1、电 工 与 电 子 技 术 简 明 教 程主 编 : 刘 辛 国副 主 编 : 华 红 艳图 书 在 版 编 目 ( CIP ) 数 据电 工 与 电 子 技 术 简 明 教 程 / 刘 辛 国 主 编 . 北 京 : 中 国 劳 动 社 会 保 障 出 版 社 , 2003 ISBN 7 - 5045 - 4107 - 9 . 电 . . . . 刘 . . . . 电 工 学 . TM1中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 ( 2003 ) 第 064444 号中 国 劳 动 社 会 保 障 出 版 社 出 版 发 行( 北 京 市 惠 新 东 街 1 号 邮 政 编 码 :
2、 100029)出 版 人 : 张 梦 欣*新 华 书 店 经 销厂 印 刷 装 订 厂 装 订787 毫 米 1092 毫 米 16 开 本 14 印 张 345 千 字2003 年 8 月 第 1 版 2003 年 8 月 第 1 次 印 刷 印 数 : 册定 价 : 23 . 00 元读 者 服 务 部 电 话 : 010-64929211发 行 部 电 话 : 010-64911190出 版 社 网 址 : h ttp : / / www . class . com . cn版 权 专 有 侵 权 必 究 举 报 电 话 : 010-64911344内 容 简 介本 书 是 根 据 航
3、 空 院 校 教 材 编 委 会 审 定 的 电 工 电 子 学 教 学 大 纲 编 写 的 , 适 用 于 工 科 非 电 专 业 本 、 专 科 和 经 济 管 理 类 本 、 专 科 以 及 电 大 、 职 大 等 成 人 教 育 的 相 应 专 业 , 也 可 作 为 电 气 工 程 技 术 人 员 的 参 考 书 。 内 容 包 括 电 工 基 本 理 论 和 电 机 及 控 制 、 模 拟 电 子 技 术 、 数 字 电 子 技 术 以 及 PLC 技 术 等 。 主 要 特 点 是 精 练 、 简 明 、 通 俗 易 懂 , 适 用 范 围 较 广 。前 言本 书 是 根 据 航
4、 空 院 校 教 材 编 委 会 审 定 的 电 工 电 子 学 教 学 大 纲 编 写 的 , 可 作 为 非 电 专 业 少 学 时 电 工 学 课 程 的 基 本 教 材 。电 工 学 是 研 究 电 工 技 术 和 电 子 技 术 的 理 论 和 应 用 的 技 术 基 础 课 。 随 着 科 学 技 术 的 日 新 月 异 , 电 工 和 电 子 技 术 发 展 十 分 迅 速 , 应 用 也 愈 加 广 泛 , 现 代 一 切 新 的 科 学 技 术 无 不 与 电 有 着 密 切 的 关 系 , 而 电 工 学 即 是 研 究 与 掌 握 电 学 理 论 知 识 的 基 础 和
5、入 门 课 程 。为 了 适 应 非 电 专 业 对 电 工 学 课 程 应 涉 及 面 广 、 内 容 精 练 、 知 识 新 颖 的 要 求 , 克 服 学 时 少 、 内 容 多 的 矛 盾 , 本 书 对 内 容 进 行 了 精 选 , 特 别 注 重 精 练 内 容 , 从 系 统 的 角 度 对 基 本 理 论 进 行 阐 述 , 重 视 外 部 特 性 的 研 究 , 力 求 结 构 化 、 积 木 式 , 以 便 于 选 用 , 扩 大 了 对 不 同 专 业 的 覆 盖 面 。 本 书 还 突 出 了 思 维 方 法 的 训 练 , 注 重 应 用 研 究 , 以 利 于 培
