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汽车电工与电子基础单元1直流电路1.1电路的基本概念1.2电路的基本物理量1.3串联电路与并联电路1.4欧姆定律1.5分压电路与分流电路1.7电容器及其充放电1.6基尔霍夫定律•知识目标：•1.正确描述电路的基本概念；•2.掌握电路中的基本物理量的含义；•3.简单叙述串并联电路的性质；•4.理解电路的基本定律。•能力目标：•1.会用万用表测量电路的电压、电流、电阻；•2.能解决直流电路中的连接问题；•3.会分析较复杂的电路。•建议学时：14学时1.1电路的基本概念1.1.1电路的组成1.1.2电路图1.1.3汽车电路的特点1.1.1电路的组成电路是指电流所经过的路径，一般是由电源、用电器、导线和开关四部分组成的闭合回路。日常生活中的手电筒是一个最简单的直流电路。汽车上的照明系统是直流电路的典型应用。电源是把其他形式的能量转换成为电能，为电路提供电能的设备或器件。其作用是提供电子移动的势能或电压。汽车上常见的电源有蓄电池和发电机，前者可以在汽车未运行时向有关用电设备供电，后者可以在发动机达到一定转速后取代蓄电池向有关用电设备供电，同时也对蓄电池进行充电。用电器是消耗电能的设备或器件，也常被称为电源的负载。其作用是把电能转化为其他形式的能（如热、光、声、机械能）。汽车上常见的负载有起动机、电喇叭、照明灯、刮水器和各种电子控制装置等。导线是指连接电源与用电器的金属线，它可以把电源产生的电能输送到用电器，常用铜、铝等材料制成。开关是指控制电路接通或断开的器件。1.1.2电路图电路图是用国家统一规定的电器元件或设备的符号来表示电路连接情况的图。如图1-1b）就是表示图1-1a）的实际电路的电路图。电路图能帮助人们了解整个电路工作原理和电器连接顺序。图1-1实际电路和电路图a）实际电路b）电路图识图就是看懂电路图，它包括三个方面：认识电路图中的符号，看懂电路的结构，了解各部分的作用和工作原理。1.1.3汽车电路的特点（1）低压直流供电。（2）单线制。（3）负搭铁。（4）用电设备并联。（1）低压直流供电。为了简化结构和保证安全，汽车电器设备采用低压直流（DC）供电。柴油车大都采用24V低压直流供电，汽油车大都采用12V低压直流供电。低压供电取自蓄电池或发电机，两者的电压保持一致。12V低压直流电压由一节蓄电池或两节蓄电池并联（要求电流较大的情况）后提供，24V的DC电压由两节12V蓄电池串联后提供。（2）单线制。所谓单线制，就是利用汽车发动机和底盘、车身等金属机件作为各种电器设备的公用连线（俗称搭铁或接地），而用电设备到电源只需另设一根导线。任何一个电路中的电流都是从电源的正极出发，经导线流入用电设备后，由搭铁的负极通过金属车架流回电源负极而形成回路。采用单线制不仅可以节省材料（铜导线），使电路简化，而且也便于安装、检修，同时也使故障率大大降低。（3）负搭铁。采用单线制时，电源的一端必须牢固地接到车架上，即搭铁，用符号“⊥”表示。按电源搭铁的极性，可分为正极搭铁和负极搭铁。由于负极搭铁对无线电干扰较小，所以包括我国在内的大多数国家的汽车都采用负极搭铁。采用负极搭铁方式的优点是：汽车车架和车身均不易锈蚀，汽车电器对无线电设备（例如汽车音响、通信系统等）的干扰也较电源正极搭铁方式小得多。（4）用电设备并联。所谓用电设备并联是指汽车上的各种用电设备都采用并联方式与电源连接，每个用电设备都由各自串联在其支路中的专用开关控制，互不产生干扰。1.2电路的基本物理量1.2.1电流1.2.2电压1.2.3电阻1.2.4电功率1.2.1电流电荷的定向运动形成电流。在金属导体中，电流是自由电子在电场力作用下作定向运动形成的。将良导体制成电线，一端连接于蓄电池的负极（产生负电荷电子的一端），另一端连接于蓄电池的正极（缺少负电荷电子的一端）。在同性相斥，异性相吸的作用下，导线内的自由电子便受到负极的排斥，正极的吸引，而由负极往正极方向移动。