作者：樊立萍
出版社：电子工业出版社
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电工电子技术(第2版)试读：
前言
电工电子技术是高等院校非电类理工科各专业的一门重要的技术基础课。电工电子技术的应用遍及社会生产各领域和人类生活各角落，对国民经济发展及生活水平提高都具有至关重要的作用。
本书从适应工科高等院校非电类应用型人才培养需求出发，遵循“面向实际，夯实基础，突出重点，强化应用”的原则，结合电工电子技术的发展成果与高等教育改革需要，并充分考虑全国工程教育专业认证标准规定相关教学要求，在原教材基础上修订编写而成。考虑到近年来电子技术与电路理论的长足进步，同时为了更好地与目前课程名称相对应，这次修订将原教材《电工电子学教程》更名为《电工电子技术》，以更准确地反映出本书的内容。本书强调知识的渐进性，兼顾知识的系统性，力求做到学科体系完整、知识简捷明了、理论联系实际、时代特色鲜明。
本书力求以尽可能少的学时阐明电工电子技术的基本内容，并通过案例分析，突出工科专业的特色，强化实践能力培养。为及时体现近年来电工电子技术领域出现的新技术，并与前序电学课程实现有效对接，本书对传统的电工学内容进行了一定程度的增删。删除了与电学课程重复的电路基本物理量等内容；增加了软起动、变频调速等电工新技术。全书分为8章，第1章到第4章为电路分析基础部分，内容包括直流电路和交流电路的分析方法；第5章为简单电气技术部分，主要介绍工农业生产中应用广泛的三相异步电动机的工作原理及其简单控制；第6章至第8章为电子技术部分，主要包括二极管特性及其整流电路、三极管与基本放大电路、集成电路概要等内容。为了适应应用型人才工程实践能力培养需求，本书理论分析紧扣实际，例题与习题也尽量选择与实际系统贴近的案例。
本书由樊立萍、张国光、宋婀娜担任主编，樊立萍策划并组织编写。第1章（1.5节）、第2章、第3章（3.5节）、第4章（4.5节）、第5章（5.6节）、第6章（6.1节、6.2节、6.3.4节）由樊立萍编写；第1章由林晓梅副教授编写；第3章、第4章和附录A由张国光副教授编写；第5章由袁艳敏副教授编写；第6章、第7章、第8章由肇巍副教授编写；第7章（7.2.1节～7.2.3节）由宋婀娜副教授编写。樊立萍教授最后统稿并定稿。
本书的参考学时数为48～64 学时。本书可以作为非电类专业的大专、本科生的教材或教学参考书，也可供有关专业师生和工程技术人员自学参考。
为方便教师教学，本书配有免费电子教学课件，可登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）免费下载或发送邮件至duandh＠phei.com.cn索取。
由于时间限制和编者学识的局限，书中难免有错误和遗漏，敬请广大读者在使用过程中提出宝贵意见。作者的邮箱：flpsd＠163.com。
编者
2010年9月
第1章 电路的基本概念与基本定律
本章主要介绍电路的基本概念与基本定律，着重讨论电路组成与作用、电路模型与基本电路元件、电压和电流的参考方向、电能与电功率、基尔霍夫电压定律和电流定律等。本章是学习电路基本分析方法及分析各种类型电工电子电路的基础。
1.1 电路组成与电路模型
1.1.1 电路组成由若干电气设备或元器件按一定方式用导线连接而成的电流通路，称为电路。如手电筒的电路由干电池、灯泡和开关用导线连接而成，如图1.1所示。电路中的干电池是提供电能的，称为电源；灯泡是取用电能的，称为负载；而把电源和负载连接起来的开关及导线，称为中间环节。组成电路的元器件及其连接方式尽管多种多样，但一个完整的电路都包含电源、负载和中间环节这三个基本组成部分。图1.1 手电筒电路
