電路和電路元件

1、1會計學(xué)電路和電路元件電路和電路元件電路電路元件和電路模型電流、電壓及其參考方向電路功率第2頁/共77頁電 路由電源、開關(guān)、連接導(dǎo)線和負(fù)載等組成。 強電電路電壓較高、電流和功率較大；實現(xiàn)電 能的傳輸和轉(zhuǎn)換。（如電力系統(tǒng)等） 弱電電路電壓較低、電流和功率較小；實現(xiàn)信 號的傳遞和處理。（如擴音系統(tǒng)等） 發(fā)電機升壓變壓器降壓變壓器負(fù)載（如電燈、電動機等）話筒放大器揚聲器第3頁/共77頁o 理想電路元件第4頁/共77頁o實際電路o電路模型第5頁/共77頁電流電荷量對時間的變化率dqidt直流電流電流的大小和方向不隨時間變化電流的實際方向規(guī)定為正電荷移動的方向電流的參考方向假定方向，也稱正方向交流電流電

2、流的大小和方向隨時間變化庫侖 C秒S安培 A第6頁/共77頁電壓 電場力移動單位正電荷從一點至另一點作的功電壓的實際方向 高電位指向低電位 dwudq電壓的參考方向 假定方向焦耳 J庫侖 C伏特 V電動勢 非電場力移動單位正電荷從一點至另一點作的功電動勢的方向 從低電位指向高電位，與電壓相反參考點電路中人為規(guī)定的零電位點，符號 丄第7頁/共77頁R2 USI2 U6IS R1 I1 R4 I4 R3 I3 I5 電流/電壓的實際方向可知各電流/電壓的實際方向未知復(fù)雜電路注意電路圖中電流/電壓方向的表示方式第8頁/共77頁 按定義，電路的功率為電場力在單位時間里按定義，電路的功率為電場力在單位時

3、間里所做的功。即所做的功。即dwpdt如果某個元件（或某段電路）的電壓和電流分如果某個元件（或某段電路）的電壓和電流分別為別為u和和i，那么，功率就等于，那么，功率就等于dwdw dqpuidtdq dtbiua+ +- -N第9頁/共77頁puiiNu N消耗功率（吸收功率）0pui N輸出功率（釋放功率） 0pui如圖所示電壓電流的參考方向，稱為關(guān)聯(lián)參考方向第10頁/共77頁2211ttttwpdtuidt 根據(jù)功率與能量的關(guān)系，在根據(jù)功率與能量的關(guān)系，在t1t2內(nèi)時間，電內(nèi)時間，電路吸收的電能路吸收的電能 若若電壓為伏特（電壓為伏特（V）,電流為安培電流為安培(A)，時間，時間為秒為秒(

4、S)，則電能單位為焦耳，則電能單位為焦耳(J)；實用中常用；實用中常用千千瓦時瓦時(kWh)，1kWh=3.6106J，俗稱，俗稱 1度電。度電。電能電能 也有的地方用也有的地方用瓦時瓦時或或安時安時來表示的，如電來表示的，如電池的容量池的容量第11頁/共77頁 電電 量量 名名 稱稱 符符 號號 基基 本本 單單 位位 常用工程單位常用工程單位 電電 流流I （直流）（直流）i （交流）（交流） AkA、mA 、A、nA 電電 壓壓U （直流）（直流）u （交流）（交流） VkV、MV 、mV、V 功功 率率P（平均功率）（平均功率） WkW、MW、mW第12頁/共77頁1=2A, I2=

5、-1.25A,I3=0.75A。求：。求：a、b、c各點的電位各點的電位Va、Vb、Vc；電壓電壓Uab、Ubc；E1、E2輸出的功率輸出的功率PE1、PE2abc1I2I3I10.5R 20.8R 312R d110VE28VE解解 Va=E1=10V Vc=E2=8V Ubd=R3I3=9V Vb=Ubd=9V第13頁/共77頁abc1I2I3I10.5R 20.8R 312R d110VE28VE Uab=R1I1=0.52=1VI2參考方向參考方向cb Ubc=-R2I2 =-0.8(-1.25) =1V=Vb-Vc=Va-Vb PE1=E1I1=102=20WPE2=E2I2=8(-

