第二章汽车电路基础知识.ppt

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1、第二章汽车电路基础知识 电在我们的日常生活中无处不在，与我们的生活息息相关。电子电路技术的发展给我们的生活带来了很大的变化，让我们的工作、家庭生活更加舒适健康。随着电子技术的迅猛发展，电子技术广泛应用在航空、航天、航海、汽车、工业生产、家用电器等各行各业，使各个领域的技术不断更新发展。特别是近些年，电子电路在汽车上得到了广泛地应用，使汽车的性能（经济性、排放性、安全性、舒适性、通过性等）得到很大的发展和提高，给发展智能化、网络化汽车及智能交通系统奠定了良好基础。项目一项目一 汽车电路基础汽车电路基础 知识目标：1掌握电路的基本组成、电路的三种工作状态；2理解电流、电压、电动势、电位、电工、电功

2、率等基本概念；3掌握电阻串联、并联及混联的连接方式4掌握欧姆定律、基尔霍夫定律；技能目标：1能正确计算串联、并联及混联电路的电阻、电压和电流；2能动手操作验证基尔霍夫定律；任务一任务一 电路组成与基本概念电路组成与基本概念 一、电路的组成 在日常生活或在生产实践中人们广泛地接触着各种各样的电路，手电筒就是一种非常简单的电路，在汽车上，起动系就是最常见也是最基本的电路。电路就是电流通过的路径。它是由一些电气设备和元器件按照一定方式连接而成的闭合回路。一般来说，电路由电源、负载、连接导线、控制和保护装置（开关）四部分组成，如图1-1所示。图1-1 电路的组成1.电源（供能元件）为电路提供能量的设备

3、和器件。它能把其他形式的能转换成电能。常见的电源有干电池、蓄电池、发电机等。汽车上的电源有两个，一个是发电机，另一个是蓄电池。发动机不启动时由蓄电池供电，发动机启动后轻负荷下由发电机供电，大负荷下由蓄电池和发电机联合供电。2.负载（耗能元件）使用（消耗）电能的设备和器件的总称。其作用是把电能转换成其他形式的能，如灯泡、电动机等用电器。汽车上的所有灯光，控制车窗升降、雨刮或中控锁的电机，喷油器，油泵，喇叭，所有的电控单元(ECU)等都是负载。3.连接导线 将电源和负载按一定方式连接构成闭合回路，输送和分配电能。如各种铜线、铝线等。4.控制和保护装置 用来控制电路的通断，保护电路的安全，使电路能够

4、正常工作，如开关、熔断器、继电器等。汽车上不同参数的保险丝、熔断器、灯光开关、雨刮开关、车窗开关、中控锁开关、点火开关、巡航开关、防盗继电器、启动继电器、油泵继电器、雨刮继电器等，这些都属于控制和保护装置。二、电路的作用 实际电路种类繁多，但就其功能来说可概括为以下四个方面。1.进行能量的传输、分配与转换。典型的例子是电力系统中的输电电路，如图1-2所示。发电厂的发电机组将其他形式的能量 （热能、水能、风能、原子能等）转换成电能，通过变压器、输电线等输送给用户，那里把电能转换成机械能（如负载是电动机）、光能（如负载是灯泡）、热能（如负载是电炉等），为人们生产、生活所利用。图1-2 电力系统输电

5、电路图 2.实现信息的传递与处理。典型的例子有电话、收音机、电视机等，如图1-3所示。接收天线把载有语言、音乐、图像信息的电磁波接收后，通过电路把输入信号（又称激励）变换或处理为人们所需要的输出信号（又称响应），送到扬声器或显像管，再还原为语言、音乐或图像。图1-3 信号处理电路 3.实现电量的测量。如万用表（数字式、机械式）在测量电阻时，万用表和电阻即连接成完整的测量电路。4.存储电路。所有的存储芯片内部都是由电路构成的。实际电路多种多样，具体的功能也各不相同，但它们有其共性，正是在这种共性的基础上，形成电路理论这一学科。三、电路的状态 电路的状态简单可分为三种：1.通路（闭路）：电源与负载

6、接通，电路中有电流通过，电气设备或元器件获得一定的电压和电功率，进行能量转换。2.断路（开路）：电路中没有电流通过，又称为空载状态。3.短路（捷路）：电源两端的导线直接相连接，输出电流过大对电源来说属于严重过载，如没有保护措施，电源或电器会被烧毁或发生火灾，所以通常要在电路或电气设备中安装熔断器、保险丝等保险装置，以避免发生短路时出现不良后果。四、电路图 由理想元件构成的电路叫做实际电路的电路模型，也叫做实际电路的电路原理图，简称为电路图，图1-4所示的手电筒电路图。图1-4 手电筒电路图 理想元件：电路是由电特性相当复杂的元器件组成的，为了便于用数学方法对电路进行分析，可将电路实体中的各种电