电源是将其他形式的能量转换为电能的装置，如蓄电池、发电机等，分别将化学能、机械能转换成电能。
负载是取用电能的设备。例如灯泡、电动机、电热炉等。负载的作用是将电能转换成其他形式的能量，例如灯泡将电能转换成光能，电动机将电能转换成机械能等。
中间环节主要完成电能的传输、分配和控制作用。一些实用电路的中间环节，除了开关、导线外，通常还包含保护和检测装置、变压器等。1.1.2 电路作用
电路的作用可以从两个方面描述。
1.实现电能的传输和转换
常见的各种照明电路和动力电路就是用来输送和转换能量的。例如图1.2（a）所示的电力传输系统。对于这一类电路来说，一般要求具有较小的能量损耗和较高的效率。
2.实现信号的传递和处理
电子技术、通信技术中遇到的电路一般以传递和处理信号为主要目的。例如图1.2（b）所示的扩音机电路，先由话筒把语言或音乐（通常称为信息）转换为相应的电信号，然后通过放大器对信号进行放大等处理后传递到扬声器，把电信号还原为语言或音乐。图1.2 电路作用1.1.3 电路模型
为了便于对电路进行分析与计算，通常将实际电路中的元器件用理想电路元件来表示。将实际的元器件理想化，只考虑其主要的电磁性能，而忽略其次要因素，称为理想电路元件。由理想电路元件构成的电路，称为电路模型（简称电路），一般采用特定符号和图形表示。电路模型是实际电路的抽象。图1.3 手电筒的电路模型
手电筒的电路模型如图1.3所示，电池、灯泡等都已表示成相应理想电路元件或其组合。1.1.4 参考方向
对电路进行分析时，必须知道电压、电流的方向。而电流或电压的实际方向往往是未知或者变化的。为了方便电路的分析与计算，可以任意假定一个电流或电压方向作为参考方向。
1.电流参考方向
为了计算方便，电流的参考方向可以任意选定。但电流的方向是客观存在的，电流的实际方向是正电荷运动的方向。选定参考方向后，当电流实际方向与参考方向一致时，电流取正；当电流实际方向与参考方向相反时，电流取负，如图1.4所示。图中实线箭头标示电流参考方向，虚线箭头标示电流实际方向。
2.电压参考方向
电压的参考方向可以任意指定。电压的方向通常用参考极性（“+”、“-”）表示。电压的实际方向规定为由高电位端（“+”极端）指向低电位端（“-”极端）。参考方向选定后，当实际方向与参考方向一致时，电压为正；当实际方向与参考方向相反时，电压为负，如图1.5所示。图1.4 电流参考方向图1.5 电压参考方向
3.关联参考方向
一个元件的电流和电压的参考方向可以独立地任意指定。如果指定流过元件的电流的参考方向是从标以电压正极性的一端指向负极性的一端，即两者的参考方向一致，则把电流、电压的这种参考方向称为关联参考方向；反之，则称为非关联参考方向，如图1.6所示。图1.6 关联参考方向与非关联参考方向
1.2 理想电路元件
1.2.1 理想有源元件1.电压源
理想电压源是一种能够独立向电路提供电压的电源。理想电压源有两个基本性质：① 无论负载如何，其端电压保持为某一给定值或某一个给定的时间函数；② 流过它的电流由外电路决定。图1.7 理想电压源
理想电压源的图形符号如图1.7所示，一般理想电压源均可表示成如图1.7（a）所示形式，其中U 表示电压源电压，“+”、“-”分别S代表电源参考极性的正、负极。直流电压源也可表示成如图1.7（b）所示形式，其中E代表电源电动势。
理想电压源是不存在的。实际电压源在工作时会产生一定的能量损耗，这种损耗其实是由电源内阻造成的，所以，实际电压源可以用一个理想电压源与电阻的串联模型表示。电压源以给外电路提供电压为目的，电池及发电机是目前使用最广泛的电压源。
2.电流源
在日常生活中，常常看到手表、计算器、热水器等采用太阳能电池作为电源，这些太阳能电池是采用硅、砷化镓等材料制成的半导体器件。它与干电池不同，当受到太阳光照射时，将激发产生电流，该电流是与入射光强度成正比的，基本上不受外电路影响，因此像太阳能电池这类电源，在电路中可以表示成电流源。
