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中等专业教育国家规划教材配套用书 汽车电工电子 基础 第一章 直流电路 第一节 直流电路的基本概念 一、电路和电路图 1.电路 电路是电流流过的路径。复杂电路呈网状,所以电路又称网络。 电路是由电源、负载和中间环节三部分构成的。电源是给电路 提供电 能或信号的器件;负载是电路中吸收电能或输出信号的器件;中间环 节则 根据电路作用、需要而不同,通常由起引导和控制或测量作用的器 件构成。 内电路和外电路： 对电源来讲,负载和中间环节称做外电路,电源内部的电路称做 内电路。 2.电路图 实际电气设备的安装和维修都是依据电原理图进行的,很少使用 实物 接线图。电原理图也简称为电路图,是指将实际电路中的各器件用 规定的 图形符号表示之后所画出的图。如图所示。 3.汽车电路的单线 在汽车上,为了节省导线和便于安装、维修,电源和用电器之间 通常只用一根导线连接,另一根导线则由车体的金属部分代替而构成回 路。这种连接方式称为单线制,。采用单线制时,汽车电源(是蓄电池) 的一端接到车体上,称为搭铁,用符号表示。按电源搭铁的极性可分 为正接地和负接地。由于负极搭铁时对无线电干扰较小,对车架或车身 化学腐蚀较轻,所以世界各国的汽车多采用负极搭铁,如图所示。 常用电工图形符号 二、电路的基本物理量 1.电流 电流是电荷定向移动形成的。习惯上把正电荷定向移动的方向规定为 电流方向。因此,自由电子和负离子移动的方向与电流方向相反。 根据电流的变化可将电流分为直流电流和交流电流。大小随时间变 化、方向不变的电流称直流电流,其中大小、方向都不变的称恒定电流,简称直 流(DC),如不特别说明,本书所说的直流电均指恒定电流,用字母I 表示。大小 和方向都随时间变化的电流称为交流电流,用字母i 表示，发出的交流电都是 随时间按正弦规律变化的正弦交流电。不同用电器的电流大小是不一样的。电 流大小也简称为电流,是指单位时间内通过导体横截面的电量。如果时间t 内 匀速流过导体横截面的电量为Q,则电流是恒定的,大小为I = Q/t （P4） 电路较复杂时,电流的实际方向很难判定。为此,在分析与计 算电 路时,常常可事先任意选定某一方向作为电流的参考方向,也称 为正方 向。当实际方向与选择的参考方向一致时,参考方向下的电流值 为正 数,如右下图所示;当实际方向与参考方向相反时,参考方向下的 电 流值为负数,如左图所示。 例：如图所示方框为某一通路上的一种用电器件,试分析:(1)若已 知该器 件上的电流是从a 到b,大小为1 A,则图中电流I 等于多少?(2)若已 知该 器件上的电流是从b 到a,大小为1 A,则图中电流I 又等于多少? 例： 在图电路中,I1 、I2 分别等于多少? 2.电压 电路中A、B 两点间的电压是指单位正电荷在电场力作 用下由A 点移到B 点时,电场力所做的功。电压用字母u 或U 表示,则 uAB = WAB/Q 式中 WAB 正电荷Q 移动过程中能量的减少量。 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。 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。 电压的国际单位制单位是V(伏特)。通常使用的单位还有MV(兆 伏)、 kV(千伏)、mV(毫伏)、V(微伏)等。 为分析电路方便,通常在分析电压之前先选定电压的参考方向, 原则 上可任意选,但若已知实际电压方向,则参考方向应尽量与实际方向 一致; 若已知电流的参考方向,则电压的参考方向的选择最好与电流的参 考方向 一致,称关联参考方向。电压、电流参考方向不一致时称非关联参 考方向。 在电路分析中,所标的电压方向均为参考方向,表示方法有: (1)用双下标表示:ua b ,a 到b 的电压。 (2)用“+ ”、“- ”极性表示,电压从正极性端到负极性端。 例 若已知图示电阻的电压从a 到b,大小是1 V,则U1 = ?,U2 = ?,Uba = ? 3.电位 电位是一个相对的概念,分析电位时必须先选定一个参考点。 参考点 用字母“o”表示,在电路中用符号表示,原则上可任意选取,但 习惯上选 接地点或接机壳点或电路中连线最多的点作为参考点。电路中某 一点的 电位就是该点到参考点的电压,用字母V表示。可见,电位的单位与 电压 一样,也是V。图中a 点的电位为Va = Uao 或 Va = Uao参考点本 身的电 位显然为零,所以参考点又叫零电位点。 如果已知a、b 两点的电位分别为Va 、Vb ,则a、b 两点间的 电压为 Uab = Uao + Uob = Uao - Ubo = Va Vb即:两点间的电压等于 这两点 的电位的差,所以电压又叫电位差。 4.电动势 电流通路中,电场力总是使正电荷从高电位处经外电路移向低电 位处, 而在电源内部有一种电源力,正电荷在它的作用下,从低电位处经电 源 内部移向高电位处,从而保持电荷运动的连续性。汽车上使用的铅 蓄电 池内部的电源力是由化学作用产生的,发电机中的电源力是由电磁 作用 产生的。 (1)汽车用铅蓄电池 铅蓄电池的两个电极板分别接在直流电源的正负极上时,一 个极板得到电子成为负极,另一个极板失去电子成为正极。