電氣控制第一章 電路及基本元件

1、電氣控制電氣控制課程簡(jiǎn)介課程簡(jiǎn)介1.本課程是工科專業(yè)的一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課。它是由電路基礎(chǔ)與電工技術(shù)兩部分組成。2.本課程不僅具有自身的理論體系，而且是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。3.由于沒(méi)有系統(tǒng)的高等數(shù)學(xué)和大學(xué)物理作基礎(chǔ)，加上學(xué)時(shí)少、內(nèi)容多，故重點(diǎn)介紹基本概念、基本知識(shí)、器件的外特性及使用方法。主講：陳躍安第1章電路及基本元件第一章第一章電路及基本元件電路及基本元件1.1 電路及其基本物理量電路及其基本物理量1.2 電路的三種狀態(tài)電路的三種狀態(tài)1.3 電路基本元件電路基本元件2131.4 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件1.5 電源電源1.1 電路及其基本物理量電路及其基本物理量電路電路基本物理量基本物理量電流電流

2、電壓電壓(電位、電動(dòng)勢(shì)電位、電動(dòng)勢(shì))電功率電功率(電能電能)包括電源、負(fù)載、中間環(huán)節(jié)三部分包括電源、負(fù)載、中間環(huán)節(jié)三部分用規(guī)定的符號(hào)畫(huà)出用規(guī)定的符號(hào)畫(huà)出由元件按一定結(jié)構(gòu)連接并完成一定功能由元件按一定結(jié)構(gòu)連接并完成一定功能電路及作用電路及作用電路電路弱電電路的作用是不失真地傳遞和處理信號(hào)。弱電電路的作用是不失真地傳遞和處理信號(hào)。強(qiáng)電電路的作用是產(chǎn)生、輸送、分配和變換電能。強(qiáng)電電路的作用是產(chǎn)生、輸送、分配和變換電能。按功能分為強(qiáng)電電路、弱電電路按功能分為強(qiáng)電電路、弱電電路按電源性質(zhì)分為直流電路、交流電按電源性質(zhì)分為直流電路、交流電路路交流電源：電壓的大小和方向均隨時(shí)間變化交流電源：電壓的大小和方向

3、均隨時(shí)間變化直流電源：電壓的方向不變。直流電源：電壓的方向不變。按結(jié)構(gòu)分為簡(jiǎn)單電路、復(fù)雜電路按結(jié)構(gòu)分為簡(jiǎn)單電路、復(fù)雜電路按狀態(tài)分有載、空載、短路三種電按狀態(tài)分有載、空載、短路三種電路路簡(jiǎn)單電路簡(jiǎn)單電路G1IS1ABG2I1I2GkIkGnInIS2R1RnRkE1IE2+-+-R2R0R1R2EIR3R4I1I2R1.圖1-6 電流方向的判斷IR復(fù)雜電路復(fù)雜電路 1、有載狀態(tài)、有載狀態(tài)（滿載、超載、輕載）（滿載、超載、輕載）2、空載狀態(tài)（斷路）、空載狀態(tài)（斷路）3、短路狀態(tài)、短路狀態(tài)BSERoU+-ELIASIAERoU+-ELBSERoU+-ELIAB電路的三種狀態(tài)電路的三種狀態(tài)常用的電路元

4、件及符號(hào)常用的電路元件及符號(hào)常用的電路元件有：電阻、電感、電容、二極管、常用的電路元件有：電阻、電感、電容、二極管、三極管、理想電壓源、理想電流源等。三極管、理想電壓源、理想電流源等。(a)電阻R(b)電容C(g)理想電流源IS(f)理想電壓源USVT(e)三極管(d)二極管VD(c)電感L定義：定義：任意假定的方向。任意假定的方向。電流及其參考方向電流及其參考方向在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體截面的電荷量在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體截面的電荷量大?。捍笮。杭措娏鲝?qiáng)度，即電流強(qiáng)度，恒定電流用恒定電流用I I表示表示 ；瞬時(shí)電流用瞬時(shí)電流用i表示。表示。方向：方向：規(guī)定正電荷的移動(dòng)方向?yàn)閷?shí)際方向，規(guī)定正電荷的移動(dòng)

