而保证负载上的输出电压变化小。9. 6 多级放大电路的分析与计算多级放大电路的分析与计算在工程应用中,由于输入信号都比较微弱,所以由一个三极管组成的单级放大电路很难满足要求。在实际使用时,一般是几个单级放大电路连接起来,使信号逐级放大,称为多级放大电路。在多级放大电路中,相邻两级的连接称为级间耦合,耦合的目的是将前一级的信号送入下

270、一级。对级间耦合的基本要求是:耦合电路对前后级放大电路静态工作点无影响;不引起信号失真,尽量减少信号电压在耦合电路上的损失。常用的耦合方式有阻容耦合、变压器耦合、直接耦合。多级放大电路最常采用的耦合方式是阻容耦合,阻容耦合时,前级与后级通过电容连接,电容的隔直作用使前后级的静态工作点不相互影响,所以两级静态工作点可以单独计算。变压器耦合体积较大不便于集成。直接耦合时,前后级静态工作点相互影响,受温度影响较大。图 9.6. 1 所示是一个阻容耦合多级放大电路。下面通过一个例题来讲述多级放大电路的分析过程。图 9.6. 1 两级阻容耦合放大电路解解 ( 1 )静态工作点计算。第一级与第二级放大电路

271、均为分压式偏置放大电路,由于是阻容耦合,静态工作点互不影响,因此可以分别单独求取(可以参照例 9.4. 1 )。第一级:( 2 )求电压放大倍数。(3 )各级输入输出电阻。第一级输入电阻(放大电路总的输入电阻):第二级输入电阻已经求出,为 0.94k 。第一级输出电阻与第二级输出电阻(电路总的输出电阻)分别为从例 9.6. 1 中可以看出,通过两级放大后,放大倍数可以达数千倍。为了简化电路,提高放大倍数还可以用复合管,也称达林顿管。复合管可以由同型管组成,也可以由不同型管组成。复合管的类型与第一个三极管相同,与后级的三极管无关,如图 9.6. 2 所示。复合管的放大倍数是两个三极管放大倍数的乘

272、积,即 = 1 2 。由相同类型的三极管组成的复合管,其总的 r be 表达式如下:由不同类型的三极管组成的复合管,其总的 r be 等于第一个三极管的 rbe 。图 9.6. 2 复合管9. 7 差动放大电路差动放大电路上一节中提到阻容耦合多级放大电路,但是在工业应用中有些地方不能使用阻容耦合多级放大电路,如测量温度的系统,由于测量信号变化缓慢,不适合用电容耦合,因此需要用直接耦合的多级放大电路,另外直接耦合的多级放大电路也利于集成。但是直接耦合放大电路最大的问题是零点漂移。所谓零点漂移,就是当输入信号为零时,输出信号不为零,而是一个随时间漂移不定的信号,简称零漂。零漂严重时可以淹没输出信号

273、。9. 7. 1 差动放大电路抑制零漂的差动放大电路抑制零漂的原理原理图 9.7. 1 是一个最基本的差动放大电路,电路的结构与元件是左右对称的。静态时 u i1 =u i2 =0 ,由于电路两边对称,因此集电极电流、电位也相等,所以输出电压当温度升高时,两管的集电极电流都增大,集电极电位都下降,并且两边的变化量相等,即零点漂移被完全抑制了。图 9.7. 1 差动放大电路差动放大电路对称性越好,抑制零漂的作用越强。但是完全对称是不可能的,因此引入电位器 R P (一般为几十欧姆,也叫调零电阻),通过调节电位器使静态时输出电压为零。 R E的主要作用是进一步减小零漂,稳定电路静态工作点。但是当

274、U CC 固定时,过大的 R E 会使集电极电流变小,为此接入电源 U EE 。当温度上升时,电路抑制零点漂移的过程如下:9. 7. 2 差动放大电路的工作原理差动放大电路的工作原理差动放大电路在双端输入时存在以下三种情况。1. 共模信号共模信号当 u i1 = u i2 时,称为共模输入信号。由于差动放大电路的对称性,因此输出电压为零,电路对共模信号没有放大能力。9. 7. 3 共模抑制比共模抑制比差模电压放大倍数和共模电压放大倍数的比值称为共模抑制比 K CMRR ,即或用对数形式表示为其中, A d 和 A c 分别表示差模信号放大倍数和共模信号放大倍数。显然,共模抑制比越大,差动放大电

275、路分辨所需要的差模信号的能力越强,而受共模信号影响越小。9. 8 功率放大电路功率放大电路在实际工程中,往往要利用放大后的信号去控制某种执行机构,如扬声器发声、电机转动等。为了控制这些负载,要求放大电路要有较大的输出电压和电流,因此最后一级一般要用功率放大电路。功率放大电路与电压放大电路并无本质区别,其不同之处在于:电压放大电路要求有较高输出,是工作在小信号状态下;而功率放大电路要求获得较高输出功率,是工作在大信号状态下。集成功率放大器的输出功率从大到小,有多种规格系列的产品,可以查阅手册选取。作为使用者不必关心器件内部结构原理,只需掌握放大器各个引脚功能和使用方法即可。下面以 D2002 为

276、例,对集成功率放大器进行介绍,如图 9.8. 1 所示。图 9.8. 1 集成功率放大电路应用输入信号 u i 经耦合电容 C 1 送入放大器输入端 1 ;放大后的信号由输出端 4 经耦合电容C 2 送到负载; 5 为电源, 3 为接地端。 R 3 、 C 4 构成高通滤波电路, R 1 、 R 2 、 C 3 构成负反馈电路,提高稳定性。该电路不失真输出功率可达 5W 。9. 9 三极管放大电路在电子设备三极管放大电路在电子设备中的应用中的应用三极管放大电路在测量、控制等领域应用十分广泛。例如在汽车电子控制系统中,任何一个传感器输出的信号都是微弱的电信号,必须经过放大后才能输入到汽车电子控制

277、单元中,经过处理后执行自动控制。在驱动元件时也要对功率较小的控制信号进行放大。9. 9. 1 汽车搭铁探测器电路汽车搭铁探测器电路图 9.9. 1 所示为汽车搭铁探测器电路,其作用是检测汽车线路是否有对车身短路的情况发生。当汽车出现搭铁短路时,该电路可以快速查找搭铁故障点所在位置。其原理如图 9.9. 1所示,当导线搭铁后,在搭铁处的短路电流会发出高频波信号,这个信号就被由线圈和铁芯构成的传感器接收到,在传感器中产生交变电信号。该信号比较微弱,但经过两个三极管构成的两级放大电路放大后,可以使 LED 发光、耳机发声。探测器离故障点越近, LED 越亮,耳机越响,从而可以快速找到故障点的位置。图

278、 9.9. 1 汽车搭铁探测器电路9. 9. 2 电动机绕组磁极检测电路电动机绕组磁极检测电路图 9.9. 2 所示为一个电动机绕组磁极检测电路,可用于电动机定子或转子重绕时判读绕组嵌线的正误以及磁极绕组线圈的首尾端等。集成电路 IC1 为运算放大器 LF351H (运算放大器将在下一章介绍,此处的作用是放大输入信号)。 VT1 与 VT 2 组成输入级差分放大电路, VT 3 与 VT 4 为输入级差分放大电路提供电流, VD3 为 VT 3 与 VT 4 提供基准电压。图 9.9. 2 电动机绕组磁极检测电路每相绕组均单独检测。在进行检测前,先调节 R P2 使电表指示为零,再将检测线圈两

279、端接上 1520V 的直流电压,然后将磁感应传感器平行放在转子或定子的极相组磁极上。这样传感器在通过电动机绕组磁场的瞬间会产生一个感应电流。根据电工技术知识,该感应电流的方向与磁力线的方向有关,大小与磁场强弱有关。传感器检测到的微弱电流分别加到差分放大器的 VT 1 与 VT 2 的基极,经差分放大器放大后从集电极输出,同时进入运算放大器,经进一步放大后,输出激励电流表,电流表会向正向或负向摆动,由此可以判断出电动机转子或定子磁矩排列顺序和强弱是否符合嵌线规律。9. 10 三极管开关电路在电子设三极管开关电路在电子设备中的应用备中的应用由三极管的工作特性可知,当三极管在饱和状态和截止状态之间转

280、换时,三极管即工作在开关状态。在电子电路中很多时候要求三极管工作在开关状态,此时受控的电子器件一般接在三极管的集电极上,控制信号加在基极上,当基极上有控制信号来临时,三极管就处于饱和导通状态,集电极和发射极之间相当于开关闭合,接在集电极上的电子器件由于得电而工作。当控制信号与基极断开时,三极管处于截止状态,集电极与基极之间相当于开关断开,电子元件的电路被切断而失电,如图 9.10. 1 所示。图 9.10. 1 三极管开关电路基本应用示意图在汽车电子电路中,通过较小的控制信号经过三极管开关电路,可以控制喷油器、继电器、指示灯、点火器等大功率器件的工作。此外,在工业控制电路中三极管也常被作为开关

281、使用,如常见的 H 桥电机驱动电路等等。三极管响应速度快、没有噪声而且不会造成机械磨损,所以在汽车电子、工业控制等领域经常用三极管取代传统的机械开关或继电器等有触点的元件9. 10. 1 H 桥电机驱动电路桥电机驱动电路图 9.10. 2 中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“ H 桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母 H 。四个三极管组成 H 的四条垂直腿,而电机就是 H 中的横杠(注意:图不是完整的电路图,其中三极管的驱动电路没有画出来)。要使电机运转,必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况,电流可能会从左至右或从右至左流过电机,从而控制电机的转向。例如,当 VT

282、 1 和 VT 4 导通、 VT 2 和 VT 3 截止时,电流就从电源正极经VT 1 从左至右穿过电机,然后再经 VT 4 回到电源负极。该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当 VT 2 和 VT 3 导通、 VT 1 和 VT 4 截止时,电流将从右至左流过电机,该流向的电流将驱动电机逆时针转动。图 9.10. 2 H 桥驱动电路9. 10. 2 喷油控制电路喷油控制电路图 9.10. 3 所示的电路是汽车发动机喷油控制电路。发动机工作时,各种传感器的信号输入给行车电脑 ECU 后,电脑根据计算和逻辑分析判断的结果,发出脉冲信号指令到三极管VT 的基极控制喷油器工作。当脉冲信号的高电平加到

283、VT 的基极时, VT 导通,喷油器线圈电流接通,产生电磁吸力将阀门打开,喷油器开始喷油。当脉冲信号的低电平加到 VT 的基极时, VT 截止,喷油器线圈电流断电,在回位弹簧的作用下阀门关闭,喷油器停止工作。图 9.10. 3 汽车发动机喷油控制电路习习 题题 9题 9.1 图9. 3 有一晶体管继电器电路,继电器的线圈作为放大电路的集电极电阻 R C =1k ,继电器动作电流为 6mA , =50 。问:(1 )基极电流多大时继电器才动作?(2 )电源电压 U CC 至少应大于多少伏特,才能使此电路工作正常?9. 4 如题 9. 1 图所示固定偏置放大电路, U CC =12V , R B

