作者：左伟平
出版社：电子工业出版社
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电工与电子技术基础试读：
前言
本书是在现代职业教育（特别是职业学校教学改革和实践）的基础上，依据中等职业学校《电工与电子技术基础课程教学大纲》编写而成的。在内容取舍上主要以现代电工与电子技术的基础知识和基本技能为主线，本着“实用、够用”的原则，以培养学生实际应用能力为目的，在保障科学性的前提下选择课程内容，突出了教材的重点，概念清晰，实用性强。本书可作为职业学校和技工学校电子电工、机电一体化、数控加工、汽车维修等相关专业的教材。
本书在内容安排上，以培养学生的工作能力为目的，充分将基础知识的讲解和思考练习题有机结合，使能力培养贯穿于整个教学过程。本书内容编排比较灵活，可以根据不同的专业和不同的需求来选择教学内容，因而本书适用面较广。全书共分三大部分，10章。第一部分是电工技术基础部分，包括第1章直流电路、第2章正弦交流电路；第二部分是模拟电子技术基础，包括第3章半导体器件、第4章放大电路及集成放大器、第5章直流稳压电源；第三部分是数字电子技术基础，包括第6章数字电路基础知识、第7章组合逻辑电路、第8章时序逻辑电路、第9章脉冲波形的产生与变换、第10章D/A转换与A/D转换等，每章末都配有小结和习题。
在编写本书的过程中，编者遵循循序渐进的原则，力求突出新知识、新技术、新工艺和新方法，着重培养学生的创新意识和实际动手操作能力。本教材的特点是理论联系实际，概念清晰，逻辑性强，用物理现象说明原理，减少了复杂的数学公式推导和计算。文字通俗易懂，便于教学和自学。
本书由江西赣州技师学院左伟平任主编，肖姑冬任副主编。其中，第1章至第3章由肖姑冬编写，第4章至第10章由左伟平编写，全书由左伟平统稿。
由于本书编写时间仓促，加上编者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请使用本教材的师生和读者提出宝贵意见，以便修订完善。编者第1章 直流电路【主要内容】
☺ 电路的基本概念。
☺ 电路的基本物理量。
☺ 电路的基本定律。【重点和难点】
☺ 电流、电压电位、电动势的概念。
☺ 欧姆定律和基尔霍夫定律。
☺ 直流电路的分析和计算。1.1 电路及其基本物理量1.1.1 电路及电路图
1. 电路
在日常生活中，把一个灯泡通过开关、导线和干电池直接连起来，就组成了一个照明电路，如图1-1所示。当合上开关时，电路中就有电流通过，灯泡就发光。工厂的动力用电中，电动机通过开关、导线和电源连接起来，组成动力电路。当电源接通时，电动机就转起来。这种把各种电气设备和元件，按一定方式连接起来构成的电流通路称为电路。简单地讲，电路就是电流通过的路径。图1-1 照明电路
电路通常由电源、负载、开关和导线等基本部分组成。【电源】把其他形式的能量转变成电能的装置。发电机、干电池等都是电源。发电机把机械能转换成电能，干电池把化学能转换成电能。【负载】把电能转变成其他形式能量的装置。电灯、电动机等都是负载。电灯将电能转变成光能，电动机把电能转变成机械能。【导线和开关】用于连接电源和负载的元件。开关是控制电路接通和断开的装置。
2. 电路图
为了便于分析、研究电路，通常将电路的实际元件用图形符号表示，画出其电路模型图，如图1-1（b）所示。这种用统一规定的图形符号画出的电路模型图称为电路图。
常用电路元件符号见表1-1。表1-1 常用电路元件符号1.1.2 电路的三种工作状态
1. 通路
通路是指在电路中，处处连通的电路。能构成电流的流通、形成闭合回路的电路（也就是电流能从电源正极流出，经过负载，再从负极流进）。电路中开关闭合时的工作状态称为通路状态，如图1-2（a）所示。必须注意，处于通路状态的各种电气设备的电压、电流、功率等数值不能超过其额定值。图1-2 电路的三种工作状态
2. 断路
断路，又称为开路。电路中某一处因中断，没有导体连接，电流无法通过，导致电路中电流消失，这种工作状态称为断路状态，如图1-2（b）所示，此状态一般对电路无损害。电路中开关打开时的工作状态即为开路状态。在生产实践中，设备之间、设备与导线之间因接触不良或接点松动也容易使电路形成断路。
3. 短路
