中等专业教育国家规划教材配套用书汽车电工电子汽车电工电子 基础基础第一章直流电路第一章直流电路第一节第一节 直流电路的基本概念直流电路的基本概念一、电路和电路图 1.电路 电路是电流流过的路径。复杂电路呈网状,所以电路又称网络。 电路是由电源、负载和中间环节三部分构成的。电源是给电路提供电能或信号的器件;负载是电路中吸收电能或输出信号的器件;中间环节则根据电路作用、需要而不同,通常由起引导和控制或测量作用的器件构成。 内电路和外电路： 对电源来讲,负载和中间环节称做外电路,电源内部的电路称做内电路。 2.电路图 实际电气设备的安装和维修都是依据电原理图进行的,很少使用实物接线图。电原理图也简称为电路图,是指将实际电路中的各器件用规定的图形符号表示之后所画出的图。如图所示。 3.汽车电路的单线 在汽车上,为了节省导线和便于安装、维修,电源和用电器之间通常只用一根导线连接,另一根导线则由车体的金属部分代替而构成回路。这种连接方式称为单线制,。采用单线制时,汽车电源(是蓄电池)的一端接到车体上,称为搭铁,用符号表示。按电源搭铁的极性可分为正接地和负接地。由于负极搭铁时对无线电干扰较小,对车架或车身化学腐蚀较轻,所以世界各国的汽车多采用负极搭铁,如图所示。常用电工图形符号二、电路的基本物理量 1.电流 电流是电荷定向移动形成的。习惯上把正电荷定向移动的方向规定为电流方向。因此,自由电子和负离子移动的方向与电流方向相反。 根据电流的变化可将电流分为直流电流和交流电流。大小随时间变化、方向不变的电流称直流电流,其中大小、方向都不变的称恒定电流,简称直流(DC),如不特别说明,本书所说的直流电均指恒定电流,用字母I 表示。大小和方向都随时间变化的电流称为交流电流,用字母i 表示，发出的交流电都是随时间按正弦规律变化的正弦交流电。不同用电器的电流大小是不一样的。电流大小也简称为电流,是指单位时间内通过导体横截面的电量。如果时间t 内匀速流过导体横截面的电量为Q,则电流是恒定的,大小为I = Q/t （P4） 电路较复杂时,电流的实际方向很难判定。为此,在分析与计算电路时,常常可事先任意选定某一方向作为电流的参考方向,也称为正方向。当实际方向与选择的参考方向一致时,参考方向下的电流值为正数,如右下图所示;当实际方向与参考方向相反时,参考方向下的电流值为负数,如左图所示。 例：如图所示方框为某一通路上的一种用电器件,试分析:(1)若已知该器件上的电流是从a 到b,大小为1 A,则图中电流I 等于多少?(2)若已知该器件上的电流是从b 到a,大小为1 A,则图中电流I 又等于多少?例： 在图电路中,I1 、I2 分别等于多少? 2.电压电路中A、B 两点间的电压是指单位正电荷在电场力作用下由A 点移到B 点时,电场力所做的功。电压用字母u 或U 表示,则uAB = WAB/Q 式中 WAB 正电荷Q 移动过程中能量的减少量。电压的方向是正电荷在电场中的受力方向。例如对电源而言,电压的方向是从电源正极到电源负极。电压的分类与电流一样,通常所说的直流电压均指恒定电压,用字母U 表示,交流电压是指正弦交流电压,用u 表示。 电压的国际单位制单位是V(伏特)。通常使用的单位还有MV(兆伏)、kV(千伏)、mV(毫伏)、V(微伏)等。 为分析电路方便,通常在分析电压之前先选定电压的参考方向,原则上可任意选,但若已知实际电压方向,则参考方向应尽量与实际方向一致;若已知电流的参考方向,则电压的参考方向的选择最好与电流的参考方向一致,称关联参考方向。电压、电流参考方向不一致时称非关联参考方向。 在电路分析中,所标的电压方向均为参考方向,表示方法有: (1)用双下标表示:ua b ,a 到b 的电压。 (2)用“+ ”、“- ”极性表示,电压从正极性端到负极性端。 例 若已知图示电阻的电压从a 到b,大小是1 V,则U1 = ?,U2 = ?,Uba = ? 3.电位 电位是一个相对的概念,分析电位时必须先选定一个参考点。参考点用字母“o”表示,在电路中用符号表示,原则上可任意选取,但习惯上选接地点或接机壳点或电路中连线最多的点作为参考点。电路中某一点的电位就是该点到参考点的电压,用字母V表示。可见,电位的单位与电压一样,也是V。图中a 点的电位为Va = Uao 或 Va = Uao参考点本身的电位显然为零,所以参考点又叫零电位点。 如果已知a、b 两点的电位分别为Va 、Vb ,则a、b 两点间的电压为Uab = Uao + Uob = Uao - Ubo = Va Vb即:两点间的电压等于这两点的电位的差,所以电压又叫电位差。 4.电动势 电流通路中,电场力总是使正电荷从高电位处经外电路移向低电位处,而在电源内部有一种电源力,正电荷在它的作用下,从低电位处经电源内部移向高电位处,从而保持电荷运动的连续性。汽车上使用的铅蓄电池内部的电源力是由化学作用产生的,发电机中的电源力是由电磁作用产生的。 (1)汽车用铅蓄电池 铅蓄电池的两个电极板分别接在直流电源的正负极上时,一个极板得到电子成为负极,另一个极板失去电子成为正极。此过程中,电能转换为化学能,储存在铅蓄电池中,该过程称为充电。使用蓄电池时,两极板与负载相连,将储存的化学能转化为电能,负载中形成电流,该过程称为放电。 (2)电动势的大小 电动势是指电源力将单位正电荷从电源负极经电源内部移到电源正极所做的功,用字母E或e 表示,方向规定为从电源负极到正极。若所做的功为W,则有E = W/Q (3)电动势的方向 电源电压方向是从正极到负极,电动势的方向是从负极到正极,所以当电源断路时电源的电动势与电压大小相等,方向相反。 5.电功率 电路传送或转换电能的速率叫做电功率,简称为功率(power),用P或p表示。习惯上,把发出或吸收电能说成发出或吸收功率。 分析电路的功率时,当电路的电流、电压选择关联参考方向时,用公式 P = UI 或 p = ui来计算。当电路的电流、电压选择非关联参考方向时,用公式P =-UI 或 p =-ui 限定的电压值叫做电气设备的额定电压,用UN 表示。电气设备的额定电流和额定电压的乘积就等于它的额定功率,用PN 表示。 一个电路中,每一瞬间,吸收电能的各元件功率的总和等于发出电能的各元件功率的总和。或者说,所有元件吸收的功率总和为零,符合能量守恒定律,称“电路的功率平衡”。例：在图a 中,若Iab = 1 A,试求该元件的功率;(2)在图b 中,若Iab = 1 A,试求该元件的功率;(3)在图c 中,若元件发出功率6W,试求电流。三、电路的三种状态 1.通路 通路是指电源与负载构成了闭合回路,电流从电源出发,经过负载后回到电源的状态。通路状态根据负载大小可分为以下三种情况: (1)轻载:负载低于额定功率下的工作状态。 (2)满载:负载在额定功率下的工作状态。 (3)过载:负载在高于额定功率下的工作状态,又叫超载。 显然,轻载没有充分利用负载设备,过载容易烧坏电器设备,前者尚可使用,后者一般不允许长时间出现。 2.断路(开路) 断路又称开路,是指电源与负载没有接成闭合通路,电路中没有电流的状态。断路可以分为控制性断路和故障性断路。 3.短路 短路是指电流从电源出发,不经负载而经导体直接回到电源的状态。 第二节第二节 简单电路简单电路一、电阻 物体对电流的阻碍作用叫做电阻作用。电阻是表示物体电阻作用大小的一个物理量,用字母R 或r 表示。 电阻的单位是(欧姆)。常用的电阻单位还有k(千欧)、M(兆欧)等。电阻的倒数叫电导,用字母G 表示,即G = 1R 。电导的单位为S(西门子)。 电阻反映了导体的导电能力,是导体的客观属性,它的大小与导体的材料、长度以及导体横截面面积有关,还与导体所处的环境温度有关。实验证明,在一定温度下,导体的电阻与导体的长度成正比,与导体的横截面面积成反比,即 R = L/S 式中 L导体的长度,m; S导体的横截面面积,m2 ; 反映导体材料性质的物理量,叫电阻率, m; R导体的电阻,。二、欧姆定律 德国物理学家欧姆于1827 年在大量实验的基础上总结出关于电压、电流和电阻三者关系的定律,称欧姆定律,应用于计算电路中的电压、电流和电阻三个物理量。 1.部分电路欧姆定律 不含电源的一段电路称为部分电路。实验证明:在一段电路中,通过电路的电流大小与这段电路两端的电压大小成正比,与这段电路的电阻值成反比。 电流流过电阻时,将电能转换为其他形式的能量,所以电阻上的电压与电流的方向总是一致的。当电阻电压、电流选择关联参考方向时,欧姆定律表达式为 I = U/R或 U = IR 当电阻电压、电流选择非关联参考方向时,欧姆定律表达式为 I = - U/R 或 U = - RI例: 列出图所示各电路的电压、电流关系式,并求R。 