学习情境1 建筑电气工程技术应用

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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，统称为建筑电气系统。随着建筑技术的迅速发展和现代化建筑的出现，建筑电气所涉及的范围已由原来单一的供配电、照明、防雷和接地，发展成为近代物理学、电磁学、无线电电子学、机械电子学、光学、声学等理论为基础的应用于建筑工程领域内的一门新兴学科，而且还在逐步应用新的数学和物理知识结合计算机技术向综合应用的方向发展。建筑物包含供配电系统、照明系统、防雷接地系统、通信系统、安防系统，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、物业管理系统等也要实行最佳控制和最佳管理。因此，现代建筑电气已成为现代化建筑的一个重要标志；而作为一门综合性的技术科学，建筑电气则应建立相应的理念和技术体系，以适应现代建筑设计的需要。

1.1.2 建筑电气工程的组成

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）设备三大基本部分组成，如图1.1所示。

用电（或终端）设备种类繁多，作用各异，分别体现出各类系统的功能特点。

配电（或传输）线路用于分配电能和传输信号。各类系统的线路均为各种型号的导线或电缆，其安装和敷设方式也都大致相同。

保护（或控制）设备是对相应系统实现保护（或控制）等作用的设备。这些设备常集中安装在一起，组成配电（控制）盘、柜等。若干盘、柜常集中在同一房间中，即形成各种建筑电气专用房间。这些房间均需结合具体功能，在建筑平面设计中统一安排布置。

任务1-2 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，我们将这些称为实际电路。实际电路是指由实际元器件和导线组成的线路，如图1.2（a）所示的手电筒直流电路、图1.2（b）所示的照明交流电路。它由电池（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，开关称为控制装置。

图1.2所示的实际电路非常简单，分析起来比较容易，如果用实际电路来分析收音机、电视机等复杂电路图，会无从下手，因此，在实际工作中要引入电路模型概念，简称为电路。无论简单电路还是复杂电路，都是由电源、负载、输电导线和控制装置等组成的。对电源来讲，负载、输电导线和控制装置称为外电路，电源内部称为内电路。为了能更好地分析各种复杂电路，需要了解一些电路的基本知识。

1.2.1 电路基础知识

1. 电路模型

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。

电源：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，分为交流电源和直流电源。例如，汽轮发电机把机械能转换成交流电能，干电池把化学能转换成直流电能。

负载：使用电能的装置，把电能转换为其他形式的能。例如，日常照明用的电灯主要将电能转换成光能。电动机主要是将电能转换成机械能。

输电导线：电能的传输途径，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/灭、电动机启/停的开关。

常用电气元件的图形及文字符号如表1.1所示。

2. 电路状态

电路一般有三种状态，分别是通路、断路和短路状态，如图1.4所示。

通路：当电源与负载接通时，电路中就有了电流及能量的输送和转换，电路的这一状态称为通路。通路时，电源向负载输出电功率，电源这时的状态称为有载或称电源处于负载状态。各种电气设备在工作时，其电压、电流和功率都有一定的限额，这些限额是用来表示它们的正常工作条件和工作能力的，称为电气设备的额定值。

断路：当某一部分电路与电源断开时，该部分电路中没有电流，也无能量的输送和转换，这部分电路所处的状态称为开路。电源既不产生也不输出电功率，电源这时的状态称为空载。开路处的电流等于零，开路处的电压应视电路情况而定。

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时，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。短路处的电压等于零，短路处的电流应视电路情况而定。

3. 电路中的参考方向

在进行电路的分析和计算时，需知道电压和电流的方向。在简单直流电路中，可以根据电源的极性判别出电压和电流的实际方向，但在复杂的直流电路中，电压和电流的实际方向往往是无法预知的，且可能是待求的；而在交流电路中，电压和电流的实际方向是随时间不断变化的。因此，这时要给它们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致，U＞0或I＞0；参考方向与实际方向不一致，U＜0或I＜0。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。

4. 电路的基本物理量

在许多日常生活和生产中电子设备上，为让使用者能够正确使用该设备，都会标有有关的电路参数。如图1.6 所示为手机电源适配器标牌，会提示使用者应当接入什么样的回路中，可以为什么样的负载提供何种电源等参数。

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）。规定正电荷运动的方向为电流的实际方向，在内电路中由电源负极流向正极，在外电路中由电源的正极流向负极。按照电流的方向和大小可分为两类，一类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，一类是方向和大小均不随时间变化的电压，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。

在电路分析中经常用到电位这一物理量，也可以根据某些点电位的高低直接来分析电路的状态。所谓电位，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。根据定义可知，在电位分析中要指定参考点，原则上参考点可以任意选定，为分析方便我们一般选择大地为参考点，在电路图中用“”表示，机壳需要接地的电子设备，可将机壳选做参考点，机壳不一定接地的设备，可将其中元件汇集的公共端或公共线选做参考点，在电路图中用“”表示。参考点的电位为零。要计算电路中某点的电位，就从该点出发，沿着任意选定的一条路径到零电位点，整个路径上全部电压的代数和就是该点的电位。电路分析参考点确定后，各点电位就有了确定的值，与计算路径无关，也与选择参考点无关。

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，当计算出功率为正时，表明元件是消耗电能的；当计算出功率为负时，表明元件是发出电能的。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为：W=Pt。

5. 电压源和电流源

电源按其输出参量是否恒定可以分为电压源和电流源两类。电源特性曲线和图形符号如图1.8所示。

电压源：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。

1.2.2 直流电路分析

中学时我们学过运用欧姆定律和电阻串并联公式求解简单的直流电路，但对于如图1.9所示的有多个电源的电路，运用中学的知识已不易求解，需要学习解决复杂电路问题的知识。德国科学家基尔霍夫通过实验在1845年提出的节点电流和回路电压的定律就是解决复杂电路问题最基本的定律之一，除此之外，还有叠加定理、戴维南定理等。

1. 基尔霍夫电流定律（KCL）

基尔霍夫电流定律（KCL）：在任一时刻，流入任一节点的电流之和等于从该节点流出的电流之和，即

∑Ii =∑Io

定律涉及节点和支路概念，节点是指在电路中有三条或以上支路的连接点，如图1.10中有a、b两个节点。支路是指每一段不分支的电路。如图1.10有acb、adb、aeb三条支路。其中含有电源的支路称为有源支路，没有电源的称为无源支路。

