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运维人员岗位培训-电源-(理论第1章)基础知识与通信系统组成


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中国网通运维人员岗位培训丛书-动力专业

第一章 基础知识
(讲师用PPT)

中国网通(集团)有限公司 2006年12月

电工基础与系统组成

第一章

基础知识
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 直流电源 交流电源 变压器与电动机 半导体元件及其应用 集成运算放大器 直流稳压电源

电工基础与系统组成

第一章

基础知识
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 直流电路 交流电路 变压器与电动机 半导体元件及其应用 集成运算放大器 直流稳压电源

第一节

直流电路
第一节 直流电路

1.1电路及其组成 把一些电器设备或元件,按其所要完成的功能,用一定方式连接而 成的电源通路称为电路。 一个完整的电路是由电源、负载和中间环节(包括开关和导线等) 三部分组成。 电源是将非电能如化学能、机械能和原子能等转换为电能,并向电 路提供能量;负载是指电路中能将电能转换为非电能的用电设备,如电 灯、电动机和电热器等;中间环节是指将电源连接成闭合电路的导线、 开关设备和保护设备等,也经常接有测量仪表或测量设备。

第一节

直流电路

如图1.1(a)所示是按实物做出的手电筒电路的示意图,这是 最简单的实际电路,它由干电池(电源)、小灯泡(负载)和开关(中 间环节)三部分组成。

图1.1 简单电路

第一节

直流电路

1.2 电路的主要物理量及元件 1. 电流 电流的强弱用电流强度来表示,其数值等于单位时间内通过导体某 一横截面的电荷量。设在dt时间内通过导体某一横截面的电荷量为dq, 则通过该截面的电流强度为 dq
i ? dt
(1.1)

在一般情况下,电流强度是随时间而变的。如果电流强度不随时间 而变,即dq/dt=常数,则这种电流就称为恒定电流,简称直流。在直流 Q 电路中,式(1.1)可写成 I? (1.2) t 在国际单位制(SI)中,规定电量Q的单位为库仑(C),时间的 单位为秒(s),电流的单位为安培(A),即1A=1C/s。电流的单位还 有毫安(mA)、微安(μA),其换算关系为 1A ? 10 3 mA ? 10 6 μA

第一节

直流电路

电流的方向习惯上规定正电荷移动的方向或负电荷移动的反方向为 电流的方向(实际方向)。电流的方向是客观存在的,在简单电路中, 可以很容易判断出电流的实际方向,如图1.2(a)中的I1、I2。倘若在图中 A、B两点间再接入一个电阻如图1.2(b)所示,那么该电阻中的电流方 向就很难直观判断了。另外,在交流电路中,电流是随时间变化的,在 图上也无法表示其实际方向,为了解决这一问题,须引入电流的参考方 向这一概念。

(a)
图 1.2

(b)
电流方向的判断

第一节

直流电路

电流的参考方向可以任意选定,在电路中一般用箭头表示。当然, 所选的电流参考方向不一定就是电流的实际方向,当电流的参考方向与 实际方向一致时,电流为正值(I>0);当电流的参考方向与实际方向 相反时,电流为负值(I<0)。这样,在选定的参考方向下,根据电流 的正负值,就可以确定电流的实际方向,如图1.3所示。

图 1.3 电流的参考方向与实际方向

第一节

直流电路

2. 电压 在电路中,如果设正电荷由A点移动到B点时电场力所做的功为dW, 则A、B两点间的电压为 dW (1.3) u ?
AB

dq

也就是说,电场力把单位正电荷由A点移动到B点所做的功在数值上 等于A、B两点间的电压。在直流电路中,上式可写成 W (1.4) U ?

Q

在国际单位制中,电压的单位是伏特(V)。当电场力把1库仑(C) 的电荷从一点移到另一点所做的功为1焦耳(J)时,该两点间的电压为1 伏特(V)。电压的单位还有毫伏(mV)、微伏(μV)、千伏(kV)。 其换算关系为: 1kV ? 10 3 V ? 10 6 mV 。1012 μV ?

第一节

直流电路

3. 电位 在电器设备的调试和检修中,经常要测量某个点的电位,看其是否 符合设计数值。电位是度量电势能大小的物理量,在数值上等于电场力 将单位正电荷从该点移到参考点所做的功,即

W V? Q

(1.5)

由此可以看出:电路中任意一点的电位,就是该点与参考点之间 的电压,而电路中任意两点之间的电压,则等于这两点电位之差。因此, 电位的测量实质上就是电压的测量,即测量该点与参考点之间的电压。 电压与电位的关系为:

U AB ? V A ? VB

(1.6)

第一节

直流电路

V0=0 VA=VA-V0=UA0=1V 则 VB=VB-V0=UB0=-U0B=-1V UAB=UA-UB=2V 在图1.6(b)中,以B点为参考点,即令 VB=0 则 VA=VA-VB=UAB=2V UAB=VA-VB=2V 在图1.6(C)中,以A为参考点,即令 VA=0V 则 VB=VB-VA=UBA=-UAB=-2V UAB=VA-VB=2V

图 1.6

电位的计算示例

第一节

直流电路

可以看出,参考点选得不同,电路中各点电位也不同,但任意两点 间的电位差即电压不变。电路中各点的电位高低是相对于参考点而言的, 而两点间的电压则与参考点的选择无关,如果不选择参考点去讨论电位 是没有意义的。 在电子技术的学习中,经常用电位来分析和讨论问题,这给电路分 析带来方便。因此,在电子电路中,往往不再把电源画出,而改用电位 标出。 电位参考点的选取原则上是任意的,但实用中常选大地为参考点, 在电路图中用符号“ ”来表示。有些设备的外壳是接地的,凡与机壳 相连的各点,均是零电位点。有些设备的机壳不接地,则选择许多导线 的公共点(也可以是机壳)做参考点,电路中用符号“ ”表示。

第一节

直流电路

4. 电动势 在电源中,正电荷在电场力作用下不断从正极流向负极,如果没有一 种外作用力,正极因正电荷的减少会使电位逐渐降低,而负极则因正电荷 的增多会使电位逐渐升高,故正、负极板间的电位差就会减小,最后为零。 为了维持电流,必须使正、负极板间保持一定的电压,这就要借助电场 力使移动到负极的正电荷经电源内部移到正极。为了衡量电源力对电荷 做功的本领,引出电动势的概念。

第一节

直流电路

5. 电能和电功率 设直流电路中,A、B两点间的电压为U,在时间t内电荷Q受电场力 作用从A点经负载移动到B点,电场力所做的功为

W ? UQ ? UIt
W P? ? UI t

(1.7)

这就是在t时间内所消耗(或吸收)的电能,而单位时间内消耗的 电能称为电功率(简称功率),即负载消耗(或吸收)的电功率为
(1.8)

在时间t内,电源力将电荷Q从电源负极经电源内部移到正极所做的 功为 WS ? U S Q ? U S It 电源力产生(或发出)的电功率为
(1.9)

PS ? U S I

(1.10)

在国际单位制中,功的单位是焦耳(J),功率的单位是瓦特(W)、 还有千瓦(kW)、毫瓦(mW),且1kW=103W=106mW。

第一节

直流电路

在电路分析中,一个电路,电源产生的功率与负载、导线及电源内 阻上消耗的功率总是平衡的,遵循能量守恒和转换定律。同时电路中不 仅要计算功率的大小,有时还要判断功率的性质,即该元件是产生功率 还是消耗功率。根据电压和电流的实际方向可以确定电路元件的功率性 质。 当U和I的实际方向相同,即电流从“+”端流入,从“-”端流出, 则该元件是消耗(吸收)功率,属负载性质;当U和I的实际方向相反, 即电流从“+”端流出,从“-”端流入,则该元件是输出(提供)功率, 属电源性质。 由此可见,在电路元件上U和I在关联参考方向的条件下,当P为正 值时,表明U、I的实际方向相同,该元件是负载性质消耗功率;当P为 负值时,表明U、I的实际方向相反,该元件是电源性质提供功率。如果 U、I取非关联参考方向,则情况相反。