6、 养 学 生 分 析 和 解 决 实 际 问 题 的 能 力 。 因 此 , 本 书 特 别 适 用 于 普 通 高 等 院 校 工 科 非 电 专 业 和 经 济 管 理 类 专 业 的 本 、 专 科 以 及 电 大 、 职 工 大 学 等 的 相 应 专 业 选 作 少 于 90 学 时 的 电 工 学 教 材 。本 书 由 北 京 建 筑 工 程 学 院 电 气 工 程 与 自 动 化 系 副 教 授 刘 辛 国 任 主 编 , 负 责 全 书 的 组 织 和 定 稿 ; 郑 州 航 空 工 业 管 理 学 院 机 电 工 程 系 副 教 授 华 红 艳 任 副 主 编 。 参 加 编
7、 写 的 人 员 还 有 郑 州 航 空 工 业 管 理 学 院 机 电 工 程 系 教 师 王 义 琴 、 何 琳 琳 、 刘 兆 瑜 、 张 海 军 、 程 。 全 书 共 十 三 章 , 具 体 编 写 分 工 为 : 第 一 章 由 程 编 写 ; 第 二 章 由 华 红 艳 、 程 编 写 ; 第 三 、 四 章 由 张 海 军 编 写 ; 第 五 、 七 章 由 华 红 艳 编 写 ; 第 六 、 十 一 章 由 刘 兆 瑜 编 写 ; 第 八 章 由 刘 辛 国 编 写 ; 第 九 、 十 章 由 何 琳 琳 编 写 ; 第 十 二 、 十 三 章 由 王 义 琴 编 写 。由
8、于 作 者 水 平 有 限 , 书 中 难 免 会 有 错 误 和 不 妥 之 处 , 殷 切 希 望 使 用 本 教 材 的 师 生 以 及 其 他 读 者 给 予 批 评 指 正 。编 者2003 年 7 月目 录第 一 章 电 路 的 基 础 知 识 和 基 本 分 析 方 法 ( 1 )1 . 1 电 路 基 础 知 识 ( 1 )1 . 2 电 路 的 基 本 分 析 方 法 ( 7 )1 . 3 一 阶 电 路 的 暂 态 分 析 ( 14 )思 考 题 与 习 题 ( 21 )第 二 章 正 弦 交 流 电 路 ( 23 )2 . 1 正 弦 交 流 电 的 基 本 概 念 及
9、相 量 表 示 法 ( 23 )2 . 2 RLC 串 联 交 流 电 路 及 串 联 谐 振 ( 33 )2 . 3 交 流 电 路 的 功 率 ( 38 )思 考 题 与 习 题 ( 41 )第 三 章 三 相 供 电 与 变 压 器 ( 44 )3 . 1 三 相 电 路 ( 44 )3 . 2 变 压 器 ( 49 )3 . 3 输 电 与 配 电 ( 52 )第 四 章 常 用 低 压 电 器 ( 55 )4 . 1 手 动 控 制 电 器 ( 55 )4 . 2 自 动 控 制 电 器 ( 56 )4 . 3 保 护 控 制 电 器 ( 58 )思 考 题 与 习 题 ( 60 )
10、第 五 章 三 相 异 步 电 动 机 及 其 简 单 控 制 ( 61 )5 . 1 三 相 异 步 电 动 机 的 结 构 及 工 作 原 理 ( 61 )5 . 2 三 相 异 步 电 动 机 的 起 动 与 制 动 ( 64 )5 . 3 三 相 异 步 电 动 机 基 本 控 制 环 节 ( 67 )思 考 题 与 习 题 ( 72 )第 六 章 安 全 用 电 ( 73 )6 . 1 电 气 安 全 ( 73 ) 6 . 2 电 气 安 全 保 护 ( 74 )第 七 章 可 编 程 序 控 制 器 ( 77 )7 . 1 可 编 程 序 控 制 器 组 成 及 工 作 原 理 (
11、 77 )7 . 2 可 编 程 序 控 制 器 的 编 程 ( 82 )7 . 3 可 编 程 序 控 制 器 应 用 举 例 ( 88 )思 考 题 与 习 题 ( 93 )第 八 章 半 导 体 三 极 管 及 其 放 大 电 路 ( 96 )8 . 1 半 导 体 三 极 管 ( 96 )8 . 2 基 本 交 流 放 大 电 路 (102 )8 . 3 分 压 式 射 极 偏 置 放 大 电 路 (112 )8 . 4 射 极 输 出 器 (114 )8 . 5 多 级 放 大 电 路 及 其 级 间 耦 合 方 式 (116 )8 . 6 差 动 放 大 电 路 (120 )8 .
