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1、1,学习情境1建筑电气工程技术应用,2,学习情境1建筑电气工程技术应用,3,教学导航:,学习情境1建筑电气工程技术应用,4,任务1-1建筑电气工程认识,知识分布网络,5,任务1-1建筑电气工程认识,1.1.1建筑电气工程的概念,利用电气技术、电子技术及近代先进技术与理论，在建筑物内外人为创造并合理保护理想的环境，充分发挥建筑物功能的一切电工、电子设备的系统，统称为建筑电气。包含供配电系统、照明系统、防雷接地系统、通信系统、安防系统，而且对建筑物内的给水排水系统、空调制冷系统、自动消防系统、安防系统、通信系统、物业管理系统等实行最佳控制和最佳管理。,6,任务1-1建筑电气工程认识,1.1.2建筑
2、电气工程的组成,各类建筑电气系统虽然作用各不相同，但它们一般都是由用电（或终端）设备、配电（或传输）线路、保护（或控制）设备三大基本部分所组成，如图1.1所示。,7,任务12直流电路应用,知识分布网络,8,任务12直流电路应用,任务背景:,在日常生活和生产中，我们会接触到各种电气线路。如照明线路、厂矿企业的供配电线路、电视机线路等，这些我们称之为实际电路。实际电路是指由实际元器件和导线组成的线路，如图1.2所示（a）手电筒的实际电路接线图、(b)为照明实际电路接线图。它是由电池（或交流电源）、灯泡、开关、导线组成。其中电池称为电源，灯泡称为负载，开关称控制装置。,（a）手电筒直流电路（b）照明
3、交流电路图1.2 实际电路接线图,9,任务12直流电路应用,图1.3手电筒电路模型,电源：是把其他形式的能量转换成电能，并且向电路供应电能的装置，分交流电源和直流电源。负载：是使用电能的装置，把电能转换为其他形式的能。输电导线：是电能的传输图径，把电能从一个位置传输到另一个位置。控制装置：控制负载是否使用电能的装置。如控制灯亮和灭，电动机的启停。,电路模型是指用电路符号代替实际元器件画出的图形，上述手电筒电路模型如图1.3所示。,1.2.1知识准备,1.电路模型,10,任务12直流电路应用,1.2.1知识准备,表1.1 常用电气元件的图形及文字符号,11,任务12直流电路应用,图1.4 电路状
4、态,1.2.1知识准备,2电路状态,12,任务12直流电路应用,1.2.1知识准备,2电路状态,通路：当电源与负载接通，电路中有了电流及能量的输送和转换，电路的这一状态称为通路。断路：当某一部分电路与电源断开，该部分电路中没有电流，亦无能量的输送和转换，这部分电路所处的状态称为开路。短路：当某一部分电路的两端用电阻可以忽略不计的导线或开关连接起来，使得该部分电路中的电流全部被导线或开关所旁路，这一部分电路所处的状态称为短路或短接。,13,任务12直流电路应用,1.2.1知识准备,3电路中的参考方向,假设一个方向作为电路分析和计算时的参考,这些假定的方向称为参考方向或正方向，参考方向与实际方向一
5、致，U0或I0；参考方向与实际方向不一致，U0或I0。原则上参考方向可任意选择，但在分析某一个电路元件的电压与电流的关系时，为简化分析需要将它们联系起来选择，这样设定的参考方向称为关联参考方向。如图1.5所示的电流和电压参考方向即为关联参考方向。,图1.5电流和电压关联参考方向,14,任务12直流电路应用,1.2.1知识准备,4电路的基本物理量,电流：单位时间内通过电路某一横截面的电荷量称为电流强度，简称电流。单位为安培（A）。按照电流的方向和大小可分为两类，一是方向和大小均不随时间变化的电流称为直流电流。另一类是方向和大小都随时间变化的电流称为交流电流。电压：电场力将单位正电荷从电路的某一点
6、移至另一点时所消耗的电能，即转换成非电形态能量的电能称为这两点间的电压。电压的方向在内电路是由“-”指向“+”，在外电路是由“+”指向“-”。在电路分析中必须对电路和元件中两点之间的电压任意假定一个方向为“参考方向”。按照电压的方向和大小可分为两类，一是方向和大小均不随时间变化的电是压称为直流电压。另一类是方向和大小都随时间变化的电压称为交流电压。电位是指电场力将单位正电荷从电路的某一点移至参考点时所消耗的电能，也就是在移动中转换成非电形态能量的电能称为该点的电位。,15,任务12直流电路应用,1.2.1知识准备,4电路的基本物理量,【例1.1】在图1.7中假定流过电阻R的电流是2A，电阻为6
