实用汽车电工电子技术

中等职业教育技能紧缺人才培养培训系列教材实用汽车电工电子技术第1章直流电路学习目标1．理解电路的电位、电压、电动势等几个基本物理量。2．掌握电路的欧姆定律及电阻元件的电压、电流关系。3．掌握电源的断路、短路、有载三种状态及电源的外特性。4．掌握电阻负载串联、并联、混联电路的特点和计算方法。5．理解基尔霍夫定律，掌握电路中某点电位的意义及计算。6．掌握电桥的平衡条件。7．了解电容器充放电过程的特点。理解电容C的含义。1．1电路的基本结构1．1．1电路的组成电流流经的路径称为电路。电路一般是由电源、负载(用电器)、导线和控制装置等四部分组成，如图1．1所示。电源:给电路中的负载提供电能的设备。在汽车电路中的两个电源是蓄电池和发电机，它们的作用是分别将化学能和机械能转换成电能，再通过导线供给电路中负载使用。负载:电路中的各种用电设备，它将电能转换成机械、热、光、声等其他形式的能。例如，汽车起动系统中的起动机工作时把电能转换成机械能，完成对发动机的起动。点火装置是将电能转换成热能，点燃气缸内的可燃混合气。导线:用于连接电源和负载，担负着传输电能和信号的作用。常用导线是用铜或铝材料制成的，所以电阻一般都很小(可忽略不计)，在汽车上，为了便于安装、连接和保护导线不被损坏，一般都把多条导线包扎起来形成导线束。控制装置:作用是接通和断开电路，或保护电路不被破坏。如：汽车电路中的各种电器开关、继电器和熔断器。1．1．2电路图电路图有实物接线图和电路原理图之分，如图1．1所示。实物接线图虽然直观、易懂，但绘制麻烦。电路原理图是把电路中的实物用国家统一颁布的简单图形符号表示和绘制出来的电路连接图。在汽车电器电路维修中经常使用的是电路原理图。1．1．2汽车电路的单线制电源和用电设备之间是用两根导线构成回路的，这种连接方式称为双线制。在汽车上，为了节省导线和便于安装、维修，电源和用电设备之间通常只用一根导线连接，另一根导线则由发动机、车架等金属机体代替而构成回路。这种连接方式称为单线制，如图1．2所示。所以世界上绝大多数国家包括我国的汽车都采用负极搭铁。1．2．1电流电流是电荷的定向移动形成的。在金属导体中，电流实质上是带负电荷的自由电子在电源电场力的作用下运动所形成的。而在导电液(如蓄电池内的电解液)中，电流是带正、负电荷的离子在电源力的作用下向相反方向运动而形成的。习惯上规定正电荷移动的方向为电流的方向。因此带负电荷的自由电子和负离子移动的方向与电流的方向相反，如图1．3所示。电流不但有大小，而且还有方向。大小和方向都不随时间变化的电流称为稳定电流或直流。例如：由电池、蓄电池作电源所产生的电流就是直流电流。电流的大小等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。记作（1.1）式中I——电流，单位为安[培]，用A表示。Q——电荷量，单位为库[仑]，用C表示。t——时间，单位为秒，用s表示。在汽车电器系统中往往遇到几安、几十安甚至更大的电流，如汽油发动机起动时，蓄电池需向发动机提供200～600A的电流，柴油发动机需500～1000A的起动电流。而在电子控制系统中常遇到较小的电流，是以毫安（mA）或微安（μA）单位计算的。它们之间的关系为测量电流大小的仪表称为电流表，测量前应将档位调至直流电流（DCA）档位，然后根据被测量电流的大小，选择适当的量程。在无法估计电流大小时，应遵循先较大量程试测的原则。测量时要注意表笔接入电路的极性，在“+”端表笔接电流的流入端，“-”端表笔接电流的流出端。1．2．2电位和电压我们知道，管道里水流的形成只有水是不行的，还必须有水位或水压的作用。同样，导体里的电流的形成只靠导体中的自由电子是不行的，还必须有电场力的作用。这实际上是电场力移动电荷克服导体（或负载）的阻力而作功。衡量电场力作功本领的物理量是电位和电压。电位电路中某点的电位在数值上等于电场力将单位正电荷从该点移动到参考点（零电位点）所作的功，见图1.4。