电工电子技术基础与应用(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:牛百齐,等

出版社:机械工业出版社

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电工电子技术基础与应用

电工电子技术基础与应用试读:

前言

为了适应现代社会发展的需要,更好地培养应用型技术人才,编者在高等职业教育教学改革与实践的基础上,结合高职高专院校的办学定位、岗位需求、学生学业水平等情况,以培养学生的综合能力为出发点,编写了本书。

本书力求体现职业教育特点,满足当前教学改革需要,加强实践性教学环节,注重能力的培养,突出知识应用。其主要特点如下:

1)遵循认知规律,内容编写层次清晰,循序渐进,使学生由易到难地学习基本理论和实践技能。理论分析简明,深入浅出,通俗易懂;编写中融入新知识、新技术、新工艺和新方法。

2)注重学生实践能力培养。编写上,突出实际应用,将基础理论与能力培养有机结合。技能训练贯穿全书每个章节,有利于培养学生的动手能力和职业素养。

3)重视概念、定律和分析方法的介绍,降低复杂理论分析难度,力图做到基本概念清楚,重点突出。每节有思考与练习,方便课堂教学,每章有习题,以提高知识应用能力。

4)结构完整,选择性强。可供不同学时,不同专业选用。全书共分为11章,分别是直流电路、电路的分析方法、正弦交流电路、供电系统与安全用电、三相异步电动机、基本放大电路、集成运算放大器、直流稳压电源、数字电路基础、组合逻辑电路、时序逻辑电路。教学时,学校教师可结合具体专业实际情况对教学内容进行适当调整。

本书由牛百齐、辽宁建筑职业学院王永东和江西工业职业技术学院马栎担任主编,重庆电信职业学院万云、天津电子信息职业技术学院李风和吉林电子信息职业技术学院潘谈担任副主编,书中第1、2、4章由王永东编写,第3、6章由马栎编写,第8、9、10章由万云和李风共同编写,第11章由潘谈编写,第5章由董英英、梁海霞、李汉挺、常淑英共同编写,第7章由牛百齐编写并负责全书统稿。编者在编写过程中,参阅和引用了相关的技术资料,在此向所有作者表示诚挚的感谢!

由于编者水平有限,书中不妥、疏漏或错误之处在所难免,恳请专家、同行批评指正,也希望得到广大读者的意见和建议。编者

第1章 直流电路

直流电路是电路最基本的形式,直流电路的一些定律与定理在其他应用电路中同样适用,掌握直流电路的分析方法,是研究其他电路的基础。

1.1 电路及其模型

1.1.1 电路组成及作用

1.电路组成

简单来说,电路就是电流流通的路径,它是根据某种需要由具有不同电气性能及作用的元器件按照一定方式连接而成。电路的结构将依据它所完成任务的不同而不同,可以简单到由几个元器件构成,也可以复杂到由上千甚至数万个元器件构成。无论简单与复杂,一个完整的电路都可以看作由电源、负载及中间环节(包括开关和导线等)3部分组成。

例如,最简单的手电筒电路,其电路组成的3个部分是:电源——干电池,负载——小灯泡,中间环节——开关和筒体的金属连片,手电筒电路如图1-1所示。

电源是供应电能的设备,它把其他形式的能量转换为电能,例如,发电机将机械能转换为电能;负载取用电能,它把电能转换为其他形式的能量,例如,电动机将电能转换为机械能,电炉将电能转换为热能,电灯将电能转换为光能等;中间环节是把电源和负载连接起来,为电流提供通路,把电源的能量供给负载,并根据负载的需要接通或断开电路。图1-1 手电筒电路

2.电路的作用

电路的作用可分为两大类:一类是实现电能的传输和转换,典型应用如图1-2所示的电力电路,发电机产生电能,经过变压器和输电线输送到各用电单位,再由负载把电能转换为光能、热能以及机械能等其他形式的能量;另一类是实现信号的传递和处理,图1-3所示的扩音机电路,传声器将声能信号变换为相应的电信号,并将其送入电子电路加以放大,然后,通过扬声器把放大了的电信号还原成更大的声能信号。图1-2 电力电路图1-3 扩音机电路

电路中的电压和电流是在电源或信号源的作用下产生的,因此,电源又称为激励。由激励在电路中产生的电压和电流统称为响应。有时根据激励和响应之间的因果关系,把激励又称为输入,响应称为输出。

1.1.2 电路模型

实际电路都是由一些按需要、起不同作用的实际电路元件或器件所组成的,诸如发电机、变压器、电动机、电池、晶体管以及各种电阻器和电容器等。它们的电磁性质较为复杂,例如一个白炽灯,它除具有消耗电能的性质(电阻性)外,当通有电流时还会产生磁场,就是说,它还具有电感性。但电感非常微小,可忽略不计,于是可认为白炽灯是一个电阻元件。

