newbie series_Basic Electronic_v1
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newbie series_Basic Electronic_v1
- 2. Outline ? Speaker ? Introduction of course ? Basic Electronic (基本電學) ? Semiconductor electronics (半導體電子) ? Laplace transform <◎> ? Circuit transient analysis <◎> ? Power electronics <◎> ? Summary ? Reference data ◎ : optional
- 3. 基本電學 | sub outline ? 定義與單位 ? 電荷與電流 ? 電壓、能量與功率 ? 電壓源、電流源 ? 基本被動元件 (R) & 歐姆定律 ? 法拉第電磁感應定律 ? 基本被動元件 (L、C) ? 克希荷夫定律(KVL, KCL) ? 惠斯登電橋 ? Δ-Y轉換 ? 電源轉換(戴維寧, 諾頓) ? 米勒定理 ? 勞侖茲力方程式 ? 佛萊明左手定則 (左力、右電)
- 4. 基本電學 | 定義與單位 ? 電路元件是指實驗室或工廠中常見之實際元件，如：電阻器、電感器、 電容器、電池、二極體、電晶體、電動機、發電機等。利用導線把元件 連接起來便可得實際電路 ? 分析電路時為使所求得的數據(如：電流、電壓、功率、能量等)符合量 測的意義，必須採用標準單位系統。單位系統經常採用國際單位系統 (International system of units)，簡稱 SI 制。SI 制的優點是 導入十進位系統 ? 在 SI 制中，電流的基本單位是安培 (Ampere簡寫A)、電壓的基本單 位是伏特 (Volt簡寫V) SI 制常用的 10 次方及其簡寫符號
- 5. 基本電學 | 電荷與電流 ? 電荷（英語：electric charge）是物質的一 種物理性質, 分為正電荷與負電荷, 互相會施 加作用力並遵守庫倫定律. ? 庫侖定律（Coulomb‘s law），於1785年由法 國物理學家查爾斯·庫侖發現: 真空中兩個靜止點電荷之間的交互作用力與距離平 方成反比，與電量乘積成正比，作用力的方向在它 們的連線上，同號電荷相斥，異號電荷相吸 電流為單位時間 (sec) 內，通過 某一截面積的電荷量(C) 電流的方向與正電荷在電路中移動 的方向相同。實際上並不是正電荷 移動，而是負電荷移動。電子流是 電子（負電荷）在電路中的移動， 其方向為電流的反向 Tip: 考慮的電路元件都是電中性， 即沒有正或負電荷能在元件內累積
- 6. 基本電學 | 電壓、能量與功率 ? 電壓為移動1單位(1庫侖)電荷，從元件之一端點移至另一端點所作的功， 其單位為伏特(Voltage，簡寫V)。 ? 若在某元件上移動1單位電荷須作功1焦耳，代表此元件上有1 V之電壓， 即1 V = 1 J/C。電壓又稱電位差或電壓降 ? 為瞭解能量是電路供給元件或由元件供給電路，必須知道元件上電壓的極 性和流過元件的電流方向；若正電流進入電壓正端點，那外力必須去推動 電流，即供給或釋放能量給元件，因而元件吸收能量；若正電流從正端點 流出 (進入負端點)，則元件釋放能量給外接電路。 ? 考慮釋放能量到電路元件的速率時，若元件上電壓是v，一很小電荷?q從 正端點流過元件移向負端點，則元件吸收能量為?w，且流過元件所需時 間是?t，則能量w的變化率為 ? 能量變化率即為功率p的定義，所以 vi 單位為 (J/C), (C/S)或(J/S)， 一般定義 1 J/S為 1瓦特 (Watt，簡寫W)。
