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    由于编者水平有限,书中难免有疏漏和不妥之处,敬请广大读者批评指正。

    编  者
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  1. 第1章  直流电路基础
    学习目标
    (1)了解电路的作用与组成部分;理解电路元件、电路模型的意义;理解电压、电流参考方向的概念;掌握电路中电位的计算方法;会判断电源和负载,并理解三种元件的伏安关系。
    (2)掌握基尔霍夫定律,会用支路电流法求解简单的电路。
    (3)理解电压源、电流源概念,了解电压源、电流源的连接方法,并掌握其等效变换方法。
    4)掌握电阻串联、并联电路的特点及分压、分流公式,会计算串并联电路中的电压、电流和等效电阻;能求解一些简单的混联电路。
    (5)会用叠加定理、戴维南定理求解复杂电路中的电压、电流、功率等电量。
    理论知识
    1.1  电路和电路模型
    1.1.1  电  路
     
    图1.1  手电筒电路
    电路是为实现某种目的,将各种元器件按一定方式连接而成的整体,其特征是提供了电流流动的通道。复杂的电路亦可称为网络。
    根据电路的作用,电路可分为两类:一类是用于实现电能的传输和转换,另一类是用于进行电信号的传递和处理。
    根据电源提供的电流不同,电路还可以分为直流电路和交流电路两种。
    综上所述,电路主要由电源、负载和传输环节等三部分组成。如图1.1所示手电筒电路即为一简单的电路。电源是提供电能或信号的设备,负载是消耗电能或输出信号的设备。电源与负载之间通过传输环节相连接。为了保证电路按不同的需要完成工作,在电路中还需加入适当的控制元件,如开关、主令控制器等。
    1.1.2  电路模型
    在一定条件下,对于某一种实际元件,常忽略其他现象而只考虑起主要作用的电磁现象,也就是用理想元件来替代实际元件,这种理想元件称为电路元件,又称理想电路元件。
     
    图1.2  电路模型
    用一个或几个理想电路元件构成的模型去模拟一个实际电路,模型中出现的电磁现象与实际电路中的电磁现象十分接近,则这个由理想电路元件组成的电路称为电路模型。
    如图1.2所示电路为图1.1所示手电筒电路的电路模型。    
    1.2  电路的基本物理量
    电路中的物理量主要包括电流、电压、电位、电动势以及功率。
    1.2.1  电流及其参考方向
    带电质点的定向移动形成电流。
    电流的大小等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。电流的实际方向习惯上是指正电荷移动的方向。
    电流分为两类:一类是大小和方向均不随时间变化,称为恒定电流,简称直流,用I表示;另一类大小和方向均随时间变化,称为交变电流,简称交流,用i表示。
    对于直流,单位时间内通过导体横截面的电荷量是恒定不变的,其大小为
                             (1-1)
    对于交流,若在一个无限小的时间间隔dt内,通过导体横截面的电荷量为dq,则该瞬间的电流为
                                (1-2)
    在国际单位制(SI)中,电流的单位是安培(A)。
    在复杂电路中,电流的实际方向有时难以确定。为了便于分析计算,便引入电流参考方向的概念。
    所谓电流的参考方向,就是在分析和计算电路时,先任意选定某一方向,作为待求电流的方向,并根据此方向进行分析和计算。若计算结果为正,说明电流的参考方向与实际方向相同;若计算结果为负,说明电流的参考方向与实际方向相反。图1.3表示了电流的参考方向(图中虚线所示)与实际方向(图中实线所示)之间的关系。
       
    (a)i>0 (b)i<0
    图1.3  电流的参考方向与实际方向
    例1.1  如图1.4所示,电流的参考方向已标出,并已知I1=-1A,I2=1A,试指出电流的实际方向。
    解:I1=-1A<0,则I1的实际方向与参考方向相反,应由B点流向A点。
        I2=1A>0,则I2的实际方向与参考方向相同,应由B点流向A点。
     
    图1.4  例1.1图
    1.2.2  电压及其参考方向
    在电路中,电场力把单位正电荷(q)从a点移到b点所做的功(W)就称为a、b两点间的电压,也称电位差,即
                                       (1-3)
    对于直流,则为
                           (1-4)
    电压的单位为伏特(V)。
    电压的实际方向规定为从高电位指向低电位,可用箭头表示,也可用“+”“-”极性表示,如图1.5所示。此外,还可用双下标表示,如uab表示由a指向b。显然 。值得注意的是,电压总是针对两点而言的。
            