284、=300k , R C =5k , =40 。求:(1 )静态工作点;(2 )画出放大电路的微变等效电路;(3 )放大电路空载时的电压放大倍数;(4 )接负载 R L =2k 时的电压放大倍数。9. 5 如题 9. 5 图所示电路,已知 U CC =12V , R B1 =22k , R B2 =4. 7k , R E =1k ,R C =2. 5k , =50 。求:(1 )静态工作点;(2 )放大电路空载时的电压放大倍数;(3 )负载 R L =4k 时的电压放大倍数;(4 )输入、输出电阻。题 9.5 图9. 6 在题 9. 6 图所示的电路中, U CC =12V , R B1 =20

285、k , R B2 =10k , R C =2k ,R E1 =1. 8k , R E2 =0. 2k , R L =6k , =37. 5 。求:(1 )静态工作点;(2 )电路的放大倍数;(3 )输入、输出电阻;(4 )与例 9. 4. 1 对比结果,并得出结论。题 9.6 图9. 7 有一射极输出器如题 9. 7 图, U CC =12V , R B =80k , R E =800 , R L =1. 2k , =50 。求:(1 )静态工作点;(2 )电路的放大倍数;(3 )输入、输出电阻。题 9.7 图9. 8 两级阻容耦合放大电路如题 9. 8 图所示,已知晶体管 VT 1 、 VT

286、 2 的 1 = 2 =50 , U CC=12V , R B11 =51k , R B12 =8.6k , R B21 =53k , R B22 =7.5k , R E1 =1k , R E2 =0. 62k , R C1 =3k , R C2 =2k , R L = 。求:(1 )两级静态工作点;(2 )两级的电压放大倍数;(3 )总的放大倍数;(4 )如果在该电路中加入第三极,并采用射极输出器,那么对电路有何影响?题 9.8 图9. 9 查找资料说明分立元件功率放大电路与集成功率放大电路的特点与区别。第10 章集成运算放大器10. 1 集成运算放大器概集成运算放大器概述述10. 2 集成

287、运算放大器在信号运算电路中集成运算放大器在信号运算电路中的应用的应用10. 3 放大电路中的负反放大电路中的负反馈馈10. 4 集成运算放大器在电子测量电路中的应集成运算放大器在电子测量电路中的应用用10. 5 电压比较器及其在电子控制系统中的应电压比较器及其在电子控制系统中的应用用10. 6 集成运算放大器在波形产生电路中的应集成运算放大器在波形产生电路中的应用用10. 7 集成运算放大器的使用注意事项集成运算放大器的使用注意事项 10. 8 运算放大器应用实例运算放大器应用实例习题习题1010. 1 集成运算放大器概述集成运算放大器概述集成运算放大器实质上是一个放大倍数很高、输入电阻很大、

288、输出电阻很低的直接耦合多级放大电路。内部电路由输入级、中间级、输出级等部分组成,有很多种型号,我们在使用时重点关注它的参数和特性指标,以及使用方法。10. 1. 1 集成运算放大器的符号、集成运算放大器的符号、 外形与主要参数外形与主要参数1. 集成运算放大器的符号集成运算放大器的符号集成运算放大器的电路符号如图 10.1. 1 所示。它有两个输入端:“ + ”为同相输入端,表示运算放大器的输出信号与该端所加信号相位相同;“ - ”为反相输入端,表示运算放大器的输出信号与该端所加信号相位相反。图 10.1. 1 ( a )是国家标准符号,图 10. 1. 1 ( b )是国内流行符号(在大多数

289、进口的电子设计仿真软件中也用此符号)。图 10.1. 1 集成运算放大器的电路符号2. 集成运算放大器的外形集成运算放大器的外形集成运算放大器常见的封装形式有金属圆形、双列直插式和扁平式封装,所用材料有陶瓷、金属、塑料等。如图 10.1. 2 所示为 CF741 封装及外形图。其中,每个引脚在器件中的位置、功能和用途要查阅手册或说明书才能详细了解,因此查阅器件手册和说明书是用好电子元件的必备条件。图 10.1. 2 运算放大器封装及外形3. 集成运算放大器的常用参集成运算放大器的常用参数数集成运算放大器的常用参数如下。1 )开环电压放大倍数 A uo 开环电压放大倍数 A uo 是指在没有外接

290、反馈电阻时的电压放大倍数,它体现了运算放大器的电压放大能力。此值越大越好。一般在 104 到 10 7 之间。2 )最大输出电压 U OM最大输出电压 U OM是指能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。一般电源电压在 15V 时,最大输出电压在 13V 。3 )输入失调电压 U IO输入失调电压 U IO 是指为使输出电压为零,在输入级所加的补偿电压值。此值越小越好,一般为毫伏级。4 )输入失调电流 I IO输入失调电流I IO是指输入信号为零时,两个输入端静态电流之差。此值越小越好,一般为零点几微安培。5 )最大共模输入电压 U ICM运算放大器在抑制共模信号时,对共模信号的电

291、压是有一个范围的,如超过这个范围,那么共模抑制性能就大大下降,甚至损坏。6 )差模输入电阻 R id差模输入电阻 R id是指运算放大器两个输入端之间的电阻。此值越大越好,一般在几百千欧姆到几兆欧姆。10. 1. 2 理想集成运算放大器的理想集成运算放大器的分析分析在分析运算放大器时,为了使问题分析简化,通常把集成运算放大器看成理想运算放大器,实际的集成运算放大器也是接近理想运算放大器的。理想集成运算放大器的理想化条件是:(1 )开环电压放大倍数 A ud ;(2 )差模输入电阻 R id ;(3 )输出电阻 R o 0 ;(4 )共模抑制比 K CMRR 。根据以上理想化条件,当运算放大器工

292、作在线性区(另一个区是饱和区,后续内容会讲解),即输出电压随输入电压成比例变化时,可得如下结论:(1 )由于运算放大器差模输入电阻 R id ,所以同相输入端和反相输入端流经运算放大器的电流为零,即i + = i - =0由于两个输入端电流为零,与断路相似,故称为“虚断”。(2 )由于运算放大器开环电压放大倍数 A ud ,而运算放大器的输出电压是有限的,所以有即式中, u + 与 u - 分别表示同相与反相输入端的输入电压。由此可见,两个输入端好像短路,故称“虚短”。10. 2 集成运算放大器在信号运集成运算放大器在信号运算电路中的应用算电路中的应用10. 2. 1 10. 2. 1 比例运

293、算电路比例运算电路1. 1. 反相输入反相输入反相输入指输入信号加在反相输入端,经运算放大器处理后输出信号与输入信号相位相反。如图 10.2. 1 所示, R F 为反馈电阻,接在输出端与输入端之间。图 10.2. 1 反相比例运算电路根据“虚短”和“虚断”的结论可知由图可得因此得到闭环电压放大倍数为适当调整 R F 和 R 1 的值,可得到不同的放大倍数。如果 R F = R 1 ,则 A uf =-1 ,该电路就成了反相器。图中 R 2 是平衡电阻,有稳定电路的作用,通常取 R 2 = R F R 1 。2. 同相输入同相输入同相输入指输入信号从同相端输入,如图 10.2. 2 所示。根据

294、“虚短”和“虚断”的结论,仿照反相比例运算放大器的分析过程,可得闭环电压放大倍数为适当调整 R F 和 R 1 的值,可得到不同的放大倍数。如果 R 1 = 或 R F =0 ,则 A uf=1 ,该电路就成了电压跟随器。图中 R 2 是平衡电阻,有稳定电路的作用,通常取 R 2= R F R 1 。图 10.2. 2 同相比例运算放大电路例例 10.2. 1 在图 10. 2. 3 所示的两级运算放大电路中, R 1 =50k , R F =100k ,若输入电压 u i =1V ,求输出电压。图 10.2. 3 例 10. 2. 1 图解解 输入级 A 1 是电压跟随器,输出电压为 1V

295、,作为第二级 A 2 的输入,第二级是反相比例运算电路,由式(10. 2. 1 )可得10. 2. 2 加法运算电路加法运算电路如果在反相输入端加多个输入信号,就可以对多个输入信号实现加法运算。如图 10.2. 4所示反相加法运算电路。同理,如果在同相输入端加多个输入信号,也可以对多个输入信号实现加法运算,即同相加法运算电路,此处只对反相加法运算电路进行分析,同相加法运算电路的分析过程可以仿照反相加法运算电路。图 10.2. 4 反相加法运算电路由“虚短”和“虚断”的概念,以及电路图可以列出由以上分析可得若所有电阻阻值均相等,那么10. 2. 3 减法运算电路减法运算电路如果运算放大电路的两个

296、输入端都有信号输入,则称为差分输入运算电路(即减法运算电路),如图 10.2. 5 所示。差分输入运算电路在测量和控制系统中经常使用。图 10.2. 5 减法运算电路由图可以列出由“虚短”的概念可得当 R 3 = R F , R 2 = R 1 时,有若 R 1 = R F ,则10. 2. 4 积分运算电路积分运算电路在反相比例运算电路中,将 R F 用 C F 来代替,就成了积分运算电路,如图 10.2. 6 所示。与反相比例运算电路分析一样,可得如果输入电压是恒定的电压,则输出电压 R 1 和电容交换位置后,我们可以得到微分运算电路,微分运算电路的分析过程可以由“虚短”和“虚断”的概念进

297、行分析,与前面讲述的电路分析过程相似。图 10.2. 6 积分运算电路例例 10.2. 2 在图 10. 2. 6 中, R 1 =1M , C F =1 F , u i =1V 。求 t 分别为 0s , 0. 2s ,0. 6s , 1s 时的输出电压各为多少。解解 由式( 10.2. 6 )可知10. 3 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈10. 3. 1 10. 3. 1 负反馈的概念负反馈的概念所谓反馈,就是将放大电路(或系统)输出端的信号(电压或电流)的一部分或全部,通过某种电路引回到放大电路的输入端。反馈分正反馈和负反馈,若引回的反馈信号削弱了原输入信号,则为负反馈;若引回的反

298、馈信号增强了原输入信号,则为正反馈。图 10.3. 1 所示为反馈放大电路的方框图。 A 是放大电路, F 是反馈电路,符号表示比较环节, 为输入信号, 为输出信号, 为反馈信号。图 10.3. 1 反馈放大电路方框图10. 3. 2 反馈的判别方法反馈的判别方法1. 正负反馈的判别正负反馈的判别判别正负反馈的常用方法是瞬时极性法,其步骤是:(1 )假设并标出输入端信号的瞬时极性为“ + ”;(2 )当集成运算放大器同相端输入的信号瞬时极性为“ + ”时,输出端的瞬时极性也为“ + ”;当集成运算放大器反相端输入的信号瞬时极性为“ + ”时,输出端的瞬时极性则为“ - ”。当信号从输出端引回到