6、1.25)=-10W注意此處使用非關(guān)聯(lián)參考方向，負(fù)值為吸收功率注意此處使用非關(guān)聯(lián)參考方向，負(fù)值為吸收功率第14頁/共77頁電阻元件 電感元件 電容元件實際元件的主要參數(shù)及電路模型第15頁/共77頁電壓電流關(guān)系 uRi電阻功率 電阻耗能 伏安特性電壓與電流的關(guān)系22up uiRiR耗能元件22112ttttWpdtRi dtIUOIUO線 性電 阻 非線性電 阻 （電阻R單位： ）k第16頁/共77頁膜電阻器線繞電阻器電位器熱敏電阻器水泥電阻器第17頁/共77頁iNLiNLi電壓電流關(guān)系 LdNdieLdtdt Lue diuLdt在直流電路中，i=I，為常數(shù)0diuLdt 電感相當(dāng)于短路-eL

7、+-+uiL常數(shù)常數(shù)第18頁/共77頁電感是一種儲能元件，儲存的磁場能量 212LWLI電感L的單位：亨利( )、毫亨( )、微亨( )HmHH電感的功率電感的功率dipuiLidt 在直流電路中，p=0電感的能量電感的能量 212LdiwpdtLidtLidiLidt 第19頁/共77頁不同類電感器陶瓷電感器標(biāo)準(zhǔn)電感器貼片電感器第20頁/共77頁uqqCu 電壓電流關(guān)系 dqidtduiCdt在直流電路中，0i 電容相當(dāng)于開路 電容是一種儲能元件，儲存的電場能量 212WcCu電容C的單位：法拉 、微法拉 、 皮法拉()F()F()pFC為常數(shù)為常數(shù)第21頁/共77頁 電解電容器 普通電容器

8、 電力電容器單相電動機 電容器第22頁/共77頁連接方式連接方式等效電阻等效電阻等效電感等效電感等效電容等效電容串聯(lián)串聯(lián)R=R1+R2L=L1+L2并聯(lián)并聯(lián)C=C1+C212111RRR 12111LLL 12111CCC 第23頁/共77頁電阻器：標(biāo)稱電阻值、額定功率電感器：標(biāo)稱電感值、額定電流電容器：標(biāo)稱電容值、額定電壓電路模型:理想電路模型: 電阻器 R、電感器 L、電容器 C第24頁/共77頁實際電路模型: 理想元件模型的不同組合CRCRLRL電容器模型電容器模型電感器模型電感器模型CRL第25頁/共77頁例題例題1.2.1 今需要一個阻值為今需要一個阻值為150、功率為、功率為1.5

9、W的電阻，現(xiàn)有的電阻，現(xiàn)有150電阻器的額定功率為電阻器的額定功率為0.5W，試問應(yīng)取多少個電阻組合才滿足要求？試問應(yīng)取多少個電阻組合才滿足要求？解 應(yīng)取4個電阻連接，如下圖所示R1R2R3R4R1R2R3R4等效電阻等效電阻13241324()()()()RRRRRRRRR 150等效電阻等效電阻34121234R RR RRRRRR150等效電阻的額定功率為4 0 52.NPW1 5 . W 故滿足要求。第26頁/共77頁實際電源的模型電壓源和電流源第27頁/共77頁I 端電壓（輸出電壓） 端電流（輸出電流）SUUU O I US輸出電壓 等于源電壓 ，與 輸出電流和外電路的情況無關(guān)。US

10、USU 源電壓 UI第28頁/共77頁電流源（理想電流源）：I 源電流ISSII 端電壓 U 端電流IU O I IS輸出電流 等于源電流 ，與輸出電壓和外電路的情況無關(guān)。IIS第29頁/共77頁0SUUR I 端電壓隨端電流的增加而減小 ，開路狀態(tài)， R 當(dāng)0,I SU U 開路電壓 ，短路狀態(tài)， 0R 當(dāng)SOUIR0,U 短路電流 實際電壓源在工作時要避免短路！U O I US實際電源+U- -abIR+U- -abIRR0+-US第30頁/共77頁第31頁/共77頁U O I IS0SUIIR00SUR IR I端電流隨端電壓的增加而減小 。實際電源+U- -abIR+U- -abIRR

11、0IS第32頁/共77頁3.兩種實際電源模型的等效互換互換-實際電壓源可變換為實際電流源， 實際電流源可變換為實際電壓源0SSUIR0SUUR I 00SUR IR I00RR0SSUR I +U- -abIRR0+-US+U- -abIRR 0IS第33頁/共77頁實際電源+U-abIR例題已知圖示實際電源電路中，例題已知圖示實際電源電路中，R=0時時I=2A，R=4時時I=1.2A，求：電流源模型；電壓源模，求：電流源模型；電壓源模型；型；R=2時的時的I值值解解 電流源模型如圖所示電流源模型如圖所示+U-abIRR0IS電流源模型電流源模型00SRIIRR 當(dāng)當(dāng)R=0時，時，I=IS，故

