电工电子学综述论文施俊杰
合肥学院化学材料与工程系
电
工
电
子
学
——综述论文
12级化工3班施俊杰
电工电子概述
作为非电类专业的我们为什么要学电工电子,说实话,对于这我一直很纳闷,知道我那天上网百度了一下电工电子才知道了它的重要性。
电工电子这门学科在国内具有很高的学术地位和广泛的影响。九五期间，该学科始终关注国际上电工理论与新技术研究领域的前沿，并结合我国电力工业实际和发展需要，在电力系统电磁兼容、电磁场理论及其应用、电网络理论分析与电力信息分析、现代电磁测量、电气设备状态监测和故障诊断技术基础等研究领域开展了卓有成效的研究，并取得了一批高水平的科研成果。除此之外，它还与我们的生活息息相关，它应用于我们周遭大部分的工具，各种电路，各种网络等等。
而我们接触的这本是一个与现行教材有较大差别的电工电子，它是一种探索，抑或是一种创新，它将电路和电子技术、模拟电子技术和数字电子技术、电子技术和测量、控制等内容作适当的交叉和结合。全书还包括电路和电路元件、电路分析基础、分立元件基本电路、数字集成电路、集成运算放大器、波形产生和变换、测量和数据采集系统，功率电子电路、变压器和电动机、电子控制技术等内容，在我看来，这样的内容体系有以下优点：
（1）电路和电子技术适当结合。在第一章电路元件中就介绍二级管、晶体管及它们的模型，于是在第二章中就可对含有这些元件的电路进行分析，为后面学习电子技术打好较好的基础。
(2)适当加强数字电子技术，将模拟和数字电子技术的内容适当交叉。在第三章分立元件基本电路中既介绍基本放大电路，又介绍基本门电路。接着在第四章就讲数字集成电路，并增加了可编程逻辑器件和半导体存贮器等内容。在第六、七章中，则同时含有模拟和数字电子技术的内容。
(3)加强知识的综合和应用系统的介绍。比如将测量和数据采集系统专门列为一章，从系统的基本组成出发，介绍了传感器、有源波、测量放大、模拟开关、取样保持、模拟转换、数模转换等单元电器，最后给出非电量测量系统的实例。
（4）适当反映近代电力电子技术的发展。增加了绝缘门极双极型晶体管、无源逆交、交流调压及变频、直流调压等内容，并将低频功率放大、直流稳压电源、半导体变流电路等内容安排为功率电子电路一章
（5）增加了电子控制方面的内容。在电气控制技术一章中增加了固态继电器、可编程序控制器、异步电动机的软启动及变频调速等，并将变压器，电动机及电子控制安排在电子技术之后，以便于对这些内容的介绍。
接下来我们就深入看一下我们电工电子里面的学习内容：
一、电工电子基本理论
电工基础理论：
一、直流电路
1①电路的定义:就是电流通过的途径
②电路的组成:电路由电源、负载、导线、开关组成
③内电路:负载、导线、开关
④外电路:电源内部的一段电路
2负载:所有电器
3电源:能将其它形式的能量转换成电能的设备
4基本物理量：电流，电压、电动势，电阻
5①部分电路欧姆定律:电路中通过电阻的电流，与电阻两端所加的电压成正比,与电阻成反比,称为部分欧姆定律.计算公式为U=IR
②全电路欧姆定律:在闭合电路中(包括电源),电路中的电流与电源的电动势成正比,与电路中负载电阻及电源内阻之和成反比,称全电路欧姆定律。
6电路的连接：串连、并连、混连
7电功
①电流所作的功叫做电功,用符号“A”表示.电功的大小与电路中的电流、电压及通电时间成正比,计算公式为 A = UIT =I2RT电功及电能量的单位名称是焦耳,用符号“J”表示;也称千瓦/时,用符号“KWH”表示. 1KWH=3.6MJ 电功率
②电流在单位时间内所作的功叫电功率,用符号“P”表示.电功单位名称为“瓦”或“千瓦”,用符号“W”或“KW”表示;也可称“马力.1马力=736W 1KW=1.36马力
8电流的热效应、短路
①电流的热效应定义:电流通过导体时,由于自由电子的碰撞,电能不断的转变热能.这种电流通过导体时会发生热的现象,称为电流的热效应
②短路定义:电源通向负载的两根导线,不以过负载而相互直接接通.该现象称之为短路.短路分析:电阻(R)变小,电流(I)加大,用公式表示为短路的危害:温度升高,烧毁设备,发生火灾;产生很大的动力,烧毁电源,电网破裂.
