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汽车电工电子基础 1 是一门汽车类专业的专业基础课 2 是汽车维修技术中所应用的电工电子基础知识 3 是汽车电气系统维修所必备的基本知识 1 课堂认真听讲 课后用少量时间复习 2 注重理论与实践相结合 培养分析解决实际问题的能力 学习本课程的意义 学习本课程的原则 1 直流电路2 正弦交流电路3 三相交流电路4 电磁学的应用5 发电机与电动机6 安全用电7 半导体二极管及晶体管的应用8 集成运算放大器及数字电路基础 本书主要讲授内容 单元一直流电路 知识目标 电路的组成及基本概念电路模型电位的计算电路分析的常用方法 能力目标 能用万用表测量直流电路中电流 电压 电阻能解决直流电路中的联结问题 第一节电路的组成及其基本概念 一电路 电流流经的闭合路径称为电路 由电工设备和导线联接组成 电路的组成 电源 将非电能转化成电能的装置 中间环节 把电源与负载连接起来 负载 将电能转化成非电能的设备 电路的分类 电力电路 传输 转换和分配电能 电信电路 传递 变换和处理信号 由干电池 电源 小电珠 负载 和开关 中间环节 三部分组成的手电筒电路是电力电路 由话筒 放大器 扬声器组成的扩音器电路是电信电路 在电路理论中 信号源 或电源 提供的电压或电流称为激励 由于激励在电路各部分产生的电压和电流称为响应 激励和响应 电路分析就是在已知电路的结构和元件参数的条件下 分析电路的激励与响应之间的关系 电路模型 将实际元件理想化 在一定条件下考虑电路元件的主要性质忽略其次要性质 使之尽可能用简单的数学式表达 这样经过简化的元件称为理想元件或元件模型 理想的电路元件主要有 电阻元件 电容元件 电感元件及电压源和电流源等 用理想电路元件代替实际电路元件而构成的电路称为电路模型 电路理论不是研究实际电路的理论 而是研究由理想元件构成的电路模型的理论 常见元件的图形符号 图1 3手电筒的电路模型 电流强度 单位时间内通过导体某一横截面的电荷量称为电流强度 简称电流 电流的形成 带电粒子 电子 离子等 在外力作用下有规则的定向运动就形成了电流 二电流 电流强度单位 A mA A 电流参考方向 可以任意假设 选定参考方向之后 电流才有正负之分 与实际方向一致时为正值与实际方向相反时为负值 I 电流实际方向 习惯上规定正电荷移动的方向或负电荷移动的反方向为电流的方向 电流的方向 如不特别说明 以后在电路中标注的电流方向均为参考方向 在分析电路时 首先假定电流的参考方向 并据此分析计算 然后再从答案的正 负值来确定电流的实际方向 实际方向 是物理中规定的 而 假设正方向 则是人们在进行电路分析计算时 任意假设的 直流电路与交流电路 设在dt时间内通过导体某一横截面的电荷量为dq 则任意瞬时通过该截面的电流为i dq dt若i dq dt为常数 则这种电流为恒定电流 简称直流在直流电路中上式可以写 I Q t若i dq dt不是常数 大小与方向上都在发生变化 则这种电流为交流电路 对电流要从大小 方向及单位三个方面来进行描述 缺一项则没有意义 电压 电场力把单位正电荷由A点移到B点所作的功在数值上等于A B两点的电压 是衡量电场力做功能力的物理量 三电压 uab dw dq 电压单位 V 10 3kV 103mV 直流电压 U w q 1V 电压实际方向 规定从高电位点指向低电位点为电压方向 即电压降的方向 电压参考方向 可以任意假设 与实际方向一致时为正值与实际方向相反时为负值 电压的方向 电压是标量 但在分析电路时 和电流一样 也说他们具有方向 关联方向 电压与电流的参考方向一致 则称电流与电压为关联参考方向 非关联方向 若电流与电压的参考方向相反 则称电流与电压为非关联参考方向 虽然电压的参考方向可以任意设定 但一般情况下总是选择关联参考方向 如不特别说明 以后在电路中标注的电压方向均为参考方向 电压标注的方式有以下三种 极性符号表示 参考方向由正指向负 双下标表示 参考方向由a指向b 箭头表示 注意 1 电压是针对电路中某两点之间来说的 描述电路中的某一点或多于两点的电压是没有任何意义的 2 与电流一样 对电压的描述也要求指出电压的大小 方向及单位 缺一不可 练习 1 在图中 Uab 5V 试问a b两点哪点电位高 解 Uab的参考方向为由a指向b 而Uab 0 实际方向同参考方向相反 即电压实际方向为b指向a 故b点电位高于a点电位 a b 2 在下图中 U1 6V U2 4V 试问Uab等于多少伏 解 在两元件之间设点c 如图所示 则Uab Uac Ucb U1 U2 6 4 V 10V Uab是否表示a端电位高于b端电位 电流值和电压值的测量 1 电流在实际中 将电流表串接在电路中来测量某支路的电流 测量时要注意选择电流表的量程 极性 直流表 以减小误差 保护仪表 由于电流表必须串接入电路中 往往显得不太方便 在测量电阻上的电流时 