1、高 等 学 校 教 材电 工 电 子 学主 编 王 硕 禾 魏 英 静主 审 高 蒙参 编 王 小 平 石 彦 丛 马 月 辉中 国 铁 道 出 版 社2 0 0 4 年 北 京内 容 提 要本 书 全 面 系 统 地 阐 述 了 电 工 电 子 技 术 理 论 。 全 书 共 分 12 章 , 其 中 第 一 章 第 十 章 为 电工 技 术 部 分 , 内 容 包 括 电 路 的 基 本 概 念 与 电 路 定 理 、 暂 态 电 路 分 析 、 正 弦 交 流 电 路与 三 相 交 流 电 路 分 析 、 变 压 器 及 电 动 机的 工 作 原 理 与 应 用 介 绍 、 低 压 电
2、器 与 继 电 接 触 控制 电 路 分 析 、 可 编 程 控 制 器 的 原 理 及 应 用 、 建 筑 施 工 用 电 的 设 计 、 组 织 与 施 工技 术 、 安 全 用 电 与 建筑 防 雷 知 识 等 。 第 十 一章 和 第 十 二 章 为 电 子 技 术 部分 , 内 容 包 括 半 导 体电 子 元 件 工 作 原 理 和 特 性 、 基 本 放 大 电 路 分 析 、 集 成 运 算 放 大 电 路 分 析 、 直 流 稳 压 电源 的 设 计 以 及 基 本 逻 辑 门 电路 分 析 、 组 合逻 辑 与 时 序 逻 辑 电 路 的 分 析 、 555 集成 定 时
3、器 的 工 作 原 理 等 。 每 章 的 后 面 都 配 有 一 定 数 量 的 习 题 。本书 适 合 作 为 所 有 非 电 类 各 专业 少 学 时 “电 工 学 ”、 “电 工 电 子 技 术 ”等 课 程 的 本 科 和 专 科 教 材 或 教 学 参 考 书 。 特 别 是 对 于 大 土 木 各 专 业 的 学 生 , 在 加 强 现 场 知 识 配合 讲 授 的 同 时 , 注 意 了 与 结 构 工 程 师 、 安 装 工 程 师 等 职 称 考 试 内 容 的 接 轨 。 因 此 , 也可 以 作 为 相 关 复 习 考 试 的 自 学 参 考 书 和 工 程 技 术 人
4、 员 的 现 场 施 工 参 考 资 料 。图 书 在 版 编 目 ( CIP ) 数 据电 工 电 子 学 / 王 硕 和 , 魏 英 静 主 编 . 北 京 : 中 国 铁 道 出 版 社 , 2004 .8ISBN 7-113-06086-2 .电 . . . . 王 . . . 魏 . . . . 电 工 学 电 子 学 . T M1 T N01中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 (2004) 第 089280 号高 等 学 校 教 材书 作名 : 电 工 电 子 学者 : 王 硕 禾 魏 英 静 主 编出 版 发 行 : 中 国 铁 道 出 版 社 (100054 ,
5、 北 京 市 宣 武 区 右 安 门 西 街 8 号 )责 任 编 辑 : 李 小 军编 辑 部 电 话 : (010)83550579封 面 设 计 : 薛 小 卉印 刷 : 北 京 鑫 正 大 印 刷 有 限 公 司开 本 : 730988 1/ 16 印 张 : 18. 25 字 数 : 371 千版 本 : 2004 年 8 月 第 1 版 2004 年 8 月 第 1 次 印 刷印 数 : 1 3600 册书 号 : ISBN 7-113-06086-2/ TM65定 价 : 24. 00 元版 权 所 有 侵 权 必 究凡 购 买 铁 道 版 的 图 书 , 如 有 缺 页 、 倒
6、 页 、 脱 页 者 , 请 与 本 社 发 行 部 调 换 。 发 行 部 电 话 : (0 1 0) 6 35 4 9 46 6前 言“电 工 电 子 技 术” 是 工 科 类 大 学 生 非 常 重 要 的 一 门 技 术 基 础 课 , 随 着 时 代 的 进 步 和科 学 技 术 的 不 断 发 展 , 电 学 已 经 深 入 渗 透 到 国 民 经 济 生 产 和 生 活 的 各 个 领 域 之 中 。 毋庸 质 疑 , 掌 握 一 定 深 度 和 广 度 的 电 工 电 子 学 知 识 不 仅 仅 是 单 纯 的 技 能 学 习 , 更 是 现 代 工 科 大 学 生 综 合 素
