实用汽车电工电子技术.ppt

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 A 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 t 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 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 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 L 导体的长度 单位为m S 导体的截面积 单位为 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与通过电阻的电流关系用图形表示 则线性电阻的伏安特性是一条通过坐标原点的直线 如图1 9 a 所示 1 5电路的状态 在实际用电的过程中 根据不同的需要和不同的负载情况 电路有开路 断路 短路和有载这三种状态 1 5 1开路 断路 电路处于开路状态 可分为控制性开路和故障性开路两种 控制性开路是根据需要 人为地将开关断开 使电路切断 而故障性开路是意想不到发生的断路 根据全电路欧姆定律 电路处于开路时的特征可用下列式子描述 1 16 在汽车电路发生断路故障时 通常根据电路开路的特征 UL 0 U E 用试灯或万用表 直流电压档 去寻找电路的断路点 参见图1 10 方法是 将试灯一端 或电压表负表笔 接在电源负极 另一端依次触及电路接线点a b c d 如果灯亮说明此接线点至电源正极间无断路 如果灯不亮说明此接线点与前一接线点间有断路 用这种办法逐步缩小查找范围 直至找到断路点 1 5 2短路 当电源两端被电阻接近于零的导体接通时 选种情况称为电源被短路 产生短路的原因往往是由于导线绝缘损坏引起的 错误的接线或误操作也常导致电源短路 当电源两端被短路时 若忽略导线的电阻 全电路中只存在电源的内阻只R0 由于内阻R0很小 所以短路时电流很大 如果不及时切断电路 很大的短路电流将烧毁电源 导线以及回路中接的电流表 开关等 甚至引起火灾 所以电源短路是一种严重事故 应严加防止 为避免电源和线路免遭短路事故造成的损坏 通常在回路中接人熔断器FU 如图1 11所示 根据全电路欧姆定律 电源发生短路事故时 电路的特征可用下列式子描述需要说明的是 在汽车电路故障诊断维修工作中 为了快速寻找故障所在的部位 经常采用短路的方法 将某两接柱短路 为了和电源短路事故相区别 常把这种短路称为短接 如图1 12为汽车起动系统原理简图 若按下起动按钮 起动机不转 经查电源 熔断器及搭铁线均无故障 于是就可采用短接法查找故障所在位置 具体操作步骤如下 1 5 3有载 在图1 13所示电路中 把开关S闭合 使电源与负载接通 电路中就有电流流过 电源就向负载输出电功率 这就是电路的有载工作状态 由全电路欧姆定律表达式可得将上式两边同乘以电流I得上式两边均为功率 EI为电源产生的总功率 它等于内阻和负载电阻消耗的电功率之和 这是符合能量守恒定律的 1 6简单电路 1 6 1电阻的串联电路把两个或两个以上电阻依次连成无分支的电路称为电阻的串联 如图1 14所示 1 电阻串联电路的特点 1 流经各电阻的电流I均相同 2 串联电路的总电阻 等效电阻 等于各个串联电阻之和 即 3 串联电路的总电压等于各个串联电阻上的电压之和 即2 串联电路中的电压分配 以图1 14两个电阻串联为例 串联电路中电流电阻上的电压式 1 19 和式 1 20 称为两个电阻串联电路的分压公式 U的系数称为分压系数 两个以上电阻串联的分压公式读者可自行推导 3 串联电路的应用 1 用于降压当某一用电器的额定电压低于电源电压时 可在电路上串联一个适当电阻 降压电阻 根据串联的电压分配规律 使分得的电压为额定工作电压 这里要注意与负载相串联的电阻 