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作者:姚正武

出版社:电子工业出版社

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

电工基础技术

电工基础技术试读:

前言

“电工基础技术”课程是电类专业的一门重要专业基础课程,是培养学生掌握电工技术基础理论和科学实践活动的基础能力,促进学生良好的职业素质的养成以及学习其他电类专业课程技术的基础。而当前与课程配套的传统教材往往因使用周期过长,难以满足时代发展的要求,使得我们培养的学生因知识的陈旧、理论的综合应用能力和基础实践能力弱、社会职业的适应能力差、技术水平不高而落后于形势和社会的需要。为了实现高等职业教育培养高素质高技能人才的培养目标,使学生能适应社会职业需求,我们结合当前国内外职业教育的先进理念和成功经验,通过深化改革课程内容和教材编写模式,以适应现代先进职教理念和项目教学的实施需要编写了这本教材。

本教材根据实践导向课程的设计思想,编者结合多年的工程实践和教学实践经验,通过选择和开发技术性较强且有一定综合度的项目,来承载电工基础技术理论和电工基础能力的培养以及职业素质的养成教育,符合课改的主流趋势。教材采用项目教材模式,共编写了5个项目,即三组单颗LED可充电照明手电筒的设计与装调;电桥电路的设计、制作与调试;家居室内照明线路的设计、安装与调试;加工车间三相供配电装置的设计、制作与调试;触摸式延时开关的设计与制作。教材配合课程教学通过开展工作任务引领型的项目实施活动,使学生在实际项目的制作中掌握和巩固电工基础理论,提升专业理论知识的综合运用能力和职业竞争能力。

教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》提出:要大力推行工学结合,突出实践能力培养,改革人才培养模式。根据这个文件精神,为能在校内也能有效实现“工学结合”的教育模式,教材按企业一般的生产工艺流程和管理要求编写项目实施过程,使课程教学与生产性实践有机结合起来。本教材编写中注重了对学生工作评价的多元性,编写时包含了知识水平考核、项目实施过程评价、学生自评、学生互评等4种评价方式。教材在项目实施内容和实施过程的编写中强调了学生学习的主体地位和项目组协作学习要求,为学生探究性学习和自主性学习提供了有效平台,提高了学生团队协作意识和创新能力。教材在编写风格上生动活泼、图文并茂、语言精练、通俗易懂,教材在知识内容上注重趣味性、通用性、实用性,注重拓宽学生的视野。

另外,本教材编写内容不仅注意纳入了新技术、新工艺、新材料的知识,而且也注意把专业技术内容和职业资格鉴定考工取证要求有机结合起来,因此不仅满足了对职业院校大中专学生教学需求,而且适合社会上从事电类专业工作的有关人员自学需要。

本教材是江苏联合职业技术学院应用电子专业协作委员会组织各分院老师编写的系列教材之一,丛书主编吴建宁,本教材主编姚正武,副主编竺兴妹、部绍海。项目一由姚正武、刘四妹编写,项目二由姚正武、席志凤,项目三由姚正武、竺兴妹编写,项目四由石鑫、吴晓云、姚正武编写,项目五由姚正武、时代编写。教材主要参编人员还有石鑫、席志凤、吴晓云、时代、刘四妹、李丽、叶俊等。另外姚正云、叶小平、李春林、方海燕、李春兰等同志也参与了教材编写的部分工作。

教材在编写过程中得到了江苏联合职业技术学院机电类专业协作委员会秘书长葛金印教授的亲切指导,葛老对项目教材的编写格式和内容等都提出了宝贵的意见,在此表示深深的感谢。另外教材编写也得到了江苏联合职业技术学院院领导、南京工程分院校领导、南京分院校领导的亲切指导和大力关心,在此一并表示诚挚的谢意!

