汽车电工与电子技术基础.ppt

1、汽车电工与电子技术基础,主讲：伍时和,三亚学院 理工学院,第一章 直流电路分析,教材：冯 渊 汽车电工与电子技术基础,第一章 直流电路分析,要点： 1、电路的基本概念、电流、电压、电位、电功率。 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、汽车电阻、电路、电位分析。 6、支路电流法、叠加原理以及电源等效电路。,第一章,第一章 直流电路分析,第一节 电路及其基本物理量 第二节 电阻元件与欧姆定律 第三节 电源及其在汽车中的应用 第四节 基尔霍夫定律 第五节 电路的三种状态 第六节 电阻的等效变换 第七节 支

2、路电流法和叠加原理 第八节 电路的化简和电路的电位分析,第一章 直流电路分析,第一节 电路及其基本物理量,一、电路,电路的基本组成与作用。,电路：电流所流过的路径，是电气设备按一定格式连接起来的整体。,日常生活中、工业制造、运输、科研等等都存在使用电气设备进行工作的场所，所以电路无处不存。,电路作用：实现能量的传送、转换、分配等。电力电路作用。,实现信号的处理与传送等。 信号电路作用。 例如：手电筒电路。,实际电路元件不是理想的： 电池：端电压不恒定； 导线：有电阻、磁场； 灯泡：有磁场； 开关：有接触电阻。,第一章 直流电路分析,电路理想元件与模型,第一节 电路及其基本物理量,电路理想元件：

3、集中参数的电阻R。,集中参数的电感L。集中参数的电容C。,理想电源：内阻为0的电压源，内阻无穷大得电流源。,电路模型：将实际电路连接用规定的符号和直线连接起来的电路图称为电路模型：,电感,电容,电阻,R,IS,US,C,L,电流源,电压源,电源,二、电流及其参考方向,实际方向定义：正电荷流向,第一节 电路及其基本物理量,电流是单位时间流经导体横截面的电荷量：,单位：安A、千安kA、毫安mA、微安A。,电流及其参考方向 方向：正电荷流向。 为什么要用参考方向？ 在复杂电路中，特别是交流电路，电流的 方向是随时变化的，电流的真实方向事先是很难确定的。需要假定一个参考方向，作为计算的标准。 解决的方

4、法：电流只有两个方向，可用正负号解决。 i 电流方向与参考方向一致； i 电流方向与参考方向相反。 注意：分析计算电路必须先设参考方向，参考方向一经设定就不可随意改动。在未标出参考方向的情况下，电流的正负是毫无意义的。,第一节 电路及其基本物理量,二、电流及参考方向,第一节 电路及其基本物理量,电流的参考方向与实际方向,实际方向和参考方向一致，I为正值。,实际方向和参考方向相反，I为负值。,参考方向可以随意选择，实际方向是客观存在的。若同一个电流，选择的参考方向不同，则有,电流的数值是个代数量，电流的表达式反映电流的大小和实际方向与电路中标注参考方向的关系。,电路图中标注的方向为参考方向，一般

5、情况，尽可能与实际一致，这样结论就会是正值。,三、电压与电位,电压定义：电场力将单位正电荷从电路的某点(a)一到另一点(b)所做的功，称为该两点之间的电压。U,u。,第一节 电路及其基本物理量,电压单位为伏特（V ）。,电位定义：电路中某点的电位等于该点到电路中参考点之间的电压。而参考点的电位为0。用Va, Vo ，va，vo。,1、定义,三、电压与电位,第一节 电路及其基本物理量,2、电压的方向：电路中的电压实际方向是从电路的高电位端指向低电位端。所以也叫电压降。,选择不同的参考点，电路同一点的电位不同。若Vo=0，Va=4V，Vb=6V， 而Vb=0V，Vo= -6V，Va= -2V，,电