12、，故IS=2A且有且有R0=6 0SIRRII R=4時I=1.2A第34頁/共77頁實際電源+U-abIR電壓源模型如圖所示電壓源模型如圖所示R0=6 +U-abIRR0US電壓源模型電壓源模型+-根據(jù)電源等效互換條件根據(jù)電源等效互換條件US=R0IS=6 2=12V當(dāng)當(dāng)R=2時，由右圖時，由右圖 012621 5 . ASURRI 由電流源模型可求得同樣結(jié)果。由電流源模型可求得同樣結(jié)果。第35頁/共77頁第36頁/共77頁本征半導(dǎo)體 純凈的半導(dǎo)體（如硅、鍺、砷化鎵等）P型半導(dǎo)體 在純凈的半導(dǎo)體硅、鍺中摻入少量 三價元素。 多數(shù)載流子為空穴。N型半導(dǎo)體 在純凈的半導(dǎo)體硅、鍺中摻入少量 五價元

13、素。 多數(shù)載流子為電子。第37頁/共77頁 空間電荷區(qū)（耗盡層）內(nèi)電場 擴散和復(fù)合空間電荷區(qū) （耗盡層）內(nèi)電場阻止擴散、并引起少數(shù)載流子漂移最終，擴散與內(nèi)電場作用達(dá)到平衡PN結(jié)第38頁/共77頁外電場與內(nèi)電場方向相反外電場空間電荷區(qū)變窄當(dāng)外加電壓足夠大外電場足夠強克服內(nèi)電場作用 PN結(jié)導(dǎo)通電流I從P流向N外加正向電壓外電場第39頁/共77頁外電場與內(nèi)電場方向相同外電場空間電荷區(qū)變寬不導(dǎo)通（截止）結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)加正向電壓導(dǎo) 通，加反向電壓截止，導(dǎo)通方向：P N第40頁/共77頁1.二極管的伏安特性二極管兩湍的電壓與流過的電流之間的關(guān)系曲線 正向特性死區(qū)電壓小，基本不導(dǎo)通。死區(qū)

14、電壓：硅管0.40.5V 鍺管約0.1V第41頁/共77頁 正向特性導(dǎo)通區(qū)近似線性，導(dǎo)通壓降： 硅管0.60.7V 鍺管0.20.3V 反向特性正常工作區(qū)截止 反向電流很小反向擊穿區(qū)反向電壓過大，反向擊穿第42頁/共77頁o最高反向工作電壓 o反向電流 o最高工作頻率FMIRMURIMf第43頁/共77頁DSDUURI靜態(tài)電阻 DDDURI動態(tài)電阻 DDDdUrdI通常，同一工作點， DDRr不同工作點的 DDRr、均不同。 第44頁/共77頁考慮正向?qū)▔航?忽略正向?qū)▔航?o 二極管電路的分析方法 分析關(guān)鍵：判斷二極管是否導(dǎo)通方法：單個二極管：陽極電位高于陰極電位足夠大??；第45頁/共7

15、7頁o 二極管電路的分析方法 例題設(shè)右圖中二極管導(dǎo)通時的正向壓降為0.7V，試分析 的工作情況并求I值。 12DD、 解 陽極同電位，陰極 導(dǎo)通， 12DD、0,3 ,CbVVV 1D2.3 ,aVV 2D截止，故 212( 2.3)4.773SaUVVImARk 多個二極管：第46頁/共77頁【例題】 電路如圖所示， D1，D2 均為理想二極管， 當(dāng)輸入電壓 ui 6V 時， 則uO =？【解解】 ui 6V D1截止截止電路可以看成電路可以看成因此因此，D2 截止截止故故 uO =3V第47頁/共77頁【例題】 圖示電路，設(shè)二極管正向壓降為0.7伏，當(dāng)開關(guān)S置“1”時，Ua= 伏；當(dāng)開關(guān)S