可以测其电压然后根据欧姆定律换算出流经电阻的电流 根据电流值选择线路导线时 要查阅电工手册 注意选择导线的线径 以防止线路因电流过大而烧坏 2 电压电路中两点间的电压可用电压表测量 测量时只需将表笔并接于被测电路的两点之间即可 注意选择电压表合适的量程和极性 直流电压表 注意 电压表和电流表的连接都要根据实际方向来进行 不能靠参考方向来进行 四电动势 电动势 是衡量电源力做功能力的物理量 在数值上等于电源力将单位正电荷从电源的负极通过电源内部移送到正极时所做的功 电动势参考方向 可以任意假设 与实际方向一致时为正值与实际方向相反时为负值 电动势实际方向 在电源内部由低电位指向高电位端 是电位升高的方向 直流电动势的表示方法 五电位 电压是什么 电压实际上是电路中两点之间的电位差 它只能说明一点的电位高 另一点的电位低 以及两点之间的电位差是多少 并不能说明电路中某一点的电位是多少 电位定义 电位就是电场力把单位正电荷从电路中某点移动到参考点所做的功 通常设参考点电位为零 电位符号用V表示 单位与电压单位相同 根据上述电压 电位的定义 可以证明 电路中任意两点之间的电压就等于这两点间的电位差 即 UAB VA VB 某点电位为正 说明该点电位比参考点高 某点电位为负 说明该点电位比参考点低 2 电位值是相对的 参考点选取的不同 电路中各点的电位也将随之改变 3 电路中两点间的电压值是固定的 不会因参考点的不同而变 即与零电位参考点的选取无关 1 参考点可以任意选择 一个电路只能同时选择一个参考点 电路中的参考点 借助电位的概念采用习惯画法可以简化电路图 电路图习惯画法 对于有一端接地的电压源不再画出电压源符号 而只在电源的非接地端处标明电压的数值和极性 例1 有一电路如1 6所示 问 1 零电位参考点在那里 画电路图表示出来 2 当将电位器Rp的滑动触点向下滑动时 A B两点的电位增高了还是降低了 图1 6 解 1 零电位参考点在正负电位之间的C点 如图所示 2 电流为I 12 12 Rp R1 R2 根据UDA VD VA 则A点的电位为VA VD UDA 12 IR1 根据UEB VE VB则B点的点位为VB VE UEB 12 IR3当电位器的滑动触点向下滑动时Rp增大电流I减小 则VA增大 VB减小 解 图中B点的电位VB 3V 可以理解为B点与零电位参考点O之间接有E2 3V的理想电压源 其 端接B点 端接O点 同理Vc 6V 可理解为C点与参考点O之间接有E1 6V理想电压源 端接C点 端接O点 而A点是悬空的 因此 上图可改画成下图的形式 例2 计算下图中所示电路中A点的电位 VB 3V Vc 6V I E1 E2 R1 R2 6 3 3 2 1 8mA 3V 例3 求图示电路中各点的电位 Va Vb Vc Vd 解 设a为参考点 即Va 0V Vb Uba 10 6 60VVc Uca 4 20 80VVd Uda 6 5 30V 设b为参考点 即Vb 0V Va Uab 10 6 60VVc Ucb E1 140VVd Udb E2 90V Uab 10 6 60VUcb E1 140VUdb E2 90V Uab 10 6 60VUcb E1 140VUdb E2 90V b a 练习 1 如下图所示 试求图中A点和B点的电位 如将A B两点直接连接或接一电阻 对电路工作有无影响 解 对左边回路 VA 8 20 12 8 V 8V 对右边回路 VB 4 16 4 4 V 8V 可见A B两点等电位 如将A B两点直接联接或接一电阻 对电路工作无影响 2 如下图a所示 在开关S断开和闭合的两种情况下试求A点的电位 解 将原电路改画成上图b所示电路 S断开时I 12 12 20 3 9 3 mA 0 892mAA点电位VA 20I 12 5 84V S闭合时I 12 20 3 9 mA 0 502mAVA 3 9I 1 96V 电位计算步骤 1 任选电路中某一点为参考点 设其电位为零 2 将电路补充完整 3 标出各电流参考方向并计算 4 计算各点至参考点间的电压即为各点的电位 六功率 电功率 是电路元件在单位时间内吸收或释放的电能 或者说电能对时间的变化率 简称功率 在直流电路中 功率用大写字母P表示功率P UI I2R U2 R 电压 电流取关联参考方向1 若P 0 表明该元件吸收功率 属于负载性质 电流从 端流入 2 若P 0 表明该元件产生功率 属于电源性质 电流从 端流出 电源和负载的判断方法 电源和负载分别是吸收功率还是释放功率 电路有空载 短路 有载工作三种状态 现在以图1所示的简单直流电路为例来分析电路的各种状态 七电路的三种状态 空载 短路 有载 图1 E为电源电动势 R0为电源内阻 RL为负载电阻 有载工作状态当上图开关S闭合时 电路中有电流流过 电源输出电功率 负载取用电功率 这称为有载工作状态 有载工作状态特点 1 电路中电流I E R0 RL 2 负载电阻两端的电压U