电工电子技术教案(完整版).doc
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电工电子技术教案
第一讲
教学章节:
第一章电路和电路元件1.1~1.2电路与电路模型,电路的基本物理量
教学要求:
1、熟悉强电和弱电电路;2、掌握电路元件及其模型;3、掌握电流、电压及其参考方向;4、了解功率正负的含义;5、掌握电阻、电感和电容元件的伏安特性。
教学重点:
电路元件及其模型,电流、电压及其参考方向,电阻、电感和电容元件的伏安特性。
教学难点:
电流、电压及其参考方向;电感和电容元件的伏安特性。
教学方法与手段:
启发式讲授,讨论发言,多媒体,板书。
教学内容与进程:
一、引入:
电路
1.电路及其组成
电源——中间环节——负载
2.电路的作用
⑴传输、分配、转换电能;--能量领域-“强电”电路
⑵传送、处理、储存信号。
--信息领域-“弱电”电路
二、电路元件和电路模型
电路模型:
从实际电路中抽象出来的、由理想元件组成的电路。
理想元件是假想元件,具有单一的电磁性质,具有精确的定义与相应的数学模型。
理想电阻、理想电感、理想电容
三、电流、电压及其参考方向
1、电流及其参考方向
⑴电流的定义:
单位时间内通过导体横截面的电荷量。
直流电流和交流电流
⑵电流的实际方向与参考方向:
正电荷移动的方向为电流的实际方向。
为计算而假设的方向,称为参考方向。
参考方向可以任意设定。
参考方向可以用箭头表示,也可以用双下标表示,如Iab。
电流的参考方向与实际方向相同,电流为正值;与实际方向相反则为负值。
例:
设下图电流表达式为
判断t为0.001s和0.006s时的电流实际方向。
2、电压及其参考方向
(1)电压的定义:
电场力把单位正电荷从a点移动倒b点所做的功,称为a、b两点之间的电压,即
dW>0时,u>0,说明a点电位高于b点电位,正电荷在移动过程中失去能量;
dW<0时,u<0,说明a点电位低于b点电位,正电荷在移动过程中获得能量。
在国际单位制中,电压的单位为伏[特](用V表示)。
(2)电压的实际方向与参考方向
电压的实际方向规定为高电位点指向低电位点,即电压降的方向。
进行电路分析时,需要设置电压的参考方向。
参考方向可以用正负极性表示,也可以用双下标表示,
如uab。
实际方向与参考方向相同电压为正值,反之为负值。
(3)关联参考方向与非关联参考方向
若未说明,电压电流均为关联参考方向。
(4)电位
在电路中任选一点作为参考点,该点电位为零。
电路中任意一点的电位就是该点到参考点的电压,并设参考点为电压的参考负极。
两点之间的电压就是两点之间的电位差。
参考点可以任意选择,但只能有一个。
参考点不同,各点的电位也将不同。
四、电路功率
当u、i为关联参考方向时,功率的计算为
若p>0,元件或电路在吸收功率,等效为负载;若p<0,元件或电路在发出功率,等效为电源。
1.2电阻、电感和电容元件五、电阻元件
伏安特性
在任一时刻,电阻上的电压只取决于这一时刻流过的电流,与以前的电流大小无关。
功率
电阻是一个纯耗能元件。
实际电阻元件是有额定功率的。
消耗的功率不允许超过额定值,否则元件有损坏的危险。
有线性电阻和非线性电阻。
六、电感元件
伏安特性
电感元件为动态元件,只有变化的电流才会产生电压。
在直流电路中,电感相当于短路线。
功率
电感不耗能可以储能,但不产生能量。
电感是一个无源元件。
七、电容元件
伏安特性
电容是一个动态元件,直流电路中电容相当于开路。
功率
电容不耗能可以储能,但不产生能量。
电容是一个无源元件。
八、实际元件的主要参数及电路模型
作业:
1.1.11.2.21.2.5
第二讲
教学章节:
第一章电路和电路元件1.3~1.4独立电源元件,二极管
教学要求:
1、熟悉电压源和电流源;2、掌握两种电源模型的等效;3、熟练掌握二极管的特性;4、掌握稳压二极管、发光二极管和光电二极管的特点。
教学重点:
两种电源模型的等效,二极管的特性,稳压二极管、发光二极管和光电二极管的特点。