12、 7 互 补 对 称 功 率 放 大 电 路 (125 )思 考 题 与 习 题 (128 )第 九 章 集 成 运 算 放 大 器 (131 )9 . 1 集 成 运 算 放 大 器 的 基 本 组 成 (131 )9 . 2 基 本 运 算 电 路 (134 )9 . 3 集 成 运 放 的 典 型 应 用 (138 )9 . 4 放 大 器 中 的 反 馈 (140 )思 考 题 与 习 题 (146 )第 十 章 直 流 电 源 (151 )10 . 1 整 流 与 滤 波 电 路 (151 )10 . 2 直 流 稳 压 电 源 (160 )思 考 题 与 习 题 (163 )第 十
13、 一 章 数 字 电 路 基 础 知 识 (166 )11 . 1 进 位 计 数 制 与 逻 辑 代 数 (166 )11 . 2 逻 辑 函 数 的 表 示 方 法 (170 )11 . 3 逻 辑 代 数 及 逻 辑 函 数 的 化 简 (172 )思 考 题 与 习 题 (176 )第 十 二 章 组 合 逻 辑 电 路 (179 )12 . 1 组 合 逻 辑 电 路 的 分 析 与 设 计 (179 )12 . 2 编 码 器 和 译 码 器 (183 ) 思 考 题 与 习 题 (190 )第 十 三 章 时 序 逻 辑 电 路 (192 )13 . 1 双 稳 态 触 发 器
14、(192 )13 . 2 寄 存 器 (199 )13 . 3 计 数 器 (201 )思 考 题 与 习 题 (207 )部 分 习 题 答 案 (211 ) 1 第 一 章 电 路 的 基 础 知 识 和 基 本 分 析 方 法本 章 是 学 习 后 面 各 章 的 基 础 。 电 路 的 基 本 理 论 与 基 本 分 析 方 法 对 于 分 析 电 机 电 路 、 控 制 测 量 电 路 及 电 子 电 路 具 有 普 遍 意 义 。本 章 着 重 讨 论 电 流 和 电 压 的 参 考 方 向 、 电 源 的 三 种 工 作 状 态 、 电 路 的 两 种 约 束 、 两 种 电 源
15、 及 其 互 换 以 及 支 路 电 流 法 、 叠 加 原 理 、 戴 维 南 定 理 等 电 路 的 基 本 概 念 及 基 本 分 析 方 法 。 在 讲 述 这 些 内 容 时 , 力 求 避 免 与 中 学 物 理 的 内 容 重 复 。 即 使 有 些 重 复 , 也 是 从 工 程 技 术 角 度 考 虑 的 , 请 读 者 特 别 留 意 。1 . 1 电 路 基 础 知 识一 、 电 路 的 组 成 及 作 用电 路 是 电 流 的 通 路 , 它 是 由 各 种 元 器 件 或 设 备 为 完 成 某 种 使 命 而 组 合 起 来 的 。 实 际 生 活 中 我 们 最
16、常 见 的 电 路 有 手 电 筒 电 路 、 照 明 电 路 、 收 音 机 电 路 、 电 视 机 电 路 等 。 尽 管 电 路 的 结 构 形 式 和 所 完 成 的 功 能 不 尽 相 同 , 但 归 纳 起 来 有 三 部 分 组 成 : 电 源 、 负 载 和 中 间 环 节 , 如 图 11 所 示 。图 11 电 路 组 成 示 意 图电 源 将 其 他 形 式 的 能 量 转 换 为 电 能 的 装 置 , 例 如 蓄 电 池 是 将 化 学 能 转 换 为 电 能 , 发 电 机 是 将 机 械 能 转 换 为 电 能 等 。 发 电 机 和 蓄 电 池 就 是 电 源
17、。负 载 将 电 能 转 换 为 其 他 形 式 能 量 的 装 置 , 例 如 电 动 机 将 电 能 转 换 为 机 械 能 , 电 灯 将 电 能 转 换 为 光 能 和 热 能 , 电 动 机 、 电 灯 等 用 电 装 置 就 是 负 载 。 通 常 所 说 的 负 载 的 大 小 是 指 负 载 电 流 的 大 小 或 负 载 消 耗 功 率 的 大 小 , 而 不 是 指 负 载 电 阻 阻 值 的 大 小 。中 间 环 节 电 源 和 负 载 之 间 的 部 分 , 包 括 输 电 导 线 、 变 压 器 、 控 制 和 保 护 电 器 等 , 它 们 的 作 用 就 是 实