RLI E R0I 当电源内阻极小时 U E 由上式可见 电源端电压小于电动势 两者之差为电流通过电源内阻所产生的电压降R0I 电流愈大 则电源端电压下降的愈多 3 又因为UI EI R0I2则P PE P式中PE EI 是电源产生的功率 P R0I2 是电源内阻上损耗的功率 P UI是电源输出的功率 例 在下图中 U 220V I 5A 内阻R01 R02 0 6 1 试求电源的电动势和负载的反电动势 2 试说明功率的平衡 解 1 电源U E1 U1 E1 R01IE1 U R01I 220V 0 6 5V 223V负载U E2 U2 E2 R02IE2 U R02I 220V 0 6 5 217V 2 有 1 中两式可得 E1 E2 R01I R02I 等号两边同乘I 则得E1I E2I R01I2 R02I2 E1I 223 5W 1115W是电源功率E2I 217 5W 1085W是负载取用功率R01I2 15W电源内阻功率R02I2 15W负载内阻功率 谁是电源 谁是负载 空载状态当开关断开时 电路电流为零 这称为空载 也称为开路 电源端电压称为开路电压 等于电源的电动势 负载电压为零 I 0U1 E U2 0PE P2 0 电路空载特征 短路状态当电路两端的导线由于某种事故而直接相连 这时电源输出电流不经过负载 只经过导线直接流回电源 这种状态称为短路状态 简称短路 I Isc E R0U2 0PE I2scR0 E2 R0P2 0 电路短路状态的特征 为了保证电气设备和器件能安全 可靠和经济地工作 制造厂规定了每种设备和器件在工作时所允许的最大电流 最高电压和最大功率 称为电气设备和器件的额定值 常用下标符号N表示 如IN UN PN 又称铭牌值 满载 电气设备和器件应尽量的工作在额定状态 这中状态又称为满载 能保证电气设备工作可靠 而且具有足够的使用寿命 轻载 电气设备低于额定值的工作状态称为轻载 得不到正常的工作情况 不能充分利用设备的工作能力 过载 电气设备高于额定值的工作状称为过载 会导致过热 绝缘层破坏 长时间过载会缩短设备的使用寿命损坏电气设备 1 电路及电路模型 2 电流 3 电压 4 电动势 5 电位 6 电功率 7 电路的三种工作状态8 电气设备的三种工作状态 第二节电阻 电荷在电场力的作用下在导体中移动时遇到的阻力称为电阻 材料的电阻仅与自身因素有关 用公式表示 上式中 是与材料有关的物理量 称为电阻率 其单位 m L为材料的长度 S为材料的横截面积 电阻的单位为 电阻的符号如图1 所示 a 图为线性电阻 b 为非线性电阻 在关联参考方向下 当 是常数时 该电阻称为线性电阻 其伏安特性曲线为通过原点的一条直线 电阻元件的功率为 电阻是耗能元件 即总是消耗能量的 在国际单位制中电阻单位 欧姆 欧 线性电阻与非线性电阻 线性电阻 如果电阻值始终为一常数 其大小仅取决于材料的性质 而与加在其两端的电压和与流过其电流无关 这种电阻称之为线性电阻 非线性电阻 如果电阻不是一个常数 其大小不仅取决于材料的性质 而与其所处的外界因素有关 例如温度 光照等 这种电阻称之为非线性电阻 如光敏电阻 其电阻值与光照有关 二 电阻器的分类与标记 电阻器是汽车电气电子设备中用得最多的基本元件之一 1 电阻器的用途 1 控制和调节电路中的电流和电压 2 用作消耗电能的负载 2 电阻器的分类 按阻值分 固定电阻器和可调电阻器 常称为电位器 按材料分 碳膜电阻器 金属膜电阻器 线绕电阻等 按功率分 1 16 1 8 1 4 1 2 1 2 按精确度分 精确度为 5 10 20 等普通电阻器 精确度为 0 1 0 2 0 5 1 2 的精密电阻器 3 固定电阻器 电阻器型号 命名方法根据国家规定 如表1 7所示 电阻器型号标称实例 电阻型号命名方法 电阻器阻值的标注方法有两种 直标法 色标法 1 直标法 3W3 表示阻值为3 3W 允许误差 5 5M1 表示阻值为5 1MW 允许误差 10 1K8 表示阻值为1 8KW 允许误差 20 将电阻器的阻值和误差直接用数字和字母印在电阻上 无误差标示为允许误差20 也有采用习惯标记法的 如 2 色标法 色标法 用颜色表示元件的各种参数并且直接标志在产品上的一种标志方法 表1 1常用电阻器色码与数值的对应表 银 10 36000 5 1 87k 1 怎么用色标法表示 10 电阻器额定功率的识别 电阻器的额定功率指电阻器在直流或交流电路中 长期连续工作所允许消耗的最大功率 有两种表示方法 2 以上的电阻器 直接用数字印在电阻体上 2 以下的电阻 以自身体积大小来表示功率 在电路图上表示电阻器功率时 采用图1 12所示的符号 2 可调电阻器 一般称为电位器 从形状分 圆柱形 长方体等 从结构上分 直滑式 旋转式 带开关式 带锁紧装置式 多联式 多圈式 微调式 无接触式等 从材料上分 碳膜 合成膜 有机导电体 金属玻璃釉 合金电阻丝等 欧姆定律 欧姆定律的内容 