电源和电流教学设计

电源和电流教学设计（精选8篇）

电源和电流教学设计 篇1

张从东

首先是引入新课，我们往往都认为引入新课一定要采取一些新奇吸引人的手段或情境，其实，对于电源和电流的入门课，最简单的最贴近实际生活的就是最有效的入门，我从谈谈身边的用电器入手来引入新课，学生感觉到现在以及以后很长一段时间要研究的知识就是和我们联系非常紧密的知 识，而且，这个知识并不象平时家长所教育的那么可怕。其次是对于重难点的处理：

1、电流的形成

用课件来展示电流的形成过程，让电流这个抽象的知识变的形象化。非常有助于学生对电流形成过程的理解。

2、电流的方向

通过上课发现电源外部电流的方向在讲完电路以及电路图后再介绍更好，这样还可以及时地设置相应的练习，例如：指出电路中电流的方向以及标出电路中电流方向的习题等。采用先让学生探索，教师再纠错的教学方法，能起以下几方面作用：

1.能充分曝露学生学习上的问题，使教学更有针对性。

2.不约束学生的思维，适合中学生好表现的年龄特点，有助于激发学生的求知欲，培养终身探索的兴趣。

3.避免学生以为学生内容简单而掉以轻心。

4.让学生在探索并解决问题过程中，体味成功的快乐。

通过这节课，我感觉到教师注重教学中的变化。开始我们备课考虑的因素不同，我们设计的教学方法会因这个因素而侧重。当我们了解到学生存在的一些问题是没有备课中没有重视的。我们在上课时就要机智地去处理，随着因素的改变要改变自己的教学。

本节课是电学第二章的开篇，从课题来看，是学生在初中已经学过的知识；但是从对教材的分析来看，这节课的很多内容，特别是对“电源”和“电流”的两个概念的理解，上升到了理论的层次，特别是要用到学生在上一章《静电场》中所学到的知识去对电源的作用和电流的形成重新认识，对学生的综合应用能力的要求比较高，结合学生的特点，设计了“讲授与探究”的教学方式。并自制了教具以加深学生对知识的再认识与理解。在教学活动结束后，通过与评委老师以及学生的 交流，通过自我反思，形成以下几点得失以自勉。

一、认真分析教学内容，把握课堂讲授深度。

在教材上本节课的篇幅及内容相对较少，但是要求学生要从新的角度去理解他们已经“知道”的东西，如果平铺直叙的灌输给他们，学生们没法把刚学过的静电场的知识和初中学过的关于电源和电流的知识统一起来。所以在教学中我设计了“从生活到课堂，从实践到理论再到实践”的引导过程。本节有三个知识点：电源、恒定电场、恒定电流。

在“电源”的教学活动中，通过多媒体的展示，从闪电的照片，创设提出问题的情景；从初中学过的“电流形成的原因”到刚刚学过的“电场对电荷的作用”，引领着学生一步步的深入到这节课的教学内容里，新旧知识的过渡环环相扣，学生的理解与认识顺理成章。

在设计“恒定电场”教学过程时，我发现教材在这一部分有非常大的变化，对原来导体中的电场的形成不做讲解。所以我也大胆的对这部分内容进行说明性讲授，将学生的思路引入到对“恒定电场”的“动态的恒定”进行理解，顺利完成这一知识点的教学要求。最后通过引导学生讨论恒定电场对电荷的作用及其后果、电荷在恒定电场力作用下为什么做“匀速率”运动等问题，加深学生对“定向移动”的 理解，把教学活动过渡到下一个知识点“恒定电流”。

在进行“恒定电流”的教学中，教材用了比较大的篇幅解析了一道在微观条件下理解电流的例题。这个知识点历来是一个难点，所以我在讲解时关于“恒定电流”的定义、单位、方向、标量性等问题所用的时间相对较少，然后用了两道有梯度的练习来让学生对电流的定义加深印象，又设计了一道传统的练习让学生认识电流的微观表达形式“I=nqSv”，最后才让学生对书上的例题进行分析和解题。有了前面难度由浅入深的练习的铺垫，学生对这道“难”题的理解也就“难题不难”了。

二、各种教学手段灵活应用。

在本节课的教学设计过程中，我发挥自己的特长，一方面制作了内容丰富，层次分明的多媒体课件；另一方面，为了课堂演示的需要，自己制作了电路实验的示教板。同时，为了方便学生对实验的观察，在演示时使用了高分辨率的摄像头，多种手段的采用，使课堂教学的效果明显提高。

三、运用探究式教学，培养探究能力

我在整节课中，通过提出问题→猜想→理论分析→实验演示→例题巩固的方式逐步创设物理情景，让学生从自然现象开始，提出物理问题，自己分析探究电荷在电场中的发生什么样的移动，通过适当的引导让学生讨论为什么电荷在电场力的作用下做匀速率运动，再通过分层次的问题设计，理解电流的微观表达形式，最后解决教材上的例题。这一教学过程充分体现了教师着意培养学生的科学探究，体现了新课标要求的“知识与技能、过程与方法以及情感态度价值观”三位一 体的课程功能。使学生的主体地位得到发挥。

课后认真反思，也有不太如意的地方。

一、时间安排不够合理。前面关于“电源”部分的教学内容花的时间过多，后面讲“电流”时显得太匆忙，有前松后紧的感觉。

二、课堂小结不仅局限于知识点的小结，还要包含学法的小结，本人忽视了这一点。特别应该把这节课中对电流的微观表达式的推导与理解的思维方式作一小 结，逐步培养学生的探究能力和创造思维。

三、本节课应该让学生亲手实验，但由于实验器材缺乏，在分析力电流是否让灯泡发亮有先后顺序时，没能实现学生亲身经历通过实验归纳结论的过程。这样，在缺乏实践活动的情况下对电路实验的学习，学生学习显得被动，属于灌输性学习。

电源和电流教学设计 篇2

[学习目标]

( 一) 知识与技能

1. 知道电源的作用, 掌握产生持续电流的条件.