16、置“2”時，Ua= 伏；當(dāng)開關(guān)S置“3”時，Ua= 伏； D1D2D31k+-6V+-3V+-3VS123a【解解】S置置“1”時，時，D1截止截止Ua=1.4VS置置“2”時，時，D1導(dǎo)通導(dǎo)通Ua=0.7VS置置“3”時，時，D1導(dǎo)通導(dǎo)通Ua=-2.3V第48頁/共77頁1.穩(wěn)壓二極管的伏安特性 伏安特性圖形符號反向擊穿區(qū)特性曲線陡直穩(wěn)壓特性穩(wěn)壓區(qū)反向擊穿區(qū)2.穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù) 穩(wěn)定電壓 ZU、穩(wěn)定電流 ZI 最大穩(wěn)定電流 最大耗散功率 動態(tài)電阻 電壓溫系數(shù) ZMIZMPZrUZ第49頁/共77頁穩(wěn)壓條件： IZUU有一定的 ZI穩(wěn)壓二極管工作在 反向擊穿狀態(tài)。 第50頁/共77頁發(fā)光二

17、極管是一種能將電能轉(zhuǎn)換成光能的器件，簡稱LED，正向?qū)ê蟀l(fā)光 導(dǎo)通壓降大于普通二極管通常在1.4V以上發(fā)光二極管具有壽命長、抗沖擊和抗振動性能好、可靠性高等優(yōu)點，應(yīng)用十分廣泛，其外形眾多第51頁/共77頁2.光電二極管光電二極管是一種將光能轉(zhuǎn)換成電流的器件，其PN結(jié)封裝在具有透明聚光窗的管殼內(nèi)。光照射后導(dǎo)通，導(dǎo)通電流與光照強度相關(guān)。 I/AU/V無光照射電流很?。ò惦娏鳎o光照射電流很小（暗電流）受到光照，受到光照，反向電流增反向電流增大（光電流）大（光電流）正向特性類同正向特性類同于普通二極管于普通二極管注意光電二極管使用時要反向接入電路中，即陽極接電源負(fù)極，陰極接電源正極。第52頁/共7

18、7頁整流二極管穩(wěn) 壓二極管發(fā)光二極管光 電二極管第53頁/共77頁第54頁/共77頁1.基本結(jié)構(gòu)和符號 NPN型PNP型第55頁/共77頁三個電極：發(fā)射極E、基極B、集電極C 三個區(qū)：發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度高（多數(shù)載流子最多） 集電區(qū)雜質(zhì)濃度高,比發(fā)射區(qū)稍低 基 區(qū)雜質(zhì)濃度相對很低第56頁/共77頁載流子的運動和電流的形成： 發(fā)射結(jié)外電場發(fā)射區(qū)大量電子載流子向基區(qū)運動,電源向發(fā)射區(qū)補充電子發(fā)射極電流 EI 進(jìn)入基區(qū)的電子載流子少量與進(jìn)入基區(qū)的電子載流子少量與基區(qū)空穴復(fù)合，電源基區(qū)空穴復(fù)合，電源 向基區(qū)向基區(qū)補充空穴補充空穴基極電流基極電流BBUBI 集電結(jié)外電場基區(qū)的大部分電子載流子進(jìn)入集電區(qū)，并由電

19、源收集集電極電流 CI第57頁/共77頁EBCIIIBCEIIIBEBBBCEUIIIII改變變化 ，、BCEIII 小的基極電流變化量大的集電極電流變化量，具有電流放大作用，電流控制作用電流控制型器件。第58頁/共77頁輸入特性曲線：()CCEBif ui常數(shù)()BBECEif uU常數(shù)與二極管正向特性曲線類似。輸出特性曲線：第59頁/共77頁無放大作用； 0BI曲線以下區(qū)域特點：集電結(jié)、發(fā)射結(jié)均反向偏置； 0CCEOII集電極與發(fā)射極相當(dāng)于斷開的開關(guān)用于開關(guān)電路。 飽和區(qū)： CEBEUU的區(qū)域特點：發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均正向偏置；無放大作用；第60頁/共77頁,0CCECESIUU有但集電極與發(fā)

20、射極相當(dāng)于接通的開關(guān)用于開關(guān)電路。飽和區(qū)特點：放大區(qū)：特點：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置， 有放大作用用于放大電路。 0.3 )CEUV（很小，約第61頁/共77頁電流放大系數(shù) CCEOCBBIIIII （直流）CBII (交流)穿透電流CEOI集電極最大允許電流CMI集電極最大允許耗散功率C MP集電極發(fā)射極反向擊穿電壓()BR CEOU第62頁/共77頁+ UCC- -IBRCRBUBB+- - + UCE- -IC + UBE- -Q1uCE/ViC/mAQ21.00.521.00 0.32.0iB=20A例題下左圖的共發(fā)射極電路中，已知例題下左圖的共發(fā)射極電路中，已知UCC=6V，I

