汽车电工电子讲义.docx
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第1章直流电源
1.1电路基本概念
学习目标：
了解电路的概念；掌握电路图的画法及常用的部分电工图形、文字符
号；掌握电路的基本物理量（电流、电压、电位、电动势、电阻）；
了解直流电路的三种工作状态。
教学重点：
掌握电路的基本物理量
教学难点：
电压、电位的计算
课时分配：
2学时
教学过程：
一、电路的组成及作用
电路就是电流通过的闭合路径，它是由各种电气器件按一定方式用导线连接组成的总
体。
电路的结构形式和所能完成的任务是多种多样的，从日常生活中使用的用电设备到工、
农业生产中用到的各种生产机械的电器控制部分及计算机、各种测试仪表等，从广义说，
都是电路。
最简单的电路如图所示的手电筒电路。
1、组成：
电路主要由三部分组成。
（1）电源是供应电能的设备。
在发电厂内将化学能或机械能等非电能转换为电能，如电池、蓄电池、发电机等。
（2）负载是使用电能的设备，又称用电器。
作用是将电能转换成其它形式的能量，如电灯、电炉、扬声器、电动机等。
（3）中间环节用于连接电源和负载。
起传输和分配电能或对电信号进行传递和处理的作用，如变压器、输电线等。
2、电路模型和电路图
实际电路元件电磁性质较为复杂。
为便于对实际电路进行分析，需用能够代表其主要电磁特性的理想电路元件或它们的组合来表示。
理想电路元件就是指只反映某一个物理过程的电路元件,包括电阻、电感、电容、电源等。
用理想电路元件所组成的电路即为电路模型，手电筒电路的电路模型如图所示。
3、作用
（1）进行电能的传输和转换，如照明电路、动力电路等。
典型电路是电力系统。
（2）实现信息的传输和处理，如测量电路、扩音机电路、计算机电路等。
典型电路是扩音机。
二、电流
1、电流的形成：
电荷的定向移动形成电流。
2、电流的大小
电流的大小是指单位时间内通过导体横截面的电荷量。
恒定电流（DC）（“－”）
交变电流（AC）（“～”）
大小和方向都不随时间变化的电流称为恒定电流，也称为直流电流，用表示。
大小和方向随时间变化的电流称为交变电流，简称交流电流，用i表示。
电流的单位为A（安[培]），还有kA（千安）、mA（毫安）、μA（微安）等。
3、电流的方向
（1）实际方向
习惯上规定正电荷移动的方向或负电荷移动的反方向为电流的实际方向。
（2）参考方向：
可以任意选取
在分析电路时，常常要知道电流的方向，但有时电路中电流的实际方向难于判断，此时常可任意选定某一方向作为电流的“参考方向（也称正方向）”。
所选的参考方向不一定与实际方向一致。
当电流的实际方向与其参考方向一致时，则电流为正值；反之，当电流的实际方向与其参考方向相反时，则电流为负值，如图所示。
a）b）
4、电流的表示方法
（1）箭头：
（2）双下标：
5、电流的测量——用电流表（安培表）来测量。
测量时注意：
（1）交、直流电流用不同表测量。
（2）电流表应串联在电路中。
（3）直流电流表有正负端子，即：
“+”、“-”记号，接线时不能接错。
（4）选择正确的量程。
三、电压（电位差）
1、物理意义
在图中，极板a带正电，极板b带负电，a、b间存在电场。
正极板a上的正电荷在电场力的作用下从a经过负载移到负极板b，从而形成了电流。
这说明电场力做功产生了电流。
规定：
电场力把单位正电荷从a点移动到b点所做的功称为a、b两点之间的电压，用表示。
电压的单位为V（伏[特]），还有kV（千伏）、mV（毫伏）、μV（微伏）等。
2、实际方向：
由高电位指向低电位
结论：
对于电阻性负载来说，没有电流就没有电压，有电压就一定有电流。
电阻两端的电压常叫做电压降（压降）。