实际电功率不应超过它的额定功率 例如 电压表为扩大量程需用电阻与表头串联 串联的电阻起降压作用 2 用来控制负载电流负载的工作状况与电流大小有直接关系 如直流电动机的转速与电流大小有关 捷达 塔纳轿车空调中的鼓风机电路就串联三个电阻 通过鼓风机开关可以改变串接电阻的个数 到改变鼓风机转速的目的 3 用电位器改变输出电压当今汽车电控系统不少传感器是利用电位器原理制成的 电位器是应用分压原理进行工作的 如图1 15所示 电位器两固定端A和B接电源电压 滑动触点O和固定端B为输出端 这样滑动触点就把电阻分成两部分 当滑动触点在外力作用下滑动时 连续地改变着两部分电阻的比例关系 从而得到不同的输出电压U2 当滑动触点从A端移至B端时 输出电压U2从U1逐渐下降为零 例1 4 将一个标称值为6 3V 0 3A的指示灯与一个100的可变电阻串联起来 接在24V的电压上 如图1 16所示 若使指示灯两端电压达到额定值 可变电阻的阻值应调到多大 解 可变电阻在这里起分压作用 其两端电压为因为流过可变电阻的电流和流过指示灯的电流为同一电流 所以可变电阻的阻值应调到 例1 5 已知电路如图1 17所示 电位器的标称值值 电阻R 0 3 求输出电压U0的变化范围 解 当的滑动触点在最下端位置时 有当的滑动触点在最上端位置时 有所以输出电压的变化范围是0 06 1V 1 6 2电阻的并联电路 把两个或两个以上电阻的两端 连接在电路的相同的两点间使每个电阻处于同一电压作用下 这种连接称为电阻的并联电路 如图1 18 a 所示 1 电阻并联电路的特点 1 各并联支路两端的电压相等 2 电路内的总电流等于各支路电流之和 即 3 用一个电阻代替相互并联的各电阻 在电路端电压作用下电路的总电流保持不变 这个电阻称为并联电阻的等效电阻 如图1 18 b 对于图1 18 b 电路有将并联各支路的电流中的电压U都用式代替 经整理得到 3 并联电路的应用 并联电路在实际生产 生活中应用十分广泛 如日常生活中的照明 各种家用电器都是并联接在220V的交流电源上 汽车上的用电器 如喇叭 照明灯 电动机等也都是并联接在同一直流电源上 并联电路的优点就在于各用电器能单独控制 独立工作 互相不影响 所以 几个额定电压相同的负载 只要电源能满足全部负载的电流要求 就可以把它们并联接在同一电压的电源上 并联电路的优点就在于各用电器能单独控制 独立工作 互相不影响 所以几个额定电压相同的负载 只要电源能满足全部负载的电流要求 就可以把它们并联接在同一电压的电源上 除此之外 如某一电阻值偏大 可通过并联电阻的方法 使总电阻减小 以满足电路需要 电流表可以用并联电阻分流的办法来扩大量程 例1 6 有一块万用表表头 它的最大量程是 内阻为1000 如果要把它改装成最大量程是10mA的电流表 如图1 19所示 问分流电阻的值应该是多少 解 如果在小量程电流表的两端并联一个电阻 使得被测电流的大部分通过这个并联电阻 而通过电流表头的电流仍不超出原量程范围 这样就扩大了原电流表的测量范围 我们把这个外加的并联电阻称为分流电阻 根据题意已知据电路图根据分流公式 应有将已知数值代人上式 1 6 3电阻的混联电路 既有电阻的串联 又有电阻的并联 这样的电路称为混联电路 对于混联电路的计算 可以先应用串 并联等效电阻加以简化 最后应用欧姆定律求解 例1 7 如图1 20所示 已知求 1 电路的总电流 2 的端电压 解 例1 8 求图1 21 a 中A B间的等效电阻 解 1 在图1 21 a 中给电阻间的连接点标出命名字母 注意 同一导线连接的各点只能标同一字母 2 将所求A B两点标在直线的左右两端 即端点字母 其他字母依次标在直线上 如图1 21 b 所示 3 将原图中每个电阻依次填人相应的连接点之间 如图1 21 b 4 按电阻串 并联的定义及有关计算公式进行计算 对于图1 21 b 电路 1 7基尔霍夫定律 除欧姆定律外 基尔霍夫定律也是分析计算电路的基本定律 