电源未经过任何负载而直接由导线接通成闭合回路，如图1-2（c）中a、b两点直接连在一起，这种工作状态称为短路状态。短路的电流比正常工作时大得多，易造成电路损坏、电源瞬间损坏，如温度过高会烧坏导线、电源等。所以，应严防电路发生短路。1.1.3 电流
1. 电流的形成
在金属导体中存在着大量的电子。金属原子的内层电子被原子核紧紧地束缚着，不能自由地运动。而原子的外层电子受原子核的束缚力较弱，容易脱离原子核的束缚，自由地运动。这些自由运动的电子称为自由电子。金属中的自由电子做定向移动就形成电流。
一般情况下，导体内的自由电子是处于不规则的运动状态。如果在导体两端加一个电场，则导体内的自由电子受到电场力的作用做定向运动就形成了电流。
在某些液体或气体中，电流则是正离子或负离子在电场力作用下做定向移动形成的。
2. 电流的大小和方向
电流的大小取决于在一定时间通过导体横截面的电荷量多少。我们用电流强度表示电流的大小，电流强度简称电流，用符号I表示。设在时间t内通过导体横载面的电路是Q，则电流为
在国际单位制中，电流的基本单位是安培（A）。如果每秒钟内通过导体截面的电量为1库仑（C）时，则电流是1安培（A）。常用电流单位还有千安（kA）、毫安（mA）、微安（μA）等，其关系如下：
1kA=103 A 1mA=10-3 A 1μA=10-6 A
在不同的导电物质中，形成电流的运动电荷可以是正电荷，也可以是负电荷，甚至两者都有，规定以正电荷定向移动的方向为电流方向。
电流有直流电和交流电两种，大小和方向不随时间变化的电流称为直流电。大小和方向随时间改变的电流称为交流电。图1-3（a）所示是直流电的波形图，图1-3（b）所示是交流电的波形图。图1-3 直流电和交流电的波形图
3. 电流密度
根据工作电流的大小，安全实用地选择导线的横截面积（粗细），是我们工作经常遇到的。选择横截面积过大的导线，造成经济浪费。选择横截面积过小的导线，会形成安全隐患。怎样合理选择呢？我们就要了解电路密度这个概念。
电路密度就是电流在导体横截面上均匀分布时，该电流与导体横截面的比值。其单位为安培每平方毫米，记作A/mm2，一般用J表示，即
J=I/S
一般我们通过查询资料会了解到各导电物体的电流密度参数，这样也就能非常方便计算出电路所用导线的横截面积。【例1-1】某照明线路的工作电流为24A，求应采用多粗的铜导线？（铜导线的电流密度为6A/mm2。）
解：J=I/S=24/6=4（mm2）【知识拓展】
导线允许通过的电流因导体横截面面积不同而不同，一般情况下，横截面面积为1mm2的铜导线允许通过6A的电流；横截面面积为2.5mm2的铜导线允许通过15A的电流；依次类推，横截面面积为4mm2的铜导线允许通过24A的电流；当导线中通过的电流超过其允许值时，导线就会发热，严重时导线就会烧焦造成严重的事故，所以我们在选用导线时，必须考虑用电器的功率，并通过计算电路中的电流来确定选用合适的导线。1.1.4 电压、电位和电动势
1. 电压
在电路中电荷之所以能定向移动，是由于电场力作用的缘故。如图1-4所示，电场力把正电荷从导体的A端移到导体B端，电场力对正电荷做功，正电荷所具有的电势能减小，从而把电能转换成其他形式的能。图1-4 电压的定义
电场力F把正电荷从A端移到B端所做的功WAB与被移动的电荷量Q的比值称为A、B两端间的电压，用UAB表示，则
由上式可知，A、B两端间的电压在数值上等于电场力把单位正电荷从A端移到B端所做的功。
在国际单位制中，电压的单位是伏特（V）。常用单位还有千伏（kV）、毫伏（mV）和微伏（μV）等，它们之间的关系是
1kV=103 V 1mV=10-3 V 1μV=10-6 V
电压不但有大小也有方向，电压的实际方向为正电荷的运动方向，即电压的方向是由电源的正极到负极。在电路分析中，经常要选定一个方向作为电压的参考方向，在参考方向下电压计算为正，说明电压的实际方向与参考方向相同；电压计算为负时，电压的参考方向与实际方向相反。
2. 电位
在电路分析时，经常用到电位这个物理量，以便分析各点之间的电压。如图1-5所示，在电路中任选一点（如O点）作为参考点，参考点的电位为零，则某点（如A点）到参考点电压就称为该点的电位，用符号UA表示，即UA=UAO。如果A、B两点的电位分别为UA、UB，则UAB=UA-UB。因此，两点间的电压就是该两点的电位之差。电压的实际方向是由高电位点指向低电位点，所以电压又称为电压降。图1-5 电压和电位