结论：有两个节点的电路独立的节点电流方程是一个，有n个节点的电路独立的节点电流方程是n-1个。

基尔霍夫电流定律不仅适用于电路中的任意节点，而且还可以推广应用于电路中任何一个假定的闭合面。

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压升的代数和等于电压降的代数和，即

∑US=∑U

所谓回路，是指由电路元件组成的闭合路径，图1.10中有adbca、aebda和aebca三个回路。未被其他支路分割的单孔回路称为网孔，图1.10中有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，US2 +U1 =US1 +U2。

这里假定与回路环行方向一致的电压前取正号，与回路环行方向相反的电压前取负号。为使所列出的每一方程式是独立的，应使每次所选的回路至少包含一条前面未曾用过的新支路，通常选用网孔列出的回路方程式一定是独立的。

如果回路中理想电压源两端的电压改用电动势表示，电阻元件两端的电压改用电阻与电流的乘积来表示，如图1.10所示，则∑RI=∑E。与回路环行方向一致的电流、电压和电动势前面取正号，不一致的前面取负号，则对回路adbca，R1 I1 -R2 I2 =E1 -E2。

基尔霍夫电压定律不仅适用于电路中任一闭合的回路，而且还可以推广应用于任何假想闭合的一段电路。

3. 支路电流法

支路电流法是求解复杂电路最基本的方法，它以支路电流为求解对象，直接应用基尔霍夫定律，分别对节点和回路列出所需的电流和电压方程组，然后解出各支路电流。

支路电流法解题的一般步骤如下（以图1.11 所示为例）。

（1）确定支路数，选择各支路电流的参考方向。

（2）确定节点数，列出独立的节点电流方程式。

利用KCL列出节点方程式，有

节点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式。

网孔的回路参考方向如图1.11所示，列出回路方程式，有

左网孔

R1 I1 +R3 I3 =E1

右网孔

R2 I2 +R3 I3 =E2

（4）解联立方程式，求出各支路电流的数值。

解出I1、I2 和I3。

任务1-3 交流电路应用

【任务背景】：电有直流电与交流电之分，世界各国的电力系统，从发电、输电到配电，都采用交流电。交流电之所以有极为广泛的应用，是因为它具有许多优点。交流电动机比同功率的直流电动机结构简单、成本低、工作可靠；交流电可利用变压器很方便地变换电压的大小，从而实现远距离输电和向用户提供各种不同等级的电压。生产和生活中的电灯、电视机、电动机等，一般使用由电网供应的正弦交流电。所谓正弦交流电路，是指电压和电流均按正弦规律变化的电路。

1.3.1 正弦交流电基本概念

1. 正弦交流电的三要素

在正弦交流电路中，电压和电流是按正弦规律变化的，其波形如图1.12（a）所示。由于正弦电压、电流方向是周期性变化的，在电路图上所标的方向是指它们的正方向，即代表正半周时的方向。在负半周时，由于所标的正方向与实际方向相反，则其值为负。图1.12（b）中的虚线箭头代表电流的实际方向，“+”、“-”代表电压的实际方向。

正弦电压和电流等物理量，常统称为正弦量。正弦量的特征表现在变化的快慢、大小及初始值三个方面，而它们分别由频率（或周期）、幅值（或有效值）和初相位来确定，因此频率、幅值和初相位就成为确定正弦量的三要素，正弦交流电三要素如图1.13 所示。图中横坐标为电角度ωt，单位为弧度（rad），正弦交流电流的瞬时值i的函数表达式为

i=Imsinωt

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

在我国和其他大多数国家，都采用50 Hz作为电力标准频率，这种频率在工业上应用广泛，习惯上也称为工频。建筑工地交流电动机和照明负载的电源都是这种频率。

正弦量变化的快慢除了用周期和频率表示外，还可以用角频率ω来表示。因为一个周期内经历了2π弧度，所以角频率为

式中，ω的单位为弧度/秒（rad/s）。

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。

从能量观点来看，运用正弦波的瞬时值、幅值都不能确切反映能量转换的实际效果，因此在实际计算中，引进有效值的概念。交流电的有效值是根据其热效应确定的。就是说，某一周期电流通过电阻R（如电阻炉）在一个周期内产生的热量，和另一个直流I通过同样大小的电阻在相等的时间内产生的热量相等，那么这个直流I的数值叫做交流电流i的有效值。经过严格推导，正弦交流电的有效值在数值上等于幅值的，即

式中，I、U、E分别表示正弦交流电的电流、电压和电动势有效值。交流电的有效值都用大写字母表示，和表示直流的字母一样。

一般所讲的正弦电压或电流的大小（如交流电压380V或220V）都是指它们的有效值，一般交流安培计和伏特计的刻度也是根据有效值来确定的。

3）初相位（φ）

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）就不同，到达幅值或某一特征值的时间也就不同。例如，有两个正弦量

i1 =Imsin（ωt+φ1）

i2 =Imsin（ωt+φ2）

其中角度（ωt+φ1）和（ωt+φ2）称为正弦量的相位角或相位，它反映出正弦量变化的进程。当相位角随时间连续变化时，正弦量的瞬时值随之连续变化。

t=0时的相位角称为初相位角或初相位。当t=0 时，i1 初相位为φ1，i2 初相位为φ2。因为，所取计时起点不同，正弦量的初相位不同，其初始值也就不同。两个同频率的正弦量相位角之差称为相位角差或相位差，用φ表示。i1 和i2 的相位差为