教学难点:
两种电源模型的等效;二极管的特性;稳压二极管工作状态。
教学方法与手段:
启发式讲授,联系实际,多媒体,板书。
教学内容与进程:
一、引入:
电压源和电流源
1、电压源
⑴两端的电压仅由自身决定,与流过的电流及外电路无关。
⑵流过的电流由外电路决定。
电压源置零,等效于两端短路。
电压源不允许外电路短路。
2、电流源
⑴电流源的电流仅由自身决定,与两端的电压无关。
⑵两端的电压由外电路决定。
电流源置零,等效于两端开路。
电流源不允许外电路开路。
二、实际电源的模型
1、电压源模型
2、电流源模型
3、两种电源模型的等效
1.4二极管三、PN结及其单相导电性
二极管的结构和电路符号如图所示,VD是文字符号。
PN结加正向电压
四、二极管的主要特性和主要参数
(1)正偏导通
(2)反偏截止
(3)二极管的伏安特性
正向特性:
二极管正向电压超过某一数值时电流开始快速增长,对应的电压称为死区电压,也称阈值电压或开启电压,记作UT,二极管导通时的正向电压称为二极管导通电压或管压降,记作UD。
方向特性:
二极管反向电流一般很小,小功率硅管为几mA,锗管为几十mA。
反向击穿特性:
反向电压增高到一定数值U(BR)时,二极管反向电流急剧增大,这种现象称为反向击穿。
五、二极管的工作点和理想特性
六、稳压二极管
稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。
稳压二极管的符号、伏安特性和典型应用电路。
七、发光二极管和光电二极管
发光二极管工作在正向偏置状态。
光电二极管又称光敏二极管,它工作在反向偏置状态。
作业:
1.3.11.3.41.3.51.4.11.4.2
第三讲
教学章节:
第一章电路和电路元件1.5双极性晶体管
教学要求:
1、了解双极性晶体管的结构;2、熟练掌握三极管的三种工作状态及相应PN结的偏置状况;3、熟悉晶体管的输入输出特性曲线及分区情况;4、掌握晶体管简化小信号模型。
5、了解绝缘栅场效应管的结构和特性曲线。
教学重点:
三极管的三种工作状态及相应PN结的偏置状况,晶体管的输入输出特性曲线及分区情况,晶体管简化小信号模型。
教学难点:
晶体管的输入输出特性曲线及分区情况;晶体管简化小信号模型。
教学方法与手段:
启发式讲授,多媒体,板书。
教学内容与进程:
一、引入:
基本结构和电流放大作用
1、晶体管结构
2、三极管分类
按结构分为NPN和PNP管,按用途分为放大管、开关管和功率管,按管芯材料分为硅管、锗管和化合物管
3、三极管用于放大的条件
三极管用于放大的条件是:
发射结正向偏置,集电结反向偏置。
NPN管:
UC>UB>UE;PNP管:
UC<UB<UE。
电流放大作用:
小的基极电流变化量→大的集电极电流变化量,
具有电流放大作用,电流控制作用
——电流控制型器件。
4、三极管内部载流子运动规律
以NPN管为例,给三极管加上合适的偏置电压。
(1)发射区向基区注入电子,形成发射极电流。
(2)电子在基区扩散与复合,形成基极电流。
(3)集电区收集电子形成集电极电流。
iE=iB+iC,
二、晶体三极管的特性曲线和主要参数
1、共发射极输入和输出特性曲线
输入特性曲线分:
死区、非线性区、线性区。
常用UCE≥1V的一条曲线来代表所有输入特性曲线。
通常输出特性曲线分为3个区域:
饱和区—发射结、集电结均正向偏置;IC受UCE显著控制的区域,UCE的数值较小,
一般UCE<0.7V(硅管)。
截止区—发射结、集电结均反向偏置;IC接近零的区域,在IB=0曲线的下方。
放大区—发射结正向偏置、集电结反向偏置IC平行于UCE轴的区域,曲线基本平行等距,UCE大于0.7V左右(硅管)。
2、主要参数
三、简化的小信号模型
1、受控源
非独立电源,输出电压或电流受电路中另一电压或电流的控制。
有四种类型:
2、晶体管简化的小信号模型
作业:
1.5.11.5.5
第四讲
教学章节:
第一章电路和电路元件1.6绝缘栅场效应晶体管,第一章部分习题讲解
