运维人员岗位培训电源理论基础知识与通信系统组成

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1、第一章第一章 基础知识基础知识（讲师用（讲师用PPT）中国网通（集团）有限公司2006年12月中国网通运维人员岗位培训丛书动力专业内部资料注意保密电工基础与系统组成基础知识基础知识 第一章第一章第一节第一节 直流电源直流电源 第二节第二节 交流电源交流电源 第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机 第四节第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用 第五节第五节 集成运算放大器集成运算放大器 第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源 电工基础与系统组成基础知识基础知识 第一章第一章第一节第一节 直流电路直流电路 第二节第二节 交流电路交流电路 第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机 第四节

2、第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用 第五节第五节 集成运算放大器集成运算放大器 第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源 第一节第一节 直流电路直流电路1.11.1电路及其组成电路及其组成 把一些电器设备或元件，按其所要完成的功能，用一定方式连接而成把一些电器设备或元件，按其所要完成的功能，用一定方式连接而成的电源通路称为的电源通路称为电路电路。 一个完整的电路是由一个完整的电路是由电源、负载电源、负载和和中间环节中间环节（包括开关和导线等）三（包括开关和导线等）三部分组成。部分组成。 电源是将非电能如化学能、机械能和原子能等转换为电能，并向电路电源是将非电能如化学能、机械能和原子能等

3、转换为电能，并向电路提供能量；负载是指电路中能将电能转换为非电能的用电设备，如电灯、提供能量；负载是指电路中能将电能转换为非电能的用电设备，如电灯、电动机和电热器等；中间环节是指将电源连接成闭合电路的导线、开关电动机和电热器等；中间环节是指将电源连接成闭合电路的导线、开关设备和保护设备等，也经常接有测量仪表或测量设备。设备和保护设备等，也经常接有测量仪表或测量设备。第一节第一节 直流电路直流电路 第一节第一节 直流电路直流电路 如图如图1 11 1（a a）所示是按实物做出的手电筒电路的示意图，这是所示是按实物做出的手电筒电路的示意图，这是最简单的实际电路，它由干电池（电源）、小灯泡（负载）和

4、开关（中最简单的实际电路，它由干电池（电源）、小灯泡（负载）和开关（中间环节）三部分组成。间环节）三部分组成。图1.1 简单电路1.2 电路的主要物理量及元件电路的主要物理量及元件1. 电流电流电流的强弱用电流强度来表示，其数值等于单位时间内通过导体某电流的强弱用电流强度来表示，其数值等于单位时间内通过导体某一横截面的电荷量。设在一横截面的电荷量。设在dt时间内通过导体某一横截面的电荷量为时间内通过导体某一横截面的电荷量为dq，则通过该截面的电流强度为则通过该截面的电流强度为(1.1) 在一般情况下，电流强度是随时间而变的。如果电流强度不随时间在一般情况下，电流强度是随时间而变的。如果电流强度

5、不随时间而变，即而变，即dq/dt常数，则这种电流就称为恒定电流，简称直流。在直流常数，则这种电流就称为恒定电流，简称直流。在直流电路中，式（电路中，式（1.1）可写成）可写成(1.2) 在国际单位制（在国际单位制（SI）中，规定电量中，规定电量Q的单位为库仑（的单位为库仑（C），），时间的单时间的单位为秒（位为秒（s），），电流的单位为安培（电流的单位为安培（A），），即即1A=1C/s。电流的单位还有电流的单位还有毫安（毫安（mA）、）、微安（微安（A），），其换算关系为其换算关系为第一节第一节 直流电路直流电路第一节第一节 直流电路直流电路 电流的方向习惯上规定正电荷移动的方向或负电荷移

6、动的反方向为电流的方向习惯上规定正电荷移动的方向或负电荷移动的反方向为电流的方向（实际方向）。电流的方向是客观存在的，在简单电路中电流的方向（实际方向）。电流的方向是客观存在的，在简单电路中, ,可可以很容易判断出电流的实际方向以很容易判断出电流的实际方向, ,如图如图1.2(1.2(a)a)中的中的I1、I2。倘若在图中倘若在图中A、B两点间再接入一个电阻如图两点间再接入一个电阻如图1.2（b）所示，那么该电阻中的电流方向所示，那么该电阻中的电流方向就很难直观判断了。另外，在交流电路中，电流是随时间变化的，在图就很难直观判断了。另外，在交流电路中，电流是随时间变化的，在图上也无法表示其实际方

7、向，为了解决这一问题，须引入电流的参考方向上也无法表示其实际方向，为了解决这一问题，须引入电流的参考方向这一概念。这一概念。第一节第一节 直流电路直流电路 电流的参考方向可以任意选定，在电路中一般用箭头表示。当然，电流的参考方向可以任意选定，在电路中一般用箭头表示。当然，所选的电流参考方向不一定就是电流的实际方向，当电流的参考方向与所选的电流参考方向不一定就是电流的实际方向，当电流的参考方向与实际方向一致时，电流为正值（实际方向一致时，电流为正值（I0I0）；）；当电流的参考方向与实际方向相当电流的参考方向与实际方向相反时，电流为负值（反时，电流为负值（I0I00，表明，表明 , ,则则u u

8、比比i i先达到最大值，称先达到最大值，称 u u超前于超前于 i i一个相一个相位角位角 , ,或者说或者说 i i滞后于滞后于 u u一个相位角一个相位角 。 若若 =0=0，表明，表明 ，则，则u u与与i i同时达到最大值同时达到最大值, ,称称u u与与i i同相位，同相位，简称同相。简称同相。 若若 ，则称，则称 u u与与 i i的相位相反。的相位相反。 若若 0 0 ，表明，表明 ，则，则 u u 滞后于滞后于 i i（或或i i超前于超前于u u）一个相位一个相位角角 。 由上可知：两个同频率的正弦量计时起点（由上可知：两个同频率的正弦量计时起点（t=0t=0）不同时，则它们

9、的不同时，则它们的相位和初相位不同，但它们之间的相位差不变。在交流电路中，常常需相位和初相位不同，但它们之间的相位差不变。在交流电路中，常常需要研究多个同频率正弦量之间的关系，为了方便起见，可以选其中某一要研究多个同频率正弦量之间的关系，为了方便起见，可以选其中某一个正弦量作为参考，称为参考正弦量。令参考正弦量的初相个正弦量作为参考，称为参考正弦量。令参考正弦量的初相=0=0，其他其他各正弦量的初相，即为该正弦量与参考正弦量的相位差（或初相差）。各正弦量的初相，即为该正弦量与参考正弦量的相位差（或初相差）。第二节第二节 交流电路交流电路2.1.22.1.2正弦交流电的相量表示法正弦交流电的相量

10、表示法 交流电的瞬时值表达式，是以三角函数的形式表示出交流电的变化交流电的瞬时值表达式，是以三角函数的形式表示出交流电的变化规律；交流电的波形图可直观地看出交流电的变化状态；而交流电的相规律；交流电的波形图可直观地看出交流电的变化状态；而交流电的相量表示法，是为了便于交流电的分析和计算。量表示法，是为了便于交流电的分析和计算。 用复数表示交流电的方法，称为交流电的相量表示法用复数表示交流电的方法，称为交流电的相量表示法。2、相量与复数、相量与复数1、复数的两种表示形式、复数的两种表示形式3、相量的运算、相量的运算第二节第二节 交流电路交流电路2.2正弦交流电路的计算正弦交流电路的计算 最简单的

11、交流电路是由最简单的交流电路是由电阻电阻、电容电容和和电感电感中任一个元件组成的，这中任一个元件组成的，这些电路元件仅由些电路元件仅由R R、L L、C C三个参数中的一个来表征其特性，这样的电路称三个参数中的一个来表征其特性，这样的电路称为单一参数的交流电路。为单一参数的交流电路。第二节第二节 交流电路交流电路2.2.1 电阻电路电阻电路 日常生活中所用的白炽灯、电饭锅和热水器等在交流电路中都可以日常生活中所用的白炽灯、电饭锅和热水器等在交流电路中都可以看成是电阻元件，如图看成是电阻元件，如图2.52.5（a a）所示。所示。图图2.5 2.5 电阻电路电阻电路第二节第二节 交流电路交流电路

12、1.电压与电流的关系电压与电流的关系如选择电流为参考正弦量，即电流的初相为如选择电流为参考正弦量，即电流的初相为0 0，瞬时值表达式，瞬时值表达式为为 , ,2.2. 电阻两端的电压电阻两端的电压 (2.7)(2.7) 其波形图如图其波形图如图2.5(2.5(b)b)所示。由式所示。由式(2.7)(2.7)及波形图可知，电阻电路及波形图可知，电阻电路中中u u与与i i同频率同相位。其有效值及相量关系分别为同频率同相位。其有效值及相量关系分别为 (2.8)(2.8) 式（式（2.82.8）为电阻电路中欧姆定律的有效值形式和相量形式。电）为电阻电路中欧姆定律的有效值形式和相量形式。电压与电流的相

