本書電路理論部分主要講述基爾霍夫定律和理想電路的基本元件、電阻電路的等效變換、電路分析的一般方法、網(wǎng)絡定理、動態(tài)電路的時域分析、正弦穩(wěn)態(tài)分析、三相電路、非正弦周期電流電路的穩(wěn)態(tài)分析、二端口網(wǎng)絡、變壓器和電磁鐵等;電子技術部分主要介紹了常見的半導體器件、各種放大電路、集成運算放大器、直流穩(wěn)壓電路、門電路和組合邏輯電路、觸發(fā)器和時序邏輯電路、存儲器等內(nèi)容。
本書作為電路理論與電子技術入門教材,一方面,內(nèi)容由淺入深、通俗易懂,循序漸進地將各個知識點講解清楚,以引導學生學習并掌握;另一方面,在章后附有習題,通過經(jīng)典題型讓學生掌握每章所講授的基本內(nèi)容,提高學生學習興趣,進而達到使學生刻苦鉆研、自覺學習的目的。
本書可以作為高校教學的參考教材,也是一本可以供工程技術人員選用的參考資料。
為了方便教學,本書配有電子課件等教學資源包,任課教師和學生可以登錄“我們愛讀書”網(wǎng)(www.ibook4us.com)免費注冊并瀏覽,或者發(fā)送郵件至hustpeiit@163.com免費索取。
適讀人群 :本書可以作為高校教學的參考教材,也是一本可以供工程技術人員選用的參考資料。
本書作為電路理論與電子技術入門教材,一方面,內(nèi)容由淺入深、通俗易懂,循序漸進地將各個知識點講解清楚,以引導學生學習并掌握;另一方面,在章后附有習題,通過經(jīng)典題型讓學生掌握每章所講授的基本內(nèi)容,提高學生學習興趣,進而達到使學生刻苦鉆研、自覺學習的目的。本書的編寫特點:傳統(tǒng)性、實用性和先進性。一方面,將必要理論基礎知識系統(tǒng)地組織在一起,滿足基礎要求;另一方面,結(jié)合實用、易學的特點,將不必要的理論推導摒棄,使內(nèi)容精簡,滿足少學時要求。在傳統(tǒng)理論的基礎上,本書注重理論與實際的結(jié)合,加強了實際應用的內(nèi)容。所建立的模型來源于實際的認識規(guī)律,闡述了理想元件與實際器件的辯證關系,同時本書還提供了一些實物圖片。每章均附有習題,以幫助學生更好地掌握本章內(nèi)容。
本書是根據(jù)教育部“電工與電子技術”課程教學的基本要求及本科人才培養(yǎng)的規(guī)格和特點,結(jié)合現(xiàn)代電工與電子技術的發(fā)展趨勢而編寫的。
本書的編寫特點:傳統(tǒng)性、實用性和先進性。一方面,將必要理論基礎知識系統(tǒng)地組織在一起,滿足基礎要求;另一方面,結(jié)合實用、易學的特點,將不必要的理論推導摒棄,使內(nèi)容精簡,滿足少學時要求。在傳統(tǒng)理論的基礎上,本書注重理論與實際的結(jié)合,加強了實際應用的內(nèi)容。所建立的模型來源于實際的認識規(guī)律,闡述了理想元件與實際器件的辯證關系,同時本書還提供了一些實物圖片。每章均附有習題,以幫助學生更好地掌握本章內(nèi)容。
本書結(jié)構(gòu)和體系設計的特點如下。前面章節(jié)為電路理論部分,基爾霍夫定律和理想電路基本元件為全書奠定基礎;電路分析的一般方法不但適用于直流電路,而且適用于交流電路;三相電路、非正弦周期電流電路的穩(wěn)態(tài)分析屬于交流電路的范疇。電子部分介紹了組成電路的常用半導體器件特性分析、各種放大電路的工作原理、集成運算放大器、為各種電路提供電源的直流穩(wěn)壓電路等模電基礎知識。最后是數(shù)字電子部分,包括常見的門電路和組合邏輯電路、觸發(fā)器和時序邏輯電路及存儲器等數(shù)電知識。