3. 电动势
如图1-6所示，在电场力的作用下，a极板上的正电荷沿着导线通过灯泡到达b极板，与b极板上的负电荷中和。正、负两极上的电荷都将逐渐减少，两极之间的电压将逐渐降低，正、负电荷完全中和后，两极之间电压为零，电流中断。图1-6 电源的电动势
为了得到持续不断的电流，极板间就必须有一种非电场力能将正电荷从负极源源不断地移到正极。这个任务是由电源来完成的。在电源内部，由于其他形式能量的作用，产生一种对电荷的作用力，称为电源力。正电荷在电源力（F非）的作用下，从低电位移向高电位，从而保持a极板的正电荷和b极板的负电荷恒定不变，使电源两端保持电位差。不同的电源中，电源力的来源不同，电池中的电源力是化学作用产生的，发电机的电源力则是电磁作用产生的。
电源力在移动正电荷的过程中做功，把其他形式的能量转化为电能。为了衡量电源力做功的能力，我们引入电动势这个物理量。在电源内部，电源力将单位正电荷从电源负极移到正极所做的功称为电源的电动势，用符号E表示，即
电动势的单位是V，方向由电源负极指向正极。1.1.5 电阻和电阻定律
1. 电阻
当电流通过金属导体时，做定向移动的自由电子会与金属中的带电粒子发生碰撞，可见导体对电流有阻碍作用。电阻就是反映导体对电流阻碍作用大小的物理量，用符号R表示，国际单位是欧（Ω）。常用单位有千欧（kΩ）和兆欧（MΩ）等，它们之间的关系为
1kΩ=103Ω 1MΩ=106Ω
2. 电阻定律
导体存在着电阻，那么导体电阻的大小与哪些因素有关呢？实验证明，导体的电阻与导体的长度成正比，与导体的截面积成反比，还与导体的材料有关。其大小由下式计算为
式中，l的导体长度单位为m；S为导体截面积，单位为m2；ρ是导体的电阻率，单位为Ω。表1-2列出了几种常见导体材料的电阻率。表1-2 几种材料在20℃时的电阻率
电工材料的导电性能可分为导体、绝缘和半导体三类。
具有良好的导电性能的材料称为导体，导电性能很差的材料称为绝缘体。导电性能介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。1.1.6 电功和电功率
1. 电功
电流流过负载时，负载将电能转换成其他形式的能量，这一过程称为电流做功，简称电功，用字母W表示，计算公式为
W=UIt
在国际单位制中，功的单位为焦耳（J）。
2. 电功率
电流在单位时间内所做的功，称为电功率，简称功率，用字母P表示。
在国际单位制中，功率的单位为瓦特（W），常用单位有千瓦（kW）、毫瓦（mW）等。
电能的计算：
1度电=1千瓦时（kW·h） 1度电=1000W×3600S/H=3.6×106焦耳（J）【想一想】
已知家庭日光灯的功率是40W，电视机的功率是100W。在1小时内它们谁消耗的电能多？【知识拓展】
用电器所消耗的电能多少可以用电能表来测量，一般在居民用电电路中，采用家用单相电能表来记录用电量。它在电路中的连接原则是“1、3”孔接进线；“2、4”孔接出线。1.2 电路的基本定律1.2.1 欧姆定律
1. 部分电路欧姆定律
在图1-7中，当在电阻两端加上电压时，电阻中就有电流通过。实验证明：流过电阻的电流I与电阻两端的电压成正比，与电阻成反比，此结论称为部分电路欧姆定律，即
I=U/R或I=U/R图1-7 部分电路【例1-2】一个标有“220V 550W”的电水壶，在额定电压下工作，电水壶正常工作时通过它的电流是2.5A，求其电阻。
解：R=U/I=220/2.5=88（Ω）【例1-3】如果人体电阻的最小值为800Ω，通过人本的电流达到50mA时，会引起呼吸器官的麻痹，不能自主摆脱电源，试求人体的安全工作电压。
解：由欧姆定律可得
U=IR=50×10-3×800=40（V）
所以人体的安全工作电压就在40V以下。【想一想】
有的人会说电路断路时I=0A，由于U=IR得出电源电压U=0V，这是否正确？为什么？
2. 全电路欧姆定律
全电路是指含有电源的闭合回路，如图1-8所示。图1-8 全电路