为方便电路的分析和计算,在一定条件下将实际电路中的元件,突出其主要电磁性质,忽略其次要因素,近似地看作理想电路元件。如电路中的电热炉、白炽灯等看作理想电阻元件,电感线圈看作理想电感,各种电容器看作理想电容等。用一个理想电路元件或几个理想电路元件的组合来代替实际电路中的具体元件称为实际电路的模型化。

可见,电路模型是由理想电路元件和理想导线相互连接而成的整体,是对实际电路进行科学抽象的结果。

将一个实际电路抽象为电路模型的过程,又称为建模过程,其结果与实际电路的工作条件以及对计算精度的要求有关。例如手电筒电路,其实际电路器件有干电池、小灯泡、开关和筒体,它的电路模型如图1-4所示。其中,理想电阻元件是小灯泡的电路模型,理想电压源U和理想电阻元件R的串联组合是干电池的电路模型,筒体起着SS传导电流的作用,其电阻忽略不计,用理想导线表示。

图l-4所示的电路模型又称为电路图。在电路图中,将理想电路元件用特定的电路符号表示;理想导线可以画成直线、折线或曲线等。

思考与练习

1.电路由哪几部分组成?各部分在电路中起什么作用?

2.实际电路和电路模型有什么关系?图1-4 电路模型

1.2 电路的基本物理量

电路分析中常用到电流、电压、电位和功率等物理量,本节对这些物理量以及与它们有关的概念进行简要说明。

1.2.1 电流及参考方向

1.电流

电流是电荷的定向移动形成的。电流的大小用电流强度来衡量。电流强度等于单位时间内通过导体某截面的电量。设在dt时间内通过导体某一横截面的电量为dq,则通过该截面的电流强度为

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而变,即,则这种电流就称为恒定电流,简称为直流。所通过的电路称为直流电路。在直流电路中,式(1-1)可写成

在国际单位制中,电流的单位是安培(A),简称为安,实际使用中还有千安(kA)、毫安(mA)、微安(μA)。它们的换算关系是333

1kA=10A 1A=10mA 1mA=10μA

在分析电路时不仅要计算电流的大小,还应了解电流的方向。习惯上,把正电荷定向运动的方向规定为电流的方向。那么,负电荷运动的方向与电流的实际方向相反。

2.电流的参考方向

对于比较复杂的直流电路,往往不能确定电流的实际方向,对于交流电路,因其电流方向随时间而变化,更难以判断。因此,为分析方便,引入了电流参考方向的概念。

电流的参考方向也称为假定正方向,可以任意选定,在电路中用箭头表示,且规定当电流的实际方向与参考方向一致时,电流为正值,即i>0,如图1-5a所示。当电流的实际方向与参考方向相反时电流为负值,即i<0,如图1-5b所示。图1-5 电流实际方向与参考方向a)i>0 b)i<0

1.2.2 电压及参考方向

1.电压

电压是用来描述电场力对电荷做功能力的物理量。如果电场力将单位正电荷dq从电场的高电位点a经过电路移动到低电位点b所做的功是dw,则ab两点之间的电压为

在直流电路中,ab两点之间的电压为

在交流电路中,电压用u表示,在直流电路中电压用U表示。

在国际单位制中电压的单位为伏特,简称为伏(V),实用中还有千伏(kV)、毫伏(mV)、微伏(μV)等。它们之间的换算关系是333

1kV=10V 1V=10mV 1mV=10μV

习惯上,规定电压的实际方向是从高电位端指向低电位端,其方向可用箭头表示,也可用“+”“-­”极性表示。它还可以用双下标表示,如U表示电压方向由a指向b。显然可以看出,U=-U。ababba

2.电压的参考方向

与电流相类似,在实际分析和计算中,电压的实际方向也常常难以确定,这时也要采用参考方向。电路中两点间的电压可任意选定一个参考方向,且规定当电压的参考方向与实际方向一致时电压为正值,即U>0,如图1-6a所示;相反时电压为负值,即U<0,如图1-6b所示。图1-6 电压实际方向与参考方向a)U>0 b)U<0

3.关联方向

电路的电流参考方向和电压参考方向都可以分别独立假设。但为了电路分析方便,常使同一元件的电压参考方向和电流参考方向一致,即电流从电压的正极端流入该元件而从它的负极端流出,电流和电压的这种参考方向称为关联参考方向,如图1-7a所示。

