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文档简介
2024/10/1汽车电工与电子基础(第4版)全国交通运输职业教育教学指导委员会任成尧乔金平任佳丽靳炜“十二五”职业教育国家规划教材经全国职业教育教材审定委员会审定组织编写主
编副
主
编2024/10/1直流电路基本概念及基本定律正弦交流电路三相交流电路磁路与变压器交流电动机及控制单元一单元二单元三单元四单元五单元六单元七单元八直流电动机半导体器件及应用三极管及放大电路单元九数字电路基础单元十单元十一电子电力技术汽车微机控制系统介绍
单元一直流电路基本概念
及基本定律单元学习目标知识目标:1、叙述电路的组成和作用。2、叙述电路的基本物理量及其方向。3、正确描述电路基本定律4、正确描述电路分析方法及计算方法。能力目标:1、会用万用表测量直流电路中的电阻、电压及电流值。2、会进行电路的基本计算3、会检查汽车上的简单直流电路直流电路基本知识电路的电器元件电路的基本定律与分析计算123
直流电路基本知识1.1电路的组成电路:是电流所经过的路径,一般由电源、用电器、导线和开关四部分组成。
直流电路基本知识电源:是把其他形式的能转换成电能的装置。常见的电源有干电池、蓄电池、发电机和各种整流电源(汽车电路采用的电源是蓄电池和发电机)等。用电器:是把电能转变成其他形式能的元件或设备,也常被称为电源的负载。常见的负载有电灯、电炉、电烙铁、扬声器和电动机等,汽车电路中的负载很多,例如照明与信号用灯、汽车起动机、电动设备及汽车音响等。开关:是控制电路接通或断开的器件,例如手电筒的按钮、汽车上的点火开关及转向灯开关等。导线:是连接电源与用电器的金属线,它把电源产生的电能输送到用电器。常用导线材料有铜、铝等。1.1电路的组成直流电路基本知识
电荷的定向运动称为电流。在金属导体中,电流是电子在外电场力作用下的定向运动而形成的。
规定正电荷定向运动的方向为电路中电流的实际方向,用带箭头的虚线表示。
在分析电路时,电流的实际方向往往难以判断,此时可以先假定一个方向作为电流的参考方向,用带箭头的实线表示。若参考方向与实际方向一致,电流值为正值;参考方向与实际方向相反,电流值为负值。如图所示,电流的参考方向和实际方向相反。1.2电路中的物理量
电压是衡量电场做功本领大小的物理量。规定电压的方向为由“+”极性指向“-”极性。
在分析电路时,电压的实际方向不能确定时,也可以先假定一个方向作为电压的参考方向,用带箭头的实线表示,或者用双下标字母表示。若参考方向与实际方向一致,电压值为正值;若参考方向与实际方向相反,电压值为负值。如图1-3所示,电压Uab的参考方向与实际方向相同。直流电路基本知识1.2电路中的物理量
直流电路基本知识
电路的工作状态有三种:空载、负载和短路。
空载状态:外电路处于断路状态称为空载。此时,相当于负载电阻R→∞,电路电流I=0,电源的输出电压等于电源的电动势,即U=E。该电压称为开路电压。1.3电路的工作状态
直流电路基本知识
负载状态:电源与负载电阻R形成回路,电源向负载供给能量的状态称为负载状态,负载时电路中的电流为
电源的输出端电压为U=E-rI可知此时电源的输出电压小于电动势,即
U<E1.3电路的工作状态
直流电路基本知识
短路状态:电源外电路电阻为零时称为短路,此时电路中的电流称为短路电流
由于r一般很小,所以Is很大,可能损坏设备和线路,这是不允许的。短路时,U=0。
1.3电路的工作状态
直流电路基本知识通常可用万用表的电压挡测量电源的端电压来判断电源路处于何种状态1.3电路的工作状态
直流电路基本知识
负载是把电能转换为其他形式能量的装置。实际的负载可能是一个元件,也可能是一个网络。我们把用电设备长期安全工作时允许的最大电流、电压和电功率分别称为该用电设备的额定电流(In)、额定电压(Un)、额定功率(Pn),统称为额定值.对于电阻性负载,其额定电流和额定电压的乘积就等于它的额定功率,