图1-8中的虚框内表示是一个电源。电源一般都是有电阻的，我们称为内电阻，用R0表示。其与电源是一个整体，为了分析方便，我们把它单独画了出来。当开关S闭合后，电阻R两端产生电压U。同样，在R0两端也产生电压U0，即U0=IR0。经分析可知，电阻R的电压即端电压U应该等于电源减去自己产生的内压降U0，即U=E-U0。
把U0=IR0和U=IR代入上式可得
I=E/（R+R0）
由此可知，在一个闭合回路中，电路的电流I与电源E成正比，与电路的外电阻R和内电阻R0之和成反比，这就是全电路欧姆定律。【例1-4】图1-4中，电源电动势E=6V，内阻R0=0.5Ω，外接负载电阻R=9.5Ω，求端电压U和内压降U0。
解：I=E/（R+R0）=6/（9.5+0.5）=0.6（A）
U=IR=0.6×9.5=5.7（V）
U0=IR0=0.6×0.5=0.3（V）
或U0=E-U=6-5.7=0.3（V）【例1-5】图1-4中，电源电动势开路电压为6V，外接负载电阻R为9.5Ω，其端电压U为5.7V，求电源的内电阻R0。
解：电源电动势开路电压即电源电动势的电压E
内压降U0=E-U=6-5.7=0.3（V）
电路电流I=U/R=5.7/9.5=0.6（A）
内电阻R0=U0/I=0.3/0.6=0.5（Ω）
或（R+R0）=E/I=6/0.6=10Ω
内电阻R0=10-R=10-9.5=0.5（Ω）
由例1-4和例1-5可知，灵活运用欧姆定律，电路参数可由多种方法求解。1.2.2 电阻的串联与并联
1. 电阻的串联及分压
把两个或两个以上电阻依次连接，组成一条无分支电路，这样的连接方式称为电阻的串联，如图1-9所示。图1-9 串联电路
电阻串联有以下性质。（1）串联电路中流过每个电阻的电流相等，即
I=I1=I2=…=In
式中，脚标1，2，…，n分别代表第1，第2，…第n个电阻。（2）串联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（3）串联电路的等效电阻（总电阻）等于各串联电阻值之和，即
R=R1+R2+…+Rn
根据欧姆定律U=IR，U1=I1R1，U2=I2R2及串联电路性质（1）可得
上式表明，在串联电路中，各电阻上分配的电压与电阻值成正比。
若两个电阻串联，已知串联电阻总电压U及电阻R1、R2，则有
上式即为串联电路的分压公式。
2. 电阻的并联及分流
两上或两个以下的电阻接在电路中相同的两点之间，承受同一电压，这样的连接方式称为电阻的并联，如图1-10所示。图1-10 两个电阻并联电路
电阻并联具有以下性质。（1）并联电路中各电阻两端的电压相等，且等于电路两端的总电压，即
U=U1=U2=…=Un（2）并联电路的总电流等于流过各电阻的电流之和，即
I=I1+I2+…+In（3）并联电路的等效电阻（总电阻）的倒数等于各电阻的倒数之和，即
由欧姆定律和并联电路性质（1）可得
上式表明，在并联电路中，通过各支路的电流与支路的电阻值成反比。
若已知两个电阻R1、R2并联，并联电路的总电流为I，则两个电阻中的分电流为
上式称为两电阻并联时的分流公式。1.2.3 基尔霍夫定律
无法用串、并联关系进行简化的电路称为复杂电路。复杂电路不能直接用欧姆定律求解，可用基尔霍夫定律来分析。
1. 有关的电路名词【支路】每一段不分支的电路称为支路。如图1-11所示，AaB、AbB、AdcB都是支路，但Ad不是支路。图1-11 电路名词附图【节点】三条和三条以上的支路的连接点称为节点。如图1-11所示，A点和B点都是节点。【回路】电路中任一闭合路径称为回路。如图1-13所示，AaBbA、AdcBaA、AdcBbA都是回路。【网孔】在回路内部不含有支路的，这种回路称为网孔。如图1-11所示，AaBbA、AdcBbA都是网孔，但AdcBaA不是网孔。
2. 基尔霍夫电流定律【基尔霍夫定律（简称KCL）】
在任一时刻，流入一个节点的电流之和等于从该节点流出的电流之和，即
∑Ii=∑Io【例1-6】对图1-11所示电路，列出节点的电流方程。
解：先选定各支路的参考方向，如图1-11所示。
根据KCL可得
节点A I1+I3=I2
3. 基尔霍夫电压定律【基尔霍夫电压定律（简称KVL）】
对于电路中的任一回路，沿回路绕行方向的各段电压的代数和等于零，即
∑U=0