而对于电源来说，其端电压的实际方向是正极指向负极。
3、参考方向：
可以任意选取，同电流参考方向的选取
4、电压的表示方法
（1）箭头：
（2）正负号：
＋、－
（3）双下标：
5、电压的测量
用电压表（伏特表）来测量。
测量时注意：
（1）交、直流电压用不同表测量。
（2）电压表应并联在被测电路两端。
（3）直流电压表有正负端子，即：
“+”、“-”记号，接线时不能接错。
（4）选择正确的量程。
【例】电路如图所示，已知，，求：
解：
四、电动势
1、物理意义
为维持电路中的电流流通，则必须保持电路a、b两端间的电压恒定不变，这就需要电源力源源不断地把正电荷从负极板b移回正极板a上。
规定：
电源力克服电场力把单位正电荷从b点（负极）经电源内部移回到a点（正极）所做的功，叫电动势，用表示。
2、电动势的实际方向
电动势的实际方向规定：
在电源内部由负极指向正极，即电位升，其单位与电压单位相同，
也是伏特（V）。
结论：
对于一个电源来说，既有电动势，又有端电压。
电动势只存在于电源内部，方向由负极指向正极；而端电压只存在于电源外部，其方向由正极指向负极。
一般情况下，电源的端电压总是低于电源内部的电动势，只有当电源开路或者电源的内阻忽略不计时，电源的端电压才与其电动势相等。
3、电动势（）和电压（）的区别：
*物理意义不同；
*实际方向不同；
*电动势只表示电源，而电压既可表电源，也可表负载。
4、直流电动势的两种图形符号
【例】电路如图所示，已知电源电动势，求出：
解：
，。
五、功率
把单位时间内电场力所做的功称为电功率。
用“P”表示。
定义式：
单位：
W、kW、mW
其中：
“W”为电功，指电流所做的功，简称“电功”（电能）。
电流做功的过程，实质上就是把电能转换为其他形式的能的过程。
表达式：
单位：
焦耳（J）或千瓦时（）
习题：
P35.1
1.2电阻元件和欧姆定律
教学目标：
了解欧姆定律，能分析电流、电压、电阻之间的关系；掌握电功、电
功率的计算方法。
教学重点：
掌握欧姆定律有关的计算题
教学难点：
欧姆定律计算
课时分配：
2学时
教学过程：
一、电阻与电阻率
1、电阻：
导体对电流的阻碍作用称为电阻，用符号R表示。
电阻元件是耗能元件，其单位为（欧姆）。
常用的电阻单位还有、。
2、电阻率：
导体的电阻是导体本身的一种性质。
它的大小决定于导体的材料、长度和横截面积：
式中：
—制成电阻的材料的电阻率，国际单位制单位为；─绕制成电阻的导线长度，国际单位制单位为m；─绕制成电阻的导线横截面积，国际单位制单位为；─电阻值，国际单位制单位为。
纯金属的电阻率很小，绝缘体的电阻率很大。
银是最好的导体，但价格昂贵而很少采用，目前电气设备中常采用导电性能良好的铜、铝作导线。
二、部分电路欧姆定律
1、部分电路：
只含有负载而不包含电源的一段电路。
2、内容：
流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比，与电阻值成反比，称为部分电路欧姆定律。
3、表达式：
（、参考方向一致）
（、参考方向不一致）
a）、参考方向一致b）、参【例1】：
应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。
R
U
6V
+
2A
R
+
–
U
6V
I
（a）
（b）
I
–2A
–
解：
对图（a）有，，
对图（b）有，，
【例2】：
已知某100W的白炽灯在电压220V时正常发光，此时通过的电流是0.455A，试求该灯泡工作时的电阻。
解：
三、全电路欧姆定律
1、概念
（1）全电路：
含有电源的闭合电路。
（2）内电路：
电源内部的电路。
外电路：
电源外部的电路。
（3）内电阻：
电源内部的电阻，简称内阻。
用表示。
外电阻：