2.全电路欧姆定律 一个含有电源的闭合电路称为全电路,如图所示,图中点画线框内为电源内电路,r为电源的内电阻。实验证明:在全电路中,通过电路的电流与电源电动势的大小成正比,与电路的总电阻成反比,这就是全电路欧姆定律,用公式表示为 I = E/(R + r (1 - 13) 式中 E电源的电动势,V; R外电路电阻,; r内电路电阻,; I电路中的电流,A。 由式得 E = RI + rI = U + Ur 式中,U 为外电路的电压降,也称路端电压;Ur 为内电路电压降,也称内阻压降。所以,电源的电动势等于端电压与内阻压降之和。 3.电源的外特性 电源的外特性就是电源的端电压U 与电流I 的关系。 U = E - Ur = E - rI 式中,I = E/(R + r)。对于给定的电源,E 和r 是不变的。当负载电阻R时(相当于电路断路),I =0,U = E,即电源的电动势在数值上等于开路电压。人们利用这一特性,用电压表来简单测量电源的电动势。当负载电阻R 变小时,引起电流I 变大,内阻r 的电压降也变大,端电压U就跟着变小,其变化规律如图1 -16 所示,称电源的外特性曲线。当负载电阻R = 0 时(即短路),I = Er。由于电源的内阻一般都很小,因而电路的电流比正常工作电流大很多,如果没有熔断器,会导致电源和导线烧坏。三、电流的热效应焦耳定律 当电流通过导体(或用电器)时,由于电阻的存在,会产生热量,称电流的热效应。选择电压、电流参考方向后,电阻功率的计算公式为 P = I2 R = U2/R 或 p = i2 R = u2/R 导体(用电器)在时间t 内产生的热量为 Q = Pt = I2Rt 或 q = pt = i2Rt 英国物理学家焦耳通过实验证明:电流通过导体(或用电器)时产生的热量Q 与电流I 的平方、导体(用电器)的电阻R 以及通电时间t 成正比,这一结论称为焦耳定律。热量的单位是J(焦耳)。四、电阻的串联、并联和混联电路 1.电阻的串联电路 几个电阻首尾顺序相连,引出两接线端,中间无分支,称这几个电阻串联。常用符号“+ ”表示电阻的串联。 串联电路有以下特点: (1)流过每个电阻的电流相等,并等于总电流,即 I = I1 = I2 = = In (1 - 18) (2)电路两端的总电压等于各电阻两端的分电压之和,即 U = U1 + U2 + + Un (1 - 19) (3)电路的总电阻(等效电阻)等于各电阻之和,即 R = R1 + R2 + + Rn (1 - 20) (4)每个电阻上分配到的电压与电阻成正比,即 U1/R1 = U2/R2 = = Un/Rn = U/R = I 由上式可得到电阻串联的分压公式: Ui = Ri/R U = Ri/(R1 + R2 + + Rn)U 式中Ri(R1 + R2 + + Rn)称为分压系数,i =1,2,3,n。 例:有一表头,满刻度电流I =50A(即允许通过的最大电流),内阻R= 3 k。现需扩展其量程,如图所示。当转换开关SA 置于a 点时,其量程扩展为10 V,当转换开关SA 置于b 点时,其量程扩展为50 V,问扩展量程所串的电阻Ra 、Rb 分别为多少?例:在图所示的分压器中输入电压Ui = 12 V,R1 = 350 ,R2 = 550,RW =270 ,试求输出电压Uo的变化范围。 2.电阻的并联电路 几个电阻的首、尾接在相同两点之间所构成的电路叫并联电路。常用符号“”表示电阻的并联。图所示为三个电阻并联的电路,可表示为“R1 R2 R3 ”。并联电路有以下特点:(1)并联电阻两端的电压相等,并等于总电压,即U=U1=U2= =Un (2)总电流等于各电阻分电流之和,即I = I1 + I2 + + In (3)电路的总电阻(等效电阻)的倒数等于各分电阻倒数之和,即IR = I/R1 + I/R2 + + I/Rn如果只有两个电阻并联R = R1R2/(R1 + R2)如果有n 个阻值相等的电阻并联R = Ro/n (4)每个电阻分配到的电流与电阻成反比,即I1 R1 = I2 R2 = = In Rn = IR = U 例:有一表头,满刻度电流I = 100 A(通过的最大电流),内阻R = 1 k。现需扩展其量程,如图所示。若要改变成量程为10 mA、50 mA 的电流表,应并联多大的电阻Ra 、Rb ? 3.电阻的混联电路 电路中既有电阻的串联又有电阻的并联,叫做电阻的混联电路。 分析混联电路,必须先搞清楚混联电路中各电阻之间的连接关系,然后应用串并联电路的特点,求出各单纯的串联和并联部分的等效电阻,最后求出电路的总电阻。 画等效电路图的方法是: (1)用字母将各电阻连接点标出,相同的点用同一字母。 (2)将各字母依次排开,端点字母在两端。 (3)画出各字母间的电阻,得到等效电路图。例：在图电路中,已知R1 =2,R2= R3=R4=R5=4,UAB = 6V,求通过R4的电流I4 例:求图所示混联电路的等效电阻。已知R1=R8=5,R2=2,R3 =16,R4=40,R6=60,R5= R7= R9=10。第三节第三节 复杂电路复杂电路一、电路的有关术语 在引入基尔霍夫定律之前,先介绍几个常用的电路术语。 (1)支路:电路中每一段不分支的电路,称一条支路,如图所示电路中有三条支路:acb、adb、ab。 (2)结点:电路中支路的交点,如图所示电路中有两个结点:a 与b。 (3)回路:电路中由支路组成的闭合路径称回路,如图所示电路中有三个 回路:adba、abca、adbca。 (4)网孔:回路内部不含支路的回路,称为网孔,即一个“窟窿”为一个网孔。如图所示电路中有两个网孔:abca、adba。二、基尔霍夫定律 1.基尔霍夫电流定律 表达式为Ii = Io 又可写成I = 0 它也可描述为:任一时刻,电路任一结点所连各支路电流的代数和为零。 列 KCL 方程的步骤为: (1)找出结点所连支路; (2)标出各支路电流参考方向; (3)列出方程。 2.基尔霍夫电压定律 基尔霍夫电压定律(Kirchhoffs Voltage Law),简写为KVL,又叫基尔霍夫第二定律。其内容为:电路中任一回路,在任一时刻,组成该回路的各支路的电压的代数和为零,即 U =0 该方程称为KVL 方程,又叫回路电压方程。 列KVL 方程的步骤为: (1)找出组成回路的各支路及支路上的元件; (2)标出各元件电压参考方向; (3)从回路上任一点出发,沿回路“走”回到这一点(又称绕行),对所经元件的电压求代数和,电压标向与绕行方向一致时,该电压为正,否则为负; (4)列出方程,令(3)中的代数和等于零。回路abca 的KVL 方程为:U3 - E1 + U1 =0。三、支路电流法 以图所示电路为例,说明如何建立支路电流法方程。图示电路中有4 个结点,6 条支路,7 个回路,3 个网孔,要求的未知数是支路电流,所以未知数有6 个:I1 I6 ,如图所示,因此需要列6 个方程组成方程组,联立才能求得。 列KCL 方程: 结点a:I1 + I2 - I4 = 0 结点b:I3 + I4 - I5 = 0 结点c:- I6 - I1 + I5 = 0 结点d:- I2 - I3 + I6 = 0 如把上述四个方程相加,可得到0 = 0 的关系,可见这四个方程中任一个方程都可由其他三个推出。 上述四个方程中可采用三个方程,那么要求出I1 I6 ,还需要列三个方程。列7 个回路的KVL 方程,因未知数是支路电流,所以用支路电流表示电阻电压。 abca:R4I4 + R5I5 + R1I1 - E1 = 0 adba:E2 - R2I2 + R3I3 - E3 - R4I4 = 0 bdcb:E3 - R3I3 - R6I6 - R5I5 = 0 abdca:R4I4 + E3 - R3 I3 - R6I6 + R1I1 - E1 = 0 adbca:E2 - R2I2 + R3I3 - E3 + R5 I5 + R1I1 - E1 = 0 adcba:E2 - R2I2 - R6I6 - R5I5 - R4I4 = 0 adca:E2 - R2I2 - R6I6 + R1I1 - E1 = 0 以上七个方程也是非独立方程,只需从中选取三个独立方程即可。 结论:平面电路中,网孔数= 支路数- (结点数-1),而网孔的KVL 方程一定独立,所以只需列网孔的KVL方程即可。例:已知图中,E1 =5V,r1 = 1,E2 =9V,r2 =6,R2 = 2,R1 =3,求各支路电流。