电工电子基础知识

电工电子基础知识一、导体、绝缘体和半导体（超导体）知识二、电阻、电容、电感相关知识及应用三、电路分析方法四、二极管、可控硅整流原理第一部分导体、绝缘体和半导体、超导体知识导体、半导体、绝缘体器件是构成各种电气设备、电工电子器件的基础，在电力生产上，更是普遍存在，作为一名电力生产人员，应熟悉掌握导体、半导体、绝缘体的定义和性质以及应用。一、导体定义：具有良好导电性能的材料就称为导体。大家知道，金属、石墨和电解液具有良好的导电性能，他们都是导体。集肤效应：又叫趋肤效应。直流通过导线时电流密度均匀分布于导线截面，不存在集肤效应。而当交变电流通过导体时,电流将集中在导体表面流过,这种现象叫集肤效应。二、绝缘体定义：不导电的物质，称为绝缘体。如包在电线外面的橡胶、塑料。常用的绝缘体材料还有陶瓷、云母、胶木、硅胶、绝缘纸和绝缘油（变压器油）等，空气也是良好的绝缘物质。导体和绝缘体的区别决定于物体内部是否存在大量自由电子，导体和绝缘体的界限也不是绝对的，在一定条件下可以相互转化。三、半导体有一些物质，如硅、锗、硒等，其原子的最外层电子既不象金属那样容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，也不象绝缘体那样受到原子核的紧紧束缚，这类物质的导电性能介于导体和绝缘体之间，并且随着外界条件及掺入微量杂质而显著改变，这类物质称为半导体。1.半导体有以下独特性能：通过掺入杂质可明显地改变半导体的电导率。温度可明显地改变半导体的电导率。即热敏效应光照不仅可改变半导体的电导率，还可以产生电动势，这就是半导体的光电效应。与金属和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。半导体技术的发现应用，使电子技术取得飞速发展，2.本征半导体与杂质半导体、PN结（1）本征半导体：天然的硅和锗提纯后形成单晶体就是一个半导体，称为本征半导体。本征半导体中的载流子浓度很小，导电能力较弱，且受温度影响很大，不稳定，用途有限。（2）杂质半导体、PN结：如果在本征半导体中掺入微量杂质（掺杂），其导电性能将发生显著变化，如在纯硅中掺入少许的砷或磷（最外层有五个电子），就形成N型半导体；掺入少许的硼（最外层有三个电子），就形成P型半导体。P型和N型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在半导体的局部分别掺入浓度较大的三价或五价杂质，使其变为P型或N型半导体，在P型和N型半导体的交界面就会形成PN结，而PN结就是构成各种半导体器件的基础，最简单的一个PN结就是二极管。四、超导体定义：某些金属在摄氏零下273度的绝对温度下，电阻会突然消失，这种金属电阻完全消失的特殊现象，称超导电性，具有超导电性的金属称超导体。超导现象是1911年荷兰物理学家昂尼斯在研究导体的电阻随温度变化的实验中，首次发现水银在4.2K的低温时，电阻突然消失，即R=0；1933年，又发现处于超导状态的物质，外部磁场不能深入超导体内，有抗磁性，即B=0，以上是超导体的两大特性。第二部分电阻、电容、电感相关知识及应用电阻、电容、电感是构成各种电路的基本元件。这一部分主要是了解一下它们性质、用途，以及实际应用举例。一、电阻1.定义：衡量物体导电性能的物理量称为电阻。在一定的温度下，其电阻与长度成正比，与截面积成反比。这就是导体的电阻定律。2.电阻的常用单位：欧姆（Ω）、KΩ、MΩ1Ω的含义：当导体两端电压为1V，通过的电流为1A，这段导体的电阻为1Ω。换算：1MΩ＝103KΩ＝106Ω阻值标示：一般用色环法和数字法。3.电阻的性质电阻是一个耗能元件，即消耗电能变为热能。电阻是线性元件，它符合欧姆定律：Ι=U/R。电阻在电路中主要用于限流、分流、降压、分压。主要参数：阻值及误差、额定电压、额定功率等。电阻的串并联及计算：串联：R∑＝R1+R2+R3+…分压作用并联：分流作用常用计算公式：串联各电阻的电压与电阻成正比。