基尔霍夫定律包括电流定律和电压定律 下面结合图1 22所示电路介绍几个名词 支路 电路中通过同一电流的每个分支称为支路 例如 图1 22中均为支路 图中左边和中间两个支路含有电源 称为有源支路 右边支路称为无源支路 节点 三条和三条以上支路的连接点称为节点 图1 22中共有两个节点 即B和H点 回路 电路中任一闭合的路径均称为回路 图中的ABHFA BCDHB ABCDHFA均是回路 1 7 1基尔霍夫电流定律 KCL 因为电流具有连续性 在电路的任一节点上均不可能发生电荷堆积现象 所以流人某节点的电流之和必等于从该节点流出的电流之和 即 1 24 这一关系称为基尔霍夫电流定律 通常又称为基尔霍夫第一定律 基尔霍夫电流定律不仅适用于电路中的任一节点 而且还适用于电路中的任一封闭面 该封闭面称为广义节点 如图1 23所示电路封闭面包围的是一个三角形电路 它有A B C三个节点 应用电流定律可以列出 上列三式相加 可得 或 I 0 1 7 2基尔霍夫电压定律 KVL 基尔霍夫电压定律通常又称为回路电压定律 此定律是用来确定回路中各部分电压之间关系的 具体内容如下 对于电路中任一回路 沿任一指定方向 顺时针或逆时针 绕行一周 回路中的各电位升之和必定等于各电位降之和 即回路中电位升与电位降是这样规定的 对于电动势 绕行方向与电动势方向相同时 为电位升高 反之 为电位降低 对于电阻 绕行方向与电阻中电流方向相同时 电位降低 反之 电位升高 1 8电路中电位的计算 要计算电路中某点的电位 简单地说就是求从该点出发 沿着任意的一条路径 走 到零电位点 所经过的电位降 即电压 的代数和 具体方法和步骤是 1 若电路没有已知的接地点 零电位点 则可任意选取一点作为接地点 标上符号 2 由已知电源电动势和各电阻的阻值 计算出电流的大小和方向 3 标出电动势和负载电压的极性 电动势E的方向 是从负极指向正极 即电位升高的方向 电源正极标 十 负极标 对于负载电压 电流注入端标 十 流出端标 即沿着电流的方向电位是降低的 4 求A点电位时 选定一条从A点到零电位点的路径 尽可能选最简单的路径 5 从A点出发沿此路径 走 到零电位点 所经过的无论是电源还是负载 只要从正到负 则电位降为正值 反之 从负到正则电位降为负值 实际为电位升 然后将全部电位降相加 取代数和 就得到A点的电位 即 例1 10 如图1 27所示 为汽车发电机给蓄电池充电的电路 已知 发电机电动势 蓄电池电动势 充电线路电阻R 0 09 试求 1 开关S断开时 s b c三点的电位 2 开关S闭合时 a b两点的电位 解 1 因开关S处于断开状态 所以电路中无电流 各电阻上不产生电位降 所以 2 当开关S闭合时 电流方向如图1 27中所示 电流数值为 1 9电桥电路 在多种电桥电路中 惠斯登电桥是一种最基本的典型的电桥电路 在当今汽车电子控制燃油喷射系统中 正是应用电桥的原理制成了测量发动机进气量的热线 或热膜 式空气流量计或测量发动机进气压力的进气压力传感器 1 9 1电桥电路的两种状态惠斯登电桥电路像一个四边形 如图1 30所示 四边形每一边都接有一个电阻 称为桥臂 四边形的顶点a c接电源 b d接一检流计 接检流计的支路bd称为电桥的桥路 检流计用来检查桥路中是否有电流通过 Rg是检流计的内阻 电桥有两种工作状态 平衡状态与不平衡状态 当电桥接通电源后 如果桥路两端没有电压输出 当然也没有电流通过 这时就称电桥处于平衡状态 也称平衡电桥 反之 称电桥处于不平衡状态 也称不平衡电桥 1 电桥的平衡及平衡条件根据平衡电桥的定义可知 图1 30电桥平衡时有 1 9 2电桥电路在现在汽车电路的典型应用 现在汽车的热线或热膜式空气流量计 传感器 就是根据惠斯登电桥原理制成的 如图1 34所示 1 电路组成电路中bd是电桥的桥路 画在了四边形的外面 bd间的电压 桥路电压 是控制电路A的输入电压 电桥的电源是从控制电路A的输出端取得的 可以看出b