电工电子及应用教案-1章.doc

电工电子及应用教案(第一章）
一、 教学引入（10’）
由于现在科技越来越先进，特别是汽车工业，很多都利用到了电子技术相结合的高科技产品，如汽车的自动门，自动窗和汽车导航系统都要用到点电工技术。
二、 教学过程（60’）
诸 论
学习目的：
掌握电路基础知识和模拟电子的基本理论及分析方法，为后续课打基础，为工程实践培养操作技能。
一、本课程的性质、任务和内容
1、性质：《电工与电子技术基础》是专为理工科非电类专业开设的一门实践性较强的专业技术基础课。
2、任务：通过学习，可获得有关电工、电子技术最必要的基本理论，基本知识和基本技能，为以后学习电机拖动、机床电器、逻辑程序控制及数控技术等课程和毕业后从事工程技术工作，在“电”的方面打下基础。
二、本课程的特点及学习方法
1、特点：是一门实践性很强的技术基础课。实验是学习电工电子技术不可缺少的组成部分。
实验目的和要求：⑴学会使用常用的电工、电子仪器仪表；⑵能按实验要求连接线路，读取实验数据，分析实验结果，编写实验报告。⑶掌握常用电工、电子元器件的使用。
2、学习方法：
⑴课前做好预习、上课做好笔记、课后做好作业和复习；
⑵理论联系实际，认真做好实验。
本课程是一门实践性较强的专业基础课。
共11章， 1-5章 电路基础知识、6-10章 模拟电子技术、11章 技能训练及应用实践三个部分。章末有小结和习题便于自学。
三、课堂小结（5’）
1、本课程的性质、任务和内容
2、本课程的特点及学习方法
四、布置课后作业（5’）
预习 第一章

一、复习提问（5’）
1. 本课程的特点是什么？
2. 学习本课程时准备些什么？
二、新课内容（65’）
第一章  电路基础知识
§1-1  电路和电路模型
1.  电路特点： 电路设备通过各种连接所组成的系统，并提供了电流通过途径。
2. 电路的作用：
(1) 实现能量转换和电能传输及分配。
(2) 信号处理和传递。
3 ．电路模型：理想电路元件：突出实际电 图 1-1 电路模型
路元件的主要电磁性能，忽略次要因素的元件；以理想电路元件代替实际的元件组成的电路，即为实际电路的模型；
例图 1-1 ：最简单的电路——手电筒电路
4 ．电路的构成：电路是由某些电气设备和元器件按一定方式连接组成。
（ 1 ）电源：向电路提供能量的设备，如干电池、蓄电池、发电机等。
（ 2 ）负载：用电器即各种用电设备，如电灯、电动机、电热器等。
（ 3 ）导线：把电源和负载连接成闭合回路，常用的是铜导线和铝导线。
（ 4 ）控制和保护装置：用来控制电路的通断、保护电路的安全，使电路能够正常工作，如开关，熔断器、继电器等。                                   
§1-2 电路中的主要物理量
1 ．电流
(1) 定义：电荷的定向运动形成电流，单位时间内通过导体横截面的电量。
(2) 电流单位：安培 (A) ， 1A ＝ 10 3 mA ＝ 10 6 μ A ，   1 kA ＝ 10 3 A
(3) 电流方向：规定正电荷运动的方向为电流的实际方向。电流的方向不变为直流 I ，方向和大小都变化为交流 i 。假设的电流流向称为电流的参考方向。
（ 4 ）标定： 在连接导线上用箭头表示，或用双下标表示

约定：当 i >0 时参考方向与实际方向一致，当 i <0 时参考方向与实际方向反相，                     
(5) 电流的测量：利用安培表，安培表应串联在电路中，直流安培表有正负端子。
2. 电压
(1) 定义：电场力将单位正电荷从电场中的 a 点移到 b 点所做的功，称其为 a 、 b 两点间的电压。或任意两点间的电位差称为电压。
(2) 电压单位：伏特（ V ）， 1V ＝ 10 3 mV ＝ 10 6 μ V ，   1kV ＝ 10 3 V
(3) 电压方向：规定把电位降低的方向作为电压的实际方向。电压的方向不变为直流电压 Uab ，方向和大小都变化为交流电压 u ab 。假设的电压方向称为电压的参考方向。
（ 4 ）标定：可以采用以下几种方式， “ + ”高电位端、“－”低电位端，当 U> 0 时参考方向与实际方向一致，当 U <0 时参考方向与实际方向相反。