7、器设备和元器件用一些能够表征它们主要电磁特性的理想元件（模型）来代替，而对实际上的结构、材料、形状等非电磁特性不予考虑。在实际电路中使用着各种电气元器件（统称为电踣部件），如电阻器、电容器、电感器、灯泡、电池、晶体管、变压器等。实际的电路部件虽然种类繁多，但在电磁现象方而却有许多共同的地方。譬如电阻器、灯泡、电炉等，它们主要是消耗电能的，这样我们可用一个理想电阻来反映消耗电能的特征，即电阻特性。当电流通过它时，在它内部进行着把电能转换为其他形式能量的过程。理想电阻的模型符号如图1-5(a)所示。类似地，各种实际电容器主要是贮存电能的，用一个理想的二端电容来反映贮存电能的特征，即电容特性，理想电

8、容的模型符号如图1-5(b)所示。用一个理想二端电感来反映贮存磁能的特征，即电感特性，其模型符号如图1-5(c)所示。图1-5 理想电阻、电容、电感元件模型常用的理想元件名称和符号如表1-1所示。表1-1 常用的理想元件及符号 五、电路中的基本物理量五、电路中的基本物理量 在电路分析中，我们常用到的物理量有电流、电压、电位和电功率等。在分析电路之前，作为常识，旨先要深刻理解这些基本物理量的概念、符号和单位等。（一）电流（一）电流1电流及电流强度 电路中带电粒子在电源作用下作有规则的定向移动形成电流。电流既可以是负电荷，也可以是正电荷或者两者兼有的定向运动的结果。如金属导体中的带电粒子是自由电子

9、，电解液中的带电粒子是正、负离子。因此习惯上规定以正电荷移动的方向作为电流的方向，自由电子、负离子移动的方向与电流的方向相反，如图1-8所示。图1-8 自由电子移动的方向 电流的强弱称为电流强度（简称电流），用符号I表示。电流强度用每秒钟通过导线某一截面的电荷量（电量）的多少来衡量。用符号Q表示通过导线某一截面的电量、t表示通过电量Q所用的时间，则式中：电流I的单位是安培（简称安），用符号A表示。电量Q的单位是库仑，用符号C表示。时间t的单位是秒，用S表示。1安培（A）=1库仑(C)/1秒(S)即当每秒钟有1库仑的电量通过导线的某一截面，这时的电流就为1安培。电流很小时其单位常用毫安（mA）或

10、微安(A)表示，电流很大时其单位常用千安（kA）表示，电流单位之 间的换算关系是：1安培（A）=103毫安（mA）=106微安（A）=10-3千安（kA）2电流的参考方向 在进行电路分析计算时，当某段电路难以确定电流的实际方向时，可先假设一个电流的方向，称为电流的参考方向，并在相关电路中用箭头标出。如果计算结果电流的值为正值，则实际电流方向与参考电流方向一致；如果计算结果电流的值为负值，则实际电流方向与参考电流方向相反。如图1-9所示。图1-9 电流的参考方向 电流的大小和方向都不随时间改变的电流叫直流电（DC），用大写字母I表示。如果电流的大小和方向都随时间改变的电流叫交流电流（AC），用小

11、写字母i表示。（二）电压、电位、电动（二）电压、电位、电动1电压 电压又称电位差，如图1-10所示，在电场中若电场力将点电荷 Q 从A点移到B点，所做的功为WAB，则功与电荷 Q 的比值就称为该两点之间的电压。数学表达式为UAB=WAB/Q。图1-10 电场力与电压 UAB表示a点和b点之间的电压，单位为伏特（简称伏），符号表示为V；WAB表示电场力将把正电荷从a点移动到b点所做的功，单位为焦耳，符号表示为J；Q表示电荷，单位为库仑，符号表示为C。电压很小时其单位常用毫伏（mV）或微伏(V)表示，电压很大时其单位常用千伏（kV）表示，电压单位之间的换算关系是：1伏特（V）=103毫伏（mV）=

