项目一汽车照明电路设计.ppt

第1章汽车照明电路设计 1 1电路与电路模型1 2电路的基本物理量1 3功率和电能1 4电压源和电流源1 5受控电源1 6常见电路负载元件1 7汽车照明电路设计 本章学习目的及要求 本章内容是贯穿全课程的重要理论基础 要求在学习中给予足够的重视 通过本章学习要求理解理想电路元件和电路模型的概念 理解电压 电流及其参考方向的概念 深刻理解和掌握参考方向在电路分析中的应用 在实际应用中 利用电路元件的基本连接方法 进行电动车照明电路的设计 1 1电路与电路模型 电力系统中 负载 1 1 1电路 电路 由实际元器件构成的电流的通路 电路组成 电源 可将其他形式的能量转换成电能 向电路提供电能的装置 可将电能转换成其他形式的能量 在电路中接收电能的设备 中间环节 电源和负载之间不可缺少的连接 控制和保护部件统称为中间环节 如导线 开关及各种继电器等 电路的功能 电子技术中 电路可对电信号进行传递 变换 储存和处理 电路可对电能进行传输 分配和转换 1 1 2电路模型 在电路分析中 为了方便于对实际电气装置的分析研究 通常在一定条件下需要对实际电路采用模型化处理 即用抽象的理想电路元件及其组合近似地代替实际的器件 从而构成了与实际电路相对应的电路模型 电源 负载 负载 S 中间环节 手电筒的实体电路 手电筒的电路模型 白炽灯的电路模型可表示为 实际电路器件品种多 电磁特性多元而复杂 如 直接画在电路图中困难而繁琐 且不易定量描述 R L 消耗电能的电特性可用电阻元件表征 产生磁场的电特性可用电感元件表征 由于白炽灯中耗能的因素远大于产生磁场的因素 因此L可以忽略 理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似 其电特性惟一 精确 可定量分析和计算 白炽灯电路 理想电路元件分有有源和无源两大类 电阻元件只具耗能的电特性 电容元件只具有储存电能的电特性 理想电压源输出电压恒定 输出电流由它和负载共同决定 理想电流源输出电流恒定 两端电压由它和负载共同决定 无源二端元件 有源二端元件 电感元件只具有储存磁能的电特性 电路模型研究问题的特点 1 主要针对由理想电路元件构成的集总参数电路 其中电磁现象可以用数学方式来精确地分析和计算 2 研究与实际电路相对应的电路模型 实质上就是 探讨各种实际电路共同遵循的基本规律 1 元件中所发生的电磁过程都集中在元件内部进行 其次要因素可以忽略的理想电路元件 2 任何时刻从元件两端流入和流出的电流恒等且元件端电压的值确定 集总参数电路元件的特征 检验学习结果 电路由哪几部分组成 各部分的作用是什么 何谓理想电路元件 其中 理想 二字在实际电路的含义 集总参数元件有何特征 电流 强度 单位时间内通过导体横截面的电荷 电流的大小 稳恒直流情况下 1 2电路的基本物理量 1 2 1电流 电流的单位及换算 安培 A 库仑 C 秒 s 1A 103mA 106 A 109nA 电流是一个有方向的物理量 仅指出大小是不够 的 规定以正电荷移动的方向为电流的真实方向 1 分析电路前应选定电压电流的参考方向 并标在图中 2 参考方向一经选定 在计算过程中不得任意改变 参考方向是列写方程式的需要 是待求值的假定方向而不是真实方向 因此不必追求它们的物理实质是否合理 4 参考方向也称为假定正方向 以后讨论均在参考方向下进行 实际方向由计算结果确定 3 电阻 或阻抗 一般选取关联参考方向 独立源上一般选取非关联参考方向 5 在分析 计算电路的过程中 出现 正 负 加 减 及 相同 相反 这几个名词概念时 切不可把它们混为一谈 参考方向 1 2 2电压 a 电位V是相对于参考点的电压 参考点的电位 Vb 0 a点电位 Va E IR0 IR 电压U是反映电场力作功本领的物理量 是产生电流的根本原因 电压的正方向规定由 高 电位指向 低 电位 b U 电压的定义式为 单位换算 1V 10 3KV 103mV 106uv 电压和电流一样 也是一个有方向的物理量 1 实际正方向 规定为从高电位指向低电位 2 参考正方向 任意假定的方向 注意 必须指定电压参考方向 这样电压的正值或负值才有意义 1 4 列写电路方程时 电压 电流的正 负是以电路图上预先假定的参考方向为依据的 若计算结果为正值 说明电压 