电工电子技术教案.docx

页眉 第 一 讲 教学章节 ：第一章 电路和电路元件 1.1 ～ 1.2 电路与电路模型，电路的基本物理量 教学要求 ： 1、熟悉强电和弱电电路； 2、掌握电路元件及其模型； 3、掌握电流、电压及其参考方向； 4、了解功率正负的含义； 5、掌握电阻、电感和电容元件的伏安特性。 教学重点 ：电路元件及其模型，电流、电压及其参考方向，电阻、电感和电容元件的伏安特性。 教学难点 ：电流、电压及其参考方向；电感和电容元件的伏安特性。 教学方法与手段 ：启发式讲授，讨论发言，多媒体，板书。 教学内容与进程： 一、引入：电路 1. 电路及其组成 电源 —— 中间环节 —— 负载 2. 电路的作用 ⑴ 传输、分配、转换电能； -- 能量领域 - “强电”电路 ⑵ 传送、处理、储存信号。 -- 信息领域 - “弱电”电路 二、电路元件和电路模型 电路模型：从实际电路中抽象出来的、由理想元件组成的电路。 理想元件是假想元件，具有单一的电磁性质，具有精确的定义与相应的数学模型。 理想电阻、理想电感、理想电容 三、电流、电压及其参考方向 1、电流及其参考方向 ⑴ 电流的定义：单位时间内通过导体横截面的电荷量。 直流电流和交流电流 ⑵ 电流的实际方向与参考方向：  i  dq dt 正电荷移动的方向为电流的实际方向。为计算而假设的方向，称为参考方向。 参考方向可以任意设定。参考方向可以用箭头表示，也可以用双下标表示，如 I ab 。 电流的参考方向与实际方向相同，电流为正值；与实际方向相反则为负值。 例：设下图电流表达式为 i 10cos(314 t )A 判断 t 为 0.001s 和 0.006s 时的电流实际方向。 2、电压及其参考方向 （1）电压的定义：电场力把单位正电荷从 a 点移动倒 b 点所做的功，称为 a、b 两点之 间的电压，即 dW u dq dW > 0 时， u > 0 ，说明 a 点电位高于 b 点电位，正电荷在移动过程中失去能量； d < 0 时， u< 0 ，说明 a 点电位低于 b 点电位，正电荷在移动过程中获得能量。 W 在国际单位制中，电压的单位为伏 [ 特 ] （用 V 表示）。 1 / 61 页眉 （ 2） 电压的实际方向与参考方向 电压的实际方向规定为高电位点指向低电位点，即电压降的方向。进行电路分析时，需要设置电压的参考方向。参考方向可以用正负极性表示，也可以用双下标表示， 如 uab。实际方向与参考方向相同电压为正值，反之为负值。 （ 3）关联参考方向与非关联参考方向 若未说明，电压电流均为关联参考方向。 （ 4）电位 在电路中任选一点作为参考点，该点电位为零。电路中任意一点的电位就是该点到参考点的电压，并设参考点为电压的参考负极。两点之间的电压就是两点之间的电位差。参考点可以任意选择，但只能有一个。参考点不同，各点的电位也将不同。 四、电路功率 当 u、 i 为关联参考方向时，功率的计算为 p ui 若 p > 0 ，元件或电路在吸收功率，等效为负载；若 p < 0 ，元件或电路在发出功率，等 效为电源。 1.2 电阻、电感和电容元件 五、电阻元件 伏安特性 u = Ri 在任一时刻，电阻上的电压只取决于这一时刻流过的电流，与以前的电流大小无关。 功率 p uiRi 2 u 2 Gu 2 R 电阻是一个纯耗能元件。实际电阻元件是有额定功率的。消耗的功率不允许超过额定值， 否则元件有损坏的危险。有线性电阻和非线性电阻。 六、电感元件 伏安特性 u L di 电感元件为动态元件，只有变化的电流才会产生电压。在直流 dt 电路中，电感相当于短路线。 功率 WL 1 Li 2 (t ) 电感不耗能可以储能，但不产生能量。电感是一个无源元件。 