汽车电工与电子技术教学课件(ppt 69页).ppt

汽车电工与电子技术教学课件第一章直流电路与分析 1 1电路与电路模型 1 4基尔霍夫定律 1 5电路的一般分析 1 3电压源 电流源及其等效变换 1 2电路的三种状态 本章要求 1 理解电路模型 电流 电压及其参考方向的概念 理解电位及其参考点的概念 会计算电路中各点的电位 2 了解实际电压源与电流源及其等效变换 理解等效概念 3 理解电能及电功率概念 电路的三种状态和电器设备的额定值 4 熟练掌握基尔霍夫定律 5 能运用基尔霍夫定律 叠加定理进行直流线性电阻电路的一般分析与计算 第一章直流电路与分析 1 1电路与电路模型 1 1 1电路 电路是电流的流通路径 它是由一些电气设备和元器件按一定方式连接而成的 1 电路的组成 负载 吸收电能的装置 电源 提供电能的装置 传输控制器件导线和开关 2 实现信号的传递与处理 2 电路的作用 1 实现电能的传输 分配与转换 2 电路的作用 电源 提供电能的装置 负载 取用电能的装置 中间环节 传递 分配和控制电能的作用 直流电源 提供能源 负载 信号源 提供信息 2 电路的作用 信号处理 放大 调谐 检波等 3 电路元件与电路模型 手电筒的电路模型 为了便于用数学方法分析电路 一般要将实际电路模型化 用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件 从而构成与实际电路相对应的电路模型 例 手电筒 手电筒由电池 灯泡 开关和筒体组成 理想电路元件主要有电阻元件 电感元件 电容元件和电源元件等 手电筒的电路模型 电池是电源元件 其参数为电源电压US和内阻Ro 灯泡主要具有消耗电能的性质 是电阻元件 其参数为电阻R 筒体用来连接电池和灯泡 其电阻忽略不计 认为是无电阻的理想导体 开关用来控制电路的通断 今后分析的都是指电路模型 简称电路 在电路图中 各种电路元件都用规定的图形符号表示 汽车电路举例 后窗除霜装置 1 作用在较冷的季节 车窗玻璃上会凝结上一层霜 雾 雪或冰 从而影响驾驶员的视线 为了避免水蒸气凝结 设置了除霜 雾 装置 需要时可以对风窗玻璃加热 2 组成和原理1 蓄电池 2 点火开关 3 熔丝 4 除霜器开关及指示灯 5 除霜器 电热丝 简化电路 后窗除霜电路 1 蓄电池 2 点火开关 3 熔丝 4 除霜器开关及指示灯 5 除霜器 电热丝 1 1 2电压和电流及其参考方向 1 电路基本物理量 1 电流 电流的实际方向为正电荷的运动方向 带电粒子 电子 离子等 的定向运动 称为电流 用符号i表示 即 当电流的量值和方向都不随时间变化时 称为直流电流 简称直流 直流电流常用英文大写字母I表示 电荷在电路中运动 必定受到力的作用 也就是电场力对电荷做了功 或者说带电粒子在电场中运动必然要做功 电场力做功的能力用电压来度量 电压的方向规定为由高电位点指向低电位点 并定义为 单位正电荷在电场力作用下 由a点运动到b点电场力所做的功 称为电路中a点到b点间的电压 即 在直流时 上式可写成 2 电压 1 1 2电压和电流及其参考方向 1 1 2电压和电流及其参考方向 物理中对基本物理量规定的方向 3 电路基本物理量的实际方向 2 参考方向的表示方法 电流 电压 1 参考方向 在分析与计算电路时 对电量任意假定的方向 4 电路基本物理量的参考方向 注意 在参考方向选定后 电流 或电压 值才有正负之分 实际方向与参考方向一致 电流 或电压 值为正值 实际方向与参考方向相反 电流 或电压 值为负值 5 实际方向与参考方向的关系 I 0 28A I 0 28A 电源电压为US 3V 例 电路如图所示 电流I的参考方向与实际方向相同 I 0 28A 反之亦然 电压U 的参考方向与实际方向相反 U 2 8V 即 U U 电压U的参考方向与实际方向相同 U 2 8V 2 8V 2 8V 元件的电压参考方向与电流参考方向是一致的 称为关联参考方向 电流和电压的关联参考方向 6 电位在电路中任选一点 叫做参考点 则某点的电位就是由该点到参考点0的电压 如果已知a