299、输入端时,如果减小了净输入信号,则为负反馈,反之则为正反馈。2. 电压反馈与电流反馈的判电压反馈与电流反馈的判别别从放大电路的输出端看,反馈可分为电压反馈与电流反馈。(1 )若反馈信号取自输出电压的正极,则为电压反馈。(2 )若反馈信号取自输出电压的负极(靠“地”一端),则为电流反馈。3. 串联反馈与并联反馈的判串联反馈与并联反馈的判别别从放大电路的输入端看,反馈可分为串联反馈与并联反馈。(1 )输入信号与反馈信号分别加在两个输入端(同相与反相)的,是串联反馈。(2 )输入信号与反馈信号分别加在同一个输入端(同相或反相)的,是并联反馈。例例 10.3. 1 试判断图 10. 3. 2 所示电路

300、中从 A 2 引出到 A 1 的反馈类型。图 10.3. 2 例 10. 3. 1 图解解 在图( a )中反馈电路从 A 2 输出电压正极引出,故为电压反馈;反馈电压和输入电压分别加在两个输入端,故为串联反馈;反馈电压使净输入电压 u D (即 u i - u F )减小,故为负反馈。在图(b )中反馈电路从 A 2 输出电压负极引出,故为电流反馈;反馈电压和输入电压分别加在同一个输入端,故为并联反馈;反馈电流实际方向即图中所示,它使净输入电流 i D (即i i - i F )减小,故为负反馈。以上是对集成运算放大电路反馈的判断,分立元件的放大电路通常也引入反馈,判别方法与上面所述类似。(

301、1 )判读分立元件正负反馈的常用方法是瞬时极性法,其步骤是: 假设并标出输入端(基极)信号的瞬时极性为“ + ”; 发射极极性为“ + ”,集电极极性为“ - ”,并在图中标出; 若反馈信号取出点的瞬时极性与引回点的瞬时极性相同,则为正反馈,反之为负反馈。(2 )电压反馈与电流反馈的判读与集成运算放大电路是一致的。 若反馈信号取自输出电压的正极,则为电压反馈; 若反馈信号取自输出电压的负极(靠“地”一端),则为电流反馈。(3 )串联反馈与并联反馈的判别方法为: 反馈信号加在输入电压的负极是串联反馈; 反馈信号加在输入电压的正极是并联反馈。例例 10.3. 2 判断图 10. 3. 3 所示电路

302、的反馈类型。图 10.3. 3 例 10. 3. 2 图解解 图( a )中 R E 为反馈元件,引出点为“ + ”,引回到了 ui 的“ - ”,故为负反馈;反馈信号取自输出电压的负极,故为电流反馈;反馈信号引回到输入电压 ui 的负极,故为串联反馈。图(b )中 R E 为反馈元件,引出点为“ - ”,引回到了 ui 的“ + ”,故为负反馈;反馈信号取自输出电压的正极,故为电压反馈;反馈信号引回到输入电压ui 的正极,故为并联反馈。10. 3. 3 反馈对电路的作用反馈对电路的作用反馈对电路的作用主要有以下几个方面。(1 )降低放大倍数。引入负反馈后,放大电路的放大倍数会相应降低。(2

303、)提高放大倍数稳定性。引入负反馈后,即使出现电路参数变化和电源电压变化,放大电路的放大倍数也能稳定不变,负反馈虽然牺牲了一部分放大倍数,但换来了电路的稳定。(3 )改善失真波形。引入负反馈后,输出波形更接近输入波形,失真减小。(4 )改变放大电路输入、输出电阻。串联负反馈使输入电阻增大,并联负反馈使输入电阻减小,就如同电阻串并联结论一样。电压负反馈能稳定输出电压,使输出电阻减小,电流负反馈能稳定输出电流,使输出电阻增大,就如同实际电压源和电流源结论一样。10. 4 集成运算放大器在电子测集成运算放大器在电子测量电路中的应用量电路中的应用10. 4. 1 10. 4. 1 电压测量电路电压测量电

304、路图 10.4. 1 所示电路中,由集成运算放大器的特性可知上式表明 I g 的值与表头内阻无关,只由输入电压与 R 1的比值决定。当 R 1 固定不变时, I g与 u i 成比例变化,从而实现高精度测量。另外,图 10. 4. 1 所示电路是串联电流负反馈电路,输入电阻增大,可稳定输出电流,减小对被测电路影响。图 10.4. 1 电压测量电路10. 4. 2 微电流测量电路微电流测量电路图 10.4. 2 所示电路, u - =0V 为“虚地”, I CEO 为穿透电流,经分析可得一般穿透电流为 1 A 左右,若 R F 取 2M ,则输出电压为 2V 左右。 U o 可以反映微弱电流的大

305、小,从而实现了对微弱电流的测量。该电路是并联电压负反馈,输入电阻减小,测量时对被测电路影响小图 10.4. 2 微电流测量电路10. 4. 3 微信号放大电路微信号放大电路在自动控制系统和传感器测量电路中,经常要将微弱测量信号进行放大,放大电路如图10. 4. 3 所示,是一个测量放大器。该放大器有两级,第一级由 A 1 、 A 2 组成。 A 1 、 A 2 结构对称,元件对称,具有差动放大电路的特点,可以抑制零漂。 A 3 采用了差动输入方式,从而实现双端输入单端输出的转换。取 R 4 = R 5 、 R 6 = R 7 时,放大器放大倍数为图 10.4. 3 微信号放大电路10. 5 电

306、压比较器及其在电子控电压比较器及其在电子控制系统中的应用制系统中的应用电压比较器是一种对输入信号之间或输入信号与参考电压之间比较大小的一种电路,比较结果以高电平或低电平形式输出。电压比较器工作在集成运放的饱和工作区(非线性区),即 u + 与 u - 不相等。当 u + u - 时,输出正饱和电压,反之输出负饱和电压。饱和电压低于电源电压。比较器电路同时也工作在开环状态下。10. 5. 1 电压比较器分类电压比较器分类1. 过零比较器过零比较器参考电压为零的电压比较器称为过零比较器。如图 10.5. 1 ( a )所示,基准电压为零,电路传输特性如图 10.5. 1 ( b )所示,输入电压过

307、零时输出电压跳转。当基准电压不为零时,可以转为普通电压比较器,如基准电压是 +5V ,则输入电压过 5V 时输出电压跳转。图 10.5. 1 过零比较器2. 限幅电路比较器限幅电路比较器用双向稳压管限幅,使比较器的输出电压稳定在一定数值上,称为限幅电路比较器。如图 10.5. 2 ( a )所示电路,电压传输特性如图 10. 5. 2 ( b )所示。图 10.5. 2 限幅比较器3. 滞回比较器滞回比较器以上比较器在使用过程中经常会受到干扰,当输入电压在门限电压附近上下波动时,则输出电压将在高、低电平之间反复切换,对系统产生不良影响。为了解决这个问题,可以采用滞回比较器,电路如图 10.5.

308、 3 ( a )所示,电压传输特性曲线如图 10. 5. 3 ( b )所示。图 10.5. 3 滞回比较器10. 5. 2 电压比较器应用电压比较器应用电压比较器在控制系统中应用非常广泛,下面以监控报警系统为例进行说明。例例 10.5. 1 图 10. 5. 4 是一个监控报警系统,需要对某一参数(如温度、压力等)进行监控时,可由传感器取得监控信号 u i , U REF 是参考电压。当 u i 超过正常值上限 U REF 时,报警器亮,试说明工作原理。运放最大输出电压 13V 。图 10.5. 4 例 10. 5. 1 图解解 输入信号在同相输入端,参考信号在反相输入端。当 u i 超过正

309、常值上限 U REF ,即 u i U REF 时,同相端电压大于反相端电压, u o =13V ,此时三极管工作在饱和状态,指示灯亮。当 u i 在正常范围,即 u i I VD ,整流二极管额定电压U RWM U DRM 。11. 2. 2 单相桥式整流电路单相桥式整流电路1. 结构结构图 11.2. 3 给出了单相桥式整流电路常见的几种画法。该电路由一个变压器、四个整流二极管、一个负载构成。目前市场上已有封装好的整流桥售卖,它是将四个整流二极管封装在一个集成块中,称为硅桥堆,其实物图如图 11.2. 4 所示。图 11.2. 3 单相桥式整流电路常见画法图 11.2. 4 常见硅桥堆实物

310、图单相桥式整流电路的波形如图 11.2. 5 所示。从图 11. 2. 5 可知,输出的电压波形同样是单方向的,但是电压随时间的变化而变化,因此输出电压同样为脉动的直流电。图 11.2. 5 单相桥式整流电路波形图3. 公式公式通过图 11.2. 5 可知,单相桥式整流电压的平均值为流过负载的整流电流的平均值为流过每个整流二极管的电流平均值为每个整流二极管承受的最大反向峰值电压为变压器副边电流有效值为例例 11.2. 1 图 11. 2. 3 所示单相桥式整流电路,已知交流电网电压为 220V ,负载电阻 R L=30 ,负载电压 U o =50V 。试求变压器的变比和容量,并选择二极管。解解

311、 变压器副边电压有效值考虑到变压器副绕组及二极管上的压降,变压器副边电压一般应高出 5%10% ,即取每只二极管承受的最高反向电压整流电流的平均值流过每只二极管的电流平均值可选用二极管 2CZ11A ,其最大整流电流为 1A ,反向工作峰值电压为 100V 。变压器变比为变压器副边电流有效值变压器容量为11. 2. 3 常见整流电路总结常见整流电路总结整流电路除了上述的单相半波整流电路、单相桥式整流电路外,还有其他一些整流电路,这些整流电路的结构、波形、计算公式如表 11.2. 1 所示11. 3 滤波电路的分类及原理滤波电路的分类及原理11. 3. 1 11. 3. 1 电容滤波电路电容滤波

312、电路1. 1. 结构结构电容滤波电路是最简单的滤波电路。其结构如图 11.3. 1 所示,它在整流电路的负载两端并联一个电容器 C ,利用电容上电压不能突变的原理进行滤波。图 11.3. 1 单相半波整流电容滤波电路2. 原理原理电容滤波电路的滤波过程及波形如图 11.3. 2 所示。设电容器事先未充电,在电源电压 u的正半周时,二极管 VD 受正压导通,电源电压一方面给电容 C 充电,一方面给负载 R L 提供能量。电容 C 上的电压就是负载 R L 上的电压,若忽略二极管 VD 的压降,则 u o = u 。当电源电压在正半周达到峰值后开始按照正弦规律下降,电容 C 放电,由于电容 C 的

313、放电速度慢于电源电压正弦下降速度,因此当电源电压正弦下降到 A 点以后, u C u ,二极管 VD 受反压而关断,电容 C 向负载 R L 放电,负载 R L 上电压就是电容 C 指数放电电压 u o = u C 。这个状态一直维持到电源的下一个正半周的 B 点, B 点以后, u C I OM 时, U R 较大, VT 导通 , I o= I OM + I C ,此时进行了扩流。其中, R 为采样电阻,可由功率管 VT 的 U BE 和稳压器的 I OM 确定,即 R U BE / I OM。图 11.4. 8 提高输出电流电路5. 三端可调式集成稳压器三端可调式集成稳压器图 11.4.