13、量图如图压与电流的相量图如图2.52.5（c c）所示。所示。第二节第二节 交流电路交流电路2.电阻电路中的功率电阻电路中的功率电阻上的瞬时功率电阻上的瞬时功率 （2.92.9） 由此可见：功率由此可见：功率p p的频率是的频率是u u、i i的频率的两倍，其波形如图的频率的两倍，其波形如图2.5(2.5(d d）所示。由波形图可见功率虽然随时间变化，但均为正值。由波形图和式所示。由波形图可见功率虽然随时间变化，但均为正值。由波形图和式（2.92.9）即可得出平均功率）即可得出平均功率 （2.102.10） 由波形图可知：由波形图可知：P P为正值，说明电阻是吸收功率的元件，它是把电功为正值，

14、说明电阻是吸收功率的元件，它是把电功率转换成其他有用的功率消耗掉了，所以称电阻为耗能元件。其平均功率转换成其他有用的功率消耗掉了，所以称电阻为耗能元件。其平均功率又称为有功功率。率又称为有功功率。第二节第二节 交流电路交流电路2.2.2 电感电路电感电路 在生产和生活中所接触到的将电能转换成动能的设备，如电动机、在生产和生活中所接触到的将电能转换成动能的设备，如电动机、风机等，还有改变电压大小的变压器等，在交流电路中起主要作用的是风机等，还有改变电压大小的变压器等，在交流电路中起主要作用的是电感（忽略导线电阻）。电感（忽略导线电阻）。图图2.6 2.6 电感电路电感电路第二节第二节 交流电路交

15、流电路1.电压与电流关系电压与电流关系如仍选择电流为参考正弦量，即电流如仍选择电流为参考正弦量，即电流i i的初相为的初相为0 0，则其瞬时值表达式，则其瞬时值表达式为为 电感两端的电压电感两端的电压 （2.112.11） 由式（由式（2.112.11）可见，对于电感电路，）可见，对于电感电路，u u与与i i频率相同，相位却不同，频率相同，相位却不同，u u超前超前i i为为9090。其波形如图。其波形如图2.6(2.6(b)b)所示。有效值的关系为所示。有效值的关系为 或或 （2.122.12） （2.132.13） 第二节第二节 交流电路交流电路式（式（2.132.13）中，）中， 称为

16、感抗，单位也是欧姆（称为感抗，单位也是欧姆（）。）。它表示电感对电流它表示电感对电流阻碍作用大小的物理量。阻碍作用大小的物理量。 与电感与电感L L和频率和频率f f成正比，如果成正比，如果L L一定，一定，f f愈高愈高X XL L愈大，愈大，f f愈低愈低X XL L愈小。在直流电路中，愈小。在直流电路中，f=0, f=0, LL2fL = 02fL = 0，说明电说明电感在直流电路中可视为短路。即电感有通直阻交的作用。电感两端的电感在直流电路中可视为短路。即电感有通直阻交的作用。电感两端的电压与电流的相量关系为压与电流的相量关系为 或或 (2.14)(2.14) 相量图如图相量图如图2.

17、6(2.6(c)c)所示。图所示。图2.6(2.6(c)c)中中i i的初相的初相0, =I00, =I0则则第二节第二节 交流电路交流电路2.电感电路中的功率电感电路中的功率电感的瞬时功率电感的瞬时功率 (2.15)(2.15) 由式（由式（2.152.15）可知：电感上瞬时功率）可知：电感上瞬时功率p p的频率是的频率是u u或或i i频率的两倍，并按正频率的两倍，并按正弦规律变化，如图弦规律变化，如图2.6(2.6(d d）所示。在所示。在0 0/2/2区间区间p p 正值，电感吸收功率并把吸收正值，电感吸收功率并把吸收的电功率转换成磁场能量储存起来；在的电功率转换成磁场能量储存起来；在

18、/2/2区间区间p p为负值，电感发出功率，为负值，电感发出功率，是将其储存的磁场能量再转换成电场能量送回到电源。是将其储存的磁场能量再转换成电场能量送回到电源。电感并不消耗功率，所以电感并不消耗功率，所以称电感为储能元件称电感为储能元件。 由图由图2.6(2.6(d d）可见，电感的平均功率可见，电感的平均功率P=0P=0。虽然虽然电感不消耗功率，但作为负载电感不消耗功率，但作为负载的电感与电源之间存在着能量交换的电感与电源之间存在着能量交换，交换的能量用无功功率，交换的能量用无功功率Q Q来计量，大小为来计量，大小为 无功功率的单位为乏（无功功率的单位为乏（varvar） 。第二节第二节

19、交流电路交流电路2.2.3 电容电路电容电路 下面讨论电容元件在交流电路中的作用，找出电容与电感作用的区别，电容下面讨论电容元件在交流电路中的作用，找出电容与电感作用的区别，电容电路如图电路如图2.7(2.7(a a）所示。所示。图图2.7 2.7 电容电路电容电路第二节第二节 交流电路交流电路1.1.电压与电流关系电压与电流关系 如选择电压为参考正弦量，即电压的初相为如选择电压为参考正弦量，即电压的初相为0 ，电压，电压u u 的瞬时的瞬时值表达式为值表达式为则电容上所流过的电流则电容上所流过的电流 （2.162.16） 由式（由式（2.162.16）可见对于电容电路，）可见对于电容电路，u

20、 u与与i i也是同频率不同相位，也是同频率不同相位，i i超前超前u u为为9090, ,其波形如图其波形如图2.72.7（b b）所示。有效值的关系为）所示。有效值的关系为（2.172.17） （2.182.18）或或第二节第二节 交流电路交流电路 式（式（2.18）中，）中，Xc称为容抗，单位仍是欧姆（称为容抗，单位仍是欧姆（）。）。它是表示电它是表示电容对电流阻碍作用大小的物理量。容对电流阻碍作用大小的物理量。Xc与频率与频率f成反比，如果成反比，如果C确定后，确定后，f愈高愈高Xc愈小，愈小，f愈低愈低Xc愈大。在直流电路中，愈大。在直流电路中，f=O,Xc=1/2fC，说说明电容在

21、直流电路中可视为开路，即电容有隔直通交作用。电容两端明电容在直流电路中可视为开路，即电容有隔直通交作用。电容两端的电压与电流的相量关系为的电压与电流的相量关系为（2.19） 相量图如图相量图如图2.7(c）所示。图所示。图2.7(c）中中u的初相的初相0, =U 0 ，则则或或第二节第二节 交流电路交流电路2. .电容电路中的功率电容电路中的功率 电容的瞬时功率电容的瞬时功率 (2.20)(2.20)由式（由式（2.202.20）可见，电容）可见，电容p p的频率也是的频率也是i i或或u u频率的两倍频率的两倍, ,并按正弦规律变并按正弦规律变化，如图化，如图2.7(2.7(d)d)所示。由

22、所示。由p p的波形图可见，在的波形图可见，在0 0/2/2区间，区间，p p为正值为正值, ,电电容吸收功率，并把吸收的电功率以电场能量的形式储存起来；在容吸收功率，并把吸收的电功率以电场能量的形式储存起来；在/2/2区间，区间，p p为负值，电容发出功率，是将其储存的电场能量再送回到电源。为负值，电容发出功率，是将其储存的电场能量再送回到电源。电容并不消耗功率，所以电容元件也是储能元件。电容并不消耗功率，所以电容元件也是储能元件。 由图由图2.7(2.7(d)d)可见，电容的平均功率可见，电容的平均功率P=0P=0。电容与电源之间交换的能量电容与电源之间交换的能量用无功功率用无功功率Q Q

23、来计量，其大小为来计量，其大小为 (2.21)(2.21)无功功率的单位是乏（无功功率的单位是乏（varvar）。）。第二节第二节 交流电路交流电路2.2.4 RLC串联交流电路串联交流电路 电阻、电感和电容串联的电路如图电阻、电感和电容串联的电路如图2.8所示。下面讨论串联后的阻抗、所示。下面讨论串联后的阻抗、电压、电流及功率的关系。电压、电流及功率的关系。 、 和和 是分析计算电路的是分析计算电路的重要依据。重要依据。图2.8 RLC串联电路 阻抗三角形阻抗三角形电压三角形电压三角形功率三角形功率三角形无功功率的单位是乏（无功功率的单位是乏（var）第二节第二节 交流电路交流电路2.32.