7、 质 的 培 养 和 体 现 。本 书 的 内 容 以 国 家 教 育 部 电 工 课 程 指 导 小 组 关 于 面 向 21 世 纪 电 工 课 程 教 学 内 容改 革 的 要 求 为 基 础 , 是 编 者 多 年 进 行 电 工 电 子 技 术 教 学 内 容 和 教 学 体 系 改 革 的 结 果 。 教 材 总 结 了 编 者 多 年 的 教 学 与 实 践 经 验 , 特 别 是 注 意 到 与 工 程 现 场 的 实 际 工 况 相 结 合 , 其 内 容 与 学 时 设 置 较 为 合 理 , 适 用 于 不 同 教 学 要 求 的 各 类 工 科 专 业 学 生 学 习
8、。 编 写 中除 了 强 调 基 础 理 论 之 外 , 还 注 意 了 以 下 特 色 : 首 先 针 对 大 土 木 类 各 专 业 全 国 结 构 工 程 师 考 试 中 的 电 工 电 子 学 部 分 , 给 予 了 相 应 的 教 学 要 求 和 练 习 , 不 仅 便 于 在 校 学 生 的 学 习 , 而 且 适 合 于 职 称 考 试 的 要 求 。 其 次 , 结 合 现 场 施 工 技 术 的 应 用 , 突 出 了 现 场 建 筑 施 工 用 电 组 织 管 理 、 设 计 、 施 工 以 及 安 全 用 电 等 技 术 的 介 绍 , 以 满 足 今 后 工 程 类 同
9、 学 现 场 施 工的 实 际 要 求 。 与 此 同 时 , 增 加 了 可 编 程 控 制 器 、 变 频 器 等 新 技 术 、 新 器 件 的 原 理 和 使 用 介 绍 。本 书 建 议 授 课 学 时 70 90 学 时 , 其 中 实 验 学 时 不 少 于 25 % , 考 虑 到 学 时 压 缩 的 情况 , 部 分 内 容 授 课 教 师 可 以 选 讲 。本 书 共 分 十 二 章 , 由 王 硕 禾 编 写 第 一 、 二 、 八 、 十 章 , 魏 英 静 编 写 第 四 、 五 、 六 、 七 章 , 马 月 辉 编 写 第 三 章 和 第 九 章 , 王 小 平
10、编 写 第 十 一 章 , 石 彦 丛 编 写 第 十 二 章 和 第 八 章 的 部 分 例 题 ; 王 硕 禾 和 王 小 平 编 写 附 录 。 最 后 由 王 硕 禾 和 魏 英 静 对 全 书 内 容 进 行 了 统 稿 。 蔡 成 才 、 薛 强 和 王 延 忠 负 责 部 分 插 图 的 绘 制 工 作 。 全 书 由 高 蒙 教 授 担 任 主 审 。 高 教 授对 全 书 进 行 了 严 格 的 审 阅 , 提 出 了 许 多 宝 贵 的 意 见 。 在 此 , 编 者 特 表 示 诚 挚 的 感 谢 !在 本 书 编 写 过 程 中 得 到 了 西 安 电 子 科 技 大
11、学 樊 来 耀 教 授 、 中 国 人 民 解 放 军 军 械 工 程 学 院 孙 履 师 教 授 、 河 北 科 技 大 学 庄 庆 德 教 授 、 石 家 庄 铁 道 学 院 教 务 处 、 电 气 分 院 领 导以 及 电 子 工 程 实 验 中 心 诸 位 老 师 的 大 力 支 持 和 帮 助 。 在 此 表 示 衷 心 的 感 谢 。由 于 编 者 水 平 有 限 , 加 之 时 间 仓 促 , 书 中 难 免 有 错 误 和 疏 漏 , 恳 请 各 位 读 者 批 评 指 正 。编 者2004 年 7 月目 录 第 一 章 电 路 的 基 本 概 念 与 基 本 定 律1. 1
12、电 路 的 作 用 与 组 成 11. 2 电 路 模 型 与 电 压 电 流 的 参 考 方 向 11. 3 理 想 电 路 元 件 21. 4 电 压 源 与 电 流 源 71. 5 基 尔 霍 夫 电 流 定 律 和 电 压 定 律 131. 6 电 位 的 概 念 与 计 算 17习 题 18第 二 章 电 路 的 分 析 方 法 及 电 路 定 理2. 1 等 效 变 换 法 分 析 电 路 192. 2 支 路 电 流 法 222. 3 结 点 电 压 法 242. 4 叠 加 定 理 262. 5 戴 维 南 定 理 29习 题 32第 三 章 动 态 电 路 分 析3. 1 电
