直流照明电路设计

项目一：直流照明电路设计项目描述:直流照明电路为电工课程中的基础部分，通过本章学习要使学生能做到确识别及使用电阻；通过学习，能描述直流电流的欧姆定律；能对简单的电路进行分析计算；理解两种电源模型的等效变换方法；能对电路中各点电位的分析计算。

学习内容：识别使用电阻；使用直流电压表、直流电流表及万用表测量电路中的直流电压、电流及电阻；直流电流表、直流电压表的量程扩大的改装；简单直流照明电路的安装及电路故障的检查。

任务1：直流电路基础内容能力目标：掌握直流电路的基本内容，电流、电压、电阻等的认识。

一、电路的组成电流经过的路径称为电路，最简单的电路由电源、负载、导线和开关组成。

电源是将其他形式的能量转换成电能的装置；负载是将电能转换成其他形式能量的设备和器件，一般称为用电器；连接导线起传输和分配电的作用。

电路可用原理接线图来表示，如图1-1所示。

有时为了突出电路的本质和进一步简化，把上图所示原理接线图画成常用的如图1-2所示的样子。

（a ）用电动势表示电源； (b)用端电压表示电源； (c)图(b)的简化画法。

图1-2 电路图的几种画法RE-B A I U开关电源 图1-1 用原理接线图表示电路电路有外电路和内电路之分。

从电源一端经负载再回到电源另一端的电路称为外电路。

电源内部的通路称为内电路。

电路通常有三种状态：（1）通路通路就是电路中的开关闭合，负荷中有电流流过。

在通路状态下，根据负荷的大小，又分为满负荷、轻负荷、过负荷三种情况。

负荷在额定功率下的工作状态叫满负荷；低于额定功率的工作状态叫轻负荷；高于额定功率的工作状态叫过负荷；由于过负荷很容易损坏电器，所以一般情况下都不允许出现过负荷（2）短路短路是指电流从电源出发，不经负载而经导体直接回到电源的状态。

短路时电路中的电流会远远超过正常值，可能造成导线过热，不仅损坏导线及电源，严重时会引起火灾。

同时，过大的短路电流将产生很大的电动力，也可能损坏电气设备。

（3）断路把电路中的开关断开或因电路的某一部分发生断线，使电路不能闭合，此种状态称为断路。

断路状态下电路中无电流，负荷不能运行。

二、电路的基本物理量1、电流当合上电源开关的时候，灯泡会发光，电动机会转动。

这是因为灯泡和电动机中有电流通过的缘故。

电流虽然用肉眼看不见，但是可以通过它的各种表现而被人所觉察。

导体中的自由电子，在电场力的作用下作有规则的定向运动就形成了电流。

单位时间内通过导体某一截面的电荷量称为电流强度（简称电流），用符合I表示，计算式为式中Q――通过导线某一截面的电荷量，C；t――通过电荷量Q所用的时间，s（秒）。

我国在工程计算中大多采用国际单位制(SI)。

在国际单位制中，电流(强度)的单位是库仑／秒，称为安培，简称安(A)，千进制，常用的小电流单位有毫安(mA)和微安(µA)。

1 mA=l 000µA =10-3A。

本书如不特别说明均采用国际单位制，并且在电工学中的单位大多为千进制。

电流的实际方向：规定正电荷移动的方向（即负电荷移动的反方向)为电流的实际方向。

图1-3电流方向电流的参考方向（参考方向)：在分析和计算电路时，需要根据电路中各电流的方向，应用电路的基本定律写出分析计算式。

但有时仅根据电路中给定的电源的极性或条件还不能确定电流的实际方向时，就需要在电路图中，对未知电流先假设一个电流的参考方向，然后再根据基本定律电路列出计算式，进行分析计算。

