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第一部分:

电子技术

第一章

电子测量仪表

电子技术人员使用许多不同类型的测量仪器.一些工作需要精确测量面另一些工作只需粗略估计roughestimates.有些仪器被使用beusedto仅仅solely是确定线路是否完整.最常用的测量测试仪表有:

电压测试仪voltagetesters,电压表voltmeters,欧姆表ammeters,ohmmeters连续性测试仪continuitytesters,兆欧表megohmmeters,瓦特表wattmeters还有瓦特小时表

所有测量电值的表基本上都是电流表.他们测量或是比较通过他们的电流值.这些仪表可以被校准calibrate并且设计了不同的量程scale,以便to读出期望的数值.

1.1安全预防safetyprecaution

仪表的正确连接对于使用者的安全预防和仪表的正确维护是非常重要的.仪表的结构construction和操作的基本知识能帮助使用者按安全工作程序safeworkingorder来对他们正确连接和维护.

许多仪表被设计的只能用于直流或只能用于交流,而其它的则可交替使用interchangeably.注意:

每种仪表只能用来测量符合设计要求的电流类型.如果用在不正确的电流类型中可能对仪表有危险并且可能对使用者引起伤害.

许多仪表被设计成areconstructedto只能测量很低的数值,还有些能测量非常大的数值.

警告:

仪表不允许超过它的额定rated最大值maximumlimit.不允许被测的实际数值超过exceed仪表最大允许值的要求再强调也不过分overemphasized.超过最大值对指针indicatingneedle有伤害,有害于interfere正确校准propercalibration,并且在某种情况下andinsomeinstances能引起仪表爆炸explode造成resultin对作用者的伤害.许多仪表装备了areequippedwith过载保护overcorrectprotection.然而,通常情况下电流大于仪表设计的限定仍然是危险的hazardous.

1.2基本仪表的结构和操作

许多仪表是根据电磁相互作用electromagneticinteraction的原理动作的.这种相互作用是通过流过导体的电流引起的（导体放置在永久磁铁permanentmagnet的磁极poles之间）.这种类型的仪表专门适合于issuitfor直流电directcurrent.

不管什么时候电流流过导体,磁力magneticforce总会围绕导体形成isdeveloped.磁力是由在永久磁铁力的作用下起反应react的电流引起.这就引起指针的移动.

导体可以制成线圈coil,放置在永久磁铁磁极之间的枢钮（pivot中心）上.线圈通过两个螺旋型spiral弹簧springs连在仪器的端子上.这些弹簧提供了与偏差成正比proportional的恢复力deflection.当没有电流通过时,弹簧使指针回复到零.

表的量程被设计来指明被测量的电流值.线圈的移动（或者是指针的偏移）与线圈的电流值成正比.如果必须要测量一个大于线圈能安全负载的电流,仪表要包含旁路bypasscircuit或者分流器shunt.分流器被容纳在仪表盒内或者连接到外部.

例子

一个仪表被设计成最大量程scale是10A.线圈能安全负载0.001A,那分流器必须被设计成能负载9.999A.当时.001A流过线圈时指针指示10A.

图1.1（A）说明了一个永久磁铁类型仪表.图1.1（B）显示了一个外部分流器连接到仪表端子上.永久磁铁类型仪表可以被用作安培表或者电压表.当量程被设计成指示电流并且内阻internalresistance保持最小时,这个表可以作为安培表用.当量程被设计成指示电压,内阻相对relatively高一些时,这个表可以用来测量电压值.注意:

不管如何设计,指针移动的距离取决于线圈的电流值.

为了让这类表用在交流电中,在设计时必须作微小的改动.整流器rectifier可以把交流变成直流电.整流器合并incorporate进仪表中并且量程要指示出正确的交流电压值.整流器类型的仪表不能用于直流电中并且它一般被设计成电压表.

如图1.2,电测力计electrodynamometer是另一种能用于交流电alternatingcurrent的既能作安培表也能作电压表的仪器.它由两个固定线圈stationarycoils和一个移动线圈movablecoil构成consistof.这三个线圈通过两个螺旋型spiral弹簧串联inserieswith在一起.这个弹簧支撑住移动线圈.当电流流行性过线圈时移动线圈顺时针方向inclockwisedirection移动.