2. 理解恒定电流, 掌握电流强度物理量, 知道其微观意义.

( 二) 过程与方法

培养学生运用类比方法理解和形成新的物理学规律, 通过对比强化知识生成

( 三) 情感、态度和价值观

培养学生热爱生活、关注生活的态度, 进一步激发学生学习物理的兴趣

[学习重点]理解电源的形成过程及电流的产生.

[学习难点]电源作用的原理, 区别电子定向移动的速率与导线中建立电场的速率的差异.

[设计思想]课堂教学是教师教和学生学的交互作用过程, 是学生在教师的带动和引导下主动建构知识、掌握相关方法的身心发展活动. 本节内容是有关电场和电路两部分知识的链接, 是电路部分的概念基础; 学生结合对初中知识的回忆, 可通过阅读课本自主学习新知识, 但要能做到真正理解还是有一定难度的. 本设计主要是先让学生自主研习、小组讨论, 然后教师对电源和电流概念的教学都贯穿以类比的思想加以点拨, 加深学生的理解.

第一板块电源的作用

1. 自主研习课本“电源”板块, 完成下列问题

( 请每一位同学先独立完成, 再在学习小组内交流, 后由学习小组代表向全班同学汇报, 并总结出电源的概念. )

( 1) 电荷的定向移动能够形成电流. 金属导体中的自由电荷是电子, 而且在做永不停息的热运动, 请问导体中是否有电流?为什么?

预设答案: 没有电流, 电子没有定向移动.

( 2) 导体A、B分别带等量的正、负电荷, 如果在它们之间用一根导线相连接, 导线中是否有电流?是否会有持续的电流?为什么?

预设答案: 有电流, 不持续, 导体最终成等势体.

( 3) 假设在A、B间安装一个装置P, 电子通过导线从B移到A的同时, 又通过装置P及时地从A补充等量的电子到B, A、B导体上至始至终保持一定数量的正、负电荷, 那么电路中又会产生什么现象?

预设答案: 电路中能够保持持续电流.

2. 类比抽水机, 理解电源作用, 并得出电路中产生持续电 流条件

设计解读: ( 1) 第一部分采用“问题 - 探究”式教学模式, 以解决问题为抓手, 学生在教师引导下发现问题, 提出解决问题, 并通过探究活动中找到答案从而达到解决问题的一种教学模式. 教师根据教学内容和要求, 设置所要探究问题的相关物理情境, 挖掘学生的思维广度与深度, 而不是包办代替. 通过一系列活动, 可使学生有效地实现对电源这个基本概念的自主建构, 充分凸显了学生在教学中的主体地位. ( 2) 电源这个概念相对于绝大数学生来说较为抽象, 高中阶段学生正处于抽象思维的发展阶段, 教师不应要求学生机械的记忆. 第二部分则通过举例抽水机的作用进行类比, 再及时地将其“返回”到具体事例中, 使抽象的东西“物化”, 加深对电源概念的理解.

第二板块恒定电流

1. 结合初中知识, 自主研习教材“恒定电流”板块, 建构恒定电场、恒定电流等知识, 完成下列填空.

( 1) 恒定电场: 由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场, 其电场强度不随时间变化. 其基本性质与静电场相同.

教师点拨: “恒定电场”中“恒定”指的是动态平衡.

类比: 教室前门出人, 后门进人, 总人数不变.

( 2) 恒定电流概念: 大小、方向都不随时间变化的电流.

恒定电流的形成: 金属中的电子在稳恒电场的作用下做定向运动, 与导体内不动的粒子发生碰撞, 使定向运动的粒子速率减小, 使得平均速率保持不变, 形成恒定电流.

( 3) 电流强度: 简称电流, 表征电流强弱的物理量, 符号I

定义式: I = q/t ( 比值定义法) 类比: v = x/t

单位: 安培符号: A ( 其他常用单位: 毫安mA、微安μA) 单位换算: 1 m A = 10-3A, 1μA = 10-6A

电流是标量

( 4) 电流的方向: 规定电流的流向 ( 方向) 为正电荷定向移动的方向, 则与负电荷定向移动方向相反.

教师点拨: 强调电流强度是标量, 这里的方向是电流的流向.

类比: 水流的快慢无方向, 但水是有流向的.

设计解读: 故本板块第一部分设计的采用“自学 - 指导”模式, 教学活动以学生自学为主, 教师的指导贯穿于学生的自学始终. 教师提出自学的任务、要求, 使学生明确自学的方向和目标. 学生独立阅读教材, 并完成填空. 最后进行学生与学生, 学生与老师间的碰撞交流, 总结提升. 着重强调了两点: 一是恒定电场的“恒定”意义; 二是电流的方向, 都用类比的手法进行了生动的注释. 此设计改变了过去教师讲、学生听, 学生被动学习的局面. 学生的学习过程由通过单一的听觉通道输入信息改变为视听结合, 手脑并用. 有利于照顾学生的个别差异, 对学生的创造性培养也有一定的帮助.

第三板块: 影响电流大小的微观因素

1. 类比车流, 猜想影响电流因素

2. 探究电流强度的微观表达式

设某导体单位体积内的自由电荷数为n, 该导体的横截面积为S, 自由电荷定向移动速率为v, 自由电荷的电荷量为q, 则导体中的电流强度I是多大?

由 I =Q/ t, 得 I =qnsvt/ t= nqsv.

3. 定量计算: 课本 P42例题 1

教师总结: 区分以下几个速率: ( 1) 电子热运动的平均速率: 与温度有关, 102m / s左右 ( 2) 电子定向移动的速率约:10-5m / s 左右 ( 3) 电场的传播速率: 光速

4. 演示活动, 加深电场传播速率的理解

同学们在通道中演示电路中建立恒定电场: 所有同学紧挨着一起向前运动, 并不需要依次走开才运动.