24、3功率因数的提高功率因数的提高功率因数是有功功率与视在功率之比功率因数是有功功率与视在功率之比，用字母，用字母 表示。表示。 在只有电感或电容元件的电路中，在只有电感或电容元件的电路中，P=O , S = Q P=O , S = Q ， = O = O ，功功率因数最低，在只有电阻元件的电路中，率因数最低，在只有电阻元件的电路中，Q = 0 , S = PQ = 0 , S = P， =1 =1 ，功率因数最高。功率因数最高。如果电感如果电感L L很大，可采用并接电容的方法提高功率因很大，可采用并接电容的方法提高功率因数数，电路如图，电路如图2.12 ( 2.12 ( a a ）所示。图所示。

25、图2.12(2.12(a a）中的中的R R为电感线圈的导为电感线圈的导线电阻。线电阻。 图2.12 提高功率因素的方法第二节第二节 交流电路交流电路 并联电路选择电压为参考量并联电路选择电压为参考量, , ，电流之间的相量关系可根，电流之间的相量关系可根据据KCLKCL定律得出定律得出 。由图。由图2.12(2.12(b)b)相量图和式相量图和式 得出电容支路电流的有效值为得出电容支路电流的有效值为又根据电容电路有又根据电容电路有 (2.31)(2.31) 第二节第二节 交流电路交流电路 式中，式中， 为没并电容时的功率因数角，可根据条件在三个三角形为没并电容时的功率因数角，可根据条件在三个

26、三角形中的任意一个求得。中的任意一个求得。 为并入电容后的功率因数角，可根据要达到的为并入电容后的功率因数角，可根据要达到的 = =cos cos 的值求得。一般要求的值求得。一般要求0 .9 0 .9 1 1 。如。如 =1 =1 电路则产生电路则产生谐振，损坏电气设备。谐振，损坏电气设备。提高功率因数能使电源设备得到充分利用，又提高功率因数能使电源设备得到充分利用，又能减小供电电流，减小线路的损耗能减小供电电流，减小线路的损耗。 第二节第二节 交流电路交流电路2.4 电路中的谐振电路中的谐振 所谓所谓谐振谐振，是指在含有电容和电感的电路中，当调节电路的参数或，是指在含有电容和电感的电路中，

27、当调节电路的参数或电源的频率，使电路的总电压和总电流相位相同时，整个电路的负载呈电源的频率，使电路的总电压和总电流相位相同时，整个电路的负载呈电阻性，这时电路就发生了谐振，谐振分为电阻性，这时电路就发生了谐振，谐振分为串联谐振串联谐振和和并联谐振并联谐振。 R R、L L、C C串联电路如图串联电路如图2.13(2.13(a a）所示。所示。图2.13串联谐振第二节第二节 交流电路交流电路2.4.1串联谐振串联谐振 当当 与与 同相时，即同相时，即 =0=0，电路产生串联谐振。由阻抗三角，电路产生串联谐振。由阻抗三角形可得出，串联谐振的条件是形可得出，串联谐振的条件是 即即 = =式中，式中，

28、 为谐振频率为谐振频率 (2.32)(2.32) 式（式（2.322.32）说明，当调节）说明，当调节L L或或C C时就可改变谐振频率时就可改变谐振频率 ，而调节电源，而调节电源的频率使的频率使f= f= ，就可产生谐振。就可产生谐振。 =第二节第二节 交流电路交流电路串联谐振的特点：串联谐振的特点：( 1 )( 1 )电路的阻抗最小并呈电阻性，根据阻抗三角形有电路的阻抗最小并呈电阻性，根据阻抗三角形有( 2 )( 2 )电路中的电流最大，为电路中的电流最大，为( 3 ( 3 ）当）当 时，时， ，串联谐振可以在电容和电感两端产，串联谐振可以在电容和电感两端产生高压，故又称其为电压谐振。生高

29、压，故又称其为电压谐振。谐振电容两端的电压谐振电容两端的电压 或电感线圈两端的电压或电感线圈两端的电压 与总电压与总电压U U的比值，的比值，称为串联谐振电路的品质因数，用字母称为串联谐振电路的品质因数，用字母Q Q表示为表示为 Q= =第二节第二节 交流电路交流电路2.4.2并联谐振并联谐振电感线圈与电容并联的电路如图电感线圈与电容并联的电路如图2.15(2.15(a a）所示。所示。 图图2.15 2.15 并联谐振并联谐振图图2.15(2.15(a)a)中中R R为线圈电阻，一般很小，特别是在频率较高时，为线圈电阻，一般很小，特别是在频率较高时，R L , R L , 与与 同相时，即同

30、相时，即 0 0 ，电路产生并联谐振。由复阻抗的串并联关系可推导出并联谐振的，电路产生并联谐振。由复阻抗的串并联关系可推导出并联谐振的条件是（在条件是（在 R R 时，一般情况都能满足）时，一般情况都能满足） = = 。谐振频率为。谐振频率为=第二节第二节 交流电路交流电路并联谐振的特点：并联谐振的特点：( 1 )( 1 )电路的阻抗最大，呈电阻性，电路的阻抗最大，呈电阻性， = =( 2 )( 2 )电路的总电流量小，电路的总电流量小， = =( 3 )( 3 )谐振总电流谐振总电流 和支路电流和和支路电流和 和和 的相量关系如图的相量关系如图2.15(2.15(b b）所示。所示。并联谐振

31、各支路电流大于总电流，所以并联谐振又称为电流谐振。并联谐振并联谐振各支路电流大于总电流，所以并联谐振又称为电流谐振。并联谐振在电子线路中有着广泛的应用，而在电力工程中应避免谐振给电气设备带来在电子线路中有着广泛的应用，而在电力工程中应避免谐振给电气设备带来危害。危害。第二节第二节 交流电路交流电路2.5 2.5 三相交流电路三相交流电路 目前发电及供电系统都是采用三相交流电，在日常生活中所使用的交目前发电及供电系统都是采用三相交流电，在日常生活中所使用的交流电源，只是三相交流电中的一相。本小节主要介绍三相交流电源，以流电源，只是三相交流电中的一相。本小节主要介绍三相交流电源，以及对电压、电流和

32、功率的分析。及对电压、电流和功率的分析。 第二节第二节 交流电路交流电路2.5.1 2.5.1 三相交流电源三相交流电源 三相交流电是由三相同步发电机产生的。三相同步发电机内有三个结构相同、三相交流电是由三相同步发电机产生的。三相同步发电机内有三个结构相同、空间位置互差空间位置互差1201200 0对称分布的固定绕组，在同一旋转磁场中切割磁力线，产生三对称分布的固定绕组，在同一旋转磁场中切割磁力线，产生三相对称的交流电，如图相对称的交流电，如图2.162.16所示。所示。 图图2.16 2.16 三相交流电三相交流电 、分别为三个对称的单相交流电，三个引出线分别称为分别为三个对称的单相交流电，

33、三个引出线分别称为A A 相线、相线、B B 相线、相线、C C 相线，俗称相线，俗称火线火线。N N 引出线称为中线，俗称引出线称为中线，俗称零线零线。相。相线与中线之间的电压线与中线之间的电压 、 、 称为称为相电压相电压，其有效值用，其有效值用 表示。表示。相线与相线之间的电压相线与相线之间的电压 、 、 称为称为线电压线电压，其有效，其有效值用值用 表示。线电压表示。线电压 与相电压与相电压 的关系，的关系， = =如在我国低压配电系统中相电压为如在我国低压配电系统中相电压为220220V ,V ,线电压线电压 = 220=380= 220=380V V。第二节第二节 交流电路交流电路

34、第二节第二节 交流电路交流电路2.5.2 2.5.2 三相交流电的功率三相交流电的功率 三相负载总功率与负载的连接方式无关三相负载总功率与负载的连接方式无关, , 三相负载总的有功功率等于各相有功功率代数和三相负载总的有功功率等于各相有功功率代数和， 即：即： 三相总的无功功率等于各相无功功率的代数和三相总的无功功率等于各相无功功率的代数和， 即：即： 三相总的视在功率根据功率三角形可得：三相总的视在功率根据功率三角形可得： 第二节第二节 交流电路交流电路负载与三相电源连接时尽可能对称分布。如果负载与三相电源连接时尽可能对称分布。如果负载对称，则三相总的功负载对称，则三相总的功率分别为率分别为