12、106微伏（V）=10-3千伏（kV）2电位和电位差 是指电路中某点与参考点之间的电压，符号用带下标的字母 U 表示，单位也是 V（伏特）。通常把参考点的电位规定为零，又称零电位。一般选大地为参考点，即视大地为零电位。在电子仪器和设备中又常把金属外壳或电路的公共接点的电位规定为零。需要注意，参考点的选择是任意的。在电场中，当选择不同的参考点时，各点的电位是不同的，但任意两点之间的电压不会因参考点的不同而发生变化。由图1-11可以看出电位具有相对性，即电路中某点的电位值随参考点位置的改变而改变；而电位差具有绝对性，即任意两点之间的电位差值与电路中参考点的位置选取无关。此外电位有正负之分，当某点的

13、电位大于参考点（零电位）电位时，称其为正电位，反之称其为负电位。图1-11 电位与电位差 3电动势 电源内部有一种能推动电荷移动的作用力叫电源力。电动势就是电源力将单位正电荷从电源负极移到正极所做的功。电动势用E表示，单位伏特（V）。式中：表示电源力将电荷从负极b移动到正极a所做的功，单位为焦耳，符号表示为J；表示电荷，单位为库仑，符号表示为C。电动势的方向规定：在电源内部由负极指向正极。4电动势和端电压 端电压是指电路两个端的电压。对于一个电源，既有电动势，又有端电压。电动势存在于电源内部，而端电压则是电源加在外电路两端的电压。在电源中，电动势的方向与电压的方向是相反的。一般情况下，电源的端

14、电压总是低于电源内部的电动势，只有当电源开路时，电源的端电压才与电源的电动势相等。（三）电功与电功率（三）电功与电功率 1电功 电流经过负载时，负载将电能转换成其它形式的能量，称为电流作功，简称电功，用字母W表示。电流做的功等于负载两端的电压U、流过负载的电流I和通电时间t的乘积，即式中W电功，单位焦耳，符号表示J；U加在负载上的电压，单位伏特，符号表示V；I流过负载的电流，单位安培，符号表示A；t时间，单位秒，符号表示s；电流做功的过程就是能量转换的过程。如有电流通过时，电灯会光，电动机会转动等。在实际应用中常以千瓦小时（KWh）也称度作为电功的单位。1度=1KWh=3.6106 J2电功率

15、 电功率表示电流在单位时间内所做的功。用表示。式中 电功率，单位瓦，符号表示W；电功，单位焦耳，符号表示J；时间，单位秒，符号表示s；电功率的单位还有千瓦（KW），1 KW=1000W=103 W在电路中，电源产生的电功率等于负载消耗的功率与电源内阻消耗的功率之和。即 例例1-11-1：在220伏的电源上接上电炉，已知通过电炉的电流是4.5安，问1小时该电炉消耗的电能是多少？解：电炉的功率是：P=UI=2204.5=990(W)1小时消耗的电能：W=Pt=99010-31=0.99（KWh）=0.99度答：1小时该电炉消耗的电能是0.99度。例例1-21-2：一个1、100的电阻，允许通过的最

16、大电流是多少？能否接电压为6的电源上？解：允许通过的最大电流 允许施加的最大电压 答：允许通过的最大电流为0.1A。电阻允许施加的最大电压为10V大于所加电压6V，可以接在电压为6V的电源。任务三任务三 串并联电路串并联电路一、电阻串联电路 1电阻串联的概念 把两个或两个以上的电阻依次连接，组成一条无分支电路，这样的连接方式叫做电阻的串联，如图1-23。图1-23 电阻的串联 2电阻串联电路的特点(1)电路中的电流相等，即：(2)电路两端的总电压等于各部分的电压之和，即：(3)串联电路的总电阻等于各电阻之和，即：(4)电路中各个电阻两端的电压与它的阻值成正比，即：U1/R1=U2/R2=Un/

17、Rn 或U1/U2=R1/R2；U1/U3=R1/R3；U2/U3=R2/R3 3电阻串联的应用(1)用几个电阻串联以获得较大的电阻。(2)几个电阻串联构成分压器，使同一电源能供给几种不同的电压。(3)扩大电压表的量程。(4)限制和调节电路中电流的大小。(5)当负载的额定电压低于电源电压时，可用串联电阻的方法将负载接入电源。二、电阻并联电路 1电阻并联的概念 把两个或两个以上的电阻接在电路中相同的两点之间，承受同一电压，这样的连接方式叫做电阻的并联。如图1-24 所示。图1-24 电阻的并联 2电阻并联电路的特点(1)电路中的各电阻两端的电压相等，即：(2)电路中的总电流等于流过各电阻的电流之