四、戴维宁定理 任何具有两个引出端的部分电路叫二端网络。若在这部分电路中含有电源,就叫有源二端网络,反之叫无源二端网络,如图所示。 任何有源二端网络(图a),都可以用一个具有电动势E0 和内电阻r0 的等效电源来代替(图b),而其中E0 等于该有源二端网络两端间的开路电压U0 (图c),而r0 等于该有源二端网络中所有电动势等于零时网络两端点间的等效电阻(图d)。这就是戴维宁定理,又叫等效电压源定理。例:在图所示的电路中,已知 E=100V,R1=R3=10,R2=5,R4=15,求通过负载电阻R4的电流。例: 在图1 -30a 所示的电桥电路中,已知R1 =10,R2=2.5,R3 =5,R4=20,E=12.5 V(内阻不计),求R =69时的电流大小及方向。一、电容器的电容量 1.电容器的概念 电容器是由被绝缘物质隔开而又相互靠近的两个导体组合而形成的,用以储存和容纳电荷,也简称为电容。两个导体叫电容器的极板,用导线引出,中间的绝缘物质叫电介质。常见的电介质有空气、蜡纸和云母等,如图所示。 电容器最基本的特性是能够储存电荷,当电容器极板上有电荷积聚时,两极板间就建立电场,产生电压。不同的电容器储存电荷的本领是不一样的。对给定的电容器,它储存电荷的电量Q与其建立电场所产生的电压U 的比值是一个常数。这个常数既反映了电容器储存电荷、维持电压的物理性质,同时又表征了电容器储存电荷的本领。把这个常数定义为电容器的电容量,简称电容,用符号“C”表示。即 C = Q/U 式中 Q极板上的电荷量,C(库); U两极板间的电压,V; C电容器的电容量,F(法)。2.平行板电容器 实际上,一个电容器的电容大小仅决定于 其结构(极板形状大小和相对位置)与中间绝缘介质的性质。如平行板电容器,其电容为 C = S/d 式中 S两极板的相对有效面积,m2 ; d两极板间的距离,m; 介电常数,由介质性质决定,F/ m。 上式的意义是:极板的相对有效面积越大,在相同电压作用下能容纳的电荷越多,电容也就越大;极板间距离越小,两极板的静电引力越大,于是极板能吸附更多的电荷,所以电容就越大。二、电容器的充电和放电 1.电容器的充电 如图所示,当开关SA 接“1”时,电容器处于充电状态。其物理过程为:SA 接通“1”瞬间,电容器上还未积聚电荷,uC = 0,充电电流i = E / R 为最大。随着充电的继续,uC 逐渐增大,i逐渐减小,当uC = E 时,i =0,充电结束。如图1 -33 所示为充电曲线。这时,电容器将电能转化为电场能的过程也结束,电路中不再有电流通过。这就是电容的隔直作用。 2.电容器的放电 充电结束后,在图中,把开关SA 接“2”,电容器处于放电状态。其物理过程为:SA 接通“2”瞬间,电容器放电,放电电流与充电电流方向相反,且i = uC /R = E / R 为最大。随着放电的图电容器放电时uC 与i 的变化曲线图继续,uC 逐渐下降,i 也逐渐减小,当uC = 0 时电容器中所储存的电场能全部释放完,这时i = 0,放电结束。如图所示,图中电流画在纵轴的负半轴,是考虑到放电电流方向与充电电流方向相反。这时,电容器将储存的电场能释放给电阻R 而消耗。三、电容器的种类和选用第二章电磁现象及其应用第二章电磁现象及其应用第一节第一节 磁的基础知识磁的基础知识一、电流的磁场 组成一切物质的分子是一个个的小环形电流,物质被磁化后,分子环流规则排列,从而对外产生磁场。磁场方向规定为:小磁针的N极在磁场中任一点所指的方向为该点的磁场方向。在研究磁场时引入磁感线来形象地描绘磁场分布,磁感线在任一点的切线方向为该点的磁场方向。1.磁场的特性(1)磁场对处在场内的另一载流导体或铁磁物质有力的作用,并能在对磁场作相对运动的导体中产生感应电动势。(2)磁场具有能量。2.通电直导线和通电线圈的磁场 对于载流导线所激发的磁场,电流及其磁场之间的方向关系可用右手螺旋定则来判断,即将右手拇指指向电流方向,而弯曲的四指指向就是磁场方向,如图a所示。对于载流线圈所激发的磁场,电流及其磁场也满足右手螺旋定则,即右手握住线圈,使弯曲的四指指向与线圈中电流的方向一致,则拇指指向即是线圈内的磁场方向。规定磁感线从线圈出来的一端是N极,磁感线进入线圈的一端为S极,如图b所示。二、磁场的基本物理量1.磁感应强度和磁通(1)磁感应强度B磁感应强度是表示空间某点磁场强弱与方向的物理量。磁感应强度B的方向即为磁场各点的磁场方向,其大小等于与磁感线方向垂直的载有单位电流、单位长度的直导线在该点受到的电磁力,并有B=F/IL若在磁场的各个点上,载流导体受到的电磁力F大小相等,方向相同,则表明磁场中各点的强弱程度相同,亦即磁感应强度相同,这样的磁场称为均匀磁场。对于均匀磁场,可用疏密均匀、方向相同的磁感线表示。(2)磁通在均匀磁场中,磁感应强度B的大小与垂直于磁感应强度B的某一面积的乘积称为磁通:磁感应强度又称为磁通密度。2.磁导率磁导率表示物质的导磁性能,其单位是H/m(亨/米)。三、铁磁材料1.铁磁材料的磁性能将线圈绕在铁磁材料上并通入直流电流(励磁电流)就会产生很大的磁场,这个过程叫铁磁材料的磁化。铁磁材料在磁化过程中表现出如下特性:(1)高导磁性(2)剩磁性(3)磁饱和性(4)磁滞性2.铁磁材料的分类根据铁磁材料的磁性能,常把铁磁材料分为两类:(1)软磁性材料(2)硬磁性材料第二节第二节 电磁铁和继电器电磁铁和继电器一、电磁铁1.电磁铁的作用和分类电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。 电磁铁可分为线圈、铁心及衔铁三部分。它的结构形式通常有如图所示几种。2.直流电磁铁的工作原理在图所示电磁铁的线圈两端加以直流电压U,则铁心线圈通电电流为I时,电磁铁的吸力为F=107SB2/8式中F磁铁吸力,N;B气隙处的磁感应强度,T;S铁心与衔铁吸合处的横截面积,m2。 二、继电器1.继电器的作用和分类用来改变控制电路的工作状态,按照预先设计的控制程序完成预定的控制任务,也可以根据电路状态、参数的改变对电路实现某种保护。继电器种类很多。按输入信号可分为电压继电器、电流继电器、功率继电器、压力继电器、温度继电器等;按工作原理可分为电磁式继电器、感应继电器、电动式继电器、电子式继电器、热继电器等。 2.电磁式继电器的组成和工作原理 如图所示。按其在电路中的连接方式,可分为电流继电器、电压继电器和中间继电器等。 电磁式电流继电器的线圈串于被测电路中,根据电流变化而动作。电磁式电压继电器把线圈并接于被测电路中,线圈的匝数多、导线细、阻抗大。继电器根据所接线路电压值的变化,处于吸合或释放状态。中间继电器实质上是电压继电器,只是触点数量多,容量也大,当电压继电器、电流继电器的触点容量不够时,可以利用中间继电器作功率放大;当触点数量不够时,也可利用中间继电器增加触点数量以控制多条回路。三、汽车喇叭电路电喇叭的工作原理 第三节第三节 电磁感应电磁感应实验一:如图a所示,G为检流计。当导体沿磁感线垂直方向上下运动时,检流计指针发生偏转;如果导体不动,而使磁场上下运动,检流计指针也发生偏转。这两种情况说明导体中产生了电动势,并在与检流计组成的回路中引起了电流。当导体沿磁感线方向左右移动或导体与磁场以同一速度上下移动时,检流计指针均不发生偏转,这说明导体中没有电动势产生。 实验二:如图所示,当条形磁铁插入或拔出线圈时,检流计指针发生了左右偏转,说明线圈中产生了两次方向不同的电流;当磁铁插在线圈中静止不动或以同一速度和线圈一起上下移动时,检流计指针不发生偏转,说明检流计没有电流通过。 以上两个实验证明:当导体切割磁感线运动或通过线圈的磁通量发生变化时,导体或线圈中就会产生电动势。这种现象称为电磁感应现象,而由电磁感应产生的电动势叫感应电动势,由感应电动势产生的电流叫感应电流。 一、直导体中的感应电动势1.感应电动势的方向作切割磁感线运动的导体,其产生感应电动势的方向可用右手定则来确定:平伸右手,拇指与四指垂直,让磁感线垂直穿过手心,拇指指向运动方向,四指所指方向就是感应电动势的方向(或是感应电流方向)。需要注意的是:判断感应电动势方向时要把导体看成一个电源,在导体内部,感应电动势方向由负极指向正极。感应电流方向与感应电动势方向相同。当直导体没有形成闭合回路时,导体中只产生感应电动势,不产生感应电流。2.感应电动势的大小实验证明:在均匀磁场中,作切割磁感线运动的直导体,其感应电动势e的大小与磁感应强度B、导体的有效长度l、导体的运动速度v以及导体运动方向与磁感线方向之间夹角的正弦值成正比,即e=Blvsin例:如图所示,受外力作用的直导体AB,在匀强磁场中以v=20m/s的速度做匀速直线运动。