35、：式中，式中， 是相电压是相电压 与相电流与相电流 之间的相位差。之间的相位差。 应该注意，虽然应该注意，虽然Y Y形连接和形连接和形连接计算功率的形式相同，但其具体形连接计算功率的形式相同，但其具体的计算值并不相等。的计算值并不相等。 电工基础与系统组成基础知识基础知识 第一章第一章第一节第一节 直流电源直流电源 第二节第二节 交流电源交流电源 第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机 第四节第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用 第五节第五节 集成运算放大器集成运算放大器 第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源 第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机第三节第三节 变压器与电动机

36、变压器与电动机3.1 3.1 变压器变压器 变压器是利用电磁感应原理制成的，它是传输电能或信号的静止电变压器是利用电磁感应原理制成的，它是传输电能或信号的静止电器，种类很多，应用十分广泛。它能实现变压、变流、变阻抗及电隔离器，种类很多，应用十分广泛。它能实现变压、变流、变阻抗及电隔离作用。作用。 第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机变压器由变压器由铁心铁心和和绕组绕组两部分组成，如图两部分组成，如图3.13.1所示。这是一个简单的双所示。这是一个简单的双绕组变压器，在一个闭合铁心上套有两组绕组。绕组变压器，在一个闭合铁心上套有两组绕组。N Nl l为一次绕组的匝数，为一次绕组的匝数，一次

37、绕组也称为原绕组或原边。一次绕组也称为原绕组或原边。N N2 2为二次绕组的匝数，二次绕组也称为为二次绕组的匝数，二次绕组也称为副绕组或副边。通常绕组都用铜或铝制漆包线绕制而成。副绕组或副边。通常绕组都用铜或铝制漆包线绕制而成。图图3.1 3.1 变压器结构示意图变压器结构示意图铁心是用铁心是用0.350.350.50.5的硅钢片叠压而成，为了降低磁阻，一般用交错的硅钢片叠压而成，为了降低磁阻，一般用交错叠安装的方式，即将每层硅钢片的接缝处错开。叠安装的方式，即将每层硅钢片的接缝处错开。变压器一、二次绕组电流、电压的有效值与匝数的关系为：变压器一、二次绕组电流、电压的有效值与匝数的关系为：第三

38、节第三节 变压器与电动机变压器与电动机3.2 3.2 三相异步电动机三相异步电动机 电动机是能量转换装置，把机械能转化为电能的装置称为发电机，电动机是能量转换装置，把机械能转化为电能的装置称为发电机，把电能转化为机械能的装置称为电动机把电能转化为机械能的装置称为电动机。电动机主要用于拖动生产机械。电动机主要用于拖动生产机械之用，电动机按所需电源的种类可分为交流电动机和直流电动机，交流之用，电动机按所需电源的种类可分为交流电动机和直流电动机，交流电动机又可分为异步电动机和同步电动机。其中异步电动机由于结构简电动机又可分为异步电动机和同步电动机。其中异步电动机由于结构简单、运行可靠、维护方便和价格

39、便宜，是所有电动机中应用最广泛的一单、运行可靠、维护方便和价格便宜，是所有电动机中应用最广泛的一种。种。 第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机3.2.1 3.2.1 三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构 三相异步电动机分成两个基本组成部分：三相异步电动机分成两个基本组成部分：定子定子（固定部分）和（固定部分）和转子转子（转动部分），如图（转动部分），如图3.23.2所示。所示。图图3.2 3.2 三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机 三相异步电动机的定子由机座和装在机座内的圆筒形铁心及三相定三相异步电动机的定子由机座和装在机座内的圆筒形铁

40、心及三相定子绕组构成。机座是用铸铁或铸钢所制成，铁心是由相互绝缘的硅钢片子绕组构成。机座是用铸铁或铸钢所制成，铁心是由相互绝缘的硅钢片叠成（与变压器铁心一样）。铁心圆筒内表面冲有槽，如图叠成（与变压器铁心一样）。铁心圆筒内表面冲有槽，如图3.33.3所示，用所示，用来放置三相对称绕组来放置三相对称绕组AX , BYAX , BY，CZCZ，三相绕组可接成星形或三角形。三相绕组可接成星形或三角形。 图图3.3 3.3 定子和转子的铁心定子和转子的铁心第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机 三相异步电动机的转子有两种形式，即三相异步电动机的转子有两种形式，即鼠笼式鼠笼式和和绕线式绕线式。转子铁

41、心。转子铁心是圆柱状，也用硅钢片叠成，表面冲有槽，以放置导条或绕组，轴上加是圆柱状，也用硅钢片叠成，表面冲有槽，以放置导条或绕组，轴上加机械负载。鼠笼式转子做成鼠笼状，就是在转子铁心的槽中置入铜条或机械负载。鼠笼式转子做成鼠笼状，就是在转子铁心的槽中置入铜条或铝条（导条），其两端用端环连接，称为短路环，如图铝条（导条），其两端用端环连接，称为短路环，如图3.43.4所示。在中小所示。在中小型鼠笼式电动机中，转子的导条多用铸铝制成型鼠笼式电动机中，转子的导条多用铸铝制成。图图3.4 3.4 鼠笼式转子鼠笼式转子第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机 绕线式异步电动机的结构如图绕线式异步电动机

42、的结构如图3.53.5所示，它的转子绕组同定子绕组一所示，它的转子绕组同定子绕组一样，也是三相，接成星形。每相的始端接在三相滑环上，尾端接在一起，样，也是三相，接成星形。每相的始端接在三相滑环上，尾端接在一起，滑环固定在转轴上，同轴一起旋转，环与环，环与轴，都相互绝缘，在滑环固定在转轴上，同轴一起旋转，环与环，环与轴，都相互绝缘，在环上用弹簧压着碳质电刷，借助于电刷可以改变转子电阻以改变它的起环上用弹簧压着碳质电刷，借助于电刷可以改变转子电阻以改变它的起动和调速性能。动和调速性能。3.53.5图图 绕线式转子绕线式转子第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机3.2.2 3.2.2 三相异步电

43、动机的工作原理三相异步电动机的工作原理1.1.旋转磁场的产生旋转磁场的产生 在三相异步电动机定子铁心中放有三相对称绕组在三相异步电动机定子铁心中放有三相对称绕组AXAX、BYBY、CZCZ，将三将三相绕组结成星形接在三相电源上，绕组中便通入三相对称正弦电流为相绕组结成星形接在三相电源上，绕组中便通入三相对称正弦电流为其波形如图其波形如图3.63.6所示。所示。 图图3.6 3.6 三相对称正弦电流三相对称正弦电流 第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机 设在正半周时，电流从绕组的首端流入，尾端流出。在负半周时，设在正半周时，电流从绕组的首端流入，尾端流出。在负半周时，电流从绕组的尾端流入，

44、首端流出。取各个不同的时刻，分析定子绕组电流从绕组的尾端流入，首端流出。取各个不同的时刻，分析定子绕组中电流产生合成磁场的变化情况，用以判断它是否为旋转磁场。中电流产生合成磁场的变化情况，用以判断它是否为旋转磁场。 在在 时，定子绕组中电流方向如图时，定子绕组中电流方向如图3.7(a）所示，此时所示，此时iA=0, iC为为正半周，其电流从首端流入，尾端流出，正半周，其电流从首端流入，尾端流出，iB为负半周，电流从尾端流入，为负半周，电流从尾端流入，首端流出。可由右手定则判断合成磁场的方向。同理可得出首端流出。可由右手定则判断合成磁场的方向。同理可得出 （b图）图）和和 (c图）时的合成磁场方

45、向，由图发现，当定子绕组中通入三图）时的合成磁场方向，由图发现，当定子绕组中通入三相电流后，它们产生的合成磁场是随电流的变化在空间不断地旋转着。相电流后，它们产生的合成磁场是随电流的变化在空间不断地旋转着。第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机2.2.磁场的方向磁场的方向 旋转磁场的转向和三相电流旋转磁场的转向和三相电流i iA A、i iB B、i iC C的顺序有关，也称相序。以上的顺序有关，也称相序。以上是按是按ABCABC的相序，旋转磁场就按顺时针方向旋转。如将三相电源的任的相序，旋转磁场就按顺时针方向旋转。如将三相电源的任意两相对调位置，可发现此时旋转磁场也反转，因此意两相对调位

46、置，可发现此时旋转磁场也反转，因此改变相序可以改变改变相序可以改变三相异步电动机的转向三相异步电动机的转向。 图图3.7 旋转磁场的产生（旋转磁场的产生（p=1)第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机 图图3.8 3.8 旋转磁场的反转旋转磁场的反转第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机3.旋转磁场的极数旋转磁场的极数 旋转磁场的极数与每相绕组的串联个数有关，以上为每相有一个绕组，旋转磁场的极数与每相绕组的串联个数有关，以上为每相有一个绕组，能产生一对磁极能产生一对磁极( ( p=1,pp=1,p为极对数为极对数) )。当每相有两个绕组串联，则绕组的。当每相有两个绕组串联，则绕组的首端

