1、東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30電路與電子線路基礎Fundamental Electric and Electronic Circuits第3章 電源與電信號源電源與電信號源王志功 東南大學射頻與光電集成電路研究所http:/ 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30第第3章章 電源與電信號源電源與電信號源n直流電源n正弦波交流電源n三相交流電源與三相電路n信號源n理想電源n獨立電源的SPICE語言描述n突變與奇異函數n受控電源 東東 南南 大大 學

2、學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30第3章 電源與電信號源n 電源是電路中的基本元件，也是任何電路中不可缺少的組成部分。假定沒有電源，任何電路均不會工作，元件中無電流通過，兩端也不會出現電壓。第二章初步涉及到電源及其模型。實際電源種類繁多，模型各異。有的很簡單，有的卻相當復雜。電路中常見的電源大體上只有四類：n 供應電能確保電路正常工作的電源。n 電信號源，電信號源的主要任務是產生信號和攜帶信息。n 人為設計的、作為構造電路的基本元件，如描述晶體管等有源器件轉移特性的受控源（controlled source）。n 并非實際存在的，而是人

3、為虛擬設置作為分析或計算電路用的模型，如代替PN結勢壘（potential barrier）的直流電壓源。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30直流電源l電池化學直流電源組成：正、負極、電解液和電極間的隔離物。工作原理：(1) 正極從外電路中 獲取電子，維持正極同電解液間的還原反應。(2) 負極同電解液之間發生氧化反應，產生多余的電子，輸送給外電路。這樣，在外電路中就有電子從負極遷移到正極，從而產生持續的電流。(3)負極氧化產生的電子在還原反應中由正極所消耗。這樣的過程不斷持續，直至電極內的活性材料和電解液中的活性材料耗

4、盡為止。這時，電池放電結束。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30錳鋅電池 n錳鋅（Mn-Zn）電池就是一般使用的干電池。電池的正極是二氧化錳（MnO2）礦粉，負極用鋅筒，電解液用氯化銨水溶液。由于正極的引出是依靠炭棒插在二氧化錳粉中，故錳鋅電池有時也稱炭鋅（C-Zn）電池和炭棒電池。n電池放電反應（discharge reaction）方程式：AZn+8MnO2+ZnCL2+8H2O ZnCL24Zn(OH)2+8MnOOH 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所

5、2022/4/30國際電工委員會國際電工委員會IEC制定的錳鋅電池標準制定的錳鋅電池標準正極負極電解液IEC標準JIS（日本工業標準）標準電壓（V）最大開路電壓（V）標準電壓（V）最大開路電壓（V）MnO2ZnZnCL2NH4CL1.51.7251.51.5東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30國際電工委員會IEC電池外形尺寸規范和習慣稱呼 直徑高度習慣稱呼（型號）IEC美國日本歐洲中國34.261.5R20D單1形Mono1號電池26.250.0R14C單2形Baby2號電池14.550.5R6AA單3形Mignon

6、5號電池10.544.5R03AAA單4形Micro6號電池12.030.2R1N單5形Laby7號電池東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30錳鋅電池的容量 電池型號容量/Ah 15.422.350.760.470.2放電開始時電流: 1.5/10=150 mA放電60小時，電池兩端電壓降至0.9V，此時電流: 0.9/10=90 mA估計電池容量: 90mA60h=5.4Ah東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30R6(AA, 5號) 電池在不同負

7、載電阻下得到的放電容量 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30堿性電池（Alkaline） n 仍是一種錳鋅電池，電池的正極采用電解生成二氧化錳，負極用高純度鋅。與一般錳鋅電池主要區別有二：一是電解液不用ZnCl2、NH4Cl等中性鹽類的水溶液，改用強堿氧化鉀或氯氧化鈉，其放電反應方程式為: Zn+2MnO2+H2O ZnO+2MnOOH 二是負極不再用鋅筒，而用高純度鋅粉膠合成多孔狀圓柱體安置在二氧化錳內，從而極大增加了活性反應的表面積，成倍提高了電池的放電容量。n 放電容量比一般錳鋅電池大2倍，間歇工作時至少大1.7

8、倍。n 放電時電壓下降較慢，承受重負載的能力遠比錳鋅電池強，廣泛用于需要大電流驅動的場合 。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30堿性電池的放電容量 1號電池的容量=9Ah2號電池的容量=3.8Ah5號電池的容量=1.5Ah6號電池的容量=0.6Ah7號電池的容量=0.36Ah電池型號容量/Ah 1823.851.560.670.36東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30鎳鎘電池 n 鎳鎘（Ni-Cd）電池是一種二次電池二次電池，可以再充電的，故也