6、路中，任意两点之间的电压，与电路电位参考点选择无关。,电位也可以存在正值，负值的情况，某点电位高于参考点，电位为正，低于参考点电位，则为负。,汽车电路中，电源的负极与车身相连，称为 “搭铁” ，测量电位时，可以讲车体当成零电位点，即参考点。,注意：,四、电动势,第一节 电路及其基本物理量,1、电动势的大小与方向：电动势：电源力（外力）将单位正电荷从电源的低电位端移到高电位端所做的功定义为电源的电动势。用E表示。,电动势是指电源内部，电源力做功的能力，大小等于将单位正电荷从低电位端移到高电位端做功的大小，电压是指电场力做功的大小，方向是高电位指向低电位。,电路中，任意两点之间的电压，与电路电位参

7、考点选择无关。,电位也可以存在正值，负值的情况，某点电位高于参考点，电位为正，低于参考点电位，则为负。,不同的电源，可以具有不同的电动势，多个电源直接并联，各个电源的电动势应当相同，否则不能直接并联。,2、电动势与电压的关系：,电动势的实际方向：电源的低电位端指向高电位端。,五、电能和电功率,第一节 电路及其基本物理量,1、电场力做功过程中，不断将电荷从电路的一端移到另一端，即就是电路消耗（或者吸收）的电能。,注意：功率时代数量，当电流，电压采用关联方向时P=UI，若计算结果为正值，表明电路消耗功率，为负值，表明电路吸收功率。,瓦特(W),功率：单位时间电路消耗（或吸收）的电能。,焦耳(J),

8、关联,非关联,注意：功率时代数量，当电流，电压采用非关联方向时P= -UI，若计算结果为正值，表明电路吸收功率，为负值，表明电路消耗功率。,一、电阻元件,第二节 电阻元件与欧姆定律,1、电阻与电阻率,R导体电阻，,导体电阻率，,l导体长度，,S导体的横截面，,导体电阻率最低的是银、铜、铝锰铜、康铜,2、导体电阻率与温度关系,第一类：金属导体，随着温度升高电阻率增加，如银0.0036、铜0.004、铝0.004。,第二类：非金属，随着温度升高电阻率减小，如电解液、碳素、半导体。,第三类：具有稳定不变的电阻率材料。康铜0.000005，锰铜0.000006，镍铬合金0.00013，铁铬铝合金0.0

9、0008。,一、电阻元件,第二节 电阻元件与欧姆定律,3、电阻率温度特性的应用,导体电阻率的温度特性制作温度传感器，车用温度传感器使用的温度传感器制作材料有两类：热敏电阻和金属热电阻。,热敏电阻常用半导体材料制作。金属材料热电阻常用铂电阻和铜电阻制作。铂电阻=0.106，=0.00389，具有耐腐蚀，温度变化范围宽的优点，使用较多。,例如、导体电阻率与温度关系,一、电阻元件,第二节 电阻元件与欧姆定律,三相电动机温度的测量：用铜材制作的三相电机绕组，20oC时测得绕组电阻为1.40，运行4小时后，测得绕组电阻为1.60 ，求此时绕组温度和温升。,例如：,解：根据表1-1，铜材的温度系数,一、电

10、阻元件,第二节 电阻元件与欧姆定律,3、电阻分类和参数,按额定功率分类：,分类：,一、电阻元件,第二节 电阻元件与欧姆定律,3、电阻分类和参数,电阻型号：由四部分构成,第一部分：R电阻器 代表结构 W电位器,第三部分：代表应用类别 普通、超高频、高阻、高温、精密、特殊、高功率、可调、温度补偿、温度测量、旁热式、稳压式、正温度系数。19数字及字母：G,T,W,D,B,C,P,W,Z,第四部分：代表产品序号,例如：RJ73：固定电阻器 金属膜材料，精密应用 产品序号3。,例如：WXD3：可变电位器 线绕式，多圈线绕 产品序号3。,电阻的标称值,电阻的标称值 = 标称值10n,E6 误差 20%,1

11、、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8,电阻器的色环表示法（识别）,四环,五环,倍 率 10n,误 差,有效 数字,误 差,有效 数字,倍 率 10n,如电阻的4个色环颜色依次为： 绿、棕、金、金,如电阻的5个色环颜色依次为： 棕、绿、黑、金、红,动画,二、特殊电阻在汽车上的应用,第二节 电阻元件与欧姆定律,使用分类：,1、热敏电阻：温度测量元件。,2、光敏电阻：灯光控制上使用。,NTC热敏电阻,PCT热敏电阻,1、热敏电阻,第二节 电阻元件与欧姆定律,CTR热敏电阻,热敏电阻包括正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）热敏电阻，以及临界温度热敏电阻（CTR）,NTC热敏电阻,1、热敏电阻