47、之间的相位差为首端之间的相位差为1201200 0/2=60/2=600 0 ，则产生的旋转磁场具有两对极（，则产生的旋转磁场具有两对极（P=2P=2）称称4 4极电动机极电动机，如图，如图3.93.9和图和图3.103.10所示。所示。图图3.9 产生产生4极旋转磁场的定子绕组极旋转磁场的定子绕组 同理，每相有同理，每相有3 3个绕组串联（个绕组串联（p=3p=3时，时，6 6极电动机），绕组首端之间相极电动机），绕组首端之间相位差为位差为1201200 0/ 3=40/ 3=400 0空间角。空间角。第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机 图图3.10 3.10 三相电流产生的旋转磁场

48、（三相电流产生的旋转磁场（p=2p=2） 第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机4 4 旋转磁场的转速旋转磁场的转速( (同步转速同步转速n n0 0 ) ) 旋转磁场的转速决定于磁极数。在一对磁极的情况下，当电流从旋转磁场的转速决定于磁极数。在一对磁极的情况下，当电流从 到到 时，磁极也旋转了时，磁极也旋转了6060，设电源的频率为，设电源的频率为f f，即电流即电流每秒钟交变每秒钟交变f f次或每分钟交变了次或每分钟交变了6060f f次次, ,则旋转磁场的转速为则旋转磁场的转速为n n0 060f,60f,转速转速的单位为转的单位为转/ /分（分（r/minr/min）；）；在两对磁

49、极的情况下，当电流从在两对磁极的情况下，当电流从 到到 经历了经历了6060时，而磁场在空间仅旋转了时，而磁场在空间仅旋转了3030，当电流交变一周时，磁场转，当电流交变一周时，磁场转过半周，比过半周，比p = 1 p = 1 的情况转速慢了一半，即的情况转速慢了一半，即 n n0 0=60f/2=60f/2，同理，在三对磁同理，在三对磁极的情况下极的情况下, ,n n0 0 =60f/ 3 =60f/ 3 。由此可知，当旋转磁场有由此可知，当旋转磁场有p p 对磁极时，其旋对磁极时，其旋转磁场的转速为转磁场的转速为 n n0 0=60f/p =60f/p ( 3.1 )( 3.1 ) 在我国

50、，在我国，工频工频f=50Hzf=50Hz，由式（由式（3.13.1）可得出对应于不同极对数）可得出对应于不同极对数p p 的旋的旋转磁场转速转磁场转速n n0 0：p123456n0(r/min)300015001000750600500电工基础与系统组成基础知识基础知识 第一章第一章第一节第一节 直流电源直流电源 第二节第二节 交流电源交流电源 第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机 第四节第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用 第五节第五节 集成运算放大器集成运算放大器 第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源 第四节第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用第四节第四节 半导

51、体元件及其应用半导体元件及其应用4.1 4.1 二极管二极管4.1.14.1.1二极管的基本结构二极管的基本结构 将将PN PN 结加上相应的封装并引出两根电极就构成了结加上相应的封装并引出两根电极就构成了二极管二极管。常用的封。常用的封装有金属封装、塑料封装和玻璃封装等。从装有金属封装、塑料封装和玻璃封装等。从P P区引出的线称为区引出的线称为阳极阳极，用，用“+ +”表示；从表示；从N N 区引出的线称区引出的线称阴极阴极，用，用“- -”表示。如图表示。如图4.1 4.1 所示。所示。 图4.1二极管第四节第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用4.1.2二极管的伏安特性二极管的伏安

52、特性 二极管的伏安特性二极管的伏安特性就是加在二极管两端的电压与流过二极管电流之就是加在二极管两端的电压与流过二极管电流之间的关系，即间的关系，即I=f(u)。如图如图4.2 所示为硅二极管和锗二极管的实际伏安特所示为硅二极管和锗二极管的实际伏安特性曲线，由图可见，二极管的伏安特性是非线性的，说明性曲线，由图可见，二极管的伏安特性是非线性的，说明二极管是非线二极管是非线性元件性元件。1 正向特性正向特性图图4.2二极管二极管的伏安特性的伏安特性2 反向特性反向特性3 反向击穿特性反向击穿特性第四节第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用4.24.2三极管三极管4.2.14.2.1三极管的基

53、本结构三极管的基本结构 半导体三极管又称半导体三极管又称晶体管晶体管，是最重要的电子器件，它具有电流放大作，是最重要的电子器件，它具有电流放大作用和开关的作用。三极管的结构主要有平面型和合金型两大类，如图用和开关的作用。三极管的结构主要有平面型和合金型两大类，如图4.3 4.3 所示。硅管主要是平面型，锗管都是合金型，它是通过一定的工艺在一块所示。硅管主要是平面型，锗管都是合金型，它是通过一定的工艺在一块半导体基片上制成两个半导体基片上制成两个PN PN 结，再引出结，再引出3 3 个电极，然后用管壳封装而成。个电极，然后用管壳封装而成。图4.3三极管的结构及外形第四节第四节 半导体元件及其应

54、用半导体元件及其应用不论平面型或合金型，都分为不论平面型或合金型，都分为NPNNPN 型或型或 PNPPNP 型两类，其结构示意图和表型两类，其结构示意图和表示符号如图示符号如图4.4 4.4 所示。所示。图图4.4 4.4 三极管的结构示意图三极管的结构示意图第四节第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用4.2.24.2.2三极管的特性曲线三极管的特性曲线 三极管的特性曲线是用来表示该三极管各极电压和电流之间相互关三极管的特性曲线是用来表示该三极管各极电压和电流之间相互关系的，它反映出三极管的性能，也是分析放大电路的重要依据，最常用系的，它反映出三极管的性能，也是分析放大电路的重要依据，

55、最常用的是共射极接法的的是共射极接法的输入特性曲线输入特性曲线和和输出特性曲线输出特性曲线。图图4.5 4.5 三极管的特性曲线三极管的特性曲线第四节第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用输入特性曲线输入特性曲线是指当集是指当集- -射极电压射极电压 为常数时，基极电流为常数时，基极电流 与基射极与基射极电压电压 之间的关系曲线，即：之间的关系曲线，即： ，如图，如图4.5(4.5(a)a)所示。所示。输出特性曲线输出特性曲线是指当基极电流是指当基极电流 为常数时，三极管的集电极电流为常数时，三极管的集电极电流 和和集集. .射极电压射极电压 之间的关系曲线，即：之间的关系曲线，即： 。

56、在不同的。在不同的I IB B下，可得出一族不同的曲线，如图下，可得出一族不同的曲线，如图4.5( 4.5( b )b )所示。所示。第四节第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用4.34.3三极管放大电路及负反馈三极管放大电路及负反馈4.3.14.3.1基本电压放大电路的组成基本电压放大电路的组成 放大电路一般由放大电路一般由电压放大电压放大和和功率放大功率放大两部分组成。先由电压放大电两部分组成。先由电压放大电路将微弱信号加以放大去推动功率放大电路，再由功率放大电路输出足路将微弱信号加以放大去推动功率放大电路，再由功率放大电路输出足够大的功率去推动执行元件。够大的功率去推动执行元件。电

57、压放大电路通常工作在小信号情况下，电压放大电路通常工作在小信号情况下，而功率放大电路通常工作在大信号情况下而功率放大电路通常工作在大信号情况下。第四节第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用 如图如图4.6 4.6 所示是由所示是由NPNNPN型晶体管组成的最基本的放大单元电路。作为型晶体管组成的最基本的放大单元电路。作为放大电路中的晶体管，只有三个电极，因此必有一个电极作为输入、输放大电路中的晶体管，只有三个电极，因此必有一个电极作为输入、输出电路的公共端。由于公共端选择不同，晶体管有三种连接方式，即出电路的公共端。由于公共端选择不同，晶体管有三种连接方式，即共共发射极电路发射极电路，共

58、集电极电路共集电极电路和和共基极电路共基极电路。图图4.64.6共射极单管放大电路共射极单管放大电路第四节第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用4.3.24.3.2放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈反馈的概念反馈的概念 所谓所谓反馈反馈，就是将放大电路输出端的电量（电压或电流）的一部分或全部，通过一定，就是将放大电路输出端的电量（电压或电流）的一部分或全部，通过一定网络再送回输入端。网络再送回输入端。反馈的形式反馈的形式(1)正反馈和负反馈正反馈和负反馈(2)直流反馈和交流反馈直流反馈和交流反馈(3)电压反馈和电流反馈电压反馈和电流反馈(4)串联反馈和并联反馈串联反馈和并联反馈 反馈技