Pn=InUn
一般用电设备的额定值都标在设备的明显位置(设备铭牌上),也可以在产品目录中查得。我们把用电设备在额定功率下的工作状态称为额定工作状态,又称满载;低于额定功率的工作状态称为轻载;超过额定功率的工作状态称为过载或超载。由于过载很容易烧坏用电设备,一般都不允许出现过载。防止过载的常用方法是在电路中安装熔断器。
1.4负载的额定值项目步骤
电路的电器元件
电阻器又称电阻,在电子产品和汽车电路中是一种必不可少的元件。它的种类繁多,形状各异,功率也不相同,在电路中使用电阻的目的是限压、限流或得到规定的电压等。2.1电阻器电阻器项目步骤
电路的电器元件电阻器的分类(1)按制作材料分:有碳膜电阻、金属膜电阻、绕线电阻和半导体电阻。(2)按结构形式分:有固定电阻和可变电阻。(3)按功率分:有1/16W、1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W等。(4)按用途分:有精密电阻、高频电阻、高压电阻、大功率电阻、熔断电阻、热敏电阻、光敏电阻、压敏电阻等。2.1电阻器项目步骤
电路的电器元件1、直接标注法:大电阻可直接用数字与单位标注在电阻上,如R260Ω。贴片电阻用三位数字标注,前两位表示有效数字,第三位表示有多少个零,如标注452就是4500Ω。2、色标法:对于碳膜电阻和金属膜电阻分别用4环和5环色环标注阻值。固定电阻阻值的标注方法四色环五色环项目步骤
电路的电器元件电阻阻值的读法项目步骤
电路的电器元件
可变电阻是阻值可以调整的电阻器,用于需要调节电路电流或需要改变电路阻值的场合。常见的可变电阻有变阻器、电位计和热敏电阻。
汽车上常见的变阻器是前照灯开关,改变电阻器上滑动触头的位置,阻值会增加(灯变暗)或减小(灯变亮),以此来控制电流强度。
电位计不同于变阻器之处在于它有三个接线端子并能控制电压。节流阀位置传感器就是装有电位计的一种输入传感器。
热敏电阻器是敏感元件的一类,按照温度系数不同,分为正温度系数热敏电阻器(PTC)和负温度系数热敏电阻器(NTC)。正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度越高时电阻值越大,负温度系数热敏电阻器(NTC)在温度越高时电阻值越低,它们同属于半导体器件。可变电阻项目步骤
电路的电器元件热敏电阻的主要特点是:1、灵敏度较高。
2、工作温度范围宽。
3、体积小,能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度。
4、使用方便,电阻值可在0.1~100KΩ任意选择。
5、易加工成复杂的形状,可大批量生产。
6、稳定性好、过载能力强。项目步骤
电路的电器元件热敏电阻在汽车上的应用:
1、控制空调温度,监测发动机冷却液温度、进气温度等。当冷却液温度上升时,热敏电阻阻值减小,测温计电流增,反之,电流下降。
2、汽车电动机及电路的控制保护,如中央门锁控制、风窗玻璃刮水电动机等的控制电路。3、液面高度监测,如制动液面、发动机油及冷却液液面高度监测,燃油高度监测等。项目步骤
电路的电器元件
电容器通常简称为电容(Capacitor),用字母C表示,国际单位是法拉(F)。所谓电容器就是能够储存电荷的“容器”,是电子设备中大量使用的电子元件之一,广泛应用于隔直通交、耦合、旁路、滤波、调谐回路、能量转换、控制电路等方面。2.2电容器项目步骤
电路的电器元件
充电和放电是电容器的基本功能。
把电容器的一个极板接电源(如电池组)的正极,另一个极板接电源的负极,两个极板就分别带上了等量的异种电荷,这个过程称为充电。充电后电容器的两极板之间就有了电场,充电过程是把电源中的电能储存在电容器中。使充电后的电容器失去电荷(释放电荷和电能)的过程称为放电。例如,用一根导线把电容器的两极接通,两极上的电荷互相中和,电容器就会放出电荷和电能。放电后电容器的两极板之间的电场消失,电能转化为其他形式的能。
