任务一汽车直流电路的认识与测量_汽车电工电子技术基础-QQ阅读男生轻小说网

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任务一　汽车直流电路的认识与测量

问题导入

汽车上普遍采用低压直流电源作为整车的供电，要掌握汽车电器系统的检修方法，就必须理解电的基础知识及电路的工作原理。

知识分析

一、电路的组成及基本状态

1.电路的组成

电路是一种环形路线，是电流的通路，把电源、用电器（负载）、控制器件等用导线连接起来可以组成电路。如图2-1所示为简单的直流电路，通常由以下几部分组成。

（1）电源　电源是提供电能的器件，如干电池、蓄电池等。

（2）用电器（负载）　负载是利用电能工作的器件（消耗电能的器件），如灯泡、电阻、电动机。

（3）控制器件　控制器件是控制电路通断和保护电路的器件，如开关、熔断器（保险丝）等。

（4）导线　导线用来连接电路，如铜质导线、铝质导线等。

2.电路模型

在电工电子技术中，为了更方便地分析和研究问题，通常描述电路时，用元器件符号画出的电路图代替实际元器件画出的实物图。使用元器件符号表示元器件且按一定方式连在一起的图称为电路原理图。图2-1（a）所示为实际电路，图2-1（b）为电路原理图。

图2-1　实际电路与电路原理图

3.电路的基本物理量

（1）电流　电荷的定向移动形成电流，电流是指单位时间内通过导体的横截面的电荷量。如果电流随时间变化，用小写字母i表示，即

式中，i为电流，A；dq为通过导体横截面的电荷量，C；dt为时间，s。

如果电流不随时间变化，是恒定的直流，则用大写字母I表示，即

（2）电压　带电体周围存在着电场，电荷在电场中会受到电场力，当电场力使电荷移动时（由a点移动到b点），电场力F就对电荷做了功，单位电荷移动所做的功被称为电压。

如果电压随时间变化，用小写字母u表示，即

式中，uab为a点到b点的电压，V；dWab为正电荷dq由a点移动到b点所做的功，J。

如果电压不随时间变化，是恒定的直流，则用大写字母U表示

（3）电压与电流的方向　电流和电压都存在实际方向，特别是交流电流和电压，其实际方向总是瞬变的。电流的实际方向规定为正电荷移动的方向，电压的实际方向规定为高电势端指向低电势端。为了便于电路分析，可任意选定某一方向作为电流（或电压）的参考方向，当参考方向与实际方向一致时，电流（或电压）取正值，其值大于零，当参考方向与实际方向相反时，电流（或电压）取负值，其值小于零。

电路图中电流（或电压）的参考方向可以用带箭头的直线表示，如Iab表示电流从a指向b，如图2-2（a）和图2-2（b）所示；Uab表示a点为高电势点，b点为低电势点，如图2-2（c）和图2-2（d）所示。

图2-2　电压和电流的参考方向表示

图2-2中，电流（或电压）参考方向选定之后，电流（或电压）值的正与负就决定了电流（或电压）的实际方向。

（4）电位与电动势

①电位　为了便于分析，在恒定电场中选取某一点O为参考点，规定参考点O的电位为0V，即Vo=0。电场力把单位正电荷q从电路中某一点a沿任意路径移动到参考点O，电场力所做的功，称为a点的电位，记为Vao，那么电路中任意一点的电位，就是该点与参考点之间的电压。而电路中任意两点之间的电压，则等于这两点电位之差，即

Uab=Vao-Vbo　　（2-5）

参考点的选择是任意的，因为各点的电位高低是相对于参考点而言的，选取不同的参考点，电场中各点的电位值也就不同（电位可为正值或负值，某点的电位高于参考点，则为正，反之则为负），但是参考点一旦选定后，电场中各点的电位就只能有一个确定的数值。而电压的数值是不随参考点的变化而变化的，一旦a、b两点的位置确定，不管参考点如何变更，a、b两点之间的电压只有一个数值。

②电动势　电动势是一个专门描述电源内部特性的物理量，常用E（或e）表示。由于电场力的作用，正电荷不断地从a极经过导体移动到b极，这样做必然会改变电荷的分布。a极的正电荷数不断减少，电位逐渐下降，而b极不断地得到从a极移来的正电荷，电位不断升高。随着时间的推移，a、b两极之间的电位差将越来越小，它所产生的电场也就越来越弱，一旦a、b两极的电位相等，导体中便不再有电荷的移动。