18、和，即：(3)并联电路的总电阻的倒数等于各电阻倒数之和，即：当两个电阻并联的时，因 可得 以上是两个电阻并联时的分流公式。3电阻并联的应用 (1)凡是额定工作电压相同的负载都采用并联的工作方式。(2)获得较小的电阻。(3)扩大电流表的量程。例例1-31-3：如图1-25所示的并联电路中，求等效电阻RAB、总电流I、各负载电阻上的电压、各负载电阻中的电流。图1-25 电阻并联电路 解：等效电阻RAB为：RAB=R1R2/（R1+R2）=63/（6+3）=2总电流I为：I=U/RAB=12/2=6A各负载上的电压：U1=U2=U=12V各负载的电流：I1=U1/R1=12/6=2A；I2=U2/R

19、2=12/3=4A三、电阻的混联 电路中既有电阻串联又有电阻并联的电路称为电阻混联电路。混联电路的形式有很多，如果经过串联和并联简化后，可以用一个等效电阻来代替时，称简单电路；若不能简化成一个等效电阻，则称为复杂电路。1.分析简单电路的方法 (1)先将混联电路分解为若干个串联和并联电阻电路，然后分别计算出串联和并联电路的等效电阻；(2)求出的各分电路的等效电阻替代原电阻电路，重新得到一个等效的混联电路；(3)重复（1）（2）步骤，得出最简单的无分支等效电路；(4)根据欧姆定律求出等效电路的电压、电流等。分析电阻串并联电路的关键是先判断哪些电阻是串联，哪些电阻是并联。串联的各电阻中间必须没有其它

20、分支，并联的各电阻必须联接到两个公共节点上。当电阻串并联的关系不易看出时，可以在不改变电阻元件间联接关系的条件下将无阻导线缩成一点，且尽量避免相互交叉。2电阻并联的应用 (a)(b)(c)(d)图1-26 等效电路 例例1-41-4：如图1-26中R1=R2=R3=R4=R5=1，求A、B间等效电阻RAB等于多少？解：(a)图等效于(b)图，等效于(c)图,等效于(d)图，如图所示，则：R34=R3+R4=2；R345=R34R5/（R34+R5）=21/(2+1)=2/3；R2345=R2+R345=1+2/3=5/3；RAB=R2345R1/（R2345+R1）=5/8 四、电池组的连接

21、1电池的串联 把电动势相同的电池正极与另一个电池负极相连，就构成了串联电池组（如图1-27）。第一个电池的正极就是电池组的正极，最后一个电池的负极就是电池组的负极。图1-27 三个电池的串联 设每个电池的电动势为，内阻为。当串联电池组由n个电池 组成时，整个电池组的电动势，串联电池组的电池内阻 串联电池组的电动势大于组成电池组的每个独立的电动势，所以当用电器的额定电压高于单个电池的电动势时，可用串联电池组供电。但串联电池组的电流要通过每一个电池，所以用电器的额定电流应小于单个电池允许通过的最大电流。2电池的并联 把电动势相同的电池的正极和正极相连，负极和负极相连，就构成了并联电池组（如图1-2

22、8）。并联电池组的正极是电池组的正极，并联在一起的负极电池组的负极。设每个电池的电动势为E,内阻为R。当并联电池组由n个电池组成时，整个电池组的电动势 并联电池组的电池内阻。图1-28 电池的并联 并联电池组的电动势虽然与组成电池组的每个独立电池的电动势相同，但由于每个电池中通过的电流只是全部电流的一部分，所以整个电池组允许通过较大的电流。当用电器的额定电流比单个电池允许通过的最大电流大时，可用并联电池组供电。但这时用电器的额定电压必须小于单个电池的电动势。五、电容器的联接 1电容器的串联 电容器的串联方法是在电路中把二个或二个以上的电容器依次连接起来，中间没有分支。如图1-29。图1-29

23、电容器的串联 电容器串联电路的特点：(1)串联后的总电压等于各电容上的电压之和。即：(2)串联后的总电容（等效电容）的倒数等于各电容量倒数之和，即：电容串联后总电容将变小。2.电容的并联 电路中把二个或二个以上的电容正极连接在一起，负极连接一起，就构成了电容器的并联，如图1-30 所示。图1-30 电容的并联 电容并联电路的特点是：(1)并联后各电容两端的电压相等并等于总电压，即：(2)并联后的总电容（等效电容量）等于各电容器的电容量之和，即：电容并联后总电容将变大。3电容的混联 电路中电容既有互相串联又有互相并联的连接方式称为电容的混联。在分析电容的混联电路时，要根据电容串联和并联电路的特点