9、稱為充電電池充電電池（rechargeable battery）或蓄電池蓄電池（accumulator）等。n 鎳鎘電池的正極采用鎳的氧化物，譬如氫氧氧化鎳NiOOH，負極用金屬鎘Cd。電解液用氫氧化鉀水溶液。該電池的放電反應式為2NiOOH+Cd+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)2n 方程式指出，正極NiOOH被還原成Ni(OH)2。負極Cd被氧化了，變成Cd(OH)2，還原和氧化產生1.3伏電勢，維持電池放電。n 充電時，方程式逆向反應，氫氧化鎳與金屬鎘又重新生成。曾被還原過的正極Ni(OH)2又重新氧化成NiOOH。曾被氧化過的負極Cd(OH)2又重新還原成Cd。反應方程式是雙向的

10、、可逆的，理論上允許重復無限次。 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30鎳鎘電池的密封問題n 過充電是指，電池已充滿還繼續再充。充滿是指正常的充電反應已經結束，正極、負極的活性物質又重新生成。若再繼續充電，電解液中的水份將被分解為氫氣和氧氣，隨著氣體不斷產生，電池內部壓力不斷上升，將對電池起破壞作用。n 1947年德國工程師G. Neumann發明的一個新方法：利用金屬鎘非常活潑容易氧化這樣一個特性將負極做得比正極大。于是，充電時容量小的正極將先充滿，容量大的負極離充滿為時尚早。這時，水的電解只產生氧氣而不產生氫氣。聚集

11、在正極周圍的氧氣將擴散到負極，同剛才還原生產的金屬鎘發生氧化反應，氧氣被吸收。如果氧氣被吸收的速度同充電時金屬鎘生成的速度平衡，電池內部壓力將會恒定，密封成為可能。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30Ni-Cd電池的主要參數 國 內習 慣稱 呼標稱電壓(V)標準容量(mAb)標準充電、放電充電（mA）時間（h）放電（mA）1號1.21800180153602號1.21200120152405號1.250050151006號1.2180181536東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路

12、路 研研 究究 所所2022/4/30Ni-Cd電池的主要特征 n電池的外形有圓筒型、方型和紐扣型三種。n額定電壓為1.2伏，放電過程中比較穩定。 n能量密度低。 n漏電嚴重。 n允許反復充電500次以上，有的可達2000次。 n使用方便。 n使用條件和使用環境較為寬松。允許過充電。也允許長期放置。使用溫度范圍寬廣。 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30鈕扣電池 n 廣泛應用于諸如電子表和微型助聽器等微型電子產品 直徑(mm)厚度(mm)2.62.01.61.2東

13、東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30鈕扣電池四大系列 電池名稱IEC標記正極材料負極材料電解液（水溶液）標稱電壓（V）氧化銀電池SRAg2OZnKOH或NaOH（添加ZnO）（蒸餾水）1.55水銀電池MRNRHgOHgO+MnO2ZnKOH或NaOH（添加ZnO）（蒸餾水）1.351.4堿性電池LRMnO2ZnKOH或NaOH（蒸餾水）1.5空氣電池PRO2ZnKOH或NaOH（蒸餾水）1.4東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30各種鈕扣電池的放電

14、特性 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30鋰電池 n 鋰電池以金屬鋰（Li）做電池負極n 鋰電池有兩大優點：一是輕，二是電池的電壓高 n 鋰電池反應式 Mn4+O2+Li Li+Mn3+O2 反應式中，4價錳變為3價錳，于是把鋰結合進去了。產生了較大的放電電壓，標稱值為3伏，開路電壓達3.5伏，是普通電池的兩倍。n 過去需要2節電池工作的電路，現在只需一個薄薄的“硬幣”就可完成。若用于計算機，向CMOS靜態RAM供電以保存重要數據時，一個小小的COIN可維持5年以上。 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電

15、電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30其它鋰電池n 銅銅-鋰電池（鋰電池（Cu-Li） 正極采用氧化銅CuO，放電反應產生的電壓，其標稱值為1.55伏，與普通的錳鋅電池和氧化銀電池相近，允許互換使用。n 氯化硫氯化硫-鋰電池（鋰電池（SOCl2-Li） 這種電池的正極用氯化氧硫，負極用鋰，放電反應產生的電壓較多，標稱值達3.6伏，開路電壓超過4伏。是最新開發出來的新品種，它相當于3個Ni-Cd電池串聯工作，可用在3.3伏的計算機中。n 二次鋰電池：二次鋰電池：碳-鋰電池，釩-鋰電池，錳-鋰電池，聚酰胺-鋰電池等均可提供標稱電壓為3伏的，適用于高溫、低溫放電的優良的二次電