φ=（ωt+φ1）-（ωt+φ2）=φ1 -φ2

当φ1 大于（或小于）φ2 时，我们说i1 的变化超前（或滞后）于i2；

当φ1 -φ2 =0°，即φ=0°时，i1 和i2 具有相同的初相位，即同相；

当φ1 -φ2 =180°，即φ=180°时，i1 和i2 的相位相反，即反相。

如图1.14所示，i1 和 i2 具有相同的初相位，相位差为0°；i1、i2 与 i3 反相，相位差为180 °。

2. 正弦量的向量表示法

一个正弦量具有幅值、频率及初相位三个特征，而这些特征可以用多种方法表示出来。正弦量的各种表示方法是分析与计算正弦交流电路的基础。

正弦量可以用三角函数表示，如i =Imsinωt，这是最基本的表示方法。另外，正弦量还可以用前面提到的正弦波形来表示。此外，正弦量还可以用有向线段来表示。

设有一正弦电压u=Umsin（ωt+φ），其波形如图1.15右图所示，左图是直角坐标系中的一个旋转有向线段。有向线段的长度代表正弦量的幅值Um，它的初始位置（t=0时的位置）与横轴正方向之间的夹角等于正弦量的初相位φ，并以正弦量的角频率ω作逆时针方向旋转。可见，这一旋转有向线段具有正弦量的三个特征，故可以用来表示正弦量。正弦量的某时刻的瞬时值就可以由这个旋转有向线段于该瞬时在纵坐标轴上的投影表示出来。

当t=0时，u0 =Umsinωt；

当t=t1 时，u1 =Umsin（ωt1 +φ）。

由此可见，正弦量可以用旋转的有向线段来表示。用有向线段表示正弦量即是正弦量的向量表示法，除此之外，正弦向量可以用复数表示（有兴趣的同学可参考相关的书籍进行学习，此处不再赘述）。

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。其中，电阻元件是耗能元件，后两者是储能元件。

在直流电路和交流电路中所发生的现象有着显著的不同。直流电路中所加电压和电路参数不变，电路中的电流、功率及电场和磁场所储存的能量也都不变化。但是在交流电路中则不然，由于所加电压随时间而交变，故电路中的电流、功率及电场和磁场储存的能量也都是随时间而变化的。所以在交流电路中，电感元件中的感应电动势和电容元件中的电流均不为零，但在直流电路稳定状态下，电感元件可视做短路，电容元件可视做开路。

在正弦交流电路中电阻元件、电感元件、电容元件组成的单一参数交流电路的特点如表1.2 所示，电压、电流的正方向均如各单一参数电路图所示。

在电工技术中通常将在一个周期内的瞬时功率平均值称为平均功率，由于平均功率是实际消耗的功率，故又称为有功功率，也简称为“功率”，用P表示，单位为瓦（W）或千瓦（kW）。将反映电感和电容等储能元件与电源交换能量的情况称为无功功率，用Q表示，单位是乏（var）或千乏（kvar）。在生活实际中我们常说的功率指有功功率，如灯泡的功率为60 W，电炉的功率为800 W等都是指有功功率。

1.3.3 R、L、C混合电路

电阻、电感与电容元件串联的交流电路如图1.16（a）所示，电路中的各元件通过同一电流，电流与电压的正方向在图中已经标出。根据KVL定律可列出

设电流i=Imsinωt为参考正弦量，则电阻元件上的电压uR与电流同相，即

uR=ImRsinωt=URmsinωt

电感元件上的电压uL比电流超前90°，即

uL=ImωLsin（ωt+90°）=ULmsin（ωt+90°）

电容元件上的电压uC比电流滞后90°，即

以上各式中，，。

同频率的正弦量相加，所得出的仍为同频率的正弦量，所以电源电压为

u=uR+uL+uC=Umsin（ωt+φ）

其幅值为Um，电压u与电流i之间的相位差为φ。

在向量图上，如果将电压uR、uL、uC用向量、、表示，则向量相加即可得出电源电压u的向量，如图1.16（b）所示。由电压向量、及（）所组成的直角三角形，称为电压三角形，如图 1.17 所示。利用电压三角形，便可求出电源电压的有效值，即

由式可见，这种电路中电压与电流的有效值（或幅值）之比为，它的单位也是欧姆，具有对电流起阻碍作用的性质，我们称它为电路的阻抗，用 Z 表示。可见 Z、R、（XL -XC）三者之间的关系也可用直角三角形（称为阻抗三角形）来表示，如图1.18所示。利用阻抗三角形，便可求出阻抗，即

在电压三角形和阻抗三角形中的φ称为阻抗角，表示电源电压u与电流i之间的相位差，从电压三角形和阻抗三角形可知

由阻抗角计算公式可知，如果XL＞XC，则在相位上电流i比电压u滞后φ角，这种电路是电感性的；如果XL＜XC，则在相位上电流i比电压u超前φ角，这种电路是电容性的；当XL=XC，即φ=0时，则电流i与电压u同相，这种电路是呈阻性的。

RLC串联交流电路中有功功率经过推导为P=UIcosφ，而储能元件与电源之间进行的能量互换，相应的无功功率为Q=UIsinφ。由R、L、C混合电路中有功功率和无功功率公式可知，负载取用的功率不仅与发电机的输出电压及输出电流有效值的乘积有关，而且还与阻抗角有关。在交流电路中电压有效值和电流有效值之积可以认为是一种功率，称为视在功率，单位为伏安（V · A），可以表示为S=UI。视在功率、有功功率、无功功率之间的关系构成功率三角形，如图1.19 所示，利用功率三角形，便可求出视在功率，即

1.3.4 功率因数的提高

电工学中将P=UIcosφ中的cosφ称为功率因数。功率因数是一个重要的量，它影响从电源应该供给回路的电流大小。功率因数最大值为1，取值在0～1 之间，一般用百分数（%）表示。表1.3 所示为各种常用设备的功率因数。电路的功率因数越小，供给电路又返回的功率部分越多。根据公式 P=UIcosφ可知，为了供给一定的有功功率 P，cosφ越低，意味着线路电流 I要增加，势必增加了供电设备和输电线路的功率损失，同时也会降低供电设备的利用率。

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），其电路图和向量图如图1.20 所示。

并联电容器以后，总电压U·和线路电流I·之间的相位差 φ变小了，即 cosφ变大了。在电感性负载并联电容器以后，减少了电源与负载之间的能量交换。这时感性负载所需的无功功率大部分或全部都由电容器供给，就是说能量交换现在主要或完全发生在电感性负载与电容器之间，因而使电源容量能得到充分利用。其次，从向量图上可见，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

式中，P为感性负载的有功功率，U为电源电压，ω为角频率，φ1 为感性负载的功率因数角，φ为并联电容后电路功率因数角。现在通过下面的例子，进一步说明功率因数的影响。