（ 5 ）电压的测量：利用伏特表，伏特表应并联在电路中，直流伏特表有正负端子。
（ 6 ）电位：正电荷在电路中某点所具有的能量与电荷所带电量的比称为该点的电位。电路中的电位是相对的，与参考点的选择有关，某点的电位等于该点与参考点间的电压。电路中 a 、 b 两点间的电压等于 a 、 b 两点间的电位差。即 U ab =V a -V b 。所以电压是绝对的，其大小与参考点的选择无关；但电位是相对的，其大小与参考点的选择有关。
  3. 能量
(1) 定义：在 t 1 时间内，电路所消耗的电能。
(2) 能量单位：焦耳 (J) ，电能的常用单位为度，１度＝１千瓦×１小时
(3) 能量方向：吸收、释放功率
4. 功率
(1) 定义 : 单位时间内消耗电能即电场力在单位时间内所做的功。
(2) 功率单位：瓦特 (W)
(3) 功率方向：提供、消耗
（ 4 ）功率的测量：利用功率表。
例 1-1 ： 有一个电饭锅，额定功率为 1000W ，每天使用 2 小时；一台 25 寸电视机，功率为 60W ，每天使用 4 小时；一台电冰箱，输入功率为 120W ，电冰箱的压缩机每天工作 8 小时。计算每月（ 30 天）耗电多少度？
  解： （ 1kW × 2 h ＋ 0.06kW × 4h ＋ 0.12kW × 8h ）× 30 天
＝（ 2 度＋ 0.24 度 ＋ 0.96 度）× 30 ＝ 52 度
  答 : 每月耗电 52 度
5. 参考方向
（ 1 ）定义：任意假设电压、电流的方向称为参考方向。参考方向可任意标定，方向标定后，电流、电压、电动势之值可正可负；计算结果存在两种情况：
① “ ＋ ” 说明参考方向与真实方向相同；
② “ － ” 说明参考方向与真实方向相反。
注意：①选定参考方向后，不再更改
②计算结果的正、负只与图中参考方向结合起来才有物理意义。
（ 2 ）关联参考方向：元件上电流和电压的参考方向一致。在进行功率计算时， P ＝ U I 。
非关联参考方向：元件上电流和电压的参考方向不一致 。在进行功率计算时，
P ＝ -U I 。
如果假设 U 、 I 参考方向一致，则当 计算的 P > 0 时 , 则说明 U 、 I 的实际方向一致，此部分电路消耗电功率，为负载。当计算的 P < 0 时 , 则说明 U 、 I 的实际方向相反，此部分电路发出电功率，为电源。所以，从 P 的 + 或 - 可以区分器件的性质，或是电源，或是负载。
三、课堂小结（5’）
1．电流、电压、电位、功率的概念、表示、单位和方向。
2. 电流、电压的参考方向。
3．电压与电位的区别 。
四、布置课后作业（5’）
课本习题
P32 6

一、复习提问（5’）
1．电路是由那几部分组成？各部分的作用是什么？
2．电路的三种状态是什么？
3．电流、电压的方向？
二、新课内容（65’）
第一章  电路基础知识
§1-3 电路的基本元件
一、欧姆定律： 反映电阻元件上电压、电流约束
1 ．描述：对于线形电阻元件，在任何时刻它两端的电压与电流成正比例关系，即
或
电阻一定时，电压愈高电流愈大；电压一定，电阻愈大电流就愈小。
2 ．功率的计算公式：根据欧姆定律可以推导出功率与电阻的关系式为：
3 ．表达：在电路分析时，如果电流与电压的参考方向不一致，既为非