此自由电子的流动便形成了“电子流”，如图1-2所示。图1-2电子的流动图在富兰克林早期的实验中，因注明电流是由“+”，流到“-”，所以沿用下来都认为电流的方向是由正向负。随着电子学理论的发展，人们已经发现，电流是电子由负极移向正极所产生的。为顾及已经形成的习惯和避免混淆，就以+→-表示电流的方向，而将-→+定为电子流的方向（图1-3）。其实，电流和电子流根本指的是同一件事。图1-3电子流的方向电流的强弱用电流强度来表示，其数值等于单位时间内通过导体某一横截面的电荷量。设在dt时间内通过导体某一横截面的电荷量为dq，则通过该截面的电流强度为i=dq/dt在一般情况下，电流强度是随时间而变的。如果电流强度不随时间而变，即dq/dt=常数，则这种电流就称为恒定电流，简称直流。它所通过的路径就是直流电路。在直流电路中，电流符号以I表示。电流的度量单位是安培（Ampere），简称A，1安培定义为每一秒有1库仑的电量流过。在实际电路中，电流常以毫安培（mA）来表示，1A等于1000mA。1.2.2电压电压是推动电子流动的动力，是电流产生的原动力。图1-4a）所示的水流现象是因为高处的水在达到一定的水位差（位能）后所形成的。电的流动也和水的流动一样，只有电子还不够，尚需让电子具有一定的电位差，电流才会产生。电位差就是形成电压的原因，电子从高电位往低电位流。图1-4水流与电流电压越高，电位差也越大，电子就较容易发生流动，而产生电流。相同数目的电子分别在110V和20kV电压下，后者会比前者更容易“电”到人。有时，微量的电子在1.5V电压时无法导通，却可以在12V电压的条件下导通，便是这个道理。然而，还有一种“有电压、无电流”的现象，例如以万用表测量出蓄电池电压为10.5V，但是蓄电池却一点电都没有，这就是具有电位差，却没有电子所造成的结果。电流要能流动的必备条件是：电位差与电子，缺一不可。正如尼亚加拉大瀑布若只有50m的水位差（相当于电位差）却没有一滴水（相当于电子），也就不能称其为大瀑布了。在电学上，使电子产生流动的动力称为电动势。电位差则指某一点电位与参考点（零电位）间的差值。在汽车电路中常用的“搭铁”一词，其意义即是指“接地”，也就是以搭铁作为参考点，电压值为0V。所以，12V的蓄电池是指蓄电池的正、负极间电位差是12V。在电学中电位差、电动势或电压三个名词常被互换使用，然而其中却略有不同：（1）电位差：指导体任两点间的电压差值。（2）电动势：指蓄电池或发电元件两端的电位差。电动势的定义为：在电源内部，电源力将单位正电荷从电源负极移到电源正极所做的功，用字母E表示。（3）电压：常指电力数值的大小。原指引起电子在导线上流动的压力。正电荷在电场力的作用下，从高电位向低电位移动为电压的正方向。另外一个常见的名词是电压降，它是指电压受到线路中电阻的影响所产生的衰减。电压的单位为伏特（Volt），简写成V。1安培电流流过1欧姆电阻所需的压力为1伏特。电压的符号，在直流电源中以大写的U表示，在交流电源中则以小写的“u”表示。1.2.3电阻电阻是指电子在流动时所受到的阻力。所有的物质都有电阻，只是大小的不同而已。容易导电的物质，电阻较小，称为导体；不容易导电的物质，电阻较大，称为绝缘体。在直流电路中，电流唯一的阻力为电阻；但是交流电路中，除了电阻之外，电感器、电容也都会对电流产生阻力。因此，在交流电路中便以阻抗来代表这些阻力的向量和。电阻的单位为欧姆，用符号Ω表示。1欧姆定义为当具有1V电位差的导体两端，能够产生1安培电流时的阻力。任何电路中的电阻大小由下列5个因素所决定：（1）材料的原子结构：导体材料的自由电子数目越少，电阻越大。（2）导体的长度：导体越长，电阻也越大。（3）导体的直径：导体截面积越小，其电阻越大。（4）温度：一般来说，金属材质导体的温度升高时，电阻也随之增大。（5）导体的物理状况：如果导体出现腐蚀、断裂等毁损状况时，电阻就会增加。