03_电能回路设计.doc

1、1電能迴路設計微電能實驗室一、 實驗目的本實驗的目的在於親自動手體驗電路設計的過程,並透過實驗觀察與記錄，了解電子電路的基本行為,以便未來投身在電子業中能夠熟練運用這些基本定律。二、 實驗原理(1)基本定義1. 電位：指將一電荷 q 從無窮遠移到某一點所需作的功除以 q，則定義為此點的 電位；單位為伏特(V) ，定義為一庫侖電荷做一焦耳(joule)功，所需之電壓。2. 電流：當電荷發生淨移動時，在其移動方向上即構成電流。在電荷流動通過之截面上，單位時間內通過之電荷量稱之。以 “I“ 表示；其單位為安培(A)，定義為每秒鐘流經一庫侖的電子，即 dQ /d t。3. 電阻：限制電路中電流的量，亦

2、稱為電流的阻力。其單位為歐姆() 。4. 電功率：定義為單位時間內所作之功。因導線不積存電荷，故在一閉路電路中有多少電荷通過電池必有相同量之電荷通過電阻。於 t 時間內電阻所消耗之電能 W=QV 功率大小是由電流和驅動電壓的數量來決定的，即 P=W / t = QV/ t = IV；其單位為瓦特(Watt)，其定義為每秒所消耗之能量。5. 電容：加電壓至金屬平行板上，電荷會分布於其上，如兩平行金屬板的面積為 A，距離為 d，則兩金屬板間的電容 C 則定義為：V+ + + + + +- - - - - - - -Addevice2dAVQC0其中， F/m；電容 C 的單位為法拉第 (F)。12

3、85.電感儲存的磁能= 1/2 L I2 與電流方向無關電容儲存的電能= 1/2 C V 2 與電壓極性無關6. 電感：一根導線通過電流會在其周圍產生磁場，當電流產生變化其周圍磁場亦會產生變化，而磁場的改變又會感應出電場，此電場會抑制電流的變化 dtiLtBL 即為電感，單位為亨利(H) = 韋伯 weber (磁通量單位 )/ A = Vsec / A，意義為每秒的電流變化所感應的電壓。 電度量單位單位 英文名稱 代表意義 符號 換算單位庫侖 Coul 電量單位 Q 安培 Ampere 電流單位 I 庫侖/秒伏特 Volt 電壓單位 V 焦耳/庫侖焦耳 Joul 能量單位 J 牛頓*米瓦特

4、Watt 功率單位 W 焦耳/秒(2)RLC 簡介2-1 克希荷夫定律引導資料利用克希荷夫定律(Kirchhoffs laws) ，可以簡化複雜電路的求解工作。這些定律是由物理學家高斯塔夫羅勃特克希荷夫(Gustav Robert Kirchhoff，1824 1887)所推導及發表的。他的定律建立了近代圖 1)3網路分析(network analysis)的基礎，同時，不論電路中含有多少個電壓源，都能適用。(1)克希荷夫電壓定律(KVL)在電路的任意封閉迴路(Loop) 中，電壓升的總和等於電壓降的總和，亦即電壓的代數總和為零。V=0(2)克希荷夫電流定律(KCL)在網路中流入任一節點的電流

5、等於流出該節點的電流，亦即任意節點的電流代數總和為零。I=02-2 基本電路歐姆定律：科學家歐姆(Georg Simon Ohm,1787-1854)發現，金屬線導電時，兩端的電壓(V) 與通過的電流 (I)成正比，此電壓與電流的比值即為金屬線的電阻。 電壓與電流關係圖：(1)一般金屬導體，在定溫下，電壓與電流關係為一通過原點的直線，即電阻維持一定，遵守歐姆定律，如圖 2 所示。 圖 2)4(2)有些物體如電子零件中的半導體，其電阻值會隨所加電壓的大小而有明顯變化，其電壓與電流關係不成正比，關係圖為一曲線，不符合歐姆定律，如圖 3 所示。依穩定電流而言，電路中電流的大小與加於該電路之電動勢成正

6、比，而與該 電路的總電阻成反比。即 I = V / R 其中 V 代表電壓降或端電壓，單位為伏特；R 代表被量度部份的電阻，單位為歐姆。 由歐姆定律可界定歐姆之定義如下： 一伏特電壓產生一安培電流的電阻為一歐姆。 2-3 RC 電路圖 3)Vct圖 5. 充電迴路)5V=0 (由克希荷夫定律)0CqiRVdtRqtCqdt 11qtdRC00texp1RCtqVc由此關係式，可以知道電容兩端的電壓，與電容充放電時間有關係，事實上，R C 的單位為時間所以我們稱 RC 值為電容時間常數（） ，當t=RC 時，在充電過程，Vc=(1-exp(-1) 0.63；放電過程，Vc= (exp(-1) 0

7、.37，於是我們可以利用電容充放電電壓與時間作圖，即可求出電容的大小。2-4 RL 電路圖 4. RC 電路)Vct圖 6. 放電迴路)VLt圖 8. 充電迴路)6V=0 (由克希荷夫定律) 0dtiLiRitRiLdti td00LtRiexp1IL=I0(1-exp(-t/)其中，=L/R ， 稱為 RL 電路的時間常數，當 t= 時，I L=0.63I0。2-5 LC 電路圖 7. RL 電路)ILt圖 9. 放電迴路)7V=0 (由克希荷夫定律)0CqdtiL2t01qLdtCwf22It對照簡諧運動 02kxdtmti圖 10. LC 電路)圖 11. 簡諧運動)8三、 實驗設備及器

8、材直流電源供應器、三用電錶、電阻、電感、電容、麵包板、電流計、開關裝置四、 實驗步驟1.分發麵包板及電子材料。2.自己動手組裝麵包板。3.組裝迴路 圖12、圖13或單一圖144.在不同的迴路中(RC、RLC、RL)，固定直流電源供應器電壓，量測電流及電壓的變化情形。若將上述迴路，選用於電漿電視圖 129圖 14圖 1310五、 實驗結果1. 詳細記錄操作流程及注意事項。2. 由實驗數據在電腦上繪出 I-t curveV-t curve，並解釋其圖形。3. 探討實驗過程所產生的問題及改善狀況。六、 問題與討論1. RC電路中放電過程的迴路方程式為 ，試寫出推RCtqVcexp導此式子的過程。2. 量出來的充放電曲線(RC&RL)跟講義上的有什麼差異，試解釋之。3. 電感與電阻於電能迴路中各扮演怎樣的角色，試討論其於直流、交流電路中可能發生之個別現象與交互作用。