关联参考方向，如图 1-2 （ b ）和（ c ）欧姆定律的表达式为：
             或                 
例 1-2 ： 图中的电阻为 6 Ω，电流为 2A ，求电阻两端的电压 U 。
图 1-2   欧姆定律
解： 图（ a ）关联 U ＝ I R ＝ 2A × 6 Ω＝ 12V
图（ b ）非关联 U ＝－ I R ＝－ 2A × 6 Ω＝－ 12V ，
  图（ c ）非关联 U ＝－ I R ＝－ 2A × 6 Ω＝－ 12V
计算结果图（ a ）电压是正值，说明图（ a ）中的电压实际方向与所标的参考方向一致；图（ b ）、（ c ）电压为负值，说明图（ b ）、（ c ）中的电压实际方向与所标的参考方向相反。
二、电阻元件

（ 1 ）定义：阻碍导体中自由电子运动的物理量，表征消耗电能转换成其它形式能量的物理特征。
（ 2 ）电阻单位：欧姆（ W ）， 1M Ω＝ 10 3 K W =10 6 Ω。
（ 3 ）电阻的分类：根据其特性曲线分为线形电阻和非线形电阻。
①线性电阻的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线。 R = 常数； 
②非线性电阻的伏安特性曲线是一条曲线。
（ 4 ）电阻定律：对于均匀截面的金属导体，它的电阻与导体的长度成正比，与截面积成反比，还与材料的导电能力有关。
或 其中 为电阻率， 为电导率。
（ 5 ）电导：表示元件的导电能力，是电阻的倒数，用 G 表示，单位为西门子（ S ）。
（ 6 ）电阻与温度的关系：
① PTC 电阻材料：正温度系数较大，具有非常明显的冷导体特性，可用来制作小功率恒温发热器。
② NTC 电阻材料：负温度系数较大，具有非常明显的热导体特性，可用来制作热敏电阻。
3. 功率：
P ＝ UI ＝ RI 2 =U 2 /R ＞０ ∴ R 是耗能元件
三、电容元件
1.电容元件的基本概念（一）
电容元件是一种能够贮存电场能量的元件，是实际电容器的理想化模型。
伏安关系：

符号
只有电容上的电压变化时，电容两端才有电流。在直流电路中，电容上即使有电压，但ｉ＝０，相当于开路，即 电容具有隔直作用。
C称为电容元件的电容，单位是法拉（F）。
2.电容元件的基本概念（二）
电容的SI单位为法［拉］, 符号为F; 1 F=1 C／V。常采用微法（μF）和皮法（pF）作为其单位。

3. 电容元件的储能（一）
在电压和电流关联的参考方向下, 电容元件吸收的功率为
电容元件吸收的电能为

4. 电容元件的储能（二）
若选取t0为电压等于零的时刻, 即u(t0)=０
从时间t1到t2, 电容元件吸收的能量为

三、电感元件
1．电感元件的基本概念（一）
自感磁链

称为电感元件的自感系数, 或电感系数, 简称电感。
2．电感元件的基本概念（二）

3．电感元件的基本概念（三）

4．电感元件的基本概念（四）
电感SI单位为亨［利］, 符号为H; 1 H=1 Wb／A。通常还用毫亨（mH）和微亨（μH）作为其单位, 它们与亨的换算关系为
5．电感元件的储能（一）
在电压和电流关联参考方向下, 电感元件吸收的功率为
从t0到t时间内, 电感元件吸收的电能为

6．电感元件的储能（二）
若选取t0为电流等于零的时刻, 即i(t0)=０
从时间t1到t2, 电感元件吸收的能量为

四、电压源
电路中的功能元件称为电源，，可以采用两种模型表示，即电压源和电流源。
1 ．理想电压源（恒压源）
（ 1 ）符号：
（ 2 ）特点：无论负载电阻如何变化，输出电压即电源端电压总保持为给定的 U S 或 u s (t) 不 变，电源中的电流由外电路决定，输出功率可以无穷大，其内阻为 0 。
例 1-3 ： 如图 1-5:   U S =10V
图 1-5   电压源
则当 R 1 接入时 ： I =5A
当 R 1 、 R 2 同时接入时： I =10A
(3) 特性曲线

2 ．实际电压源
（ 1 ）符号：
（ 2 ）特点：由理想电压源串联一个电阻组成， R S 称为电源的内阻或输出电阻，负载的电压 U = U S – IR S ，当 R S = 0 时，电压源模型就变成恒压源模型。

