第二章、汽車電路基礎(chǔ)知識

1、第二章、汽車電路基礎(chǔ)郴州工業(yè)交通學校王龍 電在我們的日常生活中無處不在，與我們的生活息息相關(guān)。電子電路技術(shù)的發(fā)展給我們的生活帶來了很大的變化，讓我們的工作、家庭生活更加舒適健康。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子技術(shù)廣泛應(yīng)用在航空、航天、航海、汽車、工業(yè)生產(chǎn)、家用電器等各行各業(yè)，使各個領(lǐng)域的技術(shù)不斷更新發(fā)展。 特別是近些年，電子電路在汽車上得到了廣泛地應(yīng)用，使汽車的性能（經(jīng)濟性、排放性、安全性、舒適性、通過性等）得到很大的發(fā)展和提高，給發(fā)展智能化、網(wǎng)絡(luò)化汽車及智能交通系統(tǒng)奠定了良好基礎(chǔ)。 知識目標：1掌握電路的基本組成、電路的三種工作狀態(tài)；2理解電流、電壓、電動勢、電位、電工、電功率等基本概念；3掌

2、握電阻串聯(lián)、并聯(lián)及混聯(lián)的連接方式4掌握歐姆定律、基爾霍夫定律；技能目標：1能正確計算串聯(lián)、并聯(lián)及混聯(lián)電路的電阻、電壓和電流；2能動手操作驗證基爾霍夫定律； 任務(wù)一任務(wù)一 電路組成與基本概念電路組成與基本概念 一、電路的組成 在日常生活或在生產(chǎn)實踐中人們廣泛地接觸著各種各樣的電路，手電筒就是一種非常簡單的電路，在汽車上，起動系就是最常見也是最基本的電路。電路就是電流通過的路徑。它是由一些電氣設(shè)備和元器件按照一定方式連接而成的閉合回路。一般來說，電路由電源、負載、連接導線、控制和保護裝置（開關(guān)）四部分組成，如圖1-1所示。 圖1-1 電路的組成1.電源（供能元件） 為電路提供能量的設(shè)備和器件。它能

3、把其他形式的能轉(zhuǎn)換成電能。常見的電源有干電池、蓄電池、發(fā)電機等。汽車上的電源有兩個，一個是發(fā)電機，另一個是蓄電池。發(fā)動機不啟動時由蓄電池供電，發(fā)動機啟動后輕負荷下由發(fā)電機供電，大負荷下由蓄電池和發(fā)電機聯(lián)合供電。 2.負載（耗能元件） 使用（消耗）電能的設(shè)備和器件的總稱。其作用是把電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能，如燈泡、電動機等用電器。汽車上的所有燈光，控制車窗升降、雨刮或中控鎖的電機，噴油器，油泵，喇叭，所有的電控單元(ECU)等都是負載。3.連接導線 將電源和負載按一定方式連接構(gòu)成閉合回路，輸送和分配電能。如各種銅線、鋁線等。4.控制和保護裝置 用來控制電路的通斷，保護電路的安全，使電路能夠正常工作

4、，如開關(guān)、熔斷器、繼電器等。汽車上不同參數(shù)的保險絲、熔斷器、燈光開關(guān)、雨刮開關(guān)、車窗開關(guān)、中控鎖開關(guān)、點火開關(guān)、巡航開關(guān)、防盜繼電器、啟動繼電器、油泵繼電器、雨刮繼電器等，這些都屬于控制和保護裝置。 二、電路的作用 實際電路種類繁多，但就其功能來說可概括為以下四個方面。 1.進行能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換。典型的例子是電力系統(tǒng)中的輸電電路，如圖1-2所示。發(fā)電廠的發(fā)電機組將其他形式的能量 （熱能、水能、風能、原子能等）轉(zhuǎn)換成電能，通過變壓器、輸電線等輸送給用戶，那里把電能轉(zhuǎn)換成機械能（如負載是電動機）、光能（如負載是燈泡）、熱能（如負載是電爐等），為人們生產(chǎn)、生活所利用。 圖1-2 電力系統(tǒng)輸電電

