项目一 直流电路.

项目一 直流电路 任务1 电路的组成及基本概念 任务1. 2电路的基本定律 任务1. 3电路的分析与计算 任务1. 4惠斯通电桥在汽车传感器中的应用 返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 电路是由一些电气设备、电子元器件按一定方式连接起来，构成的电 流通路。电路广泛应用在日常生活、生产和科学研究工作中。可以说 ，用电的设备内部都含有电路，小到手电筒，大到计算机、通信系统 和电力网络，都可以看到或简单或复杂的电路。了解电路的组成，掌 握电路的有关知识是对电路进行分析、设计、计算的基础。 活动1.1.1电路的组成及电路图 1.电路的基本组成 电路是电流流通的路径，一个完整的电路一般应包括电源、负载、开 关和连接导线4部分。 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 图1-1所示为汽车的制动灯电路，电路由蓄电池、制动灯、连接导线 和制动开关构成，是一个最基本的电路。汽车制动时，合上制动开关 ，蓄电池向外输出电流，电流流过制动灯，制动灯就会亮。 (1)电源 电源是电路中提供电能的装置。电源可以把其他形式的能量转换成电 能，为整个电路提供能量。常用的电源有干电池、蓄电池、太阳能电 池、发电机等。图1-1所示的电路中，蓄电池就是电源。 (2)负载 负载是电路中取用电能的装置，即电路中利用电能来工作的元器件， 也称为用电器，是各种用电设备的总称。 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 负载，如电灯、电炉、电动机等可以把电能转换为其他形式的能量。 图1-1所示的电路中，制动灯就是负载。 (3)导线 导线用来连接电路中的各元器件，起到传输电流的作用。 (4)开关 开关是电路中控制电路接通与断开的器件。导线和开关将电源和负载 连接起来，也称为电路的中间环节。中间环节的作用是传送和分配电 能，控制电路的通断，保护电路安全，使其正常地运行。 2.电路的功能 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 电路按功能可分为两类，一类是实现能量的传输、分配与转换的电路 ，如白炽灯将电能转换为光能，电炉将电能转换为热能;另一类是实 现信号的传输和处理的电路，如扩音器电路可将声音信号进行放大处 理，汽车发电机内部电路可将其产生的交流电变换为直流电供给汽车 电器使用，汽车电控发动机中的电子点火系统电路可将低压脉冲信号 进行放大，控制点火线圈产生高压电，实现点火。 3.电路图 图1-1采用的是用画实物外形的方法来表示电路，称为电路示意图。 为使绘制电路方便快捷，规定用一些简单的图形符号来表示电路中的 各种元器件，这样画出的电路图形称为电路原理图，也称为电路图。 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 图1-2为图1-1所示电路的电路图，用电路图表示实际电路简单明了， 绘制方便。在生产生活实际中，一般都根据电路图对电路进行分析和 计算。因此，必须熟悉电路元件的图形符号及电路图的画法。表1-1 列出了常见电路元件的图形符号。 活动1. 1. 2电路中的基本物理量 1.电流 电流是一种物理现象，是带电粒子有规则的定向运动形成的，通常将 正电荷移动的方向规定为电流正方向。电流的大小用电流强度来衡量 ，其数值等于单位时间内通过导体某一横截面的电荷量。根据定义有 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 式(1-1)表明，在一般情况下，电流是随时间变化的。如果电流不随时 间而变化，即dq/dt=常数，则这种电流就称为恒定电流(简称直流)。 直流时，不随时间变化的物理量用大写字母表示，式(1-1)可写成 电流的方向一定是客观存在的，但在电路分析中，一些较为复杂的电 路，有可能出现某段电流的实际方向难以判断的情况，甚至有时电流 的实际方向还在随时间不断改变，于是要在电路中标出电流的实际方 向较为困难。 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 电流的参考方向可以任意选定，在电路图中用箭头表示(当然，所选 的参考方向不一定就是电流的实际方向)。当参考方向与电流的实际 方向一致时，电流为正值(i0);当参考方向与电流的实际方向相反时 ，电流为负值(i 0);相反时，电压为负(u0)。 3.电位 在电路中任选一点为参考点，电路中某点到参考点的电压值就称为该 点的电位。电位的单位为伏(V)。 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 电路参考点本身的电位V0= 0，参考点又称为零电位点。根据定义， 电位实际上就是电压，即 可见，电位也可为正值或负值，某点的电位高于参考点，则为正值， 反之为负值。任选参考点，则a,b两点的电位分别为 。 按照做功的定义，电场力把单位正电荷从a点移到b点所做的功，等于 把单位正电荷从a点移到b点，再移到h点所做的功的和，即 或 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 式(1 -6)表明，电路中a,b两点间的电压等于a,b两点的电位差，因而电 压又称电位差。 4.电动势 电动势是衡量电源将非电能转化为电能本领的物理量。电动势的定义 为:在电源内部，电源力把单位正电荷从电源负极移到电源正极所做 的功，用字母E表示。 如果电源力把电荷量为q的电荷从电源负极经电源内部移到电源正极 所做的功为W，则电动势可表示为 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 电源内部电源力的方向由负极指向正极，因此电源电动势的方向规定 为由电源负极经电源内部指向电源正极。电动势的单位是伏特，简称 伏(V)。 5.电能和电功率 电流在电路中流通时，将电源的电能传给了负载(用电设备)，负载将 吸收的电能转换成其他形式的能量，即电流做了功，消耗了电能。负 载在工作时间消耗的电能(也称为电功)用W表示。电能的国际单位是 焦耳，简称焦，符号是J。 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 电功率是指单位时间内，某段电路传送或转换的电能，用P表示。