5、方向?yàn)閷?shí)際方向，用箭頭用箭頭 “”表示。表示。參考方向：參考方向：若求出（或已知）電流為正值，則說(shuō)明參考若求出（或已知）電流為正值，則說(shuō)明參考方向與真實(shí)方向一致，否則相反。方向與真實(shí)方向一致，否則相反。tqi 單位：?jiǎn)挝唬?安培安培(A、mA、A、nA)定義：定義：任意假定的方向。任意假定的方向。電壓及其參考方向電壓及其參考方向單位正電荷由單位正電荷由A A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B B點(diǎn)點(diǎn), ,電場(chǎng)力所做的功。電場(chǎng)力所做的功。大?。捍笮。汉愣妷河煤愣妷河肬 U表示表示 ；瞬時(shí)電壓用瞬時(shí)電壓用u表示。表示。方向：方向：電路中電壓的方向用一對(duì)電路中電壓的方向用一對(duì)”“”“”號(hào)表示，或號(hào)表示，或用一個(gè)

6、箭頭用一個(gè)箭頭“”表示，也可用雙下標(biāo)表示，如表示，也可用雙下標(biāo)表示，如UAB表示方向從表示方向從A點(diǎn)指向點(diǎn)指向B點(diǎn)。點(diǎn)。參考方向：參考方向：若求出（或已知）電壓為正值，則說(shuō)明參考若求出（或已知）電壓為正值，則說(shuō)明參考方向與真實(shí)方向一致，否則相反。方向與真實(shí)方向一致，否則相反。qWuABAB單位：?jiǎn)挝唬?伏特伏特（V V、KVKV、mVmV） 電壓與電位的關(guān)系電壓與電位的關(guān)系為方便為方便,常將電路中某一點(diǎn)設(shè)為參考點(diǎn)常將電路中某一點(diǎn)設(shè)為參考點(diǎn),并規(guī)定參考點(diǎn)的電位為零。并規(guī)定參考點(diǎn)的電位為零。例如，電路中例如，電路中AB兩點(diǎn)之間的電壓兩點(diǎn)之間的電壓UAB=5V若設(shè)若設(shè)B點(diǎn)為參考點(diǎn)：點(diǎn)為參考點(diǎn)：電壓是

7、絕對(duì)量，電位是相對(duì)量。電壓是絕對(duì)量，電位是相對(duì)量。則則UB=0V，若設(shè)若設(shè)A點(diǎn)為參考點(diǎn)：點(diǎn)為參考點(diǎn)：則則UA=0V，再如，若電路中再如，若電路中A、B兩點(diǎn)的電位分別為兩點(diǎn)的電位分別為UA=8V，UB=3V則則ABAB兩點(diǎn)間的電壓：兩點(diǎn)間的電壓： UA=UAB=5VUB=UBA則其它點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的電壓稱為該點(diǎn)的電位。則其它點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的電壓稱為該點(diǎn)的電位。 任意兩任意兩點(diǎn)間的電壓等于該兩點(diǎn)的電位差。點(diǎn)間的電壓等于該兩點(diǎn)的電位差。UABUAUB=UAB=5V835V應(yīng)該清楚：應(yīng)該清楚：電流與電壓是兩個(gè)相互獨(dú)立的物理量。電路中的某電流與電壓是兩個(gè)相互獨(dú)立的物理量。電路中的某個(gè)元件，其兩端有電壓，