d间的桥路电压可通过A控制电桥的电源电压大小 改变桥臂中的电流 2 工作原理当发动机工作 流经热线电阻RH的空气流量恒定时 恒定的电流使热线电阻保持在一定温度 阻值不变 电桥处于平衡当空气流量改变 如增加时 使热线电阻温度下降 阻值变小 电桥失去平衡 此时桥路电压不为零 控制电路会增大电桥电路的电压和电流 当热线电阻恢复到原来的温度和阻值时 实现电桥新的平衡 桥臂电流的增加引起精密电阻压降的增大 增大的作为发动机进气流量的变化信号 送给电控单元ECU ECU根据的高低计算进气量的大小 再确定发动机喷油量的多少 这就是热线式空气流量计工作的基本原理 1 10电容器 1 10 1电容器和电容量电容器是一种储存电荷的容器 是汽车电气系统广泛应用的电路元件之一 任何两块非常靠近的金属导体 中间隔以绝缘物质就构成了一个电容器 其中电容器的导体称为极板 中间的绝缘物质称为介质 最简单的平板电容器及电路的一般符号如图1 35所示 实际的电容器大都是由两条金属箔 或金属膜 中间隔以空气 纸 云母 塑料薄膜 陶瓷等绝缘物质构成 如图1 36所示 当把电容器与直流电源相接时 电容器两极板上就分别带上了等量的异种电荷 衡量电容器储存电荷能力的物理量称为电容量 简称电容 用符号C表示 电容器的电容量C等于两极板间电压达到1V时 每一极板所积累的电荷量 即式中Q 电容器极板上的电荷量 单位是C U 电容器极板间的电压 单位是V C 电容器的电容量 单位是法 拉 用字母F表示 从电容的定义式 1 30 可以看出 电容C越大的电容器储存电荷的能力越强 即单位电压储存的电量越多 电容器的种类很多 按其结构可分为固定电容器 可变电容器和半可变电容器 按介质的不同又分为纸质电容器 云母电容器 电解电容器等 常见电容器的外形及符号如图1 37所示 1 10 2电容器的充电和放电1 电容器的充电如图1 38所示 把电容器与电阻R相串联后 再经开关S接到直流电源上 开关S置A端 使电容器被充电 2 电容器的放电如图1 39所示 在电容器充电完毕后 把开关S从A端迅速移至B端 电容器开始放电 在开始放电的瞬间 放电电流最大 随着电容器两极板上电荷的不断减少 其两端的电位差就逐渐降低 放电电流也逐渐减小 最后 电容两端电压为零 放电结束 若把电容器接在交流电路中 因交流电源电压的大小和方向都随时间不断地变化 所以电容器就必然交替的进行充电和放电 因此 电路中就不断地有电流流过 这就是我们平时所说电容器有通交流的作用 综上所述 电容器的充电过程 就是把电源输出的能量 电能 储存起来的过程 电容器的放电过程 则是把储存的能量再释放出来 所以 电容器是一种储能元件 它与只消耗电能的电阻元件有着本质的区别 1 10 3电容器的使用 每只电容器上都标有电容量和最大使用电压 耐压值 在实际使用时 往往遇到现有电容器的容量或耐压值不适应实际需要的情况 这时可把几个电容器适当地连接起来 以满足电路的需要 当电容器耐压值能满足电路电压要求 但容量不足时 可将几个容量不同的电容器并联起来使用 以获得较大容量 因为电容器的并联相当于加大了极板的面积 从而增大了电容量 所以 并联后的总电容量等于并联电容器的电容之和 第2章电磁学基本知识及其应用 学习目标1 了解磁铁 磁场与磁感线 磁感应强度 磁通量及磁感应强度与磁通量之间的关系 2 理解电流的磁场 电流的磁效应 磁路欧姆定律 3 掌握磁场对通电直导体的作用 磁场对通电线圈的作用 4 理解电磁感应现象 楞次定律 自感现象 互感现象 5 掌握电磁铁 继电器的基本内容 2 1磁的基本物理量 2 1 磁铁具有磁性的物质称为磁铁 所有能被磁铁吸引的物质称为铁磁物质或铁磁材料 磁铁分为天然磁铁与人造磁铁两大类 磁铁的主要性能 1 磁铁的两端磁性最强 这两端称为磁极 磁极具有指向南北的性质 通常把指南端的磁极称为南极 用S表示 指北端的磁极称为北极 用N表示 2 同性磁极互相排斥 异性磁极互相吸引 它说明磁极之间有相互作用力 磁极之间的相互作用力称为磁力 