第1章电路和电路元件.ppt

电工电子学教学课件,1.1 电路和电路的基本物理量,1.2 电阻、电感和电容元件,1.3 独立电源元件,1.4 二极管,1.5 双极晶体管,1.6 绝缘栅场效晶体管,第1章 电路和电路元件,1.1.1 电路,1.1.2 电路元件和电路模型,1.1.3 电流、电压及其参考方向,1.1.4 电路功率,1.1 电路和电路的基本物理量,手电筒电路,扩音器示意图,1、电路的概念 电路是电流的通路，是为了实现某种应用目的，将若干电工、电子器件或设备按一定方式所组成的整体。,1.1.1 电路,电源:提供电能的装置,中间环节：传递、分配和控制电能的作用,负载:取用电能的装置,2、电路的分类依据电路的作用，可将电路分为两类。,(1)用于实现电能传输和转换的电路,强电电路电压较高、电流和功率较大,电力系统结构图,(2)实现信号传递与处理的电路,直流电源:提供能源,负载,信号源:提供信息,弱电电路电压较低、电流和功率较小,扩音器示意图,1.1.2 电路元件和电路模型,（1）实际电路元件和理想电路元件,实际电路元件：构成电路的电工、电子器件或设备。理想电路元件：具有某种确定的电磁性质的假想元件，它们及其组合，可以反映出实际电路元件的电磁性质和电路的电磁现象。理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。,开关,（2）实际电路和电路模型实际电路：用实际原件构成的电路电路模型：将实际原件都由其相应的模型表示后就够成实际电路的电路模型。,1.1.3 电流、电压及其参考方向,1.电流及其参考方向,电流：电路中带电粒子在电源的作用下有规则的移动形成电流。电流的实际方向：正电荷移动的方向。电流的大小：电荷量对时间的变化率：,直流电流电流的大小和方向不随时间变化。,电流的参考方向任意假定的实际方向(用箭头表示)。,交流电流电流的大小和方向随时间变化。,电流的单位：,1kA=103A，1mA=10-3A，1 A=10-6A,A（安培）、kA、mA、A,i 0,i 0,实际方向,实际方向,电流的参考方向与实际方向的关系：,b.i 0，电流的实际方向与参考方向相反；,a.i 0，电流的实际方向与参考方向相同；,2.电压及其参考方向,电流的参考方向有两层含义：1）电流的参考方向可以任意指定。2）在指定的参考方向下，从电流数值的正、负来确定的实际方向。,电压：是描述电场力对电荷做功的物理量，定义为单位正电荷从一点移至另一点电场力作的功：,电压的实际方向高电位指向低电位的方向，即电位真正降低的方向。,例：,已知：Va=2V,Vb=-2V,分析各点之间的电压及电压的实际方向,单位,V(伏)、kV、mV、V,直流电压：电压的大小和极性不随时间变化。,交流电压：电压的大小和极性随时间变化。,电压的参考方向：任意假定的实际方向,用“+”“-”符号表示。,电压的参考方向与实际方向的关系：,a.u 0，电压的实际方向与参考方向相同；,b.u 0，电压的实际方向与参考方向相反；,3、关联参考方向,对于一个元件或一段电路，如果其电压和电流的参考方向一致，则称这种参考方向为关联参考方向。反之，称为非关联参考方向。,关联参考方向,非关联参考方向,例：,电压电流参考方向如图中所标，问：对A、B两部分电路电压电流参考方向关联否？,答：A电压、电流参考方向非关联；B电压、电流参考方向关联。,1.电功率P与u,i的关系,电流：单位时间内通过导体横截面的电量电压：单位正电荷由a点移到b点时所做的功功率：单位时间内元件吸收或发出的能量,单位：W(瓦),伏特 V,安培 A,1.1.4 电路功率,2.电路吸收或发出功率的判断,u,i 取关联参考方向,P=ui 表示元件吸收的功率,P0 吸收正功率(实际吸收),P0 吸收负功率(实际发出),P=ui 表示元件发出的功率,P0 发出正功率(实际发出),P0 发出负功率(实际吸收),u,i 取非关联参考方向,在时间t1到t2期间，元件（或电路）吸收的电能为：,单位为焦耳（J），实际采用千瓦小时（KW.h），1 KW.h=1000W3600s=3.6106J=1度电。,3.电能,电流、电压、功率的符号和单位,安全用电小常识,对于电气设备来说，为了安全起见，都有其额定功率、额定电压和额定电流，使用时不注意不能超过其额定值，否则会损坏设备。,1.2.1 电阻元件,1.2 电阻、电感和电容元件,1.2.2 电感元件,1.2.3 电容元件,1.2.4 实际元件的主要参数及电路模型,1、伏安特性,线性电阻,非线性电 阻,(电阻R的单位：、k),1.2.1 电阻元件,R为常量,R为变量,膜电阻器,线绕电阻器,水泥电阻器,热敏电阻器,p u i(R i)i i2 R-u2/R,p u i i2R u2/R,2、电阻功率,3、电阻耗能,电阻元件在任何时刻总是消耗功率的,4、工作参数（举例）标称电阻值、允许偏差、额定功率pn,1.2.2 电感元件,不同类电感器,陶瓷电感器,标准电感器,电路符号,把金属导线绕在一骨架上构成一实际电感线圈，当电流通过线圈时，将产生磁通，是一种抵抗电流变化、储存磁能的部件。