直流电路与分析

汽车电工与电子技术基础第2版,冯渊机械工业出版社,第一章直流电路与分析,引入：,1、家庭中电源是直流电还是交流电？汽车上呢？2、我们日常接触的电器有哪些？你了解吗？3、汽车上有哪些电器元件？你知道他们的重要性吗？,第一章直流电路与分析,1.1电路及其基本物理量,1.4基尔霍夫定律,1.5电路的三种状态,1.3电源及其在汽车中的应用,1.2电阻元件与欧姆定律,1.6电阻的等效变换,1.7支路电流法和叠加定律,1.8电路的简化和电路的电位分析,本章要点1电路的基本概念，电流、电压、电位和电功率等基本物理量。2电阻的基本知识，汽车中特殊电阻的应用。3电源模型，汽车中蓄电池的基本知识。4电路的欧姆定律，基尔霍夫电流、电压定律。5汽车电流、电压、电位分析。6支路电流法、叠加原理以及电源等效变换法。,第一章直流电路与分析,1.1电路及其基本物理量,一、电路,电路就是电流所通过的路径，它是由电气设备和元器件按一定方式联接起来的整体。,1、电路的组成,负载:吸收电能的装置,传输控制器件：导线和开关,电源:提供电能的装置,第一章直流电路与分析,电阻,电容,运算放大器,晶体管,光耦器件,第一章直流电路与分析,电力系统,电能的传输与转换,扩音机,信号的传递和处理,电路的组成：1.电源（信号源）2.负载3.中间转换环节,2、电路的作用,第一章直流电路与分析,发电机,直流电源,常用的几种电源装置,信号源,化学电池,3、电路理想元件和电路模型,在一定的条件下，突出元件主要的电磁性质，忽略其次要因素，把实际元件近似地看作理想电路元件。用一个理想电路元件或由几个理想元件的组合来代替实际的电路元件。,(a)电阻R(b)电感L(c)电容C(d)理想电压源US(e)理想电流源IS图1-2理想元件图形符号,用理想电路元件及其组合来代替实际元件构成的电路。,电路模型,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）。,简化的电路模型,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）。,二、电流及参考方向,1、电流大小与方向,电流的实际方向：正电荷的运动方向。,电流定义：带电粒子（电子、离子等）的定向运动形成电流。,直流电流：电流的大小和方向都不随时间变化。,打开开关，灯亮，通电了！,只有直流电流吗？,(2)参考方向的表示方法,(a)I0(b)I0电流的参考方向,(1)参考方向,在一段电路或电路元件上任意假定的电流方向。,2、电流的参考方向,在电路图上标注的是电流参考方向；在某些直流电路中，若可直接判断出电流的实际方向，一般为方便起见，选择其参考方向与实际方向一致。,（3）几个注意点：,电流参考方向可随意选择，而实际电流是客观存在。Iab=-Iba。,若不选择参考方向，而谈论电流的正负是无意义的。实际方向与参考方向一致，电流值为正值；实际方向与参考方向相反，电流值为负值。,直流时：,定义：单位正电荷在电场力作用下，沿导线由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。,三、电压与电位,1、电压大小与方向,第一章直流电路与分析,U,U,电压的实际方向是从器件的高电位到低电位。,电压U的实际方向：,2、电压的参考方向（三种标注方向比较）,3、关联参考方向：元件电压与电流参考方向一致。,第一章直流电路与分析,【例1.2-1】已知元件A、B的电压、电流参考方向如图所示。试判断A、B元件的电压、电流的参考方向是否关联？,A元件的电压、电流参考方向非关联；B元件的电压、电流参考方向关联。,【解】,简单运用,知识点回顾：,1、电流的实际方向如何确定？其参考方向如何表示？2、电压的实际方向如何确定？其参考方向如何表示？3、何谓关联参考方向？4、实际方向和参考方向有何关系？,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。,解答：实际方向与参考方向的关系,注意：在参考方向选定后，电流(或电压)值才有正负之分。,若I=5A，则电流从a流向b；,例：,若I=5A，则电流从b流向a。,若U=5V，则电压的实际方向从a指向b；,若U=5V，则电压的实际方向从b指向a。,再如电路如图(a)、(b)所示，电流电压参考方向选择不同。