3 无论怎样分割磁铁 分割后所得到的每一块磁铁总具有南北两个磁极 即N极和S极相互依存 不能单独存在 4 把一块铁磁物质放在磁铁附近 该铁磁物质也会带上磁性 这种原来没有磁性的物质获得磁性的现象称为磁化 磁铁拿走后 被磁化的物质还会保留一定的磁性 称为剩磁 2 1 2磁场与磁感线 1 磁场磁场是指磁铁周围有磁力的空间 它是磁体周围空间的一种特殊物质 它没有构成物质的分子或原子 2 磁感线磁感线就是一条条从磁体北 N 极沿磁体周围空间到磁体南 S 术 然后再通过磁体内部回到北 N 极的闭合曲线 曲线上每一点的切线方向 即小磁针N极在该点的指向 就表示该点的磁场方向 曲线在某处的疏密程度 单位面积的磁感线根数 就表示该处的磁感应强度 如图2 1所示 2 1 3磁感应强度 磁场中垂直穿过单位面积上磁感线的条数称为该面积所在处的磁感应强度 又称为磁通密度 磁感应强度是用来描述磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量 是一个矢量 通常用字母B来表示式中B 磁感应强度 单位为特 斯拉 用T表示 F 力 单位为N I 电流 单位为A L 长度 单位为m 如果磁场中某一区域内各点的磁感应强度的大小和方向都相同 则该区域内的磁场称为均匀磁场 均匀磁场的磁感线是一些均匀分布的平行直线 2 1 4磁通量 磁感应强度和与它垂直的某一截面积的乘积 称为通过该截面积的磁通量 换言之 磁场中穿过某一面积磁感线的条数就为穿过该面积的磁通量 简称磁通 用来表示 对于均匀磁场 因B为常数 则有式中 磁通量 单位为用Wb表示 B 磁感应强度 单位为T A 面积 单位为m2 在国际单位制中 磁通量的单位名称是韦 伯 简称韦 单位符号是Wb 2 2电流的磁效应和磁路 2 2 1电流的磁场丹麦物理学家奥斯特于1820年发现电流的周围存在着磁场 电流是产生磁场的根本原因 电流和磁场有着不可分割的联系 磁场总是伴随着电流而存在的 电流则永远被磁场所包围 磁场是由电流产生的 人们把电流产生磁场的现象称为电流的磁效应 2 2 2通电直导体的磁场一根直导体通人电流后 导体周围就产生磁场 其磁感线的分布是以导体为中心的一组同心圆 如图2 2 a 所示 实验证明 通电直导体周围各点磁场的强弱与导体中电流大小成正比 磁场的方向与电流的方向有关 可用右手螺旋定则确定 右手握住导体 用大拇指指向电流方向 则其余四指弯曲的方向就是磁场的方向 如图2 2 b 所示 2 2 3通电线圈的磁场把导线绕成螺旋状的线圈并通人电流 也能产生磁场 通电线圈的磁场相当于一块条形永久磁铁的磁场 如图2 3 a 所示 2 2 4磁路欧姆定律磁通集中通过的闭合路径称为磁路 在汽车电器中 为了获得较强的磁感应强度 常常把磁通集中到一定形状的路径中 形成磁路的最好方法是用铁磁材料做成各种形状的铁心 使磁感线在铁心中形成闭合回路 图2 4所示就是几种电器的磁路 2 3磁场对电流的作用 2 3 1磁场对通电直导体的作用如图2 5所示 在U形磁铁中悬挂一根直导体 并使导体垂直于磁感线 导体两端分别连接于蓄电池的两个极上 未通电时 导体是静止的 如果接通电源 导体就向一边运动 最后到达一个新的位置而平衡下来 若改变电流方向或对调磁极 导体将向另一边运动 这说明通电导体在磁场中将受到作用力 这种作用力称为磁场力 实验证明 在均匀磁场中 通电直导体受到电磁力F的大小与磁感应强度B成正 与导体中电流成正比 与导体在磁场中的有效长度L成正比 即F BIL载流直导体在磁场中的受力方向 可用左手定则来判定 具体方法是将左手伸平 拇指与四指垂直 让磁感线垂直穿过手心 四指指向电流的方向 则拇指所指方向就是导体的受力方向 如图2 6所示 例2 1 如图2 7所示 试判断图中直导体的电流方向或受力方向 图中表示电流垂直纸面向里 表示电流方向垂直纸面向外 解 利用左手定则判断结果为图2 7 a 的直导体受力方向为向下 图2 7 b 