5、路圖 2.實現(xiàn)信息的傳遞與處理。典型的例子有電話、收音機、電視機等，如圖1-3所示。接收天線把載有語言、音樂、圖像信息的電磁波接收后，通過電路把輸入信號（又稱激勵）變換或處理為人們所需要的輸出信號（又稱響應(yīng)），送到揚聲器或顯像管，再還原為語言、音樂或圖像。圖1-3 信號處理電路 3.實現(xiàn)電量的測量。如萬用表（數(shù)字式、機械式）在測量電阻時，萬用表和電阻即連接成完整的測量電路。 4.存儲電路。所有的存儲芯片內(nèi)部都是由電路構(gòu)成的。 實際電路多種多樣，具體的功能也各不相同，但它們有其共性，正是在這種共性的基礎(chǔ)上，形成電路理論這一學科。 三、電路的狀態(tài) 電路的狀態(tài)簡單可分為三種： 1.通路（閉路）：電源

6、與負載接通，電路中有電流通過，電氣設(shè)備或元器件獲得一定的電壓和電功率，進行能量轉(zhuǎn)換。 2.斷路（開路）：電路中沒有電流通過，又稱為空載狀態(tài)。 3.短路（捷路）：電源兩端的導線直接相連接，輸出電流過大對電源來說屬于嚴重過載，如沒有保護措施，電源或電器會被燒毀或發(fā)生火災(zāi)，所以通常要在電路或電氣設(shè)備中安裝熔斷器、保險絲等保險裝置，以避免發(fā)生短路時出現(xiàn)不良后果。 四、電路圖 由理想元件構(gòu)成的電路叫做實際電路的電路模型，也叫做實際電路的電路原理圖，簡稱為電路圖，圖1-4所示的手電筒電路圖。圖1-4 手電筒電路圖 理想元件：電路是由電特性相當復雜的元器件組成的，為了便于用數(shù)學方法對電路進行分析，可將電路實

7、體中的各種電器設(shè)備和元器件用一些能夠表征它們主要電磁特性的理想元件（模型）來代替，而對實際上的結(jié)構(gòu)、材料、形狀等非電磁特性不予考慮。 在實際電路中使用著各種電氣元器件（統(tǒng)稱為電踣部件），如電阻器、電容器、電感器、燈泡、電池、晶體管、變壓器等。實際的電路部件雖然種類繁多，但在電磁現(xiàn)象方而卻有許多共同的地方。譬如電阻器、燈泡、電爐等，它們主要是消耗電能的，這樣我們可用一個理想電阻來反映消耗電能的特征，即電阻特性。當電流通過它時，在它內(nèi)部進行著把電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量的過程。理想電阻的模型符號如圖1-5 (a)所示。類似地，各種實際電容器主要是貯存電能的，用一個理想的二端電容來反映貯存電能的特征，即

8、電容特性，理想電容的模型符號如圖1-5 (b)所示。用一個理想二端電感來反映貯存磁能的特征，即電感特性，其模型符號如圖1-5 (c)所示。 圖1-5 理想電阻、電容、電感元件模型常用的理想元件名稱和符號如表1-1所示。 表1-1 常用的理想元件及符號 五、電路中的基本物理量五、電路中的基本物理量 在電路分析中，我們常用到的物理量有電流、電壓、電位和電功率等。在分析電路之前，作為常識，旨先要深刻理解這些基本物理量的概念、符號和單位等。（一）電流（一）電流1電流及電流強度 電路中帶電粒子在電源作用下作有規(guī)則的定向移動形成電流。電流既可以是負電荷，也可以是正電荷或者兩者兼有的定向運動的結(jié)果。如金屬導

9、體中的帶電粒子是自由電子，電解液中的帶電粒子是正、負離子。因此習慣上規(guī)定以正電荷移動的方向作為電流的方向，自由電子、負離子移動的方向與電流的方向相反，如圖1-8所示。 圖1-8 自由電子移動的方向 電流的強弱稱為電流強度（簡稱電流），用符號I表示。電流強度用每秒鐘通過導線某一截面的電荷量（電量）的多少來衡量。用符號Q表示通過導線某一截面的電量、t表示通過電量Q所用的時間，則QIt式中：電流I的單位是安培（簡稱安），用符號A表示。 電量Q的單位是庫侖，用符號C表示。 時間t的單位是秒，用S表示。 1安培（A）=1庫侖(C)/1秒(S) 即當每秒鐘有1庫侖的電量通過導線的某一截面，這時的電流就為1