13、 路 的 初 始 状 态 353. 2 一 阶 电 路 的 零 输 入 响 应 383. 3 一 阶 电 路 的 零 状 态 响 应 413. 4 一 阶 电 路 的 全 响 应 443. 5 一 阶 线 性 电 路 暂 态 分 析 的 三 要 素 法 45习 题 47第 四 章 正 弦 交 流 电 路4. 1 正 弦 交 流 电 路 的 基 本 概 念 494. 2 正 弦 量 的 表 示 方 法 524. 3 单 一 参 数 的 交 流 电 路 574. 4 电 阻 、 电 感 与 电 容 元 件 串 联 的 交 流 电 路 644. 5 复 杂 正 弦 交 流 电 路 的 分 析 方 法
14、 714. 6 并 联 谐 振 及 功 率 因 数 的 提 高 76习 题 805. 1 三 相 电 源 825. 2 负 载 星 形 联 接 的 三 相 电 路 855. 3 负 载 三 角 形 联 接 的 三 相 电 路 895. 4 三 相 功 率 917. 1 三 相 异 步 电 动 机 的 基 本 结 构 1087. 2 三 相 异 步 电 动 机 的 工 作 原 理 1107. 3 三 相 异 步 电 动 机 的 电 路 分 析 1147. 4 三 相 异 步 电 动 机 的 电 磁 转 矩 与 机 械 特 性 1177. 5 三 相 异 步 电 动 机 的 起 动 、 制 动 与
15、 调 速 1217. 6 三 相 异 步 电 动 机 的 铭 牌 数 据 1267. 7 三 相 异 步 电 动 机 的 选 择 1299. 1 概 述 1589. 2 可 编 程 控 制 器 程 序 的 编 制 方 法 1629. 3 可 编 程 控 制 器 的 应 用 示 例 166第 五 章 三 相 交 流 电 路习 题 93第 六 章 变 压 器6. 1 变 压 器 的 分 类 、 结 构 与 额 定 值 956. 2 变 压 器 的 工 作 原 理 976. 3 变 压 器 的 外 特 性 及 效 率 1026. 4 三 相 变 压 器 1036. 5 特 殊 用 途 变 压 器 1
16、04习 题 107第 七 章 三 相 交 流 异 步 电 动 机习 题 131第 八 章 低 压 电 器 与 继 电 接 触 控 制8. 1 常 用 低 压 控 制 电 器 1338. 2 异 步 电 动 机 继 电 接 触 控 制 电 路 1428. 3 异 步 电 动 机 正 反 转 控 制 电 路 1468. 4 行 程 控 制 1488. 5 典 型 建 筑 施 工 机 械 控 制 电 路 分 析 149习 题 157第 九 章 可 编 程 控 制 器 原 理 及 应 用习 题 169第 十 章 建 筑 施 工 供 电 与 安 全 用 电10. 1 电 力 系 统 概 述 17010.
17、 2 电 力 负 荷 的 分 类 和 计 算 17210. 3 小 型 变 电 所 的 设 计 与 施 工 17710. 4 施 工 供 电 低 压 配 电 系 统 及 配 电 线 路 18310. 5 导 线 截 面 与 熔 断 器 的 选 择 18710. 6 建 筑 施 工 供 电 系 统 设 计 实 例 分 析 19210. 7 安 全 用 电 技 术 19910. 8 建 筑 工 程 防 雷 系 统 205习 题 210第 十 一 章 模 拟 电 子 技 术 基 础11. 1 半 导 体 二 极 管 21111. 2 半 导 体 三 极 管 21711. 3 基 本 放 大 电 路
18、22111. 4 集 成 运 算 放 大 器 及 其 应 用 23711. 5 直 流 电 源 246习 题第 十 二 章 数 字 电 子 技 术 基 础25012. 1 逻 辑 门 电 路 25512 .2 组 合 逻 辑 电 路 分 析 与 设 计 26012 .3 双 稳 态 触 发 器 26412 .4 时 序 逻 辑 电 路 26812. 5 555 集 成 定 时 器 271习 题 273附 录 276第 一 章电 路 基 本 概 念 与 基 本 定 律【 内 容 提 要 】 本 章 主 要 介 绍 电 路 的 基 本 概 念 , 包 括 : 电 路 模 型 的 建 立 ; 电 压