设计解读: ( 1) 新知的建构必须以学生的原有知识为基础, 对新、旧知识间的区别与联系的比较分析是合理进行教学设计的保证. 对于探究影响电流大小的微观因素, 学生可将电流类比于车流, 先猜想出可能影响的因素, 再根据事先设计的问题情境亲自进行理论推导, 体验探究历程, 进而验证原先的猜想, 使学生对新知进一步强化, 符合探究式教学模式的理念. ( 2) 针对“电场传播速率”这个抽象概念, 教者设计了学生群体演示活动, 让学生在活动中亲身体验电路中电场的传播方式, 加深了概念的理解, 再次凸显学生主体地位.

练习:

1. 带正电的橡胶圆环, 半径为R, 总电荷量为Q, 现在让圆环沿与圆面垂直且通过圆心的轴顺时针匀速转动, 转动的角速度为ω, 求圆环中产生的等效电流的大小和方向.

2. 如图4所示的电解槽中, 如果在4s内各有8c的正、负电荷通过面积为0. 8㎡的横截面AB, 那 ( 1) 在图中标出正、负离子定向移动的方向; ( 2) 电解槽中的电流方向如何? ( 3) 4s内通过横截面AB的电量为多少? ( 4) 电解槽中的电流为多大?

3. 现有一根电阻值R = 4×10-5Ω的金属棒, 其长度为L = 4 m, 横截面积为S = 1×10-3m2, 现在此金属棒两端加上大小为U = 5 V的电压, 金属棒内单位体积自由电子数为n = 8. 5×1029个, 求: ( 1) 该金属棒中的电流的大小 ( 2) 金属棒内的电场强度的大小 ( 3) 自由电子定向运动的速度

电源和电流教学设计 篇3

关键词：振荡器；开关电源；锯齿波振荡器；基准电压

近年来，开关电源芯片被广泛应用于通信电子产品的电源供电系统。目前，开关电源主要采用PWM控制电路，锯齿波振荡器是PWM控制电路的核心功能部件。在电源电压、温度、工艺和环境负载变化或者漂移的条件下，要求振荡器能够产生频率稳定的信号输出。许多锯齿波振荡器虽然具有稳定性好、精度高的特点，但受环境温度和电源电压影响较大，基于以上要求，本文设计一种锯齿波产生电路。

1 电路结构及原理

1.1 电路整体框架及原理

图1为RC振荡器的原理图。本文提出的锯齿波振荡器主要由三部分构成，一部分是基准产生的电流I1和I2，一部分由电容C和开关K1、K2组成，最后一部分是控制电路。

该电路利用基准源产生的电流I1对电容C进行充电，利用电流I2进行放电，从而产生对开关K1和K2的控制信号。

产生脉冲的工作过程如下：假设输出信号Um为低电平，使开关管S1导通，S2关断。这时电流I1对C进行充电，使a点电压Ua升高，经过控制电路作用后，使输出信号Um变为高电平；然后，Um使开关管S1关断，S2导通，电流I2对C进行放电，使a点电压Ua降低，输出Um又变为低电平。电路如此反复循环工作，便在输出端产生振荡信号，Ua是产生的锯齿波信号。

1.2 具体电路设计实现

振荡器实际电路结构如图2所示，其中Uref引脚输入的是来自带隙基准的参考电压，Um是输出给后级的最大占空比信号，Uout是所要求的锯齿波输出信号。

图1中的开关S1、S2分别由PMOS管VT4和VT5代替。因此，图1中的倒相器在具体电路中便不需要实现。在集成电路中不易直接实现精确的电流源，所以先产生一个精确的参考电压Uref，然后通过一个U-I变换电路，产生两个精确的充放电电流I1和I2。图2中的电阻R是外接的精密电阻，电路中运放将B点电位钳位在参考电压Uref，因此流过R的电流为

假设振荡器输出信号Um初始值为低电平，VT4打开，VT5关断，电流通过VT4流到电容，电容进行充电。此时Ua低于VH，COMP1输出高电平，Ua高于VL，COMP2也输出高电平，Um保持低电平。直到C的电压上升到高于VH一点，COMP1输出低电平，使得Um翻转为高电平。此时VT5打开，VT4关断，电流通过VT5，电容C通过VT6支路进行放电，逐渐减小。直到C的电压降低到低于VL一点，COMP2输出低电平，Um翻转为低电平。电路如此循环，在输出端产生振荡信号。

如图3所示，门限电压是由Uref1对Uref2产生，Uref1对Uref2是来自基准模块的电压，不随温度和电源电压变化，所以VH和VL基本保持恒定。

1.3 输出频率的计算

不同的充放电电流决定了输出高低电平的不同脉宽，所以决定了方波信号的占空比。具体原理如下：

在一个充放电周期内设电容的充电时间为Tr，放电时间为Tf，电容充放电的周期为Ts，由电容的电流公式：

从而 Ts≈Tr

得到锯齿波的下降沿近似垂直。通过调整电容C或者R的大小，可以得到预期的锯齿波振荡周期为Ts=7.6μs，即振荡器的周期为132kHz。其中VH和VL都是由基准电压而得到的，故不随外界条件变化，从而使振荡频率不受电源电压和温度的影响而维持恒定。

2 仿真结果与分析

此电路采用TSMC 0.5μm工艺实现，用Spectre进行仿真。在5.8V电源输入，27℃环境温度下，图4是振荡器产生的锯齿波信号以及最大占空比输出信号，由仿真结果可知锯齿波的频率精确控制在132kHz，且上升沿线性度好，下降沿陡峭，最大占空比达。

表1给出了振荡器在不同电源电压和温度下的振荡周期仿真结果，由表格所示结果可知，振荡频率最小为129kHz，最大为135kHz。频率漂移范围在±3%内，可见频率随电源电压和温度变化的影响较小，振荡器的精度较高。

参考文献

[1] 刘恩科，朱秉升，罗晋生。半导体物理学。电子工业出版社，2003.