由于书稿编写时间仓促和作者水平有限,书中不足和不妥之处难免,恳请广大读者谅解并提出宝贵意见,以便修订和完善。

编者

2012年10月

项目一 三组单颗LED可充电照明手电筒的设计与装调

项目介绍

 

100年前的一天,从俄国移民到美国的康拉德·休伯特下班回家,一位朋友自豪的向他展示了一个闪光的花盆。原来,他在花盆里装了一节电池和一个小灯泡。开关一开,灯泡照亮了花朵,显得光彩夺目。休伯特看得入了迷,这件事给他以启示。他想到有时在夜晚黑暗中走路,高一脚低一脚很不方便,而且就在不久前他还不得不提着笨重的油灯到漆黑的地下室找东西。如果能用电灯随身照明,不是既实用又很方便吗?于是,休伯特把电池和灯泡放在一个管子里,结果第一个手电筒问世了,从此给人们在黑暗中行走带来了光明。

手电筒是一种手持式电子照明工具。一个典型的手电筒由一个经由电池供电的灯泡、聚焦反射镜、电源开关,以及供手持用的手把式外壳等组成。虽然它是相当简单的设计,但却一直至19世纪末期才被发明,原因是它必须结合电池与电灯泡的发明。在早期,因为电池的蓄电力不足,因此在英文中它被称为“flashlight”,意即短暂的灯。

自19世纪末手电筒发明以来,在人类社会一直得到广泛应用,随着电池、发光体、材料、电子技术、模具技术等的发展,手电筒发光体由传统的普通灯泡逐步演变为近几年的LED发光二极管等,结构形式也由传统的圆筒形演变为各种各样的结构形式,电池也由传统的干电池演变为现在可充电的蓄电池、镍氢电池、锂电池等,在使用的环境和范围上除了具有照明的基本功能外,还拓展了有恫吓、报警和高压自卫等功能(如有照明功能的电警棍)。

现在发光二极管(LED)作为一种高效照明已经不断的走进我们的生活。随着前几年小功率的LED手电筒的出现到现在的单灯1W、3W大功率的出现,不断丰富了人们的手电选择。尤其是航空铝合金的金属手电的出现更让我们心动。现在的LED手电已经降到了十几元一支了,除大功率的单灯是新产品,价格相对高些外,这样的价格已经很能适合很多的用户了。

LED充电手电筒是以发光二极管作为光源的一种新型照明工具,它具有省电、耐用、亮度强等优点。LED手电用多组发光二极管组成,色温很高,给人的视觉感受是非常的亮,这是其特点。还有就是它很节能,耗电量少,LED单颗功率只有0.03~0.06W,蓄电池一次充电能持续亮十多个小时。LED单颗平均寿命长,平均寿命可达6~10万小时,比传统光源寿命长10倍以上。这个产品最大的不足就是照射距离很小,通常约二十几米,远了就看不清了,但这样的距离对一般日常生活使用已经足够了。

会设计和制作一个LED可充电式手电筒在我们的生活中有着较高的现实意义。本项目就是设计和装调一个市场常见的三组LED发光的可充电的小功率手电筒,如图1.0.1所示,要求:(1)电池采用市场可售小容量可充电铅酸蓄电池(4V,400mAH),如图1.0.2所示。图1.0.1 三组LED可充电手电筒图1.0.2 LED手电筒蓄电池(2)充电器电路采用市场可售的主要由4只IN4007二极管构成的桥式可控整流电路,图1.0.3(a)为原理图,(b)是实物图,其工作原理可在完成项目五时,自行分析。充电器电路充电插头是如图1.0.4所示的可伸缩滑动接触插头。(3)采用市场可售的拨动开关,主要技术参数:型号SK-12D01,最高耐压500V,额定发热电流0.5A,机械寿命10000次。如图1.0.5所示。图1.0.3 手电筒充电器和开关电路图图1.0.4 可伸缩滑动接触插头图1.0.5 手电筒拨动开关(4)拨动开关时无论在充电还是蓄电池供电,三组LED灯均要发光,每组LED均只有一颗LED,在蓄电池新充满电时每组发光功率要不低于0.06W,手电筒发光效率(灯发光时输出功率与蓄电池对灯的输入功率之比)不低于80%,一次满充电后,可持续工作6~8小时。(5)LED单颗发光时工作电压要能在1.5~3.6V范围内可调。(6)根据所设计电路要求,购买或定制塑料成品外壳和配件,完成手电筒的装配制作。

