汽车电工电子技术第1章

1、汽车电工电子技术,高等职业教育“十二五”规划教材,贾宝会 张文 主编,了解电阻的分类与标记 掌握电容的表示方法 了解电感的基本特性 了解电阻、电容、电感在汽车上的应用 掌握指针式万用表测量电阻的方法 了解半导体和PN结的基本知识 掌握二极管的符号及特性 了解特殊二极管在汽车电路中的应用 了解三极管的三种工作状态,本章学习目标,1.1 电阻、电容及电感元件,1掌握电阻、电容、电感元件的基本概念。 2掌握电阻、电容、电感元件的识别与检测。 3了解电阻、电容、电感元件在汽车上的应用。 4学会使用指针式万用表测量电阻的方法。,学习目的,1.1.1 电阻元件,1.1.1 电阻元件,1)电子在导体中流动时

2、会受到一些阻碍，形成了电阻。,1.1.1 电阻元件,1电阻的定义,电路中的元件，如不另加说明，都是指理想元件。 分析研究电路的一项基本内容就是分析电路或元件的电压、电流及其它们的关系，即伏安关系或伏安特性。,1)电子在导体中流动时会受到一些阻碍，形成了电阻。,2)电阻元件（简称为电阻）。,电阻伏安特性曲线 (a) 线性电阻 (b) 非线性电阻,(1-1),电阻元件的伏安特性有线性和非线性之分。如果电压与电流成正比关系(图a)，这类电阻元件称为线性电阻元件，它两端的电压与电流服从欧姆定律。即,(图b)所示为半导体二极管的伏安特性曲线，它不是一条直线，其电压与电流之间不符合欧姆定律，这类元件称为非

3、线性电阻元件，其阻值随着电压、电流的变化而变化，不是一个定值。,如果电阻元件上电压与电流的参考方向非关联，欧姆定律式子前应加“”！,注意,若令G=1/R，则G称为电阻元件的电导。 电导的单位为西门子（S）。,（1-2）,电路中电阻元件取用的功率为：,（1-4）,从上式可以看出不论 是正值还是负值，P 总是大于零，说明电阻元件总是消耗电功率的，与电压、电流的实际方向无关，故电阻是耗能元件。,在直流电路中，当电压与电流取关联参考方向时，电阻元件在时间t内消耗的电能为：,电阻元件消耗的电功率为：,(补充),(补充),解,一个月的用电量 WPt60(W)30 (h) 5.4kWh,已知：有一220V，

4、60W的电灯，接在220V的电源上，,求通过电灯的电流和电灯在220V电压下工作时电阻,如每晚用3小时，问一个月消耗电能多少？,练习：,=5.4度电,电阻的单位为欧姆（），简称欧。,1.1.1 电阻元件,2电阻的单位,是用阿拉伯数字和单位符号在电阻器表面直接标出标称 阻值。,1.1.1 电阻元件,3电阻常见的标注方法,是用不同颜色的环在电阻器的表面标出标称阻值和允许 误差。,（1）直标法,（2）色环法,表1-1 四色环电阻色环各位含义,例如：红、红、红、银四环,如图所示 其表示的阻值为22102=2200，允许偏差为10%； 又如：绿、蓝、金、金四环，如图所示 其表示的阻值为5610-1=5.

5、6，允许偏差为5%；,1）四色环电阻,例如，棕、黑、绿、棕、棕五环， 其表示阻值为105101=1050=1.05k，允许偏差为1%。 又如，棕、紫、绿、银、棕五环， 表示阻值为17510-2=1.75，允许偏差为1%。,2）五色环电阻,精密电阻采用五个色环标志，前三环表示有效数字，第四环表示倍率，与前四环距离较大的第五环表示允许偏差。,将万用表（数字式或指针式）两表笔(不分正负)分别与 电阻的两端引脚相接即可测出实际电阻值。,1.1.1 电阻元件,4电阻的检测,测量电阻的错误操作,（1） 热敏电阻 （2） 压敏电阻 （3） 光敏电阻,1.1.1 电阻元件,5电阻元件在汽车上的典型应用,1.1