314、 9 为塑料封装的三端可调式集成稳压器 CW117 和 CW137 的引脚图。三个引脚端分别为输入端、输出端和调节端。在输出端与调节端之间具有 1.25V 基准电压。这种三端可调式集成稳压器既保持了三端的简单结构,又能在 1.2537V 的范围内连续可调。图 11.4. 9 CW117 和 CW137 引脚图CW117 的基本接线图如图 11. 4. 10 所示。其中, C 用于滤去 R 2 两端的纹波电压,接入的R 1 和 R 2 使得输出电压可调。通过分压公式可知由式( 11. 4. 10 )可知,改变 R 1 和 R 2 的比值,就可实现输出电压的 1. 2537V 可调。另外, CW1

315、37 的输入输出电压均为负值,其应用电路与CW117 的应用电路类似,可以对应套用。图 11.4. 10 CW117 三端可调式集成稳压器基本电路11. 4. 3 开关型稳压电路开关型稳压电路前述稳压器内部的调整晶体管工作在线性放大状态,功率损耗大,电源效率低,通常只有 30%50% 。为了克服这个缺点,随着科学技术的进一步发展,出现了开关型稳压器。该电路中使用的晶体管工作在饱和导通和截止两种开关状态,管耗小,电源效率大大提高,电源效率可达 80%90% ,其体积小、质量轻,在电气、电子设备中得到广泛应用。1.MAX668 升压稳压电源升压稳压电源MAX668 是 MAXIM 公司的 产品,被

316、广 泛用于便携 产品中。它 具有低的静 态 电 流(220 A ),工作频率可调( 100500kHz ),输入电压范围 328V ,输出电压可高至 28V 。该芯片具有 10 个引脚。引脚 1 LDO :内置 5V 线性稳压器输出,该引脚应该接 1 F 的陶瓷电容。引脚 2 FREQ :工作频率设置。引脚 3 GND :模拟地。图 11.4. 11 给出了 MAX668 芯片用于升压的典型电路,该电路把 5V 电压升压成 12V电压。该电路在输出电流为 1A 时,转换效率高于 92% 。图 11.4. 11 MAX668 芯片典型升压电路2.LT3481 降压稳压电源降压稳压电源LT3481

317、 芯片是一款超高频的单片降压稳压电源。它的输出电压达到 3. 636V ,输出电流达到 2A ,输出纹波很小,工作频率 200kHz2.8MHz 。LT3481 芯片具有 11 个引脚。引脚 1 BD :接升压二极管阳极。引脚 2 BOOST :用于给内部 NPN 晶体管提供驱动电压。引脚 3 SW :内部功率开关的输出端子。外接电感及回流二极管, BOOST 电容也接于此端。引脚 4 VIN :供电端。使用时需并接旁路电容。引脚 5 RUN / SS :关断控制。接地,则关断芯片输出;接到 2.3V 以上,则芯片正常工作;若不用此功能,将其接到 VIN 端。引脚 6 PG :内部比较器的开路

318、集电极输出端子。在最终稳定电压的 10% 以内时, PG为低电平,在 VIN 端及 RUN / SS 端升到 3.5V 以上时, PG 才有输出。引脚 7 BIAS :支持 LT3481 内部的供电稳压器。引脚 8 FB :输 出 电 压 反 馈 端。外 接 电 阻 分 压 器,此 端 电 压 等 于 内 部 基 准 电 压1. 265V 。引脚 9 VC :内部误差放大器的输出端。外接一个 RC 网络,从而形成补偿环路。引脚 10 RT :振荡频率设置。外接一个电阻到 GND ,设置工作频率。引脚 11 GND :外壳接地端。图 11.4. 12 给出了 LT3481 芯片用于降压的典型电路

319、,该电路可将 6. 334V 电压降为 5V 的直流稳压电输出。图 11.4. 12 LT3481 芯片典型降压电路11. 5 仿仿 真真 实实 验验我们对典型的 +15V 稳压电源进行仿真实验,搭建的仿真电路图如图 11.5. 1 所示。从元件库中找到相关的交流电源、整流桥、变压器、电容、稳压器;从仪器库里找到万用表。再进行线路的连接和参数的设置,启动仿真后,从图 11.5. 2 所示的万用表中可以看到输出的直流电压在 15V 左右,交流电压在 600nV 左右,交流分量很小,由此,可以说这种典型的稳压电源输出电压基本稳定。图 11.5. 1 仿真电路图图 11.5. 2 万用表习习 题题

320、1111. 1 单相桥式整流电路,已知交流电网电压为 220V ,负载电阻 R L =9 ,负载平均电压 U o =9V 。试求变压器的副边电压有效值、整流二极管上最高反向电压及流过二极管的电流平均值。11. 2 单相桥式整流电路,已知负载平均电流 I L100mA ,负载平均电压 U o =20V 。试求变压器的副边电压有效值。若电网电压波动范围为 10% ,则在选择整流二极管时,确定最大平均电流和最高反向电压的下限值。11. 3 电路如题 11.3 图所示,试求输出电压 U o1 、 U o2 及各个二极管承受的最高反向电压。题 11.3 图11. 4 单相桥式整流滤波电路,已知交流电源频

321、率 f =50Hz ,负载电阻 R L =100 ,要求直流输出电压 U o =50V 。试确定整流二极管上最高反向电压、流过二极管的电流平均值及滤波电容器的电容值。11. 5 单相桥式整流滤波电路,已知交流电源频率 f 50Hz ,变压器二次侧电压有效值为 20V ,电网电压波动范围为 10% ,电容的容量满足 R L C = ( 35 ) T / 2 ,负载电阻 R L =40 。试求整流二极管上最高反向电压、流过二极管的电流平均值及滤波电容器的电容取值范围。11. 6 电路如题 11. 6 图所示,变压器二次侧有效值 U 2 =20V , R L =30 。(1 )当开关 S 打开时,求

322、 U o 及二极管承受的最高反向电压;(2 )当开关 S 打开,同时一个二极管断开时,求 U o ;(3 )当开关 S 闭合时,求U o 及二极管承受的最高反向电压;(4 )当开关 S 闭合,同时一个二极管断开时,求 U o ;(5 )当开关 S 闭合,同时负载 R L 断开时,求 U o 。题 11.6 图11. 7 试比较题 11. 7 图所示电路,哪个滤波效果较好,哪个不能起到滤波作用?题 11.7 图11. 8 如题 11. 8 图所示,电路为二极管稳压电路,变压器二次侧电压有效值为 20V ,稳压二极管的稳压值为 6V ,负载电阻 R L =2k ,限流电阻 R =1.2k 。试求:

323、(1 ) S 1 断开, S 2 闭合时的 I o 、 I R 、 I Z ;(2 ) S 1 和 S 2 均闭合时的 I o 、 I R 、 I Z 。题 11.8 图11. 9 电路如题 11. 9 图所示,已知 U i =15V , U Z =6V , I Zmax =40mA , I Z =5mA ,R L =2k , U i 的波动范围为 10% ,限流电阻 R =200 ,则负载电流 I L 的范围是多少?题 11.9 图11. 10 如题 11. 10 图所示,电路为输出 +9V 的直流稳压电源电路。(1 )检查电路中的错误并改正;(2 )若电路改正后,变压器的二次侧电压 U 2

324、 =12V ,测得 A 点电位分别为 12V 、 10. 8V 、5. 4V ,则电路可能出现了什么故障?题 11.10 图11. 11 用三端集成稳压器 W7912 组成一个直流稳压电源,试画出完整的电路图,该电源的输出电压为多少?11. 12 广泛查阅资料,了解如今常用开关电源有哪些,谈谈这些开关电源的优缺点。11. 13 如题 11. 13 图所示,电路为 4 倍压整流电路,试分析其工作原理。11. 14 试设计一款直流稳压电源,要求输出直流电压 U o =15V ,最大输出电流 I o =1A 。题 11.13 图第12 章电力电子器件及应用12. 1 常见电力电子器常见电力电子器件件

325、12. 2 电力电子四种典型应用电电力电子四种典型应用电路路12. 3 实用电路举实用电路举例例12. 4 仿真实仿真实验验习题习题1212. 1 常见电力电子器件常见电力电子器件按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的度分为以下三类。(1 )不可控器件:就是不能控制器件通断的电力电子器件。例如:电力二极管。(2 )半控器件:就是通过控制信号可以控制器件导通,但是不可控制器件关断的电力电子器件。例如,普通晶闸管。(3 )全控器件:就是通过控制信号既可以控制器件导通又可以控制器件关断的电力电子器件。例如, IGBT 、MOSFET 。按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分为

326、以下两类。(1 )电流控制型:该器件采用电流信号来实现导通或关断的控制。(2 )电压控制型:该器件采用电压控制来实现通、断,输入控制端基本上不流过电流信号,用小功率信号就可以驱动其工作。12. 1. 1 普通晶闸管普通晶闸管1. 基本结构基本结构常见的普通晶闸管及模块实物图如图 12.1. 1 所示。从外观上看,晶闸管主要有螺栓型和平板型两种封装结构。由图 12.1. 2 ( a )可知,晶闸管的一端是一个螺栓,引出阳极,同时可以利用它固定散热片;另一端有两根引线,粗的一根是阳极引线,细的一根是阴极引线。晶闸管是具有三个 PN 结的四层结构,如图 12.1. 3 所示。最外层的 P 1 和 N

327、 2 分别引出阳极 A 、阴极 K ,中间的 P2 层引出门极 G 。图 12.1. 1 晶闸管及其模块实物图图 12.1. 2 晶闸管外形图 12.1. 3 晶闸管结构与符号2. 工作原理工作原理晶闸管相当于一个半控型无触点单向开关,由门极控制开关导通,但不能由门极控制开关关断,其工作原理可由图 12.1. 4 来说明。图 12.1. 4 晶体管工作原理晶闸管是采用扩散工艺制作而成,它的三结四层结构可以等效成如图 12.1. 4 ( a )所示的由两个晶体管 VT 1 ( N 1 -P 2 -N 2 )和晶体管 VT 2 ( N 1 -P 2 -N 2 )组成的等效电路。当晶闸管上外加如图