7、，计算a点的电位是多少？解：设b点为参考点如图1.7所示根据题意可知加在电阻上的电压U=26=12V则a点电位为12V。功率：单位时间内所转换的电能称为电功率，简称功率。在电压和电流关联参考方向下，当计算出功率为正，表明元件是消防电能，当计算出功率为负，表明元件是发出电能。在直流电路中P=UI。,图1.7 例1.1图,功率：单位时间内所转换的电能称为电功率，简称功率。在电压和电流关联参考方向下，当计算出功率为正，表明元件是消防电能，当计算出功率为负，表明元件是发出电能。在直流电路中P=UI。电能；在时间 t 内转换的电功率称为电能。在实际应用中，常用千瓦小时或度表示。在直流电路中电路消耗的电能
8、为：W=Pt。,16,任务12直流电路应用,1.2.1知识准备,5电压源和电流源,电压源：是指输出电压 u 是由其本身所确定的定值，与输出电流和外电路的情况无关。输出电流 i不是定值，与输出电压和外电路的情况有关。电流源：输出电流 i 是由其本身所确定的定值，与输出电压和外电路的情况无关。输出电压 u 不是定值，与输出电流和外电路的情况有关。,(a)电压源特性曲线(b)电压源图形符号(c)电流源特性曲线(d)电流源图形符号图1.8 电源特性曲线和图形符号,17,任务12直流电路应用,1.2.2直流电路分析,1.基尔霍夫电流定律（KCL）,基尔霍夫电流定律（KCL）：在任一时刻，流入任一个节点的
9、电流这和等于从该节点流出的电流之和。【例1.1】列出图1.10的电流方程。假定流入结点的电流前取正号，流出结点的电流前取负号。根据KVL定律有：结点 a I1 I2 I3这是一个方程结点 b I1 I2 I3结论：有两个结点的电路独立的结点电流方程是一个，那么对于有n个结点的电路独立的结点电流方程是n-1个。,图1.9 两电源电路 图1.10标有回路参考方向的两电源电路,18,任务12直流电路应用,1.2.2直流电路分析,2基尔霍夫电压定律（KVL）,在任一时刻，电路中任一闭合回路内电位升的代数和等于电压降的代数和。所谓回路是指由电路元件组成的闭合路径称为回路。图1.9中有 adbca、aeb
10、da 和 aebca 三个回路。未被其他支路分割的单孔回路称为网孔。有 adbca、aebda 两个网孔。对回路 adbca 由于电位的单值性，从 a 点出发沿回路环行一周又回到 a 点，电位的变化应为零。US2U1US1U2,图1.9 两电源电路 图1.10标有回路参考方向的两电源电路,19,任务12直流电路应用,1.2.2直流电路分析,3支路电流法,支路电流法解题的一般步骤：,图1.11 支路电流法,（1）确定支路数，选择各支路电流的参考方向。（2）确定结点数，列出独立的结点电流方程式。利用KCL列出结点方程式:结点 a:I1 I2 I3（3）确定余下所需的方程式数，列出独立的回路电压方程
11、式。网孔的回路参考方向如图，列出回路方程式:右网孔:R1I1 R3I3 E1左网孔:R2I2 R3I3 E2（4）解联立方程式，求出各支路电流的数值。解出I1、I2 和 I3,20,任务13交流电路应用,知识分布网络,21,1.3.1 正弦交流电基本概念,1.正弦交流电的三要素,图1.13 正弦交流电三要素,1）周期（T）与频率（f）正弦量变化一次所需的时间称为周期T。每秒变化的次数称为频率f，它的单位是赫兹（Hz）。频率与周期之间具有倒数关系，即,2）幅值（Im）与有效值正弦量在任一瞬时的值称为瞬时值，用小写字母表示，如i、u及e分别表示电流、电压及电动势的瞬时值。瞬时值中最大的称为幅值，用
