电路电子学.doc

2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作電 路 電 子 學- 課 程 摘 要 - 甲）電路學 一）電路之基本概念與元件 二）直流穩態電路分析 三）交流穩態電路分析 四) 其他討論 乙）電子學 一）半導體與半導體物理 二）二極體及二極體電路 三）三極體及三極體電路 四）場效電晶體及其基本電路課本【Principle and Application of Electrical Engineering】G. Rizzoni, 滄海書局參考書籍 一）【電子元件與電路理論（上）】 張順雄譯 東華書局 二）【電路學（上）】 劉濱達譯 東華書局 三）【Electronics, A Survey】 R. Boylestad 歐亞書局甲） 電 路 學Circuit theory電路之基本概念與電路元件Basic concepts and the elements of an electrical circuit(Correspondence with the text book: Section 2.5、2.6、2.7)壹）電路之基本概念 (Section 2.5)電路為電荷流動之路徑 -電荷流動的速率稱為電流量，通常以或等符號表示，其單位為安培(A)；一安培的電流代表每秒一庫倫之電荷流量，其中一庫倫為個電荷之量。壹個電路的組成元件： (1)電源 - 產生電位差之元件，又可分為 (a)電壓源 - 兩端電壓為定值(或固定函數)的元件 (b)電流源 - 通過電流為定值(或固定函數）的元件 (2)負荷 - 控制電流的元件、又可分為 (a) 電阻 - 使得電流與電壓成比例的元件 (b) 電容 - 可蓄積電荷的元件 (c) 電感 - 可產生電磁效應的元件 (3)導線 - 連結電源與負荷以使得電流迴路閉合之元件通常假設導線為零電阻、無電容以及無電感，只是單純提供電荷一個無阻礙的通路。電路與電路元件的構成條件： (1)所有上述元件皆為雙埠(two ports)，也就是說皆有一個（電流）流入端及一個流出端。 (2)電路必須要是一個閉合的迴路，其迴路之閉合通常是以導線的連結來達成。電路分析在時間上的區隔：一個電路剛接通之際，電路中各處或各元件的電壓及電流值，將隨時間作連續性的變化。這段時間裡，電路各處之電壓及電流的變化，稱為電路之暫態響應(transient response)。 然而，在電路接通一段時間之後，電路中各處或各元件的電壓及電流值，將保持在一個穩定值（或穩定函數形態）。此種電壓及電流的穩定值（或穩定函數形態），稱為電路之穩態響應(steady state response)。 <= 我們將探討的範疇 貳）基本電路元件(1)電源 - 驅使電荷流動的元件；分為電壓源及電流源 獨立電壓源 - 產生電位差之元件 ¡電壓源以其電壓之形態，又可分為： (a)直流電壓源 - 兩端電壓為定值或 (b)交流電壓源 - 兩端電壓為固定之正弦函數 ¡電壓的單位為伏特(V)，其定義為每庫倫電荷通過電壓源時所獲的能量(焦耳) ¡當電路中存在有兩個或以上的電源時，則通過各電壓源的電流方向由電路的安排來決定，而不一定遵照該電壓源的正負極性 ¡真實電壓源通常有一個很小的串聯電阻r(稱為內阻) 因此其外顯電壓並非真的固定 - 獨立電流源 - 供給電流的元件 ¡電流源以其電流之形態，又可分為： (a)直流電流源 - 通過電流為定值或 (b)交流電流源 - 通過電流為固定之正弦函數 ¡電流的單位為安培(A)，其定義為每秒庫倫的電荷流量 ¡若存在有不止一個的電源，則各電流源的兩端電壓差 不一定遵照該電流源的方向。 ¡真實電流源通常有一個很大的並聯電阻r(稱為內阻)， 因此其外顯電流並非真的固定 - 另類電源 - 相依電壓源、相依電流源 ¡相依電壓源 - 兩端電壓為其他元件之電壓或電流的函數 ¡相依電流源 - 通過電流為其他元件之電壓或電流的函數 => 相依電源可以是直流或是交流(2)電阻 - 控制電流量大小（或者產生熱與光）之元件 所謂電阻乃是電荷流過一物體之困難程度的量度。 ¡電阻之大小是以橫跨該物體兩端的電壓差與通過該物體的電流之 比值來表示。