电 功率的国际单位是瓦特，简称瓦，符号是W。 在实际应用中，常用的功率单位有千瓦(kW)，电能单位有千瓦时 (kW·h) ,1千瓦时即为平常所说的“1度电”。 6.电气设备的额定值 电气设备在给定的工作条件下，正常运行时所规定的最大允许值称为 额定值。实际工作时，如果超过额定值，会使电气设备使用寿命缩短 或造成损坏;如果小于额定值，则会使电气设备的利用率降低，甚至 不能正常工作。 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 电气设备的额定值包括额定电压、额定电流、额定功率，分别用UN、 IN、PN 表示。 活动1. 1. 3电源及等效电路 电源是电路能量的来源，也是电路的主要元件之一。电池、发电机等 都是实际的电源。在电路分析时，常用等效电路来代替实际的部件。 一个实际电源的外特性，即电源端电压与输出电流之间的关系可以用 两种不同的电路模型来表示，一种是电压源，一种是电流源。 1.电压源 一个电源没有内阻，其端电压与负载电流的变化无关为常数，则这个 电源称为理想的电压源，用Us表示。 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 通常稳压电源、发电机可视为理想电压源。但实际的电源都不会是理 想的，总是有一定的内阻，因此，在电路分析时，对电源可以用一个 理想的电压源与内阻相串联的电路模型电压源来表示，如图1 -4所 示。 2.电流源 当一个电源的内阻为无穷大，其输出电流与负载的变化无关为常数， 则这个电源称为理想电流源，用Is表示。常用的光电池与一些电子器 件构成的稳流器，可以认为是理想的电流源。理想电流源实际上是不 存在的，对于一个实际的电源，也可以用一个理想的电流源与内阻并 联的电路模型电流源来替代，如图1一5所示。 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 3.电压源与电流源的等效变换 如果电压源和电流源的外特性相同，即在相同电阻R上产生相等的电 压U与电流I，电压源和电流源可以等效变换。如图1 -6所示，两种电 源的等效变换关系为 在等效变换时还需注意以下内容: (1)电压源与电流源的等效变换指对外电路等效，对内电路不等效。 (2)理想电压源与理想电流源之间不能进行等效变换。 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 (3)等效变换时，Us与Is的方向是一致的，即电压源的正极与电流源的 输出电流的一端相对应。 4.电路的工作状态 (1)负载状态 在图1 -7所示的电路中，如果开关闭合，电源则向负载提供能量，负 载处于正常工作状态，这时电路有如下特征。 1)电路中的电流为 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 2)电源的端电压等于负载两端的电压，为 3)电源输出的功率等于负载所消耗的功率(不计线路上的损失)，为 (2)空载状态 图1 -7所示的电路，开关断开或连接导线折断时的开路状态，又称空 载状态。电路在空载时，外电路的电阻可视为无穷大。因此电路具有 下列特征: 1)电路中的电流为零，即 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 2)电源的端电压为开路电压U0，并且有 3)电源对外电路不输出电流，因此有 (3)短路状态 图1-7所示的电路中，电源的两输出端线，因绝缘损坏或操作不当， 导致两端线相接触，电源被直接短路，这种状态称为短路状态。 当电源被短路时，外电路的电阻可视为零，这时电路具有以下特征: 1)电源中的电流最大，但对外电路的输出电流为零，即 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 2)电源和负载的端电压均为零，即 上式表明，电源的恒定电压，全部降在内阻上，两者的大小相等，方 向相反，因此无输出电压。 3)电源输出的功率全部消耗在内阻上，因此，电源的输出功率和负载 所消耗的功率均为零，即 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 活动1. 1. 4电路的基本元件 电路的负载中一般都包括电阻、电容、电感3个基本参数。电阻参数 起主要作用的元件称为电阻元件，如白炽灯、电炉等。电容参数起主 要作用的元件称为电容元件，如电容器等。电感参数起主要作用的元 件称为电感元件，如互感器等。电阻元件、电容元件及电感元件是电 路中的基本元件。 1.电阻元件 导体容易导电，但对电流也有阻碍作用。在相同的电压作用下，通过 不同导体的电流大小不同，说明不同导体对电流的阻碍作用也不同。 电阻就是描述导体对电流阻碍作用的物理量，符号用R表示。 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 电阻的国际单位是欧姆，简称欧，用表示。此外，常用的电阻单位 还有千欧(k )、兆欧( M )，换算关系为 电阻实际上是导体的一种基本性质，与导体的尺寸、材料和温度有关 。通常在电子产品中所说的电阻是指电阻器这种电阻元件。电阻器是 电子电路中使用最多的元件之一，在电路中常用来控制电流和调节电 压。电阻元件中有电流流过时要消耗电能，因此，电阻元件是耗能元 件。 (1)电阻器的分类 常用电阻器一般分为固定电阻器和可变电阻器两大类。 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 固定电阻器是指电阻器的阻值固定不变，可变电阻器的阻值可根据需 要在一定范围内进行调节。 固定电阻器。固定电阻器简称电阻，根据材料和工艺不同，可分为 碳膜电阻器(RT),金属膜电阻器(RJ)、线绕电阻器(Rx)、热敏电阻器 (RR)、光敏电阻器(RG)等不同类型。各类电阻器的外形如图1-8所示 。 可变电阻器。可变电阻器简称可变电阻，其阻值可在规定的范围内 任意调节。可变电阻器可分为半可调电阻器和电位器两类。常用的可 变电阻器外形如图1 -9所示。 电阻器的图形符号如图1-10所示。 上一页 下一页返回 任务1. 1电路的组成及基本概念 (2)电阻元件的电流与电压的关系 将电阻两端的电压与流过电阻的电流的关系用图形表示，称为