汽车电工电子技术教材

工程一 直流电路,1.1,电路及其基本,物理,1.2,电阻、电感和电容,1.3,电路的基本,定律,1.4,电路分析,方法,1.1,电路及其基本物理量,电路就是电流所流过的路径，是人们为了某种需要，将某些电工、电子器件或设备按某种方式连接而成的。,1.,电流,电流是由电荷的定向移动而形成的。金属导体中的电流，是自由电子在电场力作用下运动而形成的。电流不仅有大小，而且有方向。,电流的大小用电流强度来表示，如果电流的大小和方向均不随时间变化，这种电流称为恒定电流，简称直流。对于直流，单位时间内通过导体横截面的电量叫做电流强度，简称电流，用,I,表示,2.,电位和电压,在汽车电路中，通常采用单线制供电，即用汽车底盘、车架和发动机等金属作为公用导线,(,称为搭铁,),。在分析计算某种电路或维修汽车电路时，通常把电路的某一点作为参考点，并规定其电位等于零。电路中某一点的电位就是该点到参考点,(,零电位点,),的电压。通常规定电气设备的机壳及电路中许多元件聚集在一起的公共点为参考点，用符号“”表示。比参考点高的电位为正值，比参考点低的电位为负值。电位的单位为伏特，简称伏,(V),。,3.,电动势,电源电路势是表示电源内非静电力做功能力的物理量。在电源内部，电源力,(,外力,),把正电荷从负极移到正极所做的功,W,E,与正电荷电量,Q,的比值，称为该电源的电动势，用,E,表示,4.,电流、电压和电动势的参考方向,通常规定电流的实际方向是由正电荷运动的方向；电压的实际方向是由高电位指向低电位。而电源电动势的实际方向是由电源负极,(,低电位,),指向正极,(,高电位,),。,5.,电能与电功率,电流流过灯泡，灯泡会发光；电流流过电炉丝，电炉丝会发热；电流流过电动机，电动时机运转。这些都说明电流通过电气设备时做了功，消耗了电能，我们把电气设备在工作时间消耗的电能,(,也称为电功,),用,W,表示。,电功的计算公式为：,W=UIt (1-5),式中：,W,表示电功，单位是焦耳,(J),；,U,表示电压，单位是伏特,(V),；,I,表示电流，单位是安培,(A),；,t,表示时间，单位是秒,(s),。,1.,通路,(,闭路,),通路就是电源和负载构成回路，如图,1-7,所示,。,2.,断路,(,开路,),断路就是电源和负载未构成闭合回路，如图,1-8,所示,。,3,.,短路,短路就是电源未经负载而直接由导线接通构成闭合回路，如图,1-9,所示。,1.,电阻的基本概念,导体对电流的阻碍作用叫做电阻，用,R,表示。电阻是汽车电器和电子设备中用的较多的基本元件之一,。,2.,电阻元件的分类,电阻元件的种类形状很多，按用途可分为限流电阻器、降压电阻器、分压电阻器、取样电阻器、保护电阻器、热敏电阻器、压敏电阻器、光敏电阻器等；按阻值能否调节可分为固定电阻器、可变电阻器；按制作材料可分为碳膜电阻器、金属膜电阻器、线绕电阻器、有机实芯电阻器等；按结构形状不同可分为圆柱型电阻器、圆盘型电阻器和贴片型电阻器等；按功率可分为,1/16w,、,1/8w,、,1/4w,、,1/2w,、,1w,、,2w,等额定功率的电阻；按精确度可分为一般电阻器,(,5,、,10%,、,20,等,),和精密电阻器,(,0.1,、,0.2,、,0.5,、,1,、,2,等,),。,3.,电阻元件的主要参数,1.2,电阻,、电感和电容元件,4,电阻器的选用,在选用电阻器时，应根据电阻器在电路中的具体要求,(,从电气性能和经济价值等方面,),，不但要考虑阻值是否符合要求，而且还要考虑该电阻器在使用中实际消耗的功率,(,或通过的电流,),不能超过其额定功率,(,或额定电流,),，否则会使电阻器损坏。,5.,电容器的检测,(1),电容器的简易测试,在通常情况下，电容器用作滤波或隔直，电路中对电容量的精确度要求不高，故不需测量实际电容量。但是，使用中要掌握电容器的一般检测方法。,6.,电容器在汽车上的应用,在汽车电气系统中，电容器用来储存电荷，它本身不消耗电能，其储存的电荷会在放电时返送回电路中。