8、卻不一定有電流流過(guò)，例如不個(gè)元件，其兩端有電壓，卻不一定有電流流過(guò)，例如不接負(fù)載的電壓源等；但是，如果元件中有電流流過(guò)，其接負(fù)載的電壓源等；但是，如果元件中有電流流過(guò)，其上一般會(huì)產(chǎn)生電壓上一般會(huì)產(chǎn)生電壓( (理想導(dǎo)線除外理想導(dǎo)線除外) )。在負(fù)載中，電流與電壓的實(shí)際方向一致，即沿著電在負(fù)載中，電流與電壓的實(shí)際方向一致，即沿著電位降低的方向。位降低的方向。電壓與電動(dòng)勢(shì)、電流之間的關(guān)系電壓與電動(dòng)勢(shì)、電流之間的關(guān)系在電源中，電流與電動(dòng)勢(shì)的實(shí)際方向一致，即沿著在電源中，電流與電動(dòng)勢(shì)的實(shí)際方向一致，即沿著電位升高的方向。電位升高的方向。電壓是電壓是電場(chǎng)力電場(chǎng)力做功的表現(xiàn)，電動(dòng)勢(shì)是做功的表現(xiàn)，電動(dòng)勢(shì)是電源

9、力電源力做功的做功的表現(xiàn)，兩者單位一致，但方向不同（沿著電壓的方向，表現(xiàn)，兩者單位一致，但方向不同（沿著電壓的方向，電位逐點(diǎn)降低；沿著電動(dòng)勢(shì)的方向，電位逐點(diǎn)升高）。電位逐點(diǎn)降低；沿著電動(dòng)勢(shì)的方向，電位逐點(diǎn)升高）。定義：定義：功功 率率單位時(shí)間內(nèi)電路元件上能量的變化量單位時(shí)間內(nèi)電路元件上能量的變化量大?。捍笮。赫?fù)值的意義：正負(fù)值的意義：twp 單位：?jiǎn)挝唬涸谝粋€(gè)電路中，產(chǎn)生的功率之和等于消耗的功率之和。在一個(gè)電路中，產(chǎn)生的功率之和等于消耗的功率之和。瓦特瓦特(W、mW、KW)(為關(guān)聯(lián)參考方向、iuuip )(為非關(guān)聯(lián)參考方向、iuuip若若P0，消耗功率或吸收功率（，消耗功率或吸收功率（負(fù)載負(fù)

10、載）若若P0，產(chǎn)生功率或提供功率（，產(chǎn)生功率或提供功率（電源電源）單位：?jiǎn)挝唬汗β逝c電能之間的關(guān)系功率與電能之間的關(guān)系能量是功率與時(shí)間的乘積。能量是功率與時(shí)間的乘積。w=pt焦耳（焦耳（J J）千瓦千瓦小時(shí)（度）小時(shí)（度）例：例：教室里有40盞標(biāo)有“220V 40W”的日光燈，接在220V的電源上。如果每天使用10小時(shí)，一個(gè)月(30天)耗電多少？若電費(fèi)單價(jià)為0.5元度，則每月應(yīng)付電費(fèi)多少？解：解：月耗電為WPt40盞40W/盞10h/天30天10-3每月電費(fèi)為0.5480240元480KWh 電阻元件電阻元件1.3 電路的基本元件電路的基本元件 電容元件電容元件 電感元件電感元件 三極管三極管

11、 二極管二極管 電壓源電壓源吸收電能吸收電能用曲線來(lái)描述。用曲線來(lái)描述。電阻元件（簡(jiǎn)稱電阻）電阻元件（簡(jiǎn)稱電阻）功能：功能：伏安關(guān)系：伏安關(guān)系：當(dāng)當(dāng)u u與與i i取關(guān)聯(lián)方向時(shí)：取關(guān)聯(lián)方向時(shí)：u uiRiR單位：?jiǎn)挝唬悍?hào)：符號(hào)：歐姆歐姆),(MkR當(dāng)當(dāng)u u與與i i取非關(guān)聯(lián)方向時(shí)：取非關(guān)聯(lián)方向時(shí)：u uiRiR對(duì)線性電阻：對(duì)線性電阻：對(duì)非線性電阻：對(duì)非線性電阻：電阻的倒數(shù)稱電導(dǎo)電阻的倒數(shù)稱電導(dǎo) 單位：?jiǎn)挝唬何鏖T(mén)子（西門(mén)子（S）大?。捍笮。鹤ⅲ鹤ⅲ弘娮枭系墓β剩弘娮枭系墓β剩篜=UI=I2R=U2/R0耗能元件耗能元件將電能轉(zhuǎn)換為熱能將電能轉(zhuǎn)換為熱能作用：作用：SLR定義：定義：iuR 儲(chǔ)存

