汽車電子技術(shù)單元1--直流電路和電容器課件

1、電路就是指電流通過(guò)的途徑。完整的電路由電源、負(fù)載以及導(dǎo)線3個(gè)最主要的部分組成。圖1-1 基本的電路組成第一節(jié) 電路的組成及電路圖圖1-2 簡(jiǎn)單電路圖及電路圖1-3 車輛上的單線制單路第二節(jié) 電路的基本物理量一、電流電荷有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)就形成電流。電流通常用字母I來(lái)表示，在國(guó)際單位制中，電流的單位是安培(A), 此外常用的還有千安（KA）、毫安（mA）、微安（A）等。換算單位如下：1A=103mA=106A , lkA=103A圖1-4 電流的方向二、電位 電荷在電場(chǎng)中的不同位置上具有不同的位能。電荷在電場(chǎng)內(nèi)的某一點(diǎn)所具有的位能稱為該點(diǎn)的電位能，簡(jiǎn)稱電位，用Va表示。電位的單位與電壓的單位相同，為伏

2、特（V）。 要確定電荷在某點(diǎn)電位能的大小，必須先選定參考點(diǎn)，參考點(diǎn)可以任意選取，工程上常選大地、設(shè)備外殼、接地點(diǎn)作為參考點(diǎn)。規(guī)定參考點(diǎn)的電位為零，故參考點(diǎn)又叫零電位點(diǎn)。參考點(diǎn)在電路圖中常用“”符號(hào)表示。參考點(diǎn)選擇不同，各點(diǎn)電位將隨之改變。 三、電壓（電壓降） 電路中任意兩點(diǎn)間的電位差稱為這兩點(diǎn)間的電壓，電壓的符號(hào)為 U，在國(guó)際單位制中，電壓的單位是伏特(V), 此外還有千伏(kV)、毫伏(mV)、微伏(V) 等。換算關(guān)系如下：1V=103mV=106V , 1kV=103V圖1-6 電壓的方向電壓與電位是有區(qū)別的，電位受參考點(diǎn)的限制，而電壓不受參考點(diǎn)的限制。 四、電動(dòng)勢(shì)在電路中，正電荷是從高電

3、位流向低電位的，因此要維持電路中的電流，就必須有能把正電荷從低電位移至高電位的電源力，電源力把單位正電荷在電源內(nèi)部由低電位端（負(fù)極）移到高電位端（正極）所作的功，稱為電源的電動(dòng)勢(shì)，簡(jiǎn)稱電動(dòng)勢(shì)，用字母E表示。電動(dòng)勢(shì)的實(shí)際方向在電源內(nèi)部從低電位（負(fù)極）指向高電位（正極），因此，電動(dòng)勢(shì)又稱電壓升，單位與電壓相同，用V（伏特）表示。五、電阻電荷在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，要受到分子和原子的碰撞和摩擦，也就是對(duì)電流呈現(xiàn)阻礙作用。物體對(duì)電流的阻礙作用稱為該物體的電阻，用字母R表示。電阻的基本單位是歐姆（），常用的電阻單位還有千歐（K）和兆歐（M）等，它們之間的換算關(guān)系如下： 1M=103K 1K=103第三節(jié) 電路基

4、本定律與電路元件的連接一、歐姆定律1、部分電路歐姆定律 圖1-7 部分電路圖1-8 最簡(jiǎn)單的全電路電流值（I）與這段電路電阻值（R）成反比，與這段電路的電壓值（U）成正比。這個(gè)規(guī)律叫部分電路歐姆定律。 數(shù)學(xué)表達(dá)式為 I=U/R 變形公式為 R=U/I 或 U=IR 。2、全電路歐姆定律全電路是指含有電源的閉合電路 圖1-7 部分電路圖1-8 最簡(jiǎn)單的全電路全電路中的電流強(qiáng)度I與電源的電動(dòng)勢(shì)E成正比，與整個(gè)電路的電阻（即內(nèi)電路電阻r與外電路電阻R的總和）成反比。這個(gè)規(guī)律叫全電路歐姆定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 I=E/(R+r)由此可得 E=IR+Ir=U+Ur式中 U外電路的電壓降，也稱路端電壓，簡(jiǎn)稱