第一节
6. 电阻元件

直流电路

电阻元件是从实际电阻器中抽象出来的,如电灯、电炉等。图形符号如图 1.9所示,用字母R表示。当电阻上的电压与电流取关联参考方向时,如图1.9所 示,根据欧姆定律有

u ? Ri
律有

(1.11)

当电阻上的电压与电流取非关联参考方向时,如图1.10所示,根据欧姆定

u ? ? Ri

(1.12)

第一节

直流电路

在关联参考方向下,当R=u/i是常数时,也称其为线性电阻,其伏安特性曲 线为通过原点的一条直线,如图1.11所示。

图1.9 电阻关联参考方向

图1.10 电阻非关联参考方向

图1.11 电阻元件伏安特性
2

u2 ?0 由式(1.11)可得电阻元件的功率为 p ? ui ? Ri ? R
由上式可知:电阻总是消耗能量的。

第一节

直流电路

7. 电感元件 电感元件是从实际电感线圈抽象出来的电路模型。当电感线圈通以 电流时,将产生磁通,在其内部及周围建立磁场,储存磁场能量。当忽 略导线电阻及线圈匝与匝之间的电容时,可将其抽象为只具有储存磁场 能量性质的电感元件。电感上的磁链与电流成正比,



? L? i

式中:比例系数L称为电感,是表征电感元件的特征参数。

在国际单位制中,电感的单位为亨(H),当线圈中电流变化率为 1A/s,产生1V的感应电动势时,则该电感线圈的电感为1H。实际中常采 用毫亨(mH)或微亨(?H),即 1H ? 10 3 mH ? 10 6 μH。

第一节

直流电路

如图1.12所示,根据电磁感应定律,当电感线圈中的电流i变化时, 磁场也随之变化,并在线圈中产生自感电动势eL。当电压、电流和电动 势的参考方向如图1.12所示时,则有 di u ? ?e L ? L (1.13) dt 式(1.13)表明,电感元件两端的 电压与电流相对时间的变化率成正比。 电流变化越快,电感元件产生的自感电 动势越大,与其平衡的电压也越大。 当电感元件中流过稳定的直流电流时, 因di/dt=0,eL=0,故u=0,这时 电感元件相当于短路。 将式(1.13)两边乘上i并积分,可得 图1.12 电感元件 电感元件中储存的磁场能量为 W ? i Lidi ? 1 Li 2 L ?0 2 (1.14) 式(1.14)说明,电感元件在某时刻储存的磁场能量,只与该时刻 流过的电流的平方成正比,与电压无关。电感元件不消耗能量,是储能 元件。

第一节

直流电路

8. 电容元件 电容元件是从实际电容器抽象出来的电路模型。实际电容器通常由 两块金属板中间充满介质构成,电容器加上电压后,两块极板上将出现 等量异号电荷,并在两极板间形成电场,储存电场能。当忽略电容器的 漏电阻和电感时,可将其抽象为只具有储存电场能量性质的电容元件。 电容器极板上储存的电量q与外加电压u成正比,即

C?

q u

(1.15)

式中,比例系数C称为电容,是表征电容元件特性的参数。 在国际单位制中,电容的单位为法(F)。当将电容器充上1V的电 压时,极板上若储存了1C的电量,则该电容器的电容就是1F。实际中常 采用微法(?F)或皮法(pF),即1F ? 10 6 μF ? 1012 pF 。

第一节

直流电路

如图1.13所示,当电容上的电压与电流取关联参考方向时,有 dq du i? ?C (1.16) dt dt 式(1.16)表明,电容元件上通过的电流,与元件两端的电压 相对时间的变化率成正比。电压变化越快,电流越大。当电容元件 两端加恒定电压时,因du/dt=0,i=0, 这时电容元件相当于开路,故电容元件有 隔直流的作用。将式(1.16)两边乘以u并 积分,可得电容元件极板间储存的电场能 u 1 量为 WC ? ? Cudu ? Cu 2 0 2 (1.17) 图1.13 电容元件 式(1.17)说明,电容元件在某时刻储存的电场能量与元件在该时 刻所承受的电压的平方成正比,与电流无关,电容元件不消耗能量,是 储能元件。

第一节

直流电路

1.3欧姆定律 欧姆定律是德国的物理学家欧姆通过大量试验,总结出电流跟电压、 电阻的关系。它是研究和分析任何电路的最基本定律之一。 欧姆定律指出:导体中的电流跟它两端的电压成正比,跟它的电阻 成反比。 欧姆定律的数学表达式为
I? U ? UG R



U ? IR ?

I G

(1.18)

式中,电压U的电位为V,电流I的单位为A,电阻R的单位为Ω ,电导 G的单位是S(西门子)。

第一节

直流电路

由于在电阻中的电流与电压的实际方向总是一致的,即电流是从电 压的“+”极端流入的,所以式(1.18)只有在关联参考方向下才适用, 如图1.14(a)所示。

图1.14 欧姆定律

如果电阻两端的电压和电流的参考方向选取的相反,即电流从电压 的“-”极端流入,如图1.14(b)所示,电压和电流的值总是异号的, 这时欧姆定律应加一个负号,即写为
I ??
I U ? ?UG 或 U ? ? IR ? ? G R
(1.19)

所以,当电压U和电流I为关联参考方向时,欧姆定律U=RI;当电 压U和电流I为非关联参考方向时,欧姆定律U=-RI。

第一节

直流电路

1.4电阻的串联、并联电路 1.4.1电阻的串联电路 在一段电路上,将几个电阻的首尾依次相连所构成的一个没有分支 的电路,叫做电阻的串联电路。如图1.18a所示是电阻的串联电路;图 1.18b是图1.18a的等效电路。

图1.18

电阻的串联电路a)及其等效电路b)

第一节

直流电路

串联电路的特点 多个电阻串联的电路有以下特点: I 1 .串联电路中流过各个电阻的电流都相等,即: ? I 1 ? I 2 ? ? ? I n 2 .串联电路两端的总电压等于各个电阻两端的电压之和,即: U ? U1 ? U 2 ? ? ? U n 3 .串联电路的总电阻(即等效电阻)等于各串联的电阻之和,即: R ? R1 ? R2 ? ? ? Rn 根据欧姆定律得出, 1 ? IR1 , 2 ? IR2 ,? , ? IR ,可以得 U U U
U1 U 2 U U 1 R1 U 2 R2 U n Rn ? ??? ? ? ? R 或者 U 出: R1 R2 R ,U R R ,? ,U
(1.20)

此公式表明,在串联电路中,电阻的阻值越大,这个电阻所分配到 的电压越大;反之,电压越小。即电阻上的电压分配与电阻的阻值成正 比。这个结论是电阻串联电路中最重要的结论。

第一节

直流电路

在如图1.18a) 所示的电路中,将 R ? R1 ? R2 代入公式(1.18 )中
R1 ? U? R1 ? R 2 ? ? R2 U 2? U ? ? R1 ? R 2 ? U1 ?