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。

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，cosφ=0.2～0.3，满载时cosφ=0.83～0.85）；二是在感性负载的两端并联电容。

1.3.5 三相交流电路

三相交流电路指由三相电源（如发电机或变压器）供电的网路。它在世界各国的电力系统中被广泛应用，从电能的生产、输送和分配一般采用三相交流电路。这主要基于三相交流发电机体积小、重量轻、成本低，输电线金属的消耗量较低，三相异步电动机结构简单、价格低廉、性能良好和使用维护方便等优点。三相交流电源是由三个同频率、同振幅和初相角依次相差120 °的电源按一定方式（如星形）连接而成的。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，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，也即火线与中线间的电压，称为相电压，其有效值用U L1、U L2、U L3或一般用U P表示。而任意两始端间的电压，也即两火线间的电压，称为线电压，其有效值用U L1 L2、U L2 L3、U L3 L1或一般用U L 表示。各相电压的正方向选定为自始端指向末端（中点）；线电压的正方向，如UL1L2是指U1 端指向V1 端，即端线L1 与L2 之间的电压。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 °。线电压和相电压在大小上的关系为

三相电源的绕组可以连接成星形也可以连接成三角形，在连接成星形时，可引出四根导线（三相四线制），可以给予负载两种电压。通常在低压配电系统中相电压为220V，线电压为380V，既可满足动力负载的需要，又可满足照明负载的需要。

生产和生活中使用交流电的负载种类很多，如白炽灯、日光灯、电动机等，这些负载有的需要接入相线之间才能正常工作，有的只需接一根相线和一根中线即可正常工作。负载根据这一特点可分为单相负载和三相负载两大类。

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。若三相负载的阻抗相同（幅值相等，阻抗角相等），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。

在负载的各种连接方式下其电流、电压、相位角、功率等参数各有特点，具体如表1.4所示。负载的不同连接方式适用于不同的场合，应注意不要接反，否则会酿成事故。三相负载选择星形接法还是三角形接法是根据电源的电压和负载的额定电压确定的，即必须保证每相负载的相电压等于负载的额定电压，从而保证负载都能正常工作。如民用照明灯具额定电压是220V，灯具就必须接成星形方式，接到三相四线制电源上。又如电动机额定电压是220V时，也必须接成星形方式，不能接成三角形。

任务1-4 电子电路应用

【任务背景】：生活中，大家都使用过收音机、电视机、计算机等家用电器，收音机、电视机可以通过天线将收到的电信号放大后推动扬声器和显像管工作。在自动测量上，通常将温度、压力信号进行放大处理。这些电气设备中起放大作用的是由晶体管等半导体元件组成的放大电路。为了更好地使用这些电气设备，有必要了解半导体的一些基本知识。

1.4.1 常用半导体元器件

半导体元器件是近代电子学的重要组成部分，它是构成电子电路的基本元件。半导体元器件是由经过特殊加工且性能可控的半导体材料制成的，常用的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge），半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。根据往纯净半导体掺入杂质的不同，可分为N型半导体和P型半导体两大类。在生产生活中常用半导体元器件主要有二极管、三极管、场效应管等。

1. 半导体二极管

1）半导体二极管的结构

半导体二极管简称二极管，是将一个PN结用外壳封装起来，并加上电极引线后构成的。由P区引出的电极称为二极管的阳极（或正极），由N区引出的电极称为二极管的阴极（或负极）。二极管是电子技术中最基本的半导体器件之一，二极管通常用在电子开关、整流电路、限幅电路、稳压电路中。根据其用途分，有检波管、开关管、稳压管和整流管等。

常用二极管结构和图形符号如图1.27所示，文字符号用VD来表示。点接触型：结面积小，适用于高频检波、脉冲电路及计算机中的开关元件。面接触型：结面积大，适用于低频整流器件。使用二极管时，必须注意极性不能接反，否则电路非但不能正常工作，还有毁坏管子和其他元件的可能。

2）二极管的特性

二极管具有单向导电特性。当二极管外加正向电压达到一定值时，处于导通状态，电路中有电流流过；当二极管加反向电压时，处于截止状态，电路中没有电流流过，如图1.28所示。

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，正向电流几乎为零，此时二极管呈现高电阻值，基本上还是处在截止的状态。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0.5V，锗管为0.3V。二极管导通后，二极管两端的导通压降很低，硅管为0.5～0.7V，锗管为0.2～0.3V。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。二极管被反向击穿后，就失去了单向导电性，将引起电路故障，使用时一定要注意避免二极管发生反向击穿的现象。

3）二极管的主要参数

二极管的参数是二极管电性能的指标，是选用二极管的依据，二极管的主要参数有：

最大整流电流IDM：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：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：二极管未击穿时的反向电流。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。

4）特殊二极管

常用的特殊二极管有稳压二极管、发光二极管、光电二极管等，具体特点和用途如表1.5 所示。

5）二极管的应用

由于日常从电网上直接引入的电源都是工频交流电，为此需要有专用电路能将工频交流电转换成各种仪器需要的稳定直流电，这些专用电路包括整流电路、滤波电路和稳压电路。

（1）整流电路。它是电子设备中广泛应用的电路，其作用是将大小、方向都随时间变化的交流电变换成脉动直流电供电子设备使用。整流电路主要是利用半导体元件二极管的单向导电性或晶闸管来实现的。常见的整流电路有单相半波、全波、桥式、倍压整流电路。

（2）滤波电路。滤波电路可以降低整流电路输出电压中的交流成分，同时保留直流成分，使得输出的电压更加平滑，保证仪器仪表的正常工作。常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、复式滤波等。

电容滤波电路如图1.31（a）所示，加上电容C后，负载上电压波形与输入电压波形大不一样，如图1.31（b）所示，此时的输出电压为uO=u2。在实际电路中，通常采用大容量电解电容，其容量一般选为，式中，T 为输入交流电压的周期。电容滤波只适用于负载电流较小的场合。