19、 、 电 流 的 实 际 方 向 与 参 考 方 向 ; 基 本 电 路 元 件 ; 基 尔 霍 夫 定 律 以 及 电 位 的 概 念 。从 18 世 纪 末 19 世 纪 初 电 磁 现 象 的 启 蒙 研 究 到 现 在 , 人 类 已 经 掌 握 了 大 量 的 电 工电 子 学 知 识 , 而 且 还 在 不 断 探 索 着 。 进 入 21 世 纪 后 , 电 能 及 电 技 术 应 用 已 成 为 与 人 类生 产 生 活 关 系 最 紧 密 、 应 用 最 普 及 、 发 展 最 迅 速 的 学 科 之 一 , 它 的 应 用 包 含 了 从 通 信 、 能 源 、 计 算 机
20、 到 交 通 、 机 械 、 农 业 现 代 化 乃 至 航 天 技 术 等 多 个 领 域 。 总 之 , 电 工 电 子 技 术 已 经 深 入 到 现 代 社 会 生 活 的 方 方 面 面 。电 工 电 子 技 术 的 应 用 需 要 通 过 各 种 各 样 的 电 气 设 备 来 实 现 。 电 气 设 备 的 种 类 及 功 能 虽 然 繁 多 , 但 是 它 们 之 间 有 着 共 同 的 原 理 和 规 律 。 要 掌 握 这 些 规 律 和 原 理 就 需 要 掌握 基 本 的 电 路 概 念 以 及 电 路 计 算 分 析 方 法 。1. 1 电 路 的 作 用 与 组 成
21、电 路 是 电 流 流 经 的 通 路 , 它 是 为 了 某 种 实 际 需 要 由 一 些 电 气 元 件 和 电 气 设 备 按 照一 定 方 式 组 合 连 接 而 成 的 。 实 际 电 路 所 能 完 成 的 任 务 是 多 种 多 样 的 , 包 括 电 能 的 传 输与 转 换 、 信 号 的 处 理 与 传 输 、 测 量 、 控 制 、 计 算 等 功 能 。不 论 电 路 的 结 构 多 么 庞 杂 、 功 能 如 何 复 杂 , 就 其 基 本 作 用 而 言 , 都 可 以 概 括 为 三 个 基 本 部 分 : 电 源 、 负 载 和 连 接 电 源 与 负 载 的
22、 中 间 环 节 。 图 1-1 是 普 通 的 手 电 筒 照 明 电 路 , 其 中 电 池 是 电 源 , 灯 泡 是 负 载 , 中 间 环 节 包 括 开 关 和 连 接 导 线 。 电 路 中 的 电 流 和 电 压 是 在 电 源 的 作 用 下 产 生 的 ,因 此 电 源 又 称 为 激 励 源 ; 而 由 激 励 在 电 路 中 产 生 的 电 压 和电 流 称 为 响 应 。 图 1-1 手 电 筒 照 明 电 路对 于 电 源 而 言 , 由 负 载 和 中 间 环 节 组 成 的 电 路 称 为 外 电 路 , 电 源 内 部 的 电 流 通 路 则 称 为 内 电
23、路 。1. 2 电 路 模 型 与 电 压 电 流 的 参 考 方 向在 日 常 工 作 和 生 活 中 , 会 用 到 很 多 电 器 设 备 , 这 些 设 备 都 是 由 起 不 同 作 用 的 实 际 电2 / 电 工 电 子 学路 元 件 组 合 而 成 的 。 当 分 析 和 计 算 这 些 实 际 电 路 时 , 需 要 把 组 成 电 路 的 元 件 抽 象 为 具有 某 种 特 性 的 理 想 化 电 路 元 件 模 型 , 进 而 将 实 际 电 路 抽 象 为 由 理 想 电 路 元 件 模 型 构 成的 电 路 模 型 , 它 是 对 实 际 电 路 电 磁 性 质 的
24、 科 学 抽 象 与 概 括 。 理 想 电 路 元 件 包 括 电 阻 、 电 感 、 电 容 和 电 源 等 。图 1-1 所 描 述 的 手 电 筒 照 明 电 路 的 电 路 模 型 如 图 1-2 所 示 , 灯 泡 是 电 阻 元 件 , 其 模 型 参 数 是 R; 电 池 是 电 源 元 件 , 其 模 型 参 数 是 电 动 势 E 和 电 源内 阻 R0 ; 中 间 环 节 电 阻 忽 略 不 计 , 认 为 是 无 电 阻 的 理 想 导 体 。 在 电 场 中 , 带 正 电 的 粒 子 ( 正 电 荷 ) 在 电 场 的 作 用 下 从 高 电位 向 低 电 位 移
25、动 , 而 带 负 电 的 粒 子 ( 负 电 荷 ) 在 电 场 的 作 用 下 从 低 电 位 向 高 电 位 移 动 , 这 些 带 电 粒 子 的 定 向 移 动 就 形 成 了 电流 。 正 电 荷 的 移 动 方 向 就 是 电 流 的 实 际 方 向 , 或 者 说 电 流 的 实际 方 向 与 负 电 荷 的 移 动 方 向 相 反 。 当 已 知 电 路 中 各 点 的 电 位 图 1 -2 手 电 筒 电 路 模 型时 , 就 可 以 确 定 电 流 的 实 际 方 向 。 但 在 实 际 计 算 中 , 往 往 无 法 预 先 确 定 电 路 中 各 点 的 电 位 ,