12、,NTC热敏电阻 NTC（Negative Temperature CoeffiCient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数（NTC）的热敏电阻其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料 NTC热敏半导瓷大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷，具有负的温度系数，电阻值可近似表示为：,1、热敏电阻 分类,PTC（Positiv

13、e Temperature CoeffiCient）是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料，可专门用作恒定温度传感器该材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3为主要成分的烧结体，其中掺入微量的Nb、Ta、 Bi、 Sb、Y、La等氧化物进行原子价控制而使之半导化，常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为半导（体）瓷；同时还添加增大其正电阻温度系数的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物，采用一般陶瓷工艺成形、高温烧结而使钛酸铂等及其固溶体半导化，从而得到正特性的热敏电阻材料其温度系数及居里点温度随组分及烧结条件（尤其是冷却温度）不同而变化。,1、

14、热敏电阻 分类,CTR热敏电阻临界温度热敏电阻CTR（Critical Temperature Resistor）具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数构成材料是钒、钡、锶、磷等元素氧化物的混合烧结体，是半玻璃状的半导体，也称CTR为玻璃态热敏电阻骤变温度随添加锗、钨、钼等的氧化物而变这是由于不同杂质的掺入，使氧化钒的晶格间隔不同造成的若在适当的还原气氛中五氧化二钒变成二氧化钒，则电阻急变温度变大；若进一步还原为三氧化二钒，则急变消失产生电阻急变的温度对应于半玻璃半导体物性急变的位置，因此产生半导体-金属相移CTR能够作为控温报警等应用,1、热敏电阻

15、 分类,热敏电阻 分类 特性曲线与应用,红旗车用热敏电阻与温度的关系：表1.5,热敏电阻也可作为电子线路元件用于仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿等。利用NTC热敏电阻的自热特性可实现自动增益控制，构成RC振荡器稳幅电路，延迟电路和保护电路。在自热温度远大于环境温度时阻值还与环境的散热条件有关，因此在流速计、流量计、气体分析仪、热导分析中常利用热敏电阻这一特性，制成专用的检测元件。PTC热敏电阻主要用于电器设备的过热保护、无触点继电器、恒温、自动增益控制、电机启动、时间延迟、彩色电视自动消磁、火灾报警和温度补偿等方面 。,热敏电阻 分类 特性曲线与 应用,1）按制作材料分类： 多晶和单晶光

16、敏电阻器，还可分为硫化镉（CdS）、硒化镉(CdSe) 、硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、锑化铟(InSb) 光敏电阻器等。 2）按光谱特性分类： 紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。 红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。 可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置

17、，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面,2、光敏电阻 photoresistor 分类 外观,2、光敏电阻 photo resistor 参数、应用,光敏电阻器的主要参数 1）亮电阻（k）：指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。 2）暗电阻(M)：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。 3）最高工作电压(V)：指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压 4）亮电流：指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照射时所通过的电流。 5）暗电流(mA)：指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。 6）

18、时间常数（s）：指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的63%时所需的时间。 7）电阻温度系数：指光敏电阻器在环境温度改变1时，其电阻值的相对变化。 8）灵敏度：指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化,用作光强度传感器感知光线强弱，控制汽车前照灯点亮。,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： 式前的正负号由U、I 参考方向的关系确定；, 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。又称为“关联方向”,U = I R,U = IR,关联关系,非关联关系,第二节 电阻元件与欧姆定律 欧姆定律,三、欧姆定律

19、,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,第二节 电阻元件与欧姆定律 欧姆定律,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。,线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。,第二节 电阻元件与欧姆定律 欧姆定律,四、电阻的电功率,第二节 电阻元件与欧姆定律 电阻电功率,关联方向功率：,非关联方向功率：,线性电阻元件在电路中任何时刻都是消耗功率的。,按电阻为消耗（吸收）功率元件,四、电阻的功率,第一节 电路及其基本物理量,例1、如图电路已知I=-2A，R=5，求电压U