的直导体的电流方向为垂直纸面向外 2 3 2磁场对通电线圈的作用研究磁场对通电线圈的作用更有实际意义 因为在汽车电器中许多直流电动机 如刮水器电动机 空调鼓风机和起动机的直流电动机等都是利用这一原理制成的 1 通电线圈在磁场中的受力如图2 8 a 所示 在均匀磁场中放置一个可绕轴00 转动的通电矩形线圈abcd 已知 ad bc L1 ab cd L2 当线圈与磁感线平行时 因ab边和cd边与磁感线平行 所受电磁力为零 而ad边和bc边与磁感线垂直 所受电磁力最大 而且F1 F2 BIL1 此时受电磁力作用的两个边也称为有效边 2 通电线圈在磁场中的转矩转矩等于力偶中的任意一个力与力偶臂的乘积 因而图2 8 a 中矩形线圈转矩为式中T 线圈中受到的电磁转矩 单位为N m B 均匀磁场的磁感应强度 单位为T 2 3 3磁场对通电半导体的作用 霍尔效应 如图2 9所示 把一块半导体基片 霍尔元件 放在磁场中 当在与磁场垂直的方向上通以电流时 则在与磁场和电流相垂直的另外横向侧面上产生电压 这一现象是美国物理学家霍尔于1879年发现的 因此命名为霍尔效应 实验证明 霍尔效应中产生的电压UH 霍尔电压 的大小与通过半导体基片的电流I和磁场的磁感应强度B成正比 与基片的厚度d成反比 即 2 4电磁感应 2 4 1电磁感应现象及其产生的条件英国科学家法拉第在大量实验的基础上 于1831年发现了磁生电的重要事实及其规律 电磁感应定律 下面介绍两个典型的实验 实验一 在图2 10所示的均匀磁场中放置一根直导体AB 导体两端连接一个灵敏电流计C 当导体垂直于磁感线做切割运动时 可以明显地观察到电流计的指针偏转 当导体静止不动或平行于磁感线方向运动时 电流计的指针不动 实验二 如图2 11所示 空心线圈两端连接灵敏电流计G 时 会观察到电流计的指针偏转 如果条形磁铁在线圈中静止不动 电流计指针也不动 如果将条形磁铁由线圈中迅速拔出 会看到电流计的指针反向偏转 2 4 2楞次定律俄国物理学家楞次经过大量实验 于1833年发现判定感应电流方向的重要定律 楞次定律 其内容是 感应电流产生的磁通总是企图阻碍原磁通的变化 应注意的是 感应电流产生的磁通只是企图阻碍原磁通的变化 而不是阻碍原磁通的存在 在图2 12 a 中 原磁通方向向下 由于磁铁插入线圈时 线圈中磁通变化趋势为增加 根据楞次定律 感应磁通企图阻碍原磁通的增加 即与原磁通方向相反 因此感应磁通的方向向上 最后用右手螺旋定则判断感应电流的方向 即用右手握住线圈 让拇指指向感应磁通方向 则弯曲四指的指向就是感应电流的方向 把线圈看成电源 则感应电动势的极性为下正上负 用同样的方法亦可判断出图2 12 b 中线圈产生感应电动势的极性为上正下负 2 4 3自感现象1 自感现象所谓自感现象就是线圈内变化的磁通源于线圈本身通人变化的电流 如图2 15所示 闭合开关S 调节RP改变流人线圈电流的大小或改变电流的方向 则线圈的磁通量大小 或方向 发生变化 从而在线圈中产生感应电动势 这种由通人线圈的电流发生变化而产生感应电动势的现象称为自感现象 由自感现象产生的感应电动势称为自感电动势 用符号eL表示 2 自感电动势由楞次定律可知 自感电动势总是阻碍原电流的变化 当线圈中电流i增大 减小 时 自感电动势的方向与原电流方向相反 相同 如图2 16所示 实验证明 自感电动势的大小与线圈的自感系数和线圈中电流的变化率成正比 2 4 4互感现象1 互感现象所谓互感 就是由于一个线圈中电流的变化使另一个线圈产生感应电动势的现象 这个感应电动势称为互感电动势 用eM表示 如图2 17所示 线圈1和线圈2靠得很近 线圈2的两端接一个灵敏电流计G 当开关S断开和闭合的瞬间 会看到电流计发生左右偏转 这是因为线圈1中电流的变化产生了变化的磁通 其中一部分变化的磁通通过线圈2 由于线圈2产生感应电动势 而使相连的电流计指针发生偏转 2 互感电动势互感电动势的方向可用楞次定律来判定 其具体方法是 1 