1、电工电子基础知识总结电工电子基础知识总结(总23页)电工电子基础知识总结一、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
2、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
3、.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
4、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
5、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（）、K、M 1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1。 换算：1 M103 K106
6、 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：=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：RR1+ 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。 例：（05年运规试题）如图，R1R2R3，则哪个电阻消耗功率大。 （ ）A、R1 ； B、R2 ； C、R3 ； D、一样大
7、。例：计算白帜灯灯泡电阻：220V，100W4.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
8、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
9、,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
10、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。 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（F）、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（F） 1微法（F）= 纳法（nF）= 皮法（pF）2.
11、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: 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
12、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：充电过程分析：开关合闸瞬间
13、，过渡过程，呈指数规律。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。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。3.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
14、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：
15、 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（H）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，相当于短路。其
16、电压与电流的关系： 同一电感对不同频率的交流电呈现不同的阻抗，即感抗：XLL2fL。电感L越大，电源频率f越高，感抗就越大。对直流，f0，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。 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
17、图可以看出，电感在正弦交流电路中电流滞后电压90，即: 我们通常所说的，感性负载电 流滞后电压90就是这个道理。3.电感的参数、测量：测量：用电感测量仪测量其电感量；用万用表测量其通断，理想的电感电阻很小，近乎为零。若测量电阻为，则说明电感器已经开路损坏。参数：主要有电感量、额定电流等。4.电感的应用举例： 电抗器：实质上是一个无导磁材料的空心线圈。在电力系统中起增大短路阻抗，限制短路电流作用。常串于出线断路器处，起到维持母线电压水平的作用，使母线电压波动较小，保证非故障线路上的用户电气设备运行的稳定性。 消弧线圈：在中性点不接地系统发生单相接地时，减少通过接地点的电容电流，有效防止铁磁谐振过