[2] 毕查德.拉扎维。模拟CMOS集成电路设计【M】。陈贵灿，程军，张瑞止，等译。西安：西安交通大学出版社，2003.

[3] 张占松，蔡宣三。开关电源的原理与设计(修订版)。北京：电子工业出版社。2006. 81-86.

[4] Lei Zhang，Zhiping Yu.An Improved Sawtooth Oscillator and its Application in On-Chip Femto-Ampere Current Monitoring [J].IEEE J Sol Sta Circ，2006，21(6):2073-2075.

2-1 电源和电流 教案 篇4

《第二章 第一节 电源和电流》教案

高二物理备课组 主备人：于田野

（2012年下期）

教学目标

（一）知识与技能目标：

1.让学生明确电源在直流电路中的作用，理解导线中的恒定电场的建立；

2.知道恒定电流的概念和描述电流强弱程度的物理量（电流）； 3.从微观意义上了解电流的强弱与自由电子平均速率的关系。

（二）过程与方法目标：

通过类比和分析使学生对电源的的概念、导线中的电场和恒定电流等方面的理解。

（三）情感态度价值观目标：

通过对电源、电流的学习培养学生将物理知识应用于生活的生产实践的意识，勇于探究与日常生活有关的物理学问题。教学重点

理解电源的形成过程及电流的产生。教学难点

区分电子定向移动的速率和在导线中建立电场的速率这两个不同的概念。教具准备 多媒体课件

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课时安排 2课时 教学过程

一、导入明标

1、导入：电荷的定向运动形成电流（以教材P41图2.1-1为例，A与B间只有瞬时电流的存在），如何使电路中存在持续的电流？

为什么电源可以提供持续电流？今天我们一起来了解和认识电源。

2、明确学习目标：

（1）电源在直流电路中的作用；（2）知道恒定电流的概念；（3）理解导线中的恒定电场的建立。

二、学生展示（学生展示预习成果）1.电源

在非静电力作用下，电源将电子由正极搬运到负极，使电源正负极保持一定数量的正负电荷，维持一定的电势差，从而在导体中产生持续电流。从能量转化的角度看，将电子从正极搬运到负极的过程中，要克服静电力做功，即非静电力做功从而将其他形式的能转化为电能。

2.导线中的电场

a.导线中的电场

导线本身有很多带电粒子（电子和质子）组成，当接通电源后，学贯中外 博约兼长 常 德 外 国 语 学 校

在电源两极上的正、负电荷激发的电场作用下，导线的表面以及导线的接头处会有电荷积累，正是这些电荷激发了导线内外的电场，也正是这些电荷才保证导线内部电场沿导线方向。

所以导线中的电场，是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同完成的，而且形成后以光速传递。

b.恒定电场

导线中的电场，是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同完成的，尽管电荷电荷在运动，但流走的和补充的补充的达到平衡，不随时间变化，电场的分布也不会随时间变化。这种稳定分布的电荷所产生的稳定电场，称为恒定电场。

恒定电场的基本性质和静电场相同，故在静电场中所讲的电势、电势差和电场强度的关系，在恒定电场中同样适用。3.电流

a．电流的形成 b．电流的定义和定义式 c．恒定电流 4.例题 见教材P42

三、探究交流

1.电源的作用是什么？

2.电路中有恒定电流经过的导线的电场是否为0？为什么？（在有恒定电流的导线中场强不为0，产生恒定电流的导线中的电场

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是合电场，它由两部分组成：一是电源正负极上产生的电荷产生的电场E0，二是导线两侧的堆积电荷产生的电场E，两者的合场强与导体平行）

3.推导电流微观解释的计算公式：I=Q/t=nvqS 4.比较电流的传导速率、电子的定向移动速率、电子热运动速率的关系。

四、教师精讲 1.电源的作用

类比水流的存在(把电源的作用与抽水机进行类比）, 水池A、B的水面有一定的高度差，若在A、B之间用一细管连起来，则水在重力的作用下定向运动，从水池A运动到水池B。A、B之间的高度差很快消失，在这种情况下，水管中只可能有一个瞬时水流。教师提问：怎拦才能使水管中有源源不断的水流呢? 引导学生回答：可在A、B之间连接一台抽水机，将水池B 中的水抽到水池A中，这样可保持A、B之间的高度差，从而使水管中有源源不断的水流。

让学生归纳： 电源就是把自由电子从正极搬迁到负极的装置。从能量的角度看，电源是一种能够不断地把其他形式的能量转变为电能的装置。

2.导线中的电场

导线中的电场是两部分电荷分布共同作用产生的结果，其一是电源正、负极产生的电场，可将该电场分解为两个方向：沿导线方向的分量使自由电子沿导线作定向移动，形成电流；垂直于导线方向的分

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量使自由电子向导线某一侧聚集，从而使导线的两侧出现正、负净电荷分布。其二是这些电荷分布产生附加电场，该电场将削弱电源两极产生的垂直导线方向的电场，直到使导线中该方向合场强为零，而达到动态平衡状态。此时导线内的电场线保持与导线平行，自由电子只存在定向移动。因为电荷的分布是稳定的，故称恒定电场。