b两点的电位各为Va Vb 则此两点间的电压 即两点间的电压等于这两点的电位的差 1 1 3电功率和电能 传递转换电能的速率叫电功率 简称功率 用p或P表示 1 电功率 在直流情况下功率的单位为瓦 特 简称瓦 符号为W 常用的有千瓦 kW 兆瓦 MW 和毫瓦 mW 等 从t0到t时间内 电路吸收 消耗 的电能为 2 电能 直流时 有 电能的SI主单位是焦 耳 符号为J 在实际生活中还采用千瓦小时 kW h 作为电能的单位 简称为1度电 所有元件接受的功率的总和为零 这个结论叫做 电路的功率平衡 3 电源与负载的功率判别 U I参考方向不同 P UI 0 电源 P UI 0 负载 U I参考方向相同 P UI 0 负载 P UI 0 电源 1 根据U I的实际方向判别 2 根据U I的参考方向判别 电源 U I实际方向相反 即电流从 端流出 发出功率 负载 U I实际方向相同 即电流从 端流出 吸收功率 例示为直流电路 U1 4V U2 8V U3 6V I 4A 求各元件接受或发出的功率P1 P2和P3 并求整个电路的功率P 解P1的电压参考方向与电流参考方向相关联 故 P1 U1I 4 4 16W 接受16W P2和P3的电压参考方向与电流参考方向非关联 故 P2 U2I 8 4 32W 接受32W P3 U3I 6 4 24W 发出24W 整个电路的功率P 设接受功率为正 发出功率为负 故 P 16 32 24 24W 图1 5例1 1图 1 2 1电阻元件 描述消耗电能的性质 根据欧姆定律 即电阻元件上的电压与通过的电流成线性关系 线性电阻 金属导体的电阻与导体的尺寸及导体材料的导电性能有关 表达式为 电能全部消耗在电阻上 转换为热能散发 1 2电路的三种状态 电路端电压与电流的关系称为伏安特性 遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻 它表示该段电路电压与电流的比值为常数 线性电阻的概念 线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线 1 欧姆定律 U I参考方向相同时 U I参考方向相反时 表达式中有两套正负号 1 式前的正负号由U I参考方向的关系确定 2 U I值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系 通常取U I参考方向相同 U IR U IR 解 对图 a 有 U IR 例 应用欧姆定律对下图电路列出式子 并求电阻R 对图 b 有 U IR 电流的参考方向与实际方向相反 电压与电流参考方向相反 2 电阻的串 并联 1 电阻的串联 特点 1 各电阻一个接一个地顺序相联 两电阻串联时的分压公式 R R1 R2 3 等效电阻等于各电阻之和 4 串联电阻上电压的分配与电阻成正比 2 各电阻中通过同一电流 应用 降压 限流 调节电压等 2 电阻的并联 两电阻并联时的分流公式 3 等效电阻的倒数等于各电阻倒数之和 4 并联电阻上电流的分配与电阻成反比 特点 1 各电阻联接在两个公共的结点之间 2 各电阻两端的电压相同 应用 分流 调节电流等 1 2电路的三种状态 1 电源有载工作 负载端电压 U IR 1 电压电流关系 1 2 2电路的三种状态 1 电流的大小由负载决定 2 在电源有内阻时 I U 或U US IR0 当R0 R时 则U E 表明当负载变化时 电源的端电压变化不大 即带负载能力强 电气设备的额定值 额定值 电气设备在正常运行时的规定使用值 例 一只220V 60W的白炽灯 接在220V的电源上 试求通过电灯的电流和电灯在220V电压下工作时的电阻 如果每晚工作3h 小时 问一个月消耗多少电能 注意 电气设备工作时的实际值不一定都等于其额定值 要能够加以区别 解 通过电灯的电流为 电气设备的三种运行状态 欠载 轻载 I IN P PN 不经济 过载 超载 I IN P PN 设备易损坏 额定工作状态 I IN P PN 经济合理安全可靠 在220V电压下工作时的电阻 一个月用电 