项目步骤
电路的电器元件
电感器是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件,是用绝缘导线绕制的各种线圈。
电感器的特性:
具有阻止交流电通过而让直流电顺利通过的特性。2.3电感器
电路的基本定律与分析计算
通常流过电阻R的电流与电阻两端的电压成正比,与电阻R成反比。3.1欧姆定律
电路的基本定律与分析计算
在国际单位制(SI)中,电阻的单位是欧姆(Ω)。当电路两端电压为1伏(V),流过的电流为1安(A)时,则这条支路的电阻为1欧(Ω)。在实际工作中还常用千欧(kΩ)或兆欧(MΩ),它们之间的关系为
电路的基本定律与分析计算
在电压与电流参考方向一致时,电阻吸收或消耗的功率为
电路的基本定律与分析计算【例1-2】如图1-10所示电路,试用欧姆定律求I或U以及电阻吸收的功率。图1-10
例1-2的图
电路的基本定律与分析计算由图1-10b)可知,电压、电流方向不一致即有由图1-10a)可知,电压、电流的参考方向一致,有
电路的基本定律与分析计算由图1-10c)可知,电压、电流的参考方向不一致,即有由图1-10d)可知,电压、电流的参考方向一致,有
电路的基本定律与分析计算
基尔霍夫电流定律(KCL)
基尔霍夫电流定律是用来确定一个节点上各支路电流之间关系的。3.2基尔霍夫定律
在任一瞬间,流入某节点的电流I入之和等于从该节点流出的电流I出之和对于图中汽车电源电路来说,由节点a可得
图1-12
汽车上发电机与蓄电池并联电路如果我们规定流入节点的电流为正,而流出节点的电流为负,这样基尔霍夫电流定律可写成一般表达式
电路的基本定律与分析计算3.2基尔霍夫定律
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。应用电流定律可列出:上列三式相加,便得可见,在任一瞬间,通过任一封闭面的电流的代数和也恒等于零。
电路的基本定律与分析计算3.2基尔霍夫定律
电路的基本定律与分析计算【例1-3】
图1-14所示为电路中的某一节点O,试求bo支路中的电流。解:在分析计算支路电流时,应首先假设各支路电流的参考方向。一经标定,就应根据基尔霍夫电流定律列写方程。必须指出,在计算过程中严禁变更电流的参考方向,以免引起混乱。在本例所示电路图中,假定b支路中的电流方向为流入节点O,所以
这里Ibo为负值,说明电流Ibo的实际方向是从节点流出的,与参考方向相反。图1-14电路中的一个节点
基尔霍夫电压定律(KVL)
基尔霍夫电压定律是用来确定回路中各部分电压之间的关系,具体内容如下
在任一瞬间,对于电路中任一回路,沿任一指定(顺时针或逆时针)方向绕行一周,各部分电压的代数和恒等于零。即所谓代数和,必须要考虑正负号,正负号的确定方法如下。首先任意规定绕行方向(顺时针或逆时针方向),各部分电压参考方向与绕行方向一致者取正号,不一致者取负号。
电路的基本定律与分析计算3.2基尔霍夫定律
基尔霍夫电压定律常与欧姆定律配合使用。如图1-15所示电路,其电流的参考方向如图1-15所示。当沿回路abdca所示的顺时针方向绕行时,列写KVL方程,有
电路的基本定律与分析计算3.2基尔霍夫定律图1-15电路中的一个闭合电路
如图所示电路,试写出回路Ⅰ和回路Ⅱ的电压方程式。解:应用KVL时,一般步骤:(1)首先假定各支路电流的参考方向。
(2)假定回路绕行方向,图中为顺时针方向。
(3)应用式(1-11)或式(1-12)列出电压方程式。
电路的基本定律与分析计算3.2基尔霍夫定律图1-16例1-4的图