10、安培。電流很小時其單位常用毫安（mA）或微安(A)表示，電流很大時其單位常用千安（kA）表示，電流單位之 間的換算關(guān)系是：1安培（A）=103毫安（mA）=106微安（A）=10-3千安（kA） 2電流的參考方向 在進行電路分析計算時，當某段電路難以確定電流的實際方向時，可先假設(shè)一個電流的方向，稱為電流的參考方向，并在相關(guān)電路中用箭頭標出。如果計算結(jié)果電流的值為正值，則實際電流方向與參考電流方向一致；如果計算結(jié)果電流的值為負值，則實際電流方向與參考電流方向相反。如圖1-9所示。 圖1-9 電流的參考方向 電流的大小和方向都不隨時間改變的電流叫直流電（DC），用大寫字母I表示。如果電流的大小和方

11、向都隨時間改變的電流叫交流電流（AC），用小寫字母i表示。（二）電壓、電位、電動（二）電壓、電位、電動1電壓 電壓又稱電位差，如圖1-10所示，在電場中若電場力將點電荷 Q 從A點移到B點，所做的功為WAB ，則功與電荷 Q 的比值就稱為該兩點之間的電壓。數(shù)學表達式為UAB= WAB /Q。 圖1-10 電場力與電壓 UAB表示a點和b點之間的電壓，單位為伏特（簡稱伏），符號表示為V； WAB表示電場力將把正電荷從a點移動到b點所做的功，單位為焦耳，符號表示為J； Q表示電荷，單位為庫侖，符號表示為C。 電壓很小時其單位常用毫伏（mV）或微伏(V)表示，電壓很大時其單位常用千伏（kV）表示，電

12、壓單位之間的換算關(guān)系是：1伏特（V）=103毫伏（mV）=106微伏（V）=10-3千伏（kV）2電位和電位差 是指電路中某點與參考點之間的電壓，符號用帶下標的字母 U 表示，單位也是 V（伏特）。通常把參考點的電位規(guī)定為零，又稱零電位。一般選大地為參考點，即視大地為零電位。在電子儀器和設(shè)備中又常把金屬外殼或電路的公共接點的電位規(guī)定為零。 需要注意，參考點的選擇是任意的。在電場中，當選擇不同的參考點時，各點的電位是不同的，但任意兩點之間的電壓不會因參考點的不同而發(fā)生變化。由圖1-11可以看出電位具有相對性，即電路中某點的電位值隨參考點位置的改變而改變；而電位差具有絕對性，即任意兩點之間的電位差

13、值與電路中參考點的位置選取無關(guān)。此外電位有正負之分，當某點的電位大于參考點（零電位）電位時，稱其為正電位，反之稱其為負電位。 圖1-11 電位與電位差 3電動勢 電源內(nèi)部有一種能推動電荷移動的作用力叫電源力。電動勢就是電源力將單位正電荷從電源負極移到正極所做的功。電動勢用E表示，單位伏特（V）。 baWEq式中： baW表示電源力將電荷從負極b移動到正極a所做的功，單位為焦耳，符號表示為J； q表示電荷，單位為庫侖，符號表示為C。電動勢的方向規(guī)定：在電源內(nèi)部由負極指向正極。 4電動勢和端電壓 端電壓是指電路兩個端的電壓。對于一個電源，既有電動勢，又有端電壓。電動勢存在于電源內(nèi)部，而端電壓則是電

14、源加在外電路兩端的電壓。在電源中，電動勢的方向與電壓的方向是相反的。一般情況下，電源的端電壓總是低于電源內(nèi)部的電動勢，只有當電源開路時，電源的端電壓才與電源的電動勢相等。 （三）電功與電功率（三）電功與電功率 1電功 電流經(jīng)過負載時，負載將電能轉(zhuǎn)換成其它形式的能量，稱為電流作功，簡稱電功，用字母W表示。 電流做的功等于負載兩端的電壓U、流過負載的電流I和通電時間t的乘積，即22U tWIUtI RtR式中W電功，單位焦耳，符號表示J； U加在負載上的電壓，單位伏特，符號表示V； I流過負載的電流，單位安培，符號表示A； t時間，單位秒，符號表示s； 電流做功的過程就是能量轉(zhuǎn)換的過程。如有電流通