电测力计因为属永久磁铁型仪表itisinpermanentmagnet-typemeters,量程不是均匀分布的thescaleisnotdivideduniformly.作用在动线圈上的力根据流过该线圈的电流平方thesquareofthecurrentflowingthroughthecoil来变化varywith.有必要在量程开始比量程结束分割的密一点.分割点之间距离越大,仪表的读数越精确.争取strivefor精确的读值anaccuratereading是重要的.

移动叶片moving-vane结构是仪表的另一种类型.电流流过线圈引起cause两个铁片ironstripes（叶片）磁化tobecomemagnetized.一个叶片是可动的,另一个是固定的sationary.在两个叶片间的磁的作用引起可动叶片扭转turn.移动的数值取决于线圈的电流值.

警告:

所有描述的取决于磁力作用的仪器,都不要放置在另一个磁性物质附近.它的磁力可能对引起仪表故障或者导致测量值不准确.

1.3测量仪器的使用

电压表avoltmeter是设计来isdesignedto测量measure电路appliedacurrent的电压electricalpressure或者通过元器件acrossacomponent的压降voltagedrop.电压表必须与被测量的电路或元器件并联inparallelwith.

1.3.1压力检验计（电压检测计）

交-直流电压检验计是一种相当粗糙crude但对电工electrician来说很有用的仪器.这种仪器指示电压的近似值.更常见类型指示的电压值如下:

AC,110,220,440,550V,DC,125,250,600V.许多这种仪器也指示indicate直流电的极性polarity.那就是说（i.e=thatis）电路中的导体是阳性positively（正）的还是阴性negatively（负）.

电压检验计通常用来检验check公共电压commonvoltages,识别identify接地导体groundedconductor,检查tocheckfor被炸毁的保险丝blownfuses,区分distinguishAC和DC.电压检验计很小很坚固rugged,比一般的电压表averagevoltmeter容易携带和保存.图1.31.4描述了depict用电压检验计检查保险丝的用法methods.

为了确定电路或系统中的导体接地,把测试仪连接在导体和已建立的地之间.如果测试仪指示了一个电压值,导体没有接地.对每一个导体重复这个步骤continuethisprocedure直到until零电压zerovoltage出现isindicated（见图1.5）.

为了确定任意两个导体间的近似电压值,把测试仪连接在导体之间.

警告:

要认真读并遵守电压检验计提供supplied的说明书instructions.

1.3.2电压表

电压表比电压检验计测量更精确.因为电压表与被测量的电路或元件并联,必须有相对高一点的电阻.内阻要保证通过仪表的电流最小.流过仪表的电流越小,对电路特性electricalcharacteristics的影响effect越小.

仪表的灵敏度sensitivity用符号O/V表示isstated.这个数值越高仪表的质量越好.高灵敏度可使电路特性的改变减到最小.

电工使用的仪表精确度在95%到98%之间.这个精确度范围对大多数应用是满意的.然而,电力工作者力求strivetoobtain最精确的可能读数是重要的.一个精确读数可以在仪表盘上显示standingdirectlyinfrontofthemeterface也可以直接读出来.如果在指针后面有镜子,调整视线的角度直到指针在镜子中看不到映象.如要更精确可以使用数字表.

电压表有与电压检验计同样的应用.电压表比电压检验计更精确.因而,也支持更多的应用.例如,如果一个建筑物的供电电压低于正常值slightlybelownormal,电压表能指示出这个问题.电压表也用来确定馈电线onfeeder和支线电路导体branchcircuitconductors的压降值voltagedrop.

电压表有时有不只一个量程.选择一个能更精确测量的量程很重要.选择器开关范围达到这个目的.注意:

开始用一个适当的高一点的量程,然后逐渐降低到在限定范围之内的最低量程.设定选择器开关在可用的最低量程上能使读数达到最精确.

使用仪表之前,要检查仪表确保指针指在零上.在仪表盘下面有一个调整螺钉anadjustmentscrew.一个轻微的扭动就能使指针偏移.扭转调整螺钉使指针对准零线.

当在DC中使用电压表时,保持maintain正确proper的极性是很重要的.大多数的直流电源和仪表都用颜色标记colorcoded极性polarity.红色指示阳极,黑色指示阴极.如果电路和元件的极性未知,触一下端子的导线leads观察observing指针indicatingneedle.如果指针犹豫着试图attemptsto摆动,仪表导线连接就要颠倒一下bereversed.

警告:

不要让仪表连接反的极性polarityreversed.

1.3.3安培表

安培表是用来测量电路或部分电路的电流数量的.他与被测电路元件串联连接.仪表的电阻必须非常低这样不会影响restrict流过电路的电流.当测量很灵敏的设备的电流,安培表电流的轻微改变可能会引起设备的故障.