,电感L表征元件储存电磁能能力的参数，是不随电路情况变化的量。密绕长线圈L的大小取决于磁导率、线圈匝数、线圈截面积及长度。,单位：H(亨利)，常用H，mH表示。,韦安关系,伏安关系,通直流、阻交流,1、伏安关系,电感电压u 的大小取决于i 的变化率,与 i 的大小无关。,2.电感的功率和储能,功率,储能,=,当电流增大时，磁场能增大，电感元件从电路吸收能量；当电流减小时，磁场能减小，电感元件向电路提供给电路。,3、工作参数标称电感值L、额定电流in,电容器,在外电源作用下，正负电极上分别带上等量异号电荷，撤去电源，电极上的电荷仍可长久地聚集下去，是一种储存电能的部件。,1.2.3 电容元件,电路符号,部分电容器的照片,电解电容器,普通电容器,电力电容器,单相电动机电容器,1.伏安关系,其中：C为电容，常数，恒大于0，单位为法拉F，常用F，pF等表示。电容C表征元件储存电荷的能力的参数，不随电路情况变化。极板电容的大小取决于介电常数、极板相对的面积及极板间距。,库伏关系,电容电流 i 的大小取决于电容电压 u 的变化率,而与该时刻电压 u 的大小无关。隔断直流，通交流,2.电容的功率和储能,功率,储能,当电压增大时，电场能增大，电容元件从电路吸收电能；当电压减小时，电场能减小，电容元件向电路提供能量。,3、工作参数 标称电容值L、额定电压un,1.2.4 实际元件的主要参数及电路模型,主要参数（额定参数）：,电阻器：标称电阻值、允许偏差、额定功率,电感器：标称电感值、额定电流,电容器：标称电容值、额定电压,电路模型:,理想电路模型：电阻器R、电感器L、电容器C,实际电路模型：理想元件模型的不同组合。,1、电组的串/并联,2、电容的串/并联,电容的串联,等效电容,电容的并联,等效电容,3、电感的串/并联,电感的串联等效,电感的并联等效,电路模型:,电压源(一般),直流电压源,a,直流电压源：,b,正弦电压源：,性质1、电压源两端电压由电源本身决定，与端子电流及外电路 无关，该电压称为激励电压。性质2、电压源端子电流由激励电压及外电路共同决定。,1.3.1 电压源和电流源(内阻等于0 的理想情况),1.3 独立电源元件,1、理想电压源,电路模型,2.理想电流源,可由稳流电子设备产生，如晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线照射下光电子被激发产生一定值的电流等。,性质1、电流源的输出电流由电源本身决定，与两端电压及外电 路无关，该输出电流称为激励电流。性质2、电流源的两端电压由激励电流及外电路共同决定。,a,直流电流源：,b,正弦电流源：,解：分析：IS 固定不变,US 固定不变。,所以：I=Is，U=IRUS,例1.3.1已知：Is，US，R 问：I 等于多少？U 又等于多少？,解：1.Uab=US,I=US/R=4/2=2A,2.若R 减小为1，I=US/R=4A,电流源的功率不变！,电压源的功率 IUs=I IS=3A,P=USIUs=12W 增大！,例1.3.2已知：Is，US，R试分析：1.I 等于多少？2.若使R 减小为1，I 如何变？两个电源的功率如何变？,1.3.2 实际电源的模型,1、实际电源 实际电源一般不具有理想电源的特性，由于内在电阻的影响，电源提供的电压或电流都会发生变化。,2.一端口电路的等效变换,（1）概念：对A电路中的电流、电压和功率而言，满足：,等效,1,等效变换,等效电路可以具有完全不同的结构，但对任一外电路 来说，它们却具有完全相同的影响，适合用来求解外电路中的相关物理量。,等效电阻Req：其值决定于原电路中各阻值及其连接方式,（2）等效条件：两个一端口电路，如果端口具有相同得伏安特性,则称它们是等效的电路。,u=f(i),u=g(i),f(i)=g(i),3.两种实际电源模型的等效互换,U=Us-RI,I=Is-U/R/,等效条件：,等效电路特点：（1）两电源模型的内阻相等；（2）电压源电压参考方向与电流源电流参考方向相反.,U=Us-RI,U=R/Is-IR/,1.4 二极管,1.4.1 PN结及其单向导电性1.4.2 二极管的特性和主要参数1.4.3 二极管的工作点和理想特性1.4.4 稳压二极管1.4.5 发光二极管和光电二极管,一、本征半导体纯净的晶体结构的半导体为本证半导体。纯净：半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。晶体结构：以 硅原子(Si)为例：硅原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。,本征半导体的结构示意图,在常温下，由于热激发，极少数的价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴，带正电。形成电子空穴对。