21、B=20A時晶體管的時晶體管的iC-uCE曲線，求：工作點分別為曲線，求：工作點分別為Q1、Q2時的時的RC值。值。解解 CCCECCUUR ICCCECCUURI Q1:RC=4kQ2:RC=11k當(dāng)當(dāng)UCC、IB為一定值時，為一定值時，增大增大RC使工作點沿使工作點沿iC-uCE曲線從放大狀態(tài)進(jìn)入飽曲線從放大狀態(tài)進(jìn)入飽和；反之，若原來處于和；反之，若原來處于飽和狀態(tài)，減小飽和狀態(tài)，減小RC能脫能脫離飽和進(jìn)入放大狀態(tài)離飽和進(jìn)入放大狀態(tài)第63頁/共77頁1.受控源概念受控源非獨立電源輸出電壓或電流受電路中另一電壓或電流的控制。電壓控制電壓源（VCVS）電壓控制電流源（VCCS） 電流控制電壓源

22、（CCVS）電流控制電流源（CCCS）四種類型：第64頁/共77頁VCVSVCCSCCVSCCCS第65頁/共77頁晶體管工作在放大區(qū)，即: B-E之間，工作在輸入特性的近似線性區(qū)， ber用電阻模擬26(1)BEbebBEUrrII200br EImA單位C-E之間,CBIICCEIU與基本無關(guān)，用電流控制電流源模型 。第66頁/共77頁第67頁/共77頁例題下圖基極電流例題下圖基極電流IB=0.02mA，電流放大系數(shù)，電流放大系數(shù)=80。若若IC=0.3mA，求：，求：UBE=？BUCEUBE+CEIBIC2626(1)2620015000.02bebbEBrrrII解 晶體管輸入電阻BU

23、CEUBE+CEIBICrbeIB30.33.75 10 mA80CBII31500 3.75 105.625mVBEbeBUrI第68頁/共77頁第69頁/共77頁1.基本結(jié)構(gòu)耗盡型NMOS管結(jié)構(gòu)G 柵極S 源極D 漏極耗盡型 NMOS第70頁/共77頁GSUN 增強型NMOS管結(jié)構(gòu) 在二氧化硅絕緣層中摻入少量正離子，尚未形成導(dǎo)電溝道，只有加入足夠大的 時才形成導(dǎo)電溝道。GSU增強型 NMOSP溝道MOS管的符號 增強型PMOS耗盡型PMOS第71頁/共77頁GSUDIGSDUI控制 電壓控制型器件。 對耗盡型NMOS， GSU可正可負(fù)；對增強型NMOS， GSU為正。 在D-S間外加電源，

24、加于G-S間的電壓 變 化時，漏極電流 變化。GSU第72頁/共77頁輸出特性： ()DDSGSif UU常數(shù)轉(zhuǎn)移特性： ()DGSDSif UU常數(shù)耗盡型NMOS管的特性曲線 耗盡型NMOS管的特性曲線近似表達(dá)式2()1GSDDSSGS offUIIU第73頁/共77頁增強型NMOS管的特性曲線增強型MOS管必須外加一定的uGS才會導(dǎo)通，通常把ID=10A時的uGS值規(guī)定為開啟電壓uGS(th)第74頁/共77頁開啟電壓 飽和漏極電流 低頻跨導(dǎo) 最大漏極電流 最大耗散功率 最大漏-源極擊穿電壓 柵源直流電阻 耗盡型MOS管參數(shù) 增強型MOS管參數(shù) 耗盡型MOS管參數(shù) ()GS offU()G

25、S thUDSSImgDmDSGSIgUU常數(shù)DMIDMP()BR DSUGSR第75頁/共77頁柵源電阻很大，柵極電流 柵源電壓控制漏極電流 電壓控制電流源模型 0GI第76頁/共77頁第77頁/共77頁電壓電流關(guān)系 uRi電阻功率 電阻耗能 伏安特性電壓與電流的關(guān)系22up uiRiR耗能元件22112ttttWpdtRi dtIUOIUO線 性電 阻 非線性電 阻 （電阻R單位： ）k第16頁/共77頁電感是一種儲能元件，儲存的磁場能量 212LWLI電感L的單位：亨利( )、毫亨( )、微亨( )HmHH電感的功率電感的功率dipuiLidt 在直流電路中，p=0電感的能量電感的能量 212LdiwpdtLidtLidiLidt 第