流过电阻上的电流与加在电阻上的电压成正比 与该电阻的阻值成反比 当电流 电压参考方向选择相同 关联 时见图1 a 所示 用公式表示为 当电流 电压参考方向选择相反时 非关联 见图1 b 所示 用公式表示为 1 11 1 10 一个式子中有两套正负号 参考方向不同加负号 电压和电流本身还有正值和负值之分 例1 应用欧姆定律对下图中的电路列出式子 并求电阻R 解 a R U I 6 2 3 b R U I 6 2 3 c R U I 6 2 3 d R U I 6 2 3 解 a Uab和I参考方向一致 故I Uab R 6 3 103 2mAI 0 表明I的实际方向同参考方向相反 b 设三个元件的联接点为d 则Uab Uad Udb 5I1 5I2 5 2 5 1 V 5VUbc Udb Udc 5I2 5I3 5 1 5 3 V 20VUca U Uda 5I3 5I1 5 3 5 2 V 25V 例2 计算I和U 电阻元件特性 电阻元件是表示电路中消耗电能 反映电流热效应这一物理现象的理想电路元件 是从实际电阻器中抽象出来的如灯 电炉等用做消耗电能的负载 用字母R表示 电阻这个名词即表示电路元件 又表示元件的参数 电阻作用 控制和调节电路中的电流和电压 对各种电热器件如电熨斗 电烙铁 电阻炉等 常忽略其电感 电容的性质 而认为它们是只具有消耗电能特性的电阻元件 电阻的串联 并联以及等效变换 1 电阻的串联 如果电路中有两个或更多个电阻一个接一个地顺序相连 并且这些电阻通过同一个电流 则这样的连接法就称为电阻的串联 串联电阻的等效 两个串联电阻可以用一个等效电阻R来代替 等效的条件在同一电压U的作用下电流I保持不变 等效电阻等于各个串联电阻之和 即 R R1 R2 两个串联电阻上的电压分别为 U1 R1I R1 R1 R2 UU2 R2I R2 R1 R2 U 串联电阻上电压的分配与电阻成正比 1 电阻的并联 如果电路中有两个或更多个电阻连接在两个公共的结点之间 则这样的连接法就称为电阻的并联 并联电阻的等效 两个并联电阻也可以用一个等效电阻R来代替 等效的条件是各个并联支路电阻上受到同一电压 等效电阻的倒数等于各个并联电阻的倒数之和即 1 R 1 R1 1 R2 上式也可写成G G1 G2 式中G称为电导 是电阻的倒数 在国际单位中 电导的单位是西 门子 两个并联电阻上的电流分别为 I1 U R1 RI R1 IR2 R1 R2 I2 U R2 RI R2 IR1 R1 R2 并联电阻上的电流分配与电阻成反比 当其中某个电阻较其他电阻大很多时 通过它的电流就较其他电阻上的电流小很多 一般这个电阻的作用可以忽略不计 并联的负载愈多 则总电阻愈小 电路中总电流和总功率也就愈大 但是每个负载的电流和功率却基本没有变动 例 下图所示的是用变阻器调节负载电阻RL两端电压的分压电路 RL 50 电源电压U 220V 中间环节是变阻器 变阻器的规格是100 3A 现把它平分为四段 在图上用a b c d e等点标出 试求滑动触点分别在a b c d e五点时 负载和变阻器各段所通过的电流及负载电压 并就流过变阻器的电流与其额定电流比较来说明使用时的安全问题 解 1 在a点 UL 0IL 0Iea U Rea 2 2A 2 在c点 R RcaRL Rca RL Rec 75 Iec U R 2 93A IL Ica 1 47A UL RLIL 73 5V 当电流流经电阻时实现了能量的转换 将电能转换为光能 热能或其它形式的能 能量之间转换的快慢程度可用功率来描述 在外电路中 电场力移动电荷做功w与单位时间t的比值定义为电路的功率 用公式表示 根据欧姆定律可得 电阻上的功率 电阻的功率 P总是大于0 故电阻总是取用功率的负载 例 一电阻标称值为10 10W 在8V的电压下工作 其工作电流为多少 如工作12小时 用电量是多少 若在12V电压下工作 情况又怎样 解 在8V电压下工作 消耗功率为 可正常工作 此时电流为 工作12小时 消耗电能为 若工作在12V电压下 电阻上的功率为 超过电阻额定功率电阻将损坏 通过上例可知 在使用电阻器时要根据其标称值 先计算电阻能够承受的电流或电压 以避免损坏电阻器 对于一个任意的电路元件 用下面方法算出其功率 若功率大于零则该元件吸收功率 在电路中作为负载元件 若功率小于零 则该元件为发出功率 在电路中作为电源元件 元件的电压与电流为关联方向 元件的电压与电流为非关联方向 即P 0时元件吸收功率 P 0时元件发出功率 三 特殊电阻器在汽车上的应用 1 热敏电阻器是电阻式温度传感器的一种 一般把金属氧化物陶瓷半导体材料 经成形 烧结等工艺制成的测温元件叫热敏电阻 有一部分热敏电阻由碳化硅材料制成 热敏电阻的分类 正温度系数热敏电阻 电阻值随温度上升而增加 PTC 负温度系数热敏电阻 电阻值随温度上升而降低 NTC 临界温度热敏电阻 在临界温度时 其阻值发生跃变 热敏电阻的应用 工作温度范围为 20 130 