外电路的电阻。
用表示。
2、内容：
闭合电路中的电流与电源的电动势成正比，与电路的总电阻，即内电阻和外负载电阻之和（）成反比。
3、表达式：
是内阻上的压降；既是外阻上的压降，又是电源两端的电压（路端电压或端电压）。
四、电阻的串联
多个元件逐个顺次连接起来，就组成了串联电路。
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。
1、串联电路的特点
（1）等效电阻：
*
*当时，（大）
（2）流经各电阻的电流相等。
（3）串联总电压等于各电阻上电压之和，即
；
（4）分压关系为：
当两只电阻R1、R2串联时，总电阻，则有分压公式
，
五、电阻的并联
把多个元件并列地连接起来，由同一电压供电，就组成了并联电路。
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。
1、并联电路的特点
（1）等效电阻：
；
*
*当时，（小）
（2）各电阻电压相等。
（3）并联总电流等于各电阻上电流之和，即
；
（4）分流公式为：
，
【例1】：
图所示的并联电路中，求等效电阻、总电流、各负载电阻上的电压、各负载电阻中的电流。
解：
等效电阻
总电流
各负载上的电压
各负载上的电流
六、电阻的混联
既有串联又有并联的电路称为混联。
混联电路形式多种多样，但可以利用电阻串、并联关系进行逐步化简。
【例3】：
（选作）如图，已知，求等效电阻。
解：
等效电阻
习题：
如图，已知，求等效电阻。
解：
等效电阻
1.3电感元件和电容元件
教学目标：
电容、电感元件的构造、作用和特点；掌握电容电感的作用并会正确
选用。
教学重点：
电容的作用，主要参数（电容量、电量、电压、耐压）的计算，电容
的充放电过程
教学难点：
电容参数的计算，电容充放电过程的理解
课时分配：
2学时
教学过程：
一、电容
1、电容器：
用来储存和释放电荷及电场能量的“容器”。
其容量决定了它对电荷的存储能力。
2、电容器的组成：
两块彼此绝缘的导体就构成一个电容器，两个导体称为电容器的电极。
图a是平行板电容器结构图，两个平行的金属板构成电容器的极板，两个极板之间为电介质，电介质可为空气、纸、云母、塑料薄膜等材料。
图b是一只电容器的解剖图。
图a平行板电容器图b电解电容器结构
电容器分为有极性和无极性两种类型，无极性电容器在接入电路时不考虑其极性，有极性电容器在接入电路时正负极不得接反。
电解电容器是有极性电容器，使用时要注意。
3、电容的作用：
隔直流通交流的作用。
且电容器的电压不能突变。
在电力系统中，电容可以用来改善系统的功率因素，提高电能的利用率；在机械加工中，电容还可用于电火花加工。
4、电容的类型：
按电容器的容量是否可调分为：
固定电容器、可变电容器及微调电容器。
按电容器所用的介质可分为：
有机介质电容器、无极介质电容器、气体介质电容器、电解电容器。
5、几种常见电容的符号
6、电容器主要参数：
（1）电容量
当给电容器两端加上电压，如下图所示，则电容器的两个极板上就聚集起等量异号的电荷，两极板间就形成电场。
电容器带电
实验证明，当电容器的电介质、几何尺寸确定之后，电容器两极板上所加的电压越高，极板上聚集的电荷量越多，并且电荷量与电压成正比，其比值为一常数。
我们将这一常数称为电容器的电容量，亦简称电容，用大写英文字母C表示。
C=q/U式中C—电容器的电容量，单位为法拉（F）；q—极板上所带电量，单位为库伦（C）；U—极板间电压，单位为伏特（V）。
参考方向规定为从正极板指向负极板。
电容器和电容量都简称为电容，但其含义不同，前者是元件的名称，后者是元件的容量，从概念上要加以区别。
（2）电容常用的单位：
常用的单位有微法（μF）和皮法（pF）。