（ 3 ）特性曲线

五、 电流源
1 ．理想电流源（恒流源）
(1) 符号 :
(2) 特点：
无论负载电阻如何变化，总保持给定的 Is 或 i s (t) ，电流源的端电压由外电路决定，输出功率可以无穷大，其内阻无穷大。
例 1-4 ： 如图 1-6:    I S =1 A
则 : 当 R =1 W 时， U =1V ， R =10 W 时， U =10 V
（ 3 ）特性曲线
图 1-6   电流源
2 ．实际电流源
（ 1 ）符号：
（ 2 ）特点：由理想电流源并联一个电阻组成，负载的电流为 I = I S – U ab / R S ，当 内阻 R S = ¥ 时，电流源模型就变成恒流源模型。
（ 3 ）特性曲线：
3 ．恒压源和恒流
源的比较
六、电压源与电流源的转换
1 ．特性：电压源可以等效
转换为一个理想的电流源 I S 和一个电阻 R S 的并联，电流源可以等效转换为一个理想电压源 U S 和一个电阻 R S 的串联。即转换公式： U S =R S *I S
2 ．注意：
（ 1 ）转换前后 U S 与 I s 的方向， I s 应该从电压源的正极流出。

（ 2 ）进行电路计算时，恒压源串电阻和恒电流源并电阻两者之间均可等效变换， R S 不一定是电源内阻。
（ 3 ）恒压源和恒流源不能等效互换。
（ 4 ）恒压源和恒流源并联，恒流源不起作用，对外电路提供的电压不变。 恒压源和恒流源串联，恒压源不起作用，对外电路提供的电流不变。
（ 5 ）与恒压源并联的电阻不影响恒压源的电压，电阻可除去，不影响其它电路的计算结果；与恒流源串联的电阻不影响恒流源的电流，电阻可除去，不影响其它电路的计算结果；但在计算功率时电阻的功率必须考虑。
（ 6 ）等效转换只适用于外电路，对内电路不等效。
例 1-5 ： 如图 1-7 图 1-7   电流源的转换

例 1-6 ： 如图 1-8

图 1-8   电压源的转换
     I= 1A  
例 1-7 ： 如图 1-9

图 1-9   电压源的转换

七、电路的工作状态： 有载（满载、轻载、过载）、开路、短路。
1 ．开路状态
电源与负载断开，称为开路状态 , 又称空载状态。
开路状态电流为零，负载不工作 U ＝ IR ＝ 0 ，而开路处的端电压 U 0 ＝ E 。
2 ．短路状态：电源两端没有经过负载而直接连在一起时 , 称为短路状态。 U=0,I S =U S /R S ,P RS =I 2 R S ， P =0 。 短路电流 I S ＝ U S / R S 很大，如果没有短路保护，会发生火灾。短路是电路最严重、最危险的事故，是禁止的状态。产生短路的原因主要是接线不当，线路绝缘老化损坏等。应在电路中接入过载和短路保护。      
3 ．有载状态：电源与负载接通，构成回路，称为有载状态， U ＝ IR ＝ E － IR 0 ，有载状态时的功率平衡关系为：
电源电动势输出的功率 P S ＝ U S I S ，电源内阻损耗的功率    P RS ＝ I 2 R S
负载吸收的功率   P ＝ I 2 R ＝ P S － P RS ，功率平衡关系      P S ＝ P ＋ P RS 。   
用电设备都有限定的工作条件和能力， 产品在给定的工作条件下正常运行而规定的正常容许值 称为额定值。使用值等于额定值为额定状态；实际电流或功率大于额定值为过载；小于额定值为欠载。
4 ．电源和负载的判定
(1) 根据电压和电流的实际方向可确定某元件是电源或是负载： U 、 I 同向为负载； U 、 I 反向为电源。
(2) 根据功率可确定某元件是电源或是负载：
电压与电流取关联参考方向时： P=UI 为正是负载； P=UI 为负是电源；
电压与电流取非关联参考方向时： P=UI 为正是电源； P=UI 为负是负载。
三、课堂小结（5’）
1．开路状态：负载与电源不接通，电流等零，负载不工作；
2．有载状态：负载与电源接通，有电流、电压、吸收功率。短路状态：故障状态，应该禁止。
四、布置课后作业（5’）
课本习题
P32 2