这两个公式可以直接计算出每个电阻从总电压中分得的电压值,习 惯上就把这两个式子叫做分压公式。

电阻串联的应用

第一节

直流电路

1.4.2电阻的并联电路 将两个或两个以上的电阻两端分别接在电路中相同的两个节点之间, 这种连接方式叫做电阻的并联电路。如图1.20a)所示是电阻的并联电路, 图1.20b)是图1.20a)的等效电路。

图1.20

电阻的并联电路及其等效电路

第一节

直流电路

1.电阻并联电路的特点 多个电阻并联的电路有如下特点: (1).并联电路中各个支路两端的电压相等,即: U ? U1 ? U 2 ? ? ? U n (2).并联电路中总的电流等于各支路中的电流之和,即

(1.21)

I ? I1 ? I 2 ? ? ? I n
(3).并联电路的总电阻(即等效电阻)的倒数等于各并联电阻的倒数 之和,即: 1 1 1 1
R ? R1 ? R2 ??? Rn

若是两个电阻并联,根据上式可求并联后的总电阻为:
R? R1 R2 R1 ? R2

第一节

直流电路

根据公式(1.21)及欧姆定律可以得出: R ? I1 ? n? In R1 ? ? Rn ? I ? In R ? ?

上述公式表明,在并联电路中,电阻的阻值越大,这个电阻所分配 到的电流越小,反之越大,即电阻上的电流分配与电阻的阻值成反比。 这个结论是电阻并联电路特点的重要推论。

电阻并联的应用

第一节

直流电路

1.5 基尔霍夫定律

支路:通常情况下,电路中通过同一电流的分支称为支路。图1.21 电路中有acb、adb和ab三条支路。其中acb、adb支路中有电源,称为 有源支路;ab支路中无电源,称为无源支路。 节点:电路中三条或三条以上支路的连接点 称为节点。图1.21电路中有a、b两个节点,c、d 不是节点。
图1.21 电路举例

回路:电路中任一闭合路径都称为回路,不含交叉支路的回路称为 网孔。图1.21电路中共有abca、adba、cbdac三个回路,abca、adba 两个网孔。

第一节

直流电路

基尔霍夫电流定律(KCL) 基尔霍夫电流定律用以约束连接在同一节点上的各个支路之间的电 流关系。 KCL定义为:在任何时刻,连接电路中任一节点的所有支路电流的代 数和恒等于零。即

?I ? 0

(1.22)

式中,规定电流方向为流向节点a的电流为正值,则流出节点a的电流即 为负值。由此

I1 ? I 2 ? I 3

也可表示为

I1 ? I 2 ? I 3 ? 0

上式说明在任一时刻流进该节点的电流等于流出该节点的电流。

第一节

直流电路

基尔霍夫电流定律也可推广应用于包围几个节点的闭合面(广义节 点),即在任一时刻,通过任何一个闭合面的电流代数和也恒为零。也 就是说,流入闭合面的电流等于流出闭合面的电流。如图1.22中,闭合 面内由三个节点A、B、C。由KCL可得

I A ? I B ? IC ? 0

图1.22 KCL的推广应用

第一节

直流电路

基尔霍夫电压定律(KVL) 基尔霍夫电压定律用以约束回路中的各段电压间的关系。 KVL定义为:在任一回路中,从任一点以顺时针或逆时针方向沿回 路绕行一周,则所有支路或元件电压的代数和恒等于零。即 (1.23) ? IR ??U S 或 ?U ? 0 为了应用KVL ,必须指定回路的绕行方向,若电压的参考方向与回 路的绕行方向一致时取正号,反之则取负号。

第一节

直流电路

如图1.23所示,回路cadbc 中的电源电压、电流和各段电压的参考 方向均已标出,顺时针回路绕行方向可列出如下为

U bc ? U ca ? U ad ? U db ? 0

U S ? U 2 ? U 3 ? U1 ? 0
以上回路是由电动势和电阻构成的,因此上式也可表示为

U S ? R1 I1 ? R2 I 2 ? R3 I 2 ? 0

图1.23 广义回路

第一节
1.6

直流电路

电路的基本分析方法

支路电流法分析和计算电路的具体步骤。
步骤1 :确定支路数b ,同时设定各支路电流的参考方向。 步骤2 :确定节点数n ,根据KCL列出n-1个节点电流方程式。

步骤3 :确定独立回路数(一般选取网孔数,网孔是独立回路),
根据KVL列出b-(n-1)个回路电压方程式。 步骤4 :解联立方程式,求各支路电流。

电工基础与系统组成

第一章

基础知识
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 直流电源 交流电源 变压器与电动机 半导体元件及其应用 集成运算放大器 直流稳压电源

第二节

交流电路

第二节 交流电路 2.1 正弦交流电路 2.1.1正弦交流电的瞬时值表示
大小和方向随时间按正弦规律变化的电流、电压和电动势统 称为交流电,交流电的瞬时值用小写字母i 、u 和e表示。以i为 例,其波形图如图2.1 所示。 幅值Im 角频率ω 初相ψ 它的表达式可写成式中,幅值Im、角频率ω 和 初相ψ 称为交流 电的三要素。
(2.1)

i ? I m sin(?t ? ? )

图(2.1)

第二节

交流电路

2 .相位差 在正弦交流电路中,有时要比较两个同频率正弦量的相位。两个同 ? 频率正弦量相位之差称为相位差,以 表示。 设 u ? U m sin(?t ? ? u ) , i ? I m sin(?t ? ? i ) ,则电压与电流的相位差为 ? ? (?t ? ? u ) ? (?t ? ? i ) ?? u?? i 即两个同频率正弦量的相位差等于它们的初 相差。

第二节

交流电路

若? >0,表明 ? u > ? i ,则u比i先达到最大值,称 u超前于 i一个 ? ,或者说 i滞后于 u一个相位角 。 ? 相位角 若 ? =0,表明 ? u = ? i ,则u与i同时达到最大值,称u与i同相位, 简称同相。 ? 若 ? ? ?180 ,则称 u与 i的相位相反。 若 ? <0 ,表明 ? u < ? i ,则 u 滞后于 i(或i超前于u)一个相位 角? 。 由上可知:两个同频率的正弦量计时起点(t=0)不同时,则它们 的相位和初相位不同,但它们之间的相位差不变。在交流电路中,常常 需要研究多个同频率正弦量之间的关系,为了方便起见,可以选其中某 一个正弦量作为参考,称为参考正弦量。令参考正弦量的初相ψ =0,其 他各正弦量的初相,即为该正弦量与参考正弦量的相位差(或初相差)。

第二节

交流电路

2.1.2正弦交流电的相量表示法 交流电的瞬时值表达式,是以三角函数的形式表示出交流电的变化 规律;交流电的波形图可直观地看出交流电的变化状态;而交流电的相 量表示法,是为了便于交流电的分析和计算。 用复数表示交流电的方法,称为交流电的相量表示法。 1、复数的两种表示形式 2、相量与复数 3、相量的运算

第二节

交流电路

2.2正弦交流电路的计算 最简单的交流电路是由电阻、电容和电感中任一个元件组成的,这 些电路元件仅由R、L、C三个参数中的一个来表征其特性,这样的电路 称为单一参数的交流电路。

第二节

交流电路

2.2.1 电阻电路 日常生活中所用的白炽灯、电饭锅和热水器等在交流电路中都可以 看成是电阻元件,如图2.5(a)所示。

图2.5

电阻电路

第二节

交流电路

1. 电压与电流的关系 如选择电流为参考正弦量,即电流的初相为0° ,瞬时值表达 i 式为? I m sin ?t , 电阻两端的电压 u ? Ri ? RI m sin ?t ? U m sin ?t (2.7) 其波形图如图2.5(b)所示。由式(2.7)及波形图可知,电阻电路 中u与i同频率同相位。其有效值及相量关系分别为 (2.8) U ? RI

U ? RI

?