设B=1T,导体有效长度l=0.5m,导体电阻R0=1,负载电阻R=9。试求导体AB中的感应电动势e和电流I、作用于导体的外力F外及其所提供的功率P。 二、线圈中的感应电动势1.感应电动势的方向线圈中的磁通量发生变化时,线圈就会产生感应电动势。感应电动势的方向由楞次定律和右手螺旋定则来判定。楞次通过大量的实验证明:感应电流产生的磁通总是企图阻碍原磁通的变化。也就是说,当线圈中的磁通量要增加时,感应电流产生的磁通方向与原磁通方向相反;若线圈中原来的磁通量减少,则感应电流产生的磁通方向与原来磁通方向一致。例:如图所示,请判断两种情况下线圈的感应电动势的方向。例:如图所示,如果穿过闭合金属环的磁通在2s内由410-2Wb均匀增加到2010-2Wb,试求闭合金属环中感应电动势的大小和方向。三、自感1.自感现象由通入线圈的电流变化而产生感应电动势的现象叫自感现象,由自感现象产生的感应电动势叫自感电动势,用符号eL表示。显然,自感现象属于电磁感应现象。2.自感系数自感系数是用来描述线圈产生自感磁通能力的物理量。定义线圈中的磁通量与产生该磁通的电流的比值叫自感系数,又叫电感,用符号L表示,单位是亨利(H)。即L=/I由上式看出,电感表示线圈通过单位外电流所产生的自感磁通。电感越大,表示线圈产生自感磁通的能力越大。电感的大小与线圈的匝数、形状、大小及周围介质的磁导率有关。3.自感电动势自感电动势的大小可由法拉第电磁感应定律求得,即自感电动势的大小与线圈的电感及线圈中外电流的变化率成正比。负号表示自感电动势的方向总是企图阻碍外电流的变化。自感电动势的方向仍用楞次定律判断。所以,当线圈电流i增大时,自感电动势方向与外电流i方向相反,以阻碍外电流增大,如图a所示;当线圈电流i减小时,自感电动势方向与外电流i方向相同,以阻碍外电流减小,如图b所示。 在含有大电感元件的电路被切断的瞬间,由于电感两端产生的自感电动势很高,会在开关触点之间产生电弧,容易烧坏开关的触点或引起火灾,故应采取相应的保护措施。图所示是汽车点火电路原理图,一次线圈2的电流突然减少,会产生200300V的自感电动势,方向与蓄电池的电动势方向相同,这两个电压相加会使触点之间产生火花,将触点烧坏。为了保护触点,通常在触点两端并联一个电容器,用来吸收储存在线圈中的磁场能,从而起到保护触点的作用。四、互感1.互感现象互感现象是指一个线圈中的电流变化而使另一个线圈产生感应电动势的现象,如所示。互感现象产生的电动势叫互感电动势,用符号eM表示。2.互感电动势的大小在图中当开关SA闭和时,线圈1中产生磁通11,这个变化的磁通中有一部分12要通过线圈2,则线圈2中产生的互感电动势的大小为e2,互感电动势的大小与互感磁通量的变化率以及线圈2的匝数成正比。由此,可以得到汽车高压点火线圈产生高压的解释。 3.同名端 互感电动势的方向不仅与磁通的变化趋势有关,还与线圈的绕向有关。为此,有必要引入描述线圈绕向的概念同名端。所谓同名端,就是绕在同一铁心上的线圈其绕向相同的接线端。在图a中,线圈ABC中的1、4、5端点为同名端,2、3、6端点也是同名端。在图a中SA闭合瞬间,线圈A的“1”端电流增大,根据楞次定律和右手螺旋定则可以判断出各线圈感应电动势的极性如图2-13b所示。 第三章正弦交流电路第三章正弦交流电路第一节第一节 正弦交流电的基本知识正弦交流电的基本知识一、交流电概述 交流电是指大小和方向都随时间变化,并且在一个周期内的平均值为零的电动势(或电压、电流),或说交流电是交变电动势、交变电压和交变电流的总称。交流电按变化规律可分为正弦交流电和非正弦交流电,如图所示。 交流电的物理量用小写字母表示,如e、u、i 等。交流电动势的图形符号与直流电动势的不同。如图所示,图中标出的电动势e、电流i 和电压u 的方向为参考方向,它们的实际方向是不断反复变化的,与参考方向相同的半个周期为正值,与参考方向相反的半个周期为负值。交流电动势e 又常写为eS 。二、正弦交流电的三要素 正弦交流电(简称为交流电),是指随时间按正弦规律变化的交流电,统称为正弦量。通常将某一瞬间交流电的值叫做交流电的瞬时值,可用解析式或波形图来表示。以电流i 为例,正弦量的一般解析式(即瞬时值表达式)为i(t) = Im sin(t + )波形如图 (设 0)所示。图中Im 、 三个值,称为正弦交流电的三要素。1.最大值2.角频率(1)频率 (2)周期(3)角频率 3.初相角 在正弦交流电的解析式中,角度(t + )叫相位角,简称相位,是决定正弦交流电在某一时刻所处状态的物理量;而初相角是指正弦交流电在计时起点t = 0 时的相位角值,也就是角度。相位角和初相角的范围都是(- ,+ ),它有以下三种情况: 三、相位差 相位差是两个正弦量的相位之差,用字母 表示。 设有两个正弦电压 u1 = U1m sin(1 t + 1 ) u2 = U2m sin(2 t + 2 ) 这两个正弦量的相位差为 = (1 t + 1 )- (2 t + 2 ) 当两正弦量的频率相同,即1 = 2 时,有 = 1 - 2 可见,两个同频率正弦量的相位差就是它们的初相角之差。相位差的范围是(- ,+ 。 相位差有以下几种情况:(1)当 = 1 - 2 0 时,说明u1 比u2 先到达最大值或零值,称u1 的相位超前u2 的相位,简称u1 超前u2 角,或u2 滞后u1 角,如图a 所示。(2)当 = 1 - 2 0 时,矢量在横坐标的上方,当 0 和UCE1V 的范围内,各曲线平坦且间隔均匀,说明IB 增大,相应的IC 也增大(表现为曲线上移)。此时IC 的变化基本上与UCE 无关,而且IC 随IB 成比例增大,即IC =IB。这就是晶体管的电流放大作用,所以该区域称为放大区。 (3)饱和区。在UCE 很小时,特性曲线上升段拐点连接线左侧区域为饱和区。饱和区的特点是,IB 再增大,IC 也很少增大,即集电极电流IC 不再受基极电流IB 的控制。晶体管作放大使用时工作在放大区;晶体管作开关使用时工作在饱和区和截止区。例:试根据图中晶体管各电极上的电位值判断它的工作状态。四、晶体管的主要参数 1.电流放大系数 (1)交流电流放大系数。当UCE 为定值时,集电极电流的变化量IC 与基极电流的变化量IB 的比值,叫做晶体管的交流电流放大系数(也称动态电流放大系数),用表示 (2)直流电流放大系数 当UCE 为定值时,集电极电流IC 与基极电流IB 的比值,叫做晶体管的直流电流放大系数,用表示 2.穿透电流 穿透电流是IB =0 时的集电极电流,也就是基极开路时,集、射极间的反向电流。用ICEO 表示。 3.集电极最大允许电流ICM 晶体管正常工作时,集电极所允许通过的最大电流叫做集电极最大允许电流,用IC M 表示。 4.集- 射极反向击穿电压UCE (BR ) 当基极开路时,允许加在集电极与发射极之间的最大电压,叫做反向击穿电压,用U CE(BR )表示。 5.集电极最大允许耗散功率PCM 晶体管正常工作时,集电极允许耗散的最大功率,叫做集电极最大允许耗散功率,用PCM 表示。五、晶体管的简易测试 晶体管的质量、性能、类型及管脚判别,可用万用表的电阻挡进行简易测试。 1.管脚和类型判别 (1)确定基极和类型 用万用表的两根表棒分别对晶体管的三个管脚中的任意两个进行正接测量和反接测量各一次,如果在正、反接时测得的电阻均较大,则此次测量中所空下的管脚即为基极。 (2)集电极和发射极的判断 万用表的黑表棒接到假定的集电极;红表棒接到假定的发射极(见图),这时从万用表上读出一个阻值。而后把第一次测量中所假定的集电极和发射极互换,把万用表的黑表棒接到第二次所假定的集电极上,进行第二次测量。在两次测量中,测得阻值小的那一次与黑表棒相接的极便是集电极。 集电极和发射极的判断 2.管子好坏的粗略判别 根据晶体管内PN 结的单向导电性,可以分别测量B、E 极间和B、C 极间PN 结的正、反向电阻。如果正、反向电阻相差较大,说明管子基本上是好的。如果正、反向电阻都很大,说明管子内部有断路;如果正、反向电阻都很小或为零,说明管子极间短路或击穿。 第三节第三节 晶晶 闸闸 管管一、概述 晶闸管是晶体闸流管的简称,又称为可控硅。应用如: (1)可控整流:把交流电变换成电压值可调的直流电,作为直流电动机、蓄电池充电机、电解、电镀等设备的可调直流电源。 (2)逆变:把直流电变换成交流电。 (3)变频:把某种频率的交流电变换成另一种频率的交流电。 (4)交流调压:把有效值恒定的交流电压变换成有效值可以调节的交流电压。 (5)无触点开关:在控制系统中,用来迅速接通或断开大功率的交流或直流电路,而且不会产生火花。二、晶闸管的结构及特性 1.晶闸管的结构 主要介绍使用最为广泛的普通型晶闸管。它的外形有螺栓式(多为中小功率)和平板式(多为中大功率),如图所示。晶闸管的符号如图所示,它有三个电极:阳极A、阴极K 和控制极(也称门极)G。 晶闸管的内部结构示意图如图所示,P型和N 型半导体组成四层PNPN 结构,形成三个PN 结:J1 、J2 、J3 。由端面N 层半导体引出阴极K,由中间P 层引出控制极K,由端面P 层引出阳极A。所以,晶闸管又称为四层三端半导体器件。 2.晶闸管的特性 (1)晶闸管的反向阻断 如图所示,将晶闸管的阴极接电源的正端,阳极通过白炽灯H 接U AA 的负端(此回路称为主回路),然后将控制极通过开关S 接电源UGG 的正端,阴极通过保护电阻R接UGG 的负端(此回路称为触发回路)。这时,不管开关S 闭合与否,白炽灯HL 始终不亮。这说明当晶闸管加反向电压时,不管控制极是否加上正向电压,它都不会导通而处于阻断状态。这种阻断状态称为反向阻断状态。 (2)晶闸管的正向阻断 如图所示,当晶闸管加上正向电压时,如果开关S 不闭合,灯也不亮。这就说明晶闸管尽管加上正向电压,但控制极未加正向电压时,也不会导通而仍处于阻断状态。这种阻断状态称为晶闸管的正向阻断状态。 (3)晶闸管的导通和控制极的作用 晶闸管怎样才能导通呢?如图所示,在晶闸管加上正向电压的同时,合上开关S,使其控制极也加上正向电压,灯才被点亮。若在灯亮后,把开关S 断开,则灯将继续点亮。由此可见,在阳极加上正向电压的同时,控制极也必须加上正向电压,晶闸管才能导通。然而晶闸管一旦导通后,其控制极便失去了控制作用。晶闸管导通时,阳极与阴极之间的正向压降很小,约为1V。 (4)晶闸管导通后的关断 晶闸管导通后,将阳极电流减小到一定程度,晶闸管可由导通状态变为截止状态。由此可见,要维持晶闸管导通,它所通过的阳极电流必须在一定值以上。这个电流值就称为晶闸管的维持电流。 综上所述,可得出如下结论: 晶闸管导通的条件是:第一,阳极与阴极之间加正向电压;第二,控制极与阴极之间加正向电压。 晶闸管导通后,控制极就失去了控制作用。这时去掉或重复供给控制电压,都不会影响晶闸管的继续导通。 要使处于导通状态的晶闸管关断,必须将阳极电压降低使阳极电流小于管子的维持电流,或在阳极上加反向电压。 晶闸管正、反向都能够阻断,相当于一个可以控制的单向导通开关。与二极管比较它的正向导通具有可控性。三、晶闸管的测试及使用注意事项 1.晶闸管的测试 (1)万用表测试法 根据PN 结的单向导电性,可用万用表测试判断晶闸管的阳极和阴极,并初步判断管子的好坏。 (2)电珠测试法 用万用表测试法只能初步鉴别晶闸管的好坏,而管子能否工作,还需按图接线进行测试,图中VT 为被测试的晶闸管。开关SA 未合上时,指示灯不应亮,否则表明管子阳极和阴极之间已短路。合上开关SA 指示灯亮,再断开开关SA,指示灯仍然亮,表明管子工作正常,可以使用。否则可能是控制极已损坏或阳、阴极已击穿而断路。 2.使用注意事项 晶闸管是具有体积小、损耗小、无声、控制灵敏度高等优点的半导体器件。但它对过流和过压承受能力比其他电器产品要小得多,为了保证管子正常工作,不致造成损坏,使用时应注意以下几点。 (1)在选择晶闸管额定电压、电流时应留有足够的安全余量。 (2)应有过电流、过电压保护和限制电流、电压变化率的措施。 (3)晶闸管的散热系统应严格遵守规定要求,使用中若冷却系统发生故障,应立即停止使用或将负载减小到额定值的三分之一,作短时应急使用。 (4)严禁用兆欧表检查晶闸管的绝缘情况。第六章整流与直流稳压电路第六章整流与直流稳压电路 常用的直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成,结构框图如图所示。第一节第一节 整流与滤波电路整流与滤波电路 整流电路是利用二极管(或晶闸管)的单向导电特性,把交流电转变为单向脉动直流电的电路。根据所用交流电源的相数,整流电路可分为单相整流、三相整流和多相整流。从整流所得的电压波形看,又可分为半波整流与全波整流。一、单相半波整流电路1.电路组成 单相半波整流电路如图所示,图中Tr 是整流变压器,VD 是整流二极管,RL 是负载电阻。 2.工作原理 其波形如图所示。式中U2 为变压器二次绕组电压的有效值。当u2 为正半周时,变压器二次绕组的a 端为正,b 端为负,二极管承受正向电压而导通。电流从a 端经二极管VD,通过负载RL 回到b 端。若略去二极管正向导通时的管压降不计,则加在负载RL 上的电压为u2 的正半周电压。当u2 为负半周时,则b 端为正,a 端为负,二极管承受反向电压而截止,电路电流为零。这时,RL 两端电压也为零。所以u2 的负半周电压全部加在二极管上。电路电流和电压的波形如图所示 3.电路的电压与电流 在输入正弦电压的一个周期内,负载获得的是脉动直流电压,其大小用平均值表示,经数学分析,可得Uo = 0.45U2 表明,半波整流电路输出的直流电压平均值,等于输入的交流电压(即变压器二次绕组电压)有效值的0.45 倍。 因此,通过负载RL的直流电流平均值(简称直流电流)为Io = Uo/RL = 0.45U2/RL 通过二极管的正向电流平均值(简称正向电流)等于通过负载的电流,即IF = Io 二极管截止时所承受的最大反向电压等于变压器二次绕组电压的幅值,即UVDRM例:单相半波整流电路如图所示。已知直流负载电阻为20,工作电压40 V,单相交流电源电压220V,试选择整流二极管,并计算变压器的变比。 二、单相桥式全波整流电路 1.电路组成 单相桥式整流电路如图a所示,四个二极管作为整流器件接成电桥形式。电桥的一组对角顶点a、b 接交流输入电压;另一组对角顶点c、d 接至直流负载。其中二极管VD1和VD2 负极接在一起的共负极端c 为整流电源输出端的正极,而VD3和VD4 的正极接在一起的共正极端d 为其负极。 2.工作原理 其波形如图所示。当u2 在正半周时,变压器二次绕组的a 端为正、b 端为负,二极管VD1 和VD3 因承受正向电压而导通,而二极管VD2 、VD4 因承受反向电压而截止。这时,电流从aVD1 RL VD3 b;当u2 为负半周时,变压器次级线圈的a 端为负、b 端为正,二极管VD2 和VD4 因承受正向电压而导通,VD1 和VD3因承受反向电压而截止。电流从b 端VD2 RL VD4a 端。由此可见,在交流电压u2 的一个周期内,二极管VD1 、VD3 和VD2 、VD4 轮流导通半个周期,通过负载RL 的是两个半波的电流,而且电流方向相同,故称为全波整流。输出直流电压的脉动程度比半波整流降低了。 3.电路的电压与电流 由于两组二极管轮流工作,所以通过各个二极管的电流为负载电流的一半。二极管截止时,承受的反向电压最大值仍等于变压器二次侧电压U2 的最大值。有关计算公式如下:负载两端的直流电压平均值Uo = 0.9U2 通过负载的直流电流平均值Io = 0.9U2/RL 通过每只二极管的正向电流平均值IF = 1/2Io 每个二极管承受的最大反向 电 压 UVDRM 例:单相桥式整流电路如图所示。已知直流负载电阻为20 所需电压为40 V,单相交流电源电压220 V。试选择整流二极管,并计算变压器的变比。 三、三相桥式整流电路 1.电路组成 三相桥式整流电路如图所示,它由三相整流变压器和六个二极管组成。六个二极管分为两组,其中VD1 、VD3 、VD5 三个二极管的负极连在一起,称为共负极组;VD2 、VD4 、VD6 三个二极管的正极连接在一起,称为共正极组。负载电阻接在负极公共点与正极公共点之间,变压器次级三相绕组的三个端点a、b、c 分别接在VD1 、VD2、VD3 VD4 ;VD5 、VD6 的连接线上。2.工作原理 设三相变压器二次绕组输出的交流电压ua 、ub 、uc 为三相对称电压,其波形如图a 所示。为了便于分析整流原理,现将一个周期的时间分成六个小区间加以说明。四、滤波电路 1.电容滤波 左下图是带有电容滤波的单相半波整流电路,滤波电容器并联在负载的两端,因此负载两端电压等于电容器两端电压,即uo = uC 。在二极管导通时,电容器被电源充电,在二极管截止时,电容器可向负载RL 放电。所以带有电容器滤波的单相半波整流电路输出电压波形如右下图所示。 