（3）稳压电路。经过整流和滤波后的电压往往会随交流电源电压的波动和负载的变化而变化。电压不稳定有时会使测量和计算产生误差，引起控制装置工作不稳定，甚至无法工作。对于精密电子测量仪、自动控制、计算装置等都要求有很稳定的直流电源供电，因此需要一种稳压电路，使输出电压在电网电压波动或负载变化时基本稳定在某一数值。稳压管稳压电路如图1.32所示。其稳压原理是当输入电压Ui 升高或负载电阻RL阻值变大时，造成负载电压UL 随之增大，那么稳压管的反向电压UZ也会上升，从而引起稳压管的电流IZ 会显著增加，结果使IR加大，导致电阻R上的压降UR 增大，以抵消负载电压UL 的波动，数值保持近似不变。稳压管稳压电路结构简单、元件少，但输出电压、电流受稳压管的限制，变化范围小，不能调节，因此，只适用于电压固定的小功率负载且负载变化不大的场合。适用范围更广泛的稳压电路还有晶体管串联型稳压电路、三端集成稳压电路等。

2. 半导体三极管

1）半导体三极管的结构

三极管是组成各种电子电路的核心器件。三极管的产生使PN结的应用发生了质的飞跃——具有电流放大作用。双极型晶体管分为NPN型和PNP型，其结构如图1.33所示。虽然它们外形各异，品种繁多，但它们有共同特征：都有三个分区、两个PN结和三个向外引出的电极。双极型晶体管的英文缩写是BJT，一般简称晶体管，又由于有三个电极，也简称三极管，其图形符号如图1.34所示。三极管的三个电极分别称为基极B、发射极E和集电极C。在这三个区之间形成两个PN结，分别是发射结和集电结。

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。

2）三极管的特性

三极管具有电流放大作用。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。

当三极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IE=IB+IC（IB数值很小，可忽略），故IE≈IC。

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β表示，即

不同型号、不同类型和用途的三极管，β值的差异较大，大多数三极管的β值通常在几十至几百的范围。基极电流IB有微小的变化时，集电极电流IC 将以IB 的β倍放大，可见晶体管具有电流放大作用，是电流控制型器件。

表示三极管各极电流和极间电压关系的曲线称为晶体管的伏安特性曲线，分为输入特性曲线和输出特性曲线。它是了解三极管外部性能和分析三极管工作状态的重要依据。三极管的伏安特性曲线如图1.36所示。输入特性曲线描述三极管集射极之间的电压UCE为某一定值时，基极电流IB与基射极之间的电压UBE的关系，如图1.36（a）所示，显然，它与二极管正向特性曲线相似。三极管输出特性曲线描述晶体管基极电流IB 为定值时，集电极电流IC与集射极之间的电压UCE的关系，如图1.36（b）所示。三极管输出特性曲线上一般可分为三个区：饱和区、放大区、截止区。晶体管工作在放大区时，发射结正偏，集电结反偏。此时IC=βIB，即晶体管在放大区时具有电流放大作用。晶体管工作在饱和区时，发射结和集电结均正偏，晶体管失去放大能力。晶体管工作在截止区时，发射结和集电结均反偏，晶体管呈截止状态。

3）三极管的主要参数

三极管的参数表征管子性能和安全运用的物理量，是正确使用和合理选择三极管的依据。三极管的主要参数如下。

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。常用三极管的β值一般在20 200 之间。若三极管的 β 值小，则电流放大效果差；若β值太大，则三极管性能不稳定。在三极管管壳上用红、黄、绿等色点作为分挡标记。

穿透电流ICEO：基极开路时，集电极与发射极之间的反向电流。性能良好的三极管该值比较小。该值与温度有关，随温度升高而急剧增大。

集射极反向击穿电压UCEO（BR）：基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。三极管使用时，UCE要小于该值，否则三极管将损坏。

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 β值将显著下降，ICM指β值下降到规定允许值（额定值的2/3）时的集电极电流值。

集电极最大允许功耗PCM：集电结最大允许承受的功率。三极管工作时，集电结处于反向偏置，电阻很大。IC 通过集电结时，产生热量使结温升高，管子将烧坏。因此，对集电极功耗要有限制。

4）三极管在放大电路中的应用

放大电路是电子技术中应用十分广泛的一种单元电路，在广播、通信、自动控制中都有广泛应用。比如，在建筑设备控制系统的温度、湿度信号检测中需要将敏感元件采集的信号转换、放大到可以传输的电信号。在广播系统中收音机、电视机从天线收到的电信号是很微弱的，必须经过放大电路加以放大才能推动扬声器和显像管工作。放大电路作用框图如图1.37 所示，即将一个微弱的电信号，通过某种装置，得到一个波形与该微弱信号相同，但幅值却大很多的信号输出，这个装置就是晶体管放大电路。

放大电路可以实现对电流、电压或能量的控制作用。放大电路有三种形式，分别为共基极放大电路、共发射极放大电路、共集电极放大电路。每种电路各有其优缺点，使用最广泛的是共发射极放大电路，其组成及工作原理如图1.38 所示。发射极是输入和输出的公共端，公共端是电路中各点电位的参考点，电路中某点的电位就是该点至参考点的电压。晶体管是核心元件，作用是进行电流放大；直流偏置电压是为保证放大电路实现对输入小信号的放大，其主要作用是保证晶体管工作在放大区，即保证三极管VT发射结正偏，集电结反偏，并且为输出信号提供能量；基极偏置电阻的作用是与 UCC配合，控制基极电流大小；集电极电阻的作用是将晶体管的电流放大作用变换成电压放大作用；耦合电容的主要作用是隔离放大电路与信号源和负载之间的直流通路，使交流信号在信号源、放大电路、负载之间顺利传输。

该电路的工作原理为：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=βiB；iC通过RC 使电流的变化转换为电压的变化，即uCE =UCC -iC RC， 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uo。若电路参数选取适当，uo 的幅度将比ui 幅度大很多，也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。

电压放大倍数指放大电路输出信号电压与输入信号电压的比值。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：

无负载时，uo= -iCRC；

有负载时，。

其中，，而输入电压ui =iBrBE，rBE为三极管基极和发射极间的动态电阻，在小信号放大电路中，可以用公式估算，即

因此放大电路的电压放大倍数的具体公式为

无负载时，；

有负载时，。

输入电阻是指从放大电路的输入端看进去的交流等效电阻，它反映放大电路对所接信号的影响程度。一般来讲，希望输入电阻尽可能大些，以使电路向信号源取用的电流尽可能小，减轻前级负担。它等于放大电路输入电压与输入电流的比值，即。