12、带下标m的字母来表示，如Im、Um及Em分别表示电流、电压及电动势的幅值。,，,3）初相位（）正弦量是随时间而变化的，对于一个正弦量所取的计时起点不同，正弦量的初始值（当t=0时的值）也就不同，到达幅值或某一特征值的时间也就不同。,任务13交流电路应用,22,1.3.1 正弦交流电基本概念,1.正弦交流电的三要素,图1.14 正弦交流电的同相和反相,当1大于（或小于）2时，我们说i1的变化超前（或滞后）于i2；图1.14 正弦交流电的同相和反相当12=0时，即=0时，i1和i2具有相同的初相位，即同相；当12=180时，即=180，i1和i2的相位相反，即反相。如图1.14所示，i1和i2具有
13、相同的初相位，相位差为0；i1、i2与i3反相，相位差为180。,任务13交流电路应用,23,1.3.2 单一元件的交流电路,电阻元件、电感元件、电容元件都是组成电路模型的理想元件。所谓理想，就是突出其主要性质，而忽略其次要因素。电阻元件具有消耗电能的电阻性，电感元件突出其电感性，电容元件突出其电容性。电阻元件是耗能元件，后两者是储能元件。,任务13交流电路应用,24,1.3.3 R、L、C混合电路,图1.16 电阻、电感与电容串联的交流电路,根据克希荷夫电压定律可列出,设电流 为参考正弦量，则,电压三角形,阻抗三角形,功率三角形,任务13交流电路应用,25,1.3.4 功率因数的提高,并联电
14、容器后,按照供电规则，高压供电的工业企业平均功率因数不低于0.90。提高功率因数常用的方法就是与电感性负载并联静电电容器（设置在用户或变电所中），其电路图和相量图如图1.20所示。,图1.20感性负载并联电容提高功率因数,从相量图上可见，并联电容器以后，线路电流减小，功率损耗也就降低了。并联电容的大小可由公式 决定，即,具体提高功率因数的方法主要有：一是使电动机、变压器接近满载运行（电动机空载时，cos=0.20.3，满载时cos=0.830.85）；二是在感性负载的两端并联电容。,任务13交流电路应用,26,1.3.4 功率因数的提高,【例1.6】已知一台变压器的次级电压为U2e=220V，
15、电流为I2e=100A，试分析：（1）当cos=0.6时，该变压器能带动几台Ue=220V，P=2.2kW的电动机；（2）当cos=0.9时，该变压器能带动几台Ue=220V，P=2.2kW的电动机。解：（1）当cos=0.6时，每台电动机取用的电流是该变压器能带动的电动机数是：（2）当cos=0.9时，每台电动机取用的电流是该变压器能带动的电动机数是：由此可见，同样的电源，通过提高负载的功率因数，可以较大幅度地提高其利用率，减少设备的投入和线路的损耗。,任务13交流电路应用,27,1.3.5 三相交流电路,三相电源的星形连接如图1.21所示，即将三个末端连接在一起，这一连接点称为中点或零点，
16、用N表示，这种连接方法称为星形连接。从中点引出的导线称为中线，从始端U1、V1、W1引出的三根导线称为相线或端线，俗称火线。每相始端与末端间的电压，亦即火线与中线间的电压，称为相电压，其有效值用UL1、UL2、UL3或一般地用UP表示。任意两始端间的电压，即两火线间的电压，称为线电压，其有效值用UL1L2、UL2L3、UL3L1或一般地用UL表示。,三相电源的相电压和线电压都是对称的，在相位上相电压超前线电压30。至于线电压和相电压在大小上的关系为：,任务13交流电路应用,28,1.3.5 三相交流电路,分别接在各相电路上的三组单相负载也可以组成三相负载。三相负载的阻抗相同（幅值相等，阻抗角相
17、等）则称为三相对称负载，否则均称为不对称负载。三相负载有两种连接方法，如图1.22所示。,任务13交流电路应用,29,1.3.5 三相交流电路,负载的各种连接方法电流、电压、相位角、功率等参数各有其特点，具体特点如表1.4所示。,任务13交流电路应用,30,1.3.5 三相交流电路,【例1.7】如图1.23所示，有三相对称负载，每相负载由电阻R和电感L构成，R=6，L=25.5mH。负载为连接，电源的UL=380V，f=50Hz。画出电路图并求每相负载的电流IP和电路取用的总功率P。解：如图1.17所示，由线电压和相电压之间的关系得到而阻抗计算为所以又故而,任务13交流电路应用,31,1.3.