18、电压的产生。 消弧线圈补偿方式有三种：全补偿、欠补偿、过补偿第三部分电路分析方法一、电路的基本概念： 为了某种需要、功能而由电源、导线、开关和负载等元件按一定方式组合起来的电流的通路称为电路。 电路的主要功能：一是进行能量的转换、传输和分配；二是实现信号的传递、存储和处理。 电路分析的主要任务就在于解得电路物理量，其中最基本的电路物理量就是电流、电压和功率。二、电路的基本物理量： 1.电流：导体中电荷的定向移动形成电流。定义为单位时间内通过导体截面的电荷量，即 2.电压、电位和电动势： 电位：电路中某点的电位定义为单位正电荷由该点移至参考点电场力所做的功。要有一个参考零电位点 。 电压：电路中
19、a、b点两点间的电压定义为单位正电荷由a点移至b点电场力所做的功。或者说，两点之间的电位差即为电压： 电压的实际方向规定由电位高处指向电位低处。 电源电动势：是衡量外力即非静电力做功能力的物理量。外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功，称为电源的电动势。 电动势的实际方向与电压实际方向相反，规定为由电源负极指向正极。 3.电功率和电能：电场力在单位时间内所做的功称为电功率，简称功率。它表示电能转化为其他形式的能量，被电路吸收（消耗）的速率。单位为：瓦（W），常用的有KW（千瓦）、MW（兆瓦）、mW（毫瓦）。 在一定时间内，电路（负载）吸收（消耗）的电功率（电量）称为电能，即电
20、量（电度）。 电能的单位是焦（耳）（J），它 等于功率1W的用电设备在1s内消耗的电能，量值较小。在实用上采用kWh(千瓦小时)作为电能的单位，它等于功率1kW的用电设备在1h（3600s）内消耗的电能，简称为1度电。换算关系：二、电路的基本物理量： 电路的分析计算有两大基本定律：一是欧姆定律；一是基尔霍夫定律。欧姆定律反映的是电路中元件上的电流和电压的约束关系，而基尔霍夫定律反映的是电路中各支路电流之间的约束关系或各回路电压之间的约束的关系。1.欧姆定律： 欧姆定律只适用于纯线性电阻电路。欧姆定律有两种：即部分电路欧姆定律（也称作外电路欧姆定律）和全电路欧姆定律。 外电路欧姆定律：表述为在同
21、一电路中,流过电阻的电流跟其两端的电压成正比,跟导体的电阻成反比。串联电阻分压公式： 并联电阻分流公式： 全电路欧姆定律：全电路是指电源以外的电路（外电路）和电源（内电路）之总和。电源产生电动势，它有内电阻。流过电路的电流，与电源的电动势成正比，与外电路的电阻与内电路的电阻之和成反比。这就是全电路欧姆定律。 在实际电路中，由于内阻的存在要消耗一定的功率，产生一定的电压降（Ir）。因此，外电路端电压U=-Ir。当外电路开路时，I0，U=；当外电路有负载时，端电压随着负载（I）的增大而降低。 2.基尔霍夫定律： 基尔霍夫定律包括电流定律和电压定律。不论元件是线性的还是非线性的，电流、电压是直流的还
22、是交流的，基尔霍夫定律总成立。 基尔霍夫电流定律：对电路中任一结点，在任一时刻，流出结点的电流之和一定等于流入结点电流之和，即流出或流入该结点的所有支路电流的代数和为零。 KCL也可以推广到电路中任一假设的封闭面，即在任一时刻，通过该封闭面的所有支路电流的代数和等于零。 基尔霍夫电压定律：对任一电路中的任一回路，在任一时刻，沿着该回路的的所有支路电压的代数和恒等于零,简称为KCL。 KCL确定了连接在同一回路中各支路电压之间的关系。体现的是电荷在电场中从一点移到另一点时，它所具有能量的改变量只与这两点的位置有关，而与移动路径无关的性质。 在分析电路列回路KCL方程时，应先规定回路绕行方向，各支
23、路电压参考方向与回路绕行方向一致时（从+极性向-极性）取正号，反之取负号。第四部分二极管、可控硅整流原理 电力电子器件是电力电子变流技术的核心，通常包括非可控器件（如整流二极管）和可控器件（如晶闸管，也叫可控硅）两大类。电力电子变流技术和控制技术的发展，使变流技术主要能实现以下几个功能：整流器、逆变器、暂波器、交流调压器、周波变流器等，以上的几个功能都可以通过晶闸管来实现。 下面，我们主要介绍整流电路原理。一、二极管及其整流原理 1.二极管结构原理：一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。 二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型。点接触型二极管PN结
24、面积很小，因而结电容小，通流能力小，主要应用于小电流的整流和高频时的检波、混频及脉冲数字电路中的开关元件等；面接触型二极管PN结面积大，因而能通过较大的电流，但其结电容也小，只适用于较低频率下的整流电路中，一般的电源整流电路均采用面接触型。2.二极管的伏安特性 二极管由PN结组成，因此，具有PN结的单向导电特性，它属于非线性电阻元件。 正向特性（右半部分）： 当正向电压大于死区电压后，正向电流随着正向电压增大迅速上升。 反向特性 （左半部分）： 当二极管外加反向电压时，PN结处于截止状态，反向电流很小；如果所加反向电压继续增大，大于击穿电压时，反向电流急剧增加，而电压几乎保持不变（稳压二极管就