16、池。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30電池型號 nIEC原標準 電池系列字母a錳-鋅堿性L水銀M錳水銀N氧化銀S過氧化銀T空氣（銨酸）A空氣 （堿）P氟化碳-鋰B錳-鋰C電池外形字母b圓形R方形 S東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30太陽能電池原理：把來自太陽的光變成電。就把光變成電這一點來講，太陽能電池同光敏二極管是一樣的。只是作為能源要求效率高，在設計上作了巨大的改進，確保提供強大的電流。因此，如果說化學電池是產生直流電壓的話，太陽能電池

17、則是產生直流電流。鑒于輸出電流較大，引出電極的歐姆電阻rs必須計及，又因太陽能電池的面積大，漏電不可忽略，故有電阻RL與PN結并聯，上圖是太陽能電池的模型。 由于太陽能是無污染的能源，有取之不盡的能量，可以永久地工作，目前除了用于衛星等航天電子裝置中外，還廣泛用于手表、計算器和收音機等微型電子裝置上。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/303.1.3 電池的伏安特性l電池有兩個重要參數：電壓與容量。l電壓是電池的第一重要參數，指的是標稱電壓（normal voltage)。 l電池的容量是電池的第二重要參數，是指一個電池在

18、給定負載（給定負載電阻或給定輸出電流）下能連續放電多少時間？多少安培小時？ 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30電池的伏安特性 電池的伏安特性與一般電阻元件的伏安特性的三點區別電池的伏安特性與一般電阻元件的伏安特性的三點區別 a) 伏安特性上有一個起始電壓b) 伏安特性是有范圍的c) 伏安特性的斜率是負的東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30電池同負載電阻相連接時的伏安特性和電路圖 n 利用兩條伏安特性相交可以求出簡單電路中的電流和電壓。這種圖解

19、法無論對線性電路還是非線性電路均適用，但必須能得到電源和負載的伏安特性，并且限于求解簡單電路。 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30n電池模型：一個理想電池同 一個非線性元件相串聯 電池的非線性伏安特性東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30電池同負載電阻相連接時的折線近似伏安特性和含線性電阻的電路模型 n E是電池的標稱電壓。n r是電池的內阻 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022

20、/4/303.2 正弦波交流電源n 電力電源是指為城鄉提供的電能的電源。n 電力電源由發電廠產生。巨大的發電機平穩地旋轉，源源不斷地將機械能轉變成電能。由于線圈相對于磁場作旋轉運動，穿過線圈的磁通量按余弦(cosine)規律變化。根據法拉第感應定律，感應電動勢必然是按正弦(sine)規律變化。故交流電（AC, alternative current)是一種正弦波形。若沒有超負荷(overload)運行，電力電源是頻率穩定、電壓恒定的交流電源。n 用理想電壓源表達的電力電源模型與計及內阻后的模型 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所202

21、2/4/303.2.2 正弦波交流電源與電路工程n 發電機的旋轉運動。通過線圈繞組的磁通量(magnetic flux)是旋轉角度t的余弦函數，d/dt將是正弦電壓。故發電機發出來的電是正弦交流。n 交流電對輸配電特別有利：利用變壓器提升可以克服線路上的電壓降，再利用高壓輸電與低壓配電技術大大推進了電力的應用。顯然，正弦交流是傳送電能的最佳載荷體。n 正弦交流很容易產生旋轉磁場。交流感應電動機結構簡單，旋轉平穩，為工業界提供了靈活機動的、高效率動力，促進了工業電氣化。 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30其他方式生成的

22、正弦波n Maxwell方程組導出的波動方程式。它的解是正弦波。并暗示著正弦電磁場以無線方式在真空或介質中傳播。因而，正弦波被作為一種載玻，實現無線電通信。 n 在電感和電容的電路里，描述電流、電壓的方程式是二階常微方程。其解是正弦函數。阿姆斯特朗LC振蕩器可以產生穩定的正弦信號。提供載波的來源。n 諧振電路和濾波器的發明，允許把不同頻率的正弦信號分離開來。這樣，人們就可以用不同頻率的正弦波傳送復雜信號，或傳送若干個不同的信號。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30正弦波形與表達式正弦波形與表達式0( )cos(2)v