5、端電壓； Ur內(nèi)電路電壓降，也稱內(nèi)壓降。3、歐姆定律在汽車上的應(yīng)用 圖1-9 利用歐姆定律計(jì)算電阻例如，知道電路的電壓U =12V,電流I=4A,則電阻R=U/I=3 4、電源的外特性 電源的外特性是指電源的端電壓 U 與電流 I 的關(guān)系。由公式 E=IR+Ir=U+Ur可得 U=E-Ur=E-Ir 對(duì)給定電源，E和r是不變的。當(dāng)負(fù)載電R時(shí)(相當(dāng)于電路斷開(kāi)), I=0,U= E,即電源的電動(dòng)勢(shì)在數(shù)值上等于開(kāi)路電壓。 二、電功與電功率1、電功 電流流過(guò)負(fù)載時(shí)，負(fù)載就將電能轉(zhuǎn)換成了其他形式的能（如磁、熱、機(jī)械能等）。把電能轉(zhuǎn)換成其他形式能的過(guò)程，叫做電流做功，簡(jiǎn)稱電功，用字母W表示。 W=UIt=

6、I2Rt 在上式中，若電壓?jiǎn)挝粸榉娏鲉挝粸榘?，電阻單位為歐姆，時(shí)間單位為秒，則電功單位就是焦耳，簡(jiǎn)稱焦，用字母J表示。 2、電功率 電流在單位時(shí)間內(nèi)所做的功，簡(jiǎn)稱功率，用符號(hào) P 表示 , 即 P=W/t=UI W一電流所做的功，單位是焦耳（J）； t一做功所用的時(shí)間，單位是秒（s）； P一功率，單位是焦耳/秒。（J/s）又叫瓦特，簡(jiǎn)稱瓦，用符號(hào) W 表示。 在實(shí)際生活中，電功的單位常用千瓦小時(shí)（KWh），也稱“度”。它表示功率為lkW的用電器在1h中所消耗的電能，即 1千瓦小時(shí)=1千瓦1小時(shí)=3.6106焦 根據(jù)式 U=IR，可得電功率的兩個(gè)專用式 , 即 P=I2R P=U2/R三、電

7、流的熱效應(yīng)（焦耳楞次定律） 流通過(guò)導(dǎo)體（或用電器）時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，稱電流的熱效應(yīng)。如果電流通過(guò)導(dǎo)體（或用電器）時(shí)所產(chǎn)生的熱量Q與電流I的平方、導(dǎo)體（用電器）的電阻以及通電時(shí)間t成正比。用公式表示為 Q=I2Rt式中，I 的單位為A；R的單位為；t的單位為s；Q的單位為焦耳 （J） 電流的熱效應(yīng)在電工和電子技術(shù)上有利也有弊。 利：熔斷器電燈、點(diǎn)煙器、預(yù)熱塞、火花塞、保險(xiǎn)器等 弊：電流會(huì)使不需發(fā)熱的地方（如導(dǎo)線等）也發(fā)熱，它不但消耗電能，而且會(huì)使電氣設(shè)備溫度升高，加速電路絕緣材料老化，甚至燒壞電器設(shè)備。四、電路元件的連接1、電阻的連接（1）電阻串聯(lián)電路圖1-13 典型的串聯(lián)電路(二)圖1-12 典型

8、的串聯(lián)電路(一)串聯(lián)電路的特點(diǎn)總電阻是所有電阻之和。R=R1+R2+Rn流過(guò)每個(gè)電阻的電流是相同的。I1=I2=I3=In如果各個(gè)電阻的阻值不相同，則各個(gè)電阻兩端的電壓也不同，每個(gè)電阻上的電壓值取決于電阻本身的阻值。U=U1+U2+Un各電阻上的電壓與總電壓之比等于各電阻與總電阻之比。 U1/U=R1/（R1+R2+R3）（2）電阻并聯(lián)電路 圖1-14 典型的并聯(lián)電路(一)圖1-15 典型的并聯(lián)電路(二)并聯(lián)電路的特點(diǎn)加至每條并聯(lián)支路的電壓相同。 U=U1=U2=Un總電阻的倒數(shù)等于各支路電阻倒數(shù)之和。 1/R=1/R1+1/R2+1/Rn 并聯(lián)電路中各支路電阻分別為R1、R2、R3。每條支路