根据线圈中电流的方向 确定线圈中互感磁通的方向 2 根据线圈1中电流变化的趋势 确定通过线圈2中互感磁通的变化趋势 3 根据楞次定律判定线圈2中感应磁通的方向 4 根据右手螺旋定则判定互感电流的方向 2 5电磁铁和继电器 2 5 1电磁铁人们常用铁磁材料 软铁 作铁心 在外面绕上线圈 再通以电流做成电磁铁 如图2 19所示 电磁铁和永久磁铁一样具有磁性 电磁铁的线圈通电时其铁心就具有磁性 产生磁吸力 实验证明 磁吸力的大小与线圈的匝数 电流的大小及空气隙的大小等多种因素有关 电磁铁线圈的电流越大 线圈匝数越多 磁吸力越大 空气隙越长 磁吸力就越小 而当电磁铁断电后 剩磁很小 2 5 2继电器在自动 半自动以及遥控系统中 常用电磁铁做成各种继电器 它的作用是控制电路的接通与关断 继电器一般由电磁铁 触点 衔铁和弹簧等部分组成 如图2 21所示为汽车起动机继电器示意图 第3章正弦交流电 学习目标1 理解正弦交流电的基本概念及正弦交流电的三要素 2 了解正弦交流电的周期 频率 角频率之间的关系以及最大值和有效值 相位和相位差之间的关系 3 理解正弦交流电的三种表示法 4 了解单一参数单相交流电路的电压 电流大小及相位关系 5 了解三相电源的概念 3 1正弦交流电的基本知识在汽车维修生产过程和日常生括中 人们所用的电大多是交流电 即使是需要直流电的场合 如 给蓄电池充电 也往往是将交流电转换成直流电使用 交流电是指大小和方向都随时间做周期性变化的电动势 或电压 电流 即交流电是交变电动势 交变电压和交变电流的总称 交流电可分为正弦交流电和非正弦交流电两大类 正弦交流电是指按正弦规律变化的交流电 而非正弦交流电则是指不按正弦规律变化的交流电 本书只讨论正弦交流电 图3 1画出了直流电和几种交流电的波形图 3 1 1正弦交流电的三要素正弦交流电的三要素是指 最大值 频率 或周期 角频率 和初相位 图3 2所示为正弦交流电动势波形图 其一般的数学表达式为1 最大值正弦交流电瞬时值中最大的数值称为最大值 或振幅 峰值 分别用Em Um和Im表示 最大值是用来表示正弦交流电变化范围的物理量 2 频率 周期和角频率 1 频率I正弦交流电每秒钟变化的次数称为频率 用f表示 它的单位名称是赫 兹 简称赫 单位符号是Hz 在实际应用中还有kHz 千赫 和MHz 兆赫 它们之间的换算关系是 1kHz 1000Hz 1MHz 1000kHz 我国和世界上大多数囱家 电力工业的标准频率均为50Hz 该频率被称为工业标准频率 简称工频 少数国家 如 美国和日本 的工频采用60Hz 2 周期交流电变化一次所需的时间称为周期 用T表示 单位名称是秒 单位符号是s 可见频率f与周期T互为倒数 3 角频率交流电每秒钟变化的弧度称为角频率 用表示 单位名称是弧度每秒 单位符号是rad s 由于正弦交流电每变化一周所经历的角度为360 或2R弧度 所以角频率和频率之间的关系为频率 周期和角频率都是用来表示正弦交流电变化快慢的物理量 3 1 2相位差相位差是指两同频率正弦交流电的相位之差 比较图3 3所示电流i1和i2的相位 i1的相位为 初相位为的相位为 初相位为 其相位差用表示为 3 1 3有效值交流电的有效值是根据其热效应来确定的 交流电流通过电阻时和直流电流通过电阻时一样 都会产生热量 若在数值相等的两个电阻中 分别通人交流电流和直流电流 在相同的时间内 如果这两个电阻产生的热量相等 则这个直流电流的数值就是该交流电流的有效值 因此 把热效应相等的直流电流的值称为交流电流的有效值 有效值通常用大写字母I U 和E表示 人们平时所说的交流电流 电压和电动势的大小 如10A 220V等都是指它的有效值 交流仪表所指示的数值以及各种交流电器设备铭牌上所标的额定值也都是指有效值 由实验和数学分析可知 正弦交流电的有效值等于最大值的 3 2正弦交流电的表示方法对于某一确定的正弦交流电 可以采用多种形式表示 就其特征而言 只要具有最大值 角频率 或频率 