当电压参考方向和电流参考方向不一致时,称为非关联参考方向,如图1-7b所示。图1-7 关联参考方向与非关联参考方向a)关联参考方向 b)非关联参考方向

在分析和计算电路时,选取关联方向还是非关联方向,原则上是任意的。但为了分析的方便,对于负载,一般把两者的参考方向选为关联参考方向,对于电源一般把两者的参考方向选为非关联参考方向。另外,u和i的参考方向一经选定,中途就不能再变动。

1.2.3 电位、电动势

1.电位

在电气设备的调试和检修中,经常要测量某个点的电位,看其是否在正常范围。

在电路中任选一点为参考点,则某一点a到参考点的电压就称为a点的电位,用V表示。电路中各点的电位都是相对参考点而言的。a通常规定参考点的电位为零,因此,参考点又称为零电位点,可用接地符号“⊥”表示。

参考点的选择是任意的,在电子电路中常常选多元件的汇集处为参考点;工程技术中常选大地、机壳为参考点。若把电气设备的外壳“接地”,那么外壳的电位就为零。

选电路中一点O为电位参考点,根据电位的定义,有

V=U (1-5)aao

某点的电位,实质上就是该点与参考点之间的电压,其单位也是伏特(V)。

电位表示图如图1-8所示,以电路O点为参考点,则有

V=U,V=Uaaobbo

U=U+U=U-U=V-V (1-6)abaoobaoboab

上式表明,电路中a点到b点的电压等于a点电位与b点电位之差。当a点电位高于b点电位时,U>0;反之,当a点电位低于b点电ab位时,U<0。一般规定,电压的实际方向由高电位点指向低电位点。ab图1-8 电位表示图【例1-1】 图1-9所示的电路中,已知U=-5V,U=2V,试求:1ab(1)U;(2)分别以a点和c点作参考点时,a、b、c三点电位和bcac两点之间的电压U。bc图1-9 例1-1示意图

解:

1)根据已知U=-5V,可知U=-5V1ac

2)以a点作参考点,则V=0,因为U=V-V,所以aabab

V=V-U=0V-2V=-2Vbaab

V=V-U=0V-(-5)V=5Vcaac

U=V-V=-2V-5V=-7Vbcbc

以c点作参考点,则V=0,因为U=V-V,所以cacac

V=U+V=0V+(-5)V=-5Vaacc

V=V-U=(-5)V-2V=-7Vbaab

U=V-V=-7V-0V=-7Vbcbc

由以上计算可以看出,当以a点为参考点时,V=-2V;当以c点b为参考点时,V=-7V;但bc两点之间的电压U始终是-7V,这说明bbc电路中各点的电位值与参考点的选择有关,而任意两点间的电压与参考点的选择无关。

注意:

1)电路中各点的电位值与参考点的选择有关,当所选的参考点变动时,各点的电位值将随之变动。

2)在电路中不指定参考点而谈论各点的电位值是没有意义的。

3)参考点一经选定,在电路分析和计算过程中,不能随意更改。

4)习惯上认为参考点自身的电位为零,所以参考点也称为零电位点。

5)在电子电路中,一般选择元器件的汇集处,而且常常是电源的某个极性端作为参考点;在工程技术中,常选择大地、机壳等作为参考点。

2.电动势

为了表述不同电源转化能量的能力,人们引入了电动势这一物理量,用来描述电源力做功的本领。由于外电路中没有电源力,所以只能在内电路中定义电动势:电源力把正电荷Q从负极移到正极所做的功W与被移动的电荷量Q的比值,称为电源的电动势,用符号E表示,即

电动势的国际单位是伏特,单位符号是V。若电源力把1C电荷量从电源的负极移到正极所做的功是1J,则电源的电动势等于1V。即E=1J/1C=1V。

电动势有方向,规定电源力推动正电荷运动的方向为电动势的实际方向。它从电源的负极经过内部指向正极,是电位升高的方向。可见电动势与实际电压的方向相反。

电动势是电源的属性。电动势的大小取决于电源本身的构造,确定的电源具有确定的电动势,与外电路无关。

应该指出,在电源内部,正电荷在电源力作用下从负极流向正极形成内电路电流,内电流也会受到阻碍,所以电源内部也有电阻,叫作电源的内阻,用符号r表示。电源的内阻也是电源的属性。在作电路图时常将电源的电动势E和内阻r表示为图1-10所示的符号。

图1-10a为一个理想电源与一个内阻串接而组合成一个实际电源。图1-10b省略不画内阻,但用字母r表示了内阻存在。这两个图的意义是一样的。图1-10 电源的符号a)电动势与内阻串联画法 b)省略内阻画法

1.2.4 电功与电功率

1.电功

电流通过电动机时,能带动物体向上运动,从而把消耗的电能转换为系统的机械能;同理,电流通过电炉时,把电能转换成了热能。这些现象表明,电流可以做功。电流做功时,把电能转换为其他形式的能量(如机械能、热能等)。电流所做的功简称为电功,用符号W表示。