59、术在电子电路中得到了极为广泛的应用。在放大电路中采用负反馈，可以改善反馈技术在电子电路中得到了极为广泛的应用。在放大电路中采用负反馈，可以改善放大电路性能。因此实用的放大电路几乎都采用负反馈，故通常也称为放大电路性能。因此实用的放大电路几乎都采用负反馈，故通常也称为负反馈放大电路负反馈放大电路。第四节第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用4.44.4晶闸管晶闸管4.4.14.4.1晶闸管结构晶闸管结构 晶闸管又称晶闸管又称可控硅可控硅，它是一种大功率可控整流元件。晶闸管是由三个，它是一种大功率可控整流元件。晶闸管是由三个PN PN 结组结组成的半导体器件，其内部结构如图成的半导体器件，其

60、内部结构如图4.7(4.7(a)a)所示。它有三个电极：由外层所示。它有三个电极：由外层P P区引出区引出的电极为阳极的电极为阳极A A、外层外层N N区引出的电极为阴极区引出的电极为阴极K K、中间中间P P区引出的电极为控制极区引出的电极为控制极G G（又称触发极或门极）。图又称触发极或门极）。图4.7(4.7(b)b)为螺栓型结构晶闸管的外形，螺栓那一端是阳为螺栓型结构晶闸管的外形，螺栓那一端是阳极引出端，并利用它与散热器固定；另一端粗的引出线是阴极，细的是控制极。极引出端，并利用它与散热器固定；另一端粗的引出线是阴极，细的是控制极。图图4.7(4.7(c)c)是一种小功率塑封式晶闸管，

61、图是一种小功率塑封式晶闸管，图4.7(4.7(d)d)为晶闸管电路符号。为晶闸管电路符号。 图图4.74.7晶闸管结构、外形及符号晶闸管结构、外形及符号第四节第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用4.4.24.4.2晶闸管的应用晶闸管的应用1.可控整流可控整流2.双向晶闸管及其交流调压双向晶闸管及其交流调压3.可关断晶闸管及其直流调压可关断晶闸管及其直流调压4.5 4.5 MOSFETMOSFET功率管功率管4.5.1 4.5.1 MOSFETMOSFET功率管简介功率管简介 金属金属氧化物半导体场效应管氧化物半导体场效应管( (metal-oxide-semiconductor typ

62、e metal-oxide-semiconductor type field-effect transistor)field-effect transistor)以下简称以下简称MOSFETMOSFET，是在近十几年发展起来的是在近十几年发展起来的一种高速、大功率、高耐压的开关器件。由于这种开关功率管属于电压一种高速、大功率、高耐压的开关器件。由于这种开关功率管属于电压控制型，稳态工作时栅极控制电流很小，所以具有很高的电流增益和输控制型，稳态工作时栅极控制电流很小，所以具有很高的电流增益和输入阻抗，而且结电容很小，几乎不存在储存时间。入阻抗，而且结电容很小，几乎不存在储存时间。第四节第四节 半

63、导体元件及其应用半导体元件及其应用 图图4.114.11和图和图4.124.12分别为分别为NPNNPN型三极管和型三极管和N N沟道沟道MOSFETMOSFET的表示符号。在图的表示符号。在图4.114.11中三极管的三个极分别为中三极管的三个极分别为集电极集电极（C C）、）、基极基极（B B）和和发射极发射极（E E）。）。MOSFET MOSFET 与之相对应的三个极分别为与之相对应的三个极分别为漏极漏极（D D）、）、栅极栅极（G G）和和源极源极（S S）。）。N N沟道沟道MOSFETMOSFET管工作时的电流流向与管工作时的电流流向与NPN NPN 型三极管电流流向相同，这就决

64、型三极管电流流向相同，这就决定了定了MOSFETMOSFET管在电路中的联接方法与管在电路中的联接方法与NPNNPN型三极管是一致的，但它们在构型三极管是一致的，但它们在构造和工作方法上有很大的区别。根本的区别是造和工作方法上有很大的区别。根本的区别是MOSFETMOSFET管是多数载流子运管是多数载流子运动导电的半导体器件，而三极管是既利用多数载流子又利用少数载流子动导电的半导体器件，而三极管是既利用多数载流子又利用少数载流子运动导电的半导体器件。运动导电的半导体器件。图图4.11 4.11 NPNNPN三极管三极管 图图4.12 4.12 N N形沟道形沟道MOSFETMOSFET管管 第

65、四节第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用第四节第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用MOSFETMOSFET功率管特性功率管特性4.5.2 MOSFET功率管输出特性功率管输出特性4.5.3 MOSFET功率管截止特性功率管截止特性第四节第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用4.6 4.6 IGBT IGBT 复合功率管复合功率管 MOSFETMOSFET功率管与三极管相比虽然有很多优良特性，但功率管与三极管相比虽然有很多优良特性，但MOSFETMOSFET功率管功率管在导通状态时，其漏极与源极之间存在导通电阻在导通状态时，其漏极与源极之间存在导通电阻r rDSDS，是造成

66、器件发热严是造成器件发热严重，输出效率下降，工作寿命缩短等问题的主要原因。这就使得单只重，输出效率下降，工作寿命缩短等问题的主要原因。这就使得单只MOSFET MOSFET 开关功率管在极端工作情况下（如环境温度高，输入电压低等）开关功率管在极端工作情况下（如环境温度高，输入电压低等）很难输出很难输出500500W W以上的功率。从另一方面看，以上的功率。从另一方面看，PNPPNP型三极管在大电流导通时型三极管在大电流导通时集电极与发射极之间的电阻可以做得很小，但由于大电流时增益较低，集电极与发射极之间的电阻可以做得很小，但由于大电流时增益较低，要求驱动电路有较强的输出功率。要求驱动电路有较强

67、的输出功率。4.15 4.15 IGBTIGBT的等效电路图的等效电路图电工基础与系统组成基础知识基础知识 第一章第一章第一节第一节 直流电源直流电源 第二节第二节 交流电源交流电源 第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机 第四节第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用 第五节第五节 集成运算放大器集成运算放大器 第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源 第五节第五节 集成运算放大器集成运算放大器第五节集成运算放大器第五节集成运算放大器5.1 5.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介运算放大器运算放大器（简称运放）是具有高开环放大倍数并带有深度负反馈（简称运放）是具有高开环放大倍数并

68、带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。早期的运放是由分立器件（三极管和电阻等）的多级直接耦合放大电路。早期的运放是由分立器件（三极管和电阻等）构成的，其价格昂贵，体积也很大。在构成的，其价格昂贵，体积也很大。在2020世纪世纪6060年代中期，第一块集成年代中期，第一块集成运算放大器问世，其是将相当多的三极管和电阻集中在一块硅片上而成运算放大器问世，其是将相当多的三极管和电阻集中在一块硅片上而成的。它的出现标志着电子电路设计进入了一个新时代。由于集成运算放的。它的出现标志着电子电路设计进入了一个新时代。由于集成运算放大器具有十分理想的特性，它不但可以作为基本运算单元完成加减、乘大器具有十分理想

69、的特性，它不但可以作为基本运算单元完成加减、乘除、微分、积分等数学运算，还在信号处理及产生等方面都有广泛的应除、微分、积分等数学运算，还在信号处理及产生等方面都有广泛的应用。用。第五节第五节 集成运算放大器集成运算放大器5.1.15.1.1运算放大器的端子运算放大器的端子 从处理信号的观点出发，运算放大器有三个端子，即反相输入端从处理信号的观点出发，运算放大器有三个端子，即反相输入端（用符号（用符号“- -”表示），同相输入端（用符号表示），同相输入端（用符号“+ +”表示）和输出端，如表示）和输出端，如图图5.15.1所示。考虑到放大器要有直流电源才能工作，大多数集成运放需要所示。考虑到放大

70、器要有直流电源才能工作，大多数集成运放需要两个直流电源供电，如图两个直流电源供电，如图5.25.2所示。图中所示。图中7.47.4两个端子由运放内部引出，两个端子由运放内部引出，分别连接到正电源分别连接到正电源+ +U UCCCC和负电源和负电源- -U UEEEE。运放的参考地点就是两个电源公共运放的参考地点就是两个电源公共端地，也就是说，没有一个端子是固定直接接地的。端地，也就是说，没有一个端子是固定直接接地的。第五节第五节 集成运算放大器集成运算放大器 图图5.1 理想运算放大器理想运算放大器 图图5.2 理想运放的供电方式理想运放的供电方式 除了三个信号端和两个电源供给端以外，运算放大