?

式(2.8)为电阻电路中欧姆定律的有效值形式和相量形式。电 压与电流的相量图如图2.5(c)所示。

第二节

交流电路

2.电阻电路中的功率 电阻上的瞬时功率

p ? ui ? U m I m sin 2 ?t ? UI (1 ? cos 2?t ) ? UI ? UI cos 2?t (2.9)

由此可见:功率p的频率是u、i的频率的两倍,其波形如图2.5(d) 所示。由波形图可见功率虽然随时间变化,但均为正值。由波形图和式 (2.9)即可得出平均功率

1 T U2 P ? ? pdt ? UI ? I 2 R ? T 0 R

(2.10)

由波形图可知:P为正值,说明电阻是吸收功率的元件,它是把电 功率转换成其他有用的功率消耗掉了,所以称电阻为耗能元件。其平均 功率又称为有功功率。

第二节

交流电路

2.2.2 电感电路
在生产和生活中所接触到的将电能转换成动能的设备,如电动机、 风机等,还有改变电压大小的变压器等,在交流电路中起主要作用的是 电感(忽略导线电阻)。

图2.6

电感电路

第二节

交流电路

1.电压与电流关系 如仍选择电流为参考正弦量,即电流i的初相为0°,则其瞬时值表达式 为 i ? I m sin ?t
电感两端的电压

dI m sin ?t di u?L ?L ? ?LI m cos?t ? U m sin(?t ? 90 ? ) (2.11) dt dt
由式(2.11)可见,对于电感电路,u与i频率相同,相位却不同,u 超前i为90°。其波形如图2.6(b)所示。有效值的关系为

U ? XL I



I?

U XL

(2.12) (2.13)

X L ? ?L ? 2?fL

第二节

交流电路

式(2.13)中,X L称为感抗,单位也是欧姆(Ω )。它表示电感对电流 阻碍作用大小的物理量。 X L与电感L和频率f成正比,如果L一定,f愈高 X XL愈大,f愈低XL愈小。在直流电路中,f=0, L =ω L=2π fL = 0,说 明电感在直流电路中可视为短路。即电感有通直阻交的作用。电感两端 的电压与电流的相量关系为 ? ? ? ? U (2.14) U ? jX L I 或 I? jX L
?

相量图如图2.6(c)所示。图2.6(c)中i的初相ψ =0, I =I∠0则
U ? jX L I ? X L I?90 ? ? 0? ? U?90 ?
? ?

第二节

交流电路

2.电感电路中的功率
电感的瞬时功率

p ? ui ? U m I m sin(?t ? 90 ? ) sin ?t ? U m I m cos?t sin ?t ? UI sin 2?t (2.15)

由式(2.15)可知:电感上瞬时功率p的频率是u或i频率的两倍,并按正 弦规律变化,如图2.6(d)所示。在0~π /2区间p 正值,电感吸收功率并把吸 收的电功率转换成磁场能量储存起来;在π /2~π 区间p为负值,电感发出功率, 是将其储存的磁场能量再转换成电场能量送回到电源。电感并不消耗功率,所 以称电感为储能元件。 由图2.6(d)可见,电感的平均功率P=0。虽然电感不消耗功率,但作为负载 的电感与电源之间存在着能量交换,交换的能量用无功功率Q来计量,大小为

U2 Q ? UI ? I X L ? XL 无功功率的单位为乏(var) 。
2

第二节

交流电路

2.2.3 电容电路
下面讨论电容元件在交流电路中的作用,找出电容与电感作用的区别,电 容电路如图2.7(a)所示。

图2.7

电容电路

第二节

交流电路

1.电压与电流关系 如选择电压为参考正弦量,即电压的初相为0° ,电压u 的瞬 时值表达式为 u ? U m sin ?t 则电容上所流过的电流

i ?C

(2.16) du c dU sin ?t ?C m ? ?CU m cos ?t ? I m sin(?t ? 90 ? ) dt dt

由式(2.16)可见对于电容电路,u与i也是同频率不同相位,i 超前u为90°,其波形如图2.7(b)所示。有效值的关系为

U ? XCI
XC ?



I ?

U XC

(2.17) (2.18)

1 1 ? ?C 2?fC

第二节

交流电路

式(2.18)中,Xc称为容抗,单位仍是欧姆(Ω)。它是表示电 容对电流阻碍作用大小的物理量。Xc与频率f成反比,如果C确定后, f愈高Xc愈小,f愈低Xc愈大。在直流电路中,f=O,Xc=1/2πfC=∞, 说明电容在直流电路中可视为开路,即电容有隔直通交作用。电容两 端的电压与电流的相量关系为 ? ? ? U U ? ? (2.19) I? ? j U ? ? jX C I 或 ? jX C XC
相量图如图2.7(c)所示。图2.7(c)中u的初相ψ=0°, U=U∠ 0° ,则 ?
I? j
?
?

U U ? ?90 ? ? 0? ? I?90 ? XC XC

第二节

交流电路

2.电容电路中的功率 电容的瞬时功率 p ? ui ? U m I m sin ?t sin(?t ? 90? ) ?U m I m sin ?t cos?t ? UI sin 2?t (2.20) 由式(2.20)可见,电容p的频率也是i或u频率的两倍,并按正弦规律变 化,如图2.7(d)所示。由p的波形图可见,在0~π /2区间,p为正值,电 容吸收功率,并把吸收的电功率以电场能量的形式储存起来;在π /2~ π 区间,p为负值,电容发出功率,是将其储存的电场能量再送回到电 源。电容并不消耗功率,所以电容元件也是储能元件。 由图2.7(d)可见,电容的平均功率P=0。电容与电源之间交换的能 量用无功功率Q来计量,其大小为 U2 2 (2.21) Q ? UI ? I X ?
C

XC

无功功率的单位是乏(var)。

第二节

交流电路

2.2.4 RLC串联交流电路 电阻、电感和电容串联的电路如图2.8所示。下面讨论串联后的阻抗、 电压、电流及功率的关系。 、 阻抗三角形 电压三角形 和 功率三角形 是分析计算电路的

重要依据。

无功功率的单位是乏(var)

图2.8 RLC串联电路

第二节

交流电路

2.3功率因数的提高 功率因数是有功功率与视在功率之比,用字母 ? 表示。

p ? ? ? cos? S

在只有电感或电容元件的电路中,P=O , S = Q , ? = O ,功 率因数最低,在只有电阻元件的电路中,Q = 0 , S = P, ? =1 , 功率因数最高。如果电感L很大,可采用并接电容的方法提高功率 因数,电路如图2.12 ( a )所示。图2.12(a)中的R为电感线圈的 导线电阻。

图2.12 提高功率因素的方法

第二节

交流电路
?

并联电路选择电压为参考量, U ? U?0? ,电流之间的相量关系可根 ? ? ? 据KCL定律得出 I ? I C ? I L 。由图2.12(b)相量图和式 P ? S cos? ? UI cos? 得出电容支路电流的有效值为 P P p I C ? I L sin ?1 ? I sin ? ? sin ?1 ? sin ? ? (tan ?1 ? tan? ) U cos?1 U cos? U 又根据电容电路有

U I C ? ? ωCU X
ωCU ? P (tan ?1 ? tan ?) U

(2.31)

C?