此过程中, 电能转换为化学能,储存在铅蓄电池中,该过程称为充电。使用蓄电池 时,两极板与负载相连,将储存的化学能转化为电能,负载中形成电流, 该过程称为放电。 (2)电动势的大小 电动势是指电源力将单位正电荷从电源负极经电源内部移到 电源正极所做的功,用字母E或e 表示,方向规定为从电源负极到正极。 若所做的功为W,则有E = W/Q (3)电动势的方向 电源电压方向是从正极到负极,电动势的方向是从负极到正 极,所以当电源断路时电源的电动势与电压大小相等,方向相反。 5.电功率 电路传送或转换电能的速率叫做电功率,简称为功率(power),用P 或p表 示。习惯上,把发出或吸收电能说成发出或吸收功率。 分析电路的功率时,当电路的电流、电压选择关联参考方向时,用 公式 P = UI 或 p = ui来计算。当电路的电流、电压选择非关联参考 方向 时,用公式P =-UI 或 p =-ui 限定的电压值叫做电气设备的额定电压,用UN 表示。电气设备的 额定 电流和额定电压的乘积就等于它的额定功率,用PN 表示。 一个电路中,每一瞬间,吸收电能的各元件功率的总和等于发出电 能的各 元件功率的总和。或者说,所有元件吸收的功率总和为零,符合能量守 恒定 律,称“电路的功率平衡”。 例：在图a 中,若Iab = 1 A,试求该元件的功率; (2)在图b 中,若Iab = 1 A,试求该元件的功率; (3)在图c 中,若元件发出功率6W,试求电流。 三、电路的三种状态 1.通路 通路是指电源与负载构成了闭合回路,电流从电源出发,经过负载 后回到 电源的状态。通路状态根据负载大小可分为以下三种情况: (1)轻载:负载低于额定功率下的工作状态。 (2)满载:负载在额定功率下的工作状态。 (3)过载:负载在高于额定功率下的工作状态,又叫超载。 显然,轻载没有充分利用负载设备,过载容易烧坏电器设备,前者尚 可使 用,后者一般不允许长时间出现。 2.断路(开路) 断路又称开路,是指电源与负载没有接成闭合通路,电路中没有电 流的状 态。断路可以分为控制性断路和故障性断路。 3.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 。 第二节 简单电路 一、电阻 物体对电流的阻碍作用叫做电阻作用。电阻是表示物体电阻作 用大 小的一个物理量,用字母R 或r 表示。 电阻的单位是(欧姆)。常用的电阻单位还有k(千欧)、 M(兆欧) 等。电阻的倒数叫电导,用字母G 表示,即G = 1R 。电导的单位为 S(西 门子)。 电阻反映了导体的导电能力,是导体的客观属性,它的大小与 导体的 材料、长度以及导体横截面面积有关,还与导体所处的环境温度有 关。 实验证明,在一定温度下,导体的电阻与导体的长度成正比,与导体 的横 截面面积成反比,即 R = L/S 式中 L导体的长度,m; S导体的横截面面积,m2 ; 反映导体材料性质的物理量,叫电阻率, m; R导体的电阻,。 二、欧姆定律 德国物理学家欧姆于1827 年在大量实验的基础上总结出关于 电压、 电流和电阻三者关系的定律,称欧姆定律,应用于计算电路中的电压 、电 流和电阻三个物理量。 1.部分电路欧姆定律 不含电源的一段电路称为部分电路。实验证明:在一段电路中, 通过 电路的电流大小与这段电路两端的电压大小成正比,与这段电路的 电阻值 成反比。 电流流过电阻时,将电能转换为其他形式的能量,所以电阻上的 电压 与电流的方向总是一致的。当电阻电压、电流选择关联参考方向时 ,欧姆 定律表达式为 I = U/R 或 U = IR 当电阻电压、电流选择非关联参考方向时,欧姆定律表达式为 I = - U/R 或 U = - RI 例: 列出图所示各电路的电压、电流关系式,并求R。 2.全电路欧姆定律 一个含有电源的闭合电路称为全电路,如图所示,图中点画线框内 为电源 内电路,r为电源的内电阻。实验证明:在全电路中,通过电路的电流与 电源 电动势的大小成正比,与电路的总电阻成反比,这就是全电路欧姆定律 ,用公 式表示为 I = E/(R + r (1 - 13) 式中 E电源的电动势,V; R外电路电阻,; r内电路电阻,; I电路中的电流,A。 由式得 E = RI + rI = U + Ur 式中,U 为外电路的电压降,也称路端电压;Ur 为内电路电压降, 也称内 阻压降。所以,电源的电动势等于端电压与内阻压降之和。 3.电源的外特性 电源的外特性就是电源的端电压U 与电流I 的关系。 U = E - Ur = E - rI 式中,I = E/(R + r)。对于给定的电源,E 和r 是不变的。当负 载电 阻R时(相当于电路断路),I =0,U = E,即电源的电动势在数值上 等于 开路电压。人们利用这一特性,用电压表来简单测量电源的电动势。 当负 载电阻R 变小时,引起电流I 变大,内阻r 的电压降也变大,端电压U就 跟 着变小,其变化规律如图1 -16 所示,称电源的外特性曲线。当负载电 阻R = 0 时(即短路),I = Er。由于电源的内阻一般都很小,因而电路的电 流 比正常工作电流大很多,如果没有熔断器,会导致电源和导线烧坏。 三、电流的热效应焦耳定律 当电流通过导体(或用电器)时,由于电阻的存在,会产生热量,称 电流的 热效应。