,电压U、电流I的参考方向与实际方向相反,U=-4.5VI=-0.4A,即:U=-UI=-I,电压U的参考方向与实际方向相同,U=4.5V,图(a),图(b),电流I的参考方向与实际方向相同，I=0.4A,图(a)：,图(b)：,3、电位,两点间的电压：等于这两点的电位之差。,参考点电位：,为方便测量和维修电路，在电路中任意选定一点O,为参考点,则某点a的电位V就是该点到参考点O的电压。,4、运用电位概念时的注意点,（1）选择不同的参考点，同一点的电位数值不同。见下图（2）两点间的电压大小与参考点的选择无关，即电位的高低是相对的，而电压值是绝对的。（3）在汽车电路中，蓄电池负极直接或间接地通过导线联接在车身金属或车架上，即俗称“搭铁”。,若选择O点为电位参考点，即VO=0V，则VA=10V，VB=6V；若选择B点为电位参考点，即VB=0V，则VA=4V，VO=-6V。,练习：,在下图所示电路中，当设c点为参考点时，已知Va=-6V，Vb=-2V，Vd=-3V，Ve=-5V，求Uab、Ubc、Ucd、Ude各是多少？如设e点为参考点，各个电压又是多少？abcde,解：,第一章直流电路与分析,电动势是非电场力把单位正电荷在电源内部由低电位移至高电位所做的功，用e或（E）表示，大小与电压计算方法一样。单位和电压的单位一样，也是伏特。电动势的方向规定为：在电源内部由负极板指向正极板，即从低电位点指向高电位点。电动势和电压的区别。,四、电动势,五、电能和电功率,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,直流情况下,单位？,从t0到t时间内,电路吸收（消耗）的电能:,2、电能,直流时:,电能的主单位是焦耳,符号为J,在实际生活中还采用千瓦小时（kWh）作为电能的单位,简称为1度电。,简单计算,例：汽车前照灯功率为60W，额定电压为12V。求额定电流及每小时消耗的电能。解：I=P/U=60/12=5(A)W=Pt=6013600=2.16105(J),3、判别元件实际功率,U、I非关联方向：P=-UI,U、I关联方向：P=UI,1）根据元件U、I的实际方向判别,2）根据元件参考方向，选择不同的公式判别,电源：U、I实际方向相反，发出（提供）功率；,负载：U、I实际方向相同，吸收（消耗）功率。,3）要求：电路功率保持平衡。,不论选择那个公式，P0，元件吸收功率P0，元件发出功率,例1图示直流电路,U1=4V,U2=-8V,U3=6V,I=4A,求各元件吸收或发出的功率P1、P2和P3。,解：元件1的参考方向关联,P1=U1I=44=16W(吸收16W),元件2和元件3的参考方向非关联,P2=-U2I=-(-8)4=32W(吸收32W)P3=-U3I=-64=-24W(发出24W),运用电源与负载的判别,根据U、I的实际方向判别,电源：U、I实际方向相反，即电流从U“+”端流出，（发出功率）；,负载：U、I实际方向相同，即电流从U“+”端流入，（吸收功率）。,例1：,已知：方框代表电源或负载，U=220V，I=-1A试问：哪些方框是电源，哪些是负载？,解：,(a)电流从“+”流出，故为电源；,(b)电流从“+”流入，故为负载；,(c)电流从“+”流入，故为负载；,(d)电流从“+”流出，故为电源。,例2：,已知：U1=9V，I=-1A，R=3求：元件1、2分别是电源还是负载，并验证电路功率是否平衡？,解：,因为U2=-RI+U1=12V,所以电流从元件1的“+”流入，从元件2的“+”流出，,故元件1为负载，元件2为电源。,电源产生功率：,P2=U2I=12W,负载取用功率：,P1+PR=U1I+RI2=9+3=12W,因为P2=P1+PR，,所以电路的功率平衡。,一、电阻元件,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。,1.2电阻元件与欧姆定律,电阻率是反映材料导电性能大小的系数。,银、铜、铝的电阻率很小，导电能力强。常用铜或铝来制造导线和电器设备的线圈。银的电阻率最小，但价格昂贵，用于电器触头等镍铬、铁铬铝合金的电阻率很大，耐高温，常用来制造发热器件的电阻丝。,热电阻效应：物质的电阻随其本身温度变化而变化。,导体电阻与温度的变化有关,电阻随温度的升高而增加，如银、铝、铜、铁、钨等金属。,电阻随温度升高而减小，如电解液、碳素和半导体材料。,电阻几乎不随温度改变而变化，如康铜、锰钢、镍铬合金等。,应用：汽车中很多温度传感器都是用热电阻作检测元件。通常用电阻温度系数极小的康铜、锰铜制造标准电阻、电阻箱以及电工仪表中的分流电阻和附加电阻等。