电路电子学

電路電子學22-----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◎【PrincipleandApplicationofElectricalEngineering】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,ASurvey】R.Boylestad歐亞書局33甲）電路學Circuittheory44電路之基本概念與電路元件Basicconceptsandtheelementsofanelectricalcircuit(Correspondencewiththetextbook:Section2.5、2.6、2.7)55壹）電路之基本概念(Section2.5)◎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I或i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181024.6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(twoports)，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(transientresponse)。○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(steadystateresponse)。==我們將探討的範疇電源負荷導線導線電流66貳）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)(tV為定值或dVtV)((b)交流電壓源-兩端電壓)(tv為固定之正弦函數)2sin()(*ftvtv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OV並非真的固定---rIVVdO◎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I為定值或dII(b)交流電流源-通過電流)(ti為固定之正弦函數)2sin()(0ftiti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OI並非真的固定---rdOIIIVd直流電壓源交流電壓源v*sin(2ft)Ii(t)Vd真實電壓源v*sin(2ft)Ii(t)rVOrIdi(t)IdIOrIr理想電流源真實電流源77◎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IVR/，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V的單位為伏特而I的單位為安培，則電阻R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R所散發的功率為RVIVP/2。---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『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。R電阻VIR=V/IV1I1Ix:相依電流源VIx=5V1Vx=5I1+-Vx:相依電壓源88(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Q之後，其兩端將產生電壓差V。---電容量C之大小即是Q跟V之比值，或VQC/。---若電荷Q的單位為庫倫而電壓差V的單位為伏特，則電容量C的單位為法拉(F)。---電容器大都極小，因此吾人另定義電容量C的適量單位為FF610及FpF1210。◎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F）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：---VQC/或CQV/的關係恆成立，即便V及Q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。C電容da縩Cad99(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I有所變化(即0I)，其兩端將產生電壓差V。物理上，這個電壓差又稱為反抗電動勢。---電感量L之大小即是I跟V之比值，或IVL/。---若I的單位為安培/秒而電壓差V的單位為伏特，則電感量L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：---ILV的關係恆成立，即便V及I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。L電感伴计N線圈鐵芯1010參）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NVV,1可合為一個等效電壓源NSVVV1。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NII,1可合為一個等效電流源NSIII1。二、電阻串聯的電阻NRR,1(如右圖左)可視為一個等效電阻SR，其值為NRR,1之和。右圖左之電流I在jR所散發的功率為2IRj。由能量不滅定律，電流I在所有電阻所散發的總功率，NjjIR12，應等於VI；因此，NjjRVI1；將此式寫為SRVI/，則NjjSRR1。若電阻NRR,1為並聯（如右圖上），則其等效電阻SR為NRR,1的倒數和之倒數。由歐姆定律，右圖上之電流jjRVi/。由電荷不滅，右圖上之總電流NjjNjjRViI111將上式寫為SRVI/，則NjjSRR111。...R1RN=IIVVR2j=1NRS=Rj...R1RN=RSIVVR2Ii1i2iN=j=11/RjN11111三、電容串聯的電容NCC,,1可視為一個等效電容SC，其值為NCC,,1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q。因此，NjjNjcjjcjCqVVCqV11/1/。將上式寫為SCqV/，則NjjSCVqC1/11/。...C1CN=VC2qqqVCSqRRVc1Vc2VcN=j=11/CjN1若電容NCC,,1為並聯，則其等效電容SC為NCC,,1之和。下圖電容jC之電荷量qj滿足jjVCq。所有電容上之電荷量總和為NjjNjjCVqQ11。將總電荷量的公式寫為SVCQ，則NjjSCVQC1/。...C1CN=VVC2q1q2qNRRCS=j=1CjN1212四、電感串聯之電感NLL,,1(下圖)可視為一個等效電感SL，其值為NLL,,1之和。由電感之定義：ILVjLj，因此，NjjNjLjSLIVV11。將NjjSLIV1寫為SSLIV，則NjjSLL1。...L1LN=LS=j=1LjNIIVVL2VLNVL2VL1RRVSVS若電感NLL,,1為並聯(下圖)，則其等效電感SL為NLL,,1的倒數和之倒數。首先，jSjjjSLViiLV/；另外，NjjSNjjNjiLViIiI111/1。將NjjSLVI1/1寫為SSLVI/，則NjjSLL1/11。...L1LN=LS=j=11/LjNIVVL2Ii1i2iN1RRVSVS