本書在編寫時,力求突出重點,基本概念明確清晰,努力貫徹教材要少而精和理論聯(lián)系實際的精神。在章末都附有一定數(shù)量的習題,幫助學生加深對課程內(nèi)容的理解。在習題的選擇上充分考慮其針對性、啟發(fā)性和實用性,充分體現(xiàn)出教學要求。使學生能夠?qū)W、練結(jié)合,以幫助學生進一步正確消化、理解和鞏固所學理論知識,增強應用能力。部分習題有一定的深度,以使學生在深入掌握課程內(nèi)容的基礎上擴展知識,能夠分層次逐步把理論與實際應用緊密結(jié)合起來,既能幫助學生提高理解能力,又能培養(yǎng)學生的學習興趣。
全書由大連工業(yè)大學秦偉、王海文及大連工業(yè)大學藝術與信息工程學院葛敏娜擔任主編,廣東技術師范學院天河學院陳朝大、大連工業(yè)大學藝術與信息工程學院李世濤和王虹元擔任副主編。全書共17章,其中,秦偉編寫第2、8、14、17章,王海文編寫第1、3、9章,葛敏娜編寫第10、15、16章,陳朝大編寫第5章,李世濤編寫第11、12、13章,王虹元編寫第4、6、7章。朱琳、黃婷婷、龐瑞、王藝菲協(xié)助進行資料的整理工作。
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由于編者水平有限,書中難免存在不妥和錯誤之處,敬請使用本書的教師、學生以及其他讀者批評指正。
編者
2016年12月
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第1章 基爾霍夫定律和理想電路的基本元件
1.1 電路理論中的常用基本變量及基爾霍夫定律
1.1.1 常用變量、參考方向、關聯(lián)參考方向及功率的判斷
1.1.2 電路和電路模型
1.1.3 基爾霍夫定律
1.2 理想二端電阻元件及歐姆定律
1.2.1 二端電阻元件的廣義定義
1.2.2 理想線性定常電阻元件的伏安特性
1.2.3 理想線性定常電阻的串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)
1.3 理想獨立電源與實際電源
1.3.1 理想獨立電壓源與實際電壓源
1.3.2 理想獨立電流源與實際電流源
1.3.3 實際電壓源與實際電流源的等效變換
1.4 理想線性定常電容元件及理想線性定常電感元件
1.4.1 理想線性定常電容元件及其串并聯(lián)
1.4.2 理想線性定常電感元件及其串并聯(lián)
1.5 理想受控源
習題
第2章 電阻電路的等效變換
2.1 電橋電路
2.1.1 平衡電橋
2.1.2 非平衡電橋
2.2 純電阻電路的Y-△等效變換
習題
第3章 電路分析的一般方法
3.1 標準支路方程及求解電路的一般原則
3.1.1 電路的26方程
3.1.2 電路的標準支路方程
3.2 支路電流法
3.3 節(jié)點電壓法
3.4 回路電流法
3.5 網(wǎng)孔電流法
習題
第4章 網(wǎng)絡定理
4.1 替代定理
4.2 疊加定理
4.3 戴維南定理和諾頓定理
4.3.1 戴維南定理
4.3.2 諾頓定理
4.4 最大功率傳輸定理
4.5 特勒根定理
4.5.1 特勒根定理1
4.5.2 特勒根定理2
4.6 互易定理
習題
第5章 動態(tài)電路的時域分析
5.1 一階電路
5.1.1 一階電路的零輸入響應
5.1.2 一階電路的零狀態(tài)響應
5.1.3 一階電路的全響應
5.1.4 求解一階電路的三要素法
5.1.5 階躍響應與沖激響應