由图可见,在带有电容滤波的整流电路中,由于滤波电容对负载放电,使整流电路在u2 为负半周时,也有电压输出,所以负载上电压不仅脉动程度减小,其平均值也可得到提高。 2.电感滤波 图是带有电感滤波的单相桥式整流电路,电感L 与负载RL 串联。由于通过电感线圈的电流发生变化时,线圈中要产生自感电动势阻碍电流的变化,当电流增大时电感产生的自感电动势阻止电流的增加;而电流减小时,自感电动势则阻止电流的减小。因此,当脉动电流从电感线圈中通过时,将会变得平滑些。所以使负载电压的脉动大为减小。 3.复式滤波器 为了进一步提高滤波效果,可用电容和电感组成复式滤波器。常见的有型和 型两种,如图a、b 所示。由于电感线圈的体积大而笨重,成本又高,所以有时候用电阻去代替型滤波器中的电感线圈,这样便构成了 型RC 滤波器,如图c 所示。对负载电流较小和负载比较稳定的场合其滤波效果也很好。第二节第二节 直流稳压电路直流稳压电路一、稳压管并联型稳压电路 最简单的硅稳压管并联型稳压电路如图所示。稳压管VDZ 与负载RL 并联,R 为限流型稳压电路电阻,用以保护稳压管,同时又与稳压管相配合对输出电压进行调节并使之稳定。稳定电路的输入电压Ui 是由整流滤波电路提供的直流电压,而输出电压Uo 就是稳压管的稳定电压UZ 。稳压电路的工作原理: 当交流电网电压升高导致输入电压Ui 增大时,负载电压Uo 也将升高。从稳压管的反向特性曲线可知,当加在稳压管上的电压稍有增加时,其工作电流就显著增大。这时,电路电流增大,在电阻R 上的压降增加,抵偿Ui 的升高。使得负载两端电压基本保持不变。反之,当电网电压降低时,负载Uo 也要降低,因而稳压管电流显著减小,电阻R 上的压降也减小,仍然保持负载电压Uo 近似不变。 同理,如果当电源电压保持不变而是负载电流变化引起负载电压变化时,上述稳压电路仍能起到稳压作用。例如,当负载电流增大时,电阻R的压降增大,负载电压Uo因而下降。只要Uo下降一点,稳压管电流就显著减小,通过电阻R 的电流和电阻上的压降保持近似不变,因此负载电压Uo 也就近似稳定不变。当负载电流减小时,稳压过程相反。二、晶体管串联型稳压电路 1.基本原理 如果对稳压电路的稳压性能要求较高或者要求输出电压连续可调,则大都采用晶体管串联型稳压电路。其基本原理可用图来说明,图a 中将一个可变电阻Rp 与负载串联,用改变Rp 阻值来稳定负载RL 两端的电压。因为Uo= UiRL/(RL + Rp) 2.晶体管串联型稳压电路 图是最简单的单管串联型稳压电路,稳压管VDZ 与RL 组成稳压电路,使基极电位VB恒定。 当负载变化造成输出电压Uo 降低时,因为VB 恒定,而UBE = VB VE = VB - Uo第三节第三节 集成稳压器集成稳压器 三端电压固定式集成稳压器 1.型号规格 三端电压固定式集成稳压器只引出三个接线端输入端、输出端和输入、输出的公共端。组成稳压电路的所有元件都集成在一块芯片上,工作时不用外接任何附加元件,使用安装也和三极管一样方便。其封装形式有金属壳封装和塑料封装两种,如图所示。 2.应用电路 (1)固定正电压输出电路,如图a 所示。电容C1 用于减小输入电压的脉动,C2 为了消弱电路的高频噪声。 (2)固定负电压输出电路,如图b 所示。 (3)同时输出两组正、负固定电压的电路,可用W7800 和W7900 共同组成,如图c所示。第七章晶体管放大电路第七章晶体管放大电路第一节第一节 低频电压放大器低频电压放大器 放大电路(也称放大器)的主要任务是把微弱的电信号加以放大,然后送到负载(所谓负载是指某种用电设备,如仪表、扬声器、显像管和继电器等),以完成特定的功能。 图所示是扩音机的方框图。它由话筒、电压放大器、功率放大器、直流电源和扬声器等部分组成。 图所示是放大器的方框图。由图可以看出,构成放大器必须有四个端子,即两个输入端子,以引入要放大的信号;两个输出端子,把放大了的信号送到负载。而晶体管只有三个电极,用它构成放大器时,必须用一个电极作为输入端,一个电极作为输出端,剩下的一个电极作为输入、输出的公共端。 晶体管构成放大器就有三种连接方式,如图所示,分别是:共基极电路、共发射极电路和共集电极电路。一、低频电压放大电路的组成 基本的低频小信号放大电路如图所示。它由晶体管、电阻、电容和直流电源组成。电路中,晶体管VT 起电流放大作用;电阻RB 叫基极偏置电阻,为晶体管提供合适的电流(也称偏流),以保证放大电路处于合适的工作状态;集电极电源UC C 的作用有两个:一是为放大电路提供能量,二是保证晶体管发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置;集电极电阻RC ,一方面给集电极提供合适的直流电位,另一方面通过它将集电极电流的变化转换成电压的变化,以实现电压放大;电容C1 、C2 叫隔直耦合电容,起传送交流信号、隔断直流信号的作用。 二、低频电压放大电路的静态分析 放大器没有交流信号输入(即ui= 0)时的工作状态,称为静态。静态时的基极电流IB 、集电极电流IC和集- 射极电压的值叫静态值。三个静态值在输入、输出特性曲线上对应着一点Q,如图所示。通常把Q 点(或IB ,IC 和UCE )叫做静态工作点,简称工作点或Q 点,并把Q 点所对应的三个量分别用IBQ 、ICQ 和UC EQ 表示。 1.静态工作点的作用 假设在共发射极电路的输入端输入一个正弦波电压信号ui ,当ui 处于正半周时,晶体管发射结正向偏置。但由于晶体管的输入特性存在死区,所以只有当信号电压超过死区电压以后,晶体管才导通,产生基极电流ib ;当ui 处于负半周时,发射结反向偏置,晶体管截止,没有基极电流产生,即ib =0。基极电流随输入电压的变化波形如图所示。显然输入信号ui 在基极引起的基极电流ib 在波形上产生了失真。 2.静态工作点的计算 对于静态工作点,可根据电路中已知的各个参数,利用公式来计算。这种方法称为计算法。静态时没有交流信号输入,即ui = 0,此时电路中只有直流量,所以C1 、C2 可视为断路,画出静态时的电路图,称为直流通路。图所示放大电路的左直流通路如右图所示。由右图可知,在基极回路中,基极静态电流为IBQ =( UCCUBE)/RB 三、低频电压放大电路的动态分析 放大器有交流输入信号时的工作状态称为动态。此时晶体管的各极以及RC、RB 上的电压和电流在直流分量的基础上再叠加一个交流分量。 1.电压放大的过程 如图所示,交流输入信号ui 通过输入耦合电容C1 引起晶体管VT 基- 射极电压uBE 变化,使基极电流iB作相应变化;由于晶体管VT 的电流放大作用,使集电极电流(iC = iB )相应作更大变化,较大的iC 在RC 上产生的交流输出电压通过输出耦合电容C2 送到负载RL 上。只要电路元件选择合适,输出电压uo 比输入电压ui 要大很多,从而实现了电压放大作用。 2.电压放大倍数的计算 假设C1和C2 的容量足够大,则对信号的交流阻抗很小,可看作对交流短路,同时电源UCC内阻也很小,在它上面几乎没有交流压降,所以UCC 也可看成交流短路。交流通路如电压放大倍数用字母Au 表示,则根据放大倍数的定义可得Au = uo/ui由交流通路就可计算出电路的电压放大倍数。例:在图所示电路中,已知UCC = 12 V,Rc =4 k,RB = 400 k,RL =4 k, =50,rbe =1.2 k。试求:(1)静态工作点;(2)负载电阻RL 接入前、后放大器的电压放大倍数;(3)如果输入电压的有效值Ui =10 mV,求负载电阻RL接入前后放大器输出电压的有效值。第二节第二节 多级放大器多级放大器 通常要把若干级放大器连接起来,构成多级放大器,将信号逐级放大。各级放大器之间的连接方式,叫做耦合方式。一、级间耦合方式 放大器级与级之间的耦合方式有阻容耦合、变压器耦合和直接耦合。 1.阻容耦合 图所示为两级共射阻容耦合放大器,第一级的输出信号通过RC 1 和电容C2 耦合到第二级的输入端,所以称为阻容耦合放大器。 2.变压器耦合 图a 所示为变压器耦合放大器的结构框图。图中Tr 为耦合变压器,它的作用是隔断前后级的直流联系,同时将前级输出的交流信号通过电磁耦合到后级。 3.直接耦合 为了能够放大频率很低、变化缓慢的电信号,可以把放大器前级的输出端和后级的输入端直接连接起来,这种级间的连接方式叫做直接耦合。如图b 所示为直接耦合放大器的结构框图。二、阻容耦合多级放大器 1.电路特点 图所示为阻容耦合放大器中,前级集电极与后级基极之间串接一只大容量(一般为几十微法以上)的电容C2 ,称为耦合电容。