26、因 此 , 也 就 无 法 预 先 确 定 电 流 的 实 际 方 向 。 所 以 , 可 以 先 假 设 一 个 电 流 的 方 向 , 这 个 方 向 是 人 为 设 定 的 方 向 , 称 为 电 流 的 参 考 方 向 。 而 所 谓 电 压 的 参 考 方 向 是 指 电 路 中 设定 的 高 电 位 端 指 向 低 电 位 端 的 方 向 , 如 假 定 电 路 中 a 点 的 电 位 高 于 b 点 的 电 位 , 参 考 方向 可 记 做 uab 。任 意 二 端 元 件 当 电 压 与 电 流 的 参 考 方 向 一 致 ( 电 流 由 高 电 位 指 向 低 电 位 ) 时
27、 , 称 电 压 与 电 流 参 考 方 向 相 关 联 , 如 图 1-3 所 示 。 当 电 压 与 电 流 的 参 考 方 向 相 反 时 , 称 电 压 与电 流 参 考 方 向 非 相 关 联 , 如 图 1-4 所 示 。图 1-3 电 压 、 电 流 参 考 方 向 相 关 联 图 1-4 电 压 、 电 流 参 考 方 向 非 相 关 联设 定 电 流 和 电 压 的 参 考 方 向 后 进 行 电 路 分 析 的 计 算 , 如 计 算 的 电 压 或 电 流 值 大 于 零 , 则 说 明 参 考 方 向 与 实 际 方 向 一 致 ; 如 计 算 的 电 压 或 电 流
28、值 小 于 零 , 则 说 明 参 考 方 向与 实 际 方 向 相 反 。1. 3 理 想 电 路 元 件一 、 电 阻 元 件一 个 电 器 元 件 能 够 将 电 能 转 化 为 热 能 消 耗 掉 , 那 么 它 的 理 想 电 路 模 型 就 可 抽 象 为 电 阻 元 件 , 如 白 炽 灯 、 电 炉 等 的 基 本 特 性 都 可 抽 象 为 电 阻 元 件 。第 一 章 电 路 基 本 概 念 与 基 本 定 律 / 322=( 一 ) 电 阻 元 件 上 的 电 压 电 流 关 系电 路 元 件 上 电 压 与 电 流 的 关 系 式 也 称 为 伏 安 特 性 , 电 阻
29、 元 件 上 的 电 压 和 电 流 满 足欧 姆 定 律u = R i (1-1)其 中 , 电 压 u 与 电 流 i 的 参 考 方 向 相 关 联 , 电 路 模 型 如 图 1-5 所 示 。 如 果 u 与 i 的 参 考 方 向 非 相 关 联 , 电 路 模 型 如 图 1-6 所 示 , 则 欧 姆 定 律 形 式 为u = - R i (1-2)图 1-5 电 阻 的 电 路 模 型 图 1-6 电 阻 非 关 联 参 考 方 向由 此 可 见 , 电 压 与 电 流 的 参 考 方 向 是 否 关 联 决 定 了 欧 姆 定 律 的 形 式 不 同 。 电 阻 的伏 安
30、特 性 ( 元 件 两 端 电 压 与 电 流 关 系 ) 曲 线 如 图 1-7。当 电 压 u 的 单 位 为 伏 特 ( V) , 电 流 i 的 单 位 为 安 培 ( A ) 时 ,电阻 R 的 单 位 为 欧 姆 ( ) 。1 k = 103 1 M = 106 令 电 阻 的 倒 数 为 电 导 , 用 G 表 示 电 导 , 电 导 的 单 位 为 西 门 子 ( S ) 。G = 1 R( 二 ) 电 阻 消 耗 的 能 量 与 功 率在 关 联 参 考 方 向 下 , 电 阻 元 件 上 消 耗 的 功 率 为p = u i = R i2 = uR图 1-7 电 阻 的 伏
31、 安 特 性 曲 线(1-3)电 阻 元 件 在 t0 , t 时 间 段 内 消 耗 的 能 量 为tW =t0tpd =t0tu( ) i( ) d =t0tR i ( ) d =t0u2 ( )R d (1-4)在 非 关 联 参 考 方 向 下 , 电 阻 元 件 上 消 耗 的 功 率 为2p = u i = - uR = - Ri2 (1-5)【 例 1-1】 已 知 : u = - 2 V , R = 2 , 试 分 别 求 出 图 1-5 中 和 图 1-6 中 电 流 i 和 功 率p , 并 指 出 电 压 和 电 流 的 实 际 方 向 。【 解 】 (1 ) 在 图 1