12、電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存電場(chǎng)能量電容元件（簡(jiǎn)稱電容）電容元件（簡(jiǎn)稱電容）功能：功能：伏安關(guān)系：伏安關(guān)系：?jiǎn)挝唬簡(jiǎn)挝唬悍?hào)：符號(hào)：當(dāng)當(dāng)u u與與i i取關(guān)聯(lián)方向時(shí)：取關(guān)聯(lián)方向時(shí)：大小：大小：對(duì)于直流：對(duì)于直流：U為常數(shù)，其電壓變化率為零，故為常數(shù)，其電壓變化率為零，故I=0所耗功率所耗功率P=UI=0(非耗能元件非耗能元件)隔直流通交流隔直流通交流作用：作用：Ciu+dSC法拉法拉),(pFFFdtduCi 定義：定義：UqC 儲(chǔ)能：儲(chǔ)能：221CuW 儲(chǔ)存磁能儲(chǔ)存磁能電感元件（簡(jiǎn)稱電感）電感元件（簡(jiǎn)稱電感）功能：功能：伏安關(guān)系：伏安關(guān)系：?jiǎn)挝唬簡(jiǎn)挝唬悍?hào)：符號(hào)：當(dāng)當(dāng)u u與與i i取關(guān)聯(lián)方向時(shí)：取關(guān)聯(lián)方向

13、時(shí)：大?。捍笮。簩?duì)于直流電路：對(duì)于直流電路：I為常數(shù)，其電流變化率為零，故為常數(shù)，其電流變化率為零，故U=0所耗功率所耗功率P=UI=0(非耗能元件非耗能元件)平穩(wěn)電流平穩(wěn)電流作用：作用：亨利亨利),(mHHdtdiLu 定義：定義：LiulsNL2iL儲(chǔ)能：儲(chǔ)能：221LiW 單向?qū)щ妴蜗驅(qū)щ姸O管二極管功能：功能：符號(hào)：符號(hào)：無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)作用：作用：原理似單向閥：原理似單向閥：VDui二極管的伏安特性二極管的伏安特性反向(a)加正向壓力正向(b)加反向壓力小球小球小球小球IF/mAUF/V0.10.51030501020301020兩種半導(dǎo)體：兩種半導(dǎo)體：二極管的實(shí)質(zhì)：二極管的實(shí)質(zhì)

14、：常見(jiàn)半導(dǎo)體材料：常見(jiàn)半導(dǎo)體材料：硅和鍺硅和鍺型和型型和型PN結(jié)結(jié)硅和鍺死區(qū)電壓分別為硅和鍺死區(qū)電壓分別為0.5V和和0.1V硅和鍺導(dǎo)通電壓分別為硅和鍺導(dǎo)通電壓分別為0.60.8V和和0.20.3V小電流控制大電流小電流控制大電流三極管三極管功能：功能：結(jié)構(gòu)類型有結(jié)構(gòu)類型有NPN和和PNP兩種，符號(hào)分別為兩種，符號(hào)分別為電流放大電流放大無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)作用：作用：飽和、放大、截止飽和、放大、截止三種工作狀態(tài)：三種工作狀態(tài)：三種連接方式三種連接方式：共射極、共集電極、共基極共射極、共集電極、共基極三極管伏安特性：三極管伏安特性：輸入特性、輸出特性輸入特性、輸出特性基極base集電極colle