3.电流

（1）电流的形成（2）电流的物理意义 电流的强弱程度用电流来表示（3）电流的定义、定义式、单位

通过导体某一横截面的电荷量Q与所用时间t的比值。定义式：q=It 单位：安培（安）A 1A=1000mA（4）恒定电流

大小和方向都不随时间变化的电流称为恒定电流。（5）电流产生的条件

两端存在电压，有能自由移动的电荷（在电路中要形成回路）（6）电流的微观解释

取一段粗细均匀的导体，两端加一定的电压，设导体中的自由电子沿导体定向移动的速率为v。设想在导体中取一个横截面B，横截面积为S，导体中每单位体积中的自由电荷数为n，每个自由电荷带的电量为q，则t时间内通过横截面B的电量Q是多少？电流I为

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多少？

（Q=nV=nvtSq I=Q/t=nvqS）

五、课堂小结

1.电源 2.恒定电场 3.电流

六、当堂检测

1.在一个电解槽中，单位体积的正负离子都是n，每个离子带电荷量为q，正负离子的平均定向运动速度都是v，电解槽的截面积为s，求通过电解槽的电流。（I=2nvsq）2.见教材P43 T1

七、布置作业

1.见教材P43 T2、T3 2.见系统集成

电源和电流教学设计 篇5

l、引言：

这是一种带有接地平面的正方形的闭合印制线环路，在回路的两端分别接有电压源和阻抗相等的源内阻、负载，当电压信号的频率较高时，这种结构与方环形天线是非常相似的，成为一·种严重的辐射源。

3、数值模拟： 对于建立好的模型．可以通过电磁场的数值模拟软件来对其辐射特性进行分析。在这里我们使用Ansoft?的HFSS(High Frequency Structure Simulator)来进行模拟。首先来研究这种闭合印制线回路的面积发生变化时其辐射特性如何发生变化。当差模辐射用小环天线产生的辐射来模拟时，在距离辐射回路为的远场的电场强度为E=131．6 ×106(fSI)(1／r)Sinθ(1)其中f（H2）为回路中电流信号的频率，S(m2)为回路面积，1(A)为电流强度，θ（0）为测量天线与辐射平面的夹角。我们根据图1所示的结构，取正方形闭合回路的边长分别为3cm、4cm、5cm、6cm和7cm进行模拟，信号频率为500MHz。图3(a)和图4分别为模拟得到的差模电流辐射的远场三维方向图(由于闭合回路的边长变化时其远场方向图是非常相似的，此处只给出边长为5cm时的方向图）和S-E曲线，从中可以很明显出由于印制线路板接地平面的存在使得差模辐射功率主要集中在接地平面上方，同时，远区辐射场的电场强度与回路面积呈线性变化关系(本文中的电场强度均指在闭合印制线回路最大辐射方向上的电场强度)，这与式(1)是完全符合的。

4、结果分析：

闭合印制线回路的面积越大，差模电流所产生的辐射干扰就越严重。但是同样面积的闭合印制线回路，如果回路形状发生变化，不再是正方形结构，其产生的辐射干扰效果一样会随着变化，甚至产生相当大的差异。图5显示了当闭合印制线回路的面积保持25cm2不变时，矩形印制线回路源与终端所在的边分别为2cm、3cm、4cm和5cm时差模电流所产生的辐射干扰效果，且在频率为500MHz、1GHz和1．5GHz时分别进行考虑。显然，频率增高，相同结构的闭合印制线回路产生的辐射干扰跟着增强，并且随着频率增高差模电流的辐射能量逐渐向印制线路板的正面转移，如图3所示，这是因为频率的增高使得接地平面相对于差模电流信号的电尺寸变大，从而对闭合印制线回路的辐射场产生更大的反射效果。更为重要的是，随着闭合印制线回路由正方形逐渐变化为越来越狭长的矩形，差模电流所产生的辐射干扰显著减小。也就是说，即使闭合印制线回路的面积相同。适当地改变其形状，使之越来越狭长，同样可以减小相同强度的差模电流的辐射干扰。

闭合印制线回路上流过的差模电流产生的辐射干扰在各个极化方向上的分布是不同的。图6是矩形印制线回路的源和终端所在的边为3(回路面积为25)时频率为1．5GHz差模电流的辐射干扰在X、Y、Z方向上的极化分量的三维方向图，从图中可以看到，X和Z方向上的极化分量主要集中于印制板正面的X轴的两侧，而Y方向上的极化分量主要集中于印制板的正上方区域，并且沿Y方向的极化分量最大，分别为X、Y方向极化分量的两倍左右，对于源和终端所在边为2cm、4cm和5cm时的闭合回路也是如此。

根据印制线路板上差模电流的辐射特性，>http:///bbs/index.asp?boardid=10>开关电源设计人员在进行印制线路板和机箱内部结构设计的时候可以从以下几个方面来考虑： 1．通过改变闭合印制线回路的形状，使之尽量狭长。可以有效的减小差模电流的辐射干扰水平。

2．根据差模电流在各个极化方向上的辐射水平的不同，尽量使临近印制板上的印制线或元器件在较大辐射水平的极化方向上有最小的电长度，这样可以保证它们耦合到较少的电磁能量。3．在对机箱内部的电缆进行布线设计时，确保电缆在较大辐射水平的极化方向上的电长度最小，从而使电缆耦合到的电磁能量最小。

4．确定得到最小的机箱对外辐射效果的通风窗或者是观察窗的位置和结构。通风窗或观察窗应尽可能的安装在辐射水平较低的位置，如果通风窗或观察窗是由矩形孔构成的，还应该考虑辐射场在窗口位置的各个方向的极化水平，尽量使矩形孔的长边不在辐射水平最大的极化方向上，以便使从机箱辐射出去的电磁能量最小。