1F=106μF=1012pF
电容器上标有的电容数是电容器的标称容量。
电容器的标称容量和它的实际容量会有误差。
常用固定电容允许误差的等级见下表。
（3）工作电压：
电容器因为两个极板之间为绝缘材料，因为绝缘材料的耐压不同，电容器的工作电压亦不同。
每种电容器都有一个电压系列，供应用时选择。
如果选择的电容器耐压值低于工作电压，则会因为耐压不足而损坏。
在规定的工作温度范围内,电容能长期可靠地工作,它能承受的最大直流电压,就是电容的耐压,也叫做电容的直流工作电压。
在交流电路中,要注意所加的交流电压最大值不能超过电容的直流工作电压值。
否则，电容器会被击穿而损坏。
常用的固定电容工作电压有6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、250V、400V、500V、630V、1000V。
7、电容上电压与电流间的关系
由于电容器两极板间的电介质是绝缘的，所以理想电容器中不会有电流通过。
通常所说的通过电容器的电流，实际是指电容器所在支路的电流。
当电容器两极板间电压升高或降低时，极板上的电荷相应地聚集或减少，那么就会有电荷在电容器所在支路中定向移动形成电流，并且电压变化越快，单位时间内通过导体横截面的电荷量就越多，电流越大。
若电容元件上所加电压为直流时，其上的电压和电流均为零，所以稳态时电容元件对直流信号相当于开路，只有当电容元件上所加电压有变化（如电压为交流）时，才不为零。
8、电容元件的连接
（1）电容元件的并联
并联电路如下图所示。
电路具有以下特点：
1）各元件端电压相等，等于电路两端总电压（各电容上加的为同一电压U），即：
U1=U2=U3=U
2）电容器组储存的总电量等于各电容器储存电量之和，即：
q=q1+q2+q3（其中q1=C1U，q2=C2U，q3=C3U）
3）电容器组的总电容（等效电容）等于各电容器电容量之和，即：
电容并联电路
电容器并联使用时应注意：
并联电容器的额定电压和总电容量要符合使用要求。
注：
应用电容的并联增大电容量时，不能忽略电容的耐压。
任一电容器的耐压均不能低于外加的工作电压，否则该电容器会被击穿，所以，并联电容器组的耐压值等于各电容器中耐压值最小的那个值。
（2）电容元件的串联
串联电路如下图所示。
电路具有以下特点：
电容串联电路
1）各电容元件储存的相等，等于电容元件组储存的总电量q，即：
q=q1=q2=q3
2）总电压等于各电压之和，即：
U=U1+U2+U3
3）串联时等效电容的倒数等于各电容的倒数之和，即
当有两个电容元件串联时，总电容量为
电容器串联电路中各电容器两端电压与总电压的关系为：
，，…
上式称为电容器串联电路的分压公式。
由公式可知，各电容器分得的电压跟电容器的电容量成反比，即电容量越小，分得的电压越大；电容量越大，分得的电压越小
4）串联时工作电压的选择：
求出每一个电容器允许储存的电量（即电容乘以耐压），选择其中最小的一个（用qmin表示）作为电容器组储存电量的极限值，电容器组的耐压就等于这个电量除以总电容，即：
U=qmin/C。
说明：
当n个相同的电容串联时，电容器组的总的耐压为单个电容器耐压的n倍，故电容器串联可提高耐压。
9、电容的充放电：
当电容器两端加上电压时，电容两极板上要聚集等量异号的电荷。
电容器两端电压发生变化时，极板上的电荷同时发生变化，电容中形成位移电流。
我们由下图分析电容器充放电过程。
a）充电b）放电
电容的电压电流方向
（1）电容器充电：
在图a中，给电容器加上外电压E，由于E>>U，电容器充电，正电荷从电源的正极流向电容器极板，形成充电电流，如图所示。
随着充电时间的延长，电容器极板上的电荷越来越多，电容器两端电压U上升，充电电流下降。