电流的真实方向与参考方向相符 否则相反 注意 定义 电位是一种由电路中的位置所确定的势能 具有明显的相对性 其高低正负取决于电路参考点 1 2 3电位 理论上电路参考点的选取是任意的 但实际应用中经常以大地作为零电位点 有些场合下 设备和仪器的底盘或机壳与接地装置相连时 也常选取与接地装置相连的机壳作为电路参考点 电子技术中为方便于问题的分析和研究 还常常把电子设备的公共连接点作为电路参考点 某点电位在数值上等于该点与参考点之间的电压 当电路参考点改变时 该电位随参考点发生变化 但它与原来参考点之间的差值不会发生改变 电位的定义式为 电压和电位是衡量电场力作功本领的物理量 电路中两点间电压的大小只取决于两点间电位的差值 是绝对的量 电位是相对的量 其高低正负取决于参考点 电压和电位的区别 电源和负载的区分 U I非关联方向时 假定元件是电源 为了便于分析电路 应预先在电路图上标示出电压 电流的方向 电路图上的电压 电流方向称为参考方向 原则上可以任意假定 元件究竟是电源还是负载 应由元件上电压 电流的实际方向决定 实际方向关联时 元件是负载 实际方向非关联时 元件是电源 U I关联方向时 假定元件是负载 电路如图所示 分别以A B为参考点计算C和D点的电位及C和D两点之间的电压 以A为参考点时 VC 3 3 9V VD 3 2 6V UCD VC VD 15V 以B为参考点时 VD 5V VC 10V UCD VC VD 15V 练一练 1 2 3功率和电能 单位时间内电流做的功称为电功率 用 P 表示 在直流电路中功率可表示为 P UI 功率 当电压和电流为关联参考方向时 用公式p ui或P UI计算 当电压和电流为非关联参考方向时 用公式p ui或P UI计算 当计算的功率p 0时 表明该时刻二端元件实际吸收 消耗 功率 当计算的功率p 0时 表明该时刻二端元件实际发出 产生 功率 电流能使电动机转动 电炉发热 电灯发光 说明电流具有做功的本领 电流做的功称为电功 电流做功的同时伴随着能量的转换 因此电功的大小可以用能量来量度 即 W UIt 式中单位 U V I A t s 时 电功W为焦耳 J 若U KV I A t h 时 电功W为度 KW h 电能 1度电的概念 1000W的电炉加热1小时 100W的灯泡照明10小时 40W的灯泡照明25小时 日常生活中 家用电度表就是用来测量电功的装置 只要用电器工作 电度表就会转动并且显示电流作功的多少 即电功的大小不仅与电压 电流的大小有关 还取决于用电时间的长短 例1 1 如图1 8所示的电路 已知元件A的电压U 5V 电流I 2A 已知元件B的电压U 4V 电流I 2A 试求元件A B的功率是多少 并说明是吸收还是发出功率 图1 8例1 1图 解 图1 8 a 中元件上的电压与电流为关联参考方向 在关联参考方向下显然是把元件假想为一个负载 因此元件吸收的功率为 元件吸收负功率 实际上发出功率 因此该元件实际上是一个电源 图1 8 b 中元件上的电压与电流为非关联参考方向 在非关联参考方向下显然是把元件假想为一个电源 因此元件发出的功率为 元件发出正功率 实际上吸收功率 因此图1 8 b 中元件实际上是一个负载 p吸 ui p吸 0 说明元件实际发出功率10W 例U 10V I 1A P吸 UI 10 1 10W 练一练 1 u i取关联参考方向 2 u i取非关联参考方向 p吸 ui 例U 10V I 1A P吸 UI 10 1 10W p吸 0 说明元件实际吸收功率10W 1 4电压源和电流源 电源中能够独立向外提供电能的电源成为独立源 电压源和电流源 不能向外提供电源的称为非独立源 受控源 3 伏安特性 平行于电流轴的一条直线 端电压是一定值 即US恒定 I由电源和外电路共同决定 2 基本特点 电路符号 1 4 1电压源 能独立向外电路提供恒定电压的二端元件 1 定义及符号 开路 4 理想电压源的开路与短路 短路 理想电压源不允许短路 5 理想电压源上的功率计算 关联参考方向下 P发 UIP吸 UI 非关联参考方向下 P发 UIP吸 UI 1 4 2电流源 2 基本特点 3 伏安特性 1 定义及图符号 能独立向外电路提供恒定电流的二端元件 电源供出的电流恒定 电源两端的电压由它和外电路共同决定 平行于电压轴的一条直线 开路 4 