对以上几点进行考虑的时候还要综合其它结构的干扰源的辐射效果，比如继电器、散热器和电缆产生的辐射干扰，而这些都是可以通过数值或者是解析的方法得到的。

5、结论：

电流和电路教学反思 篇6

1、电流教学中，书中用两个验电器(其中一个带电，另一个不带电)，自己的体会是书本想说明有些物体可以传导电荷，有些不可以传导电荷。不需要提出电流概念和方向问题。

2、书中的发光二极管LED具有单向导电性，有时我们教学时只是关注了单向导电性，而未体会，发光二极管可以说明电流中的电流有方向性的问题。

3、电路状态中，最难的是短路问题。我让学生连接电路，简单电路，串联电路，并联电路，再三种电路中体会理论上导线对电流无任务阻碍作用，认识各种情景下的短路现象。

电源和电流教学设计 篇7

由于感应电机和非线性负载的大量应用,工业用户通常存在功率因数低、谐波污染严重等问题。对于接入电网的工业用户,电力公司对其功率因数和谐波含量有严格的标准,工业用户常采用电容器组和无源滤波器进行功率因数的校正和谐波的治理。但电容器组不能实现无功功率的无级差调节且动态特性差;无源滤波器常由于设备老化导致滤波效果变差,且容易引起谐振问题[1]。

三相四线制有源电力滤波器(APF)不存在上述问题,并且可以补偿无功功率、各次谐波电流、零序电流以及三相电流的不平衡分量,因此其应用越来越普遍。根据谐波电流的检测点不同,其控制策略可分为以下3种:检测负载电流进行前馈(开环)控制[2,3,4];检测电源电流进行反馈(闭环)控制[5,6,7];同时检测负载电流和电源电流进行前馈加反馈的控制策略。第1种控制策略是开环控制,简单可靠、响应速度较快,但易受互感器检测精度、测量延时、DSP计算延时、电流控制延时及负载电流谐波分量预测准确度等因素的影响,补偿效果往往难以满足要求;第2种控制策略是闭环控制,控制精度较高,可以消除测量精度、计算延时和电流跟踪等环节带来的误差,但其控制复杂,响应速度慢于开环控制,不能应用于快速变化的非线性负荷;第3种控制策略是将开环和闭环控制相结合,兼顾控制精度和响应速度,效果较理想。本文采用第3种方法,其中闭环部分采用多个同步旋转坐标系下的积分调节控制,可以消除各次谐波、无功分量、零序电流和三相不平衡分量,并且具有良好的动态特性,通过仿真和实验验证了其有效性。

1 谐波电流的检测

谐波电流的检测是APF进行谐波补偿的前提和关键,谐波检测的好坏直接影响谐波补偿的效果。目前用于谐波电流检测的方法很多,如基于频域傅里叶变换的方法[8]、基于自适应噪声对消原理的方法[9,10,11]、基于小波变换的时变检测法[12,13]、基于瞬时无功功率理论的检测方法[14]。其中,基于瞬时无功功率理论的p - q法和ip- iq法应用最为广泛并取得较好的效果。然而,p-q法在系统电压非正弦情况下存在较大的检测误差;ip- iq法在三相电压不对称时不能准确地检测电流中的无功分量且仅适用于三相三线制系统[2]。本文提出一种新型谐波电流检测法,可以检测三相四线制系统的任意次谐波的正、负、零序分量及无功分量,原理框图如图1、2所示。

1.1 n 次谐波各分量的检测[15]

n次谐波的正序dq变换实质是将abc静止坐标系转换为以角速度nω0沿a-b-c方向旋转的dq坐标系。三相电流经过变换矩阵为Tnab+c -dq的n次正序dq变换 , 则n次谐波的正序分量变为直流量 , 其余各次谐波及其各分量均为交流量,经过低通滤波器(LPF) 滤除交流分量 , 再经过变换矩阵为T nd+q - abc的n次正序dq反变换,即可得到n次谐波的正序分量。

n次谐波的负序dq变换实质是将abc静止坐标系转换为以角速度nω0沿a-c-b方向旋转的dq坐标系。n次谐波负序分量的检测方法原理同正序。将矩阵Tn+abc-dq和Tn+dq-abc中的2π/ 3全部换成 -2π/ 3,-2π/ 3全部换成2π/ 3,即可得到n次负序dq坐标变换矩阵Tabc-dqn和反变换矩阵Tdq-abcn。

零序分量的检测与正、负序电流稍有不同。由于零序电流的特殊性,不能采用三相dq坐标变换将其转化为直流量。根据零序电流的定义,零序电流为(ia+ ib+ ic) / 3 = ia0= ib0= ic0,等于abc三相中任意相上所有次谐波零序分量之和。令x(t)代表零序电流,即x(t)= ia0。待检测信号x(t)与参考正弦信号sin(nω0t)和余弦信号cos(nω0t)相乘 ,可以将n次谐波转换为直流量和2n次谐波两部分,如下式所示:

对式(1)、(2)作傅里叶变换,得:

由式(3)、(4)可知,零序电流x(t)与正弦和余弦信号相乘相当于将零序电流的频谱平移nω0和 -nω0( 并乘以系数1 / 2 ) , 则零序电流的n次谐波分量转换为直流量和2n次分量,其余次谐波分量仍为交流量[13]。用低通滤波器滤除xd(t)和xq(t)中的交流量 ,得到直流量Xd(0)和Xq(0)。零序电流中的n次谐波分量为:

上述方法不仅可以检测各次谐波的零序分量,还可用于单相系统中任意次谐波的检测。

1.2 无功电流的检测

基波负序、零序分量的检测与谐波分量的检测原理相同,无功分量的检测略有不同,检测方法如图2所示。检测无功分量需要先确定基波正序电压的相位即θ+,经过dq变换得到的q轴分量即为无功分量。

无功分量检测的关键在于基波正序电压相位的获取,本文采用图3所示的锁相方法[16]。

若uq= 0, 则相位无误差 ; 若uq≠0,则表明相位有误差,且uq的大小反映相位误差的大小。将uq归一化后,通过超前 / 滞后校正环节的输出作为角频率的误差,用来修正初始角频率ω0。达到稳态时,输出的相位即为输入电压基波正序分量的相位。超前 /滞后校正环节具有良好的滤波作用,可以有效滤除基波负序电压反映在dq坐标系的2次谐波分量及其他各次谐波分量,因此锁相环的输出为基波正序电压的相位。