328、12.1. 4 ( b )所示的电压后, VT 1 和 VT 2 同时满足导通条件。晶体管 VT 2 的基极流过足够的电流 I G ,经过 VT 2管的电流放大作用, VT 2 管的集电极电流 I C2 = 2 I G ,而 I C2又是VT 1 的基极电流,经过VT 1 管的电流放大作用, VT 1 管集电极电流 I C1 = 1 I C2 = 2 2 I G,该电流又流入 VT 2管的基极再次进行放大,这样循环下去,就形成了强烈的电流正反馈,使得两个晶体管 VT 1 和 VT 2快速进入饱和导通状态,晶闸管导通。另外,在反馈的过程中, I C1远远大于 I G ,因而,此时即使撤去 I G

329、电流,也不影响晶闸管的电流正反馈,晶闸管仍然导通。由此可见,晶闸管导通的条件是:晶闸管的阳极和阴极之间加正向电压,同时门极和阴极间加正向脉冲电压。若想关断晶闸管,不可通过对 VT 1 的基极通入反向电流来实现关断,因为晶闸管的导通为深度饱和导通,该 VT 1 的基极通入反向电流直到反向击穿时,晶闸管还不能退饱和,因此若想关断晶闸管,常用两种方法:一是将阳极电流减少到使之不能维持正反馈;二是在晶闸管的阳极和阴极间加一个反向电压3. 伏安特性伏安特性晶闸管的伏安特性如图 12.1. 5 所示。正向特性: I G =0 时,晶闸管阳极与阴极间施加正向电压,当正向电压小时,晶闸管呈正向阻断状态,只有很

330、小的正向漏电流流过。当正向电压超过临界极限,即正向转折电压 U bo时,漏电流急剧增大,晶闸管导通。该导通方式不受门极电流控制,容易造成晶闸管的损坏,使用中需要避免此方法。图 12.1. 5 晶闸管伏安特性曲线导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管的正向压降为 1V 左右。晶闸管阳极与阴极间施加反向电压时,伏安特性类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时,只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度,达到反向击穿电压U bo 后,外电路如无限制措施,则反向漏电流急剧增加,发生热击穿,导致晶闸管损坏。4. 主要参数主要参数晶闸管的主要参数有以下几项。(1 )通态平均电流 I

331、T ( AV ) :是指晶闸管在环境温度为 40 和规定的冷却状态下,稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。此电流为晶闸管的额定电流。额定电流要留有一定裕量,一般取此电流为正常工作时晶闸管所流过实际电流的 1.52 倍。(2 )维持电流 I H :是指室温下门极断开时,晶闸管从较大的通态电流降至刚好能维持晶闸管导通所必需的最小阳极电流。(3 )浪涌电流 I TSM :是指由电路异常引起并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。(4 )断态重复峰值电压 U DRM 及反向重复峰值电压 U RRM :断态重复峰值电压是指晶闸管在门极断路而结温为额定值时,允许重复加

332、在晶闸管上的正向峰值电压。而反向重复峰值电压是指晶闸管在门极断路而结温为额定值时,允许重复加在器件上的反向峰值电压。一般取晶闸管的 U DRM 和 U RRM 中较小的标值作为该器件的额定电压。额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的 23 倍。(5 )通态平均电压 U T ( AV ) :是指在规定环境温度、标准散热条件下,晶闸管通过额定电流时,晶闸管阳极与阴极间电压降的平均值。通常又称此电压为管压降。5. 晶闸管的检测晶闸管的检测极性判别:用数字万用表判别时,选择一个电极用红表笔接触,黑表笔分别接触其余两个电极,如果接触一个极时显示 0.20. 8V ,接触

333、另一个极时显示溢出,则红表笔所接的为门极 G ,显示溢出的黑表笔所接的为阳极 A ,另一个极为阴极 K 。若测不出上述结果,将红表笔接触另外的电极,继续上述步骤,直到测出正确的结果。6. 普通晶闸管的型号命名普通晶闸管的型号命名目前我国生产的普通晶闸管的型号命名含义表示为 KP ,其中:K 代表晶闸管;P 代表普通型;第一个 代表额定电流等级;第二个 代表额定电压等级;第三个 代表通态平均电压等级,不要求时,可不标。例如, KP6 8 型晶闸管表示额定电流为 6A ,额定电压为 800V 。12. 1. 2 双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管是普通晶闸管的派生系列之一。目前该器件广泛应用于各种电器

334、调速、调光、调压、调温以及各种电器过载自动保护等电子电路中。1. 基本结构基本结构图 12.1. 6 给出了常用双向晶闸管实物图,从图中可知双向晶闸管的外观和普通晶闸管相似。不同点在于双向晶闸管的三个极命名不同、符号不同、内部结构也不同。图 12.1. 6 双向晶闸管实物图如图 12.1. 7 ( a )所示,从内部结构来看,双向晶闸管是一种 N P N P N 型五层结构的半导体器件,这个五层半导体可以等效成由左右两部分组合而成的如图 12.1. 7 ( b )所示结构。这样一来,原来的双向晶闸管就被分解成两个 P N P N 型结构的普通晶闸管。如果把左边从下往上看的 P N P N 部分

335、叫做正向的话,那么右边从下往上看的 N P N P部分就成为反向,它们之间正好是一正一反地并联在一起。因此,从电路功能上可以把它等效成图 12.1. 7 ( c ),也就是说,一个双向晶闸管在电路中的作用是和两只普通晶闸管反向并联起来等效的。因此,双向晶闸管可以进行双向控制导通。图 12.1. 7 ( d )为双向晶闸管符号, G为控制极、 T1 和 T 2 为主极。图 12.1. 7 双向晶闸管结构、等效图及符号2. 伏安特性伏安特性既然一个双向晶闸管是由两只普通晶闸管反向并联而成,那么它的特性曲线也是由这两只普通晶闸管的特性曲线组合而成。图 12.1. 8 给出了双向晶闸管的特性曲线。由双

336、向晶闸管特性曲线可知,双向晶闸管不像普通晶闸管那样,必须在阳极和阴极之间加上正向电压,管子才能导通。对双向晶闸管来说,无所谓阳极和阴极。它的任何一个主极,对图 12.1. 7 ( c )中的两个晶闸管来讲,对一个管子是阳极,对另一个管子就是阴极,反过来也一样。因此,双向晶闸管无论主极加上的是正向还是反向电压,它都能被触发导通。图 12.1. 8 双向晶闸管伏安特性曲线3. 四种触发方式四种触发方式双向晶闸管有一个重要的区别于普通晶闸管的特点:不管触发信号的极性如何,双向晶闸管都能被触发导通。也就是说,双向晶闸管的主极上,无论加以正向电压还是反向电压,也不管触发信号是正向还是反向,它都能被触发导

337、通,因此它有以下四种触发方式,如图 12.1. 9 所示。图 12.1. 9 双向晶闸管的四种触发方式(1 )如图 12. 1. 9 ( a )所示,当主极 T 2 对 T 1 所加的电压为正向电压,控制极 G 对第一电极T 1 所加的也是正向触发信号时,双向晶闸管触发导通后,电流 I 21 的方向从 T 2 流向 T 1 。由特性曲线可知,这时双向晶闸管触发导通规律是按第一象限的特性进行的,又因为触发信号是正向的,所以把这种触发叫做“第一象限的正向触发”或称为 I+ 触发方式。(2 )如图 12. 1. 9 ( b )所示,如果主极 T 2 仍加正向电压,而把触发信号改为反向信号,这时双向晶

338、闸管触发导通后,通态电流的方向仍然是从 T 2到 T 1 。我们把这种触发叫做“第一象限的负触发”或称为 I- 触发方式。(3 )如图 12. 1. 9 ( c )所示,两个主极加上反向电压 U 12 ,输入正向触发信号,双向晶闸管导通后,通态电流从 T 1 流向T 2。双向晶闸管按第三象限特性曲线工作,因此把这种触发叫做III+ 触发方式。(4 )如图 12. 1. 9 ( d )所示,两个主极仍然加反向电压 U 12 ,输入的是反向触发信号,双向晶闸管导通后,通态电流仍从 T 1流向 T 2 。这种触发叫做 III- 触发方式。双向晶闸管这四种触发方式由于触发途径不同,导致灵敏度也不同,一

339、般来说灵敏度排序为 I+III-I-III+ 。通常使用 I + 和 III - 两种触发方式。4. 双向晶闸管的检测双向晶闸管的检测极性的判别:将万用表量程开关置于“ R1 ”(或 R10 ”)挡,用黑表笔接一电极,用红表笔分别去测另两个电极,当测得的两个阻值都是无穷大时,那么黑表笔所接电极就是 T 2。若测得的阻值不全为无穷大,则应将黑表笔换接另一个电极再测。判别了电极 T 2 后,用两只表笔测 T 1 和 G 两极,再调换表笔测一次,比较两次测得的结果,测得阻值较小时,黑表笔所接电极就是 T 1 ,红表笔所接电极就是控制极 G 。好坏的判别:在已知各电极极性的条件下,将万用表置“ R1

340、”挡,黑表笔接 G ,红表笔接 T 1 ,测得阻值为几十欧姆(因功率不同,其阻值略有偏差),红表笔改接 T 2 ,阻值应无穷大;然后再将黑表笔接 T 1 ,红表笔接 G ,测得结果应为几十欧姆,再将黑表笔改接 T 2 ,阻值也应无穷大。用两只表笔测 T 1 、 T 2 两极之间的电阻,再调换表笔测一次,两次测得的阻值均应无穷大。测量结果若满足上述要求,一般可以判定该器件是好的。如果 G 与 T 1 之间的电阻等于零,或 G 与 T2 、 T 1与 T 2 之间的电阻都很小,就表明器件内部已击穿或短路;如果 G与 T 1 之间的电阻为无穷大,则表明器件内部断路。12. 1. 3 电力场效应晶体管

341、电力场效应晶体管电力场效应晶体管又称 VDMOS 管,它是一种单极型电压控制器件,具有输入阻抗高(可达 40M 以上)、开关速度快、工作频率高(开关频率可达 1000kHz)、驱动电路简单、需要的驱动功率小、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区(SOA )宽等优点,但是该器件电流容量小、耐压低,一般只适用功率不超过 10kW 的电力电子装置。1. 基本结构基本结构图 12.1. 10 ( a )给出了电力场效应晶体管的内部结构。在 N + 型高掺杂浓度衬底上,外延生长 N - 型高阻层, N + 型区和 N - 型区共同组成漏区,从下部漏金属层引出漏极 D 。由同一扩散窗进行两次扩散,在 N

342、 - 区内先扩散形成 P 型体区,再在 P 型体区内有选择地扩散形成两个N + 型区,由两次扩散的深度差形成沟道部分,因而沟道的长度可以精确控制。上部源金属层引出源极 S ,同时源金属层与两次扩散形成的 P 型体区和 N + 型体区相连。另外在 P 型体区和 N + 形体区上层与栅金属层之间覆盖上 SiO 2 绝缘薄层作为栅极 G 和导电沟道的隔离层图 12.1. 10 ( b )给出了电力场效应晶体管的符号。图 12.1. 10 电力场效应晶体管的内部结构和符号2. 工作原理工作原理在 VDMOSFET 管的漏极和源极间加正向电压 U DS ,此时由于漏极和源极间 PN 结反向偏置,因此,

