作者：陈祖新
出版社：电子工业出版社
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电工电子应用技术试读：
前言
随着科技的不断发展及各学科之间的相互渗透，电工电子应用技术课程覆盖面广、实践性强的特点越发突出，使其成为工科专业不可或缺的技术基础课程。
本书将当前高职教改理念和教材建设要求相结合，按照高职电工电子技术课程标准的要求，吸收了该课程教学改革的宝贵经验，将编写人员多年从事电工电子教学的实践经验与企业需求调研结果相融合，基于职业能力培养的要求确定教材内容，以职业能力为导向，以学生为主体，以基本理论教学“必须、够用”为原则，突出实践技能教学的地位，全面培养学生的工程思维和工程应用能力。
本教材的主要特点：（1）针对电工电子技术课程特点，全书以元件、器件的特性为基础，以电路的基础分析为主线，以工具、仪器及仪表的使用为手段，以电气及集成芯片的应用为目的，以职业技能培养为最终目标，将知识、技能、应用和工程素养有机地融为一体。（2）针对高职学生的特点，从工程思维角度出发，对基本理论和思维方法的讲述力求简单、易于理解，较多地采用定性分析，弱化定量分析，在保证学生掌握必备的专业基础知识的基础上，突出基本技能和工程应用能力的培养。（3）围绕培养学生职业技能这一宗旨，采用“基于工作过程”的编排结构，整合教学内容，强调理论联系实际。全书所选用的案例结合了当前电工电子技术领域的新技术、新工艺和新成果，力求做到与时俱进、新颖实用。（4）考虑到非电类工科专业教学需求的多样性，设置了带“*”号的章节作为选学内容，各院校可根据实际教学需要自由选择授课内容。（5）本书注重立体化教学资源建设，后期建设将配备电子教案、教学课件PPT等教学资源，有助于提高教学服务水平。
本书由武汉软件工程职业学院的陈祖新老师任主编，蔡大山老师任主审，周福平老师和游家发老师任副主编。全书内容分两个模块，共15章。模块一为电工技术部分（第1～7章），具体包括第1章直流电路、第2章正弦交流电路、第3章三相交流电路、第4章磁路与变压器、第5章电路的暂态过程、第6章三相异步电动机及其控制和第7章供配电与安全用电；模块二为电子技术部分（第8～15章），具体包括第8章半导体器件、第9章放大电路及集成运算放大器、第10章直流稳压电源、第11章数字电路基础、第12章组合逻辑电路、第13章时序逻辑电路、第14章脉冲波形的产生和整形，第15章D/A、A/D转换电路。
本书第1章和第5章由杨玲玲老师编写；第2章和第3章由冉捷老师编写；第4章和第6章由张进老师编写；第7、10、13章及附录部分由陈祖新老师编写；第8、11和15章由周福平老师编写；第9、12和14章由游家发老师编写，此外，金婷老师参与了部分绘图工作。全书由蔡大山院长负责审稿工作，何琼副院长给本书提出了许多具体和宝贵的意见，在此表示衷心的感谢。
本书可作为高职院校机电一体化技术、电气自动化技术及计算机、机械等相关专业电工电子技术课程的教学用书，也可供相关工程技术人员学习参考使用。
由于时间仓促，编者水平有限，书中难免有不妥和错误之处，欢迎广大读者予以批评、指正，以便后续不断修正和提高，谨以致谢！编 者2014年8月
模块一 电工技术部分
第1章 直流电路
知识目标
① 了解电路的组成及模型；②掌握电路中独立电源元件的电路模型及其等效变换；③掌握分析电路的三个基本定律：欧姆定律、基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律，会熟练运用这些定律对电路进行分析；④掌握电阻的串联、并联及其等效变换，能对复杂电阻电路进行化简；⑤掌握支路电流法、叠加原理、戴维南定理的电路分析方法。
技能目标
① 熟悉基本电工仪表的使用及测量误差的计算；②能利用基本电工仪表对电位、电压进行测量，并对电路元件的伏安特性进行测绘；③能利用基本仪器仪表对基尔霍夫定律、叠加原理及电压源与电流源等效变换进行验证。