18、现 电 能 的 输 送 、 变 换 、 控 制 及 信 号 的 处 理 等 。电 路 的 作 用 可 以 归 纳 为 两 个 : 在 电 力 系 统 电 路 中 , 主 要 是 实 现 电 能 的 生 产 、 传 输 、 控制 、 转 换 和 分 配 , 而 在 电 子 线 路 中 则 主 要 是 产 生 、 传 递 、 处 理 和 接 受 信 号 。组 成 电 路 的 实 际 元 件 , 往 往 具 有 较 复 杂 的 电 磁 性 能 , 例 如 一 个 电 阻 元 件 , 在 它 通 以 电 流 时 , 除 了 具 有 消 耗 电 能 、 阻 碍 电 流 的 性 质 ( 电 阻 性 ) 外
19、 , 在 它 周 围 还 会 产 生 磁 场 , 就 是 还 具 有 电 感 性 , 只 不 过 后 者 与 前 者 相 比 在 特 定 情 况 下 可 忽 略 不 计 罢 了 。 为 了 便 于 分 析 和 研 究 电路 , 我 们 常 对 组 成 电 路 的 实 际 元 件 的 电 磁 性 质 作 科 学 的 抽 象 和 概 括 , 突 出 其 主 要 性 质 , 忽 略 其 次 要 性 质 , 使 之“ 理 想化” 。 如图 12 中 的 电源 元件 、开 关 元件 和电 阻 元件 都是 理想 元 件 , 2 连 接 各 元 件 的 “ 导 线 ” 也 是 理 想 的 没 有 电 阻 。
20、 这 样 的 电 路 可 以 是 一 切 具 有 电 阻 性 质 的 实 际 电 路 的 电 路 模 型 , 例 如 手 电 筒 电 路 、 白 炽 灯 电 路 、 电 阻 炉 电 路 等 , 都 可 以 用 这 样 的 电 路 模 型 来 表 示 。 本 书 所 分 析 的 都 是 电 路 模 型 , 简 称 电 路 。 在 电路 图 中 各 种 元 件 的 图 形 符 号 及 文 字 符 号 标 注 , 都 按 国 家 规 定 标 准 标 出 。二 、 电 流 电 压 的 参 考 方 向图 12 纯 阻 性 电 路 模 型在 图 12 中 , E 是 电 源 的 电 动 势 , R0 是
21、电 源 的 内 阻 , R 是 负 载 电 阻 , U 是 电 源 的 端 电 压 , 当 开 关 S 合 上 时 , 则 有 电 流 I , 图 中 标 出 了 I、 U、 E 的 实 际 方 向 或 极 性 。 I 的 实 际 方向 规 定 为 正 电 荷 运 动 的 方 向 或 负 电 荷 运 动 的 反 方 向 , 在 电 源 内 部 是 从 低 电 位 端 ( 负 极 ) 流 向 高 电 位 端 ( 正 极 ) , 在 外 电 路 则 是 由 高 电 位 流 向 低 电 位 。 电 流 一 般 用 箭 头 标 出 , 箭 头 方 向 即电 流 方 向 , 也 可 用 双 下 标 标
22、出 , 例 如 Ia b 表 示 从 电 路 中 的 a 点 流 向 b 点 。 电 动 势 用 极 性 标 出 , 正 极 用“ + ”, 负 极 用 “ - ”, 也 可 用 箭 头 标 出 , 从 负 极 指 向 正 极 。 电 压 可 以 有 三 种 表 示 方 法 : 用 “ + ” 和“ - ” 极 性 标 出 , “ + ” 表 示 高 电 位 端 , “ - ” 表 示 低 电 位 端 ; 用 箭 头 标 出 , 从 高 电 位 端 指 向 低 电 位 端 ; 用 双 下 标 标 出 , 表 示 两 点 间 的 电 压 , 例 如 Ua b 表 示 a、 b 两 点 间的 电
23、压 。 在 分 析 电 路 图 时 , 必 须 先 标 出 它 们 的 方 向 , 才 能 正 确 列 出 电 路 的 方 程 。但 是 , 在 分 析 较 复 杂 的 直 流 电 路 时 , 往 往 事 先 难 以 确 定 电 流 实 际 方 向 , 对 交 流 而 言 , 其 方 向 随 时 而 变 , 电 路 图 上 也 无 法 标 出 它 们 的 实 际 方 向 。 为 此 , 我 们 在 分 析 和 计 算 电 路 时 , 可 以 预 先 任 意 选 定 某 一 方 向 作 为 电 流 的 参 考 方 向 , 或 称 正 方 向 。 列 方 程 时 按 电 流 正 方 向 来 列 ,
24、 计 算 结 果 为 正 表 示 正 方 向 与 实 际 方 向 一 致 , 为 负 则 表 示 相 反 。 正 方 向 原 则 上 是 任 意 假 定 的 , 但 如 果 能 够 确 定 实 际 方 向 , 则 参 考 方 向 应 尽 量 与 实 际 方 向 选 为 一 致 。电 压 的 正 方 向 或 极 性 , 原 则 上 也 可 任 意 假 设 , 但 通 常 将 电 流 和 电 压 的 正 方 向 取 为 一 致 ,即 电 流 从 电 压 的 “ + ” 极 性 端 流 进 , “ - ” 极 性 端 流 出 。 本 书 电 路 图 上 标 出 的 电 流 、 电 动 势 和 电 压