项目实施步骤:(1)项目实施文件制定及实施准备;(2)单组LED灯工作电路的设计、制作与调试;(3)二组LED灯工作电路的设计、制作与调试;(4)三组LED灯工作电路的设计、制作与调试;(5)三组LED可充电手电筒的装配和调试;(6)成果验收并制定验收报告和项目完成报告。

项目实施必备的知识、技能主要包括:(1)具有电阻器识别和选用的基本知识和基本应用能力;(2)具有发光二极管(LED)识别和选用的基本知识和基本应用能力;(3)具有元器件安装和导线连接的基本技能;(4)具备直流电压、电流测量以及数据处理和分析的基本能力;(5)具有欧姆定律、伏安特性、电源外特性、功率计算等简单直流电路的分析应用知识;(6)具有直流串联、并联、混联等基本电路分析的知识和应用能力。

通过本项目的实施训练,最终达到知识、能力、素养的培养目标如下:(1)掌握电阻器识别和选用的基本知识,会用色环法识读电阻值,会用万用表测量电阻的阻值;(2)掌握电路组成、工作状态等基本知识以及电位、电压、电流、电功率等概念的物理意义;(3)掌握电路模型与电路图、理想元件与实际元件、参考方向与实际方向等概念之间的区别和联系;(4)会正确使用直流电压表、直流电流表或万用表等常用电工仪表来测量简单的直流照明电路;(5)掌握发光二极管(LED)等非线性元件应用的基本知识,并会正确识别和选用;(6)掌握欧姆定律、负载伏安特性、电源外特性等基本知识,会测量负载的伏安特性、电源的外特性,会验证欧姆定律;(7)掌握串联、并联、混联等直流电路的基本知识,会分析、归纳、总结电路的特点,会测算分析不同连接形式的电路电功率;(8)会设计、制作、分析研究LED发光电路,掌握直流电路设计的基本方法;(9)培养学生实验数据的测量、处理和分析进行科学实践研究的基础能力;(10)使学生能够熟悉企业生产的基本工艺流程和管理方法,培养学生基本的职业素养;(11)培养学生严肃认真的科学态度;(12)开发学生的创新设计能力,培养学生观察、思考和分析解决问题的思维能力;(13)培养学生相互协作、与人沟通的能力以及集体荣誉感和团队精神;(14)树立学生安全、质量意识;(15)培养学生专业技术学习和应用的自信心,激发学生自我价值实现的成就感。

任务一 项目实施文件制定及工作准备

1、项目实施文件制定

 

1.项目工作单表1.1.1 项目工作单*备注:表中1工时在组织教学时,可按1课时对等,以下同。

2.生产工作计划(1)填写好项目工作单,并熟悉工作内容及工作步骤,1工时;(2)分析项目工作内容,制定生产工作计划,拟定组织保障、安全技术措施和人员安排方案,0.5工时;(3)项目实施工作准备,0.5工时;(4)单组LED灯工作电路的设计、制作与调试,5工时;(5)二组LED灯工作电路的设计、制作与调试,3工时;(6)三组LED灯工作电路的设计、制作与调试,3工时;(7)三组LED可充电手电筒的装配和调试,1工时;(8)完成对规定的项目工作小组成果验收,并完成验收报告制定,1工时;(9)本组项目完成报告的制定,2工时(课后);(10)工作场地整理、技术资料和项目文件归档,1工时(课后)。

组织保障措施、安全技术措施、资金落实措施、人员具体安排方案等由教师按照企业生产要求指导学生完成。

2、工作准备

 

1.工作场地检查

教师首先去任务实施的实验实训室巡视检查,并与实验实训室管理员联系,在任务实施期间是否与其他教学活动冲突,请管理员安排好场地,保证实验实训室整洁、明亮,有专业职业特色。检查教具等设施保证能正常工作。