,二、特殊电阻在汽车中的应用,汽车光电式光量传感器采用了光敏电阻硫化镉(CdS)光导电元件，应用了光照强度能引起电阻值变化的特性。,1、热敏电阻,1-负温度系数（NTC）2-正温度系数（PTC）3-临界温度系数（CRT）图热敏电阻的温度特性,2、光敏电阻,三、欧姆定律,U、I参考方向相同时,U、I参考方向相反时,U=IR,U=IR,遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，其电阻值为常数。,解:图(a)：U=IR,例2应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。,图(b)：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,第一章直流电路与分析,四、电阻的电功率,在电压和电流关联下：P=UI=I2R=U2/R在电压和电流非关联下：P=-UI=I2R=U2/R任何时刻电阻元件都是耗能元件；一个电路中，发出的功率与吸收的功率相等，能量守恒！【看例1-3、例1-4，做习题1-3、1-4】,1.3电源及其在汽车中的应用,一、电压源,实际电压源模型,U=USIR0,若R0=0,UUS理想电压源,U0=US,外特性,若R0RL，IIS，可近似认为是理想电流源。,电流源,二、蓄电池,汽车电气系统为直流系统。,汽油车普遍采用12V电源，柴油车多采用24V电源。,汽车上有两个直流低压电源：蓄电池、发电机。,蓄电池的构造及型号,基本组成正、负极板、隔板、电解液、外壳等部件,例如：6-QA-100型蓄电池，即是由6个单格电池串联，额定电压为12V，额定容量为100Ah的干荷式启动型蓄电池。,蓄电池型号组成,蓄电池接线方式,（a）单独使用（b）串联,（c）并联（d）串并联,串并联方式即能提高电压又可增大容量。,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。,节点：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。,一、基尔霍夫电流定律(KCL),入=出,在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该节点的电流。,或:=0,节点a：,I1+I2=I3,或I1+I2I3=0,基尔霍夫电流定律（KCL）反映了电路中任一节点处各支路电流间相互制约的关系，体现了电流的连续性。,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。,推广应用,I=?,I=0,IB+IC=IE,广义结点,例3已知I1=1A，I2=3A，I3=9A，试求I4、I5和I6。,解：（1）节点E：I4=I1+I2=1+3=4A（2）节点B：I5=I2+I3=3+9=12A（3）节点F：I6=I2+I4=9+4=13A,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。,二、基尔霍夫电压定律（KVL),U=0,1.列方程前标注回路绕行方向；,2应用U=0列方程时，每项电压前符号的确定：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。,注意：,U=0,回路1：,回路2：,U1=I1R1+I3R3,I2R2+I3R3=U2,或I1R1+I3R3U1=0,或I2R2+I3R3U2=0,KVL反映了电路中任一回路中各段电压间相互制约的关系。,U=0I2R2U2+UAB=0,推广应用：开口电压可按回路处理,对回路1：,UABUSIR=0即:UAB=US+IR,UABUS+IR=0即:UAB=IRUS,第一章直流电路与分析,思考题,【1.1】求图(a)中的电流I和图(b)中的Uab。,例4如图所示电路，已知R1=20，R2=10，R3=6，R4=4，US1=45V，US2=10V，US3=15V，求I和UAC。,解：1、求电流选定电流I方向及绕行方向。根据KVL可写出IR1+IR2+IR3+IR4=US1+US2-US3即I（R1+R2+R3+R4）=US1+US2-US3I（20+10+6+4）=45+10-1540I=40I=1A,例5如图所示电路，已知R1=20，R2=10，R3=6，R4=4，US1=45V，US2=10V，US3=15V，求I和UAC。