343、VDMOSFET 管的漏源极间无电流, VDMOSFET 管不导通。图解见图 12.1. 11 ( a )。由前述知识可知, N 型半导体的多数载流子是电子,而 P 型半导体的多数载流子是空穴,少数载流子是电子。图解见图 12.1. 11 ( b )。图 12.1. 11 VDMOSFET 管工作原理在 VDMOSFET 管的漏极和源极间加正向电压 U DS 的情况下,同时在栅极和源极间加正压 U GS ,并由零往上升,则相当于栅金属层上积聚的正电荷增多,根据同性相斥、异性相吸原理,靠近栅极的 P 型半导体空穴下排,电子上移,当电子的浓度大于空穴的浓度时, P 型半导体被反型成 N 型半导体,

344、导电沟道产生。此时的栅极和源极间电压 U GS 为开启电压 U T 。由于导电沟道的形成, VDMOSFET 管的漏极与源极间没有了 PN 结,其间只有 N 型半导体,此时漏源极间形成电流 I D , VDMOSFET 管导通。图解见图 12.1. 11 ( c )。由此可知,栅极和源极间正向电压 U GS 越大,导电沟道就越深, VDMOSFET 管中的漏源极 电 流 I D 就 越 大。反 之,栅 极 和 源 极 间 正 向 电 压 U GS 越 小,导 电 沟 道 就 越 小,VDMOSFET 管中的漏源极电流 I D 就越小。当栅极和源极间正向电压 U GS 小于开启电压 U T时,导

345、电沟道消失, VDMOSFET 管关断。因此, VDMOSFET 管是由栅极和源极间正向电压 U GS 控制漏源极电流 I D 的器件,即称为电压控制型器件。3.VDMOS 管的检测管的检测极性与管型的判别:用万用表“ R100 ”挡,测量场效应晶体管任意两引脚之间的正、反向电阻值。其中一次测量中两引脚的电阻值为数百欧姆,这时两表笔所接的引脚为源极 S 和漏极 D ,而另一引脚为栅极 G 。再用万用表 R10k ”挡测量两引脚(漏极 D 与源极 S )之间的正、反向电阻值。正常时,正向电阻值为 2k 左右,反向电阻值大于 500k 。在测量反向电阻值时,红表笔所接引脚不动,黑表笔脱离所接引脚后

346、,先与栅极 G 触碰一下,然后再去接原引脚,观察万用表读数的变化情况。若万用表读数由原来较大阻值变为 0 ,则此红表笔所接的即是源极 S ,黑表笔所接为漏极 D 。用黑表笔触发栅极 G 有效,说明该管为 N 沟道场效应管。若万用表读数仍为较大值,则黑表笔接回原引脚不变,改用红表笔去触碰栅极 G 后再接回原引脚,若此时万用表读数由原来较大阻值变为 0 ,则此时黑表笔接的为源极 S ,红表笔接的是漏极 D 。用红表笔触发栅极 G 有效,说明该管为 P 沟道场效应晶体管。好坏的判别:用万用表“ R1k ”挡或“R10k ”挡,测量场效应管任意两脚之间的正、反向电阻值。正常时,除漏极 D 与源极 S

347、的正向电阻值较小外,其余各引脚之间( G 与 D 、 G 与S )的正、反向电阻值均应为无穷大。若测得某两极之间的电阻值接近 0 ,则说明该管已击穿损坏。另外,还可以用触发栅极 G ( P 沟道场效应晶体管用红表笔触发, N 沟道场效应管用黑表笔触发)的方法来判断场效应管是否损坏。若触发有效(触发栅极 G 后, D 、 S 极之间的正、反向电阻均变为 0 ),则可确定该管性能良好。12. 1. 4 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管1. 基本结构基本结构常见的 IGBT 管及模块实物图如图 12.1. 12 所示。 IGBT 管一般是三端结构,具有发射极E 、集电极 C 和栅极 G 。图 1

348、2. 1. 13 ( a )给出了一种 IGBT 管的结构。从图中可知,它是在 VD-MOS 管结构的基础上增加了一个 P+层,形成了一个大面积的 P+N + 结 J 1 ,从而提高了IGBT 管的通流能力。另外,这个大面积 P+ N + 结 J1 ,和其他结 J 2 、 J 3 一起构成了一个相当于由 VDMOS 管驱动的厚基区 PNP 型晶体管。图 12.1. 13 ( b )给出了 IGBT 管的等效电路,图12. 1. 13 ( c )给出了 IGBT 管的符号。图 12.1. 12 IGBT 管及其模块实物图图 12.1. 13 IGBT 结构、等效电路和符号2. 工作原理工作原理I

349、GBT 管是一种场控型器件,它的工作条件是,在集电极 C 与发射极 E 之间加正向电压,同时在栅极 G 和发射极 E 之间所加正向电压达到开启电压时, IGBT 管导通;若栅极 G 和发射极 E 之间所加电压小于开启电压时, IGBT 管关断。所以说, IGBT 管是一种全控型器件。IGBT 管的工作原理如下:在集电极 C 与发射极 E 之间加正向电压,由于 PNP 晶体管不导通,此时 C 、 E 间没有电流通过, IGBT 管不导通。 IGBT 管的导通与否,决定于栅极 G 和发射极 E 之间的电压。在G 、 E 之 间 加 正 向 电 压,当 U CE U T 时,等 效 的 VDMOSF

350、ET 导 通,有 电 流 I B 流 过MOSFET 的漏源极。而这个电流是流出 PNP 管的基极, PNP 管导通,此时 C 、 E 之间有电流 I C 流过, IGBT 管导通。反之,当 U CE t off 时, U o E ,实现升压;当 t on t off 时, U o ”符号连接 CP 信号。其逻辑功能如表 14.1. 4 所示。例例 14.1. 2 将 D 触发器功能用 JK 触发器来实现。解解 由 D 触发器和 JK 触发器的逻辑功能表可知,只要去掉 JK 触发器的功能保持和计数功能即可实现 D 触发器的功能,同时注意到 JK 触发器输入端 D 置 0 和置 1 时, J 和

351、 K 的状态相反,因此画出功能转换逻辑图如图 14.1. 8 所示。图 14.1. 8 例 14. 1. 2 图14. 2 寄寄 存存 器器寄存器存、取数据的方式有串行和并行两种,所谓串行指 N 位数码的存入或取出是通过寄存器的一个输入端或输出端存入或取出,所谓并行指 N 位数码的存入或取出是在寄存器中对应 N 个输入或输出端同时存入或取出。寄存器常分为数码寄存器和移位寄存器两种,它们的区别在于有无移位功能。14. 2. 1 数码寄存器数码寄存器数码寄存器是存储二进制数码、运算结果或指令等信息的逻辑部件。如图 14.2. 1 所示,由四个 D 触发器组成的 4 位二进制数码寄存器, d 0 d

352、 3 是数据输入端。存取指令的过程:在存入数码指令之前首先将触发器清零,使触发器 Q 0 Q 3 输出端数据为 0000 。当寄存指令到来时, d 0 d 3 同时被存入 D 0 D 3 中,当寄存指令消失后,寄存器中存入的数码保持不变。当取数指令到来时, d 0 d 3 同步被传送至 Q 0 Q 3 的输出端,此时输出端 Q 0 Q 3 为 d 0 d 3 。图 14.2. 1 的数码寄存器中,数码在存、取指令下是同步存入和同步取出的,这种寄存数码的方式称为并行数码寄存器。图 14.2. 1 D 触发器组成的数码寄存器14. 2. 2 移位寄存器移位寄存器移位寄存器不仅能寄存数码,还能在移位

353、脉冲指令的作用下使寄存器中的各位数码依次向左或向右移动 1 位。按照代码移动方向可以分为单向和双向移位寄存器。移位寄存器通常是由 JK 触发器以及 D 触发器来构成。1. 单向移位寄存器单向移位寄存器如图 14.2. 2 为 D 触发器组成的 4 位右移寄存器。数据从左端输入,根据时钟脉冲的上升沿触发,将高位到低位数据依次向右移动并保存在寄存器中,这种输入方式称为串行输入,如果数据从输出端在时钟脉冲作用下依次输出也称为串行输出。图 14.2. 2 4 位右移寄存器下面对移位寄存器的工作状态进行分析。首先在 R D 端加负脉冲使各触发器清零。设待存数据为 1010 ,当第一个时钟脉冲上升沿到来瞬

354、间,四个 D 触发器输出端 Q 0 =1 , Q 1 = D 1 = Q 0 =0 , Q 2= D 2 = Q 1 =0 , Q 3 = D 3 = Q 2=0 ;当第二个时钟脉冲上升沿到来瞬间, Q 0=0 , Q 1 = D 1 = Q 0 =1 , Q 2= D 2= Q 1 =0 , Q 3=D 3= Q 2 =0 ,以此类推得到右移寄存器的状态转换表,如表 14. 2. 1 所示。由表 14.2. 1 可知,经过四个移位脉冲,输入数据 1010 将全部被移进寄存器中。寄存器的输出端 Q 0 Q 3 经四个移位脉冲后的输出波形如图 14.2. 3 所示。图 14.2. 3 4 位右移

355、寄存器工作波形2. 双向移位寄存器双向移位寄存器74LS194 型移位寄存器为 4 位双向移位寄存器,其功能引脚和逻辑符号如图 14.2.4所示。图 14.2. 4 74LS194 型双向移位寄存器例例 14.2. 1 应用一片 74LS194 设计一个 4 位循环流水彩灯。解解 首先使 R D =1 , S 1 =1 , S 0 =1 ,令 D 0 D 1 D 2 D 3 1000 ,外加时钟脉冲使输出端Q 0 Q 1 Q 2 Q 3 =1000 ;当 S 1=0 , S 0 =1 时,将使 74LS194 处于右移数据输入状态,将 D SR 与 Q 0相连,外加时钟脉冲信号,使输出端 Q0

356、 Q 1 Q 2 Q 3 循环依次出现高电平,发光二极管点亮,实现循环流水彩灯控制。电路图如图 14.2. 5 所示。图 14.2. 5 例 14. 2. 1 图14. 3 计计 数数 器器14. 3. 1 14. 3. 1 同步计数器同步计数器同步计数器是计数器内部所有触发器的时钟脉冲输入端都连接到同一个时钟脉冲上,各触发器的翻转与时钟脉冲同步,同步计数器的工作速度较快,工作频率也较高。1. 二进制同步计数器二进制同步计数器用四个主从型 JK 触发器构成计数器,根据 4 位二进制计数器的状态转换表 14.3. 1 可得各 JK 触发器输入端 J 、 K 的逻辑关系如下:(1 )触发器 F 0