2 七、电容元件 dq dCu du 伏安特性 i dt dt C dt 电容是一个动态元件，直流电路中电容相当于开路。 1 功率 WC 2 Cu (t ) 2 电容不耗能可以储能，但不产生能量。电容是一个无源元件。 i i i + + + - u C u R u eL L - + - - 八、实际元件的主要参数及电路模型 作业： 1.1.1 1.2.2 1.2.5 2 / 61 页眉 第 二 讲 教学章节 ：第一章 电路和电路元件 1.3 ～ 1.4 独立电源元件，二极管 教学要求 ： 1、熟悉电压源和电流源； 2、掌握两种电源模型的等效； 3、熟练掌握二极管的特性； 4、掌握稳压二极管、发光二极管和光电二极管的特点。 教学重点 ：两种电源模型的等效，二极管的特性，稳压二极管、发光二极管和光电二极管的特点。 教学难点 ：两种电源模型的等效；二极管的特性；稳压二极管工作状态。 教学方法与手段 ：启发式讲授，联系实际，多媒体，板书。 教学内容与进程： 一、引入：电压源和电流源 1、电压源 ⑴ 两端的电压仅由自身决定，与流过的电流及外电路无关。 ⑵ 流过的电流由外电路决定。 + + + U sU R IsU R - - - 电压源置零，等效于两端短路。电压源不允许外电路短路。 2、电流源 ⑴ 电流源的电流仅由自身决定，与两端的电压无关。⑵ 两端的电压由外电路决定。 电流源置零，等效于两端开路。电流源不允许外电路开路。 二、实际电源的模型 1、电压源模型 2、电流源模型 3、两种电源模型的等效 1.4 二极管 三、 PN结及其单相导电性 二极管的结构和电路符号如图所示， VD是文字符号。 3 / 61 页眉 PN结加正向电压 四、二极管的主要特性和主要参数 （ 1）正偏导通 （ 2）反偏截止 （ 3）二极管的伏安特性  iD/mA 锗 硅 iD 30 + D u 20 - D 正向特性 10 UB -100 -50 O 0.5 1.0 uD /V 反向特性 iD/μ A 正向特性：二极管正向电压超过某一数值时电流开始快速增长，对应的电压称为死 区电压，也称阈值电压或开启电压，记作 UT，二极管导通时的正向电压称为二极管导通 电压或管压降，记作 UD。 方向特性：二极管反向电流一般很小，小功率硅管为几 A，锗管为几十 A。 反向击穿特性：反向电压增高到一定数值 U(BR) 时，二极管反向电流急剧增大，这种 现象称为反向击穿。 五、二极管的工作点和理想特性 Us N i D R ID R Q ID 六、稳压二极管  + + Us UDD O UON uD - - M O UD Us 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的符号、伏安特性和 典型应用电路。 iZ iZ DI I R IL + + + UR - IZ u-Z R + + U 1 D Z UZ U Z RL Uo O I Z u Z - - - 稳压区 E D I I ZM 七、发光二极管和光电二极管 发光二极管工作在正向偏置状态。 光电二极管又称光敏二极管，它工作在反向偏置状态。  R E 作业： 1.3.1 1.3.4 1.3.5 1.4.1 1.4.2 4 / 61 页眉 第 三 讲 教学章节 ：第一章 电路和电路元件 1.5 双极性晶体管 教学要求 ： 1、了解双极性晶体管的结构； 2、熟练掌握三极管的三种工作状态及相应 PN 结的偏置状况； 3、熟悉晶体管的输入输出特性曲线及分区情况； 4 、掌握晶体管简化小 信号模型。 5、了解绝缘栅场效应管的结构和特性曲线。 教学重点 ：三极管的三种工作状态及相应 PN结的偏置状况，晶体管的输入输出特性曲线 及分区情况，晶体管简化小信号模型。 