当电容器两端电压U=E时，充电停止，充电曲线如图c所示。
（2）电容器放电：
在图b中，将已经充上电的电容器通过电阻放电。
刚接通电阻时，因为电容器上的电压最高，放电电流最大；随着放电时间的延长，电容器极板上的电荷越来越少，电容器两端电压下降，放电电流下降。
当电容器两端电压下降到零，放电停止，放电曲线如图d所示。
c）d）
c）充电曲线d）放电曲线
由充放电曲线可以看出，电容器有以下特性：
1）充电电流与电压的变化率成正比。
当电容两端电压发生变化时，电容中有电流；当电容两端电压不变化时（图a中U=E），电容中充电电流下降为零。
即电容是一个动态器件，电容两端电压变化，电流变化，电压不变化，电流为零。
在直流电路中，如果电压不变化，则，电路中没有电流流动，所以电容具有隔断直流的作用。
2）当U增加，电流i为正值，电容器充电，电流与电压的方向相同，如图c所示；当U下降，电流i为负值，电容器放电，电流与电压的方向相反，如图d所示。
3）电容器在充放电过程中，只是将电能储存在电容器中或由电容器放出电能，电容器并不消耗电能，所以电容器是一个储能器件。
电容器中的电场能量:
电容器在充电过程中，由于两极板上聚集了大量的电荷，形成了电场，便储存有电场能量。
电场能量用WC表示，其值为
式中，WC的单位为J（焦）；C的单位为F（法）UC的单位为V（伏）
电容器中储存的能量是以电场的形式储存在电容器中的，它只与电容器两端的电压有关，而与电压的建立过程无关。
二、电感
1、电感元件：
具有电流通过时磁感有变化的元件统称为电感元件，常用在汽车电子电路中。
2、电感元件分类：
按导磁体性质分为空心电感、铁心电感、磁心电感。
3、电感的符号
4、电感的特性及主要参数
（1）直流电阻：
是绕制电感的导线所呈现的电阻。
由于绕制电感的导线常用铜线，且长度也不会很长，故电感的直流电阻往往很小，一般忽略不计。
（2）电感量：
又叫电感系数或自感系数，它是反应电感具备电磁感应能力的物理量。
电感量的基本单位是亨利（H），常用单位有毫亨（mH）和微亨（µH）。
H、mH、µH之间的换算关系如下：
1H=103mH；1mH=103µH；1H=106µH。
（3）感抗：
感抗是指电感元件对交流电（或突变电流）的阻碍作用。
（4）品质因素：
品质因素是衡量电感元件质量的重要参数，品质因素常用Q表示。
（5）分布电容：
由于电感是由导线绕制而成的，这样匝与匝之间具有一定的电容，线圈与地之间也有一定的电容。
习题：
例1：
有一电容电路，其工作电压为120V，需要电容量﹥80µF。
现有几种规格的电容
器为：
100µF/50V；47µF/160V；22µF/250V；10µF/400V。
请选择合适规格的电容器
接入电路中。
解：
根据电路要求，所选电容器的耐压必须大于120V，电容量大于80µF。
在给定的电容器中选取47µF/160V的电容器两只并联较为合适，并联总电容量为
µF﹥80µF电容量和耐压均符合电路要求。
1.4电压源、电流源及其等效变换
1.5电路的三种工作状态
学习目标：
了解电压源、电流源的概念；掌握电压源、电流源等效图、了解电路
三种工作状态
教学重点、难点：
掌握压源、电流源等效图及各参数变换
课时分配：
2学时
教学过程：
一、电压源
（是对外提供电压的电源，开路状态时，两端有电压，电流为零；当接成闭合回路后，电压源上有电流流过）
电压源按其内阻是否考虑可分为两类：
一类是忽略内阻或内阻为零的电压源，称为理想电压源，或称恒压源；
一类是考虑内阻，内阻不为零的电压源，称为实际电压源。
（1）理想电压源（恒压源）：
内阻为0
*输出电压恒定不变，U=E
*输出电流由外负载决定，
（a）理想电压源（b）实际电压源（c）外特性曲线
（2）实际电压源
（理想电压源实际上是不存在的。