为了维持导体中电荷源源不断的移动，以产生电流，必须要有一种外力克服电场力的作用从另一途径源源不断地把正电荷从低电位端（b极）移到高电位端（a极），使a极的电位升高，以保持导体中正电荷的不断移动，在电源内部就存在这种外力，称为电源力。电源力把正电荷从低电位端b经过电源内部移动到高电位端a所做的功就称为电源的电动势。

电动势是一个标量，但它和电流一样有规定的方向，即电源内部电动势E的方向规定从低电位端指向高电位端，也就是说，当电动势为正数时，电动势的方向就是电位升高的方向。电动势数值的大小与电源的开路电压相等，单位也是V，因为当电源处于开路状态时，电源中没有电荷的移动，这时电场力与电源力相平衡，电场力和电源力对正电荷做功的能力相等。

（5）电功和电功率

①电功　电功是电流所做的功，电流做功的实质是把电能转换为其他形式的能。电场力推动电荷做功，发生了能量的转换，电源输出的能量消耗在负载上，转换成其他形式的能量，如图2-3所示。

图2-3　电阻消耗能量

在图2-3中，电流I和电压U参考方向一致，在时间t内电荷Q受电场力的作用从A点经负载移到B点，电场力所做的功为：

W=UQ=UIt　　（2-6）

式中，W为电功，J。有时电功也用度（kW·h）表示，1度=1kW·h=3.6×106J。

②电功率　电功率用来表示做功的快慢，电流在1s做的功称为电功率。电功率的表达式为：

式中，P为电功率，W。

③电功率的性质　在电路分析中，有时不仅要计算某元件电功率的大小，还要判断功率的性质，即该元件是输出功率还是消耗功率。电压和电流的参考方向一致时，P=UI；电压和电流的参考方向不一致时，P=-UI，如图2-4（a）、（b）所示。P>0时，表示元件消耗功率，相当于负载；P<0，表示元件输出功率，相当于电源。

图2-4　电流与电压的关系示意图

4.电气设备的额定值

为了保证电气设备在使用年限内安全、可靠的运行，制造厂家给出了设备各项性能指标，对其电流、电压和功率设定了一个限额值，这个限额值就称为电气设备的额定值。电气设备的额定值主要有额定电流IN、额定电压UN和额定功率PN。

（1）额定电流　电气设备长时间运行以致温度达到最高允许温度时的电流，称为额定电流。额定电流用IN表示。

（2）额定电压　为了限制电气设备的电流并考虑绝缘材料的绝缘性能等因素，允许加在电气设备上的电压限值，称为额定电压。额定电压用UN表示。

（3）额定功率　在直流电路中，额定电压与额定电流的乘积就是额定功率，即P=UNIN。额定功率用PN表示。

电气设备的额定值都标在铭牌上，使用时必须遵守。例如，一盏日光灯，标有“220V，40W”的字样，表示该灯在220V电压下使用，消耗功率为40W，若将该灯泡接在380V的电源上，则会因电流过大将灯丝烧毁；反之，若电源电压低于额定电压值，虽然灯泡仍能发光，但灯光比较暗淡。在额定范围内使用，才能保证用电没备的运行安全、可靠、经济、合理，并延长使用寿命。

在额定电压下，当负载的工作电流超过额定电流值时，称为超载或过载。反之，当负载的工作电流低于额定电流值时，称为欠载或轻载。当工作电流等于额定电流值时，称为满载。

5.电路的基本状态

电路在不同的工作条件下会呈现不同的工作状态，也有不同的特点。充分了解电路不同的工作状态和特点对安全用电与正确使用各种类型的电气设备是十分必要的。直流电路的状态包括有载状态、开路状态和短路状态三种。

（1）有载状态　接通电源US（内阻为RO）和负载RL，电路中产生电流I，即电路处于有载状态，如图2-5所示。有载状态的特点是电流在电路中形成闭合回路，负载上有电压和电流，存在功率消耗。