2.项目实施材料、工具、生产设备、仪器仪表等准备

每个项目小组按表1.1.2物资清单准备好材料、工具、生产设备、仪器仪表等。表1.1.2 物资清单续表注:规格、型号未注明的根据实际条件自定。

3.技术资料准备《电子元器件选用手册》或《电工手册》一本。

3、工作评价

表1.1.3 任务完成过程考评表

任务二 单组LED灯工作电路的设计、制作与调试

1、任务准备

(一)教师准备(1)教师准备好传统手电筒电路和单组LED灯工作电路设计的演示课件;(2)任务实施场地检查,任务实施材料、工具、仪器仪表等准备,技术和技术资料准备,组织管理措施,任务实施场所安全技术措施和管理制度等参考任务一的要求;(3)任务实施计划和步骤:①任务准备、学习有关知识;②电阻器阻值识读和测量;③单组LED灯工作电路设计;④单组LED灯工作电路线路制作;⑤电路调试、分析;⑥工作评价。(二)学生准备(1)衣着整洁,穿戴好劳保用品;无条件的学校,由学生自行穿好长袖衣、长裤和皮鞋等。(2)掌握好安全用电规程和触电抢救技能。(3)检查好材料、工具、仪器仪表。在实验员指导下,每个项目小组检查好材料、工具、仪器仪表等物资是否正常,是否合乎使用标准,对不符合使用标准的应予以更换。(4)学生准备好《电工基础技术项目工作手册》、记录本以及铅笔、圆珠笔、三角板、直尺、橡皮擦等文具。(三)实践应用知识的学习知识学习内容1 电路和电路模型

 

1.实际电路及其基本组成

在实践中,为了达到某种目的,人们需要设计、安装一些实际电路,并让它运行。什么是电路呢?由电阻器、电容器、线圈、变压器、晶体管、运算放大器、传输线、电池、发电机和信号发生器等一些电气器件和设备按一定的方式连接而成的电流的通路,称为(实际)电路。图1.2.1所示的就是一些常见的电气器件和设备。图1.2.1 常见电气器件和设备

电路在日常生活、生产和科学研究工作中得到了广泛应用。在收录机、电视机、录像机、音响设备、计算机、通信系统和电力网络中都可以看到各种各样的电路,如图1.2.2(a)、(b)所示分别是电子电路、电气设备电路,这些电路的特性和作用各不相同。电路的一种作用是实现电能的传输、分配和使用。例如,电力网络将电能从发电厂输送到各个工厂、广大农村和千家万户,供各种电气设备使用。电路的另外一种作用是实现电信号的传输、变换、处理和存储。图1.2.2 电子电气电路

电路的形式多种多样,有的简单,有的复杂,但不管具体结构如何,从组成上来看,一个完整的实际电路应包括电源、负载、控制和保护器件、连接导线等4部分,才能正常工作。电源是提供电能或电信号的设备和器件,常指干电池、蓄电池、整流稳压装置、发电机、信号发生装置等设备[如图1.2.1(a)所示];负载是使用电能或输出信号的设备,如一台电视机可看作是强电系统的负载,而其中的扬声器或显像管又是信号处理设备自身的负载;控制和保护器件是控制电路工作状态(如通断)或保护电路安全的器件或设备(如开关、熔断器等);连接导线是将电气设备和元器件按一定方式连接起来的导线(如各种铜、铝电缆线等)。

2.理想元件和电路模型

1)理想元件

电路是由电磁特性相当复杂的元器件组成的,为了便于使用数学方法对电路进行分析,必须在一定的条件下,对实际器件加以理想化处理,即忽略它的次要性质,用表征它们主要性质的理想电路元件或它们的组合来表示实际器件。实际电路中的各种电气设备和元器件被一些能够表征它们主要电磁特性的理想元件(模型)来代替了,而对它的实际上的结构、材料、形状等非主要的电磁特性不予考虑,这有利于我们把握实际电路工作的主要问题,便于我们分析预见实际电路工作的主要结果。

我们将实际电路器件理想化而得到的只具有某种单一电磁性质的元件,称为理想电路元件,简称为电路元件。理想电路元件是具有某种确定电磁性质的理想元件,是一种理想化模型并具有精确的数学定义。