教学难点 ：晶体管的输入输出特性曲线及分区情况；晶体管简化小信号模型。 教学方法与手段 ：启发式讲授，多媒体，板书。 教学内容与进程： 一、引入：基本结构和电流放大作用 1、晶体管结构 C C C C 集电区 集电区 集电结 N 集电结 P B P 基区 B N 基区 B B 发射结 N 发射区 发射结 P 发射区 E E E E 2、三极管分类 按结构分为 NPN和 PNP管，按用途分为放大管、开关管和功率管，按管芯材料分为硅管、锗管和化合物管 3、三极管用于放大的条件 三极管用于放大的条件是：发射结正向偏置，集电结反向偏置。 NPN管： UC＞ UB＞UE； PNP管： UC＜ UB＜ UE。 电流放大作用： 小的基极电流变化量→大的集电极电流变化量，具有电流放大作用，电流控制作用——电流控制型器件。 4、三极管内部载流子运动规律 以 NPN管为例，给三极管加上合适的偏置电压。 (1) 发射区向基区注入电子，形成发射极电流。 极电流。 （3）集电区收集电子形成集电极电流。 i E＝ i B＋ i C，  I C C N RC I B P B RB N + U CC + - U BB E - I E （ 2）电子在基区扩散与复合，形成基 5 / 61 页眉 二、晶体三极管的特性曲线和主要参数 1、共发射极输入和输出特性曲线 iC/mA C 8 100μA i C + 饱和区 6 80μA i B B 60μA u CE 4 + 放大区 40μA uBE 2 - E - 20μA I B=0 O 2468uCE/V 截止区 输入特性曲线分：死区、非线性区、线性区。常用 UCE≥ 1V 的一条曲线来代表所有输 入特性曲线。 i B f (uBE ) U CE 常数 通常输出特性曲线分为 3 个区域： 饱和区—发射结、集电结均正向偏置； I C受 UCE 显著控制的区域， UCE的数值较小， 一般 UCE<0.7 V （硅管）。 截止区—发射结、集电结均反向偏置； I 接近零的区域，在 I =0 曲线的下方。 C B 放大区—发射结正向偏置、集电结反向偏置 I 平行于 U 轴的区域，曲线基本平行等距， CE大于 0.7 V 左右（硅管） 。 C CE U iC f (uCE ) iB 常数 2、主要参数 三、简化的小信号模型 1、受控源 非独立电源，输出电压或电流受电路中另一电压或电流的控制。有四种类型： 2、晶体管简化的小信号模型 △ IC + C B △ I B △ ICC + + B △I B + △UCE △ U BE r be △ U CE △UBE βI B - - E - E - 作业： 1.5.1 1.5.5 6 / 61 页眉 第 四 讲 教学章节 ：第一章 电路和电路元件 1.6 绝缘栅场效应晶体管，第一章部分习题讲解 教学要求 ： 1、了解绝缘栅场效应管的结构和和工作原理； 2、了解 MOS管的特性曲线和 主要参数； 3、了解 MOS管简化小信号模型； 4、掌握第一章知识点及其相关应用。 教学重点 ：绝缘栅场效应管的结构和和工作原理， MOS管简化小信号模型， 第一章知识点 及其相关应用。 教学难点 ：绝缘栅场效应管的结构和工作原理；第一章知识点及其相关应用。 教学方法与手段 ：启发式讲授，对比，多媒体，板书。 教学内容与进程： 一、引入：绝缘栅场效应管 类型： N 沟道绝缘栅场效应管（ NMOS） P 沟道绝缘栅场效应管（ PMOS） 增强型绝缘栅场效应管 耗尽型绝缘栅场效应管 二、基本结构和工作原理 1、基本结构 耗尽型 NMOS管结构 S G D SiO 2 + + + + + D D N+ N + B N 沟道 G B 耗尽层 G P衬底 S S B 耗尽型 NMOS管的导电沟道已经形成，而增强型 NMOS管的导电沟道没有形成 P 沟道 MOS管的符号 D D G B G B S S 2、工作原理 （ 1）当栅源电压 UGS>UGS(th) （开启电压）时形成导电沟道（反型层） 。 （ 2） UGS对漏极电流 I D的控制作用（ UDS恒定） （ 3）漏源电压 UDS对漏极 I D 电流的控制作用（ UGS恒定，且大于 UT） 7 / 61 页眉 D ID + RD G UDS + _ + U GS _ 二、特性曲线和主要参数 UGG U DD _ 1、特性曲线 + S _ iD/mA 可变电阻区 4 GS i D /mA U =1V 线性放大区 i D U GS(th) iD 3 UGS=0V UDS =10V O u GS I DSS 2 U =-1V 2 GS 1 UGS=-2V 1 O U GS(th) uGS O 10 20 U GS(off) -2 O uGS /V DS u /V 耗尽型 NMOS管的特性曲线 NMOS 管 PMOS 管 增强型 MOS管的转移特性 输出特性分为 3 个区：可变电阻区、恒流区和截止区。 输出特性： i D f (U DS ) U GS 常数 转移特性： i D f (U GS ) U DS 常数 2、主要参数 三、简化的小信号模型 栅源电阻很大，栅极电流 I G 0 栅源电压控制漏极电流——电压控制电流源模型 G △I B △I D D + △UGS gm△ UGS _ S 四、第一章部分习题讲解 作业：第一章习题复习 8 / 61 页眉 第 五 讲 教学章节 ：第二章 电路分析基础 2.1 基尔霍夫定律 教学要求 ： 1、熟练掌握基尔霍夫定律； 2、掌握支路电流法及其使用条件。 教学重点 ：基尔霍夫定律、支路电流法。 教学难点 ：根据实际电路如何灵活应用上述定理。 教学方法与手段 ：启发式讲授，讨论发言，多媒体，板书。 教学内容与进程： 一、引入：基尔霍夫定律 有关的电路名词：支路、节点、回路、网孔。 1、基尔霍夫电流定律（ KCL） 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。 对节点 a 应用 KCL可写 i 1+i 3+i 4=i 2+i 5 或 i 1- i 2+i 3+i 4- i 5=0 写成一般形式即 ∑ i =0 KCL的推广 i 1+i 2+i 3=0 2、基尔霍夫电压定律（ KVL） 任何时刻，在任一闭合回路上的所有支路电压的代数和恒等于零。写成表示式为∑ u=0 。 对图示电路，有 即 写成一般形式 9 / 61 页眉 二、支路电流法 利用支路电流法解题的步骤： （ 1）任意标定各支路电流的参考方向和网孔绕行方向。 (2 ）用基尔霍夫电流定律列出节点电流方程。 有 n 个节点，就可以列出 n-1 个独立 电流方程。 （ 3）用基尔霍夫电压定律列出 L=b- （ n-1 ）个网孔方程。 说明： L 指的是网孔数， b 指是支路数， n 指的是节点数。 （ 4）代入已知数据求解方程组，确定各支路电流及方向。 对于节点 A 有： I1+I2=I ① 电路中共有二个网孔，分别对左、右两个网孔列电压方程： I1 R1- I2 R2+ E2-E1=0 ② I R+I2 R2- E2=0 ③ I1=10A I2=-5A I=5A 特例：某一支路电流已知，可以少列一个电流方程 作业： 2.1.1 2.1.2 2.1.6 10 / 61 页眉 第 六 讲 教学章节 ：第二章 电路分析基础 2.2 叠加定理及等效电源定理 教学要求 ： 1、熟练使用叠加定理求解问题。 2、熟练掌握电路的戴维南等效和诺顿等效，运用戴维南和诺顿定理进行计算； 教学重点 ：叠加定理应用；电路的戴维南等效和诺顿等效， 教学难点 ：叠加定理应用，利用戴维南和诺顿定理对电路进行相关分析、计算； 教学方法与手段 ：启发式讲授，比较，多媒体，板书。 