选择电压、电流参考方向后,电阻功率的计算公式为 P = I2 R = U2/R 或 p = i2 R = u2/R 导体(用电器)在时间t 内产生的热量为 Q = Pt = I2Rt 或 q = pt = i2Rt 英国物理学家焦耳通过实验证明:电流通过导体(或用电器)时产 生的热 量Q 与电流I 的平方、导体(用电器)的电阻R 以及通电时间t 成正 比,这 一结论称为焦耳定律。热量的单位是J(焦耳)。 四、电阻的串联、并联和混联电路 1.电阻的串联电路 几个电阻首尾顺序相连,引出两接线端,中间无分支,称这几个 电阻串 联。常用符号“+ ”表示电阻的串联。 串联电路有以下特点: (1)流过每个电阻的电流相等,并等于总电流,即 I = I1 = I2 = = In (1 - 18) (2)电路两端的总电压等于各电阻两端的分电压之和,即 U = U1 + U2 + + Un (1 - 19) (3)电路的总电阻(等效电阻)等于各电阻之和,即 R = R1 + R2 + + Rn (1 - 20) (4)每个电阻上分配到的电压与电阻成正比,即 U1/R1 = U2/R2 = = Un/Rn = U/R = I 由上式可得到电阻串联的分压公式: Ui = Ri/R U = Ri/(R1 + R2 + + Rn)U 式中Ri(R1 + R2 + + Rn)称为分压系数,i =1,2,3,n。 例:有一表头,满刻度电流I =50A(即允许通过的最大电流),内 阻 R= 3 k。现需扩展其量程,如图所示。当转换开关SA 置于a 点 时,其 量程扩展为10 V,当转换开关SA 置于b 点时,其量程扩展为50 V,问 扩展 量程所串的电阻Ra 、Rb 分别为多少? 例:在图所示的分压器中输入电压Ui = 12 V,R1 = 350 ,R2 = 550,RW =270 ,试求输出电压Uo的变化范围。 2.电阻的并联电路 几个电阻的首、尾接在相同两点之间所构成的电路叫并联电路。 常用 符号“”表示电阻的并联。图所示为三个电阻并联的电路,可表示 为“R1 R2 R3 ”。 并联电路有以下特点: (1)并联电阻两端的电压相等,并等于总电压,即 U=U1=U2= =Un (2)总电流等于各电阻分电流之和,即 I = I1 + I2 + + In (3)电路的总电阻(等效电阻)的倒数等于各分电阻倒数之 和,即 IR = I/R1 + I/R2 + + I/Rn 如果只有两个电阻并联 R = R1R2/(R1 + R2) 如果有n 个阻值相等的电阻并联 R = Ro/n (4)每个电阻分配到的电流与电阻成反比,即 I1 R1 = I2 R2 = = In Rn = IR = U 例:有一表头,满刻度电流I = 100 A(通过的最大电流),内阻 R = 1 k。现需扩展其量程,如图所示。若要改变成量程为10 mA、50 mA 的电流表,应并联多大的电阻Ra 、Rb ? 3.电阻的混联电路 电路中既有电阻的串联又有电阻的并联,叫做电阻的混联电路 。 分析混联电路,必须先搞清楚混联电路中各电阻之间的连接关 系,然 后应用串并联电路的特点,求出各单纯的串联和并联部分的等效 电阻, 最后求出电路的总电阻。 画等效电路图的方法是: (1)用字母将各电阻连接点标出,相同的点用同一字母。 (2)将各字母依次排开,端点字母在两端。 (3)画出各字母间的电阻,得到等效电路图。 例：在图电路中,已知R1 =2,R2= R3=R4=R5=4,UAB = 6V,求通过R4的电流I4 例:求图所示混联电路的等效电阻。已知 R1=R8=5,R2=2,R3 =16,R4=40,R6=60,R5= R7= R9=10。 第三节 复杂电路 一、电路的有关术语 在引入基尔霍夫定律之前,先介绍几个常用的电路术语。 (1)支路:电路中每一段不分支的电路,称一条支路,如图所示电路中有三 条支路:acb、adb、ab。 (2)结点:电路中支路的交点,如图所示电路中有两个结点:a 与b。 (3)回路:电路中由支路组成的闭合路径称回路,如图所示电路中有三个 回路:adba、abca、adbca。 (4)网孔:回路内部不含支路的回路,称为网孔,即一个“窟窿”为一个网孔 。 如图所示电路中有两个网孔:abca、adba。 二、基尔霍夫定律 1.基尔霍夫电流定律 表达式为Ii = Io 又可写成I = 0 它也可描述为:任一时刻,电路任一结点所连各支路电流的代数 和为零。 列 KCL 方程的步骤为: (1)找出结点所连支路; (2)标出各支路电流参考方向; (3)列出方程。 2.基尔霍夫电压定律 基尔霍夫电压定律(Kirchhoffs Voltage Law),简写为KVL,又叫基尔 霍夫 第二定律。其内容为:电路中任一回路,在任一时刻,组成该回路的各支路 的电压 的代数和为零,即 U =0 该方程称为KVL 方程,又叫回路电压方程。 列KVL 方程的步骤为: (1)找出组成回路的各支路及支路上的元件; (2)标出各元件电压参考方向; (3)从回路上任一点出发,沿回路“走”回到这一点(又称绕行),对所经 元件的电 压求代数和,电压标向与绕行方向一致时,该电压为正,否则为负; (4)列出方程,令(3)中的代数和等于零。回路abca 的KVL 方程为:U3 - E1 + U1 =0。 