    图1.5  电压参考方向的设定
    和电流一样,分析和计算电压时也需设定参考方向。电压的参考方向也是任意选定的,当参考方向与实际方向相同时,电压值为正;反之,电压值为负。
    对于电路中的一个元件,若电压、电流的参考方向取向相同,称为关联参考方向;若电压、电流的参考方向取向相反,则称为非关联参考方向。
    例1.2  如图1.6所示,电压的参考方向已标出,并已知U1=1V,U2=-1V,试指出电压的实际方向。
    解:U1=1V>0,则U1的实际方向与参考方向相同,应由A点指向B点。
        U2=-1V<0,则U2的实际方向与参考方向相反,应由A点指向B点。
     
    图1.6  例1.2图
    1.2.3  电  位
    在电路中任选一点作为参考点,则电路中某一点与参考点之间的电压称为该点的电位。
    电位用符号V或v表示。例如,A点的电位记为VA或vA。显然,VA=VAO,vA=vAO。
    电位的单位是伏特(V)。
    电路中的参考点可任意选定。当电路中有接地点时,则以地为参考点。若没有接地点,则选择较多导线的汇集点为参考点。在电子线路中,通常以设备外壳为参考点。参考点用符号“⊥”表示。
    有了电位的概念后,电压也可用电位来表示,即
                           (1-5)
    因此,电压也称为电位差。
    还需指出,电路中任意两点间的电压与参考点的选择无关。即对于不同的参考点,虽然各点的电位不同,但任意两点间的电压始终不变。
    例1.3  图1.7所示的电路中,已知各元件两端的电压为:U1=10V,U2=5V,U3=8V,U4=-23V。若分别选B点与C点为参考点,试求电路中各点的电位。 
     
    图1.7  例1.3图
    解:若选B点为参考点,则
     
    若选C点为参考点,则
     
    或         
                               
    1.2.4  电动势
    电源力把单位正电荷由低电位点B经电源内部移到高电位点A的过程中克服电场力所做的功,称为电源的电动势。电动势用E或e表示,即
                       (1-6)
    电动势的单位也是伏特(V)。
    电动势的方向与电压的实际方向不同,电动势的方向是从低电位指向高电位,即由“-”极指向“+”极,而电压的方向则是从高电位指向低电位,即由“+”极指向“-”极。此外,电动势只存在于电源的内部。
    1.2.5  功  率
    电场力或电源力在单位时间内所做的功,称为功率,用P或p表示,即
                             (1-7)
    若已知元件的电压和电流,则功率的表达式为
                               (1-8)
    功率的单位是瓦特(W)。
    当电流、电压为关联参考方向时,式(1-8)表示元件消耗能量。若计算结果为正,说明元件确实消耗功率,为耗能元件;若计算结果为负,说明元件实际上产生功率,为供能元件。
    当电流、电压为非关联参考方向时,则式(1-8)表示元件产生能量。若计算结果为正,说明元件确实产生功率,为供能元件;若计算结果为负,说明元件实际上消耗功率,为耗能元件。
    例1.4  (1)在图1.8所示电路中,若电流均为2A,U1=1V,U2=-1V,求两元件消耗或产生的功率。(2)在图1.8(b)所示电路中,若元件产生的功率为4W,求电流I。
       
    (a) (b)
    图1.8   例1.4图
    解:(1)图1.8(a)所示电路中,电流、电压为关联参考方向,元件消耗的功率为
     
    表明元件确实消耗功率,为负载。
    图1.8(b)所示电路中,电流、电压为非关联参考方向,元件产生的功率为
     
    表明元件实际上消耗功率,为负载。
    (2)因图1.8(b)所示电路中电流、电压为非关联参考方向,且元件产生功率,故由
     
    得  
    负号表示电流的实际方向与参考方向相反。
    1.3  电路的工作状态
    电路在不同的工作条件下,会处于不同的状态,并具有不同的特点。电路的工作状态有三种:开路状态、负载状态和短路状态。
     
    图1.9  开路状态
    1.3.1  开路状态(空载状态)
    在图1.9所示电路中,当开关K断开时,电路即处于开路状态。开路时,电路中电流为零,电源不输出能量,电源两端的电压称为开路电压,用UOC表示,其值等于电源电动势E,即
     