9、的電流之和等于電路的總電流。 I總=I1+I2+In。 （3）混聯(lián)電路圖1-16 典型的混聯(lián)電路圖1-17 混聯(lián)電路的簡(jiǎn)化過(guò)程2、電池的連接 （1）串聯(lián)電池組將前一個(gè)電池的負(fù)極與后一個(gè)電池的正極依次連接,就組成了串聯(lián)電池組。如圖1-18所示。串聯(lián)電池組有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 總電動(dòng)勢(shì)等于各個(gè)電池的電動(dòng)勢(shì)之和，即 E=E1+E2+E3+En 總內(nèi)阻等于各個(gè)電池的內(nèi)阻之和，即 r=r1+r2+r3+rn 通過(guò)每個(gè)電池的電流等于外電路的電流，即 I1=I2=I3=In 不同容量的電池不得串聯(lián)使用，如若不然，小容量的電池易造成“反極”損壞。 圖1-18 串聯(lián)電池組圖1-19 并聯(lián)電池組（2）并聯(lián)電池組 把電

10、動(dòng)勢(shì)及內(nèi)阻相同的電池正極都連接在一起，將電池的負(fù)極連接在一起，就形成了并聯(lián)電池組。 并聯(lián)電池組有以下特點(diǎn)： 總電動(dòng)勢(shì)等于單個(gè)電池電動(dòng)勢(shì)，即 E=E1=E2=E3=En 流經(jīng)外電路的電流等于各分電池的電流之和，即 I=I1+I2+I3+=In n 只并聯(lián)電池的總內(nèi)阻r為: r=r1/n 不同電動(dòng)勢(shì)或不同內(nèi)阻的電池不得并聯(lián)使用，否則，小電動(dòng)勢(shì)或大內(nèi)阻的電池處于“充電”狀態(tài)，易損壞電池組。圖1-18 串聯(lián)電池組圖1-19 并聯(lián)電池組第四節(jié) 電路的狀態(tài) 電路可能出現(xiàn)通路、短路、斷路3種狀態(tài)。一、通路狀態(tài)（也稱閉路） 通路就是電源和負(fù)載構(gòu)成了閉合回路，此時(shí)電路中有電流通過(guò)。二、短路狀態(tài)1、接地短路（搭鐵

11、） 圖1-20 接地短路（從開(kāi)關(guān)與燈泡間短路）圖1-21 接地短路（從熔絲與開(kāi)關(guān)間短路）2、支路之間短路圖1-22 支路之間短路三、斷路狀態(tài) 斷路就是電源和負(fù)載未構(gòu)成閉合回路，此時(shí)電路中無(wú)電流通過(guò)。1、串聯(lián)電路中的斷路故障。圖1-23 串聯(lián)電路斷路圖1-24 并聯(lián)電路斷路2、并聯(lián)電路中的斷路故障。在并聯(lián)電路中出現(xiàn)斷路故障比較復(fù)雜，如圖1-24所示。如果在并聯(lián)電路的主線路或接地電路中出現(xiàn)斷路，則結(jié)果和串聯(lián)電路中出現(xiàn)斷路是一樣的，整個(gè)電路都會(huì)失效。如果在并聯(lián)電路的某個(gè)支路出現(xiàn)斷路，則只有這個(gè)出現(xiàn)斷路的支路受到影響，其他支路還可以正常導(dǎo)通。圖1-23 串聯(lián)電路斷路圖1-24 并聯(lián)電路斷路第五節(jié) 復(fù)雜

12、電路分析（1）結(jié)點(diǎn) 三個(gè)或三個(gè)以上電流的匯合點(diǎn)。圖1-25中的F點(diǎn)和B點(diǎn)均為結(jié)點(diǎn)。（2）支路 兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的電路叫支路。圖1-25中的BAGF、BF和BCDF都叫支路。 （3）回路 由支路所組成的任一個(gè)閉合路徑。圖1-25中的ACDGA、ABFGA和 BCDFB都是回路。 （4）網(wǎng)孔 在確定的電路中不能再分的最簡(jiǎn)單的回路。圖1-25中ABFGA、BCDFB 都是網(wǎng)孔。圖1-25 復(fù)雜電路一、基爾霍夫定律1、基爾霍夫電流定律（KCL方程） 電路中任一結(jié)點(diǎn)，在任一瞬間流入結(jié)點(diǎn)的電流之和必定等于從該結(jié)點(diǎn)流出電流之和，即 I入=I出（KCL方程）稱為基爾霍夫電流定律，又稱為基爾霍夫第一定律 圖1-25