它的作用是:一方面把前级晶体管集电极上的交流信号传送到下一级晶体管基极;另一方面是将前级集电极直流电压和后级基极偏压隔断,这样使前后两级直流工作状态互不影响。 在阻容耦合放大器中,由于耦合电容的隔直作用,故可以独立地设置各级放大器的静态工作点,而交流信号可以顺利的通过耦合电容传送到下一级去。 2.分析方法 (1)静态工作点的计算 (2)画出放大器的交流通路 画交流通路时,与前面一样,耦合电容C1 、C2 、C3 对交流看作短路,直流电源UCC 内阻很小,对交流也看作短路,如图所示。由图可以看出,第一级放大器的输出电压uo1 就是第二级放大器的输入电压ui2。 (3)求电压放大倍数例: 两级放大电路如图所示。已知晶体管1 = 2 = 40,rbe1 = 1 k,rbe2 = 0 6k,RB2 = 200 k,RC1 = 6 k,RC2 =3 k,RL = 2k。试计算放大器总的电压放大倍数。第三节第三节 射极输出器射极输出器一、电路组成 射极输出器的电路组成如图a 所示。由图看出,信号电压仍从基极输入,但输出端不是从集电极引出,而是从发射极引出,输出信号uo 是发射极电流的交流分量ie 在发射极电阻RE上的电压降,因此叫做射极输出器。 射极输出器的交流通路如图b 所示。从图中可以看出,集电极是输入、输出回路的公共端点,所以射极输出器是一个共集电极电路,简称为共集电路。二、电路特点 1. 输出、输入电压的相位相同且大小近似相等 由交流通路可看出ui = ube + uo 因ube 很小,故有uo ui 2.输入电阻高 当输入信号电压ui加到放大器的输入端时,放大器就是信号源的负载,其阻抗就是放大器的输入电阻,即等于电路输入端电压与端钮电流的比值,用“ri ”表示。ri 越大,信号源的利用率越高。 3.输出电阻低 放大器带负载时,对负载来说,放大器可看作具有内阻ro 的电源。电源的内阻ro 称为放大器的输出电阻。ro 越小,则放大器带负载能力越强。 综上所述,射极输出器虽然电压放大倍数小于1 而接近1,但其输入电阻高,可减小放大器从信号源(或前级)取用的信号电流;同时,输出电阻低,可减小负载变动对放大倍数的影响。它因具有这些优点,故获得广泛的应用。第四节第四节 集成运算放大器集成运算放大器一、运算放大器的组成 运算放大器通常由输入级、中间级、输出级三部分组成,如图所示。输入级是运算放大器的关键部分,由差分放大电路构成。差分放大电路由完全相同的两个大电路对称组成,它的输入电阻很高,能有效地放大有用信号,抑制干扰信号。 中间级一般由共发射极放大电路构成,主要提供足够的电压放大倍数,将电压放大到所需的值。 输出级一般由互补对称式功率放大器构成。互补对称式功率放大器是由射极输出器发展而来的,它的输出电阻低,能输出较大的功率推动负载。 二、集成运放的特性图是集成运算放大器的外形和图形符号。 图为F007 型通用集成运算放大器的管脚排列和接线图。RP 为外接调零电阻。有的新系列运放已无此外接电阻。集成运放通常用对称的正、负电源同时供电。集成运放在线性工作状态时有两个基本特点: (1)集成运放的两个输入端的电压差近似为零。即 U- U+通常称为“虚短”。 (2)集成运放的两个输入端的电流近似为零。即 Ii 0通常称为“虚断”。三、运算放大器的应用 1.反相比例运算电路 信号加在反向输入端的电路称为反相运算电路。图是反相比例运算电路。输入信号Ui 经电阻R1 加到反向输入端a,而同相输入端b 经电阻R2 接地。为使放大器性能稳定,在输出和输入之间接有电阻Rf,这种连接电路叫做反馈电路,电阻Rf 叫做反馈电阻。有反馈时称电路处于闭环状态,否则叫开环状态。 2.同相比例运算电路 信号加在同向输入端的电路称为同相运算电路。图a 是同相比例运算电路,同样接成了闭环状态。 同相输入时,若反馈电阻Rf 为零,即将输出端直接连到a 端,则Uo = Ui,这是同相运算电路的一个特例,称为电压跟随器,如图b 所示。 3.电压比较器 如图a 所示的电路,集成运放工作于开环状态。输入电压ui 加于同相输入端,反相输入端接地。当ui 略高于0 时,由于运放的开环放大倍数很高,只要输入一个微小的信号,就会放大到极值,输出级将因信号过大而进入饱和状态,这时uo 达到它的正极限值U+O ,并且在ui 继续升高时仍保持这个正极限值。同理,当ui 略低于0 时,uo 达到它的负极限值U-O ,并且在ui继续下降时仍保持这个负极限值。图c 表示上述输入与输出的关系。因此,可根据输出的状态判断输入是大于0 还是小于0,这种电路称为过零比较器或检零计。 利用比较器可设计出一种监控报警电路,如图所示。第八章数字电路基础第八章数字电路基础一、脉冲的基本概念 在数字电路中,信号电压和电流是脉冲的。脉冲是一种跃变信号,并且持续时间短暂。左图所示是最常见的矩形波和尖顶波。实际波形如右图所示。脉冲信号波形的参数 (1)脉冲幅度A:脉冲信号变化的最大值。 (2)脉冲上升沿tr:从脉冲幅度的10% 上升到90% 所需的时间。 (3)脉冲下降沿tf:从脉冲幅度的90% 下降到10% 所需的时间。 (4)脉冲宽度tp :从上升沿幅度的50% 到下降沿幅度的50% 所需的时间。 (5)脉冲周期T:周期性脉冲信号相邻两个上升沿或下降沿的脉冲幅度的10% 两点之间的时间间隔。 (6)脉冲频率f:单位时间的脉冲个数f = 1 /T。 脉冲信号有正和负之分。如果脉冲跃变后的值比初始值高,则为正脉冲,如图a所示;反之,则为负脉冲,如图b 所示。 二、数的进制与码制 1.数制 将数制符号按序排列成数位,并遵照某种由低位到高位的进位方式计数来表示数值的方法,称为进位计数制,简称计数制。在日常生活中通常使用的是十进制数,在计算机中使用的是二进制计数制。 (1)二进制 所谓二进制数,其基数为二,只有0 和1 两个数码,计数原则为“逢二进一”。 (2)二- 十进制数间的相互转换 二进制数化为十进制数:可以将一个二进制数按权位展开(二进制数某一位“1”对应十进制数的值,叫做这一位的“权”),将各权位的系数与权相乘后求得的多相式的和的值是对应的十进制数。例:将二进制数(1011.1)2 转换为十进制数。 2.码制 在计算机中,十进制数除了用二进制数来表示之外,还可以用一种二进制编码的十进制数码来表示,这就是BCD 码(Binary Coded Decimals)。BCD 码既有二进制数的形式,又具有十进制数的特点,可以作为“人机”交互的一种中间表示形式,有专门的指令可以对BCD 码直接进行运算。 一般BCD 码都以4 位二进制数来表示1 位十进制数。常用的BCD 码有8421 码等,它的编码如表所示。例:将十进制数(126)10 转换成对应的8421BCD。例:将8421BCD 码(1001 0000 0011)8421BCD 转换成对应的十进制数。三、脉冲电路与数字电路 脉冲电路表示一种产生与改变脉冲信号波形的电路。学习脉冲电路,重点在脉冲信号的产生、变化、测量、放大等,感兴趣的不仅是脉冲的有或无,而且还有它的波形。数字电路是利用半导体二极管和晶体管的开关特性来工作的。晶体管饱和与截止这两个不同的工作状态正好可以用数字“1”和“0”来表示。这就是数字电路的由来。 数字电路中的信号是靠脉冲的有无、高低来表示的。它研究的是电路间信号的逻辑关系,使用的数学工具是逻辑代数(布尔代数)。第二节第二节 晶体管开关电路晶体管开关电路一、二极管开关电路 二极管具有单向导电性,利用这一特性可将二极管当作一个开关,如图所示。 1.晶体管的开关特性 晶体管具有饱和、放大、截止三种工作状态。如果有目的地控制晶体管基极电压或电流,就可使晶体管交替工作于饱和或截止状态,相当于晶体管工作在开关的闭合或断开状态。可用图的实验电路来验证晶体管的开关特性。在图5a 中,加在基极电源电压是3 V,晶体管工作于饱和状态,即相当于开关闭合,此时小电灯发亮;在图b 中,加在基极电源电压是0 V,晶体管工作于截止状态,即相当于开关断开,此时小电灯不会亮。 2.基本开关电路 反相器是最基本的开关电路,电路如图a 所示。 当晶体管基极输入信号为低电平时,由于负电源- UBB 的作用,使UBE 0,使晶体管发射结反向偏置,此时晶体管截止,IC = 0,U o = UC C ,即输出高电平。当晶体管基极输入信号突变为高电平时,就可使管子进入饱和状态。若忽略管子的饱和压降,则有Uo 0,即输出低电平。输入与输出的波形如图b 所示,从图中看出输入与输出的波形相位相反。三、晶体管开关电路应用举例 在汽车电源中,普遍采用调节器调节输出电压。图是JFT201 型晶体管调压器电路图 。