理想电流源是一种能够独立向电路提供电流的电源。理想电流源有两个基本性质：①不管外部电路如何，其输出电流总能保持一恒定值或某一给定的时间函数；② 它的端电压取决于外电路。理想电流源元件模型如图1.8所示，其中I表示电流源电流，箭头表示电流参S考方向。图1.8 理想电流源
理想电流源是不存在的。实际电流源可以用一个理想电流源与电阻的并联模型来表示。1.2.2 理想无源元件
1.电阻元件
电阻元件是将电能转换为热能的二端耗能元件，如电炉、电灯等，其模型如图1.9所示。加在电阻元件两端的电压u与通过该元件的电流i成正比，即符合欧姆定律。在关联参考方向下，表示为图1.9 电阻元件模型
欧姆定律表达式中的比例系数R就是表征导体对电流呈阻碍作用的电阻阻值。电阻的单位为欧姆，简称欧，用符号“Ω”表示。若电阻不随电压或电流的变化而变化，则称该电阻为线性电阻。线性电阻的阻值是个常数，其伏安特性[即u=f（i）曲线]是一条直线。
2.电感元件
电感元件是实际线圈的一种理想化模型。工程中得到广泛应用的线圈是由导线绕制的，如图1.10所示。当线圈中通以时变电流i时，将产生磁通Φ，如果磁通Φ与N匝线圈都交链，则磁通链Ψ=NΦ。图1.10 实际线圈
磁通链Ψ 是电流i的函数。当磁通链与电流的参考方向符合右手螺旋定则时，则有
式中，L称为线圈的电感，其单位是亨（H）；磁通链的单位是韦伯（Wb），所以式（1-2）也称为韦安特性。电感元件模型如图1.11所示。若电感元件中的磁通链与电流呈线性关系，即L为常值，则称为线性电感。当电感两端电压与通过电感的电流属于关联参考方向时，根据楞次定律，有
将Ψ=Li代入式（1-3），得
即电感电压与电流的变化率成正比。当通过电感的电流有变化时，电感两端才有电压；当电流不随时间变化时，电感两端电压为零。因此，电感是一种动态元件，在直流电路中，电感相当于短路。图1.11 电感元件模型
3.电容元件
在电力系统和电子装置中常用的电容器就是典型的电容元件。电容是用来表征电路中电场能量储存这一物理性质的理想元件。电容元件模型如图1.12所示。在电容两端施加电压u，它的极板上就会储存电荷q，两者之间的关系满足图1.12 电容元件模型
式中，C 称为电容，其单位是法拉（F）。由于法拉的单位太大，-6-12工程上多采用微法（μF）或皮法（pF）。1μF=10F，1 pF=10F。若电容元件中的电量与电压呈线性关系，即C为常值，则称为线性电容。
当电容两端的电压变化时，极板上的电荷量也随之变化，和极板连接的导线上就有电流i。当电压与电流为关联参考方向时，有
可见，电容电流与电压的变化率成正比。当电容两端的电压有变化时，电容才有电流通过；当电压不随时间变化时，电容电流为零。因此，电容属于动态元件，在直流电路中，电容相当于开路。
1.3 电能与电功率
电路中通过电流时，就伴随着电能的传送或转换。电能传送或转换的速率称为电功率，简称功率，即
功率p的单位是瓦（W）。若元件的电压和电流采用关联参考方向，则该元件吸收的功率为
在关联参考方向下，按照式（1-8）计算所得结果，若p＞0，则表示元件吸收或消耗功率，即该元件是作为负载存在的；若p＜0，则表示元件发出或释放功率，即该元件是作为电源存在的。注意，如果采用非关联参考方向，则结论正好相反。
元件在一段时间（0～t）内消耗的电能为
能量的单位是焦耳（J），但电能的常用单位是千瓦时（kWh），6也即度，1 kWh=3.6×10J。
对于电阻元件，其消耗功率为
从0到t的时间内电阻消耗的电能为
电阻元件把吸收的电能全部转换成热能。
对于电感元件，其消耗功率为