保护措施:安装自动开关;安装熔断器.
二、交流电路
1、单相交流电路
①定义:所谓交流电即指其电动势、电压及电流的大小和方向都随时间按一定规律作周期性的变化,又叫正磁交流电.
②单相交流电的产生:线圈在磁场中运动旋转,旋转方向切割磁力线,产生感应电动势.
③单相交流发电机:只有一个线圈在磁场中运动旋转,电路里只能产生一个交变电动势,叫单相交流发电机.由单相交流发电机发出的电简称为单相交流电.
2交流电与直流电的比较:输送方便、使用安全，价格便宜。
3交流电的基本物理量:瞬时值与最大值，周期、频率和角频率，相位、初相位、相位差纯电阻电路：负载的电路，其电感和电容略去不计称为纯电阻电路。纯电感电路：由电感组成的电路称为纯
电感电路。纯电容电路：将电容器接在交流电源上组成的电路并略去电路中的一切电阻和电感．这种电路称为纯电容电路。
4、三相交流电路
①、三相交流电的定义：在磁场里有三个互成角度的线圈同时转动，电路里就产生三个交变电动势．这样的发电机叫三相交流发电机，发出的电叫三相交流电．每一单相称为一相．
②三相交流电的特点转速相同，电动势相同；线圈形状、匝数均相同，电动势的最大值（有效值）相等；三个电动势之间互存相位差；eA、eB、eC为三相对称电动势．计算公式为: eA = EmSinnt eB = EmSin(wt-1200) eC = EmSin(wt -2400)
③电源的连接(在实际连接中) ：星形连接＂Y＂相电压：每个线圈两端的电压．相电压为220V 线电压：两条相线之间的电压．线电压为380V 相电流：流过每一相线圈的电流．用I相表示三角形连接＂Δ＂
④三相电路的功率计算:单相有功功率：P = IU (纯电阻电路) 功率因数：衡量电器设备效率高低的一个系数．用Cos?表示．.对于纯电阻电路，C os?= 1．对于非纯电阻电路，Cos?< 1．单相有功功率的计算公式为(将公式一般化) P = IUCos?
三相有功功率：不论“Y”或＂Δ＂接法,总的功率等于各相功率之和三相总功率计算公式
为；P=IAUACos?+IBUBCos?+ICUCCos=3。
前两章我们学习了电工电子的基本内容，而接下来我们接触的将是具体的各个部件和操作了，像分立元件和数字集成电路，在这几章里我们将学习各种特殊的电路。
分立元件在我们生活中被广泛运用，主要用到消费电子、计算机及外设、网络通信，汽车电子、led显示屏等领域。
它的器件也包括
半导体二极管：锗二极管、硅二极管、化合物二极管等；
半导体三极管：锗三极管、硅三极管、化合物三极管等；
特种器件及传感器；
敏感器件：压力敏感器件、磁敏器件（含霍尔器件及霍尔电路）、气敏器件、湿敏器件、离子敏感器件、声敏感器件、射线敏感器件、生物敏感器件、静电感器件等；
装好的压电晶体类似半导体器件；
半导体器件专用零件。
数字集成电路则是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。根据数字集成电路中包含的门电路或元、器件数量，可将数字集成电路分为小规模集成（SSI）电路、中规模集成MSI电路、大规模集成（LSI）电路、超大规模集成VLSI 电路和特大规模集成（ULSI）电路。小规模集成电路包含的门电路在10个以内，或元器件数不超过10个；中规模集成电路包含的门电路在10～100个之间，或元器件数在100～1000个之间；大规模集成电路包含的门电路在100个以上，或元器件数在1，000～10, 000个之
间；超大规模集成电路包含的门电路在1万个以上，或元器件数在100，000～1，000，000之间；特大规模集成电路的门电路在10万个以上，或元器件数在1，000，000～10，000，000之间。
2型号组成