也就是说，大电阻分到高电压，小电阻分到小电压。两个电阻并联时，总电流为两分支电流之和。电流的分配与电阻大小成反比。3121111RRRRRURP.2PUR2例：（05年《运规》试题）如图，R1＜R2＜R3，则哪个电阻消耗功率大。（）A、R1；B、R2；C、R3；D、一样大。例：计算白帜灯灯泡电阻：220V，100W4841002202R4.电阻的测量：一般用万用表、兆欧表、平衡电桥等电阻测量一般不能带电测量。在测量半导体（二极管、三极管）、电容等有极性的器件时，因有正向、反向之分，所以万用表在电阻档时：“黑”表笔为正极，“红”表笔为负极。兆欧表一般用于测量阻值较大的绝缘电阻。阻值较小电阻的精确测量也有很多种方法，平衡电桥测量是较常用的一种（高试常用），有直流电桥和交流电桥。5.电阻的分类及应用：按阻值特性：固定电阻、可调电阻按制造材料：碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻、水泥电阻、陶瓷电阻、半导体电阻等。按安装方式：插件电阻、贴片电阻。5.特种电阻(敏感电阻)常识：热敏电阻：是一种对温度极为敏感的电阻器，分为正温度系数（阻值随温度升高而增大）和负温度系数（阻值随温度升高而降低）电阻器。应用举例：如电视机消磁电路、电饭锅电路光敏电阻：阻值随着光线的强弱而发生变化的电阻器，称为光敏电阻器。分为可见光光敏电阻、红外光光敏电阻、紫外光光敏电阻。选用时先确定电路的光谱特性。实际应用如光控路灯，根据光线的强度自动控制路灯的开关。压敏电阻：是对电压变化很敏感的非线性电阻器，具有非线性伏安特性并有抑制瞬态过电压作用的固态电压敏感元件。当电阻器上的电压在标称值内时,电阻器上的阻值呈无穷大状态,当电压略高于标称电压时,其阻值很快下降,使电阻器处于导通状态,当电压减小到标称电压以下时,其阻值又开始增加（可以自恢复）。实际应用如电话机过压保护、避雷器阀片等。湿敏电阻：是对湿度变化非常敏感的电阻器,能在各种湿度环境中使用，它是将湿度转换成电信号的换能器件。主要用作湿度传感器，如婴儿的尿湿报警器等。熔断器、分流器：也可以看作是一种电阻器件，熔断器是一种阻值很小，功率较小的电阻，当通过的电流超过一定值时，其发热熔断起到保护作用；分流器实际上就是一个阻值很小的电阻，串在回路中，当有直流电流通过时，产生压降且随电流大小变化，供直流电流表显示，或接到变送器（如励磁回路），实际上相当于取样、测量的作用。二、电容1.电容器结构原理：在电子电路中，电容器是必不可少的电子器件；在电力生产中，电力电容器也是广泛应用。简单地说，电容器就是一种储存电荷的容器，他不消耗能量。电容器通常简称为电容，用字母“C”表示。其基本结构是由两片靠得较近的金属片，中间隔以绝缘物质而组成，两金属片为电容得极板，中间的绝缘物质为介质，电容器的电容等于电容器的带电荷量，平板电容器的电容与极板面积成正比，与极间距离成反比。uqC一般规定把电容器外加1V直流电压时所储存的电荷量称为该电容器的电容量。电容的基本单位为法拉（F），还有微法（μF）、纳法（nF）、皮法（pF），因法拉单位较大，实际不常用，实际常用的是微法、皮法。其换算关系：1法拉（F）=微法（μF）1微法（μF）=纳法（nF）=皮法（pF）2.电容器的基本性质、作用：基本性质：简单地说就是隔直流通交流，即对直流呈现电阻无穷大，相当于开路；对交流呈现的电阻力受交流电频率影响，即相同一电容器对不同频率的交流电呈现不同的容抗:610310610fCCXcπω＝211电容器在电路中主要作用有：整流电路平滑滤波、电源电路的退耦滤波、交流信号旁路、交流信号耦合（隔直）、与电阻电感构成振荡、谐振回路、延时电路等等。电子电路中需要用到各种各样的电容器，它们在电路中分别起着不同的作用。电力电容器的主要应用有：无功补偿、电容式电压互感器、阻波器、载波耦合电容器、油开关触头保护电容器等等。