23、tAt T0( )sin(2)v tAt T0100( )cos(22)cos(2)v tAt Tt TAt T東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30正弦波形的傅立葉（Fourier）分解 0100( )cos(22)cos(2)v tAt Tt TAt T00( )cos(2)cossin(2)sinv tAt TAt T00( )cos(2)sin(2)v tat Tbt T101000coscos(2)(0),0sinsin(2)(4),4aAAt TvtbAAt Tv ttt 22Aab1()tgb a 東東 南

24、南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30正弦波的頻率(frequency)與角頻率(radian frequency) n 描述正弦波形的時間表達式時，人們習慣于采用頻率。頻率定義為每單位時間內周期的個數，即每單位時間內有幾周。因為周期T0是一周的秒數，因而每秒的周數為 f0稱為循環周數的頻率，簡稱為頻率，其單位為赫茲（Hz）n 因為每一周，相角變化360(2)，因此，頻率也可以用每秒鐘變化多少角度，多少個2來表示，這種表達頻率的方法，稱為角頻率0 0=2 f0=2/ T0 角頻率0 的單位為每秒弧度，即rad/s 001fT東東

25、 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30頻率與角頻率應用場合n 當涉及到交流電源時，人們喜歡用周數頻率，如50 Hz，60 Hz，400 Hz等等。n 當涉及到各種信號時，人們也喜歡采用周數頻率f0，如，我們的收音機接收1008kHz調幅廣播電臺，或92.6MHz調頻立體聲廣播電臺。n 但在涉及到各種系統時，人們卻喜歡采用角頻率0 。因為用0表示時，系統的描述可以更清晰更簡潔，容易分析，容易設計。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30正弦波形的重要性質n

26、加法性質加法性質 1101( )cos()v tAw t2202( )cos()v tAw t21vvv21vvvsincosbbbAaaaA221221v）（）（bbaaA東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30兩個頻率相同的正弦波形之和兩個頻率相同的正弦波形之和: 波形與振幅波形與振幅n 相加合成得到的正弦波形振幅 n 正巧是三角形的余弦定理 22121222221212111 22212121 222121212121222121212()()2222222()vAaabbaaa abbbbAAa abbAAA A

27、coscosA A sinsinAAA A cos 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30正弦波形的矢量求和正弦波形的矢量求和把正弦波形看成矢量: 則合成矢量Au 結論結論: 正弦波形之和不是代數和，兩個振幅不能直正弦波形之和不是代數和，兩個振幅不能直接以接以Av=A1+A2的形式相加，而是矢量和。的形式相加，而是矢量和。 222111AAAAv12vvAAAA東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/303.3 三相交流電源與三相電路n 電力系統的電源有

28、兩類，即=單相電源（single-phase power supply）=三相電源（3-phase power supply）n 以上介紹的交流電源只產生一個交變電動勢，所以叫單相交流電。單相交流電源和負載是由兩根導線連接起來的。我們日常生活中的電器，如220V的電燈、電爐、電風扇、收音機、PC等都是單相負載。n 由三個同頻率、等幅度、相位依次相差120的正弦交流電壓源，叫三相交流電。n 由三相電源、三相負載和三相輸電線路組成電路稱之為三相電路(3-phase circuit)。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30三相

29、電路的優點 1）在發電方面，三相電源比單相電源可提高功率50；2）在輸送電力方面，三相輸電比單相輸電節省鋼材25，因為在比單相電多用一條線的情況下，輸送電力的能力是單相輸電的三倍。3）配電方面：三相變壓器比單相變壓器經濟且便于接入負載。4）用電方面：三相電動機等設備結構簡單、成本低、運行可靠、維護方便。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30三相交流電的產生 n 三相交流電通常是由三相交流發電機產生。n 發電機通常由定子、轉子、端蓋及軸承等部件構成。定子由定子鐵芯、線包繞組、機座以及固定這些部分的其它結構件組成。轉子由轉子

30、鐵芯(或磁極、磁扼)繞組、護環、中心環、滑環、風扇及轉軸等部件組成。n 由軸承及端蓋將發電機的定子，轉子連接組裝起來，使轉子能在定子中旋轉，做切割磁力線的運動，從而產生感應電勢，通過接線端子引出，接在回路中，便產生了電流。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30三相發電機 n AX、BY、CZ為發電機的三相繞組，其參數相同，在空間上對稱分布。n A、B、C為正極性端標記，X、Y、Z為負極性端標記。n 轉子繞組通入直流電流，建立磁場，在原動機帶動下，以角速度 勻速轉動形成旋轉磁場，分別在繞組AX、BY、CZ中產生三個最大值相