,外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，形成电子电流和空穴电流，运动方向相反。本征半导体中的电流时是两个电流之和。,运载电荷的粒子称为载流子。,二、本征半导体中的两种载流子,本征激发：半导体在热激发下产生自由电子空穴对的现象。复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇，就会填补空穴，使两者同时消失。在动态平衡时载流子浓度一定。,在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷P），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。,含有的粒子：自由电子（多子）空穴（少子），不能移动的正离子。,N型半导体主要靠自由电子，掺入P元素越多，导电性越强。,三、N型半导体,P型半导体主要靠空穴导电，掺入硼元素越多，导电性越强。,四、P型半导体,在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼B），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。,含有的粒子：自由电子（少子）空穴（多子），不能移动的硼负离子。,1.4.1 PN结的形成及其单向导电性一、PN结的形成扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动。气体、液体、固体均有之。,自由电子从N区向P区扩散，空穴从N区向P区扩散。扩散运动使交界面形成空间电荷区，产生内电场。,少子在电场力的作用下产生的运动称为漂移运动,当多子扩散和少子漂移达到动态平衡，形成PN结,内电场抑制多子的扩散，有利少子的飘移。,二、PN结的单向导电性,PN结加正向电压：内外电场方向相反，耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。,PN结加反向电压：内外电场方向相同，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。,结论：PN结具有单向导电性。PN结加正向电压导通，加反向电压截止，导通方向：P N,1.4.2 二极管的特性和主要参数,二极管=PN结+引线+管壳。,二极管符号,D,阳极 阴极,1.二极管的伏安特性,二极管两湍的电压与流过的电流之间的关系曲线。,练习：,正向特性：当二极管所加正向电压大于开启电压时处于导通状态。反向特性：当二极管加反向电压时处于截止状态,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,2、二极管的参数,(1)最大整流电流IF：二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,(2)反向击穿电压UBR和最高反向工作电压URM：二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。,(3)反向电流IR：二极管未击穿时的反向电流，值越小，单向导电性越好。,(4)最高工作频率fM,在实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。,1.4.3 二极管的工作点和理想特性,1、二极管的工作点,静态电阻：直流电路中二极管的两端电压与断电流的比值：,动态电阻,UD=USRID,二极管自身的特性曲线与电路约束关系曲线的交点称为二极管的工作点Q（UD,ID）.,练习：在上面的电路图中，US=4.7V、R=2V、二极管的导通电压取0.7V，求工作点Q.,解：UD=0.7V,ID=(4.7-0.7)/2=2A,2、二极管的理想特性,考虑正向导通压降,忽略正向导通压降,3、二极管电路的分析方法,分析关键：判断二极管是否导通。-方法：,单个二极管：阳极电位高于阴极电位且足够大。,二极管特性曲线,理想二极管：导通时正向压降为零，截止时反向电流为零的二极管。,多个二极管：二极管都处于开路状态下，开路电压大的优先导通。,例1 设右图中二极管导通时的正向压降为0.7V，试分析D1、D2的工作情况并求I值。,解：D1、D2都处于开路状态时，Va=12V,Vb=3V,Vc=0V,开路电压：Uab=15V,Uac=12V,D1优先导通。D1一旦导通，Uab=0.7V,Va=3+0.7=2.3V，D2处于反向截止状态。,多个二极管：二极管都处于开路状态下，开路电压大的优先导通。,进入稳压区的最小电流,1.伏安特性 由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。,2.