13、復(fù)雜電路具有n個(gè)結(jié)點(diǎn)的復(fù)雜電路，只能列出（n-1）個(gè)獨(dú)立的KCL方程 2、基爾霍夫電壓定律（KVL方程） 對(duì)電路中的任一閉合回路，按一定的繞行方向，恒有電阻上電壓降的代數(shù)和等于電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，即 IR=E（KVL方程）稱為基爾霍夫電壓定律（又叫KVL方程，回路電壓定律），或稱基爾霍夫第二定律。 式中，電阻中的電流方向與繞行方向相同，電阻上的壓降取正，反之取負(fù)；電動(dòng)勢(shì)方向與繞行方向相同取正，反之取負(fù)。 如果電動(dòng)勢(shì)也用電壓降來(lái)表示，則KVL方程又可表示為 U=0即在任何電路中，從一點(diǎn)出發(fā)繞任意回路一周再回到該點(diǎn)，各段電壓的代數(shù)和恒等于零。圖1-25 復(fù)雜電路對(duì)左邊的網(wǎng)孔，繞行方向?yàn)锳BFGA，得I

14、1R1-I2R2 =E1-E2對(duì)右邊的網(wǎng)孔, 繞行方向?yàn)锽CDFB，得I2R2+I3R3=E2 基爾霍夫電壓定律不僅適用由實(shí)際元件構(gòu)成的閉合電路，也適用于實(shí)際元件不閉合的假想回路。 圖1-26 假想回路 因電路中a，b兩點(diǎn)間無(wú)電流，設(shè)其兩端電壓為Uab。這樣，abcda 就構(gòu)成了假想回路，任取如圖示繞行方向，則KVL方程為 Uab+I2R4-I1R3=0因此 Uab=I1R3-I2R4式中 I1=E1/(R1+R3) I2=E2/(R2+R4) 二、支路電流法應(yīng)用支路電流法計(jì)算的步驟如下：（1）假設(shè)各支路電流方向，對(duì) n 個(gè)結(jié)點(diǎn)列出（n-1）個(gè)獨(dú)立的結(jié)點(diǎn)電流方程。（2）按網(wǎng)孔選擇回路并規(guī)定繞行

15、方向，列出獨(dú)立的回路電壓方程。（3）代入數(shù)據(jù)，求解聯(lián)立方程組，得出各支路電流或各電阻上的壓降。（4）驗(yàn)算：把求得的各支路電流代人原方程，驗(yàn)證計(jì)算正確與否。應(yīng)用支路電流法求解復(fù)雜電路時(shí)，如果原電路可以用串、并聯(lián)公式簡(jiǎn)化，應(yīng)先將電路化簡(jiǎn)（含畫(huà)出簡(jiǎn)化的等效電路圖）。三、戴維南定理（等效電壓源定理） 任何具有兩個(gè)引出端的部分電路叫二端網(wǎng)絡(luò)。若在這部分電路中含有電源，就叫有源二端網(wǎng)絡(luò)，反之叫無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò)。圖1-27 等效電壓源定理示意圖 任何有源二端網(wǎng)絡(luò)（圖1-27a），都可以用一個(gè)具有電動(dòng)勢(shì)E0和內(nèi)電阻r0的等效電源來(lái)代替（圖1-27b），而其中E0等于該有源二端網(wǎng)絡(luò)兩端間的開(kāi)路電壓U0（圖1-27c

16、），而r0等于該有源二端網(wǎng)絡(luò)中所有電動(dòng)勢(shì)為零（電源短接）時(shí)兩端點(diǎn)間的等效電阻（圖1-27d）。這就是等效電壓源定理，又叫戴維南定理。應(yīng)用等效電壓源定理的解題步驟如下：1、把電路分成待求支路和有源二端網(wǎng)絡(luò)兩部分。2、把待求支路斷開(kāi)，求出有源二端網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)路電壓U0。3、把有源二端網(wǎng)絡(luò)中的電壓源去掉（以短接線代替），求無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò) 的開(kāi)路電阻R。 4、畫(huà)出等效電壓源定理的等效電路，等效電壓源電動(dòng)勢(shì)E0=U0, 等效電 壓源內(nèi)阻r0=R，E0與r0串聯(lián)。在等效電路的二端接入被研究電路， 再用歐姆定律求解。這里，關(guān)鍵注意等效電壓源電動(dòng)勢(shì)E0的方向與開(kāi) 路電壓U0的方向相配合。圖1-28 用實(shí)驗(yàn)法確定等效