    1.3.2  短路状态
    在图1.10所示电路中,当电源两端由于某种原因短接在一起时,电源则被短路。短路电流 很大,此时电源所产生的电能全被内阻R0所消耗。
    短路通常会引发严重的事故,应尽量避免发生。为了防止短路事故,通常在电路中接入熔断器或断路器,以便在发生短路时能迅速切断故障电路。
    1.3.3  负载状态(通路状态)
    电源与一定大小的负载接通,称为负载状态,如图1.11所示。这时电路中流过的电流称为负载电流。
       
    图1.10  短路状态   图1.11  负载状态
    负载的大小是以消耗功率的大小来衡量的。当电压一定时,负载中通过的电流越大,则消耗的功率越大,即负载也越大。
    为使电气设备正常运行,在电气设备上都标有额定值。额定值是生产厂家为了使产品能在给定的工作条件下正常运行而规定的正常允许值。一般常用的额定值有:额定电压、额定电流、额定功率,用UN、IN、PN表示。
    需要指出,电气设备实际消耗的功率不一定等于额定功率。当实际消耗的功率P等于额定功率PN时,称为满载运行;若PPN时,称为过载运行。电气设备应尽量在接近额定功率的状态下运行。
    1.4  电阻元件、电感元件和电容元件
    1.4.1  电阻元件
    1. 电阻与电导的概念
    导体对电流的阻碍作用的大小称作电阻,用R表示,单位为欧姆()。若某一电阻元件中流过的电流与其两端的电压成正比,即
     (u、i关联)               (1-9)
     (u、i非关联)              (1-10)
    则该电阻元件为线性电阻。
    导体的电阻不仅和导体的材质有关,还和导体的尺寸有关。实验证明,同一材料制成的导体的电阻和导体的截面面积成反比,而和导体的长度成正比。
    为了方便计算,我们常常把电阻的倒数用电导G来表示,即
      (1-11)                               
    在国际单位制(SI)中,电导G的单位为西门子(S)。
    2. 电阻的伏安特性
    可以把电阻两端的电压与电流的关系标在坐标平面上,用一条曲线(直线)表示二者的关系,这条曲线(直线)就称为电阻的伏安特性曲线。
    根据式(1-9)和式(1-10)可知线性电阻的伏安特性曲线是一条过原点的直线,如图1.12所示。一般的电阻元件,均为线性电阻元件。
    非线性电阻的伏安特性曲线是一条曲线,如图1.13所示。二极管就是一种典型的非线性电阻元件。
       
    图1.12  线性电阻的伏安特性曲线 图1.13  非线性电阻的伏安特性曲线
    由线性元件组成的电路称为线性电路,由非线性元件组成的电路称为非线性电路。
    3. 电阻值的表示
    电压、电流与电阻的关系是由欧姆发现的,所以后来用欧姆(符号 )作为电阻的基本单位。
    常用电阻单位还有千欧姆(k )和兆欧姆(M ):
    1k=103
    1M=106
    在表示电源内阻等情况下,电阻单位还有毫欧姆(m):
    1m=10-3
    电阻器的阻值通常用色环表示。色环的颜色及其代表的数值如下:黑——0,棕——1,红——2,橙——3,黄——4,绿——5,蓝——6,紫——7,灰——8,白——9;金—— 5%,银—— 10%(代表精度)。
    其中,银色还代表-2,金色还代表-1。银色代表-2、金色代表-1时仅作指数环。
    色环电阻分为四环电阻和五环电阻两种。四环电阻上总共有四道环,其中前三道环代表阻值,第四道环代表阻值精度。五环电阻上总共有五道环,其中前四道环代表阻值,第五道环代表阻值精度。
    四环电阻的三道数字环中,前两环为有效数字环,第三环为指数环(即0的个数),两位有效数字与10的幂的乘积即电阻阻值,单位为。
    五环电阻的四道数字环中,前三环为有效数字环,第四环为指数环(即0的个数),三位有效数字与10的幂的乘积即电阻阻值,单位为。
    电阻一端的金色环或银色环代表精度。确认色环电阻阻值时,应当从与精度环相反的一端开始读起。例如,对于棕黑橙金四环电阻,首先从与代表精度的金色环相反的棕色环读起,阻值R=10×103=10k,精度为 5%,其实际阻值应为9.5×103~10.5×103k。
    电阻阻值的色环表示法的优点是:电阻在线路板上采用卧式安装时,无论如何安装都不影响观察阻值,有利于自动化大批量生产。
    在图纸等技术资料上,电阻阻值以数字直接标注,单位为k时只标注k,单位为时可省略单位。如300k电阻标注为300k,300电阻标注为 。
    4. 电  能
    电阻元件在通电过程中要消耗电能,是一个耗能元件。电阻所吸收的功率为
                         (1-12)
    则t1到t2的时间内,电阻元件吸收的能量W全部转化为热能。
                                       (1-13)
    在直流电路中
                    (1-14)
                              (1-15)
    在国际单位制(SI)中,电能的单位是焦[耳](J);或千瓦•时(kW•h),简称度。
    1千瓦•时是指功率为1kW的电源(负载)在1h内所输出(消耗)的电能。
    例1.5  在220V的电源上,接一个电加热器,已知通过电加热器的电流是3.5A,则4h内,该电加热器用了多少度电?
    解:电加热器的功率是
    P=UI=220×3.5=770(W)=0.77kW
    4h中电加热器消耗的电能是
    W=Pt=0.77×4=3.08(kW•h)
    即该电加热器用了3.08度电。
    1.4.2  电感元件
    电感元件作为储能元件能够储存磁场能量,其电路模型如图1.14所示。
       