18、5 三相交流电路,【例1.8】如图1.24所示，某三相不对称负载做连接的电阻电路中，各相电阻分别是RA=RB=22，RC=11。已知电源的线电压为380V。求相电流、线电流和中线电流。解：参见图示1.18（a）得到每相所承受的相电压为：各相电流为：各相的线电流等于同相的相电流。纯电阻电路的电流和电压同相位，故三相电流之间的相位差依次为120。用相量叠加法得到中线电流的值为10A，相位与UC同相位，如图1.28（b）所示。,任务13交流电路应用,32,1.3.5 三相交流电路,【例1.9】图1.25为由白炽灯组成的三相不对称负载电路。A负载为两个220V、60W的灯泡，B相为6个220V、60W
19、的灯泡。试分析中线断开，C相负载开路和短路时，A相和B相负载的电压变化情况。解：中线断开，C相开路时，RA和RB串联后接在UAB上。因为,所以（V）,（V）,中线断开，C相负载短路时，A相和B相分别接到UBC、UCA上，均承受380V的电压，灯泡很快烧坏。可见中线一旦断开，线电压虽然仍然对称，但中线电流无法通过，各相负载所对应的对称相电压受到破坏，强迫负载改变原来工作状态，这样会使负载某一相（或两相）的电压升高，而另两相（或一相）的电压降低。严重时会使电压升高相负载损坏，而电压低的负载不能正常工作。,任务13交流电路应用,33,任务14电子电路应用,知识分布网络,34,任务14电子电路应用,1
20、.4.1常用半导体元器件,1、半导体二极管1）半导体二极管的结构,(a)点接触型(b)面接触型(c)图形符号图1.27二极管结构和图形符号,2）二极管的特性,图1.28 二极管导通和截止示意图,35,任务14电子电路应用,1.4.1常用半导体元器件,1、半导体二极管,图1.29 二极管伏安特性曲线,二极管的外加电压与电流的关系可用伏安特性曲线表示，如图1.29所示。当正向电压很低时，二极管呈现高电阻值。当正向电压超过二极管开启电压Uon时，二极管呈现低电阻值，处于正向导通的状态。开启电压与二极管的材料和工作温度有关，通常硅管的开启电压为05v，锗管为03V，二极管导通后，二极管两端的导通压降很
21、低，硅管为0507V，锗管为0203V。当二极管承受反向电压时，在反向电压小于击穿电压UBR时，反向电流极微小且基本保持不变。当反向电压增大到UBR时，反向电流突然增大，二极管呈现反向击穿的现象。,36,任务14电子电路应用,1.4.1常用半导体元器件,1、半导体二极管3）二极管的主要参数最大整流电流IDM：指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。其大小由PN结的结面积和外界散热条件决定。这是二极管的重要参数使用中不允许超过此值。最高反向工作电压URM：指二极管长期安全运行时所能承受的最大反向电压值。手册上一般取击穿电压的一半作为最高反向工作电压值。反向电流IR：指二极管未击穿时的反向
22、电流。IR值越小，二极管的单向导电性越好。反向电流随温度的变化而变化较大，这一点要特别加以注意。,37,任务14电子电路应用,1.4.1常用半导体元器件,1、半导体二极管4)特殊二极管,38,任务14电子电路应用,1.4.1常用半导体元器件,1、半导体二极管5）二极管的应用,（1）整流电路,(a)电路图（b）波形图,39,任务14电子电路应用,1.4.1常用半导体元器件,1、半导体二极管5）二极管的应用,（2）滤波电路,(a)电路图（b）波形图,40,任务14电子电路应用,1.4.1常用半导体元器件,1、半导体二极管5）二极管的应用,（3）稳压电路,图1.32 稳压管稳压电路图,41,任务14
23、电子电路应用,1.4.1常用半导体元器件,2、半导体三极管1）半导体三极管的结构,图1.33三极管结构图,图1.34 三极管图形符号,为了保证三极管有电流放大作用，三极管在制造时有以下特点：基区很薄，一般只有几微米到几十微米厚，且掺杂浓度低。发射区掺杂浓度比基区和集电区高很多。集电结的面积比发射结大。,42,任务14电子电路应用,1.4.1常用半导体元器件,2、半导体三极管2）三极管的特性 三极管的特性是具有电流放大作用。三极管要实现放大作用，需要具备的工作条件是：发射结加上正向偏置电压，集电结加上反向偏置电压，如图1.35所示。,（a）NPN型（b）PNP型图1.35三极管的工作电路,当三极