电子电气设备已经渗透到人类生产与生活的各个领域，尽管这些电子电气设备用途不同、性能各异，但几乎都是由各种基本电路组成。因此，学习电路的基础知识、掌握分析电路的规律与方法，是学习电工电子的重要内容，也是进一步学习电机、电气和电子技术的基础。
本章首先主要介绍有关电路的基本概念与基本定律，包括电路模型及其参考方向、电路中的电源元件和电阻的连接，能运用欧姆定律和基尔霍夫定律对简单直流电路进行分析和计算；然后介绍了电路的分析方法和电路分析中常用的叠加原理、戴维南定理，对于复杂电路能灵活运用这些方法进行求解。虽然这些电路分析方法及有关定理是基于直流电路论述的，但对于后面将要介绍的正弦交流电路的分析与计算仍然适用。
1.1 电路模型与参考方向
1.1.1 电路与电路模型1.电路的组成
将某些电气设备或元器件按一定方式连接起来，构成电流的通路，这就是电路。电路一般由三部分组成：电源、中间环节、负载。电源是一种将非电能转换成电能的装置；中间环节负责传输、分配和控制电能；负载是消耗电能的设备，其作用是将电能转换为其他形式的能量。
实际电路种类繁多，形式和结构也各不相同，按电路的基本功能，可分为两大类：第一类是对信号进行变换、传输和处理的电路；第二类是对能量进行转换和传输的电路。
第一类的典型电路见图1.1所示的扩音系统电路示意图：语音或音乐信号经过话筒变换为电信号，放大器将变换后的电信号放大后传递到扬声器，扬声器将电信号还原为语音或音乐。在此电路中，话筒是输入设备，将语音或音乐变换为电信号，是信号源。扬声器是接收和转换电信号的设备，是负载。因为话筒输出的电信号十分微弱，不足以直接驱动扬声器，需要将信号处理放大，所以，放大器是中间环节，负责对电信号进行传递和处理。
第二类典型电路见图1.2所示的电力系统电路示意图：发电厂发电机工作产生电能，经变压器升压传输到各变电站，经变电站变压器降压后送到各用户，供电灯、电动机等电器使用。其中，产生电能的发电机是电源，消耗电能的电灯、电动机等是负载，变压传输线路是电路的中间环节。图1.1 扩音系统电路示意图图1.2 电力系统电路示意图
2.电路的模型
实际的电路一般均由实际电子设备与电子连接设备组成，这些设备的电磁性质较复杂，分析起来不容易理解。如果将实际元件理想化，在一定条件下突出其主要电磁性质，忽略其次要性质，这样的元件所组成的电路称为实际电路的电路模型（简称电路）。若不加说明，本书中的电路均指电路模型。
本书涉及的理想元件主要有：电阻元件、电容元件、电感元件和电源元件，这些元件可用相应的参数和规定的图形符号表示，因此实际电路的模型可以由理想元件构成。
以手电筒电路为例，实际手电筒电路由电池、筒体、筒体开关、小灯泡组成。将组成部件理想化：将电池视为内阻为R的理想电压0源，忽略筒体电阻，筒体开关视为理想开关，将小灯泡视为阻值为R的负载电阻，则手电筒的电路模型如图1.3所示。L图1.3 手电筒的电路模型1.1.2 电路的基本物理量
1.电流强度
电流强度是计量电流强弱程度的物理量，定义为单位时间内流过某导体横截面的电荷量，用公式表示为
若通过导体横截面的电量不随时间变化，则电流为恒定电流，简称为直流，用大写字母 I表示。电流的单位是安培（A，简称“安”），实际应用中，还有微安（μA）、毫安（mA）、千安（kA）等，它们之间的关系为63-3
1A=10μA=10 mA=10 kA
2.电位和电压
电荷在电场中的不同位置所具有的能量（位能）不同，将单位正电荷在电路中某一点所具有的电位能称为该点的电位。电流在外电路是由高电位点流向低电位点，且电路中各电位的高低是相对的，通常在分析电路时先选定一个参考点，认为参考点的电位为零。如图1.4所示电路，a点电位高于b点电位，b点电位高于c点电位。图1.4 电位关系示意图
两点间的电压即为这两点的电位差，若以c点为零电位参考点，则b点电位等于b、c间电压，a点电位等于a、c间电压。