教学内容与进程： 一、引入：等效电源定理 1、叠加定理 叠加原理：在线性电路中，由多个独立源共同作用产生的响应（支路电压或电流）等于各独立源单独作用时所产生的响应分量代数和。 + iS + iS uS uS R2 R2 R2 R1 = R1 + R1 i i1 i2 (a) (b) (c) 原电路 单独作用 i 单独作用 注意事项： uS S ① 叠加原理只适用于线性电路。 ② 线性电路的电流或电压均可用叠加原理计算， 但功率一般不用叠加原理计算。 （ 3）不作用电源的处理 电压源不作用，即 u S = 0 ，相当于短路线； 电流源不作用，即 i s =0，相当于断路。 例：用叠加原理计算例图所示电路中的电流 i ，并计算 4 Ω电阻上消耗的功率。 = + 2、戴维南定理 何一个有源二端网络，只要其中的元件都是线性的，都可以用一个电压源与电阻相 串联的模型来替代。电压源的电压等于有源二端网络的开路电压 uOC，电阻等于该网络中 所有电压源短路、电流源开路时的等效电阻 R0， R0 称为等效内阻。 ①把需要计算电流的支路单独划出，电路的其余部分成为一个有源二端网络。将有源二端网络变换为等效电压源模型，使复杂电路变换为单回路电路——戴维宁电路。 11 / 61 页眉 ②求等效电压源模型的电压 ＵS——等于有源二端网络的开路电压；③求等效电压源模型的内阻 Ｒ0——等于相应的无源二端网络的等效电阻；④由戴维宁电路算出所求支路的电流——用全电路欧姆定律计算。适用范围 : 只需要计算电路中某一指定支路的电流、电压。 例： 试用戴维宁定理重解 解： a． 将原电路用戴维宁等效电路代替， b． 求电压源模型的理想电压源电压 ＵS， 故 ＵS=Ｕ0=I 1R2－ I 2R4=(0.15 × 10－ 0.1 × 40)V=－ 2.5V c． 求电压源模型的内阻 R0， d． 由戴维宁等效电路求出通过 BD支路的电流 12 / 61 页眉 3、诺顿定理 任何一个有源线性单口网络都可以用一个电流源和电阻的并联来等效代替。等效电 流源的电流等于有源二端网络的短路电流 I SC，等效电阻等于有源二端网络中除去所有电 源（电压源短路，电流源开路）后所得到的无源单口网络的等效电阻 RO。 i a 例 u2O i 有源 + + 20O 1A 单口 i SC i SC uRL ROuRL + 30O 网络 _ _ 50V_ b b (b) 作业： 2.2.1 2.2.2 2.2.4 2.2.5 13 / 61 页眉 第 七 讲 教学章节 ：第二章 电路分析基础 2.3.1 ～ 2.3.2 正弦量的三要素； 正弦量的向量表示方法 教学要求 ：1. 理解正弦交流电的三要素以及相位差和有效值的概念。 2．理解正弦交流电的各种表示方法及互相间的关系，掌握正弦交流电的相量表示法 教学重点 ：正弦交流电的相量表示法 教学难点 ：正弦交流电的相量表示法。 教学方法与手段 ：启发式讲授，讨论，多媒体，板书。 教学内容与进程： 一、正弦量的三要素 正弦交流电——随时间按正弦规律周期性变化的电压 ( u) 和电流 ( i ) 1．最大值——幅值。 2．角频率——单位时间内正弦函数辐角的增长值（ rad/s ）。 ω=2∏/T 2π 3．初相位——计时开始时刻正弦量的相位角（ rad 或°）。 （ ωt+ψ i）—— 正弦量随时间变化的进程 例： 某正弦电压的最大值 Um =310V ，初相角 ψu =30 °；某正弦电流的最大值 I m= 14.1A ，初相角 ψi =－ 60°。它们的频率均为 50HZ。试分别写出电压和电流的瞬时值表达式。并画 出它们的波形。 