25、是利用这一反向击穿区特性工作的，控制反向电流数值，使其不致过热而烧坏）。 普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般都会造成热击穿，使二极管永久性损坏，不再具有单向导电性。 二极管的测量一般用万用表的电阻档（R1K）测量，其正向电阻（黑表笔接阳极，红表笔接阴极）较小（几百1K左右），反向电阻很大（一般为接近），而根据正反向测量结果，也可以判断出其极性。 二极管在电工电子电路中应用很广，常用于整流、稳压、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等等。如整流二极管、发光二极管、稳压二极管、光电二极管（可以与光敏三极管做成 光耦器件，用于信号 的电路隔离传输，如 微机保护等输入输出 口常采用
26、光耦传输， 起电路隔离，避免因 某一输入输出口问题 影响整个系统）等。 3.二极管整流原理 二极管整流电路实际就是利用其单向导电特性，有半波整流、全波整流和桥式整流三种形式，常用桥式整流。 半波整流： 当输入电压处于交流电压正半周时，二极管导通，输出电压VoVi(忽略管压降) ；当输入电压处于交流电压的负半周时，二极管截止，输出电压Vo0。 半波整流电路的交流利用率只有50，且输出电压脉动很大，对于使用直流电源的电动机等功率型的电气设备，半波整流输出的脉动电压就足够了。对于电子电路，这种电压则不能直接作为半导体器件的电源，还必须经过平滑（滤波）处理。 电压正半周时，交流电源在通过二极管向负载提
27、供电源的同时对电容充电，在交流电压负半周时，电容通过负载电阻放电。 全波整流： 当输入电压处于交流电压正半周时，D1导通，VoVi（忽略管压降）；当输入电压处于负半周时，D2导通，VoVi。其输出波形是一个方向不变的脉动电压，但脉动频率是半波整流的一倍。 同样，全波整流输出的直流脉动电压不能满足电子电路对直流电源的要求，必须经过平滑（滤波）处理。也是在全波整流的输出端接一个电容。电容在脉动电压的两个峰值之间向负载放电，使输出电压得到相应的平滑。 全波整流电路的交流利用率为100，正负半周均利用，其输出电压脉动较半波整流小，比较平滑。全波整流电路必须采用具有中心抽头的变压器，而且每个线圈只有一半
28、时间通过电流，所以变压器的利用率不高。 桥式整流： 当输入电压处于交流电压正半周时，二极管D1、负载电阻RL、D3构成一个回路（图中虚线所示），输出电压VoVi（忽略管压降）；当输入电压处于交流电压负半周时，二极管D2、负载电阻RL、D4构成一个回路，输出电压VoVi。 可见，桥式整流电路的输出波形脉动情况、脉动频率。交流利用率与全波整流一样。不同的是桥式整流电路无需采用具有中心抽头的变压器，整流二极管承受的反向电压也不高。 二、可控硅及其整流原理 二极管整流电路通常称为不可控整流电路，当输入的交流电压不变时，其输出的直流电压也是固定的，不能任意控制和改变。在实际工作中，有时希望整流器的输出直
29、流电压能够根据需要进行调节，在这种情况下，需要采用可控整流电路，而晶闸管正是可以实现这一要求的可控整流元件。1.晶闸管结构原理 内部由四层半导体（PNPN）构成，形成三个PN结（J1、J2、J3），最下层的P1引出为阳极（A），最上层的N2引出为阴极（K），中间的P2引出为控制极（G）。 工作原理：如果只在晶闸管的阳极和阴极之间加正向电压而控制极不加电压，则PN结J2为反向偏置，晶闸管不导通，称为阻断；如果A、K之间加反向电压而控制极不加电压，J1、J3反偏，晶闸管还是阻断。也就是说，在G极没有加控制电压情况下，晶闸管始终处于阻断状态。 当在阳极和阴极之间加正向电压的同时，在控制极与阴极之间也
30、加一个正向电压，则晶闸管将由阻断变为导通，而且其压降很小（1V左右），相当于开关处于闭合状态。晶闸管导通后，可以通过几十甚至上千安的电流，只要A、K之间一直加有正向电压，它就一直维持导通状态，控制极一般就不再起控制作用。所以，控制极也叫触发极，加在其上的电压一般为触发脉冲电压。 晶闸管的导通原理可以由其等效电路来分析：根据晶闸管的结构，可以把它看成由一个NPN型三极管和一个PNP型三极管组合而成。 晶闸管导通后，控制极就失去控制作用。那么，如何使晶闸管由导通变为阻断状态呢？只能通过降低电源电压，或增大负载电阻，或改变电源电压极性（加反向电压）等方法，使阳极电流IA减少，到某一特定数值以下（即小于维持电流），才能使晶闸管重新阻断。 若不加控制极正向电压，而提高阳极电压，则当达到某一限度时，由于正向漏电流的增大，也会导致晶闸管导通。 当A、K加反向电压时，两个三极管集电极电压极性接反，都不能放大，只有较小的反向漏电流，晶闸管处于阻断状态。2.晶闸管的主要参数 （1）电压定额： 断态重复峰值电压( )： 反向重复峰值电压（ ）： 通态(峰值)电压（ ）： （2）电流定额： 通态平均电流 ： 维持电流 ： 擎住电流 ： （3）门极定额：