的热敏电阻可用于水温和气温的检测 工作温度范围为600 1000 的高温检测电阻 用于排气温度的检测 热敏电阻式冷却水温传感器外观与特性曲线 压敏电阻 半导体压敏电阻式进气压力传感器 变形与压力成正比尺寸小 精度高 成本低及响应性 再现性 抗振性较好 电阻应变计式碰撞传感器 应变计的应变电阻产生变形 阻值随之发生变化 经过信号处理与放大后 传感器输出端的信号电压就会发生变化 电阻应变式碰撞传感器 一 电容元件及其特性 电容元件是从实际电容器抽象出来的电路模型 该元件具有储存电场能量的性质 实际电容器的结构 由两块金属板中间充满介质 再引出两个电极就构成一个电容器 第三节电容 充电 使电容器带电的过程充电的过程就是储存电能的过程放电 充电的电容器失去电荷的过程 电容器的特点1 充电和放电 电容器两端加上电压后 两块极板上将出现等量异号电荷 并在两极板间形成电场 储存电场能 电容器符号 电容器的特点2 隔直流通交流 用符号C表示 公式 国际单位制中的单位 法拉 法 F 电容量 简称电容 是表征电容器储存电荷本领的物理量 其大小等于电容器任一极板上所储存的电荷量 与两极板间电压 的比值 充放电电流 电容元件上通过的电流与元件两端的电压相对时间的变化率成正比 电压变化越快 电流越大 当电容元件两端加恒定电压时 因 这时电容元件相当于开路 所以电容元件有隔直流的作用 F pF 电容元件极板间储存的电场能量为 电容元件在某时刻储存的电场能量与元件在该时刻所承受的电压的平方成正比 与电流无关 电容元件不消耗能量 是储能元件 电容元件的用途 隔直流耦合交流旁路交流滤波定时组成振荡电路 二 电容器的类型及标记 1 电容器的主要种类和特点 分为固定电容器和可调电容器 按电容器的介质材料分为 纸介 金属化纸介 有机薄膜纸介 瓷介 云母 铝电解 电解等类型 1 纸介电容器用纸做介质 其温度系数大 稳定性差 损耗大 有较大的固有电感 只适合要求不高的低频电路 2 金属化纸介电容器结构和性能与纸介电容器相近 但体积和损耗较后者小 内部纸介质击穿后有自愈作用 3 有机薄膜介质电容器包括极性介质和非极性介质两类 极性介质电容器耐热和耐压性能好 常用的极性介质电容器有涤纶电容器 耐热性能好 但损耗较大 不宜用于高频 和聚碳酸酯电容器 性能优于涤纶电容器 非极性介质电容器损耗小 绝缘电阻高 广泛用于高频电路和对容量要求精密 稳定的电路中 常用的非极性电容器有聚苯乙烯电容器 聚丙烯电容器等 4 瓷介电容器介质材料为电容器陶瓷 其中高频瓷介电容器损耗小 稳定性好 可在高温下使用 低频瓷介电容器损耗大 稳定性差 但容量易做得大 独石电容器是一种多层结构的陶瓷电容器 具有体积小 容量大 低频独石电容器可达0 47 耐高温和性能稳定等特点 5 云母电容器以云母作为介质的云母电容器具有很高的绝缘性能 即使在高频时使用也只有很小的介质损耗 自身电感很小 工作频率高 工作电压高等特点 6 电解电容器电解电容器的介质为很薄的氧化膜 故容量可做得很大 电解电容器一般有正 负极性 使用中要注意把正极接到电路中高电位的一端 电解电容器的主要品种有铝电解电容器 钽电解电容器和铌电解电容器 前者价格便宜 最大容量可达几法 但性能较差 寿命短 后者性能优于铝电解电容器 但价格较贵 2 电容器的额定直流工作电压 指在线路上能够长期可靠地工作而不被击穿时所能承受的最大直流电压 又称耐压 额定直流工作电压的大小与介质的种类和厚度有关 如果电容器用在交流电路里 则应注意所加的交流电压的最大值 峰值 不能超过额定直流工作电压 三 电容器在汽车电路中的应用 电容器所承受的电压不能超过其额定电压 在汽车上 虽然蓄电池的电压是12 但有些电路上有超过300 的高电压 因此选用电容器时要认真研究电路的工作状态 选用额定电压有足够余量的电容 当环境温度很高时 电容器会加速老化 所以在可靠性有要求的部件上 一般要选用云母 聚酯电容器 电容器作为单体元件应用的典型例子就是传统点火系统中分电器上的电容器 在点火过程中 与分电器触点并联的电容器具有重要作用 电容器在汽车上的应用 电容器装在分电器的壳体上 它由两条铝箔或锡箔组成 在两条箔带之间夹以绝缘蜡纸 然后卷成筒状在真空中抽去层间的空气 再经浸蜡处理装在金属外壳3中 其中一条箔带的底部与外壳紧密接触 另一条箔带则通过与外壳绝缘的导电片由导线引出 电容器工作时要承受200 300 的电动势 因此要求其耐压为50 1 5电感 一 电感元件及其特性 电感元件 是从实际电感线圈抽象出来的电路模型 电感元件的特点1 通以电流时 将产生磁通 在其内部及周围建立磁场 储存磁场能量 自感系数 电感 物理意义 当同一电流通入结构不同的线圈时 所产生的自感磁通量是不同的 为了衡量不同线圈产生自感磁通的能力 引入自感系数 简称电感 这一物理量 用 表示 它在数值上 等于一个线圈中通过单位电流所产生的自感磁链 在国际单位制中电感的单位 亨利 简称亨 用H表示 公式 Y 