5.2 二階電路
5.2.1 RI,C二階電路的零輸入響廊
5.2.2 零狀態(tài)RLc并聯(lián)電路對沖激激勵的響應
習題
第6章 正弦穩(wěn)態(tài)分析
6.1 正弦交流電路的基本概念
6.1.1 正弦量的三要素
6.1.2 正弦量的相位差
6.2 正弦量的有效值
6.3 阻抗、導納及其相互關系
6.3.1 阻抗的定義
6.3.2 RLC串聯(lián)電路的阻抗
6.3.3 阻抗的串聯(lián)
6.3.4 導納的定義
……
第七章 三相電路
第八章 非正弦周期電流電路的穩(wěn)態(tài)分析
第九章 二端口網(wǎng)絡
第十章 變壓器和電磁鐵
第十一章 半導體器件
第十二章 放大電路
第十三章 集成運算放大器
第十四章 直流穩(wěn)壓電路
第十五章 門電路和組合邏輯電路
第十六章 觸發(fā)器和時序邏輯電路
第十七章 存儲器
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第1章基爾霍夫定律和理想電路的基本元件
第1章
基爾霍夫定律和理想電路的基本元件
1.1電路理論中的常用基本變量及基爾霍夫定律
1.1.1常用變量、參考方向、關聯(lián)參考方向及功率的判斷
在電路理論中,一般常用變量為電壓(降)、電流和電功率。有時也用到電位、電位能、電荷、磁通、磁通鏈等。電壓用小寫字母u或v表示,電流用小寫字母i表示,電功率用字母P表示。
1. 電流
從物理學中我們已經(jīng)知道,電荷質(zhì)點的運動稱為電流。在物理學中已經(jīng)學過電流強度的概念。我們將單位時間內(nèi)通過導體橫截面積的電量定義為電流強度,用i表示,其方向規(guī)定為正電荷移動的方向。
i=dq(t)dt
式中,q的基本單位為庫倫(C),t的基本單位為秒(s),電流強度i的基本單位為安培(A)。其中,10-3 A=1 mA(毫安),10-6 A=1 μA(微安),103 A=1 kA(千安),106 A=1 MA(兆安)。
電流強度i用于衡量電流的大小,簡稱電流。所以i既是物理現(xiàn)象又是強度(大。┑谋硎尽k娏骶推涑梢騺砜创笾驴梢苑譃橐韵氯。
(1) 傳導電流。在金屬導體中自由電子的有規(guī)則的運動,以及在電解質(zhì)中正負離子的有規(guī)則的運動都稱為傳導電流。
(2) 運流電流。電子、離子甚至宏觀帶電體在空間做機械運動形成運流電流。
(3) 位移電流。由公式i=dq(t)dt可知,如果有交變電壓加在電容器兩極板上,由于電場的交變,在接有電容器的電路中導體各橫截面的電量也隨時間變化,電路中也會形成電流,這種電流稱為位移電流。
電流的速度為電磁場建立的速度,也就是光速,即為c=3×108米/秒。
電流按其大小與方向是否隨時間而變,又可以分為以下兩種。
(1) 穩(wěn)恒電流。電流的大小、方向都不隨時間而變,是恒定不變的,這樣的電流又稱為直流電流,用大寫字母I表示。它在測量儀表上的標志為DC(直流電流表)。
(2) 交變電流。大小、方向都隨時間而變的電流,又稱為交流電流,用i(t)表示。它在測量儀表上的標志為AC(交流電流表)。
注:
只改變大小,不改變方向的電流稱為脈動電流,比如將正弦交變電流通過半波整流或全波整流后得到的電流,只改變大小,未改變方向,故為脈動電流;現(xiàn)將脈動電流歸為交流電流。
電流的正方向規(guī)定為正電荷移動的方向,但是在復雜電路中如果未經(jīng)計算,則很難判斷電流的正方向,并且如果是交流電流,無法在圖中標示出每一瞬間電流的方向。因此,有必要在電路圖中預先規(guī)定各支路電流的參考方向。當真實方向與參考方向一致時,電流的代數(shù)值為正;當真實方向與參考方向相反時,電流的代數(shù)值為負。