从0到t的时间内，电感电流由0变为I，电感储存的磁场能量为
即电感储存的磁场能量只取决于该时刻的电流值。
对于电容元件，其消耗功率为
从0到t的时间内，电容电压由0变为U，电容储存的电场能量为
即电容储存的电场能量只取决于该时刻的电压值。
例 1.1 电路如图1.13所示，已知U=14 V，I=2 A，U =10 V，I 112=1 A，U=-4V，I=-1A，求各元件的功率，并说明各元件是电源还234是负载?图1.13 例1.1图
解：元件1的端电压与其通过的电流为非关联参考方向，故元件吸收功率为
则元件1发出功率，是电源。
元件2的电压和电流为关联参考方向，故元件吸收功率为
则元件2吸收功率，是负载。
元件3的电压和电流为非关联参考方向，故元件吸收功率为
则元件3吸收功率，是负载。
元件4的电压和电流非关联参考方向，故元件吸收功率为
则元件4吸收功率，是负载。
1.4 电路的工作状态
电路在不同的条件下会处于不同的运行状态，不同运行状态的电路具有不同的特点。1.4.1 负载状态
将图1.14中的开关S闭合，负载与电源便处于接通状态，负载上就有电流通过，这时的电路工作在负载状态，又称为有载工作状态。应用欧姆定律，可求出电路中的电流为图1.14 负载状态
负载电阻R两端的电压U=RI，由此可得
由上式可见，电源端电压小于电动势，两者之差为电流流过电源内阻所产生的电压降RI。0
例1.2 已知图1.15所示电路中，R=50Ω，R=100Ω，R=200Ω，123E=350 V，求R、R和R各自消耗的电功率及电源产生的电功率。123图1.15 例1.2图
解：由式（1-16）可求得电路中的电流为
R消耗的功率为1
R消耗的功率为2
R消耗的功率为3
由于电流的参考方向与电压源电压的参考极性是非关联参考方向，所以电源吸收功率为
电源吸收功率为负值，即电源实际是发出功率的。由计算结果可知，电路中正、负功率数值相等，符合能量守衡的规律。
电气设备的电压、电流、功率都有一个额定值，是考虑可靠性与使用寿命等因素而设定的。电气设备使用时，实际值等于额定值是最合理的。通常，当实际使用值等于额定值时，电气设备的工作状态称为额定状态；当实际电流或功率大于额定值时，称电气设备工作在过载状态；当实际电流或功率小于额定值时，称电气设备工作在轻载或欠载状态。1.4.2 空载状态
当图1.14中的开关S断开时，电路处于开路状态，又称为空载状态。这时外电路相当于一个无穷大的电阻，电路中没有电流。电路断开处两端的电压等于电源电动势E，称为开路电压U。由于电流为OC零，所以电路中既不产生、也不消耗功率。电路的空载特性可归纳为1.4.3 短路状态
当电源的两个输出端由于某种原因短接时，就造成了短路现象，如图1.16所示。在短路状态下，电流所通过的回路中仅剩下很小的内阻R，所以电流将会达到很大的数值，该电流称为短路电流I。短0SC路时，负载电流为零，电源电流达到最大值；电源端电压为零；电源发出的功率全部消耗在内阻上。电路的短路特性可表示为
因为短路电流很大，并且将在内阻R上全部转换成热能，所以0电源温度会迅速上升乃至烧坏电源。因此，短路是一种严重事故，应采取措施加以避免和防护。通常在电路中接入熔断器或自动断路器，可以在发生短路事故时，迅速切断故障电路，起到保护电源的作用。生产实践中，有时为了达到某种目的，可以人为地利用短路的特性。例如，电动机的启动电流很大，为了保护串联在电路中的电流表，可以用一个旁路开关在电动机启动前将电流表两端短路，使启动电流从旁路通过，待电动机启动后，再断开旁路线，恢复电流表的工作，如图1.17所示。图1.16 短路状态图1.17 电流表的旁路