根据电磁感应定律 当电感线圈中的电流 变化时 磁场也随之变化 并在线圈中产生自感电动势 当电压 电流和电动势的参考方向如图所示时 则有 电感元件两端的电压与电流相对时间的变化率成正比 电流变化越快 电感元件产生的自感电动势越大 与其平衡的电压也越大 当电感元件中流过稳定的直流电流时 因 故 这时电感元件相当于短路 所以电容元件有通直流的作用 电感元件中储存的磁场能量为 电感元件在某时刻储存的磁场能量只与该时刻流过的电流的平方成正比 与电压无关 电感元件不消耗能量 是储能元件 电感线圈特点2 两条相距较近且相互平行的直导线间的作用规律 当同以相同方向的电流时 它们相互吸引 当通以相反方向的电流时 它们相互排斥 原因 每个电流都处于另一个电流的磁场中 因而每个电流都受到电磁力的作用 电感线圈特点3 若将导线绕成线圈 每匝产生的弱磁场便合成为较强的磁场 合成的强磁场 有真实的N极和 极 磁极方向判断 用右手握住通电线圈 弯曲的四指指向电流方向 则伸直的拇指指向就是线圈内部的磁场方向 即通电线圈的磁场北极 N极 方向 电感线圈特点4 导线盘成环形 在导线交汇处的磁感应线密度成倍的增加 电磁感应 右手定则用右手握线圈 手指沿着电流流动的方向 大拇指便指向N极 电感线圈特点5 增加线圈的匝数 磁感应线密度随之增加 要使线圈的磁场更强 可在线圈中插入用软铁制成的铁芯 软铁是一种具有高磁导率的材料 它为穿过线圈中的磁场提供优良的导磁体 电感线圈特点6 通直流阻交流 即直流电很容易通过线圈 但交流电难以通过 而且交流电的频率越高 就越难以通过 交流电加在线圈上 达到稳定状态需要一定的时间 电感线圈在汽车中的应用 在车内 尾灯 牌照灯及停车灯的灯丝是否断开是无法确认的 而电流传感器就可用于检测这类灯具的灯丝是否断开 笛簧开关式电流传感器的结构原理图如图1 24所示 在电流线圈的周围有电压线圈 在线圈的中央设置笛簧开关 电压线圈的功能是防止电压变化时引起传感器的误动作 电流传感器的电路如图1 24 所示 当图中所示开关闭合时 因为电流线圈中有规定的电流通过 所以在电流线圈所形成的电磁力的作用下 笛簧开关闭合 当有一个灯丝断开时 电流线圈中的电流减小 电磁力减弱 笛簧开关打开 报警处于异常状态 这样 利用笛簧开关的通 断 就可以发出灯丝是否异常的信号 小结 实际电容器是什么样的2 电容量公式3 电容器特点4 电容是什么元件5 电容器储存的电场能6 电容器的作用7 电容器的性能指标8 电容器的种类 1 电感元件特点2 自感系数 电感 3 电感元件性质4 磁场能量5 磁场方向判断 第五节导线 常用导线的分类 一导线的选择 按材料不同 铜线 铝线 按电压不同 高压导线 低压导线 按有无绝缘 裸线 绝缘线 按绝缘材料不同 塑料绝缘线 橡胶绝缘线 按材料选择 铜线和铝线铜线特点 电阻率小 机械强度大 应用 汽车电路和移动电器接线一般用铜线 铝线特点 质量小 价格便宜 但机械强度小 较脆 应用 固定电气接线尽量采用铝线 导线的选择 表1 1常用导线的型号及主要用途 我国的导线规格是以其截面积作为标称值 导线标称截面是经过换算的线芯截面积 而不是实际几何面积 一般根据电路的额定电压 工作电流和绝缘要求等选取导线截面 绝缘层的类型 按截面积来选择 对于短距离配电线路 200 以内 常用发热条件选择导线截面 一般家庭 修理厂和汽车上的导线均按此方法选线 具体方法如下 由公式I 计算出该负载的工作电流 然后根据导线的允许电流等于或略大于计算电流 直接从表1 2中选择导线 表1 2部分500V橡皮与塑料绝缘电力电缆载流量表 单位 A 例1某修理厂的照明负载为额定电压220 额定功率5 电源总线采用双芯塑料绝缘导线 穿塑料管 采用铝芯和铜芯时 分别应选择多大的导线截面积 解 电源总线上实际流过的最大电流为 直接查表1 2铝芯塑料绝缘导线 穿塑料管 2根 塑料 一栏 其中24A 22 73A符合要求 对应导线的截面为4 直接查表1 2铜芯塑料绝缘导线 穿塑料管 2根 塑料 一栏 其中24A 22 73A符合要求 对应导线的截面为 二汽车常用导线 低压导线 导线截面积 主要根据工作电流选择 导线颜色 颜色要容易区别 多用字母表示 线束 大多用绝缘材料缠绕包扎成束 高压导线 在汽车点火线圈至火花塞之间的电路使用高压点火线 简称高压线 高压线工作电压一般为15kV以上 电流小 高压导线绝缘包层厚 耐压性能好 线心截面小 带阻尼的高压点火线它分为普通铜芯高压线及高压阻尼点火线 带阻尼的高压线可抑制和衰减点火系产生的高频电磁波 降低对无线电设备及电控装置的干扰 国产汽车用的高压导线有铜芯线和阻尼线两种 高压阻尼线的线芯采用聚氯乙烯树脂 葵二酸二辛脂等有机材料配制而成 又称半导体塑芯高压线 线芯具有一定阻值 具有低电磁辐射的特点 可减小点火系统的电磁波公害 导线颜色 基尔霍夫定律分为电流定律和电压定律 是分析电路的重要基础 一基尔霍夫定律 第六节电路分析与计算 基尔霍夫电流定律应用于结点 