三、支路电流法 以图所示电路为例,说明如何建 立支路 电流法方程。图示电路中有4 个结 点,6 条支路,7 个回路,3 个网孔,要求的 未知 数是支路电流,所以未知数有6 个:I1 I6 ,如图所示,因此需要列6 个方程 组成 方程组,联立才能求得。 列KCL 方程: 结点a:I1 + I2 - I4 = 0 结点b:I3 + I4 - I5 = 0 结点c:- I6 - I1 + I5 = 0 结点d:- I2 - I3 + I6 = 0 如把上述四个方程相加,可得到0 = 0 的关系,可见这四个方程中任一个方 程都 可由其他三个推出。 上述四个方程中可采用三个方程,那么要求出I1 I6 ,还需要 列三 个方程。列7 个回路的KVL 方程,因未知数是支路电流,所以用支路 电流 表示电阻电压。 abca:R4I4 + R5I5 + R1I1 - E1 = 0 adba:E2 - R2I2 + R3I3 - E3 - R4I4 = 0 bdcb:E3 - R3I3 - R6I6 - R5I5 = 0 abdca:R4I4 + E3 - R3 I3 - R6I6 + R1I1 - E1 = 0 adbca:E2 - R2I2 + R3I3 - E3 + R5 I5 + R1I1 - E1 = 0 adcba:E2 - R2I2 - R6I6 - R5I5 - R4I4 = 0 adca:E2 - R2I2 - R6I6 + R1I1 - E1 = 0 以上七个方程也是非独立方程,只需从中选取三个独立方程即可 。 结论:平面电路中,网孔数= 支路数- (结点数-1),而网孔的KVL 方程 一定独立,所以只需列网孔的KVL方程即可。 例:已知图中,E1 =5V,r1 = 1,E2 =9V,r2 =6,R2 = 2,R1 =3, 求各支 路电流。 四、戴维宁定理 任何具有两个引出端的部分电路叫二端网络。若在这部分电路 中含有 电源,就叫有源二端网络,反之叫无源二端网络,如图所示。 任何有源二端网络(图a),都可以用一个具有电动势E0 和内电 阻r0 的等效电源来代替(图b),而其中E0 等于该有源二端网络两端间的 开路电 压U0 (图c),而r0 等于该有源二端网络中所有电动势等于零时网络 两端 点间的等效电阻(图d)。这就是戴维宁定理,又叫等效电压源定理。 例:在图所示的电路中,已知 E=100V,R1=R3=10,R2=5,R4=15,求通过负载电阻R4的电流 。 例: 在图1 -30a 所示的电桥电路中,已知R1 =10,R2=2.5,R3 =5,R4=20,E=12.5 V(内阻不计),求R =69时的电流大小及方向 。 一、电容器的电容量 1.电容器的概念 电容器是由被绝缘物质隔开而又相互靠近的两个导体组合而形成 的,用 以储存和容纳电荷,也简称为电容。两个导体叫电容器的极板,用导线 引出, 中间的绝缘物质叫电介质。常见的电介质有空气、蜡纸和云母等,如 图所示。 电容器最基本的特性是能够储存电荷,当电容器极板上有电荷积 聚时, 两极板间就建立电场,产生电压。不同的电容器储存电荷的本领是 不一样 的。对给定的电容器,它储存电荷的电量Q与其建立电场所产生的电 压U 的比值是一个常数。这个常数既反映了电容器储存电荷、维持电压 的物 理性质,同时又表征了电容器储存电荷的本领。把这个常数定义为 电容器 的电容量,简称电容,用符号“C”表示。即 C = Q/U 式中 Q极板上的电荷量,C(库); U两极板间的电压,V; C电容器的电容量,F(法)。 2.平行板电容器 实际上,一个电容器的电容大小仅决定于 其结构(极板形状大小和相对位置)与中间绝缘介质的性质。如平 行板 电容器,其电容为 C = S/d 式中 S两极板的相对有效面积,m2 ; d两极板间的距离,m; 介电常数,由介质性质决定,F/ m。 上式的意义是:极板的相对有效面积越大,在相同电压作用下能容 纳的 电荷越多,电容也就越大;极板间距离越小,两极板的静电引力越大, 于是极 板能吸附更多的电荷,所以电容就越大。 二、电容器的充电和放电 1.电容器的充电 如图所示,当开关SA 接“1”时,电容器处于充电状态。其物理 过程 为:SA 接通“1”瞬间,电容器上还未积聚电荷,uC = 0,充电电流i = E / R 为最大。随着充电的继续,uC 逐渐增大,i逐渐减小,当uC = E 时,i =0, 充电结束。如图1 -33 所示为充电曲线。这时,电容器将电能转化 为电场 能的过程也结束,电路中不再有电流通过。这就是电容的隔直作用 。 2.电容器的放电 充电结束后,在图中,把开关SA 接“2”,电容器处于放电状态。 其物理过 程为:SA 接通“2”瞬间,电容器放电,放电电流与充电电流方向相 反,且i = uC /R = E / R 为最大。随着放电的图电容器放电时uC 与i 的变 化曲线 图继续,uC 逐渐下降,i 也逐渐减小,当uC = 0 时电容器中所储存 的电场 能全部释放完,这时i = 0,放电结束。如图所示,图中电流画在纵轴 的负 半轴,是考虑到放电电流方向与充电电流方向相反。这时,电容器将 储存 的电场能释放给电阻R 而消耗。 三、电容器的种类和选用 第二章 电磁现象及其应用 第一节 磁的基础知识 一、电流的磁场 组成一切物质的分子是一个个的小环形电流,物质被磁化后,分子 环流规 则排列,从而对外产生磁场。