2 同时检测电源和负载电流的前馈加反馈选择性补偿控制策略

为了兼顾系统的控制精度和动态性能,本文同时检测电源电流和负载电流,对电源电流进行反馈控制,对负载电流进行前馈控制,原理如图4所示。

前馈控制即检测负载电流,分别提取各次谐波的正、负、零序分量得到指令电流,然后采用无差拍控制使APF发出的实际电流在一个开关周期结束时跟踪上指令电流。反馈控制即在多个同步旋转坐标系下对电源电流各次谐波的正、负、零序分量的误差信号进行积分调节(如图5所示),得到各次谐波的指令电流,然后采用无差拍控制使APF发出的实际电流在一个开关周期结束时跟踪上指令电流。前馈加反馈的控制方式即前馈控制得到的指令电流和反馈控制得到的指令电流相加得到总指令电流再采用无差拍控制,使APF实际发出的电流准确跟踪总指令电流以消除电源电流中的各次谐波。前馈控制保证了动态响应速度,反馈控制保证了控制的精度。

对于采用无差拍控制的数字控制系统,从信号采样到PWM信号的输出存在一个控制周期的延时,无差拍的控制方式本身存在一个控制周期的延时,因此,在进行图1和图2的坐标反变换时,应考虑2个控制周期的延时,并对该延时补偿,补偿方法见文献[2]。

2.1 n 次谐波各分量的闭环控制

n次谐波各分量的闭环控制策略如图5所示。n次谐波正、负、零序分量在各自同步旋转坐标系中为直流量,积分环节在零频率处的增益为无限大,因此积分器可以对直流量实现零稳态误差的控制。由于被测电流为电源电流,因此各次谐波各分量的参考值设为0。由于积分器的作用,达到稳态时电源电流各次谐波跟踪上参考值0,从而消除了电源电流中的各次谐波。积分器本身具有滤除谐波的作用,避免了使用低通滤波器带来的延迟和对系统稳定性的影响[17],提高了控制系统的动态性能和稳定性,同时减少了DSP的计算量。

2.2 无功电流的闭环控制及电容电压的控制

基波负序和零序闭环控制方法与n次谐波闭环控制方法原理相同。无功分量及电容电压的控制策略如图6所示。

通过基波正序dq坐标变换得到dq分量,其中d轴分量为有功分量 ,q轴分量为无功分量。对q轴分量进行积分调节补偿无功分量(可根据功率因数的要求调整无功电流的指令值Iqref),通过改变d轴分量大小调节电容电压稳定在参考值。

3 仿真分析

采用PSCAD / EMTDC对上述控制策略进行仿真分析,仿真参数为:开关频率为10 k Hz;三相连接电感为0.3 m H;中线连接电感为0.1 m H;直流电容为15 000μF;负载为非线性不平衡负载,采用直流侧为4Ω电阻的三相不可控整流桥负载,c相与N相间接有7Ω电阻的不平衡负载。

图7为3种控制策略下,a相电源电流总谐波畸变率THD(Total Harmonic Distortion)的变化(APF在0.2 s投入运行)。从3幅子图的对比可以看出,前馈控制和前馈加反馈控制具有较快的响应速度,反馈控制响应速度较慢。前馈控制下,a相电源电流的THD由26 %下降到5.2 %;反馈控制下 ,a相电源电流的THD由26%下降到1.7%;前馈加反馈控制下,a相电源电流的THD由26 %下降到1.5 %。反馈控制和前馈加反馈控制滤波效果均优于前馈控制。图8进一步说明了前馈加反馈控制滤波效果的优越性。由此可见,与其他2种控制策略相比,前馈加反馈控制同时具有良好的补偿效果和动态性能。

谐波检测的准确性是进行谐波补偿的基础和前提,因此图9和图8(c)中的各次谐波和无功分量的补偿效果间接表明:新型谐波电流检测法可以准确检测三相四线制系统中的任意次谐波分量及无功分量。从图9中可以看出,基于前馈加反馈控制策略的三相四线制APF可以有效滤除三相电源电流中的谐波分量、三相不平衡分量、中线零序电流及无功分量。

4 实验分析

为验证所提出的控制策略,在130 k V·A的实验平台上进行物理实验,实验条件如下:交流线电压380 V,直流电容电压750 V,开关频率10 k Hz,直流电容15 000μF,LCL滤波器0.165 m H、0.03 m H、50μF、0.75Ω,死区时间3μs。主控制器为数字信号处理器TMS320F28335,波形录入采用录波仪DL850和电能质量分析仪FLUKE435。

图10为负载突变时3种控制策略动态响应速度的对比波形,3种控制策略的响应时间标注在图中。非线性负载发生突变时,前馈控制和前馈加反馈控制的响应时间均为1个工频周期左右,而反馈控制的响应时间为6~7个工频周期。与其他2种控制策略相比,反馈控制的响应速度较慢,不能用于快速变化的非线性负荷的补偿。

图11(a)和11(b)分别为未进行谐波补偿和仅补偿5次谐波后的电源电流频谱图。5次谐波的谐波含量从补偿前的22.6 % 下降至0.4 %,THD从补偿前的26.9% 下降至14.3%,由此可见,本文提出的单次谐波检测和控制策略可以有效补偿特定次谐波。

图12为3种控制策略在稳态性能上的对比,以谐波补偿后电源电流的稳态THD为考核指标。3种控制方式的THD分别为5.1 %、3.5 %、3.2 %,反馈控制和前馈加反馈控制的稳态性能优于前馈控制。