图2-5　电路的有载状态

（2）开路状态　电路中开关K未闭合，电路中没有电流。电路呈现开路状态（或断路状态），如图2-6（a）所示。这时电源两端的端电压Uab（称为开路电压或空载电压）等于电源的电动势，因为没有负载消耗电能，所以电源不能输出功率。开路状态的特点是电路中没有电流，负载上没有电压和电流，不存在功率消耗。

图2-6　电路的开路及短路状态

（3）短路状态　电路中电源的两端a、b由于某种原因被一根导线连接起来，这时电路所呈现的状态称为短路，如图2-6（b）所示。电源短路时，外电路的电阻可视为零，电路中的电流不再流过负载电阻RL，而是通过短路导线ab直接流回电源。因为在电流的回路中只有很小的电源内阻RO，所以这时在电源电压作用下会产生极大的电流，这个电流被称为短路电流IS。

电源短路状态的特点是负载两端的电压为零，电源也不输出功率，电源所产生的电能全部为内阻RO所消耗，并转换成热能，使得电源的温度迅速上升导致损坏。

二、汽车电路的主要部件

汽车上基本回路的构成如图2-7所示。

图2-7　汽车基本回路

一辆汽车包含上千个单独的电路，其中，某些电路非常复杂，但其工作原理基本是一样的，若要构成一个完整的电路，就必须有电源、负载、控制器件和导线等，常见汽车电路组件如图2-8所示。

图2-8　汽车电路组件

三、电路的基本连接

1.电阻的串联

将若干个电阻无分支地依次相连，如图2-9所示，这种连接方式称为电阻的串联。

图2-9　电阻串联及其等效电路

串联电阻电路具有以下特点。

①通过各个电阻的电流相同，即

I=I1=I2=…=In（In表示流过第n个电阻的电流）　　（2-8）

②串联电阻两端的总电压U等于各电阻上电压的代数和，即

③串联电阻电路的总电阻（等效电阻）R等于各电阻值Ri之和，即

④各串联电阻电压与其阻值成正比，即

串联电阻电路的这一特性，称为分压特性。

⑤串联电阻电路消耗的总功率P等于各串联电阻消耗的功率之和，即

2.电阻的并联

将若干电阻首尾端分别连接在两个公共节点之间，如图2-10所示，这种连接方式称为电阻的并联。

图2-10　电阻并联及其等效电路

并联电阻电路具有以下特点。

①各并联电阻的端电压相同，即

U=U1=U2=…=Un（Un表示流过第n个电阻的端电压）　　（2-13）

②流过并联电阻电路的总电流I等于各支路电流的代数和，即

③并联电阻电路的总电阻R的倒数等于各并联电阻倒数之和，即

也可以说，并联电阻电路的总电导G等于各并联电阻电导之和，即

④流过各并联电阻的电流与其阻值成反比，即

并联电阻电路的这一特性，称为分流特性。

对于两个电阻并联的电路，如图2-11所示，其等效电阻为

图2-11　两个电阻并联电路

两个并联电阻上的电流分别为

⑤并联电阻电路消耗的总功率P等于各并联电阻消耗的功率之和，即

由式（2-19）可知，各并联电阻消耗的功率与其阻值成反比。

在实际电路中，负载一般都是并联使用的，它们处于同一电压之下。并联的负载越多，总的负载电阻越小，负载消耗的总功率和电路中的总电流就越大。

3.电容的串联

把两个或两个以上的电容连接成一串，使电荷分布到每个电容的极板上，这种连接方式称为电容的串联，如图2-12所示，多个电容构成的串联电路，也可以用一个等效电容来代替。

图2-12　电容的串联及其等效电路

电容串联时，总电容量C与各电容之间的关系为

4.电容的并联

把两个或两个以上的电容并列地连接在两点之间，使每一电容两端承受电压相同的连接方式称为电容的并联，如图2-13所示。多个电容构成的并联电路，也可以用一个等效电容来代替。

图2-13　电容的并联及其等效电路

电容并联时，总电容量C与各电容之间的关系为

C=C1+C2+C3　　（2-21）

5.电感的串联

把两个或两个以上的电感连接成一串，这种连接方式为电感的串联，如图2-14所示。多个电感构成的串联电路，也可以用一个等效电感来代替。

图2-14　电感的串联及其等效电路

若有两个电感相串联，则其等效电感为

L=L1+L2　　（2-22）

6.电感的并联

把两个或两个以上的电感并列地连接在两点之间，使每一电感两端承受电压相同的连接方式称为电感的并联，如图2-15所示。多个电感构成的并联电路，也可以用一个等效电感来代替。两个电感相并联，则其等效电感为