基尔霍夫电压定律应用于回路 电路结构几个重要的概念 支路 一段没有分支 流过同一电流且至少含一个以上元件的电路叫支路回路 电路中任意闭合的路径 回路有顺时针和逆时针两个方向 可以用箭头表示回路的方向 节点 电路中三条或三条以上支路的连接点称为节点 网孔 在回路内不包含任何支路的回路 支路 a1b a2b a3b 共3条 例 节点 a b 回路 a1b2a a1b3a a2b3a 网孔 a1b2a a2b3a 支路 ab ad ac cb cd bd 共6条 回路 abda bcdb acda abcda abdca bdacb abca 共7个 结点 a b c d 共4个 例 网孔 abda bcdb acda 共3个 例 指出下图所示电路的支路数 节点数 回路数 基尔霍夫定律 基尔霍夫电流定律 KCL 在任一瞬间 流入任一节点的电流之和必等于流出该节点的电流之和 公式 I1 I2 I3 0即 I 0 因此 基尔霍夫电流定律也可叙述为 在任一瞬时 电路中流入任一节点的所有电流的代数和等于零 流入节点时电流值取正号 流出节点时取负号 例 求图1 17中电流I的值 解 根据KCL有 解得 下图表示某复杂电路中的一个节点a 已知I1 5A I2 20A I3 3A 试求流过元件A的电流I4 基氏电流定律的扩展 电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面 广义结点 IA IAB ICAIB IBC IABIC ICA IBC IA IB IC 0 I 0 在任一瞬时 通过任一闭合面的电流的代数和也恒等于零 IA IB IC I1 I2 I3 E2 E3 E1 R R1 R R 例 例 I I1 I2 I3 I 0 例 已知I1 4A I2 2A I3 1A I4 3A 求电流I5 例 下图电路中 各有多少支路和结点 Uab和I是否等于零 例 已知Ia 1mA Ib 10mA I 求电流I 例 下图中 已知I A I A I A 求电流I 结果为正 电流的实际方向与假设方向相同结果为负 电流的实际方向与假设方向相反 根据基尔霍夫电流定律求未知电流的步骤 1 首先标定各支路电流的方向 对已知电流按原电流方向标定对未知电流的方向可任意标定 2 其次根据基尔霍夫电流定律列出节点电流方程求解 3 最后根据计算结果确定电流的实际方向 意义 描述闭合回路中各支路电压之间的关系 说明 当我们沿着闭合回路绕行 将会遇到电位升降的变化 由于电位的单值性 如果沿着闭合回路绕行一周 回到原出发点 其电位的变化量应为零 基尔霍夫电压定律 数学表达式 升 降或写成 基尔霍夫电压定律 KVL 在任一瞬时 沿闭合回路绕行一周 在绕行方向上的电位升之和必等于电位降之和 U1 U2 U3 U4 0即 U 0 KVL反映了电路的能量守恒定律 即沿任何闭合回路绕行一周 各元件上得到的能量与失去的能量相等 电荷本身既不耗能也不产能 运用上述公式时 首先要选定一个回路的绕行方向 例如 回路a d c a 或 其中 US3 E3 US4 E4 回路a b d a a b c d a KVL不仅用于闭合回路 对于开口回路两式仍然成立 在分析开口回路时 我们认为它是一假想的闭合回路 然后将开口处电压列入方程 如图1 19中 沿图中虚线绕行 根据KVL有 例1 有一闭合回路如图所示 已知U1 15V U2 4V U3 8V 试求电压U4和UAC 解 沿ABCDA回路 根据各电压的参考方向 应用基尔霍夫电压定律可列出 U U2 U3 U4 U1即U4 U1 U2 U3 15 4 8 3v沿ACBA回路 应用基尔霍夫电压定律可列出 UAC U3 U2 0即UAC U3 U2 8 4 12v 例2 图1 28所示有源支路 已知E 12V U 8V R 5 求电流 解 沿闭合回路顺时针方向绕行一周 应用基尔霍夫电压定律 有E RI U 0所以 U E R 8 12 5 0 8A 电流是负值 即其实际方向与图示参考方向相反 例 在图中 E1 12V E2 6V R1 2 R2 6 R3 4 求总电流I及电压Ubc 解 首先在图中标明电流和电动势的参考方向及回路的绕行方向 因取关联参考方向 故电压方向不必标出 对闭合电路abdca 应用KVL可得 总电流 对虚拟回路abca 应用KVL可得 例 例 已知R R R R U V UAB 有求下图中电路中的电流I I 和电阻R 二支路电流法 支路电流法 是以支路电流作为求解对象 分别对结点和回路利用基尔霍夫两条定律分别列出KCL方程和KVL方程 从而求出支路电流的方法 1 对于具有n个节点的电路 任意n 1个节点的KCL方程都是独立的 2 若一个电路具有b条支路 n个节点 则网孔数为b n 1个 对所有网孔列出的KVL方程一定是相互独立的 在直流电路中 支路电流法的求解规律 1 确定支路数目b 标出各支路待求电流的参考方向 2 列写KCL方程 若有n个节点 