输出电阻是指从放大电路的输出端看进去的交流等效电阻，它是衡量放大电路带负载能力的一个性能指标。放大电路接上负载后，要向负载提供能量，当负载变化时，为了使输出电压恒定，要求输出电阻要小。它等于放大电路输出电压与输出电流的比值，即。

3. 场效应管

场效应管是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的器件，所以又称为电压控制型器件。场效应管实物如图1.42所示。它具有输入阻抗高，噪声低，热稳定性好，功耗低，制造工艺简单，便于集成等优点。

场效应管按其结构不同，可分为结型和绝缘栅型两种；按工作方式不同，可分为增强型和耗尽型，又可分为N沟道和P沟道两种。绝缘栅型由于制造工艺简单，便于实现集成化，应用极其广泛。绝缘栅型场效应管由金属（Metal）、氧化物（Oxide）和半导体（Semiconductor）组成，故称MOS 管。MOS 管的结构从表面上看与晶体管相似，由三个电极和三个半导体区组成，但实质是不同的，其结构和图形符号如图1.43所示。

N沟道增强型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，管子处于截止状态；当UGS＞0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。

1.4.2 集成电路的应用

集成电路是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，这样，整个电路的体积大大缩小，且引出线和焊接点的数目也大为减少，从而使电子元件向着小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。集成电路的英文名称是Integrated Circuit，缩写为IC。

集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工业、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，而且在军事、通信、遥控等方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。

1958年，美国得克萨斯公司发明了集成电路制作技术，它通过特殊工艺将半导体二极管、三极管、电阻和电容集聚在一块半导体芯片（硅片）上。在几平方毫米的芯片上集成50只半导体元器件的时期称为集成电路的“小规模集成”阶段。1966年集成电路进入“中规模集成”阶段，这时每块芯片上可集成100～1000 只半导体元器件；1969 年进入“大规模集成”阶段，每块芯片上可集成5000～10000 只半导体元器件；1975 年进入“超大规模集成”阶段，每块芯片上可集成1 万只以上半导体元器件；目前已进入“特大规模集成”阶段，每块芯片上可集成几百万只半导体元器件。

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

集成电路的制造工艺十分复杂，仅以图1.45所示的LM386集成功率放大器为例，说明其集成电路的内部组成。实际上，该集成电路仅为整个硅片上的一个小单元，称为管芯。管芯制成后，还要经过测试（不合格管芯就不再进行后续加工）、划片（用金刚石刀将管芯分割出来）、压焊（用超声波压焊技术将管芯引出端与铝线焊接，以便连到外引引脚上）和封装。

3）集成电路的应用实例

（1）集成运算放大器。集成运算放大器发展最早，品种最多，产量最大，应用也特别广泛。它主要用做模拟计算机中的运算单元，用做振荡器、比较器、缓冲放大器、函数发生器、微分积分器、加减器、模拟乘法器、有源滤波器等的主要组成单元。它是一种高增益的直接耦合放大器，其内部包含数百个晶体管、电阻、电容，但体积只有一个小功率晶体管那么大，功耗也仅有几毫瓦至几百毫瓦，而且功能很多。它通常由输入级、中间放大级和输出级三个基本部分构成。运算放大器除具有输入端和输出端外，还有+、-电源供电端，外接补偿电路端，调零端，相位补偿端，公共接地端及其他附加端等。它的放大倍数取决于外接反馈电阻，这给使用带来很大方便。

（2）稳压集成电路。稳压集成电路又称集成稳压电源，其电路形式大多采用串联稳压方式。集成稳压器与分立元件稳压器相比，体积小，性能高，使用简便可靠。集成稳压器的种类有多端可调式、三端可调式、三端固定式及单片开关式。单片开关式集成稳压器是一种新的稳压电源，其工作原理与上述三种类型不同，它是由直流变交流再变直流的变换器，输出电压可调，效率很高。其型号有 AN5900、HA17524 等，广泛用于电视机、电子仪器等设备中。

（3）音频放大器集成电路。它的用途很广，可用于各种音频系统中，如广播、录音、通信、电话、收音机、电视机、电子乐器等。目前有些音频放大器输出功率已达数瓦至数十瓦。中频放大器主要用于某一频率下有一定带宽、一定功率增益的中间放大，如通信接收、电视接收、广播接收、遥控遥测的接收等。微波放大器是一种能在微波波段进行放大工作的放大器，其工作频率大于300 MHz。多数产品是混合型集成电路。

（4）电视集成电路。电视机采用的集成电路种类繁多，型号也不统一，但有向单片机和两片机高集成化发展的趋向。用于电视机的集成电路有：伴音系统集成电路，行场扫描集成电路，图像中放、视放集成电路，彩色解码集成电路，电源集成电路，遥控集成电路等。

（5）传感器集成电路。近年来出现了一些与传感器件相配合使用的模拟电路，出现了一些传感器和模拟控制电路集成于一块芯片上的单片式传感器模拟电路，在设计与制造中不少产品还采用了数字和模拟电路相容工艺，使其具有信息传感、逻辑处理、模拟控制等多种功能。尽管目前这类产品不论从品种上还是数量上来说都比较少，但在工业自动控制、测量技术、仪器仪表等方面都有一定的应用，并给传统产品带来一定的革新。

（6）控制集成电路。它主要应用于工业的各种机电控制中。这方面的产品有可控硅触发电路、零电压开关、电动机控制电路、继电器控制电路、温度控制电路、时间控制电路等多种。例如，可控硅触发集成电路通过可控硅触发电路调节可控硅控制回路的触发脉冲的相移，从而改变可控硅主回路的工作状态。集成化后的可控硅触发电路使用更为方便，电路功能完善，通用性强，可靠性好。电动机控制集成电路主要是各种电动机，特别是微电动机、步进电动机等小型电动机的调速电路、稳速电路、保护电路。