圖11與圖12中i的方向都是假定方向或參考方向,但通過計算后得出圖11中i1=3 A,說明其電流的真實方向與參考方向相同,確實是從a點流到b點的3 A電流。而計算后得出圖12中i2=-5 A,說明其真實方向與參考方向相反,不是從c點流到d點,而是從d點流到c點,真實方向用虛線及i′1和i′2表示。
圖11電流的真實方向與假定方向相同
圖12電流的真實方向與假定方向相反
由上述分析,可得出以下結(jié)論。
(1) 電路分析計算之前必須規(guī)定電流的參考方向,并在圖中標示出來。
(2) 電流的真實方向由計算結(jié)果(代數(shù)值)與參考方向共同確定:代數(shù)值為正,說明電流的真實方向與參考方向相同;代數(shù)值為負,說明電流的真實方向與參考方向相反。
(3) 電流是標量,不是矢量。
2. 電壓
兩點間的電位之差稱為電壓。電壓用u或U表示。
在庫侖場中,由于庫侖場是保守力場,故電荷處于電場中不同的位置將具有不同的電位能。電荷在電場中移動,電場力所做的功是電位能改變的量度,將試驗電荷q0從a點移到b點,電場力做功為ΔWab。
ΔWab=Wa-Wb=q0∫baEdl=q0∫∞aEdl-q0∫∞bEdl
式中,E為電場強度,q0∫∞aEdl是q0在電場中a點所具有的電位能,q0∫∞bEdl是q0在電場中b點所具有的電位能。
單位電荷所具有的電位能稱為電位,故a點的電位Ua=q0∫∞aEdlq0=∫∞aEdl。同理,b點的電位Ub=∫∞bEdl。其中,無窮遠點∞,稱為參考電位點,其電位為零。
所以電位是電場的固有屬性的表征,僅與產(chǎn)生電場的電荷有關,與試驗電荷無關。
a點與b點之間的電壓為
uab=Ua-Ub=Waq0-Wbq0=∫∞aEdl-∫∞bEdl=∫baEdl
uab僅與a、b兩點的位置有關,與計算路徑無關。如圖13所示,a、b兩點之間的電壓僅僅取決于a、b兩點,而與電荷移動路徑是a→g→b還是a→f→b無關。這一結(jié)論可證明如下:
圖13正電荷的移動路徑
∫a→g→bEdl=∫gaEdl+∫bgEdl
=∫∞aEdl-∫∞gEdl+∫∞gEdl-∫∞bEdl
=∫∞aEdl-∫∞bEdl
=∫∞aEdl+∫b∞Edl
=∫baEdl=uab
∫a→f→bEdl=∫faEdl+∫bfEdl
=∫∞aEdl-∫∞fEdl+∫∞fEdl-∫∞bEdl
=∫∞aEdl-∫∞bEdl
=∫∞aEdl+∫b∞Edl
=∫baEdl=uab
Uab=dwdq
式中:w表示能量,單位為焦耳(J);q表示電荷量,單位為庫侖(C);uab表示a、b兩點間的電壓,單位為伏特(V)。
10-3 V=1 mV(毫伏),10-6 V=1 μV(微伏),103 V=1 kV(千伏), 106 V=1 MV(兆伏)。
電壓按其大小、方向是否隨時間而變可分為直流電壓和交流電壓兩大類。
(1) 直流電壓:大小、方向都不隨時間而變,是恒定值,用大寫字母U表示。
(2) 交流電壓:大小、方向都隨時間而變,是時間函數(shù),用u(t)表示。
同樣,在分析計算之前必須假定電壓的參考方向(參考極性)。用“+”表示高電位端,用“-”表示低電位端,“+”“-”標示在元件或支路的兩端。計算結(jié)果代數(shù)值為正,表明該段電路電壓的真實極性與參考極性相同;如果代數(shù)值為負,則表明該段電路電壓的真實極性與參考極性相反。如圖14和圖15所示,圖14中uab為參考極性,計算結(jié)果uab=3 V,表明uab的真實極性與參考極性相同,確實是a端為高電位端,b端為低電位端,用u′ab表示;而圖15中計算結(jié)果ucd=-5 V,表明該段電路電壓的真實極性與參考極性相反,真實情況是d端為高電位端,c端為低電位端,用u′cd表示。