如果分析计算的结果电流得正值，则假设的参考方向就是该电流的实际方向；如果得负值，则其实际方向与假设的参考方向相反。

电流的大小可以用电流表直接测量。

对直流电流表测量时要注意以下几点：①电流表必须与被测电路串联，连接时应注意电流从表的“+”接线柱流入，从“-”接线柱流出，否则会损坏电流表。

②使用电流表之前，应根据被测电流的大小选择适当的量程，在无法估计被测电流的范围时，应选用较大的量程开始测1-4 直流电流表量。

2、电位、电压与电动势如果想要知道蓄电池是否有电，可以用伏特表去量一量，也可以用导线把小电珠接到蓄电池的两极之间。

如果伏特表有指示或小电珠发光我们就知道蓄电池有电压，也就是通常所说“有电”。

（1）电位在电场力作用下，单位正电荷由电场中某一点移到参考点（参考点的电位规定为零）所做的功叫做该点的电位，用ψ表示。

电场中某两点之间的电位差等于这两点间的电压。

电路中的电流需要靠电源来维持，这好比用水泵来维持连续的水流一样。

水泵能维持连续水流的原理是由于它能保持两处之间的水位差，使一处的水位总是高于另一处的水位。

在水泵的外部，水总是从高水位处流向低水位处；而在水泵内部，借助水泵的力量可从低水位处流向高水位处，这样，水就能连续不断地流通了。

与此类似，在电源两端具有不同的电位。

电源正极的电位总是高于负极的电位，也就是电源能维持两点间的电位差，使在电源外部，电流从高电位的正极流向低电位的负极；而在电源内部，借助于电源本身的电源力，可使电流从低电位流向高电位。