31、等，頻率相同，相位互差120的感應電壓vA、vB和vC。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30三相電瞬時值時域表達式、波形與矢量表示n瞬時值時域表達式 波形n矢量表示)240cos(2)()120cos(2)()cos(2)(CBAtVtvtVtvtVtv2401200CBAVVVVVV東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30相量與對稱三相電源 n相量三相電壓的差別僅在于它們的相位。因此在電路教科書通常把它們稱之為相量（phasor） n對稱三相電源

32、 0 CBAvvv0CBAVVV東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30三相電壓矢量相加關系 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30三相電源的星形（Y形）接法 A、B、C三根線稱之為相線（Phase Line），或稱之為火線（上接高壓，對地短接會產生火花）。N稱之為中線（Neutral Line， 對稱三相電壓在此中和抵消），或稱之為零線（對地電壓為零）。 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所

33、2022/4/30三相電源星形接法的相電壓和線電壓 n相電壓定義為相線對中線的電壓相電壓定義為相線對中線的電壓 AANVVBBNVVCCNVVn線電壓定義為相線之間的電壓線電壓定義為相線之間的電壓 210302409032401203031200ANCNCACNBNBCBNANABVVVVVVVVVVVVVVVVVV東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30線電壓與相電壓之間的通用關系n在日常生活與工農業生產中，多數用戶的電壓等級為VP = 220VVL = 380V pL 3VV東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光

34、光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30三相電源的三角形（形）接法 n 發電機三個定子繞組的始末端順次相接，再從各聯接點A、B、C引出火線來，就構成一臺三角形聯接的三相發電機。 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30三相負載的接法 星形三角形 負載的相電壓負載的相電壓：每相負載上的電壓負載的線電壓負載的線電壓：負載端線間的電壓線電流線電流：流過端線的電流 。相電流相電流：流過每相負載的電流東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4

35、/30三相電路聯結 n Y形和形兩種接法的三相電源與Y形和形兩種接法三相負載聯接時，可以構成四種聯接形式： Y-Y、Y-、-Y、-n 在三相負載與三相電源聯接時，有一個相序問題，即三相電源三相電源各相經過同一值各相經過同一值(如最大值如最大值)的先后順序。的先后順序。n 將三相負載的A、B和C分別與電源的A、B、和C聯接時，我們得到一個正序正序(順序順序)聯接，聯接，即三相負載各相經過同一值的先后順序為A-B-C-A。假如負載是一個三相電動機，此時它轉動的方向為正，那么，只要換一根聯結線，譬如，A接B，B接A，三相負載各相經過同一值的先后順序就變為為B-A-C-B。從而得到一個負序負序(逆序逆

36、序)，電動機就向相反的方向轉動。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30單相電路的瞬時功率若考慮只含電阻、電感和電容等的網絡N，如右圖所示，端口電壓為v，端口電流為i，則網絡吸收的瞬時功率為在正弦穩態情況下，設則令為電壓與電流之間的相位差，有vip )ivtIitVv cos2 cos2)ivivivtVIVItItVvip2coscoscos2cos2iv)v v 22sinsin22cos1cos tVItVIp東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/

37、30單相電路的有功功率和無功功率)v v 22sinsin22cos1cos tVItVIp上式第一項恒大于零，說明這部分是網絡消耗的能量；第二項是正負交替的，說明這部分能量在電源和網絡之間反復的交換。瞬時功率在實際應用中意義不大，人們關注的通常是電網絡實際消耗的功率，對于正弦穩態電路，我們可以計算一個周期內電路消耗功率的平均值，即 )cosd2coscos1d1 0 0 VIttVITtpTPTivT該功率被稱為平均功率或有功功率。有功功率的表達式恰好是*式第一項的“系數”因子。工程中還將*式第二項的“系數”因子定義為無功功率，用Q表示，即 *sinVIQ 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻

38、 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30單相電路的視在功率n許多電力設備的容量（例如：變壓器、電機的輸出功率）由它的額定電壓和額定電流的乘積決定，為此，人們引入了視在功率S的概念，其定義為有功功率、無功功率和視在功率都具有功率的量綱，為區分起見，有功功率的單位用瓦特(W)，無功功率的單位用乏爾(var)，視在功率的單位用伏安(VA)VIS 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30三相電路的功率n單相電路的平均功率：單相電路的平均功率： 為相電壓與相電流的相位差為相電壓與相電流的相位差(