6、.1 电阻元件,1.1.1 电阻元件,电容元件是从实际电容器抽象出来的电路模型。,1.1.2 电容元件,1电容的定义,任何两块非常靠近的金属导体，中间隔以绝缘物质就构 成一个电容器，电容器加上电压后，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。,即：,（1-5）,电容的伏安特性：,上式表明：只有电容上的电压变化时，电容两端才有电流。在直流电路中，电容上即使有电压，但其对时间的变化率为0，即 ，此时电容相当于开路状态，因此电容具有隔直通交的作用。,（1-6）,电容元件极板间储存的电场能量为：,（1-7）,上式说明，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

7、方成正比。电容元件不消耗能量，故称为储能元件。,1.1.1 电阻元件,1.1.1 电阻元件,在国际单位制中，电容的单位为法拉（ ）。,1.1.2 电容元件,2电容的单位,（1）数字标注法,3电容的标识方法,用三位整数表示容量大小，第一、二位为电容量的有 效数字，第三位为有效数字后面加零的个数，单位为 皮法（ ）。,如：223、339,1.1.1 电阻元件,1.1.1 电阻元件,1.1.2 电容元件,将容量的整数部分写在容量单位标注符号的前面，小数部分写在容量单位标注符号的后面，如图所示。,（2）文字表示法,（3）色标法,在通常情况下，电容用做滤波或隔直流，电路中对电容 量的精确度要求不高，故无

8、须测量实际电容量。用万用 表的“ ”挡可判断电容器短路、断路、漏电等故障。,1.1.2 电容元件,4电容的检测,1.1.2 电容元件,0.1 以下的电容器用万用表1k或10k挡位，1 以上的电容器用100或10挡测量电容两引线之间的电阻值。 如表笔接触瞬间，指针摆动一下后立即回到“”位置，将表笔对调再测量其阻值，表针出现同一现象，则说明电容器是好的。容量越大，表针摆动的角度也越大，1000 以下的电容器几乎看不到表针的摆动。,（1）电容器好坏鉴别,（1）电容式门锁控制器,5电容器在汽车上的典型应用,图1-10 电容式中控门锁系统 1电容器；2门锁开关；3接电源；4热敏断路器；5闭锁继电器；6开

9、锁继电器；7、8接其他门锁；9、10电磁式门锁执行机构；,（2）电容式闪光器,图1-11 电容式闪光器电路,电感元件是从实际电感线圈抽象出来的电路模型。,1.1.3 电感元件,1电感的定义,当电感线圈通以电流时，将产生磁通，在其内部及周围 建立磁场，储存磁场能量。即：,（1-8）,当忽略导线电阻及线圈匝与匝之间的电容时，可将其抽象为只具有储存磁场能量性质的电感元件。,其伏安特性为：,（1-9）,上式表明，只有电感上的电流变化时，电感两端才有电压。在直流电路中，电感上即使有电流通过，但其对时间的变化率为0，即 ，在直流电流中电感相当于短路状态。,电感元件中储存的磁场能量为：,（1-10）,上式说

10、明，电感元件在某时刻储存的磁场能量，与该时刻流过的电流的平方成正比。电感元件不消耗能量，故称为储能元件。,2电感的单位,在国际单位制中，电感的单位为亨利（ ）。,将电感的主要参数用文字直接标注在电感器的外壳上， 如图1-13所示。,1.1.3 电感元件,3电感的标注方法,图1-13 电感元件直标法,（1）直标法,在电感器的外壳涂上各种不同颜色的环，各色环颜色的 含义与色环电阻标志相同。单位为微亨（H）。,例：某一电感器的色环标志依次为：棕、红、红、银， 则表示其电感量为，允许误差为。,（2）色环法,（1）电感器外观结构检查,1.1.3 电感元件,4电感的检测,主要是观察外形是否完好无损； 磁性

11、材料有无缺损、裂缝； 金属屏蔽罩是否有腐蚀氧化现象； 线圈绕组是否清洁干燥； 导线绝缘漆有无刻痕划伤； 接线有无断裂； 铁心有无氧化等。,（2）用万用表测量电感器的直流电阻值及电感量,若测量出的阻值为无穷大，说明内部线圈已开路，电感器已损坏；若测量出一定的阻值且在正常范围内，说明此电感器正常；若测量出的阻值偏小或阻值为零，说明导线的匝与匝之间有局部短路或完全短路。,1.1.3 电感元件,5电感在汽车上的典型应用,图1-16 舌簧开关式电流传感器,万用表的使用及电阻的认识和测量,1工作目标,（1） 掌握指针式万用表的使用方法； （2） 掌握万用表测量电阻的方法； （3） 能够准确读取电阻参数。,