20、和电阻消耗功率。,电压电流参考方向为关联方向。,解：,(a),(b),四、电阻的功率,第一节 电路及其基本物理量,例2、如图电路已知电压源电压Us=5V电流源电流Is=2A，电流源端电压U=15V，R=5，求电阻电压UR和电阻、电压源、电流源的功率；说明是发出还是吸收。,Us,UR,I,U,Is,吸收功率,吸收功率,发出功率,吸收功率,发出功率,功率平衡,第三节 电源及其在汽车中的应用,一、实际电压源模型,1、理想电压源模型,2、实际电压源模型,若电阻R0可以忽略不计，或电源端电压与流过电源的电流无关，都可以认为是理想电压源。,I,理想电压源模型,实际电压源模型,实际电压源具有内阻所以：,电源

21、的外特性,当I增大，U下降，R0越小，输出特性越平坦。,R0为零，输出特性水平直线。,理想电流源实际是不存在的，但若电阻R0很小，可以忽略，就可以认为是理想电压源。,第三节 电源及其在汽车中的应用,二、蓄电池,1、蓄电池作用,1）、动用电源,2）、辅助电源,3）、充电电源：发电机的端电压高于电池电压时、向蓄电池充电，以便将多余的发电量电能收集起来加以保存。,第三节 电源及其在汽车中的应用,2、蓄电池的构造型号,构造,第一节 蓄电池的构造及工作原理,蓄电池型号：由四部分组成,数字量,数字量Ah,汉语拼音字母,特征代号,第三节 电源及其在汽车中的应用,3、蓄电池的连接,1）单独使用：电池单组的容量

22、，端电压。,2）串联使用：容量为单组的容量，电压增大为n倍单组电压。,3）并联使用：容量增大为单组容量n倍，电压为单组电压。,4）串并联使用：容量增大n倍容量和端电压升高m倍。,第三节 电源及其在汽车中的应用,三、实际电流源模型,1、实际电流源模型,2、理想电流源模型,若电阻R0可以大到无穷大，或流过电源的电流与电源端电压无关，都可以认为是理想电流源。,电流源的外特性,IS,U,i,0,理想,实际,I,R0,R,IS,U,I,实际电压源模型,当I下降，U下降，R0越大，输出特性越平坦。,R0无穷大，输出特性水平直线。,理想电流源实际是不存在的，但若电阻R0很大，可以忽略，就可以认为是理想电流源

23、。输出电流恒定。,第四节 基尔霍夫定律 电流定律,KCL：,对节点 对节点,代数和为零,1、节点：电路中三个分支以上的连接点。,名词解析,2、支路：电路中两个相邻节点的连接电路。,3、回路：电路中的任意闭合路径。,4、网孔：不含被包围支路的回路。,注意：,KCL 是支路电流的线性约束； KCL 只适用于集总参数电路，而不管电路元件是线性与非线性、时变与非时变等。即与元件性质无关。 KCL 是“电荷守恒原理”的反映，在任一节点上，电荷不会产生或消灭，也不会积累。 推广到“广义节点”的KCL：,广义节点,第四节 基尔霍夫定律 电流定律,例如1-6：,第四节 基尔霍夫定律 电流定律,KVL :,注意

24、：先设回路方向，沿回路 方向电压降为正，电压 升为负,回路：,回路：,第四节 基尔霍夫定律 电压定律,KVL 是支路电压的线性约束； KVL 只适用于集总参数电路，而不管电路元件是线性与非线性、时变与非时变等。即与元件性质无关。 推广到“假想回路”的KVL：,例1-3：如图所示电路中， 求A、B间的电压？,注意：,第四节 基尔霍夫定律 电压定律,解得：UAC=25V,解得：I=1A,电源连接的四种组合,例如：,第四节 基尔霍夫定律 电压定律的应用,第五节 电路的三种工作状态 空载 短路 有载,电源有载工作,US,R0,I,U2,U1,电路的三种工作状态一般是指电源的三种工作状态，即就是电源空载