则可列出n 1个独立的KCL方程 3 列写m b n 1个回路电压方程 其中m为网孔数 4 联立方程 求出b个支路电流 E 例 根据支路电流法列出电流方程和电压方程 任选三个节点列电流方程 节点数n 4 网孔数m 3 a 根据网孔列出电压方程 I1 例 如图所示 Is 8A Us 4V R1 R2 2 求I和U 解 结点a 右侧回路 解方程得 例 求图1 20中各支路电流及ab间的电压Uab 解 各支路的电流方向如图所示 由KCL得节点1方程为 选择回路1a2b1和1b231 由KVL分别列出电压方程为 解上述三式得 I 1 75A I1 0 25A I2 1 5A 假想a1ba回路为闭合回路 由KVL可知 例 E V E V R R R 求各支路电流 E1 E R R R 解得 I1 A I2 6A I A 如何验证结果 用求解时未用过的回路根据KVL定律进行验证 用电路中功率平衡关系进行验算 例 求各支路电流 三个电源的输出功率和负载电阻RL取用的功率 I3 I4 例 下图电路中 求各理想电流源的端电压 功率及各电阻上消耗的功率 p67231 I1 I2 I3U2 I3R1 I2R2U1 I3R1 解 根据支路电流法列出电压和电流方程 例 白板上电路中 E V R1 R2 R3 R4 中间支路是一只检流计 电阻RG 求检流计中的电流IG 图P 例 两台发电机并联运行的电路 已知E1 230V R01 0 5 E2 226V R02 0 3 负载电阻RL 5 5 用支路电流法求各支路电流 支路电流法的优缺点 优点 支路电流法是电路分析中最基本的方法之一 只要根据基氏定律 欧姆定律列方程 就能得出结果 缺点 电路中支路数多时 所需方程的个数较多 求解不方便 电源是一种能向电路提供电能的电路元件 电压源与电流源 电压源 实际电压源 电压源在向负载提供电能的同时 自身也存在能量的损耗 一个实际的电压源可用图1 21来表示 其中R0为电源的等效内阻 US为电源空载时的端电压 如果电源接上负载形成的回路电流为I 则此时实际电源的端电压 由上式可知 其中IR0描述了电源的内部损耗情况 端电压U将随着电流的增加而下降 其端部的伏安关系如图1 22中的虚线 注意 实际电压源内部并不是真正串有一个内阻 内阻只是把电压源内部消耗能量这种实际情况用一个参数R0表示而已 实际电压源 理想电压源 在实际电路中 电源接上负载R 当满足R R0时 电压源的内部损耗可以不计 此时认为其内阻R0为零 当R0 0 从U Us IR0中可知 此时电压源的端电压U将不随负载电流的变化而变化 其值为恒定值 这种电压源称为理想电压源 伏安特性曲线如上图示 理想电压源 几个电压源可以将它们串联起来使用 等效为一个新的电压源 其电压值为几个电压源开路时的端电压之代数和 内阻为几个电压源内阻的串联等效电阻 通常稳压电源和新干电池可近似地认为是理想电压源 电池电源 理想电压源 实际电压源 电压源符号 定义 一个恒流源在实用中 在一定的电压范围内 可视为一个理想的电流源 即其输出电流不随负载两端的电压 亦即负载的电阻值 而变 电流源 电路符号 和电压源一样 电流源在向负载提供电能的同时 自身也存在能量的损耗 其中R 为电流源的等效内阻 IS为电流源短路时对外提供的电流 R 理想电流源 在实际电路中 有时负载电阻很小 当满足R RS时 电流源的内部分流损耗可以不计 也就是当电流源的内阻RS 时 由式 1 22 可知 此时IS为恒定值 这种电流源称为理想电流源 其伏安特性如图1 24中的实线 与电压源类似 几个电流源也可以将它们并联起来用一个电流源来等效 其电流值为几个电流源的代数和 内阻为几个电流源内阻的并联值 理想电流源 实际电流源 0 R0 理想电压源与理想电流源区别 理想电压源 向外电路提供一个恒定电压值 电路中的电流I完全由外电路来决定 电流I的大小取决于负载RL 理想电流源 产生并输出恒定的电流值 负载两端电压U由外电路决定 电压U的大小取决于负载电阻RL 恒压源与恒流源特性比较 US a b I Uab Uab US 常数 Uab的大小 方向均为恒定 外电路负载对Uab无影响 I a b Uab Is I Is 常数 I的大小 方向均为恒定 外电路负载对I无影响 输出电流I可变 I的大小 方向均由外电路决定 端电压Uab可变 Uab的大小 方向均由外电路决定 R 电压源与电流源等效变换 电压源 电流源 U Us I R0 U I0 R0 I0 Is I R0 Is R0 I R0 R R R0 电源的等效变换注意以下几点 1 电源之间的 等效 是针对外电路来说的 在它们的内部并不等效 2 理想电压源与理想电流源之间不能进行等效变换 3 凡是与电压源相串联的电阻均可视为电压源内阻来进行等效变换 凡是与电流源相并联的电阻均可视为电流源内阻来进行等效变换 4 电压源模型与电流源模型互换前后电流的方向保持不变 即IS和Us方向一致 有了电源之间的等效变换 我