和初相位这三个要素就可以准确描述该正弦交流电 在下面介绍的三种表示法中就充分体现了正弦交流电的特征 1 波形图表示法用波形图表示正弦交流电如图3 4所示 图中可以直观的表达出被表示的正弦交流电压的最大值Um 初相角 和角频率 若利用波形显示仪器 如示波器 测试正弦交流电压 所观测到的就是其波形图 3 3单相正弦交流电路 将用电设备接到交流电源上组成的电路称为交流电路 若电源中只有一个交变电动势 则称为单相交流电路 3 3 1纯电阻电路只有类似白炽灯 电炉等作交流电路中负载的电路称为纯电阻电路 在这些电路中 电阻R起主要作用 而电感L电容C均极小 可忽略不计 图3 7纯电阻电路中电压 电流 功率波形图和相量图 3 3 2纯电感电路 电感L主要作用 而电阻R电容C均可忽略不计的电路称为纯电感电路 当一个电阻值很小的电感线圈接在交流电源上时 就可认为是纯电感电路 图3 8是纯电感电路电压与电流的波形图 由图可得到如下结论 1 电压和电流的有效值 或最大值 满足欧姆定律 即 2 电压超前电流90 3 纯电感电路不消耗功率 有功功率P 0 无功功率 单位为乏 var 3 3 3纯电容电路电容C起主要作用 而电阻R和电感L均可忽略不计的电路称纯电容电路 当一个介质损耗很小 绝缘电阻很大的电容器接在交梳电源上时 就可以认为是纯电容电路 图3 9为纯电容电路中电压 电流 功率的波形图 纯电容电路 由于没有能量消耗 在交流电一个周期内 时而从电源吸取能量转变为电场能 称为充电 时而又放出储能给电源 称为放电 所以平均功率为零 可见 电容器不是耗能元件 而是储能元件 电容器与电源间交换能量的规模用无功功率Qc表示 电容器接于直流电源时 如不考虑接通瞬间电容的充电过程 由于电压不变化 就没有电荷的移动 电流则等于零 电路处于开路状态 所以电容器在直流稳定状态下是不导电的 俗称隔直流 电容器接于交流电源时 因在交流电压作用下 电容器处于周期性的充电和放电过程之中 极板上电荷量不断变化 因此在电路里形成周期性的交变电流 但切不可误认为自由电子穿越电容器的介质 如是这样 就意味着电容器被击穿 3 4三相正弦交流电路由三相交流电源 三相输电线和三相负载等组成的电路称为三相交流电路 3 4 1三相交流电三相交流电是由三相交流发电机产生的 汽车上安装的交流发电机就是三相交流发电机 图3 10 a 是最简单的三相交流发电机 它主要由固定不动的定子和可转动的转子等组成 定子上嵌入三个完全相同 彼此相隔120 绕组U1U2 V1V2和WIW2 其解析式为 3 4 2三相电源的连接三相发电机的绕组向外供电时 其连接方式有星形 Y 和三角形 两种 其中星形联结又可分为三相三线制和三相四线制 1 三相电源的星形 Y 联结星形联结是将发电机的三相绕组的末端U2 V2 W2连接在一起 成为一个公共点 称为中性点 或零点 用N表示 如图3 11 a 所示 从电源中性点N引出的输电线称为中性钱 俗称零线 从三个始端U1 V1 W1分别引出三根接负载的导线 称为相线 俗称火线 星形联结的三相交流发电机在输电时 有中性线的称为三相四线制 如图3 11 b 所示 没有中性线的称为三相三线制 2 三相电源的三角形 联结三角形联结就是把发电机每相绕组的末端和相邻绕组的始端依次连接起来 构成一个三角形闭合电路 然后再从三个连接点分别引出三根导线向外供电的连接方式 如图3 12所示 显然 三相绕组的三角形联结 只能以三相三线制向外供电 从图中可以看出任意两根相线都是从发电机某相绕组的始末两端引出的 因此电源供出的线电压与发电机绕组的相电压是相等的 即UL UP3 汽车用三相交流发电机绕组连接汽车安装的三相交流发电机的绕组多采用星形联结 星形联结的发电机突出的优点是低速发电性能好 并且在高速时常利用绕组中性点对地的电压提高发电机的输出功率 以适应当今汽车用电设备增加 用电量增大的要求 同时许多汽车利用发电机的中性点电压去控制各种用途的继电器 如磁场继电器 充电指示灯继电