电阻就是用以反映能量损耗的电路元件。当一个电气设备或器件的功效是将电能转换为热能或光能时,如电炉、电灯泡,我们就可将其视为一个电阻元件。电容用以反映电场储能性质的电路元件。电感用以反映磁场储能性质的电路元件。表示电力能源供给的电源可用电压源元件和电流源元件来建模。上述元件的电路符号参见表1.2.1、

实际器件不只表现出一种电路性质,在用理想电路元件建模时,要根据实际条件而定。例如:一个线圈在直流情况下的模型是一个电阻元件,如图1.2.3(a)所示;在较低频率情况下的模型是一个电阻元件、一个电感元件的串联组合,如图1.2.3(b)所示;而当频率较高时,还要考虑电容效应,其模型中还应并联电容元件,如图1.2.3(c)所示。图1.2.3 线圈用理想元件表示的模型

2)电路模型

由理想电路元件互相连接组成的电路称为电路模型。常用的电气图用图形符号如见表1.2.2所示。电路模型是实际电路的抽象近似,它近似地反映实际电路的电气特性,电路模型由一些理想电路元件用理想导线连接而成,用不同特性的电路元件按照不同的方式连接就构成不同特性的电路,应当通过对电路的物理过程的观察分析来确定一个实际电路用什么样的电路模型表示。模型取得恰当,对电路的分析与计算的结果就与实际情况接近。下面我们就以传统的小灯泡手电筒为例,来分析一下电路模型的建立过程,如图1.2.4所示。表1.2.1 部分电路元件的图形符号表1.2.2 部分电气图用图形符号(根据国家标准GB4728)图1.2.4 手电筒电路模型的建立过程

需要说明的是今后所指电路均指由理想电路元件构成的电路模型。理想电路元件及其组合虽然与实际电路元件的性能不完全一致,但在一定条件下,工程上允许的近似范围内,实际电路完全可以用理想电路元件组成的电路代替,从而使电路的分析与计算得到简化。

综上所述,把实际电路用电路模型代替,其最终目的是通过对电路模型的分析计算来预测实际电路的特性,从而改进实际电路的电气特性和设计出新的电路。

3.电路的三种工作状态(1)通路(闭路):电源与负载接通,电路中有电流通过,电气设备或元器件获得一定的电压和电功率,进行能量转换。(2)开路(断路):电路中没有电流通过,又称为空载状态。(3)短路(捷路):电源两端的导线直接相连接,输出电流过大对电源来说属于严重过载,如没有保护措施,电源或电器会被烧毁或发生火灾,所以通常要在电路或电气设备中安装熔断器、保险丝等保护装置,以避免发生短路时出现不良后果。知识学习内容2 电路的基本物理量及其参考方向

电路的电气特性是通过电流、电压和电功率等物理量来描述的。在电路分析与设计中,主要是通过计算电流、电压和电功率来定量地描述电路的状态或电路元件的特征。

1.电流及其参考方向

电荷的定向运动称为电流。我们用电流强度来衡量电流的强弱。电流强度指的是单位时间内通过导体横截面积的电荷量,电流强度简称电流。如图1.2.5所示,假设在dt时间内通过导体截面S的电量为dq,则电流强度为图1.2.5 导体中的电流

随时间变化的电流用小写字母i表示;不随时间变化的电流,如直流,用大写字母I 表示。在国际单位制中,电流的单位是安培(A),简称安。若 1 秒钟内通过某导体截面的电荷量为1库仑(C),则电流为1安(A)。常用的电流单位还有千安(kA)、毫安(mA)、微安(μA)等,它们的换算关系为