357、 ,每来一个计数脉冲就翻转一次,故 J 0 = K 0 =1 ;(2 )触发器 F 1 ,在 Q 0=1 时再来一个计数脉冲才能翻转,故 J 1 = K 1 = Q 0 ;(3 )触发器 F 2 ,在 Q 1 = Q 0 =1 时再来一个计数脉冲才能翻转,故 J 2= K 2 = Q 1 Q 0 ;(4 )触 发 器 F 3 ,在 Q 2= Q 1 = Q 0 =1 时 再 来 一 个 计 数 脉 冲 才 能 翻 转,故 J 3 =K 3 = Q 2 Q 1 Q 0 。由以上逻辑关系式可得 4 位同步二进制加法计数器逻辑电路,如图 14.3. 1 所示。当输入第十六个计数脉冲时,计数器又将返回

358、起始状态 0000 ,因此 4 位同步二进制计数器能计的最大十进制数为 15 。 n 位二进制同步计数器能计的最大十进制数为 2n -1 。超出这个数值计数器将会“溢出”。图 14.3. 1 4 位同步二进制加法计数器逻辑图根据 4 位同步二进制加法计数器在时钟脉冲作用下的状态转换,可画出其时序图,如图14. 3. 2 所示。若输入时钟脉冲频率为 f , Q 0 、 Q 1 、 Q 2 、 Q 3 输出的波形频率分别是时钟脉冲频率的 1 / 2 、 1 / 4 、 1 / 8 、 1 / 16 ,计数器的这种分频功能通常称为分频器。同步二进制计数器常用于数字电路中做分频器和地址码发生器。图 1

359、4.3. 2 4 位同步二进制加法计数器时序图常用的 4 位同步二进制加法计数器是 74LS161 ,其引脚排列和逻辑符号如图 14.3.3所示。图 14.3. 3 74LS161 型 4 位同步二进制加法计数器EP 、 ET 为计数控制端,当两者或其中之一为低电平时,计数器保持原态,当两者均为高电平时,计数。LD 为同步并行置数控制端,低电平有效。 RCO 为进位输出端,高电平有效。表 14. 3. 2 是74LS161 型 4 位同步二进制计数器功能表。2. 十进制同步计数器十进制同步计数器生活中我们习惯于用十进制数来计数,因此在数字电路的计数器设计中,可用四个触发器设计一个十进制计数器,

360、我们可将 4 位二进制数的前十种状态即 00001001 表示十进制数 09 十个数字符号,后面的 10101111 六种状态不用。当计数器来第十个脉冲瞬间,计数器从 1001 状态跳转到0000 ,每来十个脉冲就循环一次。十进制加法计数器状态表如表14. 3. 3 所示。与 4 位同步二进制加法计数器相比较,十进制同步加法计数器在第十个脉冲不是由 1001跳变为 1010 ,而是跳变为 0000 ,当十进制计数器由四个 JK 触发器构成时,可见 J 、 K 端的逻辑关系如下:(1 ) F 0 触发器,每来一个计数脉冲就翻转一次,故 J 0 = K 0 =1 ;(2 ) F 1 触发器,在 Q

361、 0 =1 时再来一个计数脉冲才能翻转,而在 Q 3 =1 时不能翻转,故J 1 = Q 0Q 3 , K 1 = Q 0 ;(3 ) F 2 触发器,在 Q 0 = Q 1 =1 时再来一个计数脉冲才能翻转,故 J 2 = K 2 = Q 0 Q 1 ;(4 ) F 3 触发器,在 Q 0 = Q 1= Q 2 =1 时再来一个计数脉冲才能翻转,并来第十个脉冲时由 1 翻转为 0 ,故 J 3 = Q 0 Q 1Q 2 , K 3 = Q 0 。由以上逻辑关系式可得 4 位同步十进制加法计数器逻辑电路,如图 14.3. 4 所示。图 14.3. 4 4 位同步十进制加法计数器根据十进制加法计

362、数器在时钟脉冲作用下的状态转换,可画出其时序图,如图 14.3. 5 所示。图 14.3. 5 4 位同步十进制加法计数器时序图74LS160 是常用的十进制计数器,其逻辑功能与74LS161 相似,逻辑符号如图 14. 3. 6所示。图 14.3. 6 74LS160 逻辑符号14. 3. 2 异步计数器异步计数器当组成计数器的各触发器触发脉冲 CP 并非全部连接到同一个时钟脉冲上时,称为异步触发,由异步触发脉冲构成的计数器,称为异步计数器。1. 异步二进制加法计数器异步二进制加法计数器由四个主从型 JK 触发器来组成 4 位异步加法计数器,时钟脉冲不是同时加到各个触发器的 CP 端,而只是

363、加到最低位触发器,其他各位触发器则由相邻低位触发器输出的进位脉冲来触发,这种连接方式构成的计数器称为 4 位异步二进制加法计数器。其逻辑图如图14. 3. 7 所示。图 14.3. 7 4 位异步二进制加法计数器当第一个时钟脉冲下降沿到来瞬间, F0 触发器翻转使 Q 0 =1 , F 1 F 3 触发器因不满足脉冲下降沿的翻转条件,故输出端 Q 1 Q 3保持原态不变, Q 0 Q 1 Q 2 Q 3=1000 ;当第二个时钟脉冲下降沿到来瞬间, F0 触发器翻转使 Q0 =0 ,由于 Q0 输出信号即为 F 1 触发器时钟脉冲输入,因此 F 1 满足触发条件发生翻转, Q 1=1 , F

364、2 、 F 3触发器因不满足脉冲下降沿的翻转条件,故输出端 Q 2 、 Q 3 保持原态不变。根据以上规律,可以分析得到,当第 16 个脉冲到来瞬间,四个触发器从低位到高位依次输出下降沿信号,各触发器输出端全部为 0 。 4 位二进制异步加法器工作时序图如图 14.3. 8 所示。图 14.3. 8 4 位异步二进制加法计数器时序图2. 异步十进制加法计数器异步十进制加法计数器图 14.3. 9 是 74LS290 型异步二 五 十进制加法计数器,可实现不同进制的异步计数功能。其逻辑功能表如表 14.3. 4 所示。图 14.3. 9 74LS290 型二 五 十进制计数器图 14.3. 10

365、 是 74LS290 型计数器功能引脚图和逻辑符号。图 14.3. 10 74LS290 型计数器功能引脚图和逻辑符号14. 3. 3 集成计数器芯片的应用集成计数器芯片的应用集成计数器具有功耗低、体积小和使用灵活等特点,因此在小型数字电路中得到了较为广泛的应用,常用集成计数器如表 14.3. 5 所示。下面我们介绍一些集成计数器如 74LS161 、 74LS160 和 74LS290 型等计数器的应用,以及使用集成计数器构成任意进制计数器或作为分频器和信号发生器来使用。1. 任意进制计数器任意进制计数器构成不同进制计数器的集成计数器间可以有不同的连接方式,比较常用的有级联法、清零法、置数法

366、等。1 )级联法由两片以上计数器芯片连接到一起构成任意进制计数器,芯片之间的连接方式称为级联。例例 14.3. 1 用两片 74LS161 型 4 位二进制加法计数器,采用同步级联方式构成 8 位二进制同步加法计数器。解解 第一片与第二片 74LS161 的 CP 连接到一起,因此为同步接法。第一片的进位输出端接第二片 ET 和 EP ,构成 8 位输出计数器,当第一片 ET 、 EP 与第一片和第二片同步并行置数控制端接高电平时,每来一个计数脉冲便计一次数,最大计数值可达 28 。具体逻辑电路如图 14.3. 11 所示。图 14.3. 11 例 14. 3.例例 14. 3. 2 用两片

367、74LS290 二 五 十进制加法计数器采用异步级联方式构成 100 进制加法计数器。解解 第一片 74LS290 的 CP0 与输入计数脉冲相连,第一片和第二片 CP 1 分别与计数器输出端 Q 0 相连,实现十进制计数功能,第二片 CP0 与第一片 Q 3 相连,当第一片 Q 3 输出端出现从 1 到 0 的跳变时,第二片满足触发条件开始计数,计数器计数值为 0001 。组成的计数器最大计数值为1010=100 。具体逻辑电路如图 14.3. 12 所示。图 14.3. 12 例 14. 3.2 )清零法将计数器的输出端与其清零端相连形成反馈,当输出端输出结果使清零端置 0 时,计数器的输

368、出端将会被瞬间清零,当下一个时钟脉冲来临时,计数器将重新开始计数,用此种方法可以构成低于计数器计数值的任意进制计数器,也可以通过不同型号计数器芯片级联来构成不同进制计数器。清零法包括同步清零法和异步清零法,同步清零法适用于含有同步清零端的集成计数器,异步清零法适用于含有异步清零端的集成计数器。将输出端通过门电路与清零端相连,当输出端满足跳转条件时,同步或异步清零端使输出端全部清零,在脉冲作用下重新开始计数。例例 14.3. 3 用 74LS161 型 4 位二进制加法计数器组成六进制加法计数器。解解 组成六进制加法计数器,输出端从 0000 在脉冲作用下开始计数,由于 74LS161 型计数器

369、含有异步清零端,因此输出端 Q 2 Q 1 与清零端 R D 相连。输出端状态变化如下:具体逻辑电路如图 14.3. 13 所示。图 14.3. 13 例 14. 3.例例 14.3. 4 用两片 74LS160 组成 48 进制计数器。解解 把两片 74LS160 采用同步级联的方式构成 100 进制计数器,然后可用异步清零法再构成 48 进制计数器,具体逻辑电路如图 14.3. 14 所示。图 14.3. 14 例 14. 3.3 )置数法计数时首先从某一个数值开始,可以是集成计数器在计数值范围的任何一个值,当 N 个脉冲输入之后,计数器便重置又开始重新计数,形成 N 进制计数器。置数法有

370、同步置数法和异步置数法,分别适用于具有同步并行置数控制端和异步并行控制端的集成计数器。将输出端通过门电路与置数控制端相连,当输出端满足跳转条件时,同步或异步置数控制端将输入端数据输入,在脉冲作用下开始计数。例例 14.3. 5 试将 74LS160 型同步十进制集成计数器改接成七进制计数器。解解 若预置数 D 3 D 2 D 1 D 0 设为 0011 ,那么 74LS160 型计数器将会从 0011 开始计数,计数制为七进制计数器,当第七个时钟脉冲到来瞬间,由于进位输出端 RCO 与置数端 LD 通过“非”门相连,输出端 Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 将会从 1001 跳变为 0011 ,

371、在输入脉冲的作用下又开始循环计数,即具体逻辑电路如图 14.3. 15 所示。图 14.3. 15 例 14. 3.2. 组成分频器组成分频器将高频率的输入信号变换为低频率输出信号的过程称为分频。利用集成计数器可将高频信号分成 1 / 2n 频率信号输出n 为正整数 ( ) ,因此可利用集成计数器组成分频器。例例 14.3. 6 某石英晶体振荡器输出脉冲信号的频率为 65536Hz ,用 74LS161 型十进制计数器组成分频器,将其分频为 1Hz 频率脉冲信号,试设计该分频器电路。解解 由振荡器输出脉冲信号的频率为 65536Hz 可知, 65536=216 ,因此输入频率经过16 级二分频