数字集成电路的型号组成一般由前缀、编号、后缀三大部分组成，前缀代表制造厂商，编号包括产品系列号、器件系列号，后缀一般表示温度等级、封装形式等。如表0—1所示为TTL 74系列数字集成电路型号的组成及符号的意义。
3类别说明
数字集成电路产品的种类很多，若按电路结构来分，可分成TTL和MOS 两大系列。
TTL 数字集成电路是利用电子和空穴两种载流子导电的，所以又叫做双极性电路。MOS 数字集成电路是只用一种载流子导电的电路，其中用电子导电的称为NMOS 电路;用空穴导电的称为PMOS 电路:如果是用NMOS 及PMOS 复合起来组成的电路，则称为CMOS 电路。CMOS 数字集成电路与TTL 数字集成电路相比，有许多优点，如工作电源电压范围宽，静态功耗低，抗干扰能力强，输入阻抗高，成本低，等等。因而， CMOS 数字集成电路得到了广泛的应用。
国家标准型号的规定，是完全参照世界上通行的型号制定的。国家标准型号中的第一个字母"C" 代表中国;第二个字母"T" 代表TTL ， "C" 代表CMOS。CT 就是中国的TTL数字集成电路， CC 就是中国的CMOS 数字集成电路。其后的部分与国际通用型号完全一致。
[1]
4一般特性
TTL电路
（1）电源电压范围
TTL电路的工作电源电压范围很窄。S，LS，F系列为5V±5%；AS，ALS系列为5Y±10%。
（2）频率特性
TTL电路的工作频率比4000系列的高。标准TTL电路的工作频率小于35MHz；LS系列TTL电路的工作频率小于40MHz；ALS系列电路的工作频率小于70MHz；S系列电路的工作频率小于125MHz；AS 系列电路的工作频率小于200MHz.
（3）TTL电路的电压输出特性
当工作电压为十5V时，输出高电平大于2.4V，输人高电平大于2.0V；输出低电平小于0.4V，输人低电平小于0.8V。
（4）最小输出驱动电流
标准TTL电路为16mA；LS－TTL电路为8mA；S－TTL电路为20mA；ALS－TfL 电路为8mA；AS－TTL电路为⒛ mA。大电流输出的TTL电路：标准TTL电路为48mA；LS－TTL电路为24mA；S－TTL电路为64mA；ALS－TTL电路为24/48mA；AS－TTL电路为48/64mA。（5）扇出能力（以带动LS-TTL负载的个数为例）
标准TTL电路为40；IS－TTL电路为20；S－TTL电路为50；ALS-TTL电路为 20；AS-TTL电路为50。大电流输出的TTL电路：
标准TTL电路为120；LS－TTL电路为60；S－TTL电路为160；ALS －TTL电路为60/120；AS －TTL电路为120/160。
对于同一功能编号的各系列TTL集成电路，它们的引脚排列与逻辑功能完全相同。比如，7404，74LS04， 74A504，74F04，74ALS04等各集成电路的引脚图与逻辑功能完全一致，但它们在电路的速度和功耗方面存在着明显的差别。
CM0S电路
（1）电源电压范围
集成电路的工作电源电压范围为3～18V，74HC系列为2～6V。（2）功耗
当电源电压VDD=5V时，CM0S电路的静态功耗分别是：门电路类为2.5～5μW；缓冲器和触发器类为5～20μW；中规模集成电路类为25～100μW，
（3）输人阻抗
CM05电路的输入阻抗只取决于输人端保护二极管的漏电流，因此输人阻抗极高，可达108～1011Ω以上。所以，CM0S电路几乎不消耗驱动电路的功率。
（4）抗干扰能力
因为它们的电源电压允许范围大，因此它们输出高低电平摆幅也大，抗干扰能力就强，其噪声容限最大值为45%VDD保证值可达30%VDD，电源电压越高，噪声容限值越大。
（5）逻辑摆幅
CM0S电路输出的逻辑高电平“1”非常接近电源电压VDD逻辑低电平“0”接近电源Vss，空载时，输出高电平VOH=VCC-0.05V，输出低电平VOL=0.05V。因此，CM0S电路电源利用系数最高。