例1.3 一台直流发电机，额定功率P=10 kW，额定电压U=220 NNV，内阻R=0.6Ω，发电机向并联负载供电，每个负载电阻R=9.7Ω，0如图1.18所示。试求：（1）发电机的额定电流和电动势；（2）当发电机分别向一个、两个、三个负载供电时，发电机的输出电流、输出电压和输出功率各为多少?图1.18 例1.3图
解：（1）发电机的额定电流为
电动势为（2）当发电机向一个负载供电时，输出电流为
输出电压为
输出功率为
可见，发电机的电流和功率均未达到额定值，工作于轻载状态。
当发电机向两个负载供电时，有
可见，发电机的电流和功率均达到额定值，工作于额定状态（或称为满载状态）。
当发电机向三个负载供电时，有
显然，此时发电机的电流和功率均大大超过额定值，工作于过载状态。
1.5 基尔霍夫定律
1.5.1 电路相关名词元件接入电路中，其电压和电流除了受元件特性的影响（即元件约束）外，元件的连接结构也会对其产生影响（即拓扑约束）。基尔霍夫定律就是描述电路拓扑约束关系的。电路的拓扑描述中经常用到支路、节点、回路、网孔等名词术语。图1.19 电路相关名词
电路中通过同一电流的每一个分支，称为支路。图1.19中有三条支路：ab、acb和adb。
电路中三条或三条以上支路的连接点，称为节点。图1.19中有两个节点：a和b。
电路中任一闭合路径，称为回路。图1.19中共有三个回路：abca、adba、adbca。
内部不含有支路的回路，称为网孔。图1.19的三个回路中，abca和adba是网孔，而adbca则不是网孔。1.5.2 基尔霍夫电流定律（KCL）
基尔霍夫电流定律是关于电路中电流分布规律的基本定律，是电流连续性的表现。该定律表述为：任何时刻，流入电路任一节点的电流的代数和恒等于零，即
应用KCL时，首先要指定每条支路电流的参考方向，而且要注意式（1-20）中的正负号。如果规定流入节点的电流为正号，则流出节点的电流取负号。例如对于图1.19中的节点a，应用KCL得到
或写成
如果流入某节点的电流之和为∑i，流出该节点的电流之和为∑ini，则out
所以，基尔霍夫定律也可描述成：任何时刻，流入任一节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。
基尔霍夫电流定律是电路中连接到同一个节点的各支路电流必须遵守的约束，这一约束仅与电路的结构有关，而与各支路上的元件性质无关。
基尔霍夫电流定律不仅适用于节点，也适用于任一闭合面，即广义节点。例如，对图1.20所示电路，有
例1.4 在图1.21中，已知I=2 A，I=-3 A，I=-2 A，求I。1234图1.20 广义KCL图1.21 例1.4图
解：根据KCL，∑I=0，以流入电流为正，则
代入已知条件，有
可得
注意，KCL方程中支路电流前的正负号取决于电流参考方向是流入节点还是流出节点；而电流值的正负号取决于实际方向与参考方向是否一致。1.5.3 基尔霍夫电压定律（KVL）
基尔霍夫电压定律是关于电路中电压分配规律的基本定律。基尔霍夫电压定律可以描述成：任何时刻，沿任一闭合回路的所有电压的代数和恒等于零，即
应用KVL时，首先要指定回路的绕行方向。当电压参考方向与回路绕行方向一致时，该电压前的符号取“+”；当电压参考方向与回路绕行方向相反时，该电压前的符号取“-”。例如对于图1.19所示电路，选定回路绕行方向为顺时针方向，则回路abca的KVL方程为
上式可写成
式中，等式左边是沿回路绕行方向的电压降，而等式右边是沿回路绕行方向的电压升。所以，基尔霍夫电压定律也可描述成：任何时刻，沿任一回路的电压降之和等于沿该回路的电压升之和。
基尔霍夫电压定律是电路中任一回路中各电压必须遵循的约束关系，这一约束也仅与电路的结构有关，而与元件性质无关。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]