（或，見右下圖） ¡一物體的電阻由其材質及尺寸所決定；以同種材質的物體而言， 則其電阻與其截面積成反比而與其長度成正比。 若的單位為伏特而的單位為安培，則電阻的單位為歐姆()。 除了控制電流量的大小之外，電阻的作用為產生熱與光，即能量。 ¡一個電阻所散發的能量為通過該電阻的電荷量乘上其兩端的電壓差 ¡另外，通過一個電阻的電流量與其兩端電壓差的乘積便是電阻所散 發的功率 - 以右圖，電阻所散發的功率為。 - 功率的單位為焦耳/每秒，或瓦特。 電阻的電路特性： ¡橫跨電阻兩端的電壓差與通過電阻的電流恆成正比 ð歐姆定律。 => 不論其兩端的電壓差以及通過的電流為直流或任意函數，這個特性皆保持成立。 ¡每一個電阻所能散發的功率都有一個最大容許值，稱為額定功率。若電阻所散發的功 率超過額定功率，電阻將燒毀。(3)電容 - 可以蓄積電荷（或說儲存訊息）之元件 所謂電容乃是一物體蓄積電荷之容量。 - 一個電容器在蓄積了電荷之後，其兩端將產生電壓差。 - 電容量之大小即是跟之比值，或。 - 若電荷的單位為庫倫而電壓差的單位為伏特，則電容量的單位為法拉(F)。 - 電容器大都極小，因此吾人另定義電容量的適量單位為及。 電容器的一般型式： - 電容器通常是由兩片相隔的平行金屬板(膜)所組成，如右圖。 - 電容器的電容值乃是由金屬板的尺寸、其相隔的距離以及其間 之絕緣體所決定；以同種的絕緣體而言，則其電容值與金屬板 的面積成正比而與金屬板相隔的距離成反比。 - 若金屬板之間是以電解液填充，則稱為電解液電容器，其電容值極大（約可達 數百）但容許電壓低且必須注意正負電極的極性。 電容器的電路特性： - 或的關係恆成立，即便及為任意的時間函數亦然。 - 通常，電容器兩端的電壓差有一個最大容許值，稱為崩潰電壓。若電容器兩端的電 壓差超過此一容許值，則電容器將短路而燒毀。 電容器的一般應用： - 純粹的電荷（能量）儲存，如蓄電池。 - 數位訊號的儲存（如電腦的RAM）以及一般訊號的積分與相位補償。(4)電感 - 產生磁場、力或力矩之元件 所謂電感乃是一物體反抗電流變化之效應。 - 當通過一個電感器的電流有所變化(即)，其兩端將產 生電壓差。物理上，這個電壓差又稱為反抗電動勢。 - 電感量之大小即是跟之比值，或。 - 若的單位為安培/秒而電壓差的單位為伏特，則電感量的 單位為亨利(H)。 電感器的一般型式： - 電感器通常是由導線纏繞而以線圈的型式呈現。 - 電感器的電感值由其線圈的直徑、形狀、圈數以及線圈裡 或其週遭物體之導磁性所決定。大體上，電感器的電感值 與其線圈的圈數成正比。 電感器的電路特性： - 的關係恆成立，即便及為任意的時間函數。 - 一般的電感裝置在與直流或接近直流的電壓源搭配時，極 容易產生很大的穩態電流，而造成燒毀。通常必須以電 阻或其他電路來限制其穩態電流。 電感器的一般應用： - 純粹的磁場、力或力矩之產生，如電磁鐵、馬達。 - 一般訊號的微分、與電容器相互補償、等。參）電路元件之串聯與並聯一、電壓(流)源 ¡電壓源 (a)只可串聯不可直接並聯，以免發生燒毀或爆炸之情形。 (b)直接串聯之電壓源可合為一個等效電壓源。 ¡電流源 (a)只可並聯不可直接串聯，以免發生燒毀或爆炸之情形。 (b)直接並聯之電流源可合為一個等效電流源。12二、電阻 ¡串聯的電阻(如右圖左)可視為一個 等效電阻，其值為之和。 · 右圖左之電流在所散發的功率為。 · 由能量不滅定律，電流在所有電阻所散發的總功率，應等於；因此， ；將此式寫為，則。 ¡若電阻為並聯（如右圖上），則其等效電阻為的倒數和之倒數。 · 由歐姆定律，右圖上之電流。 · 由電荷不滅，右圖上之總電流 · 將上式寫為，則。三、電容 ¡串聯的電容可視為一個等效電容，其值為的倒數和之倒數。 · 由電荷不滅定律，下圖所有電容上之電荷量皆為。 · 因此，。 · 將上式寫為 ，則。 ¡若電容為並聯，則其等效電容為之和。 · 下圖電容之電荷量滿足。 · 所有電容上之電荷量總和為。 · 將總電荷量的公式寫為，則。四、電感 ¡串聯之電感(下圖)可視為一個等效電感，其值為之和。 · 由電感之定義：，因此，。 · 將寫為，則。 ¡若電感為並聯(下圖)，則其等效電感為的倒數和之倒數。 · 首先，；另外，。 · 將寫為，則。