25、 的 方 向 , 都 是 指 正 方 向 。电 流 的 单 位 是 安 培 ( A) , 计 量 微 小 电 流 时 用 毫 安 ( mA ) 或 微 安 ( A ) 。 1 A = 103 mA, 1 mA = 103 A。 计 量 大 电 流 可 以 用 千 安 ( kA ) 。电 压 和 电 动 势 的 单 位 都 是 伏 特 ( V ) , 计 量 高 电 压 可 以 用 千 伏 ( k V ) , 1 kV = 103 V, 计 量 较 小 电 压 可 以 用 毫 伏 ( m V ) 或 微 伏 ( V ) 。三 、 电 路 的 三 种 状 态 电 路 有 通 路 、 开 路 、 短
26、 路 三 种 不 同 的 状 态 。 1 . 通 路通 路 就 是 电 路 构 成 闭 合 回 路 。 在 图 1 2 中 , 合 上 开 关 S , 就 将 电 源 与 负 载 接 通 , 构 成了 通 路 , 此 时 回 路 中 电 流 为考 虑 到 U = I R 式 ( 11 ) 可 写 成I = ER + R0 (1 1)上 式 两 边 同 乘 以 I , 得 功 率 平 衡 式U = E - I R0 (1 2)2U I = E I - R0 I (1 3) 3 P = PE - P (1 4)式 中 P = U I 是 负 载 取 用 的 功 率 , 也 是 电 源 输 出 的
27、功 率 , PE = E I 是 电 源 产 生 的 功 率 , P = R0 I2 是 电 源 内 阻 上 消 耗 的 功 率 。 功 率 的 单 位 是 瓦 特 ( W ) 或 千 瓦 ( kW) 。可 见 , 要 想 电 源 输 出 大 的 功 率 , 就 必 须 有 大 的 电 流 和 高 的 电 压 , 而 实 际 上 任 何 一 个 电 源 的 电 流 和 电 压 都 有 一 定 的 限 制 , 而 作 为 负 载 的 任 何 电 气 设 备 对 其 所 施 加 的 电 流 或 电 压 也 有 一 个 限 制 , 即 对 负 载 的 功 率 有 一 个 限 制 , 这 个 限 制
28、就 是 额 定 电 流 、 额 定 电 压 和 额 定 功 率 , 分 别 用 IN 、 UN 、 PN 表 示 。 额 定 负 载 就 是 指 对 负 载 施 加 额 定 电 流 或 电 压 , 电 路 允 许 在 额 定 负 载下 长 期 工 作 。 额 定 负 载 也 叫 满 载 。 各 种 电 气 设 备 铭 牌 上 标 出 的 数 值 都 是 额 定 值 。 负 载 电 流 小 于 额 定 电 流 称 为 轻 载 或 欠 载 , 轻 载 可 以 长 期 工 作 , 但 很 不 经 济 。 负 载 电 流 大 于 额 定 电 流 称 为 过 载 , 在 一 定 条 件 下 短 时 过
29、载 是 允 许 的 , 长 期 过 载 是 绝 对 不 允 许 的 。2 . 开 路开 路 就 是 电 路 未 构 成 闭 合 回 路 。 可 以 有 两 种 情 况 : 一 是 对 电 源 开 路 , 如 图 1 2 中 S 未 合 上 , 此 时 电 路 中 电 流 为 零 , 电 源 的 端 电 压 U 就 等 于 电 源 的 电 动 势 , 电 路 不 消 耗 功 率 ; 二 是 局 部 电 路 被 断 开 。 电 源 开 路 又 称 电 源 空 载 , 空 载 时 的 端 电 压 也 叫 开 路 电 压 , 常 用 Uo c 表示 。 在 图 12 中 , Uoc = E。 开 路
30、可 以 因 维 修 需 要 而 人 为 地 将 部 分 或 全 部 电 路 与 电 源 断 开 , 例 如 在 图 12 中 将 S 打 开 , 也 可 以 是 故 障 造 成 部 分 或 全 部 电 路 与 电 源 断 开 , 例 如 电 流 过 大 造 成 熔 断 器 熔 断 。 故 障 造 成 的 则 要 尽 快 排 除 故 障 , 将 断 路 处 复 原 。3 . 短 路 短 路 分 为 电 源 短 路 和 局 部 短 路 。 电 源 短 路 是 指 电 源 未 经 负 载 而 直 接 由 导 线 接 通 成 闭 合 回路 , 如 图 13 a 所 示 。 图 中 折 线 处 为 短