图2-15　电感的并联及其等效电路

7.电池的串并联

在实际应用中，常常需要有较高的电压或较大的电流，也就需要把几个相同的电池连在一起使用，连在一起使用的几个电池称为电池组。电池的基本接法有串联和并联两种。

（1）电池的串联　把第一个电池的正极和第二个电池的负极相连接，再把第二个电池的正极和第三个电池的负极相连接，像这样依次连接起来，就组成了串联电池组，如图2-16所示。第一个电池的正极就是电池组的正极，最后一个电池的负极就是电池组的负极。

图2-16　串联电池组

设串联电池组由n个电动势都是E、内电阻都是RO的电池组成，则整个电池组的电动势为

E串=nE　　（2-24）

由于电池是串联的，电池的内电阻也是串联的，因此，串联电池组的内电阻为

RO串=nRO　　（2-25）

所以，串联电池组的电动势等于各个电池电动势之和，其内电阻等于各个电池内电阻之和。

（2）电池的并联　把电动势相同的电池的正极和正极相连接，负极和负极相连接，就组成了并联电池组，如图2-17所示。并联在一起的正极是电池组的正极，并联在一起的负极是电池组的负极。

图2-17　并联电池组

设并联电池组由n个电动势都是E、内电阻都是RO的电池组成，则并联电池组的电动势为

E并=E　　（2-26）

由于电池是并联的，电池的内电阻也是并联的，因此，并联电池组的内电阻为

所以并联电池组的电动势等于一个电池的电动势，其内电阻等于一个电池内电阻的n分之一。

四、欧姆定律

1.部分电路欧姆定律

线性电阻R两端所加的电压U与其通过的电流I成正比。如图2-18所示，可以表示为：

图2-18　部分电路

如果在电路的某一支路中不但有电阻元件，而且有电源，如图2-19所示，可先设定有关电压、电流的参考方向，再列出a、b两点之间的电压方程为

图2-19　含有电源的支路

Uab=R1I+E1+R2I-E2　　（2-29）

式中，当端电压U与电流I方向一致时，端电压取“+”，反之取“-”；当电动势E与电流I的参考方向一致时，电动势取“+”，反之取“-”。

2.全电路欧姆定律

一个包含电源、负载在内的闭合电路称为全电路，电源的内部一般都是有电阻的，这个电阻称为电源的内电阻，用RO表示。开关S闭合时，负载RL上就有电流通过，如图2-20所示，电流大小为：I=。

例2-1　如图2-20所示，已知电源US=5V，内阻RO=1Ω，外接负载RL=4Ω，试计算开关S断开与闭合两种情况下的电压Uab和Ucd。

图2-20　全电路

解：（1）开关S断开时，电流I=0，根据欧姆定律，RO和RL上的电压为0V，可得到

Uab=5V，Ucd=0V

（2）开关S闭合时，根据欧姆定律可得到：

Uab=Ucd=IRL=1×4V=4V

五、基尔霍夫定律

基尔霍夫定律是分析和计算电路的基本定律之一。它指出了当电路结构确定后，电路中流入任意节点的电流之间的关系以及回路电压之间的关系。

基尔霍夫定律包含基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL）。基尔霍夫定律既适用于线性直流电路、交流电路，也适用于非线性电路。为了更好地掌握该定律，先解释几个有关的名词术语。

1.名词术语

（1）支路。支路就是电路中没有分支的一段电路，由若干元件串联组成。含有电源元件的支路称为有源支路；不含电源元件的支路称为无源支路。如图2-21所示，有abc、ac、adc3条支路。其中ac为无源支路，abc和adc为有源支路。