理想电流源的开路与短路 短路 理想电流源内阻无穷大 理想电流源不允许开路 光电池 稳流三极管一般可视为实际电流源 5 理想电流源上的功率计算 关联参考方向下 P发 ISUP吸 ISU 非关联参考方向下 P发 ISUP吸 ISU 理想电压源和理想电流源的串 并联 1 理想电压源的串联 US USk 注意参考方向 US US1 US2 串联 2 理想电压源的并联 电压相同的电压源才能并联 且每个电源的电流不确定 并联 3 理想电流源的串联与并联 IS ISk 注意参考方向 IS IS1 IS2 IS3 电流相同的理想电流源才能串联 且每个恒流源的端电压均由它本身及外电路共同决定 串联 并联 例1 2 图1 13所示电路 IS 1A 试分析电路中各元件的功率 图1 13例1 2图 解 流过电压源的电流由和它相连的电流源决定 IS 1A 电压源的电压和通过的电流为关联参考方向 其功率为 P UI 10 1 10W 大于0 所以 电压源吸收的功率为10W P UI 30 1 30W 小于0 电流源吸收的功率 30W 即发出了30W的功率 因此 整个电路中的总功率为零 电流源的端电压与它相连的电压源决定 电流源的电压电流为非关联参考方向 其功率为 电阻的功率为P UI 20 1 20W 大于0 即电阻吸收了20W的功率 1 5受控电源 1 定义 2 电路图符号 受控源的电压或电流不像独立源是给定函数 而是受电路中某个支路的电压 或电流 的控制 受控源和独立源的相同点 两者都是电源 可向负载提供电压或电流 受控源和独立源的不同点 独立电源的电动势或电流是由非电能量提供的 其大小 方向和电路中的电压 电流无关 受控源的电动势或电流 受电路中某个电压或电流的控制 它不能独立存在 其大小 方向由控制量决定 受控源分类 含有受控源的电路分析要点一 可以用两种电源等效互换的方法 简化受控源电路 但简化时注意不能把控制量化简掉 否则会留下一个没有控制量的受控源电路 使电路无法求解 含有受控源的电路分析要点二 如果一个二端网络内除了受控源外没有其他独立源 则此二端网络的开路电压必为0 因为 只有独立源产生控制作用后 受控源才能表现出电源性质 求含有受控源电路的等效电阻时 须先将二端网络中的所有独立源去除 恒压源短路处理 恒流源开路处理 受控源应保留 含受控源电路的等效电阻可以用 加压求流法 求解 例1 3 求图1 15中电路a b端钮的等效电阻Rab 图1 15例1 3图 解 以上表明 受控源和电阻的二端电路可以等效为一个电阻 该电阻的值为二端电路的端口电压与端口电流之比 含受控源 独立源和电阻的二端电路是一个电压源与电阻的串联组合或电流源与电阻的并联组合的二端电路 写出a b端钮的伏安关系为U 8I 5I 13I所以Rab U I 13 1 6常见的电路负载元件 电路元件是组成电路最基本的单元 按照外部端子的数目可以分为二端元件和多端元件 从能量特征方面可以分为有源元件和无源元件 前面介绍的电压源和电流源都属于有源元件 它们在电路中的作用是发出功率 负载元件在电路中的作用是消耗功率 把它们称为无源元件 本节将介绍常见的负载元件 电阻 电容和电感 1 6 1电阻元件 电阻元件是从实际电阻器抽象出来的理想模型 日常生活中常见的灯泡 扬声器 电炉等在一定条件下都可以等效为一个二端线性电阻元件 常见的各种电阻元件 电阻元件具有把电能转化为热能的作用 是一个耗能元件 电阻上消耗的功率可以通过功率的公式计算 例1 4 试求图1 18所示电路的未知量 R 10 解在图1 18 a 中 电压和电流为关联参考方向 所以 在图1 18 b 中 电压和电流为非关联参考方向 所以 图1 18例1 4图 1 6 2电容元件 1 电容元件电容元件也是一种基本的电子元件 具有储存电能的作用 它是各种电容器的理想化模型 常用的电容单位还有微法 F 皮法 pF 它们的换算关系为1F 106 F 10 12pF q Cu 1 14 2 电容元件的伏安关系如果电容两端的电压和电流取关联参考方向 那么有 式 1 15 表明电容上的电流与电容上的电压变化率成正比 如果i 0 表示电容在充电 电压升高 电流的实际方向与图中的参考方向一致 如果i 0 表示电容在放电 电压降低 电流的实际方向和参考方向不一致 1 15 电容在充电时吸收的能量全部转换为电场能量 放电时又将储存