磁场方向规定为:小磁针的N 极在磁场中 任一 点所指的方向为该点的磁场方向。在研究磁场时引入磁感线来形象 地描 绘磁场分布,磁感线在任一点的切线方向为该点的磁场方向。 1.磁场的特性 (1)磁场对处在场内的另一载流导体或铁磁物质有力的作用,并能在 对磁 场作相对运动的导体中产生感应电动势。 (2)磁场具有能量。 2.通电直导线和通电线圈的磁场 对于载流导线所激发的磁场,电流及其磁场之间的方向关系可用右 手螺 旋定则来判断,即将右手拇指指向电流方向,而弯曲的四指指向就是磁 场方向, 如图a 所示。对于载流线圈所激发的磁场,电流及其磁场也满足右手螺 旋定 则,即右手握住线圈,使弯曲的四指指向与线圈中电流的方向一致,则拇 指指 向即是线圈内的磁场方向。规定磁感线从线圈出来的一端是N 极,磁 感线进 入线圈的一端为S 极,如图b 所示。 二、磁场的基本物理量 1.磁感应强度和磁通 (1)磁感应强度B 磁感应强度是表示空间某点磁场强弱与方向的物理量。磁感应强 度B 的方向即为磁场各点的磁场方向,其大小等于与磁感线方向垂直的载 有单位 电流、单位长度的直导线在该点受到的电磁力,并有B = F/IL 若在磁场的各个点上,载流导体受到的电磁力F 大小相等,方向相 同,则 表明磁场中各点的强弱程度相同,亦即磁感应强度相同,这样的磁场称 为均 匀磁场。对于均匀磁场,可用疏密均匀、方向相同的磁感线表示。 (2)磁通 在均匀磁场中,磁感应强度B 的大小与垂直于磁感应强度B 的某一 面积 的乘积称为磁通:磁感应强度又称为磁通密度。 2.磁导率 磁导率表示物质的导磁性能,其单位是H / m(亨/ 米)。 三、铁磁材料 1.铁磁材料的磁性能 将线圈绕在铁磁材料上并通入直流电流(励磁电流)就会产生很 大的磁 场,这个过程叫铁磁材料的磁化。铁磁材料在磁化过程中表现出如 下特性: (1)高导磁性 (2)剩磁性 (3)磁饱和性 (4)磁滞性 2.铁磁材料的分类 根据铁磁材料的磁性能,常把铁磁材料分为两类: (1)软磁性材料 (2)硬磁性材料 第二节 电磁铁和继电器 一、电磁铁 1.电磁铁的作用和分类 电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、 工件 于固定位置的一种电器。 电磁铁可分为线圈、铁心及衔铁三部分。它的结构形式通常有 如图 所示几种。 2.直流电磁铁的工作原理 在图所示电磁铁的线圈两端加以直流电压U,则铁心线圈通电 电流 为I 时,电磁铁的吸力为 F = 107 SB2/8 式中 F磁铁吸力,N; B气隙处的磁感应强度,T; S铁心与衔铁吸合处的横截面积,m2 。 二、继电器 1.继电器的作用和分类 用来改变控制电路的工作状态,按照预先设计的控制程序完成预 定的控制任务,也可以根据电路状态、参数的改变对电路实现某种 保护。 继电器种类很多。按输入信号可分为电压继电器、电流继电器 、功率继电器、压力继电器、温度继电器等;按工作原理可分为电 磁式继电器、感应继电器、电动式继电器、电子式继电器、热继 电器等。 2.电磁式继电器的组成和工作原理 如图所示。按其在电路中的连接方式,可分为电流继电器、电压继电器 和中间继电器等。 电磁式电流继电器的线圈串于被测电路中,根据电流变化而动作。电磁 式电压继电器把线圈并接于被测电路中,线圈的匝数多、导线细、阻抗大。继电 器根据所接线路电压值的变化,处于吸合或释放状态。中间继电器实质上是电压 继电器,只是触点数量多,容量也大,当电压继电器、电流继电器的触点容量不够 时,可以利用中间继电器作功率放大;当触点数量不够时,也可利用中间继电器增 加触点数量以控制多条回路。 三、汽车喇叭电路 电喇叭的工作原理 第三节 电磁感应 实验一:如图a 所示,G 为检流计。当导体沿磁感线垂直方向上下 运动时, 检流计指针发生偏转;如果导体不动,而使磁场上下运动,检流计指针也 发生 偏转。这两种情况说明导体中产生了电动势,并在与检流计组成的回 路中引 起了电流。当导体沿磁感线方向左右移动或导体与磁场以同一速度上 下移 动时,检流计指针均不发生偏转,这说明导体中没有电动势产生。 实验二:如图所示,当条形磁铁插入 或拔 出线圈时,检流计指针发生了左右偏转, 说明 线圈中产生了两次方向不同的电流;当 磁铁 插在线圈中静止不动或以同一速度和 线圈 一起上下移动时,检流计指针不发生偏 转,说 明检流计没有电流通过。 以上两个实验证明:当导体切割磁感 线运 动或通过线圈的磁通量发生变化时,导 体或 线圈中就会产生电动势。这种现象称 为电 磁感应现象,而由电磁感应产生的电动 势叫 感应电动势,由感应电动势产生的电流 叫感 应电流。 一、直导体中的感应电动势 1.感应电动势的方向 作切割磁感线运动的导体,其产生感应电动势的方向可用右手定 则来 确定:平伸右手,拇指与四指垂直,让磁感线垂直穿过手心,拇指指向运 动方 向,四指所指方向就是感应电动势的方向(或是感应电流方向)。 需要注意的是:判断感应电动势方向时要把导体看成一个电源,在 导体 内部,感应电动势方向由负极指向正极。感应电流方向与感应电动 势方向 相同。当直导体没有形成闭合回路时,导体中只产生感应电动势,不 产生感 应电流。 2.