31、路 点 。 电 源 短 路 时 短 路 点 电 阻 等 于 零 , 闭 合 电 路 中 只 有 很 小 的 电 源 内 阻 R0 , 此 时 电 流 很 大 , 称 为 短 路 电 流 IS , 在 数 值 上 等 于 电 动 势 E 除 以 R0 , 电 源 短 路 是 一 种 严 重 故 障 , 需 尽 力 避 免 。 电 路 局 部 短 路 多 数 也 是 故 障 , 但 有 时 也 有 实 际 需 要 而 人 为 短 路 的 , 例 如 在 监 测 电 动 机 工 作 电 流 的 电 流 表 两 端 并 联 一 个 动 合 触 点 , 起 动 时 短 路 电 流 表 , 以 防 冲 击
32、 电 流 损 坏 电 流 表 , 如 图 13b 所 示 。图 13 电 源 短 路 及 局 部 短 路 示 意 图例 11 一 个 额 定 值 为 4 W 的 100 线 绕 电 阻 在 使 用 时 , 电 流 和 电 压 值 不 得 超 过 多 少 ?解 : 根 据 功 率 和 电 阻 值 求 出 额 定 电 流 。在 使 用 时 电 压 不 得 超 过IN = P R = 4100 = 0 . 2 AUN = IN R = 0 . 2 100 = 20 V 4 24例 12 已 知 某 电 源 开 路 电 压 U0 = 24 V , 短 路 电 流 IS = 50 A , 求 该 电 源
33、 的 电 动 势 E和 内 阻 R0 。解 : 电 源 的 电 动 势电 源 的 内 阻E = U0 = 24 VR0 = E = U 0 = = 0 . 48 四 、 电 路 的 二 种 约 束IS IS 50电 路 是 由 各 种 元 器 件 连 接 成 一 定 的 结 构 形 式 , 因 此 , 它 必 须 受 到 元 件 的 伏 安 特 性 及 电 路 结 构 的 支 配 , 前 者 称 为 元 件 的 VAR 约 束 , 后 者 称 为 拓 朴 约 束 。 电 路 各 处 电 流 、 电 压 无 不 受此 两 类 约 束 所 支 配 。1 . 电 阻 元 件 、 电 感 元 件 和
34、电 容 元 件 的 VAR 约 束电 阻 元 件 用 R 表 示 , 单 位 是 欧 姆 ( ) 或 千 欧 ( k ) , 它 的 伏 安 特 性 就 是 欧 姆 定 律对 于 直 流 电 路i = u RI = U R(1 5)(1 6)电 感 元 件 的 参 数 一 般 用 自 感 系 数 L 表 示 , 单 位 是 亨 ( H ) 或 毫 亨 ( m H ) 。 电 感 元 件 的VAR 是uL = Ld iLd t (1 7)即 电 感 两 端 的 电 压 与 流 过 电 感 的 电 流 的 变 化 率 成 正 比 。 在 直 流 稳 态 电 路 中 由 于 电 流 不 随 时 间
35、变 化 , 因 此 , 电 感 两 端 的 电 压 为 0 , 即 在 直 流 稳 态 电 路 中 电 感 相 当 于 短 路 。电 容 元 件 的 参 数 用 C 表 示 , 单 位 是 法 拉 ( F ) 或 微 法 ( F ) 或 皮 法 ( pF ) 。 电 容 元 件 的VAR 是ic = Cd ucd t (1 8)即 流 过 电 容 的 电 流 与 电 容 两 端 电 压 的 变 化 率 成 正 比 。 在 直 流 稳 态 电 路 中 , 由 于 电 容 器 端 电 压 不 随 时 间 变 化 , 因 此 , 流 过 电 容 的 电 流 为 0 , 即 在 直 流 稳 态 电 路
36、 中 电 容 相 当 于 开 路 。电 阻 、 电 感 和 电 容 元 件 的 图 形 符 号 如 图 14 所 示 。图 14 电 阻 、 电 感 、 电 容 符 号 5 2 . 电 路 的 拓 朴 约 束电 路 元 件 的 参 数 确 定 之 后 , 电 路 中 各 支 路 电 流 和 各 部 分 电 压 就 由 电 路 联 结 方 式 所 确 定 , 这 就 是 拓 朴 约 束 。 电 路 的 结 构 形 式 确 定 之 后 , 它 必 然 受 基 尔 霍 夫 两 个 定 律 所 支 配 。 基 尔 霍 夫 定 律 对 电 路 结 构 的 支 配 作 用 就 是 拓 朴 约 束 。在 讲
37、 基 尔 霍 夫 定 律 前 先 介 绍 几 个 名 词 。电 路 中 的 每 一 条 无 分 支 电 路 称 为 支 路 , 一 个 支 路 中 有 一 个 电 流 , 称 为 支 路 电 流 。 在 图15 中 共 有 三 条 支 路 。电 路 中 三 条 或 三 条 以 上 支 路 的 汇 交 点 称 为 结 点 , 在 图 15 中 共 有 2 个 结 点 ( a 和 b) 。电路 中 的 每 一 个 闭 合 路 径 称 为 回 路 , 在 图 15 中 共 有 三 个 回 路 ( E1 R1 R2 E2 E1 ,E1 R1 R3 E1 , E2 R2 R3 E2 ) 。基 尔 霍 夫