谐波检测的准确性直接影响谐波补偿的效果,图12(c)和图13进一步表明:新型谐波检测法可以精确检测三相四线制系统的各次谐波分量和无功分量。从图13可以看出,基于前馈加反馈控制策略的三相四线制APF可以有效补偿非线性负载产生的各次谐波、三相不平衡、中线零序电流和无功分量(用电能质量分析仪测得图13(c)的功率因数为0.98,图13(d)的功率因数为1.0)。

5 结论

本文提出一种谐波电流检测法,可检测出三相四线制系统任意次谐波电流的正、负、零序分量及无功电流。本文还提出同时检测电源电流和负载电流的前馈加反馈的选择性补偿控制策略,其特点如下。

a. 检测负载电流进行前馈控制 ;检测电源电流进行反馈控制,反馈控制采用基于多个同步旋转坐标系下的积分控制,可以对各次谐波分量及无功分量实现零稳态误差补偿。积分器承担积分调节和滤波的双重作用,避免了采用低通滤波器引起的延时和对系统稳定性的影响,同时简化了控制策略。

b. 可以根据需要补偿指定次数的谐波 ,具有很强的针对性和实用性。

c. 兼顾良好的补偿效果和动态性能 ,不仅可以补偿稳定的非线性负荷,还可以补偿快速变化的非线性负荷,具有较广阔的应用前景。

d. 前馈加反馈的控制策略相对较复杂 ,这就对DSP的计算能力提出较高的要求。随着DSP芯片的发展,用新型高性能DSP或采用FPGA代替DSP实现该控制策略,将大幅提高该控制策略的实用性。

电源和电流教学设计 篇8

1.知识与技能

运用电磁感应知识分析交流发电机的实际模型，理解交流电的产生原理和过程。

综合运用电磁感应知识，并借助数学工具，推导并总结交流电的变化规律。

结合交流电产生过程的分析，正确理解中性面、交流电的瞬时值、最大值的含义。

2.过程与方法

通过对交流发电机的实际模型观察，提高观察能力、空间想象能力，并领会立体图转化为平面图处理问题的方法。

通过对交流电变化规律的推导，逐步形成利用数学工具及物理规律解决实际问题的能力。

3.情感态度与价值观

通过观看三峡工程的相关视频，了解它的作用和意义，激发学生爱国主义热情，体会物理理论应用于实践所产生的价值。

通过对交流电变化规律的推导，逐步树立应用物理规律分析实际问题的信念。

教学重难点：

1.重点：交流电的产生原理和过程及交流电的变化规律。

2.难点：交流电的变化规律的推导。

教学资源：

演示实验：交流发电机、灯泡、电流表；交流发电机模型；示波器、函数信号发生器。

课时安排：45分钟。

教学过程：

活动之一：引入交变电流的概念。

图片引入：展示“三峡大坝”图片并简单介绍，引入实验。

演示实验：实验1：发电机与小灯泡连接。

实验2：发电机与电流表连接。

进入新课引入概念：引导学生观察实验现象，得出发电机产生的是大小和方向都随时间变化的交变电流，并进入新课。

活动之二：分析交变电流的产生过程。

设置疑问：对比恒定电流和直流电流，引出问题：为什么会产生交变电流？

介绍结构：介绍教学手摇发电机的主要构造。

理论分析：结合发电机模型，引导学生从理论上分析交变电流产生的过程，引出中性面的概念，让学生定性的得出交变电流的大小和方向的变化特点。

实验验证：通过实验验证交变电流的方向变化特点。

动画模拟：模拟形成电流的微观自由电荷定向运动的特点

活动之三：推导交变电流的具体变化规律。

创设情景：情景1：单匝线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴转动。提供已知条件，推导线圈在中性面和垂直中性面两个特殊位置的感应电动势。

引导分析。

得出结果：引导学生先将立体图转化为平面图，再进行分析，得出结果。

拓展情景。

学生推导。

集体评价。

确定结果：情景2：单匝线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动。提供已知条件，推导线圈在t时刻的感应电动势。

学生请一个学生上台推导，得出结果。然后集体评价，得出正确结论。

拓展情景：情景3：n匝线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，求感应电动势。

集体完成：情景4：n匝线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动。求感应电流，路端电压。

总结规律：规律：线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴转动时，产生正弦式。

交变电流。简称正弦式电流。

实验演示：告诉学生正弦式电流只是常见的交变电流的一种，还有其它的形式。

知识延伸同时将其它某几种通过示波器显示出来。

活动之四：描述交变电流的变化规律。

公式描述：借鉴前面的推导结果，直接写出正弦式交变电流的数学表达式。

图象描述：引导学生画出感应电动势的变化图像，强调画图的规范性和条理性。

实验验证：运用示波器显示人工匀速摇动发电机的电压随时间变化的图象，并引导学生分析不是正弦式图象的原因。

实验演示：引入家庭用电，输入到示波器。显示出正弦式波形。

知识延伸：告诉学生正弦式电流只是常见的交变电流的一种，还有其它的形式，同时将其它某几种通过示波器显示出来。

活动之五：大型交流发电机的介绍。

播放视频：播放大型发电机的视频。

知识介绍：介绍交流发电机的基本组成和种类。

课堂小结：引导学生进行课堂小结。

播放视频：通过视频展示三峡工程的全面效益。

课后任务：布置课后作业。

板书设计。

第一节 交变电流的产生和变化规律。

一、交变电流的产生

1.什么是交變电流？

大小和方向都随时间做周期性变化的电流。

2.交变电流的产生过程：

中性面：线框平面与磁感线垂直的位置。

线圈位于中性面时，Φ最大，

线圈垂直中性面时，Φ=0，最大

线圈越过中性面时，线圈中I感方向要改变，转一周，改变两次。

二、交变电流的变化规律

线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，产生正弦式交变电流，简称正弦式电流。

1.正弦式电流的表达式： 2.正弦式电流的图象：

三、几种常见的交变电流波形