教学要求:
1、了解绝缘栅场效应管的结构和和工作原理;2、了解MOS管的特性曲线和主要参数;3、了解MOS管简化小信号模型;4、掌握第一章知识点及其相关应用。
教学重点:
绝缘栅场效应管的结构和和工作原理,MOS管简化小信号模型,第一章知识点及其相关应用。
教学难点:
绝缘栅场效应管的结构和工作原理;第一章知识点及其相关应用。
教学方法与手段:
启发式讲授,对比,多媒体,板书。
教学内容与进程:
一、引入:
绝缘栅场效应管
类型:
N沟道绝缘栅场效应管(NMOS)
P沟道绝缘栅场效应管(PMOS)
增强型绝缘栅场效应管
耗尽型绝缘栅场效应管
二、基本结构和工作原理
1、基本结构
耗尽型NMOS管结构
耗尽型NMOS管的导电沟道已经形成,而增强型NMOS管的导电沟道没有形成
P沟道MOS管的符号
2、工作原理
(1)当栅源电压UGS>UGS(th)(开启电压)时形成导电沟道(反型层)。
(2)UGS对漏极电流ID的控制作用(UDS恒定)
(3)漏源电压UDS对漏极ID电流的控制作用(UGS恒定,且大于UT)
二、特性曲线和主要参数
1、特性曲线
耗尽型NMOS管的特性曲线NMOS管PMOS管
增强型MOS管的转移特性
输出特性分为3个区:
可变电阻区、恒流区和截止区。
输出特性:
转移特性:
2、主要参数
三、简化的小信号模型
栅源电阻很大,栅极电流
栅源电压控制漏极电流——电压控制电流源模型
四、第一章部分习题讲解
作业:
第一章习题复习
第五讲
教学章节:
第二章电路分析基础2.1基尔霍夫定律
教学要求:
1、熟练掌握基尔霍夫定律;2、掌握支路电流法及其使用条件。
教学重点:
基尔霍夫定律、支路电流法。
教学难点:
根据实际电路如何灵活应用上述定理。
教学方法与手段:
启发式讲授,讨论发言,多媒体,板书。
教学内容与进程:
一、引入:
基尔霍夫定律
有关的电路名词:
支路、节点、回路、网孔。
1、基尔霍夫电流定律(KCL)
任一时刻,流入一个节点的电流之和等于从该节点流出的电流之和。
对节点a应用KCL可写i1+i3+i4=i2+i5
或i1-i2+i3+i4-i5=0
写成一般形式即∑i=0
KCL的推广i1+i2+i3=0
2、基尔霍夫电压定律(KVL)
任何时刻,在任一闭合回路上的所有支路电压的代数和恒等于零。
写成表示式为∑u=0。
对图示电路,有
即
写成一般形式
二、支路电流法
利用支路电流法解题的步骤:
(1)任意标定各支路电流的参考方向和网孔绕行方向。
(2)用基尔霍夫电流定律列出节点电流方程。
有n个节点,就可以列出n-1个独立
电流方程。
(3)用基尔霍夫电压定律列出L=b-(n-1)个网孔方程。
说明:
L指的是网孔数,b指是支路数,n指的是节点数。
(4)代入已知数据求解方程组,确定各支路电流及方向。
对于节点A有:
I1+I2=I ①
电路中共有二个网孔,分别对左、右两个网孔列电压方程:
I1 R1- I2 R2+ E2-E1=0 ②
I R+I2 R2- E2=0 ③
I1=10A I2=-5A I=5A
特例:
某一支路电流已知,可以少列一个电流方程
作业:
2.1.12.1.22.1.6
第六讲
教学章节:
第二章电路分析基础2.2叠加定理及等效电源定理
教学要求:
1、熟练使用叠加定理求解问题。
2、熟练掌握电路的戴维南等效和诺顿等效,运用戴维南和诺顿定理进行计算;
教学重点:
叠加定理应用;电路的戴维南等效和诺顿等效,
教学难点:
叠加定理应用,利用戴维南和诺顿定理对电路进行相关分析、计算;
教学方法与手段:
启发式讲授,比较,多媒体,板书。
教学内容与进程:
一、引入:
等效电源定理
1、叠加定理
叠加原理:
在线性电路中,由多个独立源共同作用产生的响应(支路电压或电流)等于各独立源单独作用时所产生的响应分量代数和。
=+
注意事项:
①叠加原理只适用于线性电路。
②线性电路的电流或电压均可用叠加原理计算,
但功率一般不用叠加原理计算。
(3)不作用电源的处理
电压源不作用,即uS=0,相当于短路线;