U =U-Ubcbc
U =U-Uacac
值得注意的是，对于不同的参考点，虽然各点的电位发生了变化，但任意两点间的电压却没有变化。
电位和电压的单位都是伏特（V，简称“伏”），实际应用中，还有毫伏（mV）、千伏（kV）、兆伏（MV）等，它们之间的关系为3-3-6
1V=10 mV=10 kV=10 MV
3.电动势
电源的作用是把非电能转换成电能，供给电路的负载使用。无论哪类电源，都必须由非电场力做功才能实现这一功能。电动势是衡量电源做功能力的物理量，把单位正电荷从低电位端经电源内部移动到高电位端，电源内部克服电场力所做的功，称为电源电动势，用E表示。
电动势的单位也是伏特，与电压相同，但其物理意义与电压有者本质的区别。前者表示电源内部做功的能力，后者表示电场力做功的能力；电动势的方向是由低电位点指向高电位点，而电压的方向则是从高电位点指向低电位点。1.1.3 电压和电流的方向
电流I、电压U和电动势E是电路的基本物理量，并且均具有方向性，在进行电路分析时，首先需要确定电压和电流的方向（或称为极性），并在电路中标注，接着写出电路方程，最后正确分析并得出结果。
电压和电流的方向有实际方向和参考方向之分，需要加以区别。
1.电压和电流的实际方向
在外电场的作用下，带电粒子有规律地定向运动形成电流。电流I的实际方向习惯上规定为正电荷定向运动的方向。端电压U的方向规定为由高电位端（“+”极）指向低电位端（“-”极），即电位降低的方向。电源电动势E的方向规定为在电源内部由低电位端（“-”极）指向高电位端（“+”极），即电位升高的方向。在图1.5中，若电压的实际方向与图中标示方向一致，则正电荷运动的方向为从“+”端经过电阻R流向“-”端，即电流的实际方向如图1.5所示。L图1.5 电压和电流的方向
2.电压和电流的参考方向
虽然实际电压、电流的方向是客观存在的，但是在分析计算某些电路时，有时难以直接判断其方向，因此，通常任意选定某一方向作为其参考方向。
确定电压、电流的参考方向是电路分析的第一步，只有参考方向选定后，电压、电流的值才有正、负。当实际方向与参考方向一致时为正，反之为负。图1.6为电流的实际方向与参考方向的关系，在规定的参考方向下，I＞0表示实际方向与参考方向相同，I＜0表示实际方向与参考方向相反。值得注意的是，电流用代数表示时，其绝对值表示电流的大小，正、负号表示实际电流方向与参考方向的关系。图1.6 电流的实际方向与参考方向的关系
电压参考方向和电流参考方向一样，也是任意指定，分析电路时，假定某一方向是电位降低的方向（参考方向），若实际电压方向与参考方向一致，则电压为正（U＞0）；若实际电压方向与参考方向相反，则电压为负（U＜0），图1.7为电压的实际方向与参考方向的关系。电压的正、负号仅表示实际电压方向与参考电压方向的关系。图1.7 电压的实际方向与参考方向的关系
注：电压的方向也可以用双下标表示，如a、b两点间的电压为U ，若U =5V，则说明实际a点电位比b点高5V；若U =-5V，则说ababab明实际a点电位比b点低5V（即b点电位比a点高5V）。
电路中所标注的电流、电压方向，通常均为参考方向，通过其符号可以判定实际电流、电压的方向。
对于一个电路元件，当它的电压和电流的参考方向一致时，通常称为关联参考方向，如图1.8（a）所示；反之，当一个电路元件的电压和电流的参考方向相反时，则称为非关联参考方向，如图1.8（b）所示。图1.8 关联与非关联参考方向【例1.1】 在图1.9中，已知U=-4V，U =-2V，求U ，并说明a、12abb哪点电位高?若取c点为零电位参考点，求a、b两点的电位。
解：由图可知图1.9 例1.1图
U=U =-4V1ac
U =U =-2V2cb
所以
U =U +U =-4+（-2）=-6Vabaccb
由于U 为负值，所以a点电位比b点电位低6V。ab