P (tan ?1 ? tan ?) 2 ?U

第二节

交流电路

? 式中, 1 为没并电容时的功率因数角,可根据条件在三个三角形 中的任意一个求得。 ? 为并入电容后的功率因数角,可根据要达到的 ? =cos ? 的值求得。一般要求0 .9 ≤ ? <1 。如 ? =1 电路则产生 谐振,损坏电气设备。提高功率因数能使电源设备得到充分利用,又 能减小供电电流,减小线路的损耗。

第二节

交流电路

2.4 电路中的谐振
所谓谐振,是指在含有电容和电感的电路中,当调节电路的参数或 电源的频率,使电路的总电压和总电流相位相同时,整个电路的负载呈 电阻性,这时电路就发生了谐振,谐振分为串联谐振和并联谐振。

图2.13串联谐振

R、L、C串联电路如图2.13(a)所示。

第二节

交流电路

2.4.1串联谐振

当 U 与 I 同相时,即? =0,电路产生串联谐振。由阻抗三角
形可得出,串联谐振的条件是 式中, 0为谐振频率 f
XL ? XC

?

?

1 即 2?f 0 L = 2?f 0 C

f0 =

1 2? LC

(2.32)

式(2.32)说明,当调节L或C时就可改变谐振频率 f 0 ,而调节电 源的频率使f= ,就可产生谐振。 f0

第二节

交流电路

串联谐振的特点: 2 ( 1 )电路的阻抗最小并呈电阻性,根据阻抗三角形有 Z 0 ? R ? ( X L ? X C ) ? R ( 2 )电路中的电流最大,为 I ? U ? U 0 Z0 R

U ( 3 )当 X L ? X C 》 时, L ? U C 》 ,串联谐振可以在电容和电感两端产 R U 生高压,故又称其为电压谐振。 谐振电容两端的电压 U C或电感线圈两端的电压 U L 与总电压U的比值, 称为串联谐振电路的品质因数,用字母Q表示为

Q=

UC U

=

UL U

=

1 ? 0 CR

=

?0 L
R

第二节
2.4.2并联谐振

交流电路

电感线圈与电容并联的电路如图2.15(a)所示。

XC

图2.15(a)中R为线圈电阻,一般很小,特别是在频率较高时,R<< ? L , U与 I0 同相时,即 ? =0 ,电路产生并联谐振。由复阻抗的串并联关系可推导出并联谐振的 条件是(在 R<<X L 时,一般情况都能满足)X L = X C 。谐振频率为

图2.15 并联谐振

?

?

f0 =

1 2? LC

第二节

交流电路

并联谐振的特点: ( 1 )电路的阻抗最大,呈电阻性,z 0 =

L RC

U ( 2 )电路的总电流量小,I 0 = Z0
? ?

?

( 3 )谐振总电流 I0 和支路电流和 IL 和 IC 的相量关系如图2.15(b)所示。 并联谐振各支路电流大于总电流,所以并联谐振又称为电流谐振。并联谐振 在电子线路中有着广泛的应用,而在电力工程中应避免谐振给电气设备带来 危害。

第二节

交流电路

2.5 三相交流电路 目前发电及供电系统都是采用三相交流电,在日常生活中所使用的 交流电源,只是三相交流电中的一相。本小节主要介绍三相交流电源, 以及对电压、电流和功率的分析。

第二节

交流电路

2.5.1 三相交流电源

三相交流电是由三相同步发电机产生的。三相同步发电机内有三个结构相 同、空间位置互差1200对称分布的固定绕组,在同一旋转磁场中切割磁力线,产 生三相对称的交流电,如图2.16所示。

图2.16 三相交流电

第二节

交流电路

u A ? U m sin ωt u B ? U m sin(ωt ? 120 ? ) uC ? U m sin(ωt ? 240 ? ) ? U m sin(?t ? 120 ? )
相线、B 相线、C 相线,俗称火线。N 引出线称为中线,俗称零线。相 线与中线之间的电压 u A 、 B 、 C 称为相电压,其有效值用 u P 表示。 u 相线与相线之间的电压 u AB 、u BC 、 uCA 称为线电压,其有效 值用 u 表示。线电压 u 与相电压 u 的关系, u = 3u

u A、u B 、uC 分别为三个对称的单相交流电,三个引出线分别称为A

u

L

L

P

L

如在我国低压配电系统中相电压为220V ,
线电压

P

uL

=

3 ?220=380V。

第二节

交流电路

2.5.2 三相交流电的功率 三相负载总功率与负载的连接方式无关, 三相负载总的有功功率等于各相有功功率代数和, 即: 三相总的无功功率等于各相无功功率的代数和,

P ? PA ? PB ? PC

Q ? Q A ? Q B ? QC 即: 三相总的视在功率根据功率三角形可得:

S ? P2 ? Q2

第二节

交流电路

负载与三相电源连接时尽可能对称分布。如果负载对称,则三相总的功 率分别为:

P ? 3U P I P cos? ? 3U L I L cos? Q ? 3U P I Psin? ? 3U L I Lsin?

S ? 3U P I P ? 3U L I L
式中, ? 是相电压U P与相电流 I P之间的相位差。 应该注意,虽然Y形连接和△形连接计算功率的形式相同,但其具 体的计算值并不相等。

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基础知识
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 直流电源 交流电源 变压器与电动机 半导体元件及其应用 集成运算放大器 直流稳压电源

第三节

变压器与电动机

第三节 变压器与电动机 3.1 变压器
变压器是利用电磁感应原理制成的,它是传输电能或信号的静止电 器,种类很多,应用十分广泛。它能实现变压、变流、变阻抗及电隔离 作用。

第三节

变压器与电动机

变压器由铁心和绕组两部分组成,如图3.1所示。这是一个简单的双 绕组变压器,在一个闭合铁心上套有两组绕组。Nl为一次绕组的匝数, 一次绕组也称为原绕组或原边。N2为二次绕组的匝数,二次绕组也称为 副绕组或副边。通常绕组都用铜或铝制漆包线绕制而成。

图3.1 变压器结构示意图

铁心是用0.35~0.5的硅钢片叠压而成,为了降低磁阻,一般用交错 叠安装的方式,即将每层硅钢片的接缝处错开。 变压器一、二次绕组电流、电压的有效值与匝数的关系为:
U 1 N1 I 2 ? ? U 2 N 2 I1

第三节
3.2

变压器与电动机

三相异步电动机
电动机是能量转换装置,把机械能转化为电能的装置称为发电机,

把电能转化为机械能的装置称为电动机。电动机主要用于拖动生产机械

之用,电动机按所需电源的种类可分为交流电动机和直流电动机,交流
电动机又可分为异步电动机和同步电动机。其中异步电动机由于结构简 单、运行可靠、维护方便和价格便宜,是所有电动机中应用最广泛的一

种。

第三节

变压器与电动机

3.2.1 三相异步电动机的结构 三相异步电动机分成两个基本组成部分:定子(固定部分)和转子 (转动部分),如图3.2所示。

图3.2 三相异步电动机的结构

第三节

变压器与电动机

三相异步电动机的定子由机座和装在机座内的圆筒形铁心及三相定 子绕组构成。机座是用铸铁或铸钢所制成,铁心是由相互绝缘的硅钢片 叠成(与变压器铁心一样)。铁心圆筒内表面冲有槽,如图3.3所示, 用来放置三相对称绕组AX , BY,CZ,三相绕组可接成星形或三角形。