39、阻抗角阻抗角)cos 為功率因數為功率因數n三相總功率三相總功率 nY形聯接三相總功率形聯接三相總功率n形聯接三相總功率形聯接三相總功率 PPPcosPVIPPP33cosPPVILLLL13cos3cos3PV IV I LLLL13cos3cos3PVIV I東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30有功功率P與無功功率Q n 平均功率P都是有功功率，即負載吸收的功率有功功率，即負載吸收的功率 n 與有功功率P相對應的是無功功率無功功率Q n 單相電路的無功功率：單相電路的無功功率：n 三相電路的總無功功率：三相電路的總

40、無功功率：n 三相電路的視在功率：三相電路的視在功率：n 功率因數定義：功率因數定義： PPPsinQVIPBA3Q QQQQCPPLL 3sin3sinQV IV I22PPLL33SPQV IV ISPcos東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/303.4 信號源信號源: 能量、信息與信號能量、信息與信號u 正弦波電源既可以作為提供能量的電源，也可以作為提供信息的信號源。雖然50Hz的交流電源所能提供的信息是很少的（幅度、頻率和相位），一系列不同頻率的正弦波電源就可以在開關作用下實現數字信號的頻率調制，實現信息的傳遞。u

41、 任何一個產生多種正弦電流或電壓的電源都可以提供能量和信息。但提供能量的電源所能提供的信息通常可以忽略不計，而提供信息的電源所能提供的能量通常也可以忽略不計。u 由于攜帶信息的電流和電壓在傳輸過程中會衰減，而電路中還存在噪聲，為使最終得到的信息不被噪聲淹沒，生成信息的電源必須具有足夠的功率。以一定功率攜帶信息的電壓或電流稱為電信號。在電路理論和工程中，我們更多研究的是信號。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30有用信號與干擾信號n 有用信號是通過各種傳感元件變換，需傳輸、處理或存儲的攜帶信息的信號。比如，話筒產生的音頻信

42、號，攝像機產生的視頻信號等。對電路分析設計來說，人們必須知道這類信號源的模型。由于傳感器種類繁多，建立的模型往往帶有該類傳感器的特色。n 干擾信號來源眾多。電路內部產生的有：電路中的熱噪聲、半導體器件中的各種噪聲、非線性電路產生的各種虛假信號等。外部干擾主要有自然界中存在的各種電磁干擾、電子產品和各種電氣裝置產生的電磁干擾以及許多人為干擾等。n 干擾信號有兩大特點：=無規則、隨機變化。=干擾信號源分布在整個電路上，因而模型復雜，計算困難。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30產生語音信息的信號源產生語音信息的信號源話筒話

43、筒 n 目前使用的話筒仍是1880年愛迪生發明的炭粒話筒。該話筒結構簡單，一盒壓緊的炭粉，盒蓋是可以振動的膜片。當聲波作用到膜片上時，膜片振動引起炭粉上壓力的變化，改變了炭盒的電阻，如果電路里有直流電源，它所產生的電流中將含有變化的成份，這個變化的成份將反比于電路中的電阻，而炭盒電阻又反比與膜片上聲波的壓力。n 電路中的電流將正比于聲壓，將聲壓變為電流信號。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30產生語音信息的信號源產生語音信息的信號源聽筒聽筒聽筒的功能是相反的，將電流變化轉化為聲壓變化。聽筒的原理和結構基本上與1876年

44、貝爾發明時一樣。當通過線圈的電流變化時，磁場發生變化，磁力的變化引起膜片振動，推動空氣，產生聲波。 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30監測溫度變化的信號源監測溫度變化的信號源熱電偶（熱電偶（thermoelectric couple） n 兩跟不同類型的金屬絲，若將其中一端合在一起，另一端懸空，則懸空端會產生電壓，其值決定于兩端的溫度差，大約有幾個毫伏，可用于測量溫度.n 這種信號源的模型是一理想電壓源VT，其值僅取決于溫度，與電路中別的變量和參數無關。 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成

45、成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30探測磁場變化的信號源探測磁場變化的信號源磁頭磁頭 n 磁頭(magnetic head)的基本結構是一個具有微小間隙的磁路。當磁帶通過間隙時存儲著信息的磁針改變了間隙磁場，從而感應出電勢。n 磁頭電路及其等效電路。由于線圈本身有電感量，故模型中除了有一個理想電壓源EM外，還有一個電感LM 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30探測光變化的信號源探測光變化的信號源光敏二極管光敏二極管 n 光敏二極管(photosensitive diode)以半導體PN結為基礎。當光射入P