一、复习提问（5’）
1．电路的工作状态是什么？
2．电压源的转换是什么？
3．电流源的转换是什么？
二、新课内容（65’）
第一章  电路基础知识
§1-4 基尔霍夫定律
是集中参数电路的基本定律, 它包括电流定律和电压定律。为了便于讨论, 先介绍几个名词。
（1）支路: 电路中流过同一电流的一个分支称为一条支路。
（2）节点: 三条或三条以上支路的联接点称为节点。
( 3 ) 回路: 由若干支路组成的闭合路径,其中每个节点只经过一次, 这条闭合路径称为回路。
( 4 ) 网孔: 网孔是回路的一种。将电路画在平面上, 在回路内部不另含有支路的回路称为网孔。
一、基尔霍夫电流定律（KCL）
在集中参数电路中, 任何时刻, 流出（或流入）一个节点的所有支路电流的代数和恒等于零, 这就是基尔霍夫电流定律, 简写为KCL。 
对图中的节点a, 应用KCL则有

写出一般式子, 为 ∑i=0
把式（1.14）改写成下式,
即i1=i3+i4
图电路实例
KCL原是适用于节点的, 也可以把它推广运用于电路的任一假设的封闭面。例如图1.11所示封闭面S所包围的电路。
二、基尔霍夫电压定律（KVL）
在集中参数电路中, 任何时刻, 沿着任一个回路绕行一周, 所有支路电压的代数和恒等于零, 这就是基尔霍夫电压定律, 简写为KVL, 用数学表达式表示为
在写出式（1.16）时, 先要任意规定回路绕行的方向, 凡支路电压的参考方向与回路绕行方向一致者, 此电压前面取“+”号, 支路电压的参考方向与回路绕行方向相反者, 则电压前面取“-”号。
在图1.11中, 对回路abcga 应用KVL, 有
如果一个闭合节点序列不构成回路, 例如图1.11中的节点序列acga,在节点ac之间没有支路, 但节点ac之间有开路电压uac, KVL同样适用于这样的闭合节点序列, 即有

将式（1.17）改写为

电路中任意两点间的电压是与计算路径无关的, 是单值的。所以, 基尔霍夫电压定律实质是两点间电压与计算路径无关这一性质的具体表现。
不论元件是线性的还是非线性的, 电流、电压是直流的还是交流的, 只要是集中参数电路,KCL和KVL总是成立的。 
§1-5 基尔霍夫定律及应用
例 1--8 试计算图 1.12 所示电路中各元件的功率。 
解 为计算功率, 先计算电流、电压。 
元件 1 与元件 2 串联, idb=iba=10A, 元件 1 发出功率。
元件 2 接受功率

元件 3 与元件 4 串联, idc= ica=-5A,
元件 3 发出功率: P3=5×(-5）=-25W, 即接受25W。
取回路cabdc, 应用KVL, 有
uca－2+10－5=0
得 uca=-3V
元件 4 接受功率
 P4=（-3）×（-5）=15W
取节点a, 应用KCL, 有
 iad－10－(-5)=0
得  iad=5A
取回路adba, 应用KVL, 有
 uad－10＋２＝０
得 uad＝８Ｖ
元件５接受功率 Ｐ５＝８×５＝４０W
根据功率平衡: 100=20+25+15+40, 证明计算无误。
三、课堂小结（5’）
欧姆定律      I ＝ U/R ， 应用时要考虑关联问题。
KCL 定律      Σ I ＝ 0 ，应用时要先标出电流的参考方向。
KVL 定律     Σ U ＝ 0   ，应用时要先标出电流、电压及回路的绕行方向。
四、布置课后作业（5’）
课本习题
P32 4

一、复习提问（5’）
1．什么是KCL 定律？
2．什么是KVL定律？
二、新课内容（60’）
第一章  电路基础知识
§1-6 简单电阻电路的分析方法
一、电阻的串联及并联
具有相同电压电流关系（即伏安关系，简写为VAR）的不同电路称为等效电路，将某一电路用与其等效的电路替换的过程称为等效变换。将电路进行适当的等效变换，可以使电路的分析计算得到简化。
1．电阻的串联
如果电路中有两个或两个以上的电阻串联，这些电阻的串联可以等效为一个电阻。