由此可见,基尔霍夫电压定律不仅适用于任一闭合回路,而且对于任一假想的闭合回路,基尔霍夫电压定律同样适用。综上所述,在电路中,电阻元件上的电流、电压关系要符合欧姆定律,而对于任何节点,各支路电流要按照基尔霍夫电流定律分配;对于任何闭合回路中的各支路电压,应满足基尔霍夫电压定律。另外,在应用欧姆定律和基尔霍夫定律列写电路方程时,首先应在电路图中标出电压、电流的参考方向,因为方程式中各个物理量的正、负号均由相应的电压、电流的参考方向所决定。
电路的基本定律与分析计算3.2基尔霍夫定律
电路的基本定律与分析计算
在进行电路分析时,用电位会将烦琐和复杂的问题变得简单明了。例如,有一个电路有5个不同的点,任何两点间均有电压,如果用电压来分析时,将涉及10个电压值(如果考虑反向电压,将有20个电压值);若用电位分析时,可选定任意一点为参考点,并规定其电位为零。然后只需分析其他4点的电位就行了,如图1-19所示。3.3
电路中电位的计算图1-19电压分析与电位分析的比较
电路的基本定律与分析计算要计算电路中某点的电位,只要从这一点通过一定的路径绕到零电位点,该点的电位即等于此路径上全部电压降的代数和。但要注意每一项电压的正负值,如果在绕行过程中从正极到负极,此电压便是正的;反之从负极到正极,此电压则是负的。电压可以是电源电压,也可以是电阻上的电压。电源电压的正负极是直接给出的,电阻上电压的正负极则是根据电路中电流的方向来确定的。
综上所述,计算电路中某点电位的步骤可归纳为:
(1)根据题意选择一个合适的点为零电位点。
(2)确定电路中的电流方向和各元件两端电压的正负极。
(3)从被求点出发通过一定的路径绕到零电位点,则该点的电位即等于此路径上全部电压降的代数和。3.3
电路中电位的计算
电路的基本定律与分析计算解:电路中的电流为(1)以D点为参考点(图1-20a)或3.3
电路中电位的计算
电路的基本定律与分析计算(2)以A点为参考点或3.3
电路中电位的计算
电路的基本定律与分析计算3.4
电阻的串联与并联
电路的基本定律与分析计算所以式中即若干个电阻串联时,它们的等效电阻R等于各个串联电阻之和。如图所示。各个电阻上的电压为3.4
电阻的串联与并联
电路的基本定律与分析计算
上式为串联电路的分压公式。它表明串联电阻上电压的分配与电阻大小成正比。电阻串联的应用很多。例如,在负载额定电压低于电源电压的情况下,通常需要与负载串联一个电阻,用来降低一部分电压。有时为了限制负载中通过过大的电流,也可以与负载串接一个限流电阻。如果需要调节电路中的电压或电流,一般也可在电路中串联一个变阻器来进行调节。3.4
电阻的串联与并联
电路的基本定律与分析计算3.4
电阻的串联与并联
电路的基本定律与分析计算如果电路中有两个或更多个电阻接在两个公共的节点之间,这样的连接方式称为电阻的并联。
图中所示是三个电阻并联的电路。由图可以看出,并联电路的基本特点是各个电阻两端的电压相同。3.4
电阻的串联与并联
电路的基本定律与分析计算由欧姆定律可知:3.4
电阻的串联与并联
电路的基本定律与分析计算因此,式中,即并联电路等效电阻R的倒数等于各个电阻的倒数之和。上式也可以写成3.4
电阻的串联与并联
电路的基本定律与分析计算
在实际应用中,最常见的是两个电阻的并联,如图所示,它们的等效电阻为3.4
电阻的串联与并联
电路的基本定律与分析计算通过两个并联电阻的电流分别为这为两个并联电阻的分流公式。它表明在并联电路中,各个电阻中的电流与电阻大小成反比,而与相邻的电阻成正比。
电阻并联的应用也很广泛。一般负载都是并联连接的,在同一电压下,任何一个负载的工作情况基本上不受其他负载的影响。有时为了某些需要,可将电路中的某一段与电阻或电位器并联,以起分流或调节电流的作用。3.4
电阻的串联与并联
混联:实际电路中往往既有电阻的并联,又有串联,这种连接称为混联,要分析和计算这类电路,首先要从电路的结构出发,依次运用电阻串并联关系,把它们化简成一个等效电阻的电路。
电路的基本定律与分析计算3.4
电阻的串联与并联
电路的基本定律与分析计算3.4
电阻的串联与并联【例1-8】将图所示电路简化成为一个等效电阻电路求这个等效电阻的阻值。