感应电动势的大小 实验证明:在均匀磁场中,作切割磁感线运动的直导体,其感应电 动势e 的大小与磁感应强度B、导体的有效长度l、导体的运动速度v 以及 导体 运动方向与磁感线方向之间夹角 的正弦值成正比,即 e = Blvsin 例: 如图所示,受外力作用的直导体AB,在匀强磁场中以v = 20 m / s 的 速度 做匀速直线运动。设B =1 T,导体有效长度l =0. 5 m,导体电阻R0 = 1 ,负 载电阻R = 9 。试求导体AB 中的感应电动势e 和电流I、作用于导 体的 外力F外及其所提供的功率P。 二、线圈中的感应电动势 1.感应电动势的方向 线圈中的磁通量发生变化时,线圈就会产生感应电动势。感应电 动势的 方向由楞次定律和右手螺旋定则来判定。 楞次通过大量的实验证明:感应电流产生的磁通总是企图阻碍原 磁通的 变化。也就是说,当线圈中的磁通量要增加时,感应电流产生的磁通方 向与 原磁通方向相反;若线圈中原来的磁通量减少,则感应电流产生的磁通 方向 与原来磁通方向一致。 例:如图所示,请判断两种情况下线圈的感应电动势的方向。 例: 如图所示,如果穿过闭合金属环的磁通在2 s 内由4 10 -2 Wb 均匀 增加 到20 10 -2 Wb,试求闭合金属环中感应电动势的大小和方向。 三、自感 1.自感现象 由通入线圈的电流变化而产生感应电动势的现象叫自感现象, 由自 感现象产生的感应电动势叫自感电动势,用符号eL 表示。显然,自 感现 象属于电磁感应现象。 2.自感系数 自感系数是用来描述线圈产生自感磁通能力的物理量。定义 线圈中 的磁通量与产生该磁通的电流的比值叫自感系数,又叫电感,用符 号L 表 示,单位是亨利(H)。即 L = /I 由上式看出,电感表示线圈通过单位外电流所产生的自感磁通 。电 感越大,表示线圈产生自感磁通的能力越大。电感的大小与线圈 的匝数、形状、大小及周围介质的磁导率有关。 3.自感电动势 自感电动势的大小可由法拉第电磁感应定律求得,即自感电动势的 大小 与线圈的电感及线圈中外电流的变化率成正比。负号表示自感电动势 的方 向总是企图阻碍外电流的变化。自感电动势的方向仍用楞次定律判断 。所 以,当线圈电流i 增大时,自感电动势方向与外电流i 方向相反,以阻碍外 电流 增大,如图a 所示;当线圈电流i 减小时,自感电动势方向与外电流i 方向 相同, 以阻碍外电流减小,如图b 所示。 在含有大电感元件的电路被切断的瞬间,由于电感两端产生的自感 电动 势很高,会在开关触点之间产生电弧,容易烧坏开关的触点或引起火灾, 故应 采取相应的保护措施。图所示是汽车点火电路原理图,一次线圈2 的电 流突 然减少,会产生200 300 V 的自感电动势,方向与蓄电池的电动势方向 相同, 这两个电压相加会使触点之间产生火花,将触点烧坏。为了保护触点, 通常在 触点两端并联一个电容器,用来吸收储存在线圈中的磁场能,从而起到 保护触 点的作用。 四、互感 1.互感现象 互感现象是指一个线圈中的电流变化而使另一个线圈产生感应 电动势 的现象,如所示。互感现象产生的电动势叫互感电动势,用符号eM 表 示。 2.互感电动势的大小 在图中当开关SA 闭和时,线圈1 中产生磁通1 1 ,这个变化的磁 通中有 一部分12 要通过线圈2,则线圈2 中产生的互感电动势的大小为e2 , 互感 电动势的大小与互感磁通量的变化率以及线圈2 的匝数成正比。由 此,可 以得到汽车高压点火线圈产生高压的解释。 3.同名端 互感电动势的方向不仅与磁通的变化趋势有关,还与线圈的绕向 有关。 为此,有必要引入描述线圈绕向的概念同名端。所谓同名端, 就是 绕在同一铁心上的线圈其绕向相同的接线端。在图a 中,线圈ABC 中的1、 4、5 端点为同名端,2、3、6 端点也是同名端。在图a 中SA 闭合瞬 间,线 圈A 的“1”端电流增大,根据楞次定律和右手螺旋定则可以判断出 各线圈 感应电动势的极性如图2 - 13b 所示。 第三章 正弦交流电路 第一节 正弦交流电的基本知识 一、交流电概述 交流电是指大小和方向都随时间变化,并且在一个周期内的平 均值 为零的电动势(或电压、电流),或说交流电是交变电动势、交变电 压和 交变电流的总称。交流电按变化规律可分为正弦交流电和非正弦 交流电, 如图所示。 交流电的物理量用小写字母表示,如e、u、i 等。交流电动势 的图 形符号与直流电动势的不同。如图所示,图中标出的电动势e、电 流i 和 电压u 的方向为参考方向,它们的实际方向是不断反复变化的,与 参考方 向相同的半个周期为正值,与参考方向相反的半个周期为负值。交 流电 动势e 又常写为eS 。 二、正弦交流电的三要素 正弦交流电(简称为交流电),是指随时间按正弦规律变化的交流 电,统 称为正弦量。通常将某一瞬间交流电的值叫做交流电的瞬时值,可 用解析 式或波形图来表示。以电流i 为例,正弦量的一般解析式(即瞬时值 表达 式)为i(t) = Im sin(t + )波形如图 (设 0)所示。 图中Im 、 三个值,称为正弦交流电的三要素。1.最大值2. 角频率 (1)频率 (2)周期(3)角频率 3.初相角 在正弦交流电的解析式中,角度(t + )叫相位角,简称相位, 是决 定正弦交流电在某一时刻所处状态的物理量;而初相角是指正弦交 流电在 计时起点t = 0 时的相位角值,也就是角度。