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概要

第一章基础知识（讲师用PPT）中国网通（集团）有限公司2006年12月中国网通运维人员岗位培训丛书－动力专业内部资料注意保密电工基础与系统组成基础知识第一章第一节直流电源第二节交流电源第三节变压器与电动机第四节半导体元件及其应用第五节集成运算放大器第六节直流稳压电源电工基础与系统组成基础知识第一章第一节直流电路第二节交流电路第三节变压器与电动机第四节半导体元件及其应用第五节集成运算放大器第六节直流稳压电源第一节直流电路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μA10mA101A63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(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。在直流电路中，式（1.1）可写成(1.2)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dtdqitQI第一节直流电路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）(b)图1.2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（I0）；当电流的参考方向与实际方向相反时，电流为负值（I0）。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μV10mV10V101kV1263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(1.3)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(1.4)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：。dqdWuABQWU第一节直流电路第一节直流电路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(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：（1.6）QWVBAABVVU第一节直流电路V0=0VA=VA-V0=UA0=1V则VB=VB-V0=UB0=-U0B=-1VUAB=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=2VUAB=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=-2VUAB=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。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(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(1.9)电源力产生（或发出）的电功率为(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。UItUQWUItWPItUQUWSSSIUPSS第一节直流电路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。第一节直流电路6.电阻元件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（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，根据欧姆定律有（1.12）RiuRiu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电阻元件伏安特性由式（1.11）可得电阻元件的功率为由上式可知：电阻总是消耗能量的。022RuRiuipμH10mH101H63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，即式中：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（µH），即。iL第一节直流电路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（1.13）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（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。dtdiLeuL2021LiLidiWiLpF10μF101F126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（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（µF）或皮法（pF），即。uqC第一节直流电路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（1.16）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量为（1.17）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。dtduCdtdqi图1.13电容元件uCCuCuduW02211．3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或(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)。UGRUIGIIRU第一节直流电路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，即写为或（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。UGRUIGIIRU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