解:化简从电路右边着手,按照串并联关系,依次求出R1、R2、R3、R4。最后求出电路的等效电阻R。
由图可以看出:
电路的基本定律与分析计算3.4
电阻的串联与并联
电路的基本定律与分析计算3.5电压源与电流源及其等效交换
电路的基本定律与分析计算3.5电压源与电流源及其等效交换
(1-21)
电路的基本定律与分析计算3.5电压源与电流源及其等效交换
图中虚线框内所示为理想电压源的符号,其外特性是一条平行于I轴的直线,如图所示。
电路的基本定律与分析计算3.5电压源与电流源及其等效交换
电路的基本定律与分析计算3.5电压源与电流源及其等效交换
电路的基本定律与分析计算3.5电压源与电流源及其等效交换
电路的基本定律与分析计算3.5电压源与电流源及其等效交换
图1-30a)中虚线框内所示为理想电流源的符号,其外特性是一条平行于U轴的直线,如图1-30b)所示。
电路的基本定律与分析计算3.5电压源与电流源及其等效交换
图1-30
理想电流源
在电路分析计算中,以上两种电源模型是可以等效变换的。下面我们就来研究这两种实际电源等效变换的条件。由式(1-21)可得对电流源来说,其端电压和电流的关系由式(1-22)可知
电路的基本定律与分析计算3.5电压源与电流源及其等效交换
若它们对外电路等效,则式(1-23)和式(1-24)对应项应相等。因此等效变换条件为或
当两者满足以上关系,且电压源的内阻等于理想电流源的内阻时,这两种电源是可以互换的。两种电源的等效互换电路如图所示。
电路的基本定律与分析计算3.5电压源与电流源及其等效交换
电路的基本定律与分析计算3.5电压源与电流源及其等效交换
【例1-10】
把图1-32a)所示的电路变换成电压源的等效电路。解:(1)先将电压源等效变换成电流源,如图1-32b)所示,其中:
电路的基本定律与分析计算3.5电压源与电流源及其等效交换
图1-32例1-10的图
(3)再将图1-32C)中的电流源等效变换成电压源,如图1-32d)所示,其中:
电路的基本定律与分析计算3.5电压源与电流源及其等效交换
电路的基本定律与分析计算3.5电压源与电流源及其等效交换
图1-33例1-11的图
电路的基本定律与分析计算3.5电压源与电流源及其等效交换
(3)将两电流源分别等效变换成两电压源,如图1-33d)所示,其中:
电路的基本定律与分析计算3.5电压源与电流源及其等效交换
(4)将两个电压源合并成如图1-33e)所示的电压源。其中:
电路的基本定律与分析计算3.5电压源与电流源及其等效交换
(5)按等效电路图1-33e),可求得电流I为:
电路的基本定律与分析计算3.5电压源与电流源及其等效交换
电路的基本定律与分析计算
支路电流法是计算复杂电路的最基本的方法,它以各支路电流为未知量,应用基尔霍夫定律和欧姆定律对节点和回路列出所需要的方程,然后解出各支路电流,进而求出电压或功率。在图1-34所示电路中,支路数b=3,节点数n=2,要求出三条支路的电流,需列出三个独立方程联立求解。所谓独立方程是指该方程不能通过已经列出的方程演变而来。
3.6支路电流法图1-34两个电源并联的电路
电路的基本定律与分析计算对于节点a:对于节点b:
比较以上两式发现,只有一个方程是独立的。因为对于式(1-28)可由式(1-27)导出。所以对具有两个节点的电路,应用基尔霍夫电流定律,只能列出一个独立方程。
一般地说,对具有n个节点的电路应用基尔霍夫电流定律只能列出(n-1)个独立方程。3.6支路电流法
电路的基本定律与分析计算
图1-34中有三个回路:即回路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。根据基尔霍夫电压定律可列出三个回路电压方程。回路的绕行方向如图1-34所示对于回路Ⅰ可列出:
对于回路Ⅱ可列出:对于回路Ⅲ可列出:3.6支路电流法