安培表象电压表一样,也有一个调零的调整螺钉.许多仪表也有镜子帮助assist使用者保证读数精确inobtaininganaccuratereading.

安培表常用来找出过载或者开路.他们也用来平衡线路的负荷loadsonmultiwirecircuits和确定故障位置malfunctions.

安培表总是与被测电路或元件串联连接.如果使用在DC下要检查极性.图1.6（A）显示了安培表测量电路的电流.图1.6（B）显示的是AC安培表.

Chap2固体功率器件的基本原理

2.1引言（绪论）本章将集中讨论固态功率器件或功率半导体器件,并且只研究它们在采用相控（电压控制）或频率控制（速度控制）的三相交流鼠笼式感应电机的功率电路中的应用.2.2固态功率器件有五种用于固体交流电机控制中的功率元器件:

（1）二极管

（2）晶闸管（例如:

可控硅整流器SCR）（3）电子晶体管（4）门极可关断晶闸管（GTO）（5）双向可控硅晶闸管SCR和双向可控硅一般用于相位控制（相控）.各种二极管,晶闸管SCR,电子晶体管,门极可关断晶闸管的联合体用于频控.这些器件的共性是:

利用硅晶体形成的薄片构成P-N结的各种组合.对二极管,SCR,GTO一般P结叫正极N结叫负极;相应的电子晶体管叫集电极和发射极.这些器件的区别在于导通和关断的方法及电流和电压的容量.让我们根据他们的参数简单看一下这些元器件.2.2.1二极管图2.1显示了一个二极管,左边部分显示的是在硅晶体中的一个PN结,右边显示的是二极管的原理图符号.当P相对于N是正时,由于节上有一个相当低的压降,前向电流开始流动.当极性相反时,只有一个极小的反向漏电流流动.这些用图2.2阐明.前向电压通常大约有1V,不受电流额定值的影响.二极管正向导通电流的额定值取决于其尺寸和设计,而这二者是根据器件散热的要求来确定的,以保证器件不超过最大结温（通常为200C）.反向击穿电压是二极管的另一个重要参数.它的值更取决于二极管的内部设计而不是它的物理尺寸.注意:

一个二极管只有当加上正向电压时才会正向导通.它没有任何固有（内在的）的方法控制导通的电流和电压值.二极管主要用在交流电路中作整流器,这意味着它们把AC整流成DC,同时产生的直流电流和电压值没有固有的控制方法.单二极管可用额定值到4800A和最大反向电压1200V,2000A最大反向电压4400V.2.2.2晶闸管图2.3显示了晶闸管（一般也叫可控硅）的PN结排列和它的原理图符号.注意这不同的结从正到负是PNPN,还有一个门极连到了内部的P层.如果没有连门极,并且阳极加反向电压,从正极到负极就没有电流通过.这是因为内部P结由于未通电而工作在阻断电路.这种情况对于正向阻断状态也是正确的.然而,当阳极是正的并且正信号作用到门上,则电流将从正极一直流向负极即使门极没有正信号.换言之,门极能打开晶闸管但不能关断它.关断晶闸管的唯一方法是通过外部方式在正极强加上一个零电流.因此在前向导通只能通过强加零电流停止方面,晶闸管与二极管是相似的.然而,晶闸管与二极管在如何启动前向导通方面是不同的.