图2-21　电路名词示意图

（2）节点。电路中3条或3条以上支路的交汇点称为节点。如图2-21所示，a、c是节点。

（3）回路。电路中任一闭合的路径称为回路。如图2-21所示，有abca、abcda和acda3个回路。

（4）网孔。除组成回路的支路外，内部不含有其他支路的回路，称为网孔。如图2-21所示，有abca和acda两个网孔。

2.基尔霍夫电流定律（KCL）

基尔霍夫电流定律简称KCL，它是确定电路中节点处各支路电流之间关系的定律。KCL可表述为：任一瞬间，流入一个节点的电流总和等于从该节点流出的电流总和。对图2-21电路中的节点a，由KCL可得

I1+I2=I3　　（2-30）

或　　I1+I2-I3=0　　（2-31）

其一般形式可写成

∑I=0　　（2-32）

上式指出，任一时刻，电路中节点处电流的代数和为零。如果设定流入节点的电流取正号，则从节点流出的电流就取负号。

基尔霍夫电流定律的物理本质就是电荷守恒定理，它反映出电流的连续性。电荷在电路中流动，在任何一个点（包括节点）上既不会消失，也不会堆积，体现了电荷的守恒。

式（2-32）称为基尔霍夫电流方程或节点电流方程。必须注意的是，在应用KCL时，应首先在电路图上设定电流的参考方向。

KCL不仅适用于电路中的节点，也可推广应用到电路中任意假设的封闭面。例如图2-22所示电路，用虚线框对三角形电路做一封闭面，根据图2-22上各电流的参考方向，对电路中A、B和C3个节点应用KCL时，则有

图2-22　KCL定律示例电路

IA+ICA-IAB=0

IB+IAB-IBC=0

IC+IBC-ICA=0

将上列3式相加可得

IA+IB+IC=0　　（2-33）

可见，KCL推广到电路中任意假设的封闭面应用时，仍是正确的。要注意的是，当应用KCL时会遇到两套正、负号问题：一套是电流变量前的运算符号的选择，它取决于电流变量的参考方向与节点的关系（流入取正、流出取负或相反）；另一套是电流值的正、负，它取决于参考方向和实际方向的关系。因此，KCL方程式中的变量是代数量。

3.基尔霍夫电压定律（KVL）

基尔霍夫电压定律指出，在任一时刻，沿电路中任一闭合回路，各段电压降的代数和等于零，即

∑U=0　　（2-34）

在应用KVL列写方程式之前，同样应首先对电路中各支路设定电流的参考方向及元件两端电压的参考方向，其次再任意选定一个回路的绕行方向。电压的参考方向与绕行方向一致时，则此电压前取正号；电压的参考方向与绕行方向相反时，该电压前取负号。图2-23为电路中某一回路，电流、电压的参考方向及绕行方向在图2-23上已标出。按图2-23中设定的方向，根据KVL可列出

图2-23　KVL定律示例电路一

UAB+UBC+UCD-UAD=0　　（2-35）

式中，各支路电压值本身又是可正可负的，即式中也有两套正、负号问题。运算符号的正、负取决于电压参考方向和绕行方向的关系；电压值的正、负取决于电压参考方向与实际方向是否一致。

上式又可改写成：UAB+UBC=UAD-UCD　　（2-36）

或　UAB+UBC=UAD+UDC（因为UDC=-UCD）　　（2-37）

可以看出，两节点间各支路电压是相等的。基尔霍夫电压定律反映了电压与路径无关的性质。

如果各支路是由电阻元件和电源电动势所组成，那么运用欧姆定律可改写KVL的表达形式。对于图2-23的回路，则有UAB=R1I1，UBC=R2I2，UCD=-R3I3+E1，UAD=R4I4+E2，把它们代入前式中，经整理后可得

R1I1+R2I2-R3I3-R4I4=-E1+E2　　（2-38）

或　　∑（RI）=∑E　　（2-39）

就是说任一回路内，电阻上电压降的代数和等于电动势的代数和。其中，电流参考方向与回路绕行方向一致者，电压降取正号，如R1I1；相反者，则取负号，如-R3I3；电动势的参考方向与回路绕行方向一致者，前面取正号，如E1；相反者，前面取负号，如-E2。式（2-39）是基尔霍夫电压定律的另一种表达式，它只适用于电阻电路。

基尔霍夫电压定律还可以推广应用于开口电路。如图2-24所示电路不是闭合回路，但在电路A、B开口端存在电压UAB，可以假想它是一个闭合回路，如按顺时针（或逆时针）绕行方向循此开口电路一周，根据KVL则有