设在一段导体内的电场中有a、b两点,这两点间的电势差为U,在电场力作用下,电荷量为Q的正电荷从a点移动到b点,那么,电场对电荷做了功W。移动电荷Q所形成的电流为I。根据

W=UIt (1-8)

式(1-8)说明:电流在一段电路上所做的功W,与这段电路两端的电压U、电路中的电流I及通电的时间t成正比。

如果电路的负载是纯电阻,根据欧姆定律,式(1-8)可写成

电功另一个常用单位是千瓦·小时(kW•h),1kW·h就是常说的1度电,它和焦耳的换算关系为6

1kW·h=3.6×10J

电度表就是测量电功的仪器。

2.电功率

在电路的分析和计算中,电能和功率的计算是十分重要的。这是因为电路在工作状况下总伴随着电能与其他形式能量的相互交换;另一方面,电气设备、电路部件本身都有功率的限制,在使用时要注意其电流值或电压值是否超过额定值。

在电气工程中,电功率简称为功率,定义为单位时间内元件吸收或发出的电能,用p表示。设dt时间内元件转换的电能为dw,则

对直流电路,功率

P=UI (1-11)

可见,电路的功率等于该电路电压和电流的乘积。

如果电路中的负载是纯电阻,根据欧姆定律,式(1-11)可写成

国际单位制中功率的单位是瓦(W),有时还可用千瓦(kW)、毫瓦(mW)为单位,它们之间的换算关系为33

1kW=10W 1W=10mW【例1-2】 有一只220V、l00W的电灯,接在220V的电源上,试求通过电灯的电流和电灯的电阻;如果每晚用3h,求1个月消耗多少电能(1个月以30天计算)?

解:由P=UI得

1个月消耗的电能为−3

W=Pt=100×10kW×3h×30=9kW•h=9度

功率与电压、电流有密切关系。例如对于电阻元件,当正电荷从电压的“+”极性端经过元件移动到电压的“­”极性端时,电场力对电荷做功,此时元件消耗能量或吸收功率。对于电源元件,当正电荷从电压的“­”极性端经元件移动到电压的“+”极性端时,非电场力对电荷做功(电场力对电荷做负功),此时元件提供能量或发出功率。

电压和电流有关联参考方向和非关联参考方向,为分析方便,规定:

当电压和电流的参考方向为关联参考方向时,p=ui;当电压和电流的参考方向为非关联参考方向时,p=−ui。

当p>0时,表示元件吸收(消耗)功率,是负载性质;当p<0时,表示元件实际提供(发出)功率,是电源性质。

根据能量守恒定律,电源输出的功率和负载吸收的功率应该是平衡的。【例1-3】 电路中各元件电压和电流的参考方向如图1-11所示。已知I=−2A,I=2A,I=1A,I=3A,U=3V,U=5V,U=U=−2V。12341234试求各元件的功率,并说明是吸收功率还是发出功率,整个电路是否满足能量守恒定律。图1-11 例1-3电路图

解:根据各元件上电压和电流的参考方向,可得各元件的功率为

元件1:P=UI=3×(−2)W=6W,元件1是发出功率。111

元件2:P=UI=5×2W=10W,元件2是吸收功率。222

元件3:P=−UI=−(−2)×1W=2W,元件3是吸收功率。333

元件4:P=UI=(−2)×3W=−6W,元件4是发出功率。444

电路的总功率

P=P+P+P+P=01234

即整个电路的能量是守恒的。

思考与练习

1.电路如图1-12所示,指出电流、电压的实际方向。图1-12 题1电路图

2.已知某电路中U=5V,说明a、b两点中哪点电位高。ab

3.已知电路如图1-13所示,以c点为参考点时,V=10V,V=5V,abV=3V,试求U、U、U、U。dabbacddc图1-13 题3图

4.电路如图1-14所示,给定电压、电流方向,求元器件功率,并指出元件是发出功率还是吸收功率。图1-14 题4图

1.3 电路的工作状态和电气设备的额定值

根据电源和负载连接的不同情况,电路可分为通路、开路和短路三种基本状态。下面以简单的直流电路为例,讨论不同电路状态的电流、电压和功率。

1.3.1 电路的工作状态

1.有载状态

在图1-15所示的电路中,将开关S合上,接通电源和负载,该电路为有载状态,或称为通路。通路时,电路特征如下:

1)当电源一定时,电路的电流取决于负载电阻。根据欧姆定律可求出电源向负载提供的电流为图1-15 电路通路状态

2)电源的端电压U和负载端电压相等,即

U=U−RI=RI (1-14)SS

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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