小容量的电容，通常在高频电路中使用；大容量的电容往往是作滤波和存储电荷用。电解电容为有极性电容，分正、负极，一般电源电路的低频滤波均采用电解电容，其正向漏电流较小，而反向漏电流较大，所以在电路中要注意极性不能接反，否则会因漏电流大引起爆炸损坏。电容的充放电：把电容器的两个电极分别接在电源的正、负极上，过一会儿把电源断开，两个引脚间仍然会有残留电压，这是因为电容器储存了电荷，电容器极板间建立起电压，积蓄起电能，这个过程称为电容器的充电。而电容器储存的电荷向电路释放的过程，称为电容器的放电。电容器的充电和放电就形成电容电流，电容电流与电容和端电压的变化率成正比。只有加在电容两端的电压发生变化时，电容才有电流通过。电容器储藏的电场能量与端电压的平方成正比：dtduCi221CuW充电过程分析：开关合闸瞬间，过渡过程，呈指数规律。)1(CRCtseUuRCtsCeRUdtduCiC放电过程分析：其中称为电路充放电时间常数，它是反映充放电快慢的一个参数。以上是电容在直流电路瞬态过渡充放电过程的简单分析，从波形图可以看出，其充电电流超前电压。RCteUuoCRCtCeRUdtduCioCRC正弦交流电路中，电压电流的波形、相量关系：由其波形和相量图可以看出：即电流超前电压90°，这就是我们通常所说的容性负载电流超前电压90°的原因。电容的串并联性质：并联：总电容为各电容之和。串联：总电容的倒数为各电容倒数之和。电容器串联时，各电容电压与电容量成反比,每个电容分配到的电压计算式在形式上与并联电阻的分流计算公式相似。π/2Oωtiu、iuUXjC121CCC21111CCC3.电容的参数：主要有标称容量、额定电压、绝缘电阻（漏电阻）、温度范围等4.电容器的测量、极性判别：对于通常的电容器，一般用万用表电阻档测量。★每次测试前，需将电容器放电（两极短接一下放电），然后将红、黑表笔分别接电容器的两极，由表针的偏摆来判断电容器质量。好的电容器，表针迅速向右摆起（摆的角度与容量大小有关），然后慢慢向左退回原位（靠近∞，所指示的阻值就是漏电阻）。★如果表针摆起后不再回转，说明电容器已击穿。如果表针摆起后逐渐退回到某一位置停住，则说明电容器已漏电。如果表针摆不起来，说明电容器电解质已干涸失去容量。★对于极性电容（电解电容），一般反向漏电比正向大，其测出的正向漏电阻大于反向漏电组。（可依此判别极性）★其实，万用表测量的过程就是反映电容充放电的过程。5.电容器应用举例：分布电容、杂散电容影响：旁路、消干扰：储能作用：耦合电容、阻波器：无功补偿电容器：少油断路器断口均压电容：电容式电压互感器：三、电感1.电感的结构原理：用导线绕制成线圈就构成一个电感器，它是一种能够储存磁场能量的元件。电感的单位是亨利（H），常用单位为毫亨（mH）、微亨（μH）和纳亨（nH），其换算关系为：电感量的大小表示产生感应电动势的能力。2.电感的性质、作用：形象说法：电感器就是“通直流，阻交流”。也就是说，只有电感上的电流变化时，电感两端才有电压，而且其电动势的方向是阻止电流变化的方向，大小与电感量和电流变化率成正比。在直流电路中，电感上即使有电流通过，但ｕ＝０，相当于短路。其电压与电流的关系：nHHmHH9631010101＝μdtdiLu同一电感对不同频率的交流电呈现不同的阻抗，即感抗：XL＝ωL＝2πfL。电感L越大，电源频率f越高，感抗就越大。对直流，f＝0，相当于短路。电感线圈是一个储能元件，它以磁的形式储存电能，储存的电能大小可用下式表示：可见，线圈电感量越大，流过电流越大，储存的电能也就越多。其储能和释放过程：当电流的绝对值增加时，电感元件吸收能量并全部转换成磁场能量；当电流的绝对值减小时，电感元件释放磁场能量。可见，电感元件与电容元件一样，并不是把吸收的能量消耗掉，而是以磁场或电场的形式储存，用以交换，释放与吸收的能量一样。221LiWL对于正弦交流电路，其电压、电流波形图和相量图如下：由以上波形图和相量图可以看出，电感在正弦交流电路中电流滞后电压90°，即:我们