15、過時，電燈會光，電動機會轉(zhuǎn)動等。在實際應(yīng)用中常以千瓦小時（KWh）也稱度作為電功的單位。1度=1KWh=3.6106 J2電功率 電功率表示電流在單位時間內(nèi)所做的功。用P表示。 WPIUt式中 P電功率，單位瓦，符號表示W(wǎng)； W電功，單位焦耳，符號表示J； t時間，單位秒，符號表示s； 電功率的單位還有千瓦（KW），1 KW=1000W=103 W在電路中，電源產(chǎn)生的電功率等于負載消耗的功率與電源內(nèi)阻消耗的功率之和。即 rEIUIU IWV例例1-11-1：在220伏的電源上接上電爐，已知通過電爐的電流是4.5安，問1小時該電爐消耗的電能是多少？解：電爐的功率是： P=UI=2204.5=99

16、0(W)1小時消耗的電能： W=Pt=99010-31=0.99（KWh）=0.99度答：1小時該電爐消耗的電能是0.99度。例例1-21-2：一個1、100的電阻，允許通過的最大電流是多少？能否接電壓為6的電源上？解：允許通過的最大電流 10.1100PIR允許施加的最大電壓 1 10010UPR答：允許通過的最大電流為0.1A。電阻允許施加的最大電壓為10V大于所加電壓6V，可以接在電壓為6V的電源。 任務(wù)三任務(wù)三 串并聯(lián)電路串并聯(lián)電路一、電阻串聯(lián)電路 1電阻串聯(lián)的概念 把兩個或兩個以上的電阻依次連接，組成一條無分支電路，這樣的連接方式叫做電阻的串聯(lián)，如圖1-23。圖1-23 電阻的串聯(lián)

17、2電阻串聯(lián)電路的特點(1)電路中的電流相等，即： 123nIIII(2)電路兩端的總電壓等于各部分的電壓之和，即： 123nUUUUU(3)串聯(lián)電路的總電阻等于各電阻之和，即： 123nRRRRR(4)電路中各個電阻兩端的電壓與它的阻值成正比，即：U1/R1=U2/R2=Un/Rn 或U1/U2=R1/R2 ；U1/U3=R1/R3 ；U2/U3=R2/R3 3電阻串聯(lián)的應(yīng)用(1)用幾個電阻串聯(lián)以獲得較大的電阻。(2)幾個電阻串聯(lián)構(gòu)成分壓器，使同一電源能供給幾種不同的電壓。(3)擴大電壓表的量程。(4)限制和調(diào)節(jié)電路中電流的大小。(5)當負載的額定電壓低于電源電壓時，可用串聯(lián)電阻的方法將負載接

18、入電源。 二、電阻并聯(lián)電路 1電阻并聯(lián)的概念 把兩個或兩個以上的電阻接在電路中相同的兩點之間，承受同一電壓，這樣的連接方式叫做電阻的并聯(lián)。如圖1-24 所示。 圖1-24 電阻的并聯(lián) 2電阻并聯(lián)電路的特點 (1)電路中的各電阻兩端的電壓相等，即：123nUUUU(2)電路中的總電流等于流過各電阻的電流之和，即： 123nIIIII(3)并聯(lián)電路的總電阻的倒數(shù)等于各電阻倒數(shù)之和，即： 12311111nRRRRR當兩個電阻并聯(lián)的時，因 111UIR222UIR12UUIR1212R RRRR可得 1211112URIRIIRRRR2122212URIRIIRRRR以上是兩個電阻并聯(lián)時的分流公式。