12、3工作过程,不同阻值的电阻 5个 指针式万用表 1块,2需用器材,（1） 学习使用指针式万用表。,（2） 进行电阻的测量,（3）学习用色环识别电阻的阻值,表1-2 电阻数据记录,4工作评价,1.2 半导体器件,1. 掌握半导体元件的结构、性能、工作原理 和特点。 2. 正确分析电子电路的工作原理。 3. 正确选择和合理使用半导体元件。 4学会半导体二极管和三极管的测量方法。,学习目的,1.2.1 半导体及PN结,半导体的特点：,完全纯净、原子结构排列整齐的半导体称为本征半导体。,1.2.1 半导体及PN结,1本征半导体,高纯度的硅和锗都是单晶结构，它们的原子整齐地按一定规律排列，原子间的距离不

13、仅很小，而且是相等的。,（a）硅原子结构 （b）锗原子结构,这四个价电子不仅受自身原子核的束缚，还受到相邻原子核的吸引，从而形成了共价键结构，如图所示：,价电子（本征激发/热激发）,自由电子-空穴对,（1）温度越高，自由电子-空穴对数目越多； （2）自由电子-空穴数目相等，对外不显电性。,硅（锗）原子在晶体中的共价键排列,复合,平衡,注意： 半导体与导体不同，内部有两种载流子参与导电自由电子与空穴。在外加电场的作用下，有： I=In（电子电流）+Ip（空穴电流） 空穴导电的实质是价电子的定向移动！,（2） P型半导体,1.2.1 半导体及PN结,2杂质半导体,（1）型半导体,在本征半导体中有目

14、的、有选择的掺入微量某种杂质 元素构成杂质半导体。,杂质为少量5价元素，如磷（P）,自由电子多数载流子,空穴少数载流子,载流子数 电子数,N 型半导体的简化图示,（1）型半导体,杂质为少量3价元素，如硼（B）。,空穴 多子,自由电子 少子,载流子数 空穴数,P型半导体的简化图示,多数载流子,少数载流子,（2）P型半导体,注意： 无论是N型还是P型半导体都是电中性，对外不显电性！,1.2.1 半导体及PN结,3PN结的形成与特性,载流子浓度差,复 合,(耗尽层),内电场 阻碍多子扩散帮助少子漂移,扩散漂移动态平衡,注意：动态平衡的PN结交界面上无电流流过，即 I = 0。,内电场,多 子 扩 散

15、,空间 电荷 区,平衡PN结,P区,N区,（1）PN结的形成,3PN结的形成与特性,所以，正偏时扩散运动增强，漂移运动几乎减小为0，宏观上形成很大的正向电流 IF 。 外电场越强，正向电流越大，PN结的正向电阻越小。,内电场,外电场,P区,N区,多子空穴,多子自由电子,正向电流IF,（2）PN结的单向导电性,1）PN结的正向导通特性正偏导通（P区电位高于N区）,2）PN结的反向截止特性反偏截止（P区电位低于N区）,所以，反偏时漂移运动增强，扩散运动几乎减小为0，由于少子数目较少，宏观上形成极小的反向电流IR （接近于0） 。 外电场增强，反向电流也几乎不增加，PN结的反向电阻很大。,P区,N区

16、,少子自由电子,少子空穴,反向电流IR,要记住： （1）外加正向电压时PN结的正向电阻很小， 电流较大，是多子扩散形成的； （2）外加反向电压时PN结的反向电阻很大， 电流极小，是少子漂移形成的。,要注意： PN结电路中要串联限流电阻。,一个PN结加上相应的外引线，然后用外壳封装就成为最 简单的二极管。,1.2.2 二极管,1二极管的结构和分类,从P区引出的引线叫做阳极或正极，从N区引出的引线叫 做阴极或负极。,常用 D（Diode）表示二极管。,图中的箭头表示正偏时的正向电流方向。,分类：,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,2二极管的伏安特性,即PN结的特性单向导电