71、器还可能有几个除了三个信号端和两个电源供给端以外，运算放大器还可能有几个供专门用途的其他端子，如频率补偿端和调零端等，这些端子的功能请供专门用途的其他端子，如频率补偿端和调零端等，这些端子的功能请参见相关资料。参见相关资料。第五节第五节 集成运算放大器集成运算放大器5.2 5.2 运放在信号运算方面的应用运放在信号运算方面的应用 基本运算电路基本运算电路 采用集成运放接入适当的反馈电路就可构成各种运算电路，主采用集成运放接入适当的反馈电路就可构成各种运算电路，主要有比例运算，加、减法和微、积分运算等。由于集成运放开环增要有比例运算，加、减法和微、积分运算等。由于集成运放开环增益很高，所以它构成

72、的基本运算电路均为深度负反馈电路，运放两益很高，所以它构成的基本运算电路均为深度负反馈电路，运放两输入端之间满足输入端之间满足“虚短虚短”和和“虚断虚断”，根据这两个特点很容易分析，根据这两个特点很容易分析各种运算电路。各种运算电路。1、比例运算比例运算2、加法运算、加法运算3、减法运算、减法运算电工基础与系统组成基础知识基础知识 第一章第一章第一节第一节 直流电源直流电源 第二节第二节 交流电源交流电源 第三节第三节 变压器与电动机变压器与电动机 第四节第四节 半导体元件及其应用半导体元件及其应用 第五节第五节 集成运算放大器集成运算放大器 第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源 第六节第六

73、节 直流稳压电源直流稳压电源第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源 图图6.1为为直流稳压电源直流稳压电源原理框图，其原理框图，其工作过程是工作过程是利用变压器将交流电利用变压器将交流电网电压变为所需要的交流电压；然后经过整流电路，把大小和方向都随网电压变为所需要的交流电压；然后经过整流电路，把大小和方向都随着时间变化的交流电变成脉动的直流电；再经过滤波电路，滤除脉动直着时间变化的交流电变成脉动的直流电；再经过滤波电路，滤除脉动直流电中的交流成分，输出平滑的直流电；流电中的交流成分，输出平滑的直流电；稳压电路的作用是稳压电路的作用是当电网电压当电网电压波动或负载变化引起输出的直流电压变化时，通

74、过稳压电路的自动调整波动或负载变化引起输出的直流电压变化时，通过稳压电路的自动调整使输出电压维持平稳。使输出电压维持平稳。 图图6.1 6.1 直流稳压电源原理框图直流稳压电源原理框图第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源6.1.16.1.1单相桥式整流电路单相桥式整流电路 单相整流电路的形式有单相整流电路的形式有半波整流电路半波整流电路、全波整流电路全波整流电路、桥式整流电桥式整流电路路，其中桥式整流电路应用最广泛。单相桥式整流电路如图，其中桥式整流电路应用最广泛。单相桥式整流电路如图6.2(6.2(a)a)所示，所示，图图6.2(6.2(b)b)是其简化电路。它由是其简化电路。它由4 4只

75、整流二极管接成电桥形式，其中两个共只整流二极管接成电桥形式，其中两个共阴极组二极管的阴极接负载阴极组二极管的阴极接负载 R RL L 的一端，为输出直流电的正极。另两个的一端，为输出直流电的正极。另两个共阳极组二极管的阳极接负载共阳极组二极管的阳极接负载 R RL L 的另一端，为输出直流电的负极。两的另一端，为输出直流电的负极。两个二极管阳极和阴极相连的端子接整流变压器的次级绕组个二极管阳极和阴极相连的端子接整流变压器的次级绕组。 ( ( a a ）电路原理图电路原理图 ( ( b b ）电路简化图电路简化图图图6.2 6.2 单相桥式整流电路单相桥式整流电路第六节第六节 直流稳压电源直流稳

76、压电源6.1.2 6.1.2 三相桥式整流电路三相桥式整流电路三相桥式整流电路如图三相桥式整流电路如图6.3 6.3 所示。所示。图图6.3 6.3 三相桥式整流电路三相桥式整流电路第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源图6.4 三相桥式整流的电压波形第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源其波形如图其波形如图6.46.4所示。在所示。在 期间，期间，a a点电位最高，所以点电位最高，所以VDVD1 1导通，导通，VDVD1 1导导通后使通后使 VDVD3 3 、VDVD5 5 承受反向电压而截止；承受反向电压而截止；b b点电位最低，所以点电位最低，所以VDVD4 4导通导通, , VDVD4

77、 4导通后使导通后使VDVD2 2 、VDVD6 6承受反向电压而截止。此期间电流的通路为承受反向电压而截止。此期间电流的通路为a a 负载两端电压为线电压负载两端电压为线电压U Uabab , ,如图如图6.4(6.4(b b）所示。同所示。同理，在理，在 期间，期间，a a点电位最高，点电位最高，c c点电位最低，所以点电位最低，所以VDVD1 1、VDVD6 6导通，其导通，其余余4 4个二极管都截止，电流通路为个二极管都截止，电流通路为a a 负载两端电压为线负载两端电压为线电压电压U Uacac 。其余时间以此类推。二极管导通顺序如图其余时间以此类推。二极管导通顺序如图6.46.4所

78、示。由图所示。由图6.4(6.4(b)b)可知，负载所得整流电压可知，负载所得整流电压U U0 0 的大小，等于变压器副边三相相电压的大小，等于变压器副边三相相电压的上下包络线间的垂直距离所对应的电压值。它的脉动较小，其平均值的上下包络线间的垂直距离所对应的电压值。它的脉动较小，其平均值为为: : U U0 0 =2.34U =2.34U2 2式中，式中，U U2 2为变压器副边相电压的有效值。为变压器副边相电压的有效值。负载中电流负载中电流 i i0 0的平均值为：的平均值为： 第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源由于在一个周期中，每个二极管只有三分之一的时间导通，因此流由于在一个周期中，

79、每个二极管只有三分之一的时间导通，因此流过每个管的平均电流为过每个管的平均电流为每个二极管所承受的最高反向电压为变压器副边线电压的幅值，即每个二极管所承受的最高反向电压为变压器副边线电压的幅值，即第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源6.2 6.2 滤波电路滤波电路 滤波电路的主要元件是滤波电路的主要元件是电容电容和和电感电感，利用它可构成电容滤波电路、，利用它可构成电容滤波电路、电感滤波电路，电容电感电感滤波电路，电容电感形滤波电路和形滤波电路和形滤波电路等，其中以形滤波电路等，其中以电容电容滤波电路滤波电路最常用。电容滤波电路如图最常用。电容滤波电路如图6.5(6.5(a)a)所示，滤波电

80、容器并接在负所示，滤波电容器并接在负载两端。载两端。图图6.5 6.5 电容滤波电路电容滤波电路第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源电容滤波电路工作原理如下电容滤波电路工作原理如下: : 根据电容器的储能作用，电容滤波电路输出波形如图根据电容器的储能作用，电容滤波电路输出波形如图6.5(6.5(b)b)所示。所示。设设t=Ot=O时电路接通电源，电路中电容电压时电路接通电源，电路中电容电压U UC C从零开始增大，电流分成两路：从零开始增大，电流分成两路：一路流向一路流向R RL L ，一路向电容器一路向电容器C C充电。由于桥式整流电路中二极管导通时充电。由于桥式整流电路中二极管导通时的内

81、阻和整流变压器次级绕组的直流电阻都很小，所以充电时间常数的内阻和整流变压器次级绕组的直流电阻都很小，所以充电时间常数 很小，充电速度很快，很小，充电速度很快， 可跟随可跟随 变化。当变化。当 达到达到 时，时， 也达到也达到 。 达到最大值后开始下降，达到最大值后开始下降， 由于放电也逐渐下降，由于放电也逐渐下降，当当 时，电桥中二极管截止，电容器时，电桥中二极管截止，电容器C C经经R RL L放电，这个回路放电，这个回路的放电时间常数的放电时间常数 = = 较大，所以较大，所以 下降比较缓慢。下降比较缓慢。 越大，越大， 下降越缓慢，输出电压波形就越平滑。当下一个正弦半波来到并大于下降越缓

82、慢，输出电压波形就越平滑。当下一个正弦半波来到并大于 时，电容器时，电容器C C又开始充电，充至最大值后再次经又开始充电，充至最大值后再次经R RL L 放电。如此周而复始放电。如此周而复始地进行下去，就得到图地进行下去，就得到图6.5(6.5(b)b)所示比较平滑的波形。所示比较平滑的波形。 第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源6.3 6.3 稳压电路稳压电路 整流滤波后所得的直流电压虽然比较平滑，但是当电网电压波动或整流滤波后所得的直流电压虽然比较平滑，但是当电网电压波动或者负载变动时，输出的直流电压也跟着变动。实际工作中，电网电压的者负载变动时，输出的直流电压也跟着变动。实际工作中，电