（6）扇出能力
在低频工作时，一个输出端可驱动50个以上CM0S器件。（7）抗辐射能力
CMOS管是多数载流子受控导电器件，射线辐射对多数载流子浓度影响不大。因此，CM0S电路特别适用于航天、卫星和核试验条件下工作的装置。
CM0S集成电路功耗低，内部发热量小，集成度可大大提高。又因为电路本身的互补对称结构，当环境温度变化时，其参数有互相补偿作用，因而其温度稳定性好。
（8）CM0S集成电路的制造工艺
CM0S集成电路的制造工艺比TTL集成电路的制造工艺简单，而且占用硅片面积也小，特别适合于制造大规模和超大规模集成电路。
5注意事项
①不允许在超过极限参数的条件下工作。电路在超过极限参数的条件下工作，就可能工作不正常，且容易引起损坏。TTL集成电路的电源电压允许变化范围比较窄，一般在4.5～5.5V之间，因此必须使用+5V稳压电源；CM0S集成电路的工作电源电压范围比较宽，有较大的选择余地。选择电源电压时，除首先考虑到要避免超过极
限电源电压外，还要注意到，电源电压的高低会影响电路的工作频率等性能。电源电压低，电路工作频率会下降或增加传输延迟时间。例如CM0S触发器，当电源电压由+15V下降到十3V时，其最高工作频率将从10MHz下降到几十千赫。
②电源电压的极性千万不能接反，电源正负极颠倒、接错，会因为过大电流而造成器件损坏。
③CM0S电路要求输人信号的幅度不能超过VDD～VSS，即满足VSS=V1=VDD。当 CM0S电路输入端施加的电压过高（大于电源电压）或过低（小于0V），或者电源电压突然变化时，电路电流可能会迅速增大，烧坏器件，这种现象称为可控硅效应。预防可控硅效应的措施主要有：
·输入端信号幅度不能大于VDD和小于0V；
·消除电源上的干扰；
·在条件允许的情况下，尽可能降低电源电压，如果电路工作频率比较低，用+5V电源供电最好；
·对使用的电源加限流措施，使电源电流被限制在30mA以内。
④对多余输人端的处理。对于CM0S电路，多余的输人端不能悬空，否则，静电感应产生的高压容易引起器件损坏，这些多余的输人端应该接yDD或yss，或与其他正使用的输人端并联。这3种处置方法，应根据实际情况而定。
对于TTL电路，对多余的输人端允许悬空，悬空时，该端的逻辑输入状态一般都作为“1”对待，虽然悬空相当于高电平，并不影响与
门、与非门的逻辑关系，但悬空容易受干扰，有时会造成电路误动作。因此，多余输人端要根据实际需要做适当处理。例如，与门、与非门的多余输人端可直接接到电源上；也可将不同的输人端公用一个电阻连接到电源上；或将多余的输人端并联使用。对于或门、或非门的多余输人端应直接接地。
⑤多余的输出端应该悬空处理，决不允许直接接到VDD或VSS，否则会产生过大的短路电流而使器件损坏。不同逻辑功能的CM0S电路的输出端也不能直接连到一起，否则导通的P沟道MOS场效应管和导通的N沟道 MOS场效应管形成低阻通路，造成电源短路而引起器件损坏。除三态门、集电极开路门外，TTL集成电路的输出端不允许并联使用。如果将几个集电极开路门电路的输出端并联，实现“线与”功能时，应在输出端与电源之间接人上拉电阻。
⑥由于CM0S电路输人阻抗高，容易受静电感应发生击穿，除电路内部设置保护电路外，在使用和存放时应注意静电屏蔽；焊接CM0S电路时，焊接工具应良好接地，焊接时间不宜过长，焊接温度不要太高。更不能在通电的情况下，拆卸，拔、插集成电路。
⑦多型号的数字电路之问可以直接互换使用，如国产的CC4000系列可与CD4000系列、MC14000系列直接互换使用。但有些引脚功能、封装形式相同的IC，电参数有一定差别，互换时应注意。
⑧注意设计工艺，增强抗干扰措施。在设计印制线路板时，应避免引线过长，以防止信号之间的窜扰和对信号传输的延迟。此外要把电源线设计得宽一些，地线要进行大面积接地，这样可减少接