- 7. 基本電學 | 電壓源 電壓源（Voltage Source）可提供電路元件兩端點間之電壓，其所提供之電壓值可為常數，或是時變者。 直流電壓源：電源電壓的正負極性不隨時間而改變 交流電壓源：電源電壓的正負極性隨時間而改變 ? 獨立類電壓與電路上其它元件的電流或電壓完全無關 ? 相依類電壓與電路上其它元件的電流或電壓有關 b. 一個被電壓控制的電壓源 (VCVS)是與電路 上某些電壓有關的電源 c. 一個被電流控制的電壓源 (VCVS)是與電路 上某些電流有關的電源
- 8. 基本電學 | 電流源 電流源（Current Source）可提供電路元件兩端點間之電流，其所提供之電流值可為常數，或是時變者 ? 提供特定電流的兩端點元件，此電流與電路上其它元件 的電壓或電流完全無關 ? 相依類電流與電路上其它元件的電流或電壓有關 直流電流源：所提供的電流方向是固定值 交流電流源：所提供的電流方向是交流變化 b. 一個被電壓控制的電流源 (VCCS)是與電路 上某些電壓有關的電流 c. 一個被電流控制的電流源 (CCCS)是與電路 上某些電流有關的電流
- 9. 基本電學 | 基本被動元件 (R) & 歐姆定律 電阻定律 某導電體跨接於一個理想電壓源的端點間，其 所產生之電流與電壓成正比, 可稱此導電體為 電阻器(Resister), 其比值稱為歐姆(Ohm)， 以希臘字母 ?表示 方程式表示為 (Ω) 歐姆定律
- 10. 基本電學 | 法拉第電磁感應定律 麥可·法拉第 Michael Faraday 1791年9月22日－ 1867年8月25日）， 英國物理學家，在 電磁學及電化學領 域做出許多重要貢 獻，其中主要的貢 獻為電磁感應、抗 磁性、電解 法拉第電磁感應定律（英語：Faraday's law of electromagnetic induction）是電磁學 中的一條基本定律，定律指出 任何封閉電路中感應電動勢的大小，等於穿過這一電路磁通量的變化率 電動勢的方向（公式中的負號）由冷次定律提供 一緊纏線圈，圈數為N，每圈通量皆為ΦB，法拉第電磁感應定律指出 N為線圈圈數 通過一表面Σ的磁通量ΦB，其積分形式定義如下,其中dA為移動 面Σ(t)的面積元，B為磁場，B·dA為向量點積 面積分的定義需要把面分成小的面 積元每個元素跟一個向量dA聯繫 當通量改變時，把一電荷在閉合曲線中移一圈（每單位電荷） 所作的功也就是電動勢，可由法拉第電磁感應定律求得
- 11. 基本電學 | 基本被動元件 (L、C) 電感器 電感器(Inductor)是將導線繞成線圈形狀而組成的 兩端點元件。電感器上的磁通量與其電流成正比，即 此處為 N 匝數，L 為比例常數稱為電感器的電感量， 單位為亨利(Henry，簡寫H),根據法拉第定律知改變 磁通量會在線圈兩端產生電壓v，此為電磁感應原理， 即 電容器 電容器(Capacitor)是由上下兩片導體以及導體中間加 介質材料所構成的兩端點元件。電容器上所儲存的電荷 與其端電壓成正比，即 故電容的單位為庫侖/伏特(C/V)，稱為法拉(Farad， 簡寫,F) 電容器中的電壓與電流關係，可由 及 得到 Tip. 磁通量是通過某給定曲面的磁場（亦稱為磁通 量密度)大小的度量 … 電磁學領域(慎入)
- 12. 基本電學 | 克希荷夫定律(KVL, KCL) 克希荷夫電流定律 (KCL) 電流定律 – 在電路中流進任 一節點的電流代數和為0 上例來說：I1 + I2 + I3 = 0
- 13. 基本電學 | 克希荷夫定律(KVL, KCL) 克希荷夫電壓定律 (KVL) 電壓定律 – 在電路中繞著任一封 閉路徑上之所有電壓代數和為0 上例來說：V1 + V2 + V3 – Vs = 0
- 14. 基本電學 | 惠斯登電橋 主要是用來測量中等電阻值(約在1~1M ohm) 的一種技術, 透過一 個電流計進行觀察, 當左右兩端電壓平衡時(IG = 0), 電表兩端無電 壓降, I1R1=I2R2, I3R3=I4R4, I1=I3, I2=I4, => I1R3=I2Rx => Rx= R3*R2 / R1
- 15. 基本電學 | Δ-Y轉換 在電路計算中, 有時會有Δ-Y結構的轉換, 以電阻來說, 兩種結構的結果必須完全 相等, 轉換公式為