W Pt 60W 3 30 h 0 06kW 90h 5 4kW h 特征 开关断开 2 开路 1 开路处的电流等于零 I 0 2 开路处的电压U视电路情况而定 电路中某处断开时的特征 电源外部端子被短接 3 电源短路 1 短路处的电压等于零 U 0 2 短路处的电流I视电路情况而定 电路中某处短路时的特征 短路 断路 汽车电气设备线路常见故障 1 开路 断路 故障 右图 2 短路 短接 故障 下图 3 接触不良 接触电阻过大 故障 1 3电压源与电流源及其等效变换 1 3 1电压源 电压源模型 由上图电路可得 U US IR0 若R0 0 理想电压源 U US U0 US 电压源的外特性 电压源是由电源电压US和内阻R0串联的电源的电路模型 若R0 RL U US 可近似认为是理想电压源 理想电压源 O 电压源 理想电压源 恒压源 例1 2 输出电压是一定值 恒等于电动势 对直流电压 有U US 3 恒压源中的电流由外电路决定 特点 1 内阻R0 0 设US 10V 接上RL后 恒压源对外输出电流 当RL 1 时 U 10V I 10A当RL 10 时 U 10V I 1A 电压恒定 电流随负载变化 1 3 2电流源 U0 ISR0 电流源的外特性 理想电流源 O IS 电流源是由电流IS和内阻R0并联的电源的电路模型 由上图电路可得 若R0 理想电流源 I IS 若R0 RL I IS 可近似认为是理想电流源 电流源 理想电流源 恒流源 例1 2 输出电流是一定值 恒等于电流IS 3 恒流源两端的电压U由外电路决定 特点 1 内阻R0 设IS 10A 接上RL后 恒流源对外输出电流 当RL 1 时 I 10A U 10V当RL 10 时 I 10A U 100V 外特性曲线 I U IS O 电流恒定 电压随负载变化 1 3 3电压源与电流源的等效变换 由图a U US IR0 由图b U ISR0 IR0 US 等效变换时 两电源的参考方向要一一对应 理想电压源与理想电流源之间无等效关系 电压源和电流源的等效关系只对外电路而言 对电源内部则是不等效的 注意事项 例 当RL 时 电压源的内阻R0中不损耗功率 而电流源的内阻R0中则损耗功率 任何一个电源电压US和某个电阻R串联的电路 都可化为一个电流为IS和这个电阻并联的电路 例1 求下列各电路的等效电源 解 例2 试用电压源与电流源等效变换的方法计算2 电阻中的电流 解 由图 d 可得 支路电流法以每个支路的电流为求解的未知量 1 4基尔霍夫定律 支路 电路中的每一个分支 一条支路流过一个电流 称为支路电流 结点 三条或三条以上支路的联接点 回路 由支路组成的闭合路径 网孔 内部不含支路的回路 例1 支路 ab bc ca 共6条 回路 abda abca adbca 共7个 结点 a b c d 共4个 网孔 abd abc bcd 共3个 1 4 1基尔霍夫电流定律 KCL定律 1 定律 即 入 出 在任一瞬间 流向任一结点的电流等于流出该结点的电流 实质 电流连续性的体现 或 0 对结点a I1 I2 I3 或I1 I2 I3 0 基尔霍夫电流定律 KCL 反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系 电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面 2 推广 I 例 I 0 IA IB IC 0 广义结点 在任一瞬间 沿任一回路循行方向 回路中各段电压的代数和恒等于零 1 4 2基尔霍夫电压定律 KVL定律 1 定律 即 U 0 在任一瞬间 从回路中任一点出发 沿回路循行一周 则在这个方向上电位升之和等于电位降之和 对回路1 对回路2 U1 I1R1 I3R3 I2R2 I3R3 U2 或I1R1 I3R3 U1 0 或I2R2 I3R3 U2 0 基尔霍夫电压定律 KVL 反映了电路中任一回路中各段电压间相互制约的关系 1 列方程前标注回路绕行方向 U 0I2R2 U2 UBE 0 2 应用 U 