图3.3 定子和转子的铁心

第三节

变压器与电动机

三相异步电动机的转子有两种形式,即鼠笼式和绕线式。转子铁心 是圆柱状,也用硅钢片叠成,表面冲有槽,以放置导条或绕组,轴上加 机械负载。鼠笼式转子做成鼠笼状,就是在转子铁心的槽中置入铜条或 铝条(导条),其两端用端环连接,称为短路环,如图3.4所示。在中 小型鼠笼式电动机中,转子的导条多用铸铝制成。

图3.4 鼠笼式转子

第三节

变压器与电动机

绕线式异步电动机的结构如图3.5所示,它的转子绕组同定子绕组 一样,也是三相,接成星形。每相的始端接在三相滑环上,尾端接在一 起,滑环固定在转轴上,同轴一起旋转,环与环,环与轴,都相互绝缘, 在环上用弹簧压着碳质电刷,借助于电刷可以改变转子电阻以改变它的 起动和调速性能。

3.5图 绕线式转子

第三节

变压器与电动机

3.2.2 三相异步电动机的工作原理 1.旋转磁场的产生 在三相异步电动机定子铁心中放有三相对称绕组AX、BY、CZ,将三 相绕组结成星形接在三相电源上,绕组中便通入三相对称正弦电流为

i A ? I m sin ?t
i B ? I m sin(?t ? 120 ? ) iC ? I m sin(?t ? 120 ? ) 其波形如图3.6所示。

图3.6 三相对称正弦电流

第三节

变压器与电动机

设在正半周时,电流从绕组的首端流入,尾端流出。在负半周时, 电流从绕组的尾端流入,首端流出。取各个不同的时刻,分析定子绕组 中电流产生合成磁场的变化情况,用以判断它是否为旋转磁场。 在 ?t ? 0?时,定子绕组中电流方向如图3.7(a)所示,此时iA=0, iC 为正半周,其电流从首端流入,尾端流出,iB为负半周,电流从尾端流 入,首端流出。可由右手定则判断合成磁场的方向。同理可得出?t ? 60 ? (b图)和 ?t ? 90 ? (c图)时的合成磁场方向,由图发现,当定子绕组 中通入三相电流后,它们产生的合成磁场是随电流的变化在空间不断地 旋转着。

第三节

变压器与电动机

2.磁场的方向 旋转磁场的转向和三相电流iA、iB、iC的顺序有关,也称相序。以 上是按A→B→C的相序,旋转磁场就按顺时针方向旋转。如将三相电源 的任意两相对调位置,可发现此时旋转磁场也反转,因此改变相序可以 改变三相异步电动机的转向。

图3.7 旋转磁场的产生(p=1)

第三节

变压器与电动机

图3.8 旋转磁场的反转

第三节

变压器与电动机

3.旋转磁场的极数 旋转磁场的极数与每相绕组的串联个数有关,以上为每相有一个绕 组,能产生一对磁极( p=1,p为极对数)。当每相有两个绕组串联,则绕 组的首端之间的相位差为1200/2=600 ,则产生的旋转磁场具有两对极 (P=2)称4极电动机,如图3.9和图3.10所示。

图3.9 产生4极旋转磁场的定子绕组

同理,每相有3个绕组串联(p=3时,6极电动机),绕组首端之间 相位差为1200/ 3=400空间角。

第三节

变压器与电动机

图3.10 三相电流产生的旋转磁场(p=2)

第三节

变压器与电动机

4 .旋转磁场的转速(同步转速n0 ) 旋转磁场的转速决定于磁极数。在一对磁极的情况下,当电流从

?t ? 0?到 ?t ? 60 ?时,磁极也旋转了60°,设电源的频率为f,即电
流每秒钟交变f次或每分钟交变了60f次,则旋转磁场的转速为n0=60f,转 ? 速的单位为转/分(r/min);在两对磁极的情况下,当电流从 ?t ? 0 到 ?t ? 60 ?经历了60°时,而磁场在空间仅旋转了30° ,当电流交变 一周时,磁场转过半周,比p = 1 的情况转速慢了一半,即 n0=60f/2, 同理,在三对磁极的情况下,n0 =60f/ 3 。由此可知,当旋转磁场有p 对磁极时,其旋转磁场的转速为 n0=60f/p ( 3.1 ) 在我国,工频f=50Hz,由式(3.1)可得出对应于不同极对数p 的旋 转磁场转速n0:
p 1 2 3 4 5 6 n0(r/min) 3000 1500 1000 750 600 500

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基础知识
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 直流电源 交流电源 变压器与电动机 半导体元件及其应用 集成运算放大器 直流稳压电源

第四节

半导体元件及其应用

第四节 半导体元件及其应用 4.1 二极管 4.1.1二极管的基本结构 将PN 结加上相应的封装并引出两根电极就构成了二极管。常用的 封装有金属封装、塑料封装和玻璃封装等。从P区引出的线称为阳极, 用“+”表示;从N 区引出的线称阴极,用“-”表示。如图4.1 所示。

图4.1 二极管

第四节

半导体元件及其应用

4.1.2二极管的伏安特性 二极管的伏安特性就是加在二极管两端的电压与流过二极管电流之 间的关系,即I=f(u)。如图4.2 所示为硅二极管和锗二极管的实际伏安特 性曲线,由图可见,二极管的伏安特性是非线性的,说明二极管是非线 性元件。

图4.2二极管 的伏安特性

1 .正向特性

2 .反向特性

3 .反向击穿特性

第四节

半导体元件及其应用

4.2三极管 4.2.1三极管的基本结构 半导体三极管又称晶体管,是最重要的电子器件,它具有电流放大 作用和开关的作用。三极管的结构主要有平面型和合金型两大类,如图 4.3 所示。硅管主要是平面型,锗管都是合金型,它是通过一定的工艺 在一块半导体基片上制成两个PN 结,再引出3 个电极,然后用管壳封装 而成。

图4.3 三极管的结构及外形

第四节

半导体元件及其应用

不论平面型或合金型,都分为NPN 型或 PNP 型两类,其结构示意图和 表示符号如图4.4 所示。

图4.4 三极管的结构示意图

第四节

半导体元件及其应用

4.2.2三极管的特性曲线 三极管的特性曲线是用来表示该三极管各极电压和电流之间相互关 系的,它反映出三极管的性能,也是分析放大电路的重要依据,最常用 的是共射极接法的输入特性曲线和输出特性曲线。

图4.5 三极管的特性曲线

第四节

半导体元件及其应用

输入特性曲线是指当集-射极电压 U CE 为常数时,基极电流

电压 U 之间的关系曲线,即: B ? f (U BE ) | U CE ?常数,如图4.5(a)所示。 I BE 输出特性曲线是指当基极电流 I 为常数时,三极管的集电极电流 I C 和 集.射极电压U CE 之间的关系曲线,即:I C
B

I B 与基射极

? f(U CE ) | I B?常数。在不同的

IB下,可得出一族不同的曲线,如图4.5( b )所示。

第四节

半导体元件及其应用

4.3三极管放大电路及负反馈 4.3.1基本电压放大电路的组成 放大电路一般由电压放大和功率放大两部分组成。先由电压放大电 路将微弱信号加以放大去推动功率放大电路,再由功率放大电路输出足 够大的功率去推动执行元件。电压放大电路通常工作在小信号情况下,

而功率放大电路通常工作在大信号情况下。

第四节

半导体元件及其应用

如图4.6 所示是由NPN型晶体管组成的最基本的放大单元电路。作为 放大电路中的晶体管,只有三个电极,因此必有一个电极作为输入、输 出电路的公共端。由于公共端选择不同,晶体管有三种连接方式,即共 发射极电路,共集电极电路和共基极电路。