17、性,（1）正向特性,死区电压,硅管 0.5V,锗管 0.1V,正向导通压降UF,硅管 0.7V,锗管 0.3V,（2）反向特性,（3）反向击穿特性,二极管两端加上反向电压时，在开始很大范围内，二极管相当于非常大的电阻，反向电流很小，且不随反向电压而变化。,反向电流IR,硅管几十A以下,锗管几十到几百A,二极管反向电压加到一定数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。,（1）最大整流电流IFM 指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值。,（2）最高反向工作电压URM 指二极管不击穿时所允许加的最高反向电压，URM通常是反向击穿电压的一半，以确保二极管安全工作。,（3）最大反向电流IR

18、M 在常温下承受最高反向工作电压URM时的反向漏电流，一般很小，但受温度影响很大。,（4）最高工作频率fM 指二极管保持单向导电性时外加电压的最高频率。,3二极管的主要参数,4二极管的应用,（1）整流,整流就是利用二极管的单向导电特性将交流电变成单方向脉动的直流电的过程。,在汽车交流发电机中，就是利用二极管组成的整流板将发电机发出的三相交流电整流为直流电。,（2）钳位,二极管正向导通时，正向压降很小，可以忽略，因此强制使其阳极电位与阴极电位基本相等，这种现象称为二极管的钳位。,如图所示，若A点UA=0，二极管D正偏导通，压降很小，所以F点的电位也被钳制在0V左右，即UF近似为0。,（3）限幅,

19、利用二极管正向导通后两端电压很小且基本不变的特性可以构成各种限幅电路，使输出电压限制在某一电压值以内。,下图为一正、负对称限幅电路:ui=10sint（V），US1=US2=5V。可见，如忽略二极管正向导通压降，输出被限制在大约5V之间。,当开关S断开时，由于电流的突然中断，电感L将产生一个高于电源电压很多倍的自感电动势eL， eL与U叠加作用于开关S上，使开关S的寿命缩短。,二极管D的接入，使eL通过二极管产生放电电流以释放能量，从而保护了开关S。,（4）续流,在电子线路中，经常利用二极管来保护其他元器件免受过高电压的损害。下图所示电路是利用二极管来保护开关S的保护电路。,1.2.2 二极管

20、,5特殊二极管及其应用,（1）稳压二极管,a) 符号 b) 伏安特性,工作在反向 击穿状态,一种将电能直接转换成光能的固体器件。,（2）发光二极管（LED Light Emitting Diode）,LED也是由一个PN结组成的，当正向导通时可以发出一定波长的可见光，常有红、绿、黄等颜色。,也有可以发出红外光等不可见光的发光二极管。,一般LED的工作电流为几十mA，正向导通压降为（12)V，安全使用电压应选择5V以下。,（3）光敏二极管,a) 结构 b) 符号,1.2.3 晶体管,1晶体管的结构和符号,（1）结构,三区,三极,两结,集电区,基区,发射区,集电极 Collector,基极 Bas

21、e,发射极 Emitter,集电结,发射结,发射极 E,基极 B,集电极 C,发射结,集电结, 基区,NPN 型, 集电区, 发射区,PNP型,（2）符号,1.2.3 晶体管,2晶体管的分类,3晶体管的电流分配和放大原理,（1）晶体管放大条件,（2）载流子的传输过程,下面以NPN管为例讨论三极管的电流分配与放大作用，所得结论一样适用于PNP三极管。,使发射结正偏,使集电结反偏,1.发射区向基区发射电子，形成发射极电流IE的主要成份。,2.基区中电子的复合形成基极电流IB的主要成份。,3.集电区收集电子形成集电极电流IC的主要成份。,综上所述，得到三极管的电流分配关系： 1）IE=IC+IB 2

22、）IC=IB 3）IE=IC+IB =（1+ ）IB IC 三极管中还有一些少子电流，比如ICBO ，通常可以忽略不计，但它们对温度十分敏感。,（3）电流分配关系,1.2.3 晶体管,4晶体管的特性曲线,因为三极管有三个电极，因此分别将三极管的三个电极作为输入端、输出端和公共端，有三种不同的三极管放大电路的组成方式。 根据公共电极的不同，分别叫做共发射极电路、共集电极电路和共基极电路。,下图是测试三极管共发射极电路伏安特性曲线的电路图：,uCE1V，集电结反偏，电场足以将发射区扩散到基区的载流子吸收到集电区形成IC，uCE 再增大曲线也几乎不变,死区电压与导通电压UBE,硅管分别约为0.5V和0.7V,锗管分别约为0.1V和0.3V,（1）输入特性曲线,（1）截止区iB