17、電源 一旦測(cè)量出其等效電源的開(kāi)路電壓和其短路電流，則待求支路的電流即可輕而易舉的計(jì)算出來(lái)，其具體方法如下： 1、用高內(nèi)阻伏特表（其內(nèi)阻值可看作無(wú)窮大）測(cè)得的有源二端網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)路電壓 即為其等效電源的電動(dòng)勢(shì)E0，如圖1-28a所示。2、用低內(nèi)阻安排表（其內(nèi)阻值可忽略不計(jì)）測(cè)得的有源二端網(wǎng)絡(luò)的短路電流 Io，根據(jù)歐姆定律，則網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)阻r0=U0/I0，如圖1-28b所示。3、如待求支路上的電阻為R，則待求支路中通過(guò)的電流為四、最大功率輸出定理圖1-29 等效電路圖R為可調(diào)電阻負(fù)載，E0，r0為有源二端網(wǎng)絡(luò)經(jīng)戴維南定理等效后的等效電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻。負(fù)載R獲得的功率為 P=UI=I2R=E0/(r0+

18、R)2R當(dāng)R0時(shí)（負(fù)載短路）,電源端電壓為零，P=0；當(dāng)R時(shí)（即負(fù)載開(kāi)路），輸出電流為零，P=0。 最大輸出功率定理表述為：當(dāng)有源二端網(wǎng)絡(luò)的外接電阻R等于它的等效內(nèi)阻r0時(shí)，網(wǎng)絡(luò)對(duì)外輸出功率最大，其值為E02/4R。P隨R變化的關(guān)系可用圖 1-30來(lái)表示。圖1-30 負(fù)載與功率關(guān)系的變化曲線第六節(jié) 電容器一、電容器的基本知識(shí)1、概念與用途 所謂電容器，是彼此被絕緣物質(zhì)隔開(kāi)而又相互靠近的兩個(gè)導(dǎo)體組合而形成的電氣元件，用以存儲(chǔ)和容納電荷。圖1-31 電容器的結(jié)構(gòu)與符號(hào)a）電容器的結(jié)構(gòu) b）電容器符號(hào)2、電容器的種類圖1-32 常用電容器的外形圖和電路圖形符號(hào)3、電容器的參數(shù)（1）電容器的容量電容，

19、用符號(hào)C表示，即 Q極板上的電量，單位是庫(kù)侖（C）U兩極板間的電壓，單位是伏特（V）；C電容器的電容量，單位是法拉，簡(jiǎn)稱法，用字母 F 表示。 由定義式可得 1F=1C/1V。即 1F 的電容量在數(shù)值上等于電容器在1V電壓作用下，極板上存儲(chǔ) lC 的電荷量。實(shí)際應(yīng)用中，法拉這個(gè)單位太大，常用單位為微法（F）、納法（nF）和皮法（pF）。其單位之間的換算關(guān)系如下： 1F=103mF（毫法） 1F=106F（微法） 1F=109nF（納法） lF=1012pF（皮法）（2）標(biāo)稱容量和允許偏差的認(rèn)識(shí) 電容器的外殼表面上標(biāo)出的電容量值，稱為電容器的標(biāo)稱容量。標(biāo)稱容量也分許多系列，常用的是E6、E12、

20、E24系列。電容器的允許誤差也與電阻器相同，常用電容器的允許誤差有 2% 、 5% 、 10%、 20% 等幾種，通常容量越小，允許偏差越小。（3）額定電壓 額定電壓是指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)，可以連續(xù)加在電容器上而不損壞電容器的最大直流電壓、交流電壓的有效值。這是一個(gè)重要參數(shù)，如果電路故障造成加在電容器上的工作電壓大于額定電壓時(shí)，電容器將被擊穿。常用的固定電容器工作電壓有10V、16V、25V、50V、100V、2500V等。二、電容器的規(guī)格與標(biāo)注方法識(shí)讀1、直標(biāo)法圖1-33 電容直標(biāo)法2、文字符號(hào)法 使用文字符號(hào)法時(shí)，容量整數(shù)部分寫(xiě)在容量單位符號(hào)的前面，容量的小數(shù)部分寫(xiě)在容量單位符號(hào)的后面。允許偏差用文字符號(hào)D（ 0.5%）、F（1%）、G（2%）、J（5%）、K（10%）、M（209b）表示。3、數(shù)碼法 一般用三位數(shù)字表示電容器容量的大小，其單位為 pF。其中第一、二位為有效值數(shù)字，第三位表示倍乘數(shù)，即表示有效值后“零”的個(gè)數(shù)。三、電容器的充電與放電規(guī)律圖1-34 電容器充放電實(shí)驗(yàn)電路a）實(shí)驗(yàn)電路 b）充電 c）放電 電容器的充電和放電過(guò)程，就是存儲(chǔ)和釋放電荷的過(guò)程。這時(shí)電路所產(chǎn)生的充、放電電流是在電容器外部電路上所形成的