若c点为零电位参考点，即
U =0c
则由
U =U-Uacac
得a点电位
U =U +U =-4Vaacc
同理得b点电位
U =U-U =0-（-2）=2Vbccb
3.电路中的功率
单位时间内电流所做的功称为电功率，用P表示，功率的单位是瓦特（W，简称“瓦”），较大功率的单位是千瓦（kW），它们之间的关系为3
1kW=10 W
当电压、电流为关联参考方向时
p=ui
P=UI
当电压、电流为非关联参考方向时
p=-ui
P=-UI
在关联参考方向情况下，若某元件或某网络的功率为正值，表明该元件或该网络消耗功率；相反，若功率为负值，表明该元件或该网络发出功率。【例1.2】如图1.10所示电路，已知U=12V，I=2A，U=8V，S2I=-1A，I=1A，U=-4V。求各元件的功率，并说明是发出功率还是123消耗功率。图1.10 例1.2图
解：对于电源，电压参考方向与电流参考方向非关联，故电源的功率
P =-UI=-12×2=-24WSS
结果为负，故电源发出功率。
同理可求其他元件的功率
P=-U I=-8×（-1）=8WR121
P =UI =8×1=8WR222
P =-UI=-（-4）×2=8WR33
三个电阻都是消耗功率。
∑P=P+P+P+P =-24+8+8+8=0WSR1R2R3
由上式可知，在电路中电源产生的功率和负载消耗的功率相等，两者是平衡的。
1.2 电路的电源元件
1.2.1 电压源与电流源常用的电源是独立源，即电源能够独立给电路提供电压或电流，不受其他部分电压或电流的控制。对实际应用的电源，按其外特性的特征可分为电压源和电流源两种。
1.电压源
电压源可以用电动势E和其等效内阻R串联的电路模型来表示。0其电路模型如图1.11所示。U为电压源的恒定电压值，与电动势E大S小相等，方向相反。
当电压源接外电路时，电源两端电压（输出电压）U与电源输出电流I之间的关系可表示为
U=U -IRS0
由此可知，电压源的外特性曲线，即电压源的输出电压与输出电流之间的关系如图1.12所示。从电压源外特性曲线可以看出，电压源输出电压的大小与其内阻的阻值大小有关：理想电压源内阻为零，故输出电压恒为E，与流过它的电流无关，电压源是恒压源；实际电压源内阻R愈小，当输出电流变化时，输出电压变化就愈小，电压源0也就越稳定，当R < 解：由题知电源开路电压为 U =12V0 由于电源短路时，短路电流 故电压内阻为 2.电流源 电流源可以用恒值电流I和内阻R相并联的电路模型来表示。其S0电路模型如图1.13所示。 当电流源与外电路相连时，电流源两端电压为U，供给外电路的电流为I，它们之间的关系为 由上式可知，电流源的外特性曲线，即电流源的输出电压 U 与输出电流 I 之间的关系如图1.14所示。从图中可以看出：理想电流源内阻R=∞，输出电流I恒等于I ，电流源为恒流源；实际电流源内阻0S愈大，输出电流愈稳定，通常当R >>R时，可近似视为恒流源。0L图1.13 电流源电路模型图1.14 电流源的外特性曲线1.2.2 电源的等效变换 实际电源的等效电路中，理想电压源与电阻的串联组合与理想电流源与电阻的并联组合可以相互变换。 图1.15（a）所示电路为理想电压源U 与电阻R的串联组合，它S0可以等效变换为理想电流源I 与电阻R的并联组合，等效变换的条S0件为 变换后，电流源的方向应与电压源的方向保持一致，即如图1.15（b）所示，R的值没有变化。0图1.15 电源的等效变换 同样，由电流源也可以变换为电压源，变换条件为 U =IRSS0 需要注意的是，上述两种电源电路的等效变换仅对外电路是等效的，而且只能在理想电压源与电阻的串联组合与理想电流源与电阻的并联组合之间进行，在单一的理想电压源同单一的理想电流源之间是不能够进行等效变换的。【例1.4】将图1.16所示的电源电路分别简化为电压源和电流源，其中R=4Ω，I =5A，U =3V。