（1）阳极是正

（2）门时刻是正.这个特性暗指了术语"可控硅".图2.4阐明了晶闸管的稳态伏安特性.注意反向电压和反向泄漏电流的形状与二极管的很相似.反向电压导通时比二极管的高,通常有1.4V.阻断状态也有一个极小的前向泄漏电流.在二极管中,稳态电流值是由器件的性能和底座（散热器）散发的热量确定的.晶闸管的最大结温比二极管要低,大约在125C.这意味着在同样的额定电流下,加上1.4V的前向压降,晶闸管比二极管的前向压降大的多.单晶闸管可用额定值在最大反向电压2200V超过2000A,在在最大反向电压4000V超过1400A.2.2.3电子晶体管（电子管）图2.5列出了一个典型功率电子管的结排列,原理符号图和伏安特性.如果集电极为正,除非在基电极和发射极间有电流才有电流从集电极到发射极.与晶闸管比较,只有在基极有电流时,电子管没有从集电极到发射极的自锁电流.基极开路,集电极到发射极将阻断电流.功率电子管与晶闸管在控制前向导通的启动时相似.它与晶闸管不同的地方在于它能控制关断和交流电机频率控制所必需的换向.注意伏安特性没有显示反向特性.一般的,一个反向分流二极管连在发射极和集电极之间,以保护电子管受反向电压伤害.功率电子管的可用额定值是最高反向电压1000V400A.2.2.4门极可关断晶闸管GTO图2.6显示了GTO的原理符号.GTO与晶闸管的相似处在于PNPN结的排列和前向电流的操作.如果阳极是正的,导体的启动是通过作用在门上的正脉冲.然而硅片和结是利用特殊特性设计的,所以即使阳极保持正值,加到门上的强负电流作用迫使前向电流阻断.GTO常用的瞬间额定值是PRV1200V2400A.2.2.5双向可控硅图2.7显示了双向可控硅的原理符号图.一个双向可控硅由一个特殊的晶闸管包（包含前向和反向晶闸管）组成,它的操作由一个门极控制.他们常用在调光器电路中或者作为继电器的开关,这样截止态下很小的泄漏电流不会引起其它控制器的误操作.随着增加电流容量可控硅的可用性使他们用于交流电机的相位控制中.2.3功率半导体容量功率器件在稳态交流电机马力范围大于600V时如何用,用在哪里摘要显示在表2.1中.马力额定值基于没有并联的器件.2.4功率半导体的物理特性在物理特性条件下,有三类最常用的功率半导体:

（1）栓接式

（2）薄片或冰球式（3）绝缘散热器类型.他们的共同特征是需要与其它器件有物理联系.这器件叫散热器,为了保持结温在设计值内把内部热量散发出去.散热器吸收结的热量通过散热片,轮片（螺旋桨叶片）或者液体冷却剂发散出去.液体冷却剂几乎从不用于600V级的固态交流电动机控制中,而且也不包含在我们的讨论中.这三类功率半导体的不同在于它们如何安装,他们如何与散热器连接.2.4.1栓接式螺纹部分可能是PN结的一部分,或者是与有源电子部分电子绝缘.在任一种情况下,螺纹部分常常插入散热器的螺纹孔.栓接式器件在小马力额定值下常用来作为直接功率控制器件,在大马力额定值下常用来作为辅助保护器件.在后一种情况下,它们常直接安装在较大器件使用的散热器上,如冰球式设计.2.4.2冰球式器件典型冰球式功率器件可能是二极管,可控硅或GTO.尺寸范围直径从近似25MM到100MM.每一个平坦的面即不是P也不是N结.热传递和导电从这表面产生.冰球式器件典型安装是联接铝型材的散热器.特别的箝位电路,联接绝缘混合剂和扭矩扳手都是需要的,用来确定光热传递和电导率.由于栓接式和冰球式器件的散热器都能传递电流,他们必须与机械底托电子绝缘.轮片能加到散热器上增加热量排放并且增大固定负荷状态的完成.由于散热器能在同样电压水平下作为功率器件,冰球式和栓接式的固态AC电动机控制必须通过附件（外壳）供给.附件（外壳）必须有合适的通风口或热交换器使得热量能散发.它不会用在放在安全封套中的用法,例如象NEMA12的密封盒或相似的外围物.2.4.3绝缘散热器件绝缘散热器功率器件可能是二极管,可控硅,GTO,三极管或双向可控硅.单个的包包含器件的联合体,在内部以线加固.区别的特征是术语"绝缘散热器".有一个铝底盘在每个包下面.这个底板与功率器件之间是导热并绝缘的.结的大部分热量传给了铝盘.这个底板依次安装在第二个更大的散热底板上.这个更大的散热底板在对面有鳍状表面.绝缘散热器的设计使它自己是个完全封闭的设计.他们也有经过预包装的已经内部加固过的复合器件的优点.他们的缺点是通过底部安装的底板散热的能力有限,所以固定负荷状态必须小于开放的散热器—安装在冰球式器件上.尽管如此,绝缘散热器在一般应用和器件容量的使用上迅速增长.在较高的左上角的排列是唯一的,同样它联合了有所有封闭设计的绝缘散热器概念的冰球式的优点（例如,易替换,易互换）.它也被恰当的称为"开放块状"模式.2.5换流在深入的讨论实际的固态交流电机的控制之前,将换流的概念和种类阐述清楚是必要的.换流的不同类型指所有讨论的固态电动机控制.换流是功率半导体器件中负载电流被截止或停止流动或转换到另一回路的过程.有以下三种换流方式:

（1）自然或线电压换流

（2）负载换流和（3）强制换流.2.5.1自然或线换流图2.8显示了功率半导体电路把AC转换成DC.这个列举

chap3模拟电子

3.1介绍3.1.1模拟和数字电子的对比我们已经研究了晶体管和二极管作为开关设备怎样处理被以数字形式描述的信息（数字信息）.数字电子象用电力控制开关那样使用晶体管:

晶体管被饱和或者切断.动态区域只是从一个状态到另一个状态的过渡.对比起来,模拟电子取决于晶体管和其他类型放大器的动态区域.希腊词根"analog"意味着"以一定的比例",在这里表示信息被编码成与被描述的量（被表达量）成正比的电信号.在图3.1中我们的信息是某种音乐,是乐器的激励和回响自然发起（引起）.被传播出的声音在于空气分子的有规则的运动并且被最好作为声波理解.在话筒（扩音器）的振动膜里的这些产生的运动,依次产生一个电信号.电信号的变化与声波成比例（在电信号方面的变化是声波的成比例表现）.电信号被通过电子放大,即利用输入放大器的交流电能将信号的功率放大.放大器的输出驱动一个录音磁头并且在磁盘上产生波浪状的槽沟.如果整个系统是好的,空气的一切声变将被记录在磁盘上,当记录被通过一个相似的系统播放时,信号通过一个扬声器作为声音能量再传播出来,结果原始音乐被如实的再现了.基于模拟原则的电子系统形成一类重要的电子仪器.收音机和电视的广播是模拟系统的典型例子,许多电子仪器也是模拟系统,它们的应用包括偏差检测（应变计量器）,运动控制（测速机）和温度测量（热电耦）.许多电子仪器---电压表,欧姆表,安培表和示波器利用了模拟技术,至少部分利用了模拟技术.在数字电子计算机被发展之前,模拟计算机一直使用.在模拟计算机中,微分方程里的未知量被用电信号来模拟.这些信号被用电子的方法积分,比例变换和求和以获得方程的解,比起解析或数值运算的求解方法要容易一些.3.1.2本章的主要内容模拟技术广泛地运用频域的观点.我们首先扩大我们的频域的概念包括周期,非周期和随机信号.我们将看到大多数模拟信号和过程可以被表示为频域.我们将介绍频谱的概念,也就是,用同时存在的很多频率来表达一个信号.带宽（频宽）（频谱的宽度）在频域上将与时间域上的信息率有关.频域的这个被阐述的概念也帮助我们区分线和非线性的模拟设备的影响.线性电路被显示有"滤波器"的能力而不需要频率组件.对比起来,新频率可以被象二极管和晶体管那样的非线性的设备产生.这种性能允许我们通过调幅和调频调制技术在频域上转换模拟信号,这种调制技术已被公开广泛地使用公用和私人通信系统.作为一个例子我们将描述一台调幅收音机的操作.下面我们研究一下反馈的概念,在模拟系统中通过反馈可以交换到象线性或者更宽的带宽那样合乎需要的质量.如果没有反馈,象音频放大器或者电视接收机那样的模拟系统最多提供了一个糟糕的性能.理解反馈的好处可以提供正确评价模拟电子中运算放大器的很多用途的基础（提高对模拟电子中运算放大器的很多用途的认识）.运算放大器（简写OPamps）是模拟电路的基本组成部分,正如NOR或非和NAND与非门电路是数字电路的基本单元一样.我们将介绍一些运算放大器一般应用,以在模拟计算机里的他们的用途来结束.3.2运算放大器电路3.2.1介绍

（1）运算放大器的重要性.运算放大器是一个在受负反馈控制的高增益的电子放大器,用来在模拟电路中完成很多运算功能.这样的放大器最初被发展完成运算,例如在模拟计算机里为微分方程的求解的积分和求和.运算放大器的应用被增加了,直到目前为止,大多数模拟电子电路基于运算放大器技术.例如,你需要一个放大器获得10倍的增益,便利,可靠性,费用考虑将确定使用一个运算放大器.因此,运算放大器形成模拟电路的基本构件,正如NOR或非和NAND与非门电路是数字电路的基本单元一样.

（2）运算放大器模型典型的特性.典型的运算放大器是利用十多个晶体管,几个二极管和很多电阻器的一个复杂