46、N結時引起了共價鍵分解，產生了新的電子空穴對。在PN結內電場的作用下，新空穴進入P區，新電子進入N區。使P區的空穴越來越多，N區的電子越來越多，形成了正負極性，從而在外電路中引起電流，把光轉化為電流，其值大小決定于光的強度。n 光激發產生的是載流子，故是電流源，不是電壓源。n 二極管依舊存在，它相當于電流源的內阻。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30光敏二極管的應用光敏二極管的應用 n 光信號的傳輸。通過光將前級的信號傳輸給后級，而前后級之間卻沒有任何電路上的連接， 從而保證了前后級之間電氣 的隔離，如右圖所示。這種

47、光傳輸原理也廣泛用于空間光通信和光纖通信系統。n 光信號檢測:利用光信號可以檢測出物體的位置和運動。下圖是兩種應用方案，透射式和反射 式。廣泛用于磁盤定位、磁帶 檢出以及各種定位控制系統中。 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30三種主要光電二極管的剖面圖Cross-views of 3 Principle PDspin-PD APD MSM-PD (雪崩光敏（電）二極管) i(n)np_+h+_RLi(p)np_+h+_RLp+_RL(a)(b)(c)hintrinsic substrate東東 南南 大大 學學 射射

48、 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30光電二極管原理（Principle of PDs）=所有的光電二極管工作是都加反向偏置(reverse biased). =無輻照時（no radiation），只有很小的反向飽和電流（saturated reverse current）即暗電流（dark current）流過二極管. =有光（light）輻照時, 在二極管耗盡區(depletion region) 產生電子空穴對(electron-hole pairs）.這些電子空穴對在外電源作用下迅速掠過耗盡區，漂移到電極，在外電路（external ci

49、rcuit）形成電流.東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30光電二極管等效電路（Equivalent Circuits of PDs）光電效應等效為一個 獨立電流源東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30理想電源理想電源n各種實際電源的模型均較復雜，尚需進一步分解。這說明了客觀上需要一種更基本的電源模型作為基元來構造實際電源的模型，比如，理想電壓源（ideal voltage source）與理想電流源（ideal current source）。東

50、東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30理想電壓源理想電壓源n 理想電壓源是二端元件。它的端電壓Va-Vb始終保持不變，通過端點的電流無論多大，它始終是常數。n 理想電壓源的基本行為是 ) )arbitraryor or babatiIEVVtevv東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30需要注意的問題需要注意的問題 名稱問題名稱問題 電壓極性和電流方向電壓極性和電流方向 充電與放電充電與放電 電壓值為零的電壓源電壓值為零的電壓源 任意信號任意信號e(t

51、)的表達的表達東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30名稱問題名稱問題 n 理想電壓源的名稱眾多，比如：獨立電壓源，是指它的輸出電壓不受外接電路的影響始終保持不變，說明該電壓源是獨立的。n 有時也稱為恒壓源，即使電壓值實際上是隨時間變化的，如e(t)，但因其輸出電壓不受外接負載變化而變化始終保持恒定不變，故稱為恒壓源。n 也有人簡稱為電壓源，即使沒有別的說明，人們也能理解，指的是理想電壓源。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30電壓極性和電流方向電壓

52、極性和電流方向 n 伏打電池誕生以來，人們已習慣于在電 池兩端標注極性。電位高的一端稱為正 極，低的一端稱為負極。電流從正極流 出，經負載，從負極返回。從電源的一 側看，電流是從電源正端流出的。從負載一側看，電流是從電源正端流入的，正好相反。這個差別反映了電源是電能的供方，負載是電能的需方。作為供方電流當然從正端輸出。但作為需方，電流方向并不是由負載自身確定。n 電阻是沒有極性的，電流無論從哪端流入效果都一樣。流過負載的電流方向是由供方確定的，電阻上的電壓極性也由供方確定，因而才會出現上述景象。這個差別就是有源（active）元件與無源（passive）元件的差別。東東 南南 大大 學學 射射

53、 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30充電與放電充電與放電 n 當電源作為供電元件時，電流從電源正端流出，電源放電。n 假如電路中還有別的電源，有可能出現這種情況：全部電源作用的結果使得有電流從電源的正端輸入。這時，電源變成電能 的需方，進行充電，如上圖所示。若是可充電的二次電池，則引起充電反應，電能儲蓄在電池中。若是一次電池，充電結果將引起電池發熱，耗散掉這些充入的電能。n 若既不是二次電池，也不是一次電池，是一個理想電壓源，一種抽象的電源模型，顯然無法解釋這些能量的去處，恐怕也無必要作解釋。 東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電