一个实际电源总是有内阻的，当电源通过电流时，存在着能量损耗。
一个实际电压源可等效成一个理想电压源E与内阻RO串联的模型。
）
当接上负载时，电源端电压（负载RL上的电压和电流的关系）
二、电流源
（是对外提供电流的电源，开路状态时，有电流存在，无端电压；当接成闭合回路后，电流源两端有电压存在）
电流源按其内阻是否考虑可分为两类：
一类是不考虑内阻或内阻为无穷大的电流源，称为理想电流源，或称为恒流源；
一类是考虑内阻，内阻不为无穷大的电流源，称为实际电流源。
（1）理想电流源（恒流源）：
内阻为∞
*输出电流恒定不变，I=IS
*其端电压由外负载决定，
例题：
P35
三、负载的额定值
1、额定电流、额定电压和额定功率
电气设备安全工作时所允许的最大电流、最大电压和最大功率。
2、铭牌数据
通常电气设备或元件的额定值标在产品的铭牌上，故额定值也称铭牌数据。
如一白炽灯标有“220V/40W”，表示它的额定电压为220V，额定功率为40W。
3、电气设备的工作状态
（1）额定工作状态：
电气设备或元件在额定功率下工作的状态，也称为满载状态。
电气设备满载工作时经济合理、安全可靠。
（2）轻载状态：
电气设备或元件低于额定功率运行的工作状态，也称为欠载状态。
电气设备轻载工作时不经济。
（3）过载状态：
电气设备或元件高于额定功率运行的工作状态，也称为超载状态。
电气设备超载工作时容易损坏或造成严重事故，一般不允许出现。
四、电路的三种状态
1、通路——电源的有载工作
将电路中的开关S闭合，电源与负载接通，构成回路，电源处于有载工作状态。
a）电源的有载工作b）电源开路c）电源短路
电路中的电流为：
端电压与输出电流的关系为：
上式表明：
当电源具有一定值的内阻时，端电压总是小于电源电动势；当电源电动势和内阻一定时，端电压随输出电流的增大而下降。
电源产生的功率=负载取用的功率+内阻及线路损耗的功率。
2、开路（断路）
将图中的开关S断开，电源处于开路状态，也称为电源的空载运行，相当于。
此时负载上的电流、电压和功率均为零。
即：
电源的开路电压等于电源的电动势。
，
3、短路
电源两端由于某种原因直接接触时，电源就被短路，电路处于短路运行状态。
其特点是：
被短路元件两端电压为0。
电路中电流称为短路电流，且有，电源输出电压为。
短路电流很大，如果没有短路保护，会发生火灾。
短路是电路最严重、最危险的事故，是禁止的状态。
产生短路的原因主要是接线不当，线路绝缘老化损坏等。
应在电路中接入过载和短路保护。
1.6电路基本定律
学习目标：
了解节点、支路、回路、网孔概念；掌握KCL、KVL电路
教学重点、难点：
掌握KCL、KVL电路计算
课时分配：
2学时
教学过程：
电路有简单电路和复杂电路之分，不能用电阻串、并联关系化简的电路叫做复杂电路。
分析电路的方法很多，但它们的依据是电路的两条基本定律——欧姆定律和基尔霍夫定律。
基尔霍夫定律既适用于直流电路，又适用于交流电路。
它包括基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律两个定律。
基尔霍夫电流定律应用于节点，基尔霍夫电压定律应用于回路。
为了阐明该定律，先介绍电路的几个基本术语。
（1）支路：
电路中的每一个分支称为支路。
它由一个或几个相互串联的电路元件构成。
在同一支路内，流过所有元件的电流相等。
如图所示电路中有3条支路，分别是ab、acb、adb。
其中，含有电源的支路称有源支路，不含电源的支路称无源支路。
（2）节点：
三条或三条以上支路所汇成的交点叫节点。
图中共有2个节点，分别是节点a和节
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