,1.,局部电路的欧姆定律,只有电阻而不含电源的一段电路称局部,电路。,实验证明：在这一段电路中，通过电路的电流与这段电路两端的电压成正比，而与这段电路的电阻成反比。这就是局部电路的欧姆定律。,1,3,电路的基本定律,2.,全电路欧姆定律,含有电源的闭合电路称为全电路。其中电源内部的电路称为内电路，电源外部的电路称为外电路,3.,基尔霍夫定律,汽车,电源系统电路。由图可知，汽车电源由蓄电池和发电机并联向负载供电。可,等效，,E,1,和,E,2,等效,为的,蓄电池和发电机，,R,3,即为用电设备。,1.,电阻的串联,如果把几个电阻顺序相连，并使其中没有其他支路，则这种连接方式称为串联,.,2.,电阻的并联,如果把几个电阻的一端相连接在电路的同一点上，而把它们的另一端共同接在电路的另一点上，则这种连接方式称为并联,.,3.,叠加原理,在线性电路中，任何一条支路中的电流或电压，都可以看成是由电路中每一个电源,(,电压源或电流源,),单独作用时，在此支路中产生的电流或电压的代数和，这就是叠加原理。所谓每一个电源单独作用，就是假设其余电源为零，即将理想电压源视为短路，理想电流源视为开路。,1.4,电路分析方法,正弦交流电产生的原理如图,5-2,所示，实验中，线圈在匀强磁场中匀速转动，可以观察到电流表的指针随线圈转动而摆动，且线圈每转动一周，指针左右摆动一次。实验说明线圈中产生了感应电动势，从而产生了感应电流，并且其大小和方向随时间作周期性变化，这就是正弦交流电产生的基本原理。,一、正弦交流电的产生,二、交流电的周期、频率和角频率,周期,周期是指正弦交流电按正弦规律变化一周所需要的时间，用字母,T,表示，单位为,s,（秒），如图,5-3,所示。,频率,频率是指正弦交流电在一秒内按正弦规律变化的周期数，用字母,f,表示，单位为,Hz,（赫兹）。频率和周期互为倒数，即,角频率,角频率是指单位时间内正弦交流电变化的角度。工程上常用弧度来表示角度，所以角频率的单位是,rad/s,（弧度每秒），用字母,表示。角频率、频率与周期之间的换算关系为,三、交流电的瞬时值、最大值和有效值,瞬时值,最大值,瞬时值是指正弦交流电某一时刻的值，用小写字母表示，如,e,，,u,，,i,分别表示电动势、电压和电流的瞬时值。,最大值又称振幅、幅值或峰值，它是指正弦交流电在一个周期内所达到的最大瞬时值，用大写字母加下标,m,表示，如,E,m,，,U,m,，,I,m,分别表示电动势、电压和电流的最大值。如图,5-3,所示，,U,m,为电压最大值。,有效值是根据交流电的热效应来规定的。我们将交流电与直流电分别通过相同的电阻，如果在相同时间内产生的热量相等，则把这一直流电的数值称为这个交流电的有效值，用大写字母,E,，,U,，,I,分别表示电动势、电压和电流的有效值。,有效值是根据交流电的热效应来规定的。我们将交流电与直流电分别通过相同的电阻，如果在相同时间内产生的热量相等，则把这一直流电的数值称为这个交流电的有效值，用大写字母,E,，,U,，,I,分别表示电动势、电压和电流的有效值。,生活中所说的,220 V,交流电指的就是交流电的有效值,。像冰箱、电视等电器铭牌上面所标的额定电流、额定电压均为交流电的有效值。,例,5-1,我国城市生活用电为,50 Hz,，,220 V,的工频交流电，其最大值是多少？周期是多少？,解,根据式（,5-3,）可得,由式（,5-1,）可得,四、交流电的相位角、初相位和相位差,瞬时值,最大值,相位角简称相位，是用来表征正弦交流电变化的物理量。在某一时刻，正弦交流电的瞬时值不仅由时间,t,确定，还由相位（,w,t,+,j,）确定。相位决定了正弦交流电的变化趋势，是正弦交流电随时间变化的核心部分。,初相位简称初相，是指在,t,=0,时的相位，用字母,j,0,表示，它反映了交流电起始时刻的状态。不同的正弦交流电，计时起点不同，它的初相也就不同，一般规定初相的变化范围为,。