圖14電壓的真實極性與參考極性相同
圖15電壓的真實極性與參考極性相反
圖16電壓、電流的關聯(lián)(參考)方向
當假定的電流從支路的高電位端流向低電位端時,電壓、電流的參考方向稱為關聯(lián)參考方向,簡稱為關聯(lián)方向,如圖16所示。
3. 關聯(lián)、非關聯(lián)方向
由前面敘述可知,在電路分析時,既要為元件或電路中的電流假設參考方向,也要為它們標注電壓的參考極性,二者是可以獨立無關的、任意假定的。但為了下一步分析問題的方便,引入關聯(lián)參考方向和非關聯(lián)參考方向的概念。當電流的參考方向是從電壓參考方向的正極流入、負極流出時,稱電壓和電流的參考方向是關聯(lián)的(associated);反之,稱電壓和電流的參考方向是非關聯(lián)的(noassociated)。如圖17(a)和圖17(b)所示,圖中N代表元件或電路的一個部分。關聯(lián)與非關聯(lián)一定是對某一個元件或電路而言的。如圖17(c)所示,電壓u、電流i的參考方向?qū)是非關聯(lián)的,對B就是關聯(lián)的。
圖17關聯(lián)、非關聯(lián)方向
4. 電功率
在單位時間內(nèi)電場力所做的功,或者單位時間所轉(zhuǎn)換的電能,稱為電功率,用P表示。
由uab=dwdq可知,dw=uab·dq
于是有
P=dwdt=uabdqdt=iuab
式中,P表示電功率,單位為瓦特(W)。其中,10-3 W(瓦)=1 mW(毫瓦);10-6 W(瓦)=1 μW(微瓦),103 W(瓦)=1 kW(千瓦),106 W(瓦)=1 MW(兆瓦)。
顯然,該式中uab與i的方向是關聯(lián)方向。在i、uab關聯(lián)方向下,若uab>0,i>0,P>0,則說明電壓的真實方向與假定的參考方向相同,電流的真實方向與參考方向也相同,正電荷從高電位移到低電位,電場力做功,電能減少,該段電路吸收功率(吸收能量),如圖18所示。q0為正試驗電荷或任意正電荷。
P=iuab<0,仍然在關聯(lián)方向下,若i>0,則說明電流的真實方向與參考方向一致,電流是從a點流向b點的;因為uab<0,說明uab的真實方向與參考方向相反,應該是Ub為高電位,b為“+”極,Ua為低電位,a為“-”極,如圖19所示,F(xiàn)在正電荷從負極流向正極,不可能是正電荷產(chǎn)生的電場力做功,只可能是外電場力或非電場力做功才能把正電荷推向正極。正試驗電荷q0從低電位移動到高電位,電位能增加了,可以對外做功,相當于電源,如圖110所示。
圖18正試驗電荷q0從高電位移向低電位
圖19正試驗電荷q0從低電位移向高電位
圖110正電荷電位能增加
在關聯(lián)方向下,由P=ui可知:
若P>0,則該段電路吸收功率;
若P<0,則該段電路發(fā)出功率。
若u、i的方向為非關聯(lián)方向,則計算功率時要增加一個負號,即P=-ui。
判斷其是吸收功率還是發(fā)出功率的方法與判斷u、i的方向是否為關聯(lián)方向的方法相似:P>0,為吸收功率;P<0,為發(fā)出功率。
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