电流源不作用,即is=0,相当于断路。
例:
用叠加原理计算例图所示电路中的电流i,并计算4Ω电阻上消耗的功率。
=+
2、戴维南定理
何一个有源二端网络,只要其中的元件都是线性的,都可以用一个电压源与电阻相串联的模型来替代。
电压源的电压等于有源二端网络的开路电压uOC,电阻等于该网络中所有电压源短路、电流源开路时的等效电阻R0,R0称为等效内阻。
①把需要计算电流的支路单独划出,电路的其余部分成为一个有源二端网络。
将有源二端网络变换为等效电压源模型,使复杂电路变换为单回路电路——戴维宁电路。
②求等效电压源模型的电压US——等于有源二端网络的开路电压;
③求等效电压源模型的内阻R0——等于相应的无源二端网络的等效电阻;
④由戴维宁电路算出所求支路的电流——用全电路欧姆定律计算。
适用范围:
只需要计算电路中某一指定支路的电流、电压。
例:
试用戴维宁定理重解
解:
a.将原电路用戴维宁等效电路代替,
b.求电压源模型的理想电压源电压US,
故US=U0=I1R2-I2R4=(0.15×10-0.1×40)V=-2.5V
c.求电压源模型的内阻R0,
d.由戴维宁等效电路求出通过BD支路的电流
3、诺顿定理
任何一个有源线性单口网络都可以用一个电流源和电阻的并联来等效代替。
等效电流源的电流等于有源二端网络的短路电流ISC,等效电阻等于有源二端网络中除去所有电源(电压源短路,电流源开路)后所得到的无源单口网络的等效电阻RO。
例
作业:
2.2.12.2.22.2.42.2.5
第七讲
教学章节:
第二章电路分析基础2.3.1~2.3.2正弦量的三要素;正弦量的向量表示方法
教学要求:
1.理解正弦交流电的三要素以及相位差和有效值的概念。
2.理解正弦交流电的各种表示方法及互相间的关系,掌握正弦交流电的相量表示法
教学重点:
正弦交流电的相量表示法
教学难点:
正弦交流电的相量表示法。
教学方法与手段:
启发式讲授,讨论,多媒体,板书。
教学内容与进程:
一、正弦量的三要素
正弦交流电——随时间按正弦规律周期性变化的电压(u)和电流(i)
1.最大值——幅值。
2π
T
2.角频率——单位时间内正弦函数辐角的增长值(rad/s)。
ω=2∏/T
(ωt+ψi)——正弦量随时间变化的进程
3.初相位——计时开始时刻正弦量的相位角(rad或°)。
例:
某正弦电压的最大值Um=310V,初相角ψu=30°;某正弦电流的最大值Im=14.1A,初相角ψi=-60°。
它们的频率均为50HZ。
试分别写出电压和电流的瞬时值表达式。
并画出它们的波形。
解:
电压的瞬时值表达式为
u=Umsin(ωt+ψu)
=310sin(2πft+ψu)V
=310sin(314t+30°)V
电流的瞬时值表达式为
i=Imsin(ωt+ψi)
=14.1sin(314t-60°)A
4、相位差φ——两个同频率正弦量的初相角之差。
φ=(ωt+ψu)-(ωt+ψi)=ψu-ψi
φ=30°-(-60)°=90°
二、正弦量的相量表示法
1.复数及其运算
2.相量与正弦量的关系
相量与正弦量之间存在着一一对应的关系。
例如
其中
称为相量。
3.相量的运算
同频率正弦量的加、减、乘、除运算可转换为相应的相量运算。
作业:
2.3.22.3.3
第八讲
教学章节:
第二章电路分析基础2.3.3~2.3.6正弦交流电路
教学要求:
1、熟练掌握电阻、电感、电容元件上电压与电流关系的向量形式;2、掌握简单正弦交流电路的计算;3、掌握交流电路的有功功率、无功功率和视在功率;4、掌握RLC电路中的串并联谐振特点。
教学重点:
电阻、电感、电容元件上电压与电流关系的向量形式,简单正弦交流电路的计算。
教学难点:
简单正弦交流电路的计算。
教学方法与手段:
启发式讲授,讨论,多媒体,板书。
教学内容与进程:
一、引入:
电阻、电感、电容元件上电压与电流关系的向量形式
1、电阻元件
则式中UR=RIR,ψu=ψi。
电阻元件上电压与电流的相量关系
2、电感元件
电感元件上电压与电流的相量关系