相位角和初相角的 范围都 是(- ,+ ),它有以下三种情况: 三、相位差 相位差是两个正弦量的相位之差,用字母 表示。 设有两个正弦电压 u1 = U1m sin(1 t + 1 ) u2 = U2m sin(2 t + 2 ) 这两个正弦量的相位差为 = (1 t + 1 )- (2 t + 2 ) 当两正弦量的频率相同,即1 = 2 时,有 = 1 - 2 可见,两个同频率正弦量的相位差就是它们的初相角之差。相 位差的范围是(- ,+ 。 相位差有以下几种情况: (1)当 = 1 - 2 0 时,说明u1 比u2 先到达最大值或零值,称 u1 的相位超前u2 的相位,简称u1 超前u2 角,或u2 滞后u1 角 ,如图a 所示。 (2)当 = 1 - 2 0 时,矢量在横坐标的上方,当 0 和UCE1V 的范围内,各曲线平坦且间隔均匀, 说明IB 增大,相应的IC 也增大(表现为曲线上移)。此时IC 的变化基 本上 与UCE 无关,而且IC 随IB 成比例增大,即IC =IB。这就是晶体管的电 流放大作用,所以该区域称为放大区。 (3)饱和区。在UCE 很小时,特性曲线上升段拐点连接线左侧区域 为饱和 区。饱和区的特点是,IB 再增大,IC 也很少增大,即集电极电流IC 不 再受 基极电流IB 的控制。晶体管作放大使用时工作在放大区;晶体管作开 关使 用时工作在饱和区和截止区。 例:试根据图中晶体管各电极上的电位值判断它的工作 状态。 四、晶体管的主要参数 1.电流放大系数 (1)交流电流放大系数。当UCE 为定值时,集电极电流的变化量IC 与基极 电流 的变化量IB 的比值,叫做晶体管的交流电流放大系数(也称动态电流放大系 数),用 表示 (2)直流电流放大系数 当UCE 为定值时,集电极电流IC 与基极电流IB 的比 值,叫 做晶体管的直流电流放大系数,用表示 2.穿透电流 穿透电流是IB =0 时的集电极电流,也就是基极开路时,集、射极间的反向 电流。 用ICEO 表示。 3.集电极最大允许电流ICM 晶体管正常工作时,集电极所允许通过的最大电流叫做集电极最大允许电 流,用IC M 表示。 4.集- 射极反向击穿电压UCE (BR ) 当基极开路时,允许加在集电极与发射极之间的最大电压,叫做反向击穿电 压,用U CE(BR )表示。 5.集电极最大允许耗散功率PCM 晶体管正常工作时,集电极允许耗散的最大功率,叫做集电极最大允许耗散 功率, 用PCM 表示。 五、晶体管的简易测试 晶体管的质量、性能、类型及管脚判别,可用万用表的电阻挡进 行简 易测试。 1.管脚和类型判别 (1)确定基极和类型 用万用表的两根表棒分别对晶体管的三个管脚中的任意两个进 行正接 测量和反接测量各一次,如果在正、反接时测得的电阻均较大,则此 次测 量中所空下的管脚即为基极。 (2)集电极和发射极的判断 万用表的黑表棒接到假定的集电极;红表棒接到假定的发射极( 见图), 这时从万用表上读出一个阻值。而后把第一次测量中所假定的集电 极和 发射极互换,把万用表的黑表棒接到第二次所假定的集电极上,进行 第二 次测量。在两次测量中,测得阻值小的那一次与黑表棒相接的极便 是集电 极。 集电极和发射极的判断 2.管子好坏的粗略判别 根据晶体管内PN 结的单向导电性,可以分别测量B、E 极间和B、C 极间 PN 结的正、反向电阻。如果正、反向电阻相差较大,说明管子基本上 是好 的。如果正、反向电阻都很大,说明管子内部有断路;如果正、反向电 阻都 很小或为零,说明管子极间短路或击穿。 第三节 晶 闸 管 一、概述 晶闸管是晶体闸流管的简称,又称为可控硅。应用如: (1)可控整流:把交流电变换成电压值可调的直流电,作为直流电 动机、 蓄电池充电机、电解、电镀等设备的可调直流电源。 (2)逆变:把直流电变换成交流电。 (3)变频:把某种频率的交流电变换成另一种频率的交流电。 (4)交流调压:把有效值恒定的交流电压变换成有效值可以调节 的交流 电压。 (5)无触点开关:在控制系统中,用来迅速接通或断开大功率的交 流或 直流电路,而且不会产生火花。 二、晶闸管的结构及特性 1.晶闸管的结构 主要介绍使用最为广泛的普通型晶闸管。它的外形有螺栓式( 多为中 小功率)和平板式(多为中大功率),如图所示。晶闸管的符号如图 所示, 它有三个电极:阳极A、阴极K 和控制极(也称门极)G。 晶闸管的内部结构示意图如图所示,P型和N 型半导体组成四层 PNPN 结构,形成三个PN 结:J1 、J2 、J3 。由端面N 层半导体引出阴极 K,由 中间P 层引出控制极K,由端面P 层引出阳极A。所以,晶闸管又称为 四层 三端半导体器件。 2.晶闸管的特性 (1)晶闸管的反向阻断 如图所示,将晶闸管的阴极接电源的正端,阳极通过白炽灯H 接 U AA 的负端(此回路称为主回路),然后将控制极通过开关S 接电源UGG 的正 端,阴极通过保护电阻R接UGG 的负端(此回路称为触发回路)。这 时,不 管开关S 闭合与否,白炽灯HL 始终不亮。这说明当晶闸管加反向 电压时, 不管控制极是否加上正向电压,它都不会导通而处于阻断状态。这 种阻 断状态称为反向阻断状态。 (2)晶闸管的正向阻断 如图所示,当晶闸管加上正向电压时,如果开关S 不闭合,灯也 不亮。 