实训1 利用万用表进行电气参数测量

一、实训目的

（1）掌握用万用表测量电流、电压的方法；

（2）掌握用万用表测试电阻、电容、电感、二极管的方法；

（3）培养学生安全用电的意识。

二、实训器材

（1）万用表一块；

（2）直流电源一台；

（3）电阻、电容、电感、二极管若干；

（4）连接导线若干。

三、实训步骤

1. 准备工作

万用表是一种多功能、多量程的便携式电工仪表，一般的万用表可以测量直流电流、直流电压、交流电流、交流电压和电阻等。有些万用表还可以测量电容、功率、晶体管共射极直流放大系数等，所以万用表是电工必备的仪表之一。万用表分指针式和数字式，如图1.46所示。下面以数字式万用表为例熟悉转换开关、旋钮、插孔等的作用。

数字式万用表的测量值由液晶显示屏直接以数字的形式显示，读取方便，有些还带有语音提示功能。数字式万用表在万用表的下方有一个转换旋钮，旋钮所指的是测量的挡位。数字式万用表的挡位主要有以下几种：“V～”表示测量交流电压的挡位：“V—”表示测量直流电压的挡位：“A～”表示测量交流电流的挡位；“A—”表示测量直流电流的挡位；“Ω（R）”表示测量电阻的挡位；“hFE”表示测量三极管的挡位。数字式万用表的红表笔接外电路正极，黑表笔接外电路负极。

2. 测量直流电压

（1）将黑表笔插进万用表的“COM”孔，红表笔插进万用表的“VΩ”孔。

（2）把万用表的挡位旋钮打到直流挡“V—”，然后将旋钮调到比估计值大的量程（注意：表盘上的数值均为最大量程）。

（3）把表笔接电源或电池两端，并保持接触稳定。

（4）从显示屏上直接读取测量数值，若测量数值显示为“1”，则表明量程太小，要加大量程后再测量。如果在数值左边出现“—”，则表明表笔极性与实际电源极性相反，此时红表笔接的是负极。

3. 测量交流电压

（1）将黑表笔插进万用表的“COM”孔，红表笔插进万用表的“VΩ”孔。

（2）把万用表的挡位旋钮打到交流挡“V～”，然后将旋钮调到比估计值大的量程。

（3）把表笔接到电源的两端（交流电压无正负之分，不用分正负），然后从显示屏上读取测量数值。

4. 测量电阻

（1）将黑表笔插进“COM”孔，红表笔插进“VΩ”孔中。

（2）把挡位旋钮调到“Ω”中所需的量程，用表笔接在电阻两端金属部位，测量中可以用手接触电阻，但不要把手同时接触电阻两端，这样会影响测量的精确度（人体是电阻很大的导体）。

（3）保持表笔和电阻接触良好的同时，开始从显示屏上读取测量数据。

5. 测量直流电流

（1）将黑表笔插入万用表的“COM”孔。若测量大于200mA 的电流，则要将红表笔插入“10A”插孔并将旋钮打到直流“10A”挡；若测量小于200mA 的电流，则将红表笔插入“200mA”插孔，将旋钮打到直流200mA以内的合适量程。

（2）将挡位旋钮调到直流挡（A—）的合适位置，调整好后，开始测量。将万用表串进电路中，保持稳定。

（3）从显示屏上读取测量数据，若显示为“1”，则表明量程太小，要加大量程后再测量；如果在数值左边出现“—”，则表明电流从黑表笔流进万用表。

6. 交流电流的测量

测量方法与直流电流的测量基本相同，不过挡位应该打到交流挡位（A～），电流测量完毕后应将红表笔插回“VΩ”孔。

7. 测量二极管

数字式万用表可以测量发光二极管、整流二极管，测量方法如下。

（1）将黑表笔插在“COM”孔，红表笔插进“VΩ”孔。

（2）将挡位旋钮调到二极管挡。

（3）用红表笔接二极管的正极，黑表笔接负极，这时会显示二极管的正向压降。锗二极管的压降为0.15～0.3V，硅二极管的为0.5～0.7V，发光二极管的为1.8～2.3V。调换表笔，显示屏显示“1”则为正常（因为二极管的反向电阻很大），否则此管已被击穿。

8. 实训结束

实训结束后，整理好本次实训所用的器材、工具、仪器、仪表。清扫工作台，打扫实训室。

四、注意事项

首先注意检查电池，将数字式万用表的 ON-OFF 钮按下，如果电池电量不足，则显示屏左上方会出现电池正负极符号；还要注意测试表插孔旁的符号，这是警告你要留意测试电压和电流不要超出指示数字。此外，在使用前要先将量程放置在你想测量的挡位上。

五、实训思考

（1）万用表由哪几部分组成？能进行哪些参数的测量？

（2）使用万用表时，应注意哪些问题？

（3）完成实训报告。

实训2 荧光灯电路安装与功率因数提高

一、实训目的

（1）熟悉常用电工工具的使用；

（2）掌握日光灯的安装技巧；

（3）掌握日光灯故障的排除方法；

（4）掌握提高功率因数的方法。

二、实训器材

（1）万用表一只；

（2）常用电工工具一套；

（3）日光灯套件（20 W）一套；

（4）三眼插座、插头各一只；

（5）安装用木板一块；

（6）电容一只；

（7）连接导线若干。

三、实训步骤

1. 准备工作

合手的电工工具不仅有助于提高工作效率，而且有利于保证人身安全。常用的电工工具有：尖嘴钳、钢丝钳、螺丝刀、电工刀、低压验电器等，如图1.47所示。

（1）尖嘴钳：适用于在狭小的空间操作或带电操作低压电气设备，钳头用于夹持较小螺钉、垫圈、导线和把导线端头弯曲成所需形状，小刀口用于剪断细小的导线、金属丝等。

（2）钢丝钳：电工钢丝钳由钳头和钳柄两部分组成。钳口可用来钳夹和弯绞导线；齿口可代替扳手来拧小型螺母；刀口可用来剪切电线、掀拔铁钉；铡口可用来铡切钢丝等硬金属丝。

（3）螺丝刀：又称起子、改锥或螺丝旋等，是用来紧固或拆卸螺钉的常用工具。根据头部形状的不同，常用螺丝刀的式样和规格有一字形和十字形两种。

（4）电工刀：一种切削工具，主要用于剖削导线绝缘层、绳索、木桩及软性金属等。使用时，刀口应向外剖削；用完后，应随即将刀身折进刀柄。电工刀的刀柄不是用绝缘材料制成的，所以不能在带电导线或器材上剖削，以防触电。