晶体管调压器的基本原理: 上页图中电阻R2 、R3 、R4 组成分压器。当接通点火开关SA 时,蓄电池电压同时加在分压器及由电阻R7 、R8 构成的晶体管VT2 的偏置电路上。此时蓄电池电压较低,不能击穿稳压管VD1 ,故晶体管VT1 的基极电流为零,处于截止状态。于是晶体管VT2 在正向偏置电压作用下产生基极电流而导通,相当于开关闭合。蓄电池经VT2 向发电机激磁绕组提供激磁电流。发电机运转,便会产生电压。当发电机输出电压高于稳压管稳定电压值时,稳压管VD1 被击穿而导通,使晶体管VT1 基极有电流而导通。晶体管VT1 导通的结果,使VT2 的基极和发射极之间电压减小便截止,相当于开关断开。从而切断了发电机的激磁电流,使发电机输出电压下降。当发电机输出电压低于稳压管调节值时,稳压管VD1 重新截止,晶体管VT1 截止,晶体管VT2 又获得高电压而导通。重复上述过程,发电机电压便稳定在调整范围内。第三节第三节 门门 电电 路路一、基本门电路 1.与门 与逻辑可用图所示的电路来说明。 在图a 中只有开关SA1和SA2 都闭合时,灯才会亮。这种灯亮与开关的关系就是与逻辑关系。可表述为:当决定一件事情的所有条件都具备时,事件才能发生。与逻辑的符号如图b所示。用二极管来构成的与门电路如图所示。 2.或门 或逻辑可用图所示的电路来说明。 在图a 中开关SA1 和SA2 只要有一个闭合时,灯就会亮。这种灯亮与开关的关系就是或逻辑关系。可表述为:当决定一件事情的所有条件中,只要具备一个条件时,这件事就会发生。或逻辑的符号如图b 所示。 用二极管构成的或门电路如图所示。 分析该电路可知,若A、B 两个输入端中有任一端为高电平,则二极管VD1 、VD2 中就有一个先导通,此时,输出端Y 点的电位就被钳制在高电平。只有当A、B 两个输入端均为低电平时,二极管VD1 和VD2 均导通,输出端Y 为低电平。 3.非门 反相器就是非门电路。当某一条件具备时,事情不发生;而当条件不具备时,事情却发生,这种关系称为非逻辑关系。非门实例电路如图所示。 从电路图中可见,当SA 闭合时,灯不亮;而当SA 断开时,灯才会亮。反相器正好满足这样的逻辑关系:输入高电平时,输出为低电平;输入低电平时,输出为高电平。输入信号与输出信号的相位是反相的。 4.与非门 上述三种是基本逻辑门电路,有时还可以把它们组合成为组合门电路,以丰富逻辑功能。常用的一种是与非门电路,即将二极管与门和晶体管非门连接而成,如图所示。 二、集成与非门 图a 是与非门的简化电路,其中VT1 是多发射极晶体管,其等效电路如图b 所示。当输入端均为高电平时,各发射结均处于反向偏置状态。电源通过R1 和VT1 的集电结给VT2 提供基极电流,使VT2 饱和导通,若忽略VT2 的压降输出端电位为0 V。当输入端中至少有一个为低电平时,使VT1 管的基极电位Vb1 被钳制在0.7 V 左右,使VT2 管截止。输出端Y 的电位为高电平。TTL 与非门的逻辑符号如图c 所示。第四节第四节 集成触发器集成触发器 触发器的分类很多,按照其逻辑功能可分为RS、D、T 和JK 四种类型。一、RS 触发器 1.基本RS 触发器 如右图是由与非门A、B 构成的与非型基本RS 触发器。图是它的逻辑符号,左图中输入端用一个小圈来表示低电平触发。2.同步RS 触发器 基本RS 触发器的特点是输入信号可以直接控制触发器的输出状态,因此其抗干扰能力较差,实际应用中更多采用受时钟脉冲控制的同步RS 触发器,如左图所示,右图为其逻辑符号。二、JK 触发器 同步RS 触发器在使用中有两个缺点:一是具有一种不定状态;二是在CP =1 期间,若输入信号变化,会引起输出状态也发生变化,即出现空翻现象。为了克服这些缺点,可采用主从JK 触发器。主从型JK 触发器的逻辑结构如左图所示,其逻辑符号如右图所示。例:已知主从JK 触发器输入端(CP、J 端和K 端)的状态如图所示,设Q 的初始态为1,画出输出端Q 的状态波形图。三、D 触发器 D 触发器的逻辑符号如图所示,它只有一个输入端D,逻辑功能为: D = 0 时,CP 脉冲到来时,Qn+1 = 0。 D = 1 时,CP 脉冲到来时,Qn+1 = 1。 由于D 触发器的输出状态总是与CP 脉冲到来之前输入端的D 状态相同,因此D 触发器也叫做延迟触发器。四、555 定时器电路及其功能 1.555 定时器的结构及逻辑功能 555 定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的器件,其内部电路结构如图所示。555 定时器电路由三部分组成: (1)电阻分压器和电压比较器由三个等值的电阻R 和两个集成运放比较器C1 、C2 构成。 (2)基本RS 触发器,由比较器输出电位UC1 、UC2 控制其状态。 (3)输出缓冲器和开关管,由反相器和集电极开路的三极管VT 构成。 2.自激多谐振荡器组成的信号灯闪光电路 多谐振荡器是一种能自动产生脉冲波的振荡器,所以也称矩形发生器,用555 定时器构成的多谐振荡器电路如图a所示。图中电容C、电阻R1 和R2 作为振荡器的定时元件,决定着输出脉冲的宽度,工作波形如图b 所示。 由自激多谐振荡器和触点开关构成电子闪光器原理图如图所示。接通转向灯电路,可由自激多谐振荡器输出的矩形波脉冲信号去控制灯的一亮一灭的闪光。其闪光频率由矩形波脉冲宽度决定。第九章基本数字部件第九章基本数字部件第一节第一节 计计 数数 器器一、二进制计数器 可用四个JK 触发器来组成四位异步二进制加法计数器,如图所示。每个触发器的J、K 端悬空,相当于“1”,故具有计数功能。触发器的进位脉冲从Q 端输出送到相邻高位触发器的C 端,这符合主从触发器在输入正脉冲的下降沿触发的特点。计数器工作波形图 二、十进制计数器 二进制计数器虽然结构简单,但是读数不习惯,所以在有些场合采用十进制计数器较为方便。十进制计数器是在二进制计数器的基础上得出的,用四位二进制数来代表十进制的每一位数,所以也称为二- 十进制计数器。十进制加法计数器仍由四个主从JK 触发器组成,如图所示。 电路波形如图所示。第二节第二节 寄寄 存存 器器 寄存器是用来存放和传输数码的具有记忆功能的数字部件。分为数码寄存器和移位寄存器两大类。一、数码寄存器 数码寄存器也称为基本寄存器,它具有接收数码和清除数码的功能。下面以多位D寄存器为例来说明寄存器的功能。如图所示四个D 触发器和两个反相器构成的4 位D寄存器。二、移位寄存器 左图是由D 触发器构成的右移寄存器。当移位控制脉冲CP 上升沿到来后,输入数据由D1 移入F1 ,F1 的状态移入F2 ,F2 的状态移入F3 ,F3 的状态移入F4 ,F4 的状态输出寄存器。假设各触发器的初态均为0,若输入数据为1010,则经过四个脉冲后,1010 分别存入F4 、F3 、F2 、F1 中。右图是移位的波形图。第三节第三节 译译 码码 器器 译码器的功能是将二进制代码的含义进行“翻译”,并转换成相应的输出信号。一、二进制译码器 二进制译码器是将代码按他的原意翻译为相应的输出信号的电路。图是一种常用的由与非门组成的三位二进制译码器。其三个输入端共有8 种组合,即对应有8 个输出状态,故又称其为3 - 8 译码器。 二、二- 十进制译码器 将二- 十进制代码翻译成0 9 的10 个十进制数码的电路称为二- 十进制译码器。一个二-十进制译码器有四位二进制代码,所以该译码器有4 个输入端和10 个输出端,也称为4 线-10 线译码器。常用的4 线-10 线译码器有CT74LS42,其外引线如图所示。其输入端为A0 A3 ,输出端为Y0 Y9 ,低电平有效。三、显示译码器 1.数码显示器 显示译码器是将数字电路中的二进制数码,用直观的十进制数在显示元件上显示出来的电路。显示元件很多,使用最为广泛的是七段数码显示管,其结构如图所示。 七段数码管有七个能发光的“段”,发光段可由荧光数码管、LED(发光二极管)数码管或LCD(液晶显示器)数码管构成。以下介绍使用较广的LED 数码管。其结构如图所示。 LED 数码管是由七个发光二极管组成,它有共阴极接法和共阳极接法。采用共阳极接法时,若想要某段发光,该段相应的二极管应经限流电阻R 接低电平。采用共阴极接法时,若想要某段发光,该段相应的二极管应经限流电阻R 接高电平。 2.二- 十进制七段显示器 将七段显示器与译码器组合起来,由译码器的输出来控制七段显示器哪些段发光,哪些段不发光,就实现了显示译码功能。常用的译码与驱动集成电路有CT74LS248 等,图为CT74LS248 的外引线图。