25、、短路、有载工作状态。,特征:,一、电源开路,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:,第五节 电路的三种工作状态,空载,电源外部端子被短接,二、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:,第五节 电路的三种工作状态,短路,开关闭合,接通电源与负载,负载端电压,U = IR,特征:,三、负载工作, 电流的大小由负载决定。, 在电源有内阻时，I U 。,或 U = E IR0,当 R0R 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

26、力强。,第五节 电路的三种工作状态 有载,开关闭合,接通电源与负载。,负载端电压,U = IR,特征:, 电流的大小由负载决定。, 在电源有内阻时，I U 。,或 U = E IRo,UI = EI IRo,P = PE P,负载 取用 功率,电源 产生 功率,内阻 消耗 功率, 电源输出的功率由负载决定。,负载大小的概念: 负载增加指负载取用的 电流和功率增加(电压一定)。,第五节 电路的三种工作状态 有载,U、I 参考方向不同(非关联方向) ，P = UI 0，电源； P = UI 0，负载。,U、I 参考方向相同(关联方向)， P =UI 0，负载； P = UI 0，电源。,1. 根据

27、 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“+”端流入。 （吸收功率）。,第五节 电路的三种工作状态,有载,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,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),额定功率40W电灯接于110V，380V时消耗的功率分别为：,第五节 电路的三种工作状态 空载 短路

28、有载,例如：如图行李灯额定功率为6W，额定电压12V,电源有载工作,US,R0,FU,U2,U0,解：,IS,行李箱灯,顶 灯,门 灯,蓄电池电压US=12V,内阻为0.2。,求空载电压U0=？ 行李灯电阻？,求空载电压U0=US=12V,第六节 电阻的等值变换,电阻串联等效变换,R等效,R2,R1,一、电阻的串联,I,U2,U1,I,等效一个电阻,串联电阻,等效电阻,若电路有多个电阻串联等效电阻为：,两个电阻串联分压比为：,功率电压与电阻关系：,第六节 电阻的等值变换,电阻串联等效变换,R等效,二、电阻的并联,I,等效一个电阻,串联电导,等效电导,若电路有多个电阻并联等效电导为：,两个电阻并

29、联分流比为：,功率电流与电阻关系：,第六节 电阻的等值变换,电阻混联等效变换,三、电阻的混联,等效一个电阻,4、计算并联电路的电流：,1、按先并、后串化简电路。,2、计算总电流：,3、利用分压关系或U=IR计算各个串联电路的电压：,U1,U并,第六节 电阻的等值变换,电阻混联等效变换,三、电阻的混联 举例,4、计算并联电路的电流：,例：电路中已知R1=60，R2=40，R3=40，U=80V。,解：,3、利用分压关系计算各个串联电路的电压：,求I ，I1，I2，I3，U1，U2。,四、汽车中电阻电路的应用,第六节 电阻的等值变换,1、后窗除霜装置,第六节 电阻的等值变换,四、汽车中电阻电路的应

30、用,2、汽车照明电路,第六节 电阻的等值变换,5,5,5,R4,R5,I1,5,1,5,例、已知汽车的远光灯功率为25W，近光灯的功率12W。电源电压为12V。计算远光灯点亮时，电源供给的电流？,解：,近光,远光灯亮,第六节 电阻的等值变换,电桥平衡时IG=0,3、电桥平衡,第七节 支路电流法和叠加原理,电路模型链接图,一、支路电流法,以支路电流为未知参变量，利用基尔霍夫电流电压定律列出方程求解电路电压电流的方法。,1）、假定各支路电流的参考方向。,2）、用n-1个节点列出节点电流方程。,3）、选择网孔列出回路电压方程。,4）、联立方程求解。,第七节 支路电流法和叠加原理,二、叠加原理,I3,R3,I2,US1作用的等效电路,R2,US1，US2共同作用,US1作用,US2作用,第七节 支路电流法和叠加原理,叠加原理：多个独立电源共同作用下电路中各个分支路上的电流或电压，可以分解各个独立电源单独作用下在该支路产生的电流或电压的代数