（5）低压验电器：又称试电笔，简称电笔，是检验导线、电器和电气设备外壳是否带电的辅助安全工具。电笔又分钢笔式和螺丝刀式两种，由金属探头、电阻、氖管、弹簧和笔身等组成。

2. 安装三孔插座

在日光灯通电测试时用。

3. 安装日光灯

（1）根据图1.48 所示电路，列出材料清单。备好材料，检测各器件的好坏；画出装配图。

（2）根据装配图，在安装用木板上固定好灯座、启辉器座、整流器，连接好导线和插头。

4. 通电测试

装上启辉器和灯管，经指导教师检查同意后，将插头插入三孔插座，闭合电路中的开关，观察日光灯是否正常发光。

5. 实训结束

实训结束后，整理好本次实训所用的器材、工具、仪器、仪表。清扫工作台，打扫实训室。

四、注意事项

电笔使用前，一定要在有电的电源上检查氖泡能否正常发光。当用电笔测试带电体时，电笔中的氖泡会发出红色的辉光。辉光暗，表明电压低；辉光亮，则表明电压高。在明亮的光线下测试时，往往不易看清氖泡的辉光，应当避光检测。电笔的金属探头多制成螺丝刀形状，它只能承受很小的扭矩，使用时应特别注意，以防损坏。

五、实训思考

（1）画出实训电路装配图。

（2）通电测试过程中若遇到故障，说明故障现象，分析产生故障的原因及解决方法。

（3）整理观察到的现象，分析产生现象的原因。

（4）完成实训报告。

知识梳理与总结

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。基本技能要求如下：

（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、常用电子电路在工程中的作用。

练习题1

1. 选择题

（1）测量电流时，应将电流表（ ）连接在电路中，而测量电压时，应将电压表（ ）连接在电路中。

A. 串、串

B. 串、并

C. 并、并

D. 并、串

（2）12V/6W的灯泡接入6V电路中，通过灯丝的实际电流是（ ）A。

A. 1

B. 0.5

C. 0.25

D. 0.125

（3）两个正弦交流电电流的解析式是：u1 =150sin（314t+300）（V），u2 =141sin（314t+450）（V），这两个式中的两个交流电相同的量是（ ）。

A. 最大值

B. 有效值

C. 频率

D. 初相

（4）某一电器上写着220V、6 A，这是指（ ）。

A. 最大值

B. 有效值

C. 瞬时值

D. 平均值

（5）已知一交流电流，当t=0时的值i0 =1A，初相位为300°，则这个交流电的最大值为（ ）。

A. 0.5A

B. 1.414 A

C. 1A

D. 2A

（6）在RLC串联交流电路中，端电压与电流的向量如图1.49所示，这个电路是（ ）。

A. 电阻性电路

B. 电容性电路

C. 电感性电路

D. 纯电容性电路

（7）照明用交流电的电压是220V，则它们的最大值是（ ）。

A. 220V

B. 380V

C. 311V

D. 537V

（8）已知交流电压u1 =311sin（100πt+π/6）（V），u2 =537sin（100πt+π/3）（V），则（ ）。

A. u1 超前u2 π/3

B. u2 超前u1 π/3

C. u2 落后u1 π/3

D. u1 与u2 同相

（9）在RLC串联交流电路中，电阻两端的电压是200V，电感和电容两端的电压都是100V，则电路的端电压是（ ）。

A. 100V

B. 200V

C. 300V

D. 400V

（10）白炽灯与电容器组成的串联电路，由交流电源供电，如果交流电的频率增大，则电容器的（ ）。

A. 电容增大

B. 电容减小

C. 容抗增大

D. 容抗减小

2. 思考题

（1）简要叙述纯电阻、纯电感及纯电容交流电路的特点及提高功率因数的意义和方法。

（2）在负载对称星形连接的电路中，若相电压均为220V，中线电流是否为零？各相负载通过的电流是否相等？若电路为负载不对称的星形连接，会出现怎样的情况？

（3）在电路中，如果流过二极管的正向电流过大，二极管将会有什么现象？如果加在二极管上的反向电压过高，二极管又会有什么现象？

（4）三极管的输出特性曲线可分哪三个区？各区有哪些特点？

（5）什么是场效应管？它有哪三个电极？画出图形符号。

（6）什么是集成电路？它有哪些优点？

3. 计算题

（1）如图1.50 所示电路，设C 为参考点，电阻R1 =10Ω， R2 =100Ω，R3 =4Ω，计算电流I及A、B、C点电位。

（2）已知正弦量i=8 sin（ωt+60 °）（A），请计算该正弦量的频率、幅值和初相位，并画出它的向量图。

（3）两个正弦交流电流，（ωt +60°）（A），i2 =（ωt-30 °）（A），试求它们的相位关系。

（4）在一个纯电感电路中，若电流为i=0.55 sin（314 t-45 °）（A），试求其两端电压u的表达式。

（5）在一个纯电容电路两端，加上正弦交流电压u=311sin100πt（V），求电路电流i。

（6）一个电阻、电感、电容串联电路，已知R=8 Ω，L=100mH，C=127 μF，电源电压为，求电路中的电流I、有功功率Q以及电阻、电感、电容上的电压各为多少。

（7）已知RLC串联电路中，R =35Ω，XL =58Ω，XC =23Ω，回路电流 i1 =3sin（ωt +50 °）（A），求电路两端电压、有功功率、无功功率和视在功率。

（8）有220V、100 W的白炽灯66个，应如何接入线电压为380V的三相四线制电路？求负载对称情况下的线电流。

（9）额定电压为220V的三个单相感性负载，每个负载的R=10Ω，L=51mH，接入uAB=（314 t+30 °）（V）的三相四线制电源中。

① 负载应采用何种连接方式？

② 求各相电流和线电流。

③ 作出各相电压与相电流的向量图。

④ 求P总、Q总、S总。

（10）电路如图1.51 所示，已知U1 =10sinωt（V），二极管正向导通时压降忽略不计， E=5V，求Uo，并画出波形图。

（11）如图1.52所示三极管电路图中，集电极电流IC=2mA，β=50，则基极电流IB、发射极电流IE各为多少？