图4.6共射极单管放大电路

第四节

半导体元件及其应用

4.3.2放大电路中的负反馈 反馈的概念 所谓反馈,就是将放大电路输出端的电量(电压或电流)的一部分或全部,通过一定 网络再送回输入端。 反馈的形式 (1)正反馈和负反馈 (2)直流反馈和交流反馈 (3)电压反馈和电流反馈 (4)串联反馈和并联反馈 反馈技术在电子电路中得到了极为广泛的应用。在放大电路中采用负反馈,可以改善 放大电路性能。因此实用的放大电路几乎都采用负反馈,故通常也称为负反馈放大电路。

第四节

半导体元件及其应用

4.4晶闸管 4.4.1晶闸管结构 晶闸管又称可控硅,它是一种大功率可控整流元件。晶闸管是由三个PN 结 组成的半导体器件,其内部结构如图4.7(a)所示。它有三个电极:由外层P区引 出的电极为阳极A、外层N区引出的电极为阴极K、中间P区引出的电极为控制极G (又称触发极或门极)。图4.7(b)为螺栓型结构晶闸管的外形,螺栓那一端是 阳极引出端,并利用它与散热器固定;另一端粗的引出线是阴极,细的是控制 极。图4.7(c)是一种小功率塑封式晶闸管,图4.7(d)为晶闸管电路符号。

图4.7晶闸管结构、外形及符号

第四节

半导体元件及其应用

4.4.2晶闸管的应用 1.可控整流 2.双向晶闸管及其交流调压 3.可关断晶闸管及其直流调压

第四节

半导体元件及其应用

4.5 MOSFET功率管 4.5.1 MOSFET功率管简介
金属—氧化物半导体场效应管(metal-oxide-semiconductor type field-effect transistor)以下简称MOSFET,是在近十几年发展起来的 一种高速、大功率、高耐压的开关器件。由于这种开关功率管属于电压 控制型,稳态工作时栅极控制电流很小,所以具有很高的电流增益和输 入阻抗,而且结电容很小,几乎不存在储存时间。

第四节

半导体元件及其应用

图4.11和图4.12分别为NPN型三极管和N沟道MOSFET的表示符号。在 图4.11中三极管的三个极分别为集电极(C)、基极(B)和发射极 (E)。MOSFET 与之相对应的三个极分别为漏极(D)、栅极(G)和源 极(S)。N沟道MOSFET管工作时的电流流向与NPN 型三极管电流流向相 同,这就决定了MOSFET管在电路中的联接方法与NPN型三极管是一致的, 但它们在构造和工作方法上有很大的区别。根本的区别是MOSFET管是多 数载流子运动导电的半导体器件,而三极管是既利用多数载流子又利用 少数载流子运动导电的半导体器件。

图4.11 NPN三极管

图4.12 N形沟道MOSFET管

第四节

半导体元件及其应用

MOSFET功率管特性
4.5.2 MOSFET功率管输出特性

4.5.3 MOSFET功率管截止特性

第四节
4.6

半导体元件及其应用

IGBT 复合功率管 MOSFET功率管与三极管相比虽然有很多优良特性,但MOSFET功率管 在导通状态时,其漏极与源极之间存在导通电阻rDS,是造成器件发热严 重,输出效率下降,工作寿命缩短等问题的主要原因。这就使得单只 MOSFET 开关功率管在极端工作情况下(如环境温度高,输入电压低等) 很难输出500W以上的功率。从另一方面看,PNP型三极管在大电流导通 时集电极与发射极之间的电阻可以做得很小,但由于大电流时增益较低, 要求驱动电路有较强的输出功率。

4.15 IGBT的等效电路图

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第五节

集成运算放大器

第五节集成运算放大器

5.1 集成运算放大器简介
运算放大器(简称运放)是具有高开环放大倍数并带有深度负反馈 的多级直接耦合放大电路。早期的运放是由分立器件(三极管和电阻等) 构成的,其价格昂贵,体积也很大。在20世纪60年代中期,第一块集成 运算放大器问世,其是将相当多的三极管和电阻集中在一块硅片上而成 的。它的出现标志着电子电路设计进入了一个新时代。由于集成运算放 大器具有十分理想的特性,它不但可以作为基本运算单元完成加减、乘 除、微分、积分等数学运算,还在信号处理及产生等方面都有广泛的应 用。

第五节

集成运算放大器

5.1.1运算放大器的端子 从处理信号的观点出发,运算放大器有三个端子,即反相输入端 (用符号“-”表示),同相输入端(用符号“+”表示)和输出端,如 图5.1所示。考虑到放大器要有直流电源才能工作,大多数集成运放需 要两个直流电源供电,如图5.2所示。图中7.4两个端子由运放内部引出, 分别连接到正电源+UCC和负电源-UEE。运放的参考地点就是两个电源公共 端地,也就是说,没有一个端子是固定直接接地的。

第五节

集成运算放大器

图5.1 理想运算放大器

图5.2 理想运放的供电方式

除了三个信号端和两个电源供给端以外,运算放大器还可能有几个 供专门用途的其他端子,如频率补偿端和调零端等,这些端子的功能请 参见相关资料。

第五节

集成运算放大器

5.2

运放在信号运算方面的应用 基本运算电路 采用集成运放接入适当的反馈电路就可构成各种运算电路,主 要有比例运算,加、减法和微、积分运算等。由于集成运放开环增 益很高,所以它构成的基本运算电路均为深度负反馈电路,运放两 输入端之间满足“虚短”和“虚断”,根据这两个特点很容易分析 各种运算电路。
1、比例运算 2、加法运算 3、减法运算

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第六节

直流稳压电源

第六节 直流稳压电源 图6.1为直流稳压电源原理框图,其工作过程是利用变压器将交流电 网电压变为所需要的交流电压;然后经过整流电路,把大小和方向都随 着时间变化的交流电变成脉动的直流电;再经过滤波电路,滤除脉动直 流电中的交流成分,输出平滑的直流电;稳压电路的作用是当电网电压 波动或负载变化引起输出的直流电压变化时,通过稳压电路的自动调整 使输出电压维持平稳。

图6.1 直流稳压电源原理框图

第六节

直流稳压电源

6.1.1单相桥式整流电路 单相整流电路的形式有半波整流电路、全波整流电路、桥式整流电 路,其中桥式整流电路应用最广泛。单相桥式整流电路如图6.2(a)所示, 图6.2(b)是其简化电路。它由4只整流二极管接成电桥形式,其中两个 共阴极组二极管的阴极接负载 RL 的一端,为输出直流电的正极。另两 个共阳极组二极管的阳极接负载 RL 的另一端,为输出直流电的负极。 两个二极管阳极和阴极相连的端子接整流变压器的次级绕组。

( a )电路原理图 ( b )电路简化图 图6.2 单相桥式整流电路

第六节

直流稳压电源

6.1.2 三相桥式整流电路 三相桥式整流电路如图6.3 所示。

图6.3 三相桥式整流电路

第六节

直流稳压电源

图6.4 三相桥式整流的电压波形

第六节

直流稳压电源

其波形如图6.4所示。在 t1 ? t 2 期间,a点电位最高,所以VD1导通,VD1导 通后使 VD3 、VD5 承受反向电压而截止;b点电位最低,所以VD4导通, VD4导通后使VD2 、VD6承受反向电压而截止。此期间电流的通路为 a ? VD 1 ? R L ? VD 4 ? b 负载两端电压为线电压Uab ,如图6.4(b)所示。 同理,在 t 2 ? t 3 期间,a点电位最高,c点电位最低,所以VD1、VD6导通, 其余4个二极管都截止,电流通路为a ? VD ? R ? VD ? c 负载两端电压为 线电压Uac 。其余时间以此类推。二极管导通顺序如图6.4所示。由图 6.4(b)可知,负载所得整流电压U0 的大小,等于变压器副边三相相电压 的上下包络线间的垂直距离所对应的电压值。它的脉动较小,其平均值 为: U0 =2.34U2 式中,U2为变压器副边相电压的有效值。
1 L 6