两个串联电阻上的电压分别为：

2．电阻的并联
两个或两个以上的电阻的并联也可以用一个电阻来等效。

上式也可写成
式中G为电导，是电阻的倒数。在国际单位制中，电导的单位是西门子（S）。
两个并联电阻上的电流分别为：

二、支路电流法
凡不能用电阻串并联化简的电路，一般称为复杂电路。在计算复杂电路的各种方法
中，支路电流法是最基本的。它是应用基尔霍夫电流定律和电压定律分别对节点和回路
列出方程，求出未知量。
一般地说，若一个电路有b条支路，n个节点，可
列n-1个独立的电流方程和b-(n-1)个电压方程。

例题1—9
在右图所示的桥式电路中，中间是一检流计，其电阻RG
为10Ω ， 试求检流计中的电流
已知

解 数一数 ： b=6, n=4
我们先来列3个节点电流方程，选a、 b、 c三个节点
对节点a
对节点b
对节点c
再来列三个电压方程，选图中的三个回路
对回路abda
对回路acba
对回路dbcd
解上面的六个方程得到的值
我们发现当支路数较多而只求一条支路的电流时用支路电流法计算，极为繁复，下节我们将介绍节点电压法
三、结点电压法
当电路中支路较多，结点较少时可选其中一个结点作参考点，求出其他结点的相对于参考点的电压，进而求出各支路电流。这种方法称为结点电压法。
以上图为例，共有三个结点，我们选
取电源的公共端作为参考点，通过a、b两
点的结点电流方程，分别建立a、b两点的
电压方程。
先列结点的电流方程
a点

b点

四、叠加原理
对于线性电路，任何一条支路中的电流，都可以看成是由电路中各个电源（电压源或电流源）单独作用时，在此支路中所产生的电流的代数和。这就是叠加原理。
*所谓电路中各个电源单独作用，就是将电路中其它电源置0，即电压源短路，电流源开路。
我们以下图为例来证明叠加原理的正确性。

= +

以I1为例通过计算
由(a)图

由(b)图

由(c) 图

同理

五、戴维南定理
计算复杂电路中的某一支路时，为使计算简便些，常常应用等效电源的方法。其中包括戴维宁定理。
先说说有源二端网络的概念
有源二端网络，就是具有两个出线端的部分电路,其中含有电源。

有源二端网络

任何一个线性有源二端网络都可以用一个电动势为E 的理想电压源和一个电阻 的串联来等效。电压源的电压等于有源二端网络的开路电压，即将负载断开后a、b两端之间的电压。所串电阻R0 等于该有源二端网络除源后所得到的无源网络a、b两端之间的等效电阻。

戴维南定理的证明
我们用一理想电流源替代负载这样一来不会改变原有源二端网络各支路的电流和电压。

最后得到

例1—10：用戴维南定理求图示电路的电流I。

解：(1)断开待求支路，得有源二端网络如图(b)所示。由图可求得开路电压UOC为：

(2)将图(b)中的电压源短路，电流源开路，得除源后的无源
二端网络如图(c)所示，由图可求得等效电阻Ro为：

(3)根据UOC和Ro画出戴维南等效电路并接上待求支路，得
图(a)的等效电路，如图(d)所示，由图可求得I为：

三、课堂小结（10’）
1. 两个电阻串联的特点是电流相同，总电阻R＝R1＋R2，总电压U＝U1＋U2。
有分压作用 U1＝
2. 两个电阻并联的特点是电压相同，总电阻 R ＝ 总电流I＝I1＋I2。
有分流作用
3. 支路电流法是直接应用KCL、KVL列方程组求解。一般适合于求解各个支路电流或电压。
4. 叠加原理是将各个电源单独作用的结果叠加后，得出电源共同作用的结果。一般适合于求解电源较少的电路
5. 戴维宁定理是先求出有源二端网络的开路电压和等效内阻，然后，将复杂的电路化成一个简单的回路，一般适合于求解某一支路的电流或电压。
支路电流法、叠加原理、戴维宁定理是分析复杂电路最常用的三种方法。 
四、布置课后作业（5’）
课本习题
P33 6