电流不仅有大小,而且有方向,习惯上规定正电荷运动的方向为电流的正方向,也就是电流的实际方向。在讨论分析电路时,要涉及到电流的方向,而事先往往很难判断出电路电流的真实方向。为解决这个问题,可采用先任意假定它们的方向的办法,这种任意假定的方向称为参考方向。在参考方向下,电流为代数量。电流参考方向用箭头来表示,如图1.2.6 所示I 的参考方向。当电流的参考方向与实际方向一致时,电流为正值,如图1.2.6(a)所示;否则为负值,如图1.2.6(b)所示,据此可以确定电流的实际方向。由此可知,在参考方向选定之后,电流就有了正值和负值之分,电流值的正负符号就反映了电流的实际方向。显然,在未标识参考方向的情况下,电流的正负是毫无意义的。在书写时,也可下标字母来表示电流的参考方向,如图中参考方向也可表示为 I,表示参考方向是从 a 流向b。图ab1.2.6(a)中,I=2A,(b)中,I=-2A。abab图1.2.6 电流实际方向及其参考方向

2.电压及其参考方向

将单位正电荷自电场中某一点a移到参考点(物理中一般将无穷远处选作参考点)时获得或失去的能量的大小称为a点的电位。而电路中a、b两点之间的电位差即为这两点间的电压。电路中a、b两点间的电压表明了单位正电荷由a点移到b 点时所获得或失去的能量,用数学式表示,即为

式中,dq 为由 a 点移到 b 点的电荷量,单位为库仑(C);dw 是移动过程中,电荷 dq 所获得或失去的能量,单位为焦耳(J);电压的单位为伏特(V),有时使用千伏(kV)或毫伏(mV)微伏(μV),它们关系是

在电路中,电压参考方向可用箭头表示,也可在元件或电路的两端用“+”、“—”符号来表示,或用带下脚标的字母表示。如u,ab脚标中的第一个字母a表示假设电压参考方向的正极性端,第二个字母b表示假设电压参考方向的负极性端。电压参考方向的三种表示方法,如图1.2.7所示。若电路计算分析结果电压是负值,表示电压实际方向是从b指向a。

一个元件的电压或电流的参考方向可以独立地任意假定。如果指定流过元件的电流参考方向是从标以电压正极性的一端指向负极性的一端,即两者的参考方向一致,则把电流和电压的这种参考方向称为关联参考方向,如图1.2.8(a)所示;当两者不一致时,称为非关联参考方向,如图1.2.8(b)所示。图1.2.7 电压参考方向三种表示方法图1.2.8 关联和非关联参考方向

3.电位参考点

为了便于分析电路,常在电路中任意指定一点作为参考点,假定该点电位是零(用符号“”表示),则由电压的定义可以知道,电路中的a点与参考点间的电压即为a点相对于参考点的电位,因此我们可以用电位的高低(大小)来衡量电路中某点电场能量的大小。电路中参考点的位置原则上可以任意指定,参考点不同,各点电位的高低也不同,但是电路中任意两点间的电压与参考点的选择无关。在实际电路中,常以大地或仪器设备的金属机壳(或底板)作为电路的参考点,参考点又常称为接地点。【例 1.2.1】 如图1.2.9 所示的电路中,已知 U=10V,U=-16V,12U=-4V,参考方向如图所示,试求:(1)U;(2)若分别选取 c、3abd 两点为参考点,则分别求其他各点的电位;(3)若电流参考方向如图所示,则指出各元件电压与电流的参考方向是关联还是非关联方向。图1.2.9 例1.2.1图(3)元件1和3为非关联参考方向,元件2为关联参考方向。

4.电功率和电能

电场力推动正电荷在电路中运动时,电场力作功,同时电路吸收能量,电路在单位时间内吸收的能量称为电路吸收的电功率,简称功率。

如图1.2.10所示的ab电路段,电流和电压的参考方向一致,在dt时间内通过电路段的电荷量为dq=idt,dq的电荷量由a端通过ab电路段移到b端,电场力作功为dW=udq,即在此过程中,电路段吸收的电能为图1.2.10 电路的功率

吸收的瞬时功率为

对直流电路有

在国际单位制(SI)中,功率的单位是瓦[特],符号为W,由式(1-2-4)可知,1W=1V×1A,工程上常用的功率单位还有MW(兆瓦)、kW(千瓦)、mW(毫瓦)等,它们之间的关系分别是:

 

 

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