0列方程时 项前符号的确定 凡支路电压的参考方向与回路绕行方向一致者 此电压前面取 号 反之电压前面取 号 3 开口电压可按回路处理 注意 对回路1 例 对网孔abda 对网孔acba 对网孔bcdb R6 I6R6 I3R3 I1R1 0 I2R2 I4R4 I6R6 0 I4R4 I3R3 U 0 对回路adbca 沿逆时针方向循行 I1R1 I3R3 I4R4 I2R2 0 应用 U 0列方程 对回路cadc 沿逆时针方向循行 I2R2 I1R1 U 0 1 5电路的一般分析 支路电流法 叠加定理 1 5 1支路电流法 支路电流法 以支路电流为未知量 应用基尔霍夫定律 KCL KVL 列方程组求解 对上图电路支路数 b 3结点数 n 2 回路数 3单孔回路 网孔 2 若用支路电流法求各支路电流应列出三个方程 1 在图中标出各支路电流的参考方向 对选定的回路标出回路循行方向 2 应用KCL对结点列出 n 1 个独立的结点电流方程 3 应用KVL对回路列出b n 1 个独立的回路电压方程 通常可取网孔列出 4 联立求解b个方程 求出各支路电流 对结点a 例1 I1 I2 I3 0 对网孔1 对网孔2 I1R1 I3R3 U1 I2R2 I3R3 U2 支路电流法的解题步骤 支路数b 4 但恒流源支路的电流已知 则未知电流只有3个 能否只列3个方程 例2 试求各支路电流 1 2 支路中含有恒流源 可以 注意 1 当支路中含有恒流源时 若在列KVL方程时 所选回路中不包含恒流源支路 这时 电路中有几条支路含有恒流源 则可少列几个KVL方程 2 若所选回路中包含恒流源支路 则因恒流源两端的电压未知 所以 有一个恒流源就出现一个未知电压 因此 在此种情况下不可少列KVL方程 1 应用KCL列结点电流方程 支路数b 4 但恒流源支路的电流已知 则未知电流只有3个 所以可只列3个方程 2 应用KVL列回路电压方程 3 联立解得 I1 2A I2 3A I3 6A 例3 试求各支路电流 对结点a I1 I2 I3 7 对回路1 12I1 6I2 42 对回路2 6I2 3I3 0 当不需求a c和b d间的电流时 a c b d 可分别看成一个结点 支路中含有恒流源 1 2 因所选回路不包含恒流源支路 所以 3个网孔列2个KVL方程即可 1 应用KCL列结点电流方程 支路数b 4 且恒流源支路的电流已知 2 应用KVL列回路电压方程 3 联立解得 I1 2A I2 3A I3 6A 例3 试求各支路电流 对结点a I1 I2 I3 7 对回路1 12I1 6I2 42 对回路2 6I2 UX 0 1 2 因所选回路中包含恒流源支路 而恒流源两端的电压未知 所以有3个网孔则要列3个KVL方程 3 UX 对回路3 UX 3I3 0 解得I1 10A I2 5A I3 5A 例4所示电路中 Us1 130V R1 1 为直流发电机的模型 电阻负载R3 24 Us2 117V R2 0 6 为蓄电池组的模型 试求各支路电流和各元件的功率 解以支路电流为变量 应用KCL KVL列出方程式 并将已知数据代入 即得 I2为负值 表明它的实际方向与所选参考方向相反 这个电池组在充电时是负载 Us1发出的功率为 Us1I1 130 10 1300W Us2的功率为 Us2I2 117 5 585W 吸收功率 即Us2接受功率585W 各电阻接受的功率为 功率平衡 表明计算正确 1 5 2叠加原理 叠加原理 对于线性电路 任何一条支路的电流 都可以看成是由电路中各个电源 电压源或电流源 分别作用时 在此支路中所产生的电流的代数和 叠加原理 由图 c 当IS单独作用时 同理 I2 I2 I2 由图 b 当U单独作用时 根据叠加原理 叠加原理只适用于线性电路 不作用电源的处理 U 0 即将E短路 Is 0 即将Is开路 线性电路的电流或电压均可用叠加原理计算 但功率P不能用叠加原理计算 例 注意事项 应用叠加原理时可把电源分组求解 即每个分电路中的电源个数可以多于一个 解题时要标明各支路电流 电压的参考方向 若分电流 分电压与原电路