解：电压的瞬时值表达式为 u = Um sin ( ωt +ψu ) =310 sin (2 π f t +ψu )V =310 sin (314 t+30 ° )V 电流的瞬时值表达式为 i = I m sin ( ωt +ψi ) =14.1 sin (314 t － 60° )A 4、相位差 φ——两个同频率正弦量的初相角之差。 φ= ( ωt +ψu ) － ( ωt +ψi )= ψu－ ψi φ=30°－（－ 60）° =90° 二、正弦量的相量表示法 1. 复数及其运算 14 / 61 页眉 2. 相量与正弦量的关系 相量与正弦量之间存在着一一对应的关系。例如 其中 称为相量。 3. 相量的运算 同频率正弦量的加、减、乘、除运算可转换为相应的相量运算。 作业： 2.3.2 2.3.3 15 / 61 页眉 第 八 讲 教学章节 ：第二章 电路分析基础 2.3.3 ～ 2.3.6 正弦交流电路 教学要求 ： 1、熟练掌握电阻、电感、电容元件上电压与电流关系的向量形式； 2、掌握 简单正弦交流电路的计算； 3、掌握交流电路的有功功率、无功功率和视在功率； 4、掌 握 RLC电路中的串并联谐振特点。 教学重点 ：电阻、电感、电容元件上电压与电流关系的向量形式，简单正弦交流电路的计算。 教学难点 ：简单正弦交流电路的计算。 教学方法与手段 ：启发式讲授，讨论，多媒体，板书。 教学内容与进程： 一、引入：电阻、电感、电容元件上电压与电流关系的向量形式 1、电阻元件 则 式中 R=R， ψ u=i 。 U RI ψ 电阻元件上电压与电流的相量关系 2、电感元件 电感元件上电压与电流的相量关系 3、电容元件 电容元件上电压与电流的相量关系 16 / 61 页眉 二、简单正弦交流电路的计算 1、基本元件串联正弦交流电路 2、多阻抗串联、并联正弦交流电路 三、交流电路的功率 瞬时功率：图所示无源二端网络，正弦电压 u 和电流 i 频率相同，参考方向如图。设 图示网络的瞬时功率和平均功率 ( 有功功率 ) 分别为 无功功率： 视在功率： S=UI S2=P2+Q2 四、 RLC电路中的谐振 1、串联谐振 特点：（ 1）谐振时，阻抗最小且为纯电阻。 （ 2）谐振时，电路中电流最大，且与外加电压同相。 3）谐振时，电感与电容两端电压相等，且相位相反。 2、并联谐振 特点：（ 1）谐振时，阻抗最大且为纯电阻。 （ 2）谐振时，电路中电流最小，且与外加电压同相。（ 3）谐振时，电感支路电流与电容支路电流近似相等 作业： 2.3.6 2.3.9 2.3.13 2.3.15 17 / 61 页眉 第十一讲 教学章节 ：第二章 电路分析基础 2.4 三相交流电路 教学要求 ： 1、掌握三相电源电压及其特点； 2、掌握对称负载时三相电路的计算； 3、熟 悉三相交流电路的功率； 4、熟悉负载时星型和三角形联接时电路的相电压和相电压之间以及相电流和线电流之间的关系。 教学重点 ：相电源电压及其特点，对称负载时三相电路的计算，负载时星型和三角形联接时电路的相电压和相电压之间以及相电流和线电流之间的关系。 教学难点 ：对称负载时三相电路的计算；负载时星型和三角形联接时电路的相电压和相电压之间以及相电流和线电流之间的关系。 教学方法与手段 ：启发式讲授，联系比较，多媒体，板书。 教学内容与进程： 一、引入：三相交流电源 三相电源电压及其特点 三相电源是由三个同频率、等振幅而相位依次相差 120° 的正弦电压源组成。 U N V 三条线称为端线或相线，俗称火线。 N 称为中线或零线。 对称三相电压的一个特点是，在任何瞬时它们的电压之和为零。 Y 形联接中线电压与相电压的关系 二、三相电路的计算 1、负载星形联接 各负载电流： 中性线电流：