如图1-12所示，回路abcdea表示复杂电路中的其中一个回路（其余回路没有画出来）。各支路电流的参考方向如图1-12所示，选定绕行方向为a→b→c→d→e→a。各部分电压为
Uab=I3R3
Ubc=E2
Ucd=-I2R2
Ude=I1R1
Uea=-E1图1-12
则∑U=Uab+Ubc+Ucd+Ude+Uea=0
即I2R3+E2-I2R2+I1R1-E1=0
应用公式∑U=0列回路电压方程时，首先选定一个回路绕行方向，电阻上电流方向与绕行方向一致，则该电压取正，反之取负；电源电压的方向与绕行方向一致时，则该电源电压取正，反之取负。【例1-7】如图1-13所示为某电路中的一个回路，试列出其回路电压方程。图1-13
解：标出各支路电流的参考方向和绕行方向，如图1-13所示，则回路电压方程为
I1R1+I2R2-I3R3-I4R4=-E1+E31.3 直流电路的分析计算1.3.1 支路电流法
支路电流法就是以各支路电流为未知量，应用基尔霍夫定律列出方程式，联立求解支路电流。图1-14所示是一台直流发电机和蓄电池并联供电的电路。已知两个电源的电动势为E1、E2，内阻为r1、r2，负载电阻为R3，求各支路电流。图1-14
这个电路有三条支路，即有三个未知电流，要解出三个未知量，需要三个独立方程式联立求解。利用基尔霍夫定律可列出所需要的方程组。
首先假设各支路电流方向与绕行方向如图1-14所示，根据KCL可得
对节点A I1+I2=I3
如果电路有几个节点，根据KCL可列出n-1个独立节点电流方程式，我们可以试着列出B点电流方程式，可以发现与A点的电流方程式相同。
根据KVL，列出网孔的电压方程：
对网孔Ⅰ I1r1-I2r2=E1-E2
对网孔Ⅱ I2r2+I3r3=E2
只要解出上述三个联立方程，就可求得三条支路电流。【例1-8】在图1-14中，已知E1=7V，r1=0.2Ω，E2=6.2V，r2=0.2Ω，R3=3.2Ω，求各支路电流和负载的端电压。
解：根据图1-14中标出的各电流方向，根据基尔霍夫定律列出方程为
电流I2为负值，说明I2的实际方向与参考方向相反，而实际方向应从A到B，这时蓄电池处于负载状态。
负载两端电压U3=I3R3=2×3.2=6.4（V）1.3.2 电路中各点电位计算
1. 电位的计算
电位计算的基本步骤如下。（1）选定零电位。零电位也是参考点，可以任意指定，但以计算方便为原则。（2）选择路径。要计算某点的电位，选择这点到零电位的路径。该点的电位就是此路径上全部电压和电动势的代数和。路径可以任意选择，每一条路径所求出的同一点电位是一样的。选择路径的原则也要从计算方便简单出发。（3）分析电路。电阻上的电压正负根据电阻上电流方向来确定，电流流进的一端为正极，流出的一端为负极。电动势的正负是直接标出的，一般容易判定。【例1-9】图1-15中，已知UAF=60V，UB=80V，UFC=10V，求C、D点的电位和UBA的电压。图1-15
解：F点为参考点，即零电位UF=0V。
由UFC=UF-UC可知，C点的电位UC=UF-UFC=0-10=-10V；从电路可知，C、D两点之间的电阻R4无电流流过，所以C、D间的电位不升也不降，因此D点的电位与C点一样，即UD=-10V。
由UAF=UA-UF可知，A点的电位UA=UAF+UF=60+0=60（V）
因此，UBA=UB-UA=80-60=20（V）
2. 电路中两点间电压的计算
计算电路中任意两点电压的方法：一种是电位求电压，即分别求出两点的电位后，根据电压等于电位之差的关系，求出电压；另一种方法是分段法，即将两点之间的电压分为若干小段，各小段电压的代数和即为所求电压。【例1-10】图1-16中，已知E1=8V，E2=16V，E3=12V，R2=10Ω，求A、B两点的电压。图1-16
解：（1）电位求电压法。
设D为参考点，则UA=-E1=-8（V）
UB=-E2-E3=-16-12=-28（V）
则UAB=UA-UB=-8-（-28）=20（V）（2）分段法。
UAB=-E1+E2+E3=-8+16+12=20（V）（注意：电动势由正极指向负极的方向与A经E1、E2、E3绕行到B方向一致时取正。）
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]