    (a)u、i关联 (b)u、i非关联
    图1.14  电感元件的电路模型
     
    图1.15  电感线圈
    通常将导线绕在一个铁心上,制成一个电感线圈,如图1.15所示。
    线圈的匝数与穿过线圈的磁通之积为N,称为磁链。
    当电感元件为线性电感元件时,其特性方程为
                      (1-16)
    式中,L为元件的电感系数(简称电感),是一个与电感元件本身有关,与电感元件的磁通、电流无关的常数,又叫作自感。在国际单位制(SI)中,其单位为亨[利](H),有时也用毫亨(mH)、微亨(H),1mH=10-3H,1H=10-6H。磁通的单位是韦[伯](Wb)。
    当通过电感元件的电流发生变化时,电感元件中的磁通也发生变化,根据电磁感应定律,在线圈两端将产生感应电压。设电压与电流关联,电感线圈两端将产生感应电压
                 (1-17)
    该式表示线性电感的电压uL与电流i对时间t的变化率di/dt成正比。
    在一定的时间内,电流变化越快,感应电压越大;电流变化越慢,感应电压越小;若电流变化率为零(即直流电流),则感应电压为零,故电感元件在直流电路中相当于短路。
    当流过电感元件的电流为i时,它所储存的能量为
                        (1-18)
    可以看出,电感元件在某一时刻的储能仅与当时的电流值有关。
    电感元件的电感值有两种标注方法:一是直接标注法,二是类似于三环电阻的三位数字标注法及三色点法。例如:330H、580mH等属于直接标注法;330、4R7属于三位数字标注法,其中,330代表33×100=33H,4R7代表4.7H(R特指小数点)。
    1.4.3  电容元件
    电容元件作为储能元件能够储存电场能量,其电路模型如图1.16所示。
       