主要参数 稳定电压UZ、稳定电流IZ 最大功耗PZM IZM UZ动态电阻rzUZ/IZ,1.4.4 稳压二极管,稳压二极管又称齐纳二极管，是一种用特殊工艺制造的硅半导体二极管；这种管子的杂质浓度比较大，空间电荷区内的电荷密度也大，因而该区域很窄，容易形成强电场。当反向电压加到某一定值时，反向电流急增，产生反向击穿,不至于损坏的最大电流,稳压二极管工作在反向击穿区。,3.稳压二极管的应用举例,例：1、UI=10V,若稳压管的稳定电压为6V，电路正常工作时，UO=?2、若IZ=5mA,IZM=25mA,RL=600欧，求稳压管正常工作时，R的取值范围？,解：1、UO=6V，2、,1.4.5 发光二极管和光电二极管,1.发光二极管,工作在正向偏置状态，正向导通后发光，导通压降大于普通二极管。,2.光电二极管,工作在反向偏置状态，光照射后反向导通，导通电流与光照强度相关。,部分二极管的照片,整流二极管,稳压二极管,发光二极管,光电二极管,1.5 双极晶体管,1.5.1 基本结构和电流放大作用1.5.2 特性曲线和主要参数1.5.3 简化的小信号模型,双极晶体管简称晶体管、三极管。,1.基本结构和符号,1.基本结构和符号,两个PN结：发射结、集电结,三个电极：发射极E、基极B、集电极C,三个区：发射区杂质浓度高（多数载流子最多）集电区杂质浓度高,比发射区稍低 基 区杂质浓度相对很低,2.电流放大作用,条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,载流子的运动和电流的形成：,发射结外电场发射区大量电子载流子向基区运动，电源向发射区补充电子发射极电流 IE。,进入基区的电子载流子少量与基区空穴复合，电源UBB向基区补充空穴基极电流 IB。,集电结外电场基区的大部分电子载流子进入集电区，并由电源收集集电极电流 IC。,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。,IE=IB+IC IB+ICIE,改变UBEIB变化IB，IBIC、IE,IB+ICIE,1.5.2 特性曲线和主要参数,1.共发射极输入、输出特性曲线,输入特性曲线：,与二极管正向特性曲线类似。,输出特性曲线：,iB=f(uBE)|UCE=常数,iC=f(uCE)|iB=常数,截止区：IB=0 曲线一下区域,特点：集电结、发射结均反向偏置，无放大作用，IC=ICEO0，集电极与发射极相当于断开的开关用于开关电路。,饱和区：UCEUBE的区域,特点：发射结、集电结均正向偏置，无放大作用,有IC，但UCE=UCES0（约0.3V），集电极与发射极相当于接通的开关用于开关电路。,放大区：IC=IB,特点：发射结正向偏置，集电结反向偏置，有放大作用用于放大电路。,2.主要参数,电流放大系数,穿透电流ICEO,集电极最大允许电流ICM,集电极最大允许耗散功率PCM,集电极发射极反向击穿电压U(BR)CEO,1.5.3 简化的小信号模型,1.受控源概念,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。,电压控制电压源（VCVS）电压控制电流源（VCCS）电流控制电压源（CCVS）电流控制电流源（CCCS）,四种类型：,四种受控源符号：,VCVS,VCCS,CCVS,CCCS,2晶体管的简化小信号模型,晶体管工作在放大区，即:,B-E之间，工作在输入特性的近似线性区，用电阻rbe模拟。,用电流控制电流源模型。,rb=200 IE单位mA。,C-E之间，IC=IB。,IC与UCE基本无关。,部分晶体管的照片,1.6 绝缘栅场效应晶体管,1.6.1 基本结构和工作原理1.6.2 特性曲线和主要参数1.6.3 简化的小信号模型,1.6.1 基本结构和工作原理,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,1.基本结构,耗尽型NMOS管结构G 栅极S 源极D 漏极,耗尽型NMOS,在二氧化硅绝缘层中掺入大量正离子，不加UGS 在两个N+区之间存在N型导电沟道。,增强型NMOS管结构,在二氧化硅绝缘层中掺入少量正离子，尚未形成导电沟道,只有加入足够大的UGS时才形成导电沟道。,P沟道MOS管的符号,2.工作原理,在D-S间外加电源UDD，加于G-S间的电压UGS变化时，漏极电流ID变化。,UGS控制ID 电压控制型器件。,对耗尽型NMOS，UGS可正可负；,对增强型NMOS，UGS为正。,1.6.2 特性曲线和主要参数,1.特性曲线,输出特性：,转移特性：,耗尽型NMOS管的特性曲线,增强型MOS管的转移特性,NMOS管,PMOS管,2.主要参数,夹断电压UGS(off)耗尽型MOS管参数。,开启电压UGS(th)增强型MOS管参数。,饱和漏极电流IDSS 耗尽型MOS管参数。,低频跨导gm,最大漏极电流IDM,最大耗散功率PDM,最大漏-源极击穿电压U(BR)DS,栅源直流电阻RGS,1.6.3 简化的小信号模型,栅源电阻很大，栅极电流IG0,栅源电压控制漏极电流 电压控制电流源模型,