- 16. 基本電學 | 電源轉換(戴維寧, 諾頓) 諾頓範例 戴維寧等效電路計算： 1. 在AB兩端開路（在沒有任何外電流輸出，亦即當AB點之 間的阻抗無限大）的狀況下計算輸出電壓 VAB，此輸出 電壓就是VTh。 2. 在AB兩端短路（亦即負載電阻為零）的狀況下計算輸出 電流IAB，此時RTh等於VTh除以IAB Note.任何只包含電壓源、電流源及電阻的黑箱系統，都可 以轉換成戴維寧等效電路。 戴維寧定理 1. 計算等效輸出電壓 2. 計算等效輸出電阻 3. 轉換為等校電路
- 17. 基本電學 | 電源轉換(戴維寧, 諾頓) 諾頓範例 諾頓等效電路計算： 1. 在AB兩端短路（亦即負載電阻為零）的狀況下計算輸出 電流IAB。此為INO。 2. 在AB兩端開路（在沒有任何往外電流輸出，亦即當AB點 之間的阻抗無限大）的狀況下計算輸出電壓VAB，此時 RNo等於VAB除以INO。 Note.任何只包含電壓源、電流源及電阻的黑箱系統，都可 以轉換成諾頓等效電路 諾頓定理 1. 計算等效輸出電流 2. 計算等效電阻 3. 轉換為等校電路
- 18. 基本電學 | 電源轉換(戴維寧, 諾頓) 危險技巧
- 19. 基本電學 | 米勒定理 V2 = K * V1, K為順向增益
- 20. 基本電學 | 勞侖茲力方程式 馬克士威方程組描繪帶電粒子怎樣產生電磁場的同時，勞侖茲力方程式描繪了移動 於電磁場的帶電粒子所感受到的電磁力。這使得整個電磁動力的圖畫得以完整 勞侖茲力方程式 (描述運動於電磁場的帶電粒子所感受到的力) F: 勞侖茲力 q: 帶電粒子的電荷量 E: 電場強度 v: 帶電粒子的速度 B: 磁感應強度 不同電荷量q的帶電粒子，由於磁場B(磁場方向從銀幕內指出 來）的影響，感受到勞侖茲力的作用，所呈現的可能運動軌道。 其中qE為電場力, qv x B為磁場力,處於磁場內的載電導線感 受到的磁場力就是這勞侖茲力的磁場力分量 詹姆斯·克拉克·馬克士威 James Clerk Maxwell 1831年6月13日 - 1879年11月5日 提出了將電、磁、光統 歸為電磁場中現象的馬 克士威方程組, 在電 磁學領域實現了物理學 自艾薩克·牛頓後的第 二次統一
- 21. 基本電學 | 佛萊明左手定則 左力(電動機)右電(發電機) 弗萊明左手定則(Fleming's Left Hand Rule)與馬達驅動 勞侖茲力示意圖 ? 左手定則用來說明電能、磁能及力量間的作 用方向，它們之間呈現90度的正交角。 ? 由向量的基本概念來看，要完整的描述一個 力量的作用，需要有力量大小的資訊，同時 亦需具備有方向資訊，才是一個明確的作用 力。 ? 因此羅倫茲力及弗萊明左手定則幫助我們理 解了馬達中力量的表示。 將馬達中的力量表示為數學式如下 其中有個Sin(δ)的式子，它就是用來定義電能與磁能是否90度 正交的數學式。弗萊明左手定則告訴我們，馬達中的電能、磁 能及力量間都是呈現90度正交角的交互作用。而一但電能與磁 場不是90度時，則它們之間的關係就是正弦波Sin(δ)。 F = I x B x L x Sin(δ)
- 22. recommend 1.熟記R, L, C特性及其受到的頻率影響 2.此次分享的電路分析技巧適用於電學的穩態 3.對於等校迴路而言, 電路代表了實際物理結構 非必要不要用電路簡化 4.對於複雜的電路計算時, 建議使用工具 (ex: excel or matlab) 並輔以作圖標註 5.若要研究電動機的非線性問題, 建議要再學習電磁學
- 23. Reference data ? 張文清，民94，微電子學，台北，鼎茂圖書 ? Charles K. Alexander、Matthew N.O. Sadiku, 2004, Fundamentals of Electric Circuits - 2ED, Americas, McGraw-Hill ? Wikipedia
- 24. Thanks for listening PRESENTED BY Ken H