15、ctor 發(fā)射極emitterVTVTbceNPN型型PNP型型原理似水輪控制閥原理似水輪控制閥集電極 水流發(fā)射極 水流IcIe基極水流AB閥門(mén)關(guān)斷Ib=0I Ib b= =很小，很小，I IC C00截止。截止。C-EC-E之間斷開(kāi)之間斷開(kāi)BCEUCE=UCES 0（ b） 接 通 （ 飽 和 ）BCEIC=ICEO 0(a)關(guān) 斷 （ 截 止 ）集電極 水流發(fā)射極 水流IcIe基極水流細(xì)繩彈簧水輪AB閥門(mén)IbI Ib b中等，中等，I IC C=I=Ib b 放大。放大。cebic=ibib(1+)ib集電極 水流發(fā)射極 水流IcIe基極水流AB閥門(mén)全開(kāi)Ib過(guò)大IbI Ib b過(guò)大，過(guò)大，

16、I IC C達(dá)到最大達(dá)到最大 飽和。飽和。C-E之間閉合之間閉合BCEUCE=UCES0（b）接通（飽和）BCEIC=ICEO0(a)關(guān)斷（截止）三極管常見(jiàn)的三極管常見(jiàn)的3種偏置方式對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)及特點(diǎn)種偏置方式對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)及特點(diǎn)工作工作狀態(tài)狀態(tài)偏置電壓偏置電壓特特 點(diǎn)點(diǎn)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié)放大放大正偏正偏反偏反偏I(xiàn)CIb(IC受小電流受小電流Ib的控制的控制)截止截止反偏或零反偏或零偏偏反偏反偏I(xiàn)CICEO0(各極之間均斷開(kāi)各極之間均斷開(kāi))飽和飽和正偏正偏正偏正偏I(xiàn)CICS，UCEUCES 0 (C、E之間相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合之間相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合)發(fā)射結(jié)正編電壓：發(fā)射結(jié)正編電壓：飽和電壓：飽和

17、電壓：NPN型、型、PNP型分別為型分別為0.60.8V和和0.20.3VNPN型、型、PNP型分別約為型分別約為0.3和和0.1V三種連接方式三種連接方式BEC（b）共基極 輸出輸入（a）共射極 CBE輸出輸入（C）共集電極 EBC輸出輸入共射極三極管（共射極三極管（NPN管）伏安特性管）伏安特性輸出特輸出特性性常數(shù)CEuBEBufi| )(常數(shù)BiCECufi| )(輸入特性輸入特性RBUBBUCCRCmARPIC+-AIB+-V UBE+-VUCE+-+-1008060402000.2 0.40.6 0.8IB/AUB E/V120100806040100246810IC/mAUCE/V

18、IB=0 A12341.52.3截止區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)放大區(qū)A1A2電壓源電壓源-一般用電動(dòng)勢(shì)一般用電動(dòng)勢(shì)E（或（或US）和電源內(nèi)阻和電源內(nèi)阻RS相串聯(lián)來(lái)表示相串聯(lián)來(lái)表示 理想電壓源（內(nèi)阻為零）理想電壓源（內(nèi)阻為零）符符號(hào)號(hào)實(shí)際電壓源（內(nèi)阻不為零）實(shí)際電壓源（內(nèi)阻不為零）伏伏安安特特性性或或外外特特性性U=USI由由US及外電路共同決定及外電路共同決定U=USIRS符號(hào)中的符號(hào)中的豎線豎線表示表示US=0，相當(dāng)于，相當(dāng)于短路短路IUSRUIUSRSRUoIUUSoIUUSU1I1U0=I1RS小結(jié)一小結(jié)一iRu dtduCi dtdiLu 電壓、電流都是具有大小和方向的量。電壓、電流都是具有大小和方向的量。 在關(guān)聯(lián)的參考方向下，功率為正時(shí)表示消耗功率在關(guān)聯(lián)的參考方向下，功率為正時(shí)表示消耗功率（負(fù)載），功率為負(fù)時(shí)表示產(chǎn)生功率（電源）。（負(fù)載），功率為負(fù)時(shí)表示產(chǎn)