32、-5 中 , 电 压 与 电 流 为 关 联 参 考 方 向 , 由 欧 姆 定 律i = u R- 22 = - 1 A由 于 u 0 , 说 明 电 阻 消 耗 能 量 。4 / 电 工 电 子 学CCt tC(2 ) 在 图 1-6 中 , 电 压 与 电 流 为 非 关 联 参 考 方 向 , 由 欧 姆 定 律i = - u R = - - 2 2 = 1 A由 于 u 0 , 所 以 电 压 的 实 际 方 向 与 图 中 标 出 的 参 考 方 向 相 反 , 电 流 的 实 际 方 向 与 图 中 标 出 的 参 考 方 向 相 同 。在 非 关 联 参 考 方 向 下 , p
33、 = ui = ( - 2 ) 1 = - 2W ; p 0 时 , 表 明 该 时 刻 二 端 元 件 实 际 吸 收 ( 消 耗 ) 功 率 ; 当 p u1 , 即 W C ( t2 ) WC ( t1 ) , W C ( t) 0 , 电 容 吸 收 能 量 。 反 之 , 电 容 放 电 时 , 总 有 u2 W L ( t1 ) 时 , W L ( t) 0 , 电 感吸 收能 量 , 电感 将电 能转 化 为磁 场能 量 储存 起来 ; 当 WL ( t2 ) 0 时 , p 0 , 电 源 向 外 电 路 提 供 能 量 ; 当 i( t) 0 时 , 电 流 源 向 外 电
34、路 提 供 功 率 , 电 流 源 起 到 电 源 的作 用 。 反 之 , 电 流 源 从 外 电 路 吸 收 功 率 , 电 流 源 是 作 为 负 载 用 。【 例 1-5】 在 图 1-22 中 , Us = 4 V, Is = 2 A , 试 求 当 R = 1 , R = 2 , R = 4 时 ,输 出 电 流 I = ? 并 分 析 理 想 电 压 源 和 理 想 电 流 源 的 工 作 状 态 。【 解 】 (1 ) 当 R = 1 时 , 由 欧 姆 定 律UR = 4 A电 阻 吸 收 的 功 率 为 : P = U I = 16 W理 想 电 流 源 发 出 的 功 率
35、 为 : P = Us Is = 8 W 图 1-2 2第 一 章 电 路 基 本 概 念 与 基 本 定 律 / 11s由 I = I1 + Is理 想 电 压 源 的 电 流 为 : I1 = 2 A理 想 电 压 源 发 出 的 功 率 为 : P = Us I1 = 8 W电 源 发 出 的 功 率 等 于 电 阻 吸 收 的 功 率 , 电 路 中 的 功 率 平 衡 。(2 ) 当 R = 2 时 , I = UsR = 2 A电 阻 吸 收 的 功 率 为 : P = Us I = 8 W 电 流 源 发 出 的 功 率 为 : P = Us Is = 8 W 由 于 电 压 源
36、 的 电 流 为 : I1 = 0 , 所 以 电 压 源 不 发 出 功 率 。(3 ) 当 R = 4 时 , I = UsR = 1 A电 阻 吸 收 的 功 率 为 : P = Us I = 4 W电 流 源 的 电 流 Is = 2 A , 所 以 电 流 源 发 出 的 功 率 P = Us Is = 8 W 电 压 源 的 电 流 I1 = I - Is = - 1 A , 所 以 电 压 源 吸 收 功 率 P = Us I1 = - 4 W 3 .电 流 源 的 工 作 状 态电 流 源 也 有 三 种 工 作 状 态 : 开 路 、 短 路 和 有 载 状 态 。(1 )
37、电 流 源 的 开 路 状 态由 于 理 想 电 流 源 的 输 出 电 流 不 为 零 , 所 以 理 想 电 流 源 的 开 路 状 态 是 没 有 意 义 的 。 实 际 电 流 源 的 开 路 状 态 如 图 1-23 所 示 , 实 际 电 流 源 处 于 开 路 状 态 时 , 电 流 源 的 电 流 全 部 流 过 电 流 源 内 阻 , 由 于 电 流源 的 内 阻 较 小 , 将 在 内 阻 上 产 生 过 高 电 压 , 而 损 坏 电 流 源 。可 见 , 当 电 流 源 开 路 时 , 电 流 源 产 生 的 功 率 全 部 消 耗 在 内 阻 上 。(2 ) 电 流