    (a)u、i关联 (b)u、i非关联
    图1.16  电容元件的电路模型
    当电容元件为线性电容时,其特性方程为
                          (1-19)
    式中,C为元件的电容,是一个与电容器本身有关,与电容器两端的电压、电流无关的常数。在国际单位制(SI)中,其单位为法[拉](F)。微法(F)、纳法(nF)、皮法(pF)有时也作为电容的单位。
    1F=10-6F,1nF=10-9F,1 pF=10-12F
    从式(1-19)可以看出,电容中的电荷量是随电容两端的电压变化而变化的,由于电荷的变化,电容中就产生了电流,则
     (设u、i关联)      (1-20)
    iC是电容由于电荷的变化而产生的电流,将式(1-19)代入式(1-20)中得:
                                  (1-21)
    该式表示线性电容的电流与端电压对时间的变化率成正比。
    当du/dt=0时,则iC=0,说明电容元件的两端电压恒定不变,通过电容的电流为零,电容处于开路状态。故电容元件对直流电路来说相当于开路。
    电容所储存的电场能为
                                               (1-22)
    电容器的容量也有两种标注方法:一是直接标注法,二是类似于三环电阻的三位数字标注法。例如:47F、2200pF等属于直接标注法;104、223属于三位数字标注法,其中,104代表10×104pF=0.1F,223代表22×103pF=22nF。需特别说明的是,三位数字标注法中,若第三位数字为9,特指10-1。例如,479代表47×10-1=4.7pF。
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  1. 第1章  直流电路基础 1
    1.1  电路和电路模型 1
    1.2  电路的基本物理量 2
    1.3  电路的工作状态 6
    1.4  电阻元件、电感元件和电容元件 7
    1.5  电压源与电流源 11
    1.6  基尔霍夫定律 13
    1.7  电路的串联、并联与混联 18
    1.8  戴维南定理与叠加定理 21
    习题一 25
    第2章  正弦交流电路 27
    2.1  正弦交流电路的基本概念 27
    2.2  正弦量的相量表示 29
    2.3  电阻、电感和电容元件伏安关系的相量形式及功率 32
    2.4  基尔霍夫定律的相量形式 38
    2.5  正弦交流电路的相量分析 39
    2.6  用相量法分析复杂交流电路 50
    2.7  正弦交流电路中的功率及功率因数的提高 52
    2.8  正弦交流电路负载获得最大功率的条件 55
    习题二 56
    第3章  磁路与变压器 58
    3.1  磁路的基本知识 58
    3.2  磁性材料 63
    3.3  交流铁心线圈 65
    3.4  电磁铁与变压器 69
    3.5  特殊变压器 80
    习题三 85
    第4章  电动机 86
    4.1  三相交流异步电动机 86
    4.2  单相异步电动机 105
    4.3  直流电机 107
    习题四 113
    第5章  电气控制基础 114
    5.1  常用低压电器 114
    5.2  电气控制的基本线路 138
    5.3  典型电气控制系统 146
    习题五 148
    第6章  电气安全基础 150
    6.1  电气事故 150
    6.2  人体阻抗及电流对人体的作用 155
    6.3  触电急救方法 162
    6.4  工业企业供配电 168
    6.5  电网安全性分析 173
    习题六 179
    第7章  常用半导体器件 180
    7.1  二极管 180
    7.2  双极型半导体三极管 188
    7.3  场效应半导体三极管 194
    习题七 201
    第8章  信号放大与处理 205
    8.1  基本放大电路 205
    8.2  互补对称功率放大电路 212
    8.3  多级放大电路 217
    8.4  差分放大电路 219
    8.5  运算放大器 221
    8.6  负反馈放大电路 223
    8.7  信号的运算与处理电路 229
    习题八 241

    第9章  信号发生器 248
    9.1  正弦波振荡电路 248
    9.2  电压比较器 255
    9.3  非正弦波信号产生电路 257
    习题九 260
    第10章  直流稳压电源 263
    10.1  单相整流电路 263
    10.2  滤波电路 266
    10.3  稳压电路 269
    习题十 277
    第11章  逻辑代数基础 281
    11.1  概  述 281
    11.2  逻辑运算 285
    11.3  逻辑函数及其表示方法 289
    11.4  逻辑代数中的基本公式和常用公式 293
    11.5  逻辑代数的基本规则 295
    11.6  逻辑函数的代数化简法 296
    11.7  逻辑函数的卡诺图化简法 298
    习题十一 305
    第12章  逻辑门电路 310
    12.1  TTL门电路 310
    12.2  CMOS逻辑门电路 320
    习题十二 324
    第13章  组合逻辑电路分析与设计 327
    13.1  概  述 327
    13.2  组合逻辑电路的分析和设计 328
    13.3  若干常用的组合逻辑电路 332
    13.4  组合逻辑电路的竞争-冒险现象 347
    习题十三 348
    第14章  触发器与时序逻辑电路 352
    14.1  触发器 352
    14.2  时序逻辑电路 363
    习题十四 392
    第15章  脉冲波形与整形电路 395
    15.1  集成逻辑门构成的脉冲单元电路 395
    15.2  集成定时器 409
    习题十五 414
    第16章  数模与模数转换 417
    16.1  数模转换器(DAC) 417
    16.2  模数转换器(ADC) 423
    习题十六 427
    第17章  存储器与可编程逻辑器件 432
    17.1  随机存取存储器 432
    17.2  只读存储器(ROM) 437
    17.3  可编程逻辑器件 442
    习题十七 445
    参考文献 447

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