,相位差是指两个同频率正弦交流电的相位之差，用字母,表示，单位是弧度（,rad,）或度（,）。如果交流电的频率相同，相位差就等于初相之差，即,相位差是恒定的，与计时起点无关，不随时间而改变，说明了两个交流电在时间上超前或滞后的关系，即相位关系。,四、交流电的相位角、初相位和相位差,例如，相位差反映了两个正弦量,e,1,和,e,2,之间的以下几种相位关系。,当,j=0,时，两个正弦量,e,1,和,e,2,相位相同，称为同相，如图,5-4,（,a,）所示。,当,j0,时，称为正弦量,e,1,超前正弦量,e,2,（或正弦量,e,2,滞后正弦量,e,1,），如图,5-4,（,b,）所示。,当,时，称为两个正弦量,e,1,和,e,2,反相，如图,5-4,（,c,）所示。,当,时,，称为两个正弦量,e,1,和,e,2,正交，如图,5-4,（,d,）所示。,任何一个正弦量的最大值（有效值）、频率（角频率或周期）、初相确定以后，就可以写出解析式，并可以计算出任一时刻的瞬时值。所以，最大值、频率和初相称为正弦交流电的三要素。,1,解析式表示法,用正弦函数式表示正弦交流电随时间变化的关系的方法称为解析式表示法。正弦交流电的电流、电压和电动势的解析式分别为,（,5-4,）,五、正弦交流电的表示方法,2,波形图表示法,用正弦图形曲线来表示交流电随时间变化的关系的方法称为波形图表示法。,在平面直角坐标系中，用横坐标表示时间,t,或角度,w,t,，纵坐标表示正弦量的瞬时值，然后根据解析式计算出坐标系中各点的值，做出波形图，如图,5-5,所示。波形图法可以形象、完整地表达正弦交流电的三要素。,五、正弦交流电的表示方法,3,旋转矢量表示法,解析式表示法和波形图表示法都能反映出正弦交流电的变化特性，但是仍有其缺乏之处。解析式表示法形式准确、完整，但计算较复杂；波形图表示法形象直观，但作图较麻烦。所以为了便于对正弦交流电路进行分析、计算，通常采用旋转矢量表示法。旋转矢量表示法是指在一个直角坐标系中用绕原点旋转的矢量来表示正弦交流电的方法。,五、正弦交流电的表示方法,如果要表示一个正弦量,，可以以坐标原点,O,为端点作一条有向线段，以此线段的长度为正弦量的最大值,E,m,，以旋转矢量的起始位置与,x,轴正方向的夹角为初相,j,e0,，以线段绕原点逆时针旋转的角速度为,w,，这样在任一瞬时，有向线段在纵坐标轴上的投影就是该时刻正弦量的瞬时值，如图,5-6,所示。,五、正弦交流电的表示方法,由前文可知，根据正弦量的三要素，当频率已知并确定后，只要求出最大值和初相，这个正弦量也就随之确定。根据正弦电路的这一特点，可以用一个与之对应的矢量来表示正弦量的最大值（振幅）和初相。,为了区别于一般矢量相，通常在相应的大写字母上加一圆点“,”来表示正弦交流电的旋转矢量。如,分别表示正弦交流电的电流最大矢量、电压最大矢量和电动势最大矢量；,分别表示正弦交流电的电流有效矢量、电压有效矢量和电动势有效矢量。,五、正弦交流电的表示方法,通过实验证明：在纯电阻电路中，电流、电压和电阻三者任一时刻都符合欧姆定律。例如，在电阻两端加上交流电压,，然后测量其电流值，则,对于瞬时值有,（,5-5,）,对于最大值有,（,5-6,）,对于有效值有,（,5-7,）,所以在交流电作用下纯电阻电路的电流瞬时值表达式为,一、纯电阻电路,1,RL,串联电路电压间的关系,由此可做出,RL,串联电路的电压电流矢量图，如图,5-22,（,a,）所示。由矢量图可知，电压超前电流一个,j,角。我们称此类负载为电感性负载，其呈电感性。假设电压滞后电流一个,j,角，则称为电容性负载，其呈电容性。,一、,RL,串联电路,进而我们可以做出,U,，,U,R,，,U,L,的电压三角形，如图,5-22,（,b,）所示，则相位差,j,的角度为,（,5-19,）,总电压的有效值为,（,5-20,）,一、,RL,串联电路,2,RL,串联电路的阻抗,通过前面章节的学习可以知道在纯