38、源 的 短 路 状 态图 1-2 3 电 流 源 的 开 路 状 态如 图 1-24 所 示 , 短 路 状 态 时 电 流 源 的 端 电 压 、 短 路 电 流 、 产 生 功 率 及 输 出 功 率 为i = isu = 0ps = P = 0由 上 式 可 见 , 电 流 源 不 工 作 时 应 短 路 。(3 ) 电 流 源 的 有 载 工 作 状 态( 1-33)电 流 源 的 有 载 工 作 状 态 如 图 1-25 所 示 。 此 时 , 电 流 源 的 输 出 电 流 、 输 出 电 压 、 输 出 功 率 如 下 :i = is Rs Rs + Ru = Rs R iRs
39、+ R(1 -34)p = ui = Ri212 / 电 工 电 子 学图 1-24 电 流 源 的 短 路 状 态 图 1-2 5 电 流 源 的 有 载 工 作 状 态二 、 受 控 源受 控 源 不 同 于 独 立 电 源 , 首 先 , 受 控 源 的 输 出 电 压 或 输 出 电 流 受 到 其 他 元 件 上 的 电 流 或 电 压 的 控 制 。 其 次 , 受 控 源 的 输 出 电 压 或 输 出 电 流 的 大 小 , 只 随 控 制 量 的 大 小 而 变 化 , 与 其 他 电 量 的 变 化 无 关 。 所 以 , 受 控 源 虽 然 具 有 电 源 的 性 质 ,
40、 但 它 是 一 种 受 控 的 电源 , 它 既 不 同 于 电 源 又 不 同 于 负 载 , 是 一 种 特 殊 的 有 源 元 件 , 受 控 源 在 电 路 中 是 否 存 在取 决 于 控 制 量 。受 控 源 根 据 其 控 制 量 的 不 同 可 分 为 电 压 控 制 型 和 电 流 控 制 型 两 种 , 如 果 控 制 量 是 电 压 就 是 电 压 控 制 型 , 如 果 控 制 量 是 电 流 就 是 电 流 控 制 型 。 又 根 据 输 出 量 是 电 压 还 是电 流 分 为 受 控 电 压 源 和 受 控 电 流 源 两 种 。 这 样 , 受 控 源 共 可
41、 以 分 为 四 种 类 型 :电 压 控 制 电 压 源 , 简 称 V CVS ( Volta ge Con t rolle d Volta ge Sources ) ; 电 流 控 制 电压 源 , 简 称 CC VS ( Cur r en t Cont rolled Volta ge Sources ) ; 电 压 控 制 电 流 源 , 简 称 V CCS ( Volta ge Con trolled Cur ren t Sources ) ; 电 流 控 制 电 流 源 , 简 称 CCCS ( Cur ren t Con- t rolle d Cur r en t Sour ce
42、s) 。1 .电 压 控 制 电 压 源 V CVS它 的 电 路 模 型 如 图 1-26 所 示 , 图 中 A B 为 控 制 支 路 , CD 为 受 控 支 路 , 控 制 量 是 A B支 路 电 压 uk , 受 控 源 的 输 出 电 压 为u = uk ( 1-35)比 例 系 数 为 无 量 纲 常 数 , 输 出 电 压 u 与 流 过 它 的 电 流 i 无 关 。2 .电 流 控 制 电 压 源 CC VS它 的 电 路 模 型 如 图 1-27 所 示 , 图 中 ik 为 控 制 支 路 电 流 , 受 控 源 的 输 出 电 压 为u = rik ( 1-36)
43、比 例 系 数 r 是 常 数 , 为 电 阻 的 量 纲 。 输 出 电 压 u 只 与 控 制 量 ik 有 关 , 与 流 过 受 控 源本 身 的 电 流 无 关 。图 1-2 6 电 压 控 制 电 压 源 图 1-2 7 电 流 控 制 电 压 源第 一 章 电 路 基 本 概 念 与 基 本 定 律 / 133. 电 压 控 制 电 流 源 V CCSV CCS 的 电 路 模 型 如 图 1-28 所 示 。 图 中 uk 为 控 制 支 路 的 支 路 电 压 , 受 控 电 流 源 的 输 出 电 流 为i = guk ( 1-37)比 例 系 数 g 是 常 数 , 为