38、 电 流 定 律 ( KCL ) : 由 于 电 流 的 连 续 性 , 在 任 一 瞬 时 流 入 某 一 结 点 的 电 流 之 和等 于 由 该 结 点 流 出 的 电 流 之 和 。在 图 15 中 , 对 结 点 a 有或 写 成I1 + I2 = I3I1 + I2 - I3 = 0即 I = 0 (1 9)KCL 亦 可 叙 述 为 : 在 任 一 瞬 时 , 一 个 结 点 上 的 电 流 的 代 数 和 恒 等 于 零 。 如 果 规 定 流 入结 点 的 电 流 取 正 号 , 则 从 结 点 流 出 的 电 流 取 负 号 , 反 之 亦 然 。KCL 通 常 应 用 于
39、 结 点 , 也 可 推 广 应 用 到 包 围 部 分 电 路 的 任 一 假 设 闭 合 面 ( 广 义 结 点 ) 。在 图 16 中 , 对 于 虚 线 所 示 闭 合 面 有图 15 电 路 举 例 图 16 KCL 的 推 广 应 用IA + IB + IC = 0这 是 很 容 易 证 明 的 : 对 于 结 点 A、 B、 C 有IA = IAB - IC A IB = IBC - IAB IC = ICA - IBC上 三 式 相 加 得IA + IB + IC = 0基 尔 霍 夫 电 压 定 律 ( KV L ) : 从 回 路 中 任 意 一 点 出 发 沿 回 路 循
40、 行 一 周 ( 顺 或 逆 时 针 方 向均 可 ) , 在 回 路 循 行 方 向 上 , 回 路 电 动 势 的 代 数 和 等 于 电 阻 上 电 压 降 的 代 数 和 。 电 动 势 或 电流 的 参 考 方 向 与 回 路 循 行 方 向 一 致 者 取 正 号 , 相 反 者 取 负 号 。 在 图 1 7 中 , 设 回 路 循 行 方向 为 顺 时 针 方 向 , 则 有 6 写 成 一 般 形 式 有E1 - E2 = I1 R1 - I2 R2 E = I R ( 110)如 果 用 电 压 表 示 , 如 图 中 所 示 , 则 有- U1 + U3 - U4 + U
41、2 = 0写 成 一 般 表 达 式 有 U = 0 ( 111)即 在 任 一 瞬 时 , 沿 任 一 回 路 循 行 一 周 , 则 在 该 回 路 循 行 方 向 上 电 压 降 的 代 数 和 恒 为 零 。 一 般 规 定 沿 循 行 方 向 电 位 降 为 正 , 电 位 升 为 负 。图 17 回 路 图 18 KVL 推 广 应 用KV L 亦 可 用 于 开 口 网 络 假 想 闭 合 回 路 , 例 如 在 图 1 8 中 , 设 回 路 循 行 方 向 为 逆 时 针 方向 , 则 有 U = I R + E - U = 0或 写 成 U = I R + E需 要 强 调
42、 指 出 , 无 论 是 应 用 欧 姆 定 律 还 是 应 用 基 尔 霍 夫 定 律 , 列 方 程 时 必 须 先 假 定 电 流 、 电 压 或 电 动 势 的 参 考 方 向 , 在 应 用 KVL 时 还 必 须 设 定 回 路 循 行 方 向 , 否 则 列 出 的 方 程是 无 意 义 的 。五 、 电 路 中 的 电 位 计 算电 位 在 分 析 电 子 电 路 中 是 一 个 非 常 重 要 的 概 念 。 由 前 述 已 知 , 两 点 间 的 电 压 就 是 两 点 的 电 位 差 , 但 它 只 能 说 明 两 点 电 位 相 对 高 低 及 其 差 值 , 而 不
43、能 说 明 两 点 电 位 的 具 体 大 小 。 从 图 19 a 中 , 我 们 极 易 算 出Ua b = 610 = 60 V Ucb = 140 VUca = 4 20 = 80 V Ud b = 90 VUda = 65 = 30 V图 19 电 位 举 例 的 电 路 图 7 但 不 能 算 出 某 点 的 具 体 电 位 值 。 为 了 计 算 电 位 , 必 须 先 选 定 电 路 中 某 一 点 作 为 参 考 点 , 则 该 点 的 电 位 设 定 为 零 , 而 各 点 电 位 均 与 它 比 较 , 比 它 高 的 为 正 , 比 它 低 的 为 负 。 参 考 点