54、 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30理想電壓源充電區放電區無限大理想電壓源充電區放電區無限大n 理論上，理想電壓源是一種無限能源。可以提供無限電流，無限電功率和無限電能，是取之不盡，用之不竭的。n 同理，它也允許輸入無限電流，充進無限電功率和無限電能，簡直是一個“黑洞”，因而無需研究充電能量的去處。n 下圖指出，放電區是無限大的，充電區也是無限大的。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30電壓值為零的電壓源電壓值為零的電壓源 n 理想電壓源是一種伏安類元件，它像電阻一樣可用伏安特性來表示其行為，區別

55、僅在于伏安特性不同。電阻的伏安特性是一條通過坐標原點的正斜率直線。理想電壓源的伏安特性是一條平行于橫坐標i的直線。平行線的高度代表著該電壓源的電壓值。n如果電壓源的電壓值E0時，則平行線將位于橫坐標之上。若E0，即a端為正，b端為負。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30電流源的端電壓極性是受外接電路影響電流源的端電壓極性是受外接電路影響n 除電能的需方外，若還有別的電流源，如圖所示，電壓VaVb的極性就取決于電流源I1和I2的相對大小。n 當I1I2時，顯有VaVb0，a端是正，b端為負。n 當I1I2時，則VaVbI

56、2，則(VaVb)0，得P10，表示電流源I1給出的功率是正的，I1處于放電狀態。同時也得P20，伏安特性位于右半平面。若I0，伏安特性位于左半平面。若I=0，該電流源的伏安特性就與電壓軸重合。n 要注意，I=0是一種特殊的電流源，其行為是：arbitrary0baVVI東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30開路元件看成一個開路元件看成一個I=0的理想電流源的理想電流源n 不管電壓多大，通過元件的電流總是零，表示這條支路是不通的，a、b兩點間開路。換言之，開路元件可以看成一個I=0的理想電流源。n 過去人們把開路看成阻值

57、無窮大的電阻元件。然而，這只能作為意會，不能作為分析計算的依據。因為無限大畢竟不是一個數，人們也從未驗證過它是否還遵循OL。n 現在有了確切的電阻定義，并把R=排除在電阻之外，況且人們對電流源又有較多的認識，發現用I=0的電流源來描述開路元件更為恰當，就逐漸放棄R=的描述方法。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30短路元件和開路元件的描述方法短路元件和開路元件的描述方法n 下圖是短路元件和開路元件的描述方法。n 以后將會發現這種描述方法將帶來許多好處。l比如，短路元件和開路元件的引入不改變電路矩陣，簡化了電路計算；l用電

58、壓源和電流源描述短路和開路的方法客觀上為開關元件的描述奠定了基礎，為開關電路的分析計算提供了一種可能的方法。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30理想電源的聯接理想電源的聯接n 由于理想電源是一種抽象，它們有一些特殊的性質，在電路聯接的時候，服從特定的電學規則（electric rule）。違反這些電學規則的電路理論上是不能成立的，物理世界中則是要出問題、甚至引發災難的。n 在電路分析程序如SPICE中，有一個步驟稱之為電學規則檢查（ERC：electric rule check），目的就是檢查輸入的電路是否滿足電學規則

59、。東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30電壓源的聯接電壓源的聯接 n 右圖是兩個電壓源的串聯。假設連續點為b，則串聯后得到的電壓為 故電壓源的串聯表現為電壓的相加。若有一電壓源的極性相反，則串聯后的電壓為故極性相反的電壓源相互串聯表現為電壓相減 12acabbcVVVVVVEE12acabbcVVVVVVEE東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30多個電壓源串聯 n 若有多個電壓源串聯，極性又不完全一致，串聯所得之總電壓將是各電壓源電壓值的代數和（正

60、、負號全包括在電壓值內），得niiEVV1ba東東 南南 大大 學學 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2022/4/30兩個極性相反的電壓源相串聯兩個極性相反的電壓源相串聯n 重新回顧兩個極性相反的電壓源相串聯的情形如果E2=E1，則得 表示a端與c端同電位。n 現在我們用一條導線將a，c兩端短接起來顯然不會有電流流過，對整個電路無影響。這樣，a端就是c端，作為電壓源使用時只能從a、b兩端聯接。串聯的電壓源就成并聯了，如圖所示。仔細觀察并聯電路不難 發現，在并聯電路內部有一個 串聯的環路，且滿足E1E1=0。n 推而廣之，沿著環路各元件的 電壓代數和為零。