,解：2、求UAC求UAC有两条路径可走。顺时针从A-B-C，逆时针从A-D-C,先沿顺时针方向，求UACUAC=US1-IR1+US2-IR2=45-201+10-101=25V,再沿逆时针方向，求UACUAC=IR3+IR4+US3=1（6+4）+15=25V,由此可见，两点间电压与路径无关。在计算时，尽量选择元件较少，计算较容易的路径。,又称为断路或开路状态,一、空载状态,（2）开路电压U0等于电源电压，U0=US。,1.5电路的三种状态,（1）开路处的电流等于零，I=0。,（3）电源未输出功率，负载未消耗功率。,电源外部端子被短接,二、短路状态,(2)短路电流很大，。,(1)短路处的电压等于零，U=0。,(3)负载未消耗功率，电源发出功率全部消耗在内阻上。,短路、开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）,三、负载状态,负载端电压,1、电源一定时，电流的大小由负载决定。,2、在电源有内阻时，IU。,U=USIR0,当R0R时，则UUS，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。,+U,四、电气设备额定值,额定值:电气设备在正常运行时的规定使用值,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。,电气设备的三种运行状态,欠载(轻载)：IPN(设备易损坏),额定工作状态：I=IN，P=PN(经济合理安全可靠),注意,例6一只220V,40W的白炽灯,接在220V的电源上，试求通过电灯的电流和电灯电阻。如果每晚工作3h(小时)，问一个月消耗多少电能?,解:通过电灯的电流为,电阻,一个月用电,W=Pt=40W(330)h=3.6kW.h,1.6电阻的等效变换,一、电阻串联,两电阻串联时的分压公式,R=R1+R2,等效电阻等于各电阻之和。,各电阻电压、功率数值与电阻成正比。,应用：降压、限流、调节电压等。,P1:P2=U1:U2=R1:R2,二、电阻并联,电阻并联分流公式,等效电阻倒数等于各电阻倒数之和。,电流、功率分配与并联电阻成反比。,应用：分流、调节电流等。,P1:P2=I1:I2=R2:R1,例7如图电路，已知R160，R2=40，R340，U=80V。求电路总电阻，电流I、I2、I3、U1和U2。,解：等效电阻,总电流,用分流公式可求出I2，I3。,用分压公式可求出U1，U2。,其中,四、汽车中电阻电路的应用,1后窗除霜装置,除霜器由若干条电热丝并联连接，将每条电热丝当作一个电阻，则除霜器就可以等效成若干个电阻的并联。,等效电路,2汽车照明电路,照明灯并联,一、支路电流法,1、设定支路电流参考方向，选定回路循行方向。,2、利用KCL，列节点电流方程（n个节点列n-1个方程）,3、应用KVL对回路列出m(n1)个独立的回路电压方程（通常可取网孔列出）(m为支路数)。,4、联立求解,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。,1.7支路电流法和叠加定理,步骤,节点a,例如,I1+I2I3=0,网孔1,网孔2,I1R1+I3R3=U1,I2R2+I3R3=U2,解得I1=10A,I2=-5A,I3=5A。,例8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=13010=1300WUs2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。,二、叠加原理,定义：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：Us=0，即将Us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：,解题时要标明各支路电流、电压的参考方向。若分电流、分电压与原电路中电流、电压的参考方向相反时，叠加时相应项前要带负号。,受控源不属于独立电源，须全部保留在各自支路中。,例9用叠加定理求电路中的电流I。,解：1）根据图（a）电路分别画出两个电源单独作用时的分电路图，如图b）、（c)所示。,2）US1单独作用时，求出I,3）U2单独作用时，求出I,4）根据分电流参考方向，求出总电流。,一、电压源与电流源的等效变换,U=USIR0,U=ISR0IR0,1.8电路的化简和电路的