这就说明晶闸管尽管加上正向电压,但控制极未加正向电压时,也 不会导 通而仍处于阻断状态。这种阻断状态称为晶闸管的正向阻断状态 。 (3)晶闸管的导通和控制极的作用 晶闸管怎样才能导通呢?如图所示,在晶闸管加上正向电压的同时, 合上开关S,使其控制极也加上正向电压,灯才被点亮。若在灯亮后,把开关 S 断开,则灯将继续点亮。由此可见,在阳极加上正向电压的同时,控制极 也必须加上正向电压,晶闸管才能导通。然而晶闸管一旦导通后,其控制极 便失去了控制作用。晶闸管导通时,阳极与阴极之间的正向压降很小,约为 1V。 (4)晶闸管导通后的关断 晶闸管导通后,将阳极电流减小到一定程度,晶闸管可由导通状 态变 为截止状态。由此可见,要维持晶闸管导通,它所通过的阳极电流 必须在 一定值以上。这个电流值就称为晶闸管的维持电流。 综上所述,可得出如下结论: 晶闸管导通的条件是:第一,阳极与阴极之间加正向电压;第 二,控 制极与阴极之间加正向电压。 晶闸管导通后,控制极就失去了控制作用。这时去掉或重复 供给 控制电压,都不会影响晶闸管的继续导通。 要使处于导通状态的晶闸管关断,必须将阳极电压降低使阳 极电 流小于管子的维持电流,或在阳极上加反向电压。 晶闸管正、反向都能够阻断,相当于一个可以控制的单向导 通开 关。与二极管比较它的正向导通具有可控性。 三、晶闸管的测试及使用注意事项 1.晶闸管的测试 (1)万用表测试法 根据PN 结的单向导电性,可用万用表测试判断晶闸管的阳极和阴 极,并 初步判断管子的好坏。 (2)电珠测试法 用万用表测试法只能初步鉴别晶闸管的好坏,而管子能否工作, 还需按 图接线进行测试,图中VT 为被测试的晶闸管。开关SA 未合上时,指 示灯 不应亮,否则表明管子阳极和阴极之间已短路。合上开关SA 指示灯 亮,再 断开开关SA,指示灯仍然亮,表明管子工作正常,可以使用。否则可 能是控 制极已损坏或阳、阴极已击穿而断路。 2.使用注意事项 晶闸管是具有体积小、损耗小、无声、控制灵敏度高等优点 的半导 体器件。但它对过流和过压承受能力比其他电器产品要小得多, 为了保 证管子正常工作,不致造成损坏,使用时应注意以下几点。 (1)在选择晶闸管额定电压、电流时应留有足够的安全余量。 (2)应有过电流、过电压保护和限制电流、电压变化率的措施 。 (3)晶闸管的散热系统应严格遵守规定要求,使用中若冷却系 统发生 故障,应立即停止使用或将负载减小到额定值的三分之一,作短时 应急 使用。 (4)严禁用兆欧表检查晶闸管的绝缘情况。 第六章 整流与直流稳压电路 常用的直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路 和稳压 电路组成,结构框图如图所示。 第一节 整流与滤波电路 整流电路是利用二极管(或晶闸管)的单向导电特性,把交流电转 变为 单向脉动直流电的电路。根据所用交流电源的相数,整流电路可分为 单相 整流、三相整流和多相整流。从整流所得的电压波形看,又可分为半 波整 流与全波整流。 一、单相半波整流电路 1.电路组成 单相半波整流电路如图所示,图中Tr 是整流变压器,VD 是整流二 极 管,RL 是负载电阻。 2.工作原理 其波形如图所示。式中U2 为 变压器二次绕组电压的有效值。 当u2 为正半周时,变压器二次绕 组的a 端为正,b 端为负,二极管 承受正向电压而导通。电流从a 端经二极管VD,通过负载RL 回到b 端。若略去二极管正向导通时的 管压降不计,则加在负载RL 上的 电压为u2 的正半周电压。当u2 为 负半周时,则b 端为正,a 端为负, 二极管承受反向电压而截止,电路 电流为零。这时,RL 两端电压也 为零。所以u2 的负半周电压全部 加在二极管上。电路电流和电压 的波形如图所示 3.电路的电压与电流 在输入正弦电压的一个周期内,负载获得的是脉动直流电压,其 大小用 平均值表示,经数学分析,可得 Uo = 0.45U2 表明,半波整流电路输出的直流电压平均值,等于输入的交流电 压(即 变压器二次绕组电压)有效值的0.45 倍。 因此,通过负载RL的直流电流平均值(简称直流电流)为 Io = Uo/RL = 0.45U2/RL 通过二极管的正向电流平均值(简称正向电流)等于通过负载的 电流, 即IF = Io 二极管截止时所承受的最大反向电压等于变压器二次绕组电压 的幅值, 即UVDRM 例:单相半波整流电路如图所示。已知直流负载电阻为20,工作电 压40 V,单相交流电源电压220V,试选择整流二极管,并计算变压器的变比 。 二、单相桥式全波整流电路 1.电路组成 单相桥式整流电路如图a所示,四个二极管作为整流器件接成电 桥形 式。电桥的一组对角顶点a、b 接交流输入电压;另一组对角顶点c 、d 接至直流负载。其中二极管VD1和VD2 负极接在一起的共负极端c 为整 流电源输出端的正极,而VD3和VD4 的正极接在一起的共正极端d 为其 负极。 2.工作原理 其波形如图所示。当u2 在正半 周 时,变压器二次绕组的a 端为正、b 端为负,二极管VD1 和VD3 因承受 正 向电压而导通,而二极管VD2 、VD4 因承受反向电压而截止。这时,电 流 从aVD1 RL VD3 b;当u2 为 负半周时,变压器次级线圈的a 端 为 负