19、 3電阻并聯(lián)的應(yīng)用 (1)凡是額定工作電壓相同的負載都采用并聯(lián)的工作方式。 (2)獲得較小的電阻。 (3)擴大電流表的量程。 例例1-31-3：如圖1-25所示的并聯(lián)電路中，求等效電阻RAB、總電流I、各負載電阻上的電壓、各負載電阻中的電流。 圖1-25 電阻并聯(lián)電路 解：等效電阻RAB為：RAB= R1R2/（R1+R2）=63/（6+3）=2總電流I為：I=U/ RAB=12/2=6A各負載上的電壓：U1=U2=U=12V各負載的電流：I1=U1/R1=12/6=2A；I2=U2/R2=12/3=4A三、電阻的混聯(lián) 電路中既有電阻串聯(lián)又有電阻并聯(lián)的電路稱為電阻混聯(lián)電路。 混聯(lián)電路的形式有很

20、多，如果經(jīng)過串聯(lián)和并聯(lián)簡化后，可以用一個等效電阻來代替時，稱簡單電路；若不能簡化成一個等效電阻，則稱為復雜電路。1.分析簡單電路的方法 (1)先將混聯(lián)電路分解為若干個串聯(lián)和并聯(lián)電阻電路，然后分別計算出串聯(lián)和并聯(lián)電路的等效電阻； (2)求出的各分電路的等效電阻替代原電阻電路，重新得到一個等效的混聯(lián)電路； (3)重復（1）（2）步驟，得出最簡單的無分支等效電路； (4)根據(jù)歐姆定律求出等效電路的電壓、電流等。 分析電阻串并聯(lián)電路的關(guān)鍵是先判斷哪些電阻是串聯(lián)，哪些電阻是并聯(lián)。串聯(lián)的各電阻中間必須沒有其它分支，并聯(lián)的各電阻必須聯(lián)接到兩個公共節(jié)點上。當電阻串并聯(lián)的關(guān)系不易看出時，可以在不改變電阻元件間聯(lián)

21、接關(guān)系的條件下將無阻導線縮成一點，且盡量避免相互交叉。 2電阻并聯(lián)的應(yīng)用 (a) (b) (c) (d) 圖1-26 等效電路 例例1-41-4： 如圖1-26中R1=R2=R3=R4=R5=1，求A、B間等效電阻RAB等于多少？解：(a)圖等效于(b)圖，等效于(c)圖,等效于(d)圖，如圖所示，則：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、電池組的連接 1電池的串聯(lián) 把電動勢相同的電池正極與另一個電池負極相連，就構(gòu)成了串聯(lián)電池組（如圖

22、1-27）。第一個電池的正極就是電池組的正極，最后一個電池的負極就是電池組的負極。圖1-27 三個電池的串聯(lián) 設(shè)每個電池的電動勢為 E，內(nèi)阻為 r。當串聯(lián)電池組由n個電池 組成時，整個電池組的電動勢 EnE串總，串聯(lián)電池組的電池內(nèi)阻 rnr串總 串聯(lián)電池組的電動勢大于組成電池組的每個獨立的電動勢，所以當用電器的額定電壓高于單個電池的電動勢時，可用串聯(lián)電池組供電。但串聯(lián)電池組的電流要通過每一個電池，所以用電器的額定電流應(yīng)小于單個電池允許通過的最大電流。 2電池的并聯(lián) 把電動勢相同的電池的正極和正極相連，負極和負極相連，就構(gòu)成了并聯(lián)電池組（如圖1-28）。并聯(lián)電池組的正極是電池組的正極，并聯(lián)在一起

23、的負極電池組的負極。設(shè)每個電池的電動勢為E,內(nèi)阻為R。當并聯(lián)電池組由n個電池組成時，整個電池組的電動勢 EE并總并聯(lián)電池組的電池內(nèi)阻 。rrn并 總 圖1-28 電池的并聯(lián) 并聯(lián)電池組的電動勢雖然與組成電池組的每個獨立電池的電動勢相同，但由于每個電池中通過的電流只是全部電流的一部分，所以整個電池組允許通過較大的電流。當用電器的額定電流比單個電池允許通過的最大電流大時，可用并聯(lián)電池組供電。但這時用電器的額定電壓必須小于單個電池的電動勢。 五、電容器的聯(lián)接 1電容器的串聯(lián) 電容器的串聯(lián)方法是在電路中把二個或二個以上的電容器依次連接起來，中間沒有分支。如圖1-29。 圖1-29 電容器的串聯(lián) 電容器