44、在 电 路 图 中 标 以 “ 接 地 ” 符 号 ( ) , 此 处 的 “接 地” 并 非 与 大 地 直 接 相 接 , 一 般 是 指 若 干 条支 路 的 公 共 接 点 。在 图 19b 中 , 设 b 点 为 参 考 点 , 即 Vb = 0 则 可 算 出 各 点 电 位 为 :V a = Uab = + 60 V Vc = Uc b = + 140 VV d = Ud b = + 90 V在 图 19c 中 , 设 a 点 为 参 考 点 , Va = 0 , 故V b = Uba = - 10 6 = - 60 V Vc = Uca = 420 = 80 V Vd = Ud
45、 a = 6 5 = 30 V在 计 算 电 位 时 还 可 通 过 不 同 的 路 径 , 例 如 在 图 19b 中 计 算 Va 可 以 通 过 路 径 acb :V a = Uac + Ucb = - 4 20 + 140 = 60 V与 走 路 径 ab 算 出 的 结 果 是 一 样 的 。 由 以 上 分 析 计 算 可 得 出 如 下 结 论 :(1 ) 电 路 中 某 点 的 电 位 等 于 该 点 与 参 考 点 间 的 电 压 。(2 ) 电 位 与 参 考 点 的 选 择 有 关 , 而 与 所 走 路 径 无 关 , 参 考 点 选 择 不 同 , 各 点 电 位 就
46、 不 同 。(3 ) 两 点 间 的 电 压 与 参 考 点 选 择 无 关 。图 19b 的 电 路 , 习 惯 上 不 画 出 电 源 , 各 端 标 以 电 位 值 , 如 图 110 所 示 。图 110 图 19 的 习 惯 画 法1 . 2 电 路 的 基 本 分 析 方 法电 路 的 分 析 方 法 很 多 , 本 节 只 介 绍 几 种 基 本 分 析 方 法 , 它 们 有 些 就 是 线 性 电 路 的 基 本 性 质 , 希 望 读 者 特 别 留 意 。一 、 两 种 电 源 模 型 及 其 等 效 互 换一 个 电 源 可 以 用 两 种 不 同 的 电 路 模 型
47、来 表 示 , 用 电 压 形 式 来 表 示 的 叫 电 压 源 , 用 电 流 形 式 来 表 示 的 叫 电 流 源 。1 . 电 压 源电 压 源 的 模 型 见 图 111a, 图 中 U 是 电 源 端 电 压 , E 是 电 动 势 , R0 是 内 阻 , RL 是 负 载 电 阻 , I 是 负 载 电 流 。 由 图 可 得 出U = E - I R0 ( 112)据 此 可 作 出 它 的 外 特 性 曲 线 如 图 1 11b 所 示 。 电 压 源 开 路 时 I = 0 , U = U0 = E 称 为 8 R图 111 电 压 源 及 其 外 特 性E开 路 电
48、压 , 电 压 源 短 路 时 U = 0 , I = IS =直 线 越 平 。称 为 短 路 电 流 。 由 特 性 曲 线 图 可 知 : R0 越 小 ,0当 R0 = 0 时 , U 恒 等 于 E , 称 为 理 想 电 压 源 或 叫 恒 压 源 。 理 想 电 压 源 的 电 流 I 是 任 意的 , 由 负 载 电 阻 R L 和 端 电 压 U 确 定 。 理 想 电 压 源 可 以 串 联 , 串 联 后 可 以 用 一 个 等 效 理 想电 压 源 代 替 , 其 值 是 各 理 想 电 压 源 电 动 势 的 代 数 和 , 与 等 效 理 想 电 压 源 极 性 相
49、 同 的 取 正 , 相 反 的 取 负 。 不 等 值 的 理 想 电 压 源 不 能 并 联 。 理 想 电 压 源 不 能 短 路 。理 想 电 压 源 实 绞 上 是 不 存 在 的 。 但 如 果 一 个 电 压 源 的 内 阻 远 小 于 负 载 电 阻 , 即 R0 nR L , 则 U E 基 本 恒 定 , 可 视 为 理 想 电 压 源 , 通 常 使 用 的 稳 压 电 源 , 可 视 为 理 想 电 压 源 。2 . 电 流 源电 流 源 的 模 型 见 图 112a, 由 图 可 得IS = U + I ( 113)R0可 作 出 其 外 特 言 曲 线 如 图 1 12b 中 斜 直 线 所 示 。 当 a、 b 端 开 路 时 I = 0 , U = IS R0 =U0 ; 短 路 时 , U = 0 , I = IS , 显 然 内 阻 越 大 则 直