372、即可得到输出为 1Hz 频率脉冲信号。利用四片 74LS161 型集成计数器,从低位到高位共 16 位,并从最高位输出即可,分频器电路如图 14.3. 16 所示。图 14.3. 16 例 14. 3.3. 组成序列信号发生器组成序列信号发生器在数字电路的信号传输和数字系统测试中,经常需要用到一组特定的串行数字信号,通常把这组特定的数字信号称为序列信号。产生序列信号的电路称为序列信号发生器。序列信号发生器一般可由集成计数器和数据选择器组成,也可以单独使用集成计数器和“与非”门等逻辑门电路实现。例例 14.3. 7 试用一片 74LS161 型 4 位二进制计数器和一片 74LS151 型 8

373、选 1 数据选择器组成一个 11101001 的 8 位序列信号发生器。解解 该序列信号发生器可由 74LS161 计数器的低三位 Q 2 Q 0 输出端与 74LS151 数据选择器的地址输入端 A 2 A 0 端一一对应相连, 74LS161 计数器在时钟脉冲作用下依次计数并输出,输出数据使 74LS151 数据选择器选择不同输入数据 D 0 D 7 在 Y 端输出,在时钟脉冲的输入下不断输出 11101001 数字信号。输出的数字信号序列只与 74LS151 数据选择器的输入数据有关,变换输入数据 D 0 D 7 即可变换输出的序列。连接电路图如图 14.3. 17 所示。图 14.3.

374、 17 例 14. 3.4. 计数器在彩灯电路中的应计数器在彩灯电路中的应用用图 14.3. 18 为声控变色彩灯电路,该电路能随着音乐节奏不断变换灯光色彩,可作为歌舞厅的装饰灯。该声控变色彩灯电路由电源电路、声控电路、压控振荡器和控制电路等组成。电源电路有降压电容 C 1 、限流电阻 R 1 、稳压二极管 VD Z 、整流二极管 VD 和滤波电容C 2 组成。声控电路由话筒 BM 、电阻 R 2 R 4 、电容 C 3 和晶体管 VT 1 组成。压控振荡器由晶体管 VT 2、单结晶体管 VT 3 、电位器 R P (调节 R P阻值,可改变彩灯发光色彩变化的速度)、电阻 R 5 R 8 以及

375、电容 C 4 、 C 5 组成。彩灯控制电路由电阻 R 9 R 12 、电容 C 6 、同步加法计数器集成电路 IC 1 ( CD4520 )、晶体管 VT 4 VT 6 、晶闸管 VS 1 VS 3 组成。图 14.3. 18 声控变色彩灯电路14. 4 555 定时器原理及应用定时器原理及应用555 定时器是一种应用十分广泛的混合中规模集成电路。该定时器成本低,性能可靠,只需要外接少量元器件,就可以构成单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器等脉冲产生与变换电路。 555 定时器常应用于仪器仪表、家用电器、电子测量和自动控制等方面。目前生产的定时器有双极型( NE555 、 5G555 等)

376、和 CMOS (CC7555 等)两种类型。它们的结构及工作原理基本相同。双极型定时器具有较大的驱动能力。 CMOS 定时器具有功耗低、输入阻抗高等优点。 555 定时器的电源电压范围宽,输出驱动电流约为 200 mA ,因而其输出可与TTL 、 CMOS 或者模拟电路电平兼容。 NE555 的实物外形结构如图 14. 4. 1 所示。图 14.4. 1 NE555 实物图14. 4. 1 555 定时器的结构及原理定时器的结构及原理555 定时器的内部结构与符号如图 14. 4. 2 所示。555 定时器主要由三个 5k 串联电阻,两个电压比较器 C 1 、 C 2 ,一个 RS 触发器、一

377、个“与非”门、一个缓冲器和一个放电管 VT 1 构成。图 14.4. 2 555 定时器的内部结构与符号14. 4. 2 555 定时器构成的单稳态定时器构成的单稳态电路电路图 14.4. 3 是由 555 定时器构成的单稳态触发器。由 555 定时器构成的单稳态电路有一个稳定状态和一个暂稳状态。在外来的负触发脉冲作用下,输出能够由稳定状态“0 ”翻转到暂稳状态“1 ”。并且暂稳状态维持一段时间后,能自动返回到稳定状态。这段暂态时间由 555 定时器外接的电阻 R 和电容 C 参数决定。图 14.4. 3 单稳态触发器14. 4. 3 555 定时器构成的多谐振定时器构成的多谐振荡器荡器图 1

378、4.4. 4 是由 555 定时器构成的多谐振荡器。由 555 定时器构成的多谐振荡电路为无稳态电路,即有两个暂态,暂态“0 ”和暂态“ 1 ”。暂态时间由 555 定时器外接的电阻 R 1 、 R 2 和电容 C 参数决定。图 14.4. 4 多谐振荡器由此可见,电容在不断充放电时, 555 定时器的输出端输出周期性矩形波。暂态“1 ”维持时间计算:通过分析可知,电容上电压由( 1 / 3 ) U CC充到( 2 / 3 ) U CC 时,电路维持暂态“1 ”,根据 RC 电路充电过程的三要素公式,可得暂态“0 ”维持时间计算:同样分析可知,电容上电压由( 2 / 3 ) U CC 放电到(

379、 1 / 3 ) U CC 时,电路维持暂态“0 ”,根据 RC 电路充电过程的三要素公式,可得振荡周期:14. 4. 4 555 定时器构成的实用电定时器构成的实用电路举例路举例1. 楼道触摸延时灯楼道触摸延时灯图 14.4. 5 为由 555 定时器构成的楼道触摸延时灯。 555 定时器接成单稳态电路。不需要开灯的时候,触摸片 P 上没有感应电压。电容 C 1 通过 555 定时器的 7 脚放电完毕, 3 脚输出低电平,继电器 KS 线圈无电,常开触点不动作,电灯不亮。图 14.4. 5 楼道触摸延时灯需要开灯的时候,用手触摸一下触摸片 P ,人体感应的杂波信号电压通过电容 C 2 加到5

380、55 定时器的 2 脚,相当于给 2 脚一个触发信号, 555 定时器进入暂态, 3 脚输出由低电平变为高电平,此时继电器 KS 线圈得电,常开触点闭合,电灯被点亮。由于 555 定时器工作在单稳态,此时即使是人手离开触摸片 P ,亦不会影响 3 脚输出的高电平,电灯不会熄灭。当经过了 1.1 R P C 1 的时间后, 555 定时器暂态结束, 3 脚输出变回低电平,使得继电器 KS 失电,电灯熄灭。调节滑线变阻器 R P 的参数,即可改变灯持续发光的时间。2. 盆花缺水检测器盆花缺水检测器图 14.4. 6 为由 555 定时器构成的盆花缺水检测器,当检测到盆花中的花卉缺水时,检测器就会发

381、出闪光信号,提醒人们要给花卉浇水。 555 定时器接成多谐振荡器。图 14.4. 6 盆花缺水检测器3. 汽车空气清新器汽车空气清新器图 14.4. 7 为由 555 定时器构成的汽车空气清新器,将汽车 +12V 直流电压变换为 3000V 高压,使空气电离产生大量负离子,从而改善空气质量。 555 定时器一个做定时用,一个做高频振荡用。图 14.4. 7 汽车空气清新器综上所述该电路功能是:微型电风扇 M 转 3 分钟, VD1 指示灯进行指示, IC 2 及后续电路工作,产生负离子,电路进行空气清新。微型电风扇 M 停 3 分钟, VD1 指示灯灭, IC 2 及后续电路不工作。整个电路进

382、行间歇性空气清新。14. 4. 5 仿真实验仿真实验我们对单稳态电路进行仿真实验。从元件库中找到相关的电阻、电容、 555 、脉冲电源;从仪器库里找到四踪示波器,并进行连线。搭建好的仿真电路如图 14.4. 8 所示。进行仿真后得到的波形如图 14.4. 9 所示。图 14.4. 8 仿真电路图 14.4. 9 示波器波形习习 题题 1414. 1 由基本 RS 触发器构成的可控 RS 触发器, S 和 R 以及时钟脉冲 CP 波形如题 14. 1图所示。试画出触发器输出端 Q 的波形。设触发器的初始状态为 0 。题 14.1 图14. 2 主从型 JK 触发器的输入端 J 、 K 的输入波形

383、以及时钟脉冲 CP 波形如题 14. 2 图所示。试画出触发器输出端 Q 的波形。设触发器的初始状态为 0 题 14.2 图14. 3 维持阻塞型 D 触发器的输入电压波形和时钟脉冲波形如题 14. 3 图所示。试画出触发器输出端 Q 的波形。设触发器的初始状态为 0 。题 14.3 图14. 4 设题 14. 4 图中各触发器的初始状态为 0 ,试画出在时钟脉冲 CP 作用下各触发器输出的波形。题 14.4 图14. 5 如题 14. 5 图所示, F 1 是 JK 触发器, F 2 是 D 触发器,初始状态为 0 ,试画出在时钟脉冲 CP 作用下输出端 Q 1 和 Q 2 的波形。题 14

384、.5 图14. 6 设题 14. 6 图中各触发器的初始状态均为 0 。(1 )试画出图示电路的工作波形图;(2 )分析并说明该时序逻辑图的功能;(3 )如果时钟脉冲 CP 频率为 1kHz ,则输出波形的频率为多少?题 14.6 图14. 7 分析题 14. 7 图所示时序逻辑电路的功能,写出电路的驱动方程、状态方程和输出方程,并画出电路的状态转换图和时序图。题 14.7 图14. 8 设题 14. 8 图中各触发器的初始状态均为 0 。(1 )试写出图示计数器的状态转换表;(2 )试画出在计数脉冲作用下各触发器输出的波形;(3 )分析并说明该时序逻辑图的功能。题 14.8 图14. 9 试

385、用触发器和门电路设计一个有进位输出的同步五进制加法计数器。14. 10 分析题 14. 10 图所示计数器电路,画出电路的状态转换图,说明这是几进制计数器。题 14.10 图14. 11 分析题 14. 11 图的计数器电路,说明当 M =1 和 M =0 时电路可组成几进制计数器。题 14.11 图14. 12 试用两片 74LS290 组成六十进制计数器。14. 13 某石英晶体振荡器输出脉冲信号的频率为 32768Hz ,用 74LS161 型十进制计数器组成分频器,将其分频为 1Hz 脉冲信号,试设计该分频器电路。14. 14 题 14. 14 图所示电路,试分析工作原理,确定电路功能。题 14.14 图14. 15 题 14. 15 图所示电路为共阴变色 LED 控制电路,试分析工作原理。题 14.15 图