若以B点作为参考点，则A点的电位就是指电场力将单位正电荷从A点经白炽灯移动到B点所作的功。电位常用V表示，于是电路中某点A的电位为式中，W是电场力将正电荷所带电荷量Q从A点移到参考点所作的功，它的单位是焦耳，简称焦\（J）；电荷量Q的单位是库（C）；电位V的单位则是J∕C，或称为伏特，简称伏（V）。说电路中某点电位是多少，要先指定一个计算电位的起点，这个起点就是零电位点（即参考点）。参考点选择位置不同，电路中各点电位大小也不同。参考点一经选定，电路中各点的电位值就是确定值。其中电位比参考点高的点，电位为正值；电位比参考点低的点，电位为负值。在汽车电路中常以发动机的金属机体或车架为参考点（电位为零），电位的概念相当重要，在电子电路中经常要分析电路某点的电位高低。2.电压电路中某两点间的电压，就是该两点间的电位差。它实际上是电场力将单位正电荷从某点移动到另一点所作的功。显然，电路中某两点间的电压大小与参考点的选择无关。电压用字母U表示。例如A、B两点间的电压为电压的单位也用伏（V）表示，计量较大的电压时用千伏（KV）；计算较小的电压时用毫伏（mV）。电压的实际方向规定为高电位点指向低电位点，即沿着电压的方向电位是逐渐降低的。1．2．3电动势为了在电路中维持连续不断的电流，必须把从电源正极经负载流到电源负极的正电荷，再经电源的内部重新搬回到电源的正极，以保持电源两端对外电路的电压。能完成上述任务的是电源内部的电源力，它和电场力方向相反，如图1.4所示。所谓电动势就是在电源内部，电源力克服电场力的阻力，将单位正电荷从电源的负极，经电源内部移动到电源的正极所作的功，常用E表示。如果电源力移动电荷所作的功为We，那么1．2．4电功和电功率1.电功根据电路中电压的定义式（1.3）及电流的定义式（1.1）可知，电场力移动电荷所作的功为这就是电功的表达式，即电流在某段电路上所作的功，等于这段电路两端的电压、电路中的电流和通电时间的乘积。其中电功的单位是焦（J），但在电工实际应用中常以千瓦时（KW·H）（俗称度）作为电功的单位。1千瓦时（即1度电）表示功率为1千瓦时的用电器工作1小时所消耗的电能。[例1.1]一台25英寸彩电的额定功率是120W，每度电的电费1元，若每天开机5小时，一个月（30天）需多少电费？[解]电费=千瓦数X每天用电小时X天数X电费单价2.电功率电场力在单位时间内所作的功，称为电功率。用字母P表示。即上式表明，电功率等于电压与电流的乘积。公式中电压U的单位用伏（V），电流I的单位用安（A），电功率P的单位是瓦（W）。电功率的单位还有千瓦（KW），1KW=1000W。通常电器设备上都标有电压、电流、电功率等数据，这些数值均是指在额定工作状态下的数值。若超出这些数值使用，设备将缩短寿命，甚至很快损坏。例如，白炽灯上标有220V、60W表示此灯是用在220V的电源电压下，消耗的电功率为60W。若接在380V电源上会立即烧坏，若接在110V电源电压上，则消耗的电功率远低于60W，所以白炽灯会很暗。3.电流的热效应电流通过导体时，由于导体具有一定的电阻而发热，使电能转变成热能。这种现象称为电流的热效应。实验证明，电流通过导体所产生的热量和电流的平方、导体电阻及通过电流的时间成正比，即式中Q——热量，单位为焦（耳），用J表示。I——电流，单位为A。R——电阻，单位为Ωt——单位为s。电流的热效应用途相当广泛。汽车上照明灯是利用电流产生的热使灯丝达到白炽状态而发光的；熔断器是利用电流的热效应熔断熔丝切断电源的；汽车上的电热式机油压力表、水温表的指针偏转是依靠通过加热线圈的电流产生的热量，使双金属片受热变形，从而驱动并控制指针偏转，指示出不同的机油压力值和发动机冷却水温度值的。然而电流的热效应也有不利的一面，如汽车电路中的导线都有一定的电阻，在通电时会发热，若截面选择过小，电阻大，易造成发热严重，会加速导线外皮绝缘材料的老化，严重时会引起漏电或短路事故；若截面选择过大，则浪费材料，不经济。