负载中电流 i0的平均值为: I

0

U0 U2 ? ? 2.34 RL RL

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由于在一个周期中,每个二极管只有三分之一的时间导通,因此流 过每个管的平均电流为

1 U I AV ? I 0 ? 0.78 2 3 RL

每个二极管所承受的最高反向电压为变压器副边线电压的幅值,即

U DRM ? 3U 2 m ? 3 ? 2U 2 ? 2.45U 2

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6.2 滤波电路 滤波电路的主要元件是电容和电感,利用它可构成电容滤波电路、 电感滤波电路,电容电感Г 形滤波电路和π 形滤波电路等,其中以电容 滤波电路最常用。电容滤波电路如图6.5(a)所示,滤波电容器并接在负 载两端。

图6.5 电容滤波电路

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电容滤波电路工作原理如下: 根据电容器的储能作用,电容滤波电路输出波形如图6.5(b)所示。 设t=O时电路接通电源,电路中电容电压UC从零开始增大,电流分成两路: 一路流向RL ,一路向电容器C充电。由于桥式整流电路中二极管导通时 的内阻和整流变压器次级绕组的直流电阻都很小,所以充电时间常数? 1 很小,充电速度很快,c (t ) 可跟随 u 2 (t ) 变化。当 u 2 (t ) 达到 2 U 2时, u 也达到 uc (t ) 。 2 U 2 达到最大值后开始下降,2 (t ) 由于放电也逐渐下 u u c (t ) 降,当 u 2 (t ) < uc (t ) 时,电桥中二极管截止,电容器C经RL放电,这个 回路的放电时间常数 = ? 2 较大,所以 R C 下降比较缓慢。(t ) 越 uc L 大,? 2 下降越缓慢,输出电压波形就越平滑。当下一个正弦半波来到 u c (t ) 并大于(t ) 时,电容器C又开始充电,充至最大值后再次经RL 放电。如 uc 此周而复始地进行下去,就得到图6.5(b)所示比较平滑的波形。

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6.3 稳压电路
整流滤波后所得的直流电压虽然比较平滑,但是当电网电压波动或
者负载变动时,输出的直流电压也跟着变动。实际工作中,电网电压的 波动及负载的变动是客观存在的,因此负载两端的电压是不稳定的。稳

压电路的作用就是向负载提供稳定的直流电压。稳压电路按所用器件可
分为分立元件直流稳压电路和集成直流稳压电路;按电路结构可分为并 联型直流稳压电路和串联型直流稳压电路;按电压调整单元的工作方式

则可分为线性直流稳压电路和开关型直流稳压电路。

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6.3.1并联型稳压电路 并联型稳压电路如图6.6 所示。稳压管与负载并联,并有限流电阻R 配合接入整流滤波电路之后才能起到稳压作用。
在图6.6所示的电路中根据KCL 和KVL 定律有

I ? IZ ? IL
Ui ? UR ? UL

图6.6 并联型直流稳压电路

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如下: 当交流电网波动时,如电网电压上升,则

u i为整流滤波电路的输出电压,也是稳压电路的输入电压,其稳压过程分述
U i ?? U L ?? U Z ?? I Z ?? I ?? U R ?? U L ? 当电网未波动u不变,而负载R 变动时,如R 减小,则
I L ?? I ?? U R ?? U L ?? U Z ?? I Z ?? I ?? U R ?? U L ?
i

总之,无论是电网波动还是负载变动,负载两端电压经稳压管自动调整后 (与限流电阻R 配合)都能基本上维持稳定。 并联型稳压电路结构简单,但受稳压管最大电流限制,又不能任意调节输出 电压,所以只适用于输出电压不需调节,负载电流小,要求不高的场合。

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6.3 开关稳压电路 串联稳压电路,虽具有输出稳定度高、电路简单、工作可靠等优点, 但调整管必须工作在放大状态,当负载电流较大时,调整管会产生很大 的功耗,这不仅降低了电路的转换效率,对节约能源不利,而且为解决 散热问题,必须增大散热片,增加了电源的体积和重量。为降低调整管 的管耗,可使调整管工作在开关状态。这样调整管只有在由饱和导通转 换到截止或由截止转换到饱和导通的瞬间,才进入放大区而消耗一定的 能量。这种调整管工作在开关状态的稳压电路称为开关稳压电路,习惯 上称开关稳压电路中的调整管为开关调整管或开关管。开关稳压电路效 率高,但电路复杂,对元器件要求较高,因此造价较串联稳压电路高。 目前,计算机、电视机等都采用开关稳压电路。 开关稳压电路种类繁多,现以脉宽调制式串联型开关稳压电路为例, 来介绍开关稳压电路的工作原理。

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6.3.1脉宽调制式(PWM)串联型开关稳压电路

脉宽调制式串联型开关稳压电路的基本电路如图6.8所示。图6.8中, i U
为开关稳压电路的输入电压,是经整流滤波后输出的直流电压; 1 、2 组成 R R 取样单元,取样电压即反馈电压 U f ; 1 为比较放大器,同相输入端接基准电 A 压 U R,反相输入端接U f ,它将两者差值进行放大;A2 为脉宽调制式电压比较 器,同相端接 A1 的输出电压U 01 ,反相端与三角波发生器输出电压 U T 相连, 输出的矩形波电压 就是驱动调整管通、断的开关信号;VT是开关调整管; U02 A2 L 、C 为Г 形滤波器,VD为续流二极管; 为负载, RL

为稳压电路输出电压。 U0

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图6.8脉宽调制式串联型开关稳压电路

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6.4.2 工作过程 由电压比较器的特点可知,当U01> UT时,U+ > U- ,U02为高电 平,反之,U02为低电平。当U02为高电平时,VT饱和导通,输入电压Ui 经滤波电感L加在滤波电容C和负载R两端,在此期间,iL增长,L和C储 存能量,VD因反偏而截止。当 U02为低电平时,VT 由饱和导通转换为 截止,由于电感电流iL不能突变,iL经 RL 和续流二极管衰减而释放能 量,此时滤波电容 C也向 R放电,因而RL 两端仍能获得连续的输出电 压。当开关调整管在U02 的作用下又进入饱和导通,L、C再一次充电, 以后VT又截止,L、C又放电,如此循环不已。 输出电压U0与输入电压Ui的关系为 t

UO ?

on

式中:t0n—— 开关调整管导通时间; T——重复周期,由三角波发生器电压 UT的周期决定。

T

Ui

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6.4.3稳压原理 当输入的交流电源电压波动或负载电流发生改变时,都将引起输 出电压UO的改变,由于负反馈作用,电路能自动调整而使UO基本上维持 稳定不变。稳压过程如下:
U o ?? U f ? ( U f ? U R) u o1为负值 ? u o2输出高电平变窄(t on ?) ? U o ? ?

从而使输出电压基本不变。 反之, Uo ?? Uf ? (U R ? Uf) u o1为正值 ? u o2输出高电平变宽(t on ?) ? Uo ? ? 同样使输出电压基本不变。

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稳压过程的波形分析如图6.7所示。

图6.7 U o变动引起的自动调整过程

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