3、电容元件
电容元件上电压与电流的相量关系
二、简单正弦交流电路的计算
1、基本元件串联正弦交流电路
2、多阻抗串联、并联正弦交流电路
三、交流电路的功率
瞬时功率:
图所示无源二端网络,正弦电压u和电流i频率相同,参考方向如图。
设
图示网络的瞬时功率和平均功率(有功功率)分别为
无功功率:
视在功率:
S=UIS2=P2+Q2
四、RLC电路中的谐振
1、串联谐振
特点:
(1)谐振时,阻抗最小且为纯电阻。
(2)谐振时,电路中电流最大,且与外加电压同相。
3)谐振时,电感与电容两端电压相等,且相位相反。
2、并联谐振
特点:
(1)谐振时,阻抗最大且为纯电阻。
(2)谐振时,电路中电流最小,且与外加电压同相。
(3)谐振时,电感支路电流与电容支路电流近似相等
作业:
2.3.62.3.92.3.132.3.15
第十一讲
教学章节:
第二章电路分析基础2.4三相交流电路
教学要求:
1、掌握三相电源电压及其特点;2、掌握对称负载时三相电路的计算;3、熟悉三相交流电路的功率;4、熟悉负载时星型和三角形联接时电路的相电压和相电压之间以及相电流和线电流之间的关系。
教学重点:
相电源电压及其特点,对称负载时三相电路的计算,负载时星型和三角形联接时电路的相电压和相电压之间以及相电流和线电流之间的关系。
教学难点:
对称负载时三相电路的计算;负载时星型和三角形联接时电路的相电压和相电压之间以及相电流和线电流之间的关系。
教学方法与手段:
启发式讲授,联系比较,多媒体,板书。
教学内容与进程:
一、引入:
三相交流电源
三相电源电压及其特点
三相电源是由三个同频率、等振幅而相位依次相差120°的正弦电压源组成。
UNV三条线称为端线或相线,俗称火线。
N称为中线或零线。
对称三相电压的一个特点是,在任何瞬时它们的电压之和为零。
Y形联接中线电压与相电压的关系
二、三相电路的计算
1、负载星形联接
各负载电流:
中性线电流:
(1)三相对称负载。
(2)三相不对称负载。
2、负载三角形联接
3、三相电路的功率
在三相电路中,三相负载吸收的有功功率等于每相负载吸收的有功功率之和。
若负载对称,则总功率:
得:
作业:
2.4.32.4.7
第十二讲
教学章节:
第二章电路分析基础2.5~2.6.1非正弦交流电路,换路定律
教学要求:
1、了解非正弦周期信号的分解;2、了解非正弦周期信号作用下线性电路分析计算要点;3、熟练掌握换路定律。
教学重点:
换路定律。
教学难点:
非正弦周期信号的分解,非正弦周期信号作用下线性电路计算。
教学方法与手段:
启发式讲授,多媒体,板书。
教学内容与进程:
一、引入:
非正弦周期信号
不是正弦波;按周期规律变化
二、非正弦周期信号的分解
式中A0——零次谐波(直流分量)
基波(交流分量)
二次谐波(交流分量)
k次谐波(交流分量)
几个简单的非正弦波的谐波分量的表示式
三、非正弦周期信号作用下线性电路的计算
分析计算要点:
1.利用傅里叶级数,将非正弦周期函数分解为恒定分量和各次正弦谐波分量相加的结果;
2.利用正弦交流电路的计算方法,对各次谐波分量分别计算。
(注意:
对交流各次
谐波的XL、XC不同,对直流C相当于开路、L相当于短路。
)
3.将以上计算结果,用瞬时值叠加。
注意:
不同频率的正弦量相加,不能用相量计算,也不能将各分量的有效值直接相加。
例1:
方波信号激励的RLC串联电路中
已知:
求电流i。
四、换路定律
动态电路中开关闭合或断开、电源变化、电路参数变化引起过渡过程。
这种电路变化称为换路。
如果换路在t=0时刻发生,并且认为瞬间完成,则换路前一瞬间记作0-,换路后一瞬间记作0+。
换路定律叙述如下:
(1)换路后瞬间,如果流入(或流出)电容的电流为有限值,则其两端电压不能跃变,即换路前后瞬间,电容电压保持不变。
表达式为uC(0+)=uC(0-)
(2)换路后瞬间,如果电感两端电压为有限
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