24、管具备上述工作条件时，三极管的三个电极的电流有如下规律：三极管各极之间的电流分配关系为，故。三极管的集电极电流IC稍小于IE，但远大于IB。IC与IB的比值在一定范围内基本保持不变，这个常数称为晶体管的电流放大倍数，用表示，即,43,任务14电子电路应用,1.4.1常用半导体元器件,2、半导体三极管2）三极管的特性,(a)输入特性曲线(b)输出特性曲线图1.36晶体管的伏安特性曲线,3）三极管的主要参数电流放大倍数：，该值的大小反映了三极管的电流放大能力。可分为直流放大倍数和交流放大倍数。,穿透电流ICEO：是指基极开路时，集电极与发射极之间的反向电流。集射极反向击穿电压UCEO（BR）：基极
25、开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。集电极最大电流ICM：集电极电流IC超过一定数值时，三极管的值将显著下降。集电极最大允许功耗PCM：集电结最大允许承受的功率。,44,任务14电子电路应用,1.4.1常用半导体元器件,2、半导体三极管4）三极管在放大电路中的应用,放大电路,图1.37 放大电路作用框图,图1.38 共发射极放大电路组成及工作原理图,工作原理：需放大的信号电压 ui通过C1转换为放大电路的输入电流，与基极偏流叠加后加到晶体管的基极，基极电流iB的变化通过晶体管的以小控大作用引起集电极电流 iC变化，即iC=iB；iC通过RC使电流的变化转换为电压的变化，即：uCE=U
26、CC-iCRC，uo=iCRC；由这两个公式可以看出当 iC增大时，uCE就减小，所以 uCE的变化正好与 iC相反，这就是它们反相的原因，同时uCE经过C2滤掉了直流成分，耦合到输出端的交流成分即为输出电压 u0。若电路参数选取适当，u0的幅度将比 ui 幅度大很多，亦即输入的微弱小信号 ui 被放大了，这就是放大电路的工作原理。,45,任务14电子电路应用,1.4.1常用半导体元器件,2、半导体三极管4）三极管在放大电路中的应用,【例1.12】某放大电路如图1.39所示，电路中RC=4k,Rb=300k,RL=4k,三极管放大放大倍数=50，请分析该放大电路并画出它的直流通路，求静态工作点
27、，画出其交流通路，计算其电压放大倍数、输入输出电阻。放大电路分析中要分两种工作状态进行，一是静态工作状态，二是动态工作状态。,图1.39 例1.12电路图,图1.40 直流通路,（1）静态工作情况静态时，三极管的IB、IC、UCE称为该放大电路的静态工作点。静态工作点的这三个量的大小是可以用估算法计算的。首先按直流信号在电路中流通的路径画出电路的直流通路。在直流电路中，电容视为开路，电感视为短路，该基本放大电路的直流电路如图1.40所示。,根据直流通路进行分析，可知：,46,任务14电子电路应用,1.4.1常用半导体元器件,2、半导体三极管4）三极管在放大电路中的应用,（2）动态工作情况,图1
28、.41 交流通路,电压放大倍数是指放大电路输出信号的电压与输入信号的电压比值。它反映出放大电路对电压的放大能力，即,根据电路可知，输出电压有两种情况：,47,任务14电子电路应用,1.4.1常用半导体元器件,3、场效应管,（a）结构图(b)增强型图形符号（c）耗尽型图形符号图1.43 场效应管结构和图形符号,图1.42场效应管实物,图1.44 N沟道增强型场效应管工作原理,场效应管工作原理如图1.44所示，当UGS=0时，无导电沟道，ID=0，管子处于截止；当UGS0且足够大时，导电沟道形成，有电流ID流过，管子处于导通状态。电流ID受UGS的控制。,48,任务14电子电路应用,1.4.2集成
29、电路的应用,1）集成电路的分类集成电路的种类很多，按其功能不同可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。前者用来产生、放大和处理各种模拟电信号；后者则用来产生、放大和处理各种数字电信号。集成电路按其制作工艺可分为半导体集成电路、膜集成电路和混合集成电路三类。按构成有源器件的类型可分为双极型(如晶体管)和单极型(如场效应管)集成电路两类。按集成度高低不同，可分为小规模、中规模、大规模及超大规模集成电路四类。,2）集成电路的结构,49,本任务主要介绍了建筑电工中直流电路、交流电路、电子技术应用中的基本概念、基本定律和常用公式，通过本任务的学习，读者应掌握运用这些基本概念、常用公式和基本定律解决实际问题的基本技能。（1）能够正确运用KCL、KVL定律解决电路问题；（2）能够运用交流电路电流与电压关系、电路功率计算规律解决工程实际问题；（3）掌握提高交流电路功率因数的意义及方法；（4）了解常用电子元件、常用电子电路有工程中的作用。,知识梳理与总结,