24、分别进行计算分析。任务四任务四 电路的基本定律电路的基本定律 电流、电压和电阻是电路中的3个主要物理量，3个物理量之间存在一定的关系。电路的中间环节有不同的连接方式，不同的连接方式对电流、电压及电阻有影响，电路的基本定律可以解答这些问题。一、欧姆定律 为了寻找电流通过电路时的电流、电压和电阻三者之间的关系，德国物理学家欧姆通过大量的实验，于1827年得出了著名的欧姆定律。它的形式有两种：部分电路欧姆定律和全电路欧姆定律。1部分电路欧姆定律 电路中通过电阻的电流，与电阻两端所加的电压成正比，与电阻成反比，称为部分电路欧姆定律。计算公式为：或U=IR 式中，电压U以伏特（V）为单位，电流I以安培（

25、A）为单位，电阻R以欧姆（）为单位。例例1-51-5：已知某电阻R=50，两端电压U=100V，求流过电阻的电流为多大？解：A=2A 例例1-61-6：已知某电阻R=100,它通过的最大允许电流为5A，求该电阻两端所能承受的最大电压为多少？解：U=IR=5100=500V2全电路欧姆定律相关名词术语：内电路：电源本身的电流通路，由电动势E和内电阻R0组成。内电阻：内电路的电阻，通常用R0表示。外电路：电源以外的电流通路。全电路：内电路和外电路总称。图1-31所示为最简单的全电路，虚线框内为内电路，虚线框外为外电路。图1-31全电路 全电路欧姆定律：在整个闭合电路中，电流与电源的电动势成正比，与

26、电路中的内电阻和外电阻之和成反比。用公式表示为：或E=IR0+IR 式中，U=IR是外电路上的电压降（也叫端电压），Uo=IRo是内电路上的电压降，所以全电路欧姆定律又可以表示为：E=U+Uo 即：电源的电动势等于内外电路电压降之和。串、并联电路 二、基尔霍夫定律1相关名词术语以图1-32所示电路为例说明常用电路名词。图1-32电路基本概念举例 支路：由一个或几个元件首尾相接构成的无分支电路。电路中的EGD、AHB、FC均为支路，该电路的支路数目为b=3。节点：电路中三条或三条以上支路的联接点。电路中的节点有A、B两点，该电路的节点数目为n=2。回路：电路中任一闭合的路径。电路中的AFCBHA

27、、EAHBDGE、CBDGEAFC路径均为回路，该电路的回路数目为1=3。网孔：不含有分支的闭合回路。电路中的AFCBHA、EAHBDGE回路均为网孔，该电路的网孔数目为m=2。网络：在电路分析范围内网络是指包含较多元件的电路。2基尔霍夫电流定律(节点电流定律)节点电流定律的第一种表述：在任何时刻，电路中流入任一节点中的电流之和，恒等于从该节点流出的电流之和，即 如图1-33 中，在节点A上：I1 I3=I2 I4 I5 图1-33 节点电流定律 电流定律的第二种表述：在任何时刻，电路中任一节点上的各支路电流代数和恒等于零，即:一般可在流入节点的电流前面取“+”号，在流出节点的电流前面取“”号

28、，反之亦可。图1-32 中，由A节点得：I1 I2+I3 I4 I5=0。KCL不仅适用于节点，也可以推广到包围部分电路的任一假设的封闭面。例例1-71-7：图1-34(a)所示为某电路中的一部分，选择封闭面如图中虚线所示则有：图1-34(b)所示的三极管电路中，、三个电流满足关系式：+-=(a)(b)图1-34 电路中的封闭面 3基夫尔霍电压定律(回路电压定律)在任何时刻，沿着电路中的任一回路绕行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零，即图 1-35 基夫尔霍电压定律举例 以图1-35电路说明基夫尔霍电压定律。沿着回路AHBDGEA绕行方向，有 E2 R2I2+R1I1 E1=0例例1-81-8：如图1-36所示的电路中，若，求A与B两点间的电压 。图1-36顺时针绕行一周！解：由欧姆定律，可得 假设回路 的绕行方向如图1-35所示，A，B 之间切断，没有实际元件存在，但 A与B之间有一定的电压 存在。由KVL，可得 则有：汇报完毕！谢谢汇报完毕！谢谢！