这是由于导体的截面积变小的缘故。另外，触点松动也会使线路电阻增大。电阻器可以说是电子电路中最基本且重要的电子元件。电阻器一般简称为电阻，其用途不外乎下列3种：（1）作为负载。（2）控制电流量。（3）作为感测元件，提供电脑系统变化信号。电阻器的符号如图1-5所示。图1-5电阻器的符号电阻器符号的种类繁多，若依工作性质可分成固定电阻、可变电阻及特殊用电阻等三大类。可变电阻器可用来调整电动机的转速，如图1-6所示。图1-6利用可变电阻来调整电动机转速汽车上的可变电阻根据接线和作用的不同又分为变阻器与电位计两种，如图1-7所示。这两种可变电阻极易被混淆。图1-7两种汽车上常见的可变电阻器变阻器是一种两线式的可变电阻器，用来调节负载元件（如灯泡）的电流大小。电阻器的一头为固定端，另一头则连接到滑动臂触点处。汽车仪表板上的调光器开关便是变阻器的应用实例。当旋转调光钮时，滑动臂转动，电阻值跟着变化，使灯泡亮度改变。电位计则是一个三线式的可变电阻器，其作用如分压电路。当滑动触点改变位置时，输出的电压值亦随之呈连续比例性变化。安装电位计时，将电阻器一头接到电源端，另一头连接搭铁端，第三条线则接到滑动臂。当滑动臂在电阻器上移动时，使可感测出电压降的变化。由于电流所流经的电阻大小一直保持在固定值，因此电位计所测得的总电压降非常稳定。这也是电位计能够成为现今汽车电脑所常用的输入传感器的原因。汽车上常用的特殊电阻器为热敏电阻，它是一种电阻值随温度改变而变化的电子元件，分为正温度系数和负温度系数两种，多用在温度传感器上。图1-8各种电阻器利用先进的制造技术，如真空蒸着法、溅射法，将导电物质或半导体物质于高真空中蒸发，喷涂在陶瓷棒表面形成很薄的金属薄膜，再覆以塑胶保护绝缘就可制成同轴圆筒形金属膜电阻器，如图1-9所示。图1-9炭膜、金属膜同轴圆筒型电阻构造目前，随着电子产品轻量化需求的增加，除了传统的圆筒形电阻器之外，芯片电阻、网络状的集成电阻器也越来越多。厚膜式产品已渐渐取代传统导线型产品，如图1-10所示。图1-10厚膜式电阻a）外观b）尺寸c）引脚芯片电阻是采用精纯氧化铝结晶陶瓷基板，印上高品质的金属厚膜导体，外层涂以玻璃釉保护体制成的。其优点为：小型化，适于高精密度的小型基板、高稳定性、低装配费，并且可用在自动表面贴片生产线上。网络电阻是精选稳定性佳的厚膜电阻材料，将它先印刷在陶瓷基板上，然后烧制，再用高速激光切割，加上引线后涂装制成的。其特点为：高密集包装、适于印刷电路板、价廉、稳定性高等。1.2.4电功率电功率是指电在单位时间内做功的能力。常用的单位为瓦特（Watt），简称W，1W定义为每一秒钟可产生1焦耳（Joule）功的电力。1W等于1000mW。电功率以符号P代表。电路中的电功率值可以由电压乘上电流得出，即P=VI。若代入欧姆定律，则P=I2R=V2/R1.3串联电路与并联电路1.3.1串联电路1.3.2并联电路1.3.3混合电路将电源、负载以导线连接起来，就构成一个电路。此负载也就是一个消耗或转换电能的电子元件，例如：电阻、线圈等。电流从电压源正极流出后，流经负载并回到电压源的负极，而完成一个回路，如图1-11所示。图1-11简单的完整电路在汽车电子学中常常会遇见几个与电路有关的名词：断路、短路与搭铁。现以回路的观念进行解释：（1）断路：在一完整电路中，任何一处出现电压源负载中断，使电流无法流回电源负极，称为断路，也有称为开路的。发生断路现象会使电路无法开关工作。（2）短路：电流原来应流过整个负载及导线而完成回路，却因导线或负载的绝缘损坏使电流流经的路线缩短后再回到电源负极，此现象称作短路，如图1-12所示。短路是否会影响负载的工作，需视短路所发生的位置而定。图1-12短路现象（3）搭铁：搭铁现象也可以算是短路的一种。当电流因线路绝缘破损而不流经原来电路或负载，直接流到车身搭铁并回到电源负极的现象称作搭铁。搭铁发生点以后的原电路就不再有电流流过。如图1-13所示，搭铁出现的位置不同，