83、网电压的波动及负载的变动是客观存在的，因此负载两端的电压是不稳定的。稳波动及负载的变动是客观存在的，因此负载两端的电压是不稳定的。稳压电路的作用就是向负载提供稳定的直流电压。稳压电路按所用器件可压电路的作用就是向负载提供稳定的直流电压。稳压电路按所用器件可分为分立元件直流稳压电路和集成直流稳压电路；按电路结构可分为并分为分立元件直流稳压电路和集成直流稳压电路；按电路结构可分为并联型直流稳压电路和串联型直流稳压电路；按电压调整单元的工作方式联型直流稳压电路和串联型直流稳压电路；按电压调整单元的工作方式则可分为线性直流稳压电路和开关型直流稳压电路。则可分为线性直流稳压电路和开关型直流稳压电路。第六

84、节第六节 直流稳压电源直流稳压电源6.3.16.3.1并联型稳压电路并联型稳压电路 并联型稳压电路如图并联型稳压电路如图6.6 6.6 所示。稳压管与负载并联，并有限流电阻所示。稳压管与负载并联，并有限流电阻R R 配合接入整流滤波电路之后才能起到稳压作用。配合接入整流滤波电路之后才能起到稳压作用。 在图在图6.66.6所示的电路中根据所示的电路中根据KCL KCL 和和KVL KVL 定律有定律有 图图6.6 6.6 并联型直流稳压电路并联型直流稳压电路 第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源 为整流滤波电路的输出电压，也是稳压电路的输入电压，其稳压过程分述为整流滤波电路的输出电压，也是稳压

85、电路的输入电压，其稳压过程分述如下：如下： 当交流电网波动时，如电网电压上升，则当交流电网波动时，如电网电压上升，则 当电网未波动当电网未波动u u不变，而负载不变，而负载R R 变动时，如变动时，如R R 减小，则减小，则 总之，总之，无论是电网波动还是负载变动，负载两端电压经稳压管自动调整后无论是电网波动还是负载变动，负载两端电压经稳压管自动调整后（与限流电阻（与限流电阻R R 配合）都能基本上维持稳定配合）都能基本上维持稳定。 并联型稳压电路结构简单，但受稳压管最大电流限制，又不能任意调节输出并联型稳压电路结构简单，但受稳压管最大电流限制，又不能任意调节输出电压，所以只适用于输出电压不需

86、调节，负载电流小，要求不高的场合。电压，所以只适用于输出电压不需调节，负载电流小，要求不高的场合。 第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源6.3 6.3 开关稳压电路开关稳压电路 串联稳压电路，虽具有输出稳定度高、电路简单、工作可靠等优点，串联稳压电路，虽具有输出稳定度高、电路简单、工作可靠等优点，但调整管必须工作在放大状态，当负载电流较大时，调整管会产生很大但调整管必须工作在放大状态，当负载电流较大时，调整管会产生很大的功耗，这不仅降低了电路的转换效率，对节约能源不利，而且为解决的功耗，这不仅降低了电路的转换效率，对节约能源不利，而且为解决散热问题，必须增大散热片，增加了电源的体积和重量。为

87、降低调整管散热问题，必须增大散热片，增加了电源的体积和重量。为降低调整管的管耗，可使调整管工作在开关状态。这样调整管只有在由饱和导通转的管耗，可使调整管工作在开关状态。这样调整管只有在由饱和导通转换到截止或由截止转换到饱和导通的瞬间，才进入放大区而消耗一定的换到截止或由截止转换到饱和导通的瞬间，才进入放大区而消耗一定的能量。这种调整管工作在开关状态的稳压电路称为开关稳压电路，习惯能量。这种调整管工作在开关状态的稳压电路称为开关稳压电路，习惯上称开关稳压电路中的调整管为开关调整管或开关管。开关稳压电路效上称开关稳压电路中的调整管为开关调整管或开关管。开关稳压电路效率高，但电路复杂，对元器件要求较

88、高，因此造价较串联稳压电路高。率高，但电路复杂，对元器件要求较高，因此造价较串联稳压电路高。目前，计算机、电视机等都采用开关稳压电路。目前，计算机、电视机等都采用开关稳压电路。 开关稳压电路种类繁多，现以脉宽调制式串联型开关稳压电路为例，开关稳压电路种类繁多，现以脉宽调制式串联型开关稳压电路为例，来介绍开关稳压电路的工作原理。来介绍开关稳压电路的工作原理。 第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源6.3.16.3.1脉宽调制式脉宽调制式( (PWM)PWM)串联型开关稳压电路串联型开关稳压电路 脉宽调制式串联型开关稳压电路的基本电路如图脉宽调制式串联型开关稳压电路的基本电路如图6.86.8所示。

89、图所示。图6.86.8中，中， 为开关稳压电路的输入电压，是经整流滤波后输出的直流电压；为开关稳压电路的输入电压，是经整流滤波后输出的直流电压； 、 组成组成取样单元，取样电压即反馈电压取样单元，取样电压即反馈电压 ； 为比较放大器，同相输入端接基准电为比较放大器，同相输入端接基准电压压 ，反相输入端接，反相输入端接 ，它将两者差值进行放大；，它将两者差值进行放大； 为脉宽调制式电压比较为脉宽调制式电压比较器，同相端接器，同相端接 的输出电压的输出电压 ，反相端与三角波发生器输出电压，反相端与三角波发生器输出电压 相连，相连， 输出的矩形波电压输出的矩形波电压 就是驱动调整管通、断的开关信号；

90、就是驱动调整管通、断的开关信号；VTVT是开关调整管；是开关调整管；L L 、C C 为为形滤波器，形滤波器，VDVD为续流二极管；为续流二极管； 为负载，为负载， 为稳压电路输出电压。为稳压电路输出电压。第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源图图6.86.8脉宽调制式串联型开关稳压电路脉宽调制式串联型开关稳压电路第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源6.4.2 6.4.2 工作过程工作过程 由电压比较器的特点可知，当由电压比较器的特点可知，当U U0101 U UT T时，时，U U+ + U U- - ，U U0202为高电平，为高电平，反之，反之，U U0202为低电平。当为低电平。当U

91、 U0202为高电平时，为高电平时，VTVT饱和导通，输入电压饱和导通，输入电压U Ui i经滤经滤波电感波电感L L加在滤波电容加在滤波电容C C和负载和负载R R两端，在此期间，两端，在此期间，i iL L增长，增长，L L和和C C储存能储存能量，量，VDVD因反偏而截止。当因反偏而截止。当 U U0202为低电平时，为低电平时，VT VT 由饱和导通转换为截止，由饱和导通转换为截止，由于电感电流由于电感电流i iL L不能突变，不能突变，i iL L经经 R RL L 和续流二极管衰减而释放能量，此和续流二极管衰减而释放能量，此时滤波电容时滤波电容 C C也向也向 R R放电，因而放电

92、，因而R RL L 两端仍能获得连续的输出电压。当两端仍能获得连续的输出电压。当开关调整管在开关调整管在U U0202 的作用下又进入饱和导通，的作用下又进入饱和导通，L L、C C再一次充电，以后再一次充电，以后VTVT又截止，又截止，L L、C C又放电，如此循环不已。又放电，如此循环不已。输出电压输出电压U U0 0与输入电压与输入电压U Ui i的关系为的关系为式中：式中：t t0n0n 开关调整管导通时间；开关调整管导通时间；T T重复周期，由三角波发生器电压重复周期，由三角波发生器电压 U UT T的周期决定。的周期决定。第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源6.4.36.4.3稳

93、压原理稳压原理 当输入的交流电源电压波动或负载电流发生改变时，都将引起输出当输入的交流电源电压波动或负载电流发生改变时，都将引起输出电压电压UOUO的改变，由于负反馈作用，电路能自动调整而使的改变，由于负反馈作用，电路能自动调整而使U UO O基本上维持稳基本上维持稳定不变。稳压过程如下：定不变。稳压过程如下：从而使输出电压基本不变。从而使输出电压基本不变。 反之，反之，同样使输出电压基本不变。同样使输出电压基本不变。 第六节第六节 直流稳压电源直流稳压电源稳压过程的波形分析如图稳压过程的波形分析如图6.76.7所示。所示。图图6.7 变动引起的自动调整过程变动引起的自动调整过程 谢谢！谢谢！