以上三个方程中,实际上只有两个是独立方程,因为第三个方程可以从前面两个方程导出。在列回路方程时,要使所列出的方程都是独立方程,就得适当选取回路。
一般来说,在电路分析中,选取以网孔为回路所列出的电压方程一定为独立方程。图1-34所示电路有两个网孔,可列出两个独立的回路电压方程。一般来说,对具有n个节点和b条支路的电路,按基尔霍夫电压定律列出的独立方程数为b-(n-1)个,这正好等于电路中的网孔数。
电路的基本定律与分析计算3.6支路电流法
现在,我们把用支路电流法计算复杂电路的解题步骤归纳如下:(1)判定电路的支路数b和节点数n。(2)标出各待求支路电流的参考方和回路的绕行方向。
(3)根据KCL列出(n-1)个独立的电流方程式。(4)根据KVL列出b-(n-1)个独立回路的电压方程式。
(5)解联立方程组,求出各支路电流。
电路的基本定律与分析计算3.6支路电流法
电路的基本定律与分析计算3.6支路电流法
列KVL方程:代入数据得:联立求解方程得:
电路的基本定律与分析计算3.6支路电流法图1-35例1-12的图
电路的基本定律与分析计算3.6支路电流法
图1-36例1-13的图
叠加原理是网络定理中一个最基本的定理,它的重要性并不在于用来计算复杂电路,而在于它是分析和计算线性电路的普遍原理,它反映了线性电路的两个基本性质,即叠加性和比例性。其具体内容为:在具有n个电源的线性电路中,n个电源共同作用时,在某一支路中所产生的电流(或电压),等于各个电源单独作用时分别在该支路中所产生的电流(或电压)之代数和。这个关于各个电源作用的独立性的原理,称为叠加原理(图1-37)
电路的基本定律与分析计算3.7叠加原理图1-37叠加原理
而后解之,得
电路的基本定律与分析计算3.7叠加原理
令于是
电路的基本定律与分析计算3.7叠加原理
同理
电路的基本定律与分析计算3.7叠加原理由此可见,用叠加原理计算复杂电路,就是把一个多电源的复杂电路化为几个单电源电路来进行计算。
电路的基本定律与分析计算3.7叠加原理
图1-38
例1-14的图
电路的基本定律与分析计算3.7叠加原理
【例1-15】
用叠加原理计算图1-39a)所示电路。已知各电阻R相等,测得电压U=6V,若16V电压源电压降为0V时,电压等于多少?解:由于该题存在三个有源元件,其中只有一个电源发生变化,所以特别适宜叠加原理。
电路的基本定律与分析计算3.7叠加原理图1-39
例1-15的图
电路的基本定律与分析计算3.7叠加原理解:由于该题存在三个有源元件,其中只有一个电源发生变化,所以特别适宜叠加原理。(1)电压源16V单独作用时的电路如图1-39b)所示,由图可知(2)当16V电压源电压降为0V时,U″相当于两个电流源单独作用时产生的电压,电路如图1-39c)所示,根据题意,三个电源共同作用时产生的电压为(3)当16V电压源电压降为0V时,两个电流源单独作用时产生的电压为
知识拓展在分析研究一些电路时,往往只需求解一个复杂电路中某个支路的电流或功率;或者在电路其他参数不变的情况下,某支路的电阻改变时,分析计算该支路的电流变化情况。如果用前面讲的支路电流法、叠加原理来计算时,必然要求出一些不需要求的电流来,使计算过程复杂,此时若用戴维宁定理来进行计算,就比较简便。戴维宁定理戴维宁定理
知识拓展任何电路,不论是简单的还是复杂的,只要它具有两个端钮,则称它为二端网络。根据它内部是否含有电源,又分为无源二端网络(图1-40a)和有源二端网络(图1-40b)。戴维宁定理二端网络图1-40二端网络
知识拓展戴维宁定理
知识拓展戴维宁定理图1-41戴维宁等效电路
知识拓展戴维宁定理
图1-42
例1-16的图
知识拓展因为于是戴维宁定理
知识拓展
然后将有源二端网络内的理想电压源短路,如图1-42c)所示,此无源二端网络的等效电阻为戴维宁定理
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