SS图1.16 例1.4图 解：（1）简化为电压源。由电压源与电流源的等效关系，将电流源与R转化为恒压源U与内阻R的串联11 U=I R=5×4=20V1S R=R=4Ω1 其中，U的方向为上正下负，如图1.17（a）所示，U与U串联，11S极性相反，故可化简为图（b）所示电路，其中等效恒压源U 为2 U =U-U =20-3=17V21S U 的方向为上正下负，如图（b）所示。2图1.17 图1.16所示电路的等效电路（2）简化为电流源。图（b）电压源可以等效为图（c）电流源，等效恒流源I大小为1 等效内阻R大小为2 R =R=4Ω21 以上讨论的电源是独立电源，但要明确，在电子电路中，还有另外一种电源：电压源的输出电压（或电流源的输出电流）受电路中其他部分的控制，这种电源称为受控电源。 1.3 分析电路的三个基本定律
1.欧姆定律
流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比，这就是欧姆定律。欧姆定律是电路分析中最基本、最重要的定律之一，用公式表示为
电阻R是构成电路最基本的元件之一，由上式可见，如果电阻固定，则电流的大小与电压成正比；如果电压固定，电阻越大，则电流越小，电阻对电流起阻碍作用。
电阻的国际单位是欧姆（Ω）。当电路两端的电压为1V时，若流过的电流是1A，则该段电路的电阻阻值为1Ω。电阻的单位还有千欧（kΩ）、兆欧（MΩ），它们的换算关系为3
1kΩ=1000Ω=10Ω6
1MΩ=1000kΩ=10Ω
在电路中，选取不同的电压、电流参考方向，欧姆定律具有不同的表达形式。当电压参考方向与电流参考方向一致时，如图1.18（a）所示，欧姆定律用公式表示为
U=RI图1.18 例1.5图
在图1.18（b）中，电压参考方向与电流参考方向不一致，此时欧姆定律的表示形式为
U=-RI【例1.5】图1.18所示电路中，已知电流和电压的参考方向，试用欧姆定律求电阻R的阻值，已知图（a）中，U=10V，I=5mA，图（b）中，U=-10V，I=0.5A。
解：（1）在图（a）中，电压U与电流I的参考方向相关联，则欧姆定律的表达式为U=IR（2）在图（b）中，电压U与电流I的参考方向非关联，欧姆定律的表达式为U=-IR
此例中，图（a）和图（b）两图中U与I的实际方向都是一致的。
2.线性电阻及其伏安特性
线性电阻元件（简称电阻）定义为：在电压与电流关联参考方向下（图1.19），任一时刻二端元件两端的电压和电流的关系服从欧姆定律，即
u=Ri
上式表明，电阻元件的电压和电流成线性关系，R 称为线性电阻元件的电阻，电阻的单位为欧姆（Ω，简称“欧”）。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越强。不同的导体其电阻一般不同，电阻是导体本身的一种特性。
电阻的倒数称为线性电阻元件的电导，用G表示，即
G=1/R
电导的单位是西门子（S，简称“西”），R、G都是线性电阻元件的参数。
当用电导时，欧姆定律表示为
i=Gu
由于电压和电流的单位是伏特（V）和安培（A），因此电阻元件特性称为伏安特性，在u-i平面上，一个线性电阻元件的伏安关系是通过坐标原点的一条直线，如图1.20所示，直线的斜率为G，R可由G的倒数求得。图1.19 线性电阻图1.20 线性电阻的伏安特性1.3.2 基尔霍夫电流定律
基尔霍夫电流定律（KCL，Kirchhoff’s Current Law）用于确定连接在同一节点上的各个支路电流之间的关系。可以从以下几个方面来理解。
1.支路
电路中的每一分支称为支路，一条支路流过同一个电流，称为支路电流。每一条支路只有一个电流，这是判别支路的基本方法。在图1.21所示的电路中，共有3个电流，因此有3条支路，分别由acb、
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