在选择导线截面时同，常用到电流密度“J”这一物理量，它表示导线单位面积通过的电流大小，即其中I——电流，单位为A。A——导线截面，单位为J——电流密度，单位为[例1.2]桑塔纳轿车远光灯的电流为5A，一般选导线的电流密度为，则应采用多大截面的导线？解由式（1.8）可得根据计算结果，还应留有余量，所以采用截面积为的导线为宜。1.3欧姆定律一个电阻在电压或电动势的作用下，就会有电流通过。欧姆定律是确定电路中电流、电压（或电动势）和电阻之间关系的定律。它是电工学中最基本的定律之一。1．3．1部分电路欧姆定律不含电源的一段电路称为部分电路，如图1.5所示。实验证明，在部分电路中，流过电阻的电流与电阻两端加的电压成正比，与电阻成反比。这个结论称为欧姆定律，即其中，U为电压（V），R为电阻（Ω），I为电流（A）。由式（1.10）可见，当通过电阻R中的电流一定时，电阻值愈大，加于电阻两端的电压愈高；电阻值愈小，加于电阻两端的电压愈低。也可以说，通过电阻的电流一定时，电阻愈大，在电阻R上产生的电压降愈大；电阻愈小，在电阻R上产生的电压降愈小。[例1.3]一只白炽灯上标注着220V、100W，该灯的额定工作电流为多大？其发光时的热态电阻是多少？若将它接在110V的电源上，消耗的电功率是多少？[解]根据电功率公式根据欧姆定律公式电功率的计算公式还有另外两种形式题中白炽灯所接的电源电压变为110V，所以1．3．2全电路欧姆定律含有电源的闭合电路称为全电路。如图1.6所示，全电路是由电源内部电路（简称内电路）和外电路两部分组成。对于外电路运用欧姆定律U=IR。实验证明：在全电路中，通过电路的电流与电源电动势E成正比，与电路的总电阻（R+R0）成反比，即上式表达的规律，称为全电路欧姆定律。式中电动势单位用伏（V），内、外电阻R。和R单位用欧（Ω），电流单位用安（A）。1．3．2电源内阻对输出电压的影响我们知道，电源端电压的大小直接关系着各用电设备的工作是否正常。随着电源输出电流的增加，内阻会影响端电压的大小，其原因可用全电路欧姆定律来分析，将式（1.11）写成。其中，U称为外电压，U0称为内电压，可见电源电动势等于内、外电压之和。由式（1.12）和式（1.13）可得U=E-IR0(1.14)式中，U=IR是外电路的端电压，简称路端电压。若忽略连接导线的电阻，R就是负载的电阻，则U就是负载的端电压。反映电源两端电压U与电路中电流I之间的关系曲线，称为电源的外特性曲线，简称电源的外特性。一般情况下，电源的E和R0都是常量，按式（1.14）绘出的电源外特性曲线，是一条直线，如图1.7所示。内阻愈大的电源供电时，内阻R0上的压降愈大，其对外特性愈陡，即端电压下降越严重；内阻愈小，外特性愈接近于水平直线，即端电压下降较小。汽车用的蓄电池内阻一般都很小，当蓄电池由于长期不用或长期充电不足，发生极板硫化时，内阻显著增大。造成起动机电压偏低，往往汽车发动机不起运。所以平时要十分重视蓄电池的使用和维护。1．4导体电阻及电阻元件1．4．1导体电阻事物都是一分为二的，导体能够导电，但同时对电流又有阻碍作用。这种阻力是自由电子在定向移动时与导体的原子发生碰撞而产生的。通过实验可知，在一定的温度下导体电阻的大小与导体的材料长度和截面积有关，用公式表示为式中R——导体的电阻，单位为Ω。L——导体的长度，单位为m。S——导体的截面积，单位为。ρ——导体的电阻率，单位为对于同种导体，当温度变化时，其电阻率也不相同，通常用温度系数a表示导体电阻受温度影响的程度。a越大的导体电阻受温度的影响越大，反之受温影响越小。表1.1为几种常用导体材料的电阻率和温度系数。1．4．1电阻元件利用不同导体具有不同的电阻率的特性，制成用来限制或调节电路电流的元件，称为电阻器（简称电阻），常用的电阻器一般可以分为固定电阻器和可变电阻器两大类，外形及电路符号如1.8所示。实际应用中大多数电阻元件的阻值基本都是恒定的，即不随电压、电流的变化而变化，所以可以应用欧姆定律求解。这样的电阻称为线性电阻。我们把线性电阻两端的电压