电位差又称电压（2）电压电压是衡量电场力对电荷做功能力的物理量。

电路中任意两点a和b间的电压U ab在数值上等于电场力把单位正电荷从a点移到b点所做的功，电压用字母u或U表示，则电压的方向是正电荷在电场中的受力方向。

例如对电源而言，电压的方向是从电源正极到电源负极。

当电压的实际方向不能确定时，同样可以设参考方向(或参考方向)。

但是在电源以外的电路中。

电流总是从高电位流向低电位，电压和电流的方向是互相关联的，当两者的方向均不能确定时，假设了电流的参考方向也就关联的设定了电压降的参考方向。

电压的分类与电流一样，通常所说的直流电压均指恒定电压，用字母U表示，交流电压是指正弦交流电压，用u表示。

电压的国际单位是伏特，简称伏。

通常使用的单位还有：兆伏（MV），千伏（KV），毫伏（mV），微伏（µV）等。

电压的大小可以用电压表直接测量。

对直流电压表测量时要注意以下几点：①电压表必须与被测电路并联，连接时应注意电流从表的“+”接线柱流入，从“-”接线柱流出，否则会损坏电压表。

②使用电压表之前，应根据被测电压的大小选择适当的量程，在无法估计被测电压的范围时，应选用较大的量程开始测量。

图1-5 直流电压表（3）电动势电动势是衡量电源转换本领的物理量。

定义为：外力将单位正电荷从电源负极经电源内部移到正极所做的功，称为该电源的电动势，用符号E表示，即：其中E为电源电动势，单位是伏特。

A为外力所做的功，单位为焦尔。

Q为外力分离电荷电量，单位为库仑。

电动势的规定方向：是由低电位(负)端指向高电位(正)端．与电压的方向相反，由于电源内存在电源力，正电荷不能通过电源内部由(正)端回到(负)端。

但当电源与外部负载电路接通时，正电荷可在电场力的作用下通过外电路由高电位端向低电位端移动，从而形成电路电流。

随着两端电荷及其电场力的减少，电源力又可以克服电场力的阻力继续将正电荷不断地移向高电位端，从而保持连续的电流。

在电场力的作用下电荷通过外部负载电路移动的过程中，由于克服电路的阻力而使电荷的电位能逐渐减少，这是将电能转换为非电能量(如热能)的过程。

电动势的方向表示亦同电压，但方向与电压相反，即由低电位端(负)指向高电位(正)端。

图1-6 电动势方向电动势和电压的单位虽相同，但二者概念有区别：首先，物理意义不同。

电压是衡量电场力做功大小的物理量，而电动势则表示非电场力做功本领的物理量。

其次，两者的方向不同，电压是由高电位指向低电位，是电位降低的方向。

而电动势是由低电位指向高电位，是电位升高的方向。

再次，两者存在的方式不同。

电压既存在电源内部也存在于电源的外部，电动势仅存在于电源的内部。

3、电阻（1）导体、绝缘体与半导体我们知道，象铜、铁或这样的一些物质是很容易导电的，我们叫做导体；而象玻璃、云母、陶瓷之类的物质就很不容易导电，被称为绝缘体。

这是因为，在导体中存在着不少与原子核的联系很松弛的电子，它们很容易摆脱原子核的束缚而在原子之间自由运动，被称为“自由电子”。

各种金属内部都在不同程度上存在着大量的自由电子，它们在外电场的作用下，能很快地使电荷量从一处移到另一处，所以金属是导体。

相反地，在绝缘体内部自由电子很少，所以几乎不能导电，因而可以用来做隔电的材料。

但是要指出，绝缘体并不是绝对不导电的，只是它的导电能力与导体相比相差得非常悬殊而已。

象硅与锗这些物质，它们的导电能力介于导体与绝缘体之间，称为半导体。

半导体有很多特殊的性能，尤其是当在纯硅、纯锗中间掺入适量的其他杂质之后，其导电能力将会成百万倍地增加。

（2）电阻和电阻率在导体两端加上电压，导体中就会产生电流。

从物体的微观结构来说，电子的运动必然要和导体中的分子或原子发生碰撞，使电子在导体中的运动受到一定阻力，导体对于电流的阻碍作用，称为电阻。

不同材料的导体，对电流的阻碍作用也是不尽相同的。

有的导体电阻很小，则表示它的导电能力好；有的导体电阻很大，则表示它的导电能力差。

电阻用R表示，单位是欧姆，其符号为“Ω”。

常用的单位还有千欧（KΩ）和兆欧（MΩ）。

1KΩ=1000Ω1MΩ=1000KΩ导体电阻的大小决定于导体的长度、横截面积和自身的材料。

在同一温度下，导体的电阻与导体横截面积成反比，与导体长度成正比，用公式表示为：式中：ρ为电阻率，L为导体长度，S为导体横截面积。

在实验中发现各种材料的电阻率会随温度而变化。

一般金属电阻率随温度的升高而增大，人们常利用金属的这种性质制作电阻温度计。

但有些合金，例如康铜和锰铜的电阻率随温度变化特别小，用这些合金制作的导体，其电阻受温度影响也特别小，所以用来作标准电阻。

（3）电阻器的分类1）按结构形式可分为一般电阻器、片形电阻器、可变电阻器（电位器）。

2）按材料可分为合金型、薄膜型和合成型。

3）另外，还有敏感电阻，也称为半导体电阻。

有热敏、压敏、光敏、温敏、气敏、力敏等不同类型电阻，广泛应用于检测技术和自动控制等领域。

电阻器外形如图1-7所示。

图1-7各种电阻器、电位器的外形4）电阻器的主要技术指标额定功率电阻器在电路中长时间连续工作不损坏或不显著改变其性能所允许消耗的最大功率，称为电阻器的额定功率。

标称阻值与允许偏差电阻器的标称阻值和允许偏差都标注在电阻体上，其标注方法有：直标法、文字符号法和色标法。

（5）电阻器的测量与质量判别电阻器的好坏判别首先可以从电阻器的外观上来判断其好坏，观察电阻器的电阻体或引线是否折断以及烧焦等。

若电阻内部或引线有缺陷，以致接触不良时，用手轻轻地摇动引线，可以发现松动现象。

其次可以用万用表的电阻档测量其电阻值来判断其好坏，若指针指示不稳定，则说明此电阻器是坏的。

（6）电阻器的测量用万用表的欧姆档去测量电阻器的电阻值，读数乘以所指的倍率即为其电阻值。