44、电 导 的 量 纲 。 i 只 与 控 制 电 压 uk 有 关 , 而 与 受 控 电 流 源 两 端 的 电 压 无 关 。4. 电 流 控 制 电 流 源 CCCSCCCS 的 电 路 模 型 如 图 1-29 所 示 。 图 中 ik 为 控 制 支 路 电 流 , 受 控 电 流 源 的 输 出 电 流 为i = i k ( 1-38)式 中 , 比 例 系 数 为 无 量 纲 常 数 。 输 出 电 流 只 与 控 制 电 流 有 关 , 而 与 受 控 电 流 源 两端 的 电 压 无 关 。图 1-2 8 电 压 控 制 电 流 源 图 1-2 9 电 流 控 制 电 流 源1
45、. 5 基 尔 霍 夫 电 流 定 律 和 电 压 定 律生 产 实 践 中 经 常 会 遇 到 一 些 利 用 欧 姆 定 律 无 法 解 决 的 情 况 , 这 就 需 要 利 用 基 尔 霍夫 电 流 定 律 和 电 压 定 律 来 进 行 分 析 , 它 是 所 有 电 路 分 析 方 法 的 基 础 。一 、 基 本 概 念1 .支 路电 路 中 流 过 同 一 电 流 的 电 路 分 支 称 为 电 路 的 一 条 支 路 , 流 过 支 路 的 电 流 称 为 支 路电 流 , 一 条 支 路 两 端 的 电 压 称 为 支 路 电 压 。 如 图 1-30 所示 电 路 中 有
46、 3 条 支 路 dab、 bd 和 dcb。2 .结 点会 聚 三 条 或 三 条 以 上 支 路 的 连 接 点 称 为 电 路 的 结 点 。 如 图 1-30 所 示 电 路 中 有 2 个 结 点 b 和 d 。3 .回 路电 路 中 由 支 路 组 成 的 任 何 一 个 闭 合 路 径 都 称 为 回 路 。 如 图 1-30 中 共 有 3 个 回 路 , 回 路 abda、 回 路 bc db 和回 路 abc da。图 1-30 结 点 、 支 路 和 回 路回 路 中 不 再 包 含 其 他 回 路 的 称 为 独 立 回 路 , 如 回 路 abda 和 回 路 bc
47、db , 平 面 电 路 中14 / 电 工 电 子 学独 立 回 路 也 被 形 象 的 称 为 网 孔 。二 、 基 尔 霍 夫 电 流 定 律 ( Kir chh of fs Cur rent L aw)基 尔 霍 夫 电 流 定 律 是 关 于 电 路 中 各 支 路 电 流 间 相 互 约 束 关 系 的 定 律 。 基 尔 霍 夫 电流 定 律 ( K CL ) 指 出 “: 在 任 意 一 个 时 刻 , 对 电 路 中 的 任 意 一 个 结 点 , 流 入 这 个 结 点 的 电流 恒 等 于 流 出 这 个 结 点 的 电 流 。 ”即 iin iout ( 1-39)基
48、尔 霍 夫 电 流 定 律 是 电 荷 守 恒 的 体 现 。 由 于 结 点 是 理 想 导 线 的 连 接 点 , 在 结 点上 电 荷 既 不 会 消 失 , 也 不 会 产 生 。 所 以 , 每 时 每 刻 流 入 结 点 多 少 电 荷 就 会 流 出 多 少 电 荷 。由 式 (1-38 ) 可 得 : io ut - iin = 0即 i = 0 (1-40 )它 所 表 示 的 含 义 是“ : 的 电 流 的 代 数 和 为 零 。 ”任 意 一 个 时 刻 , 在 电 路 中 的 任 意 一 个 结 点 上 , 流 入 和 流 出 结 点需 要 特 别 注 意 的 是 :
49、 电 流 流 入 或 流 出 结 点 的 方 向 是 指 电 流 的 参 考 方 向 。 在 图 1-30 中 , 对 结 点 b 列 KCL 方 程 为 : i1 + i2 = i3对 结 点 d 列 K CL 方 程 为 : i3 = i1 + i2从 以 上 两 个 方 程 可 以 看 出 , 在 这 两 个 方 程 中 只 有 一 个 是 独 立 的 。 由 于 支 路 电 流 必然 是 从 一 个 结 点 流 出 而 后 流 入 另 一 个 结 点 , 因 此 , 对 于 有 n 个 结 点 的 电 路 , 只 有 ( n - 1 ) 个 K CL 方 程 是 独 立 的 。如 果 把 几 个 结 点 以 及 与 这 些 结 点 相 联 的 支 路 , 用 一 个 假 想 的 闭 和 面 包 起 来 , 可 以 把 这 个 闭 和 面 包 围 的 电 路 看 成 是 一 个 “大” 结 点 , 称 为 “ 广 义