24、串聯(lián)電路的特點：(1)串聯(lián)后的總電壓等于各電容上的電壓之和。即： 123nUUUUU(2)串聯(lián)后的總電容（等效電容）的倒數(shù)等于各電容量倒數(shù)之和，即： 12311111nCCCCC 電容串聯(lián)后總電容將變小。2.電容的并聯(lián) 電路中把二個或二個以上的電容正極連接在一起，負極連接一起，就構(gòu)成了電容器的并聯(lián)，如圖1-30 所示。 圖1-30 電容的并聯(lián) 電容并聯(lián)電路的特點是： (1)并聯(lián)后各電容兩端的電壓相等并等于總電壓，即： 123nUUUUU (2)并聯(lián)后的總電容（等效電容量）等于各電容器的電容量之和，即： 123nCCCCC電容并聯(lián)后總電容將變大。 3電容的混聯(lián) 電路中電容既有互相串聯(lián)又有互相并聯(lián)

25、的連接方式稱為電容的混聯(lián)。 在分析電容的混聯(lián)電路時，要根據(jù)電容串聯(lián)和并聯(lián)電路的特點分別進行計算分析。 任務(wù)四任務(wù)四 電路的基本定律電路的基本定律 電流、電壓和電阻是電路中的3個主要物理量，3個物理量之間存在一定的關(guān)系。電路的中間環(huán)節(jié)有不同的連接方式，不同的連接方式對電流、電壓及電阻有影響，電路的基本定律可以解答這些問題。 一、歐姆定律 為了尋找電流通過電路時的電流、電壓和電阻三者之間的關(guān)系，德國物理學家歐姆通過大量的實驗，于1827年得出了著名的歐姆定律。它的形式有兩種：部分電路歐姆定律和全電路歐姆定律。 1部分電路歐姆定律 電路中通過電阻的電流，與電阻兩端所加的電壓成正比，與電阻成反比，稱為

26、部分電路歐姆定律。計算公式為：RUI 或U=IR 式中，電壓U以伏特（V）為單位，電流I以安培（A）為單位，電阻R以歐姆（ ）為單位。 例例1-51-5：已知某電阻R=50，兩端電壓U=100V，求流過電阻的電流為多大？解： RUI 50100A=2A 例例1-61-6：已知某電阻R=100,它通過的最大允許電流為5A，求該電阻兩端所能承受的最大電壓為多少？解：U=IR=5100=500V2全電路歐姆定律相關(guān)名詞術(shù)語：內(nèi)電路：電源本身的電流通路，由電動勢E和內(nèi)電阻R0組成。內(nèi)電阻：內(nèi)電路的電阻，通常用R0表示。外電路：電源以外的電流通路。全電路：內(nèi)電路和外電路總稱。圖1-31所示為最簡單的全電

27、路，虛線框內(nèi)為內(nèi)電路，虛線框外為外電路。 圖1-31全電路 全電路歐姆定律：在整個閉合電路中，電流與電源的電動勢成正比，與電路中的內(nèi)電阻和外電阻之和成反比。用公式表示為：RREI0或E=IR0+IR 式中， U=IR是外電路上的電壓降（也叫端電壓），Uo=IRo是內(nèi)電路上的電壓降，所以全電路歐姆定律又可以表示為： E=U+Uo 即：電源的電動勢等于內(nèi)外電路電壓降之和。 串、并聯(lián)電路 二、基爾霍夫定律1相關(guān)名詞術(shù)語以圖1-32所示電路為例說明常用電路名詞。 圖1-32電路基本概念舉例 支路：由一個或幾個元件首尾相接構(gòu)成的無分支電路。電路中的EGD、AHB、FC均為支路，該電路的支路數(shù)目為b = 3。 節(jié)點：電路中三條或三條以上支路的聯(lián)接點。電路中的節(jié)點有A、B兩點，該電路的節(jié)點數(shù)目為n = 2。 回路：電路中任