第一章　了解汽车电路

第一节　汽车电路基础

一 电的基本理论

所有的物质都由原子组成，原子又由原子核和电子组成。金属原子中含有自由电子，金属原子内自由电子的流动即产生电流。因此，电路内的电流只不过是电子在导体中运动。

如图1-1所示，在金属（导体）两端施加电压时，电子便从负极流向正极。电子流向与电流方向相反。电压、电流、电阻是电的三大要素，电压是电子流过导体（电路）形成电流的动力，而电阻就是电子移动过程中遇到的阻力。要说明的是，只有在封闭的电气回路中才能形成电流。

图1-1　电的三大要素

1 电压

电压是指电路中两点之间的电位差，电压是使电子流过一个导体的压力（电动势）。可以将电压与水塔中所形成的水压进行比较，来说明这个原理。水塔顶部（相当于12V）与底部或地面（相当于0V）之间的势差导致形成水压，水的流动是因为有水压（水位差）。如图1-2所示，水由高水位向低水位流动。在电路中，由于有电压（电位差）的存在，电流就会从高电位点流向低电位点，两点间就好像有一种力量存在，这种力称为电压。

图1-2　电压与水压的关系

1V的电压为通过1Ω的电阻产生1A的电流所需的电位差。

电压分为直流电压和交流电压。如果电压的大小和方向都不随时间变化，则称为稳恒电压或恒定电压，简称直流电压，用大写字母U表示。如果电压的大小和方向随时间周期性变化，则称为交流电压。

电压的方向规定为从高电位指向低电位。电压的单位为伏特（V），常用的单位还有千伏（kV）、毫伏（mV）。它们之间的关系是1kV=1000V，1V=1000mV。

2 电流

单位时间内通过导体任一横截面的电量称为电流强度，简称电流。以安培（A）来计量电流，1A表示有6.28×1018个电子在1s内流过导体。

以水塔为例，可以将电流与从水塔流到水龙头的水流进行比较。电压是正极端子与负极端子之间的电势差。那么，水从水塔到地面的实际流动就类似于电流的流动。只有在电压的作用下才会产生电流。

汽车中所有电力电气图和原理图都使用传统理论来标明电流的方向。

3 电阻

物质对电流的阻碍作用称为该物质的电阻。电阻小的物质称为电导体，简称导体。电阻大的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。

导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体，一般具有不同的电阻。电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件。

并非所有的电阻都是一种负面的影响。在普通的照明电路中，灯泡本身就是利用电阻原理来发光的。灯丝的阻力限制电流的流动，进而使发光点升温，发光。一个电路中的无用电阻会消耗电流，使负荷增加，从而导致设备的不良运行或停止运转。

一个电路中的电阻越大，电流就越小。如图1-3所示，电阻就像水管中的缩颈一样。影响电阻的三个因素是温度以及导线的长度和直径。

导体的电阻通常用字母R表示，电阻的单位是欧姆（Ω），1Ω=1V/A。比较大的单位有千欧（kΩ）、兆欧（MΩ）。

它们之间的关系是1MΩ=1000kΩ，1kΩ=1000Ω。

图1-3　电阻与水管中阻力的比较

4 欧姆定律

前面讲了电的三要素，即电流、电压、电阻，它们之间有着某种特定的关系，这种关系就是欧姆定律。在同一电路中，导体中的电流与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比，这就是欧姆定律。

电压、电流和电阻之间的关系可以用图1-4的水流来说明。

图1-4　电压、电流和电阻之间的关系

如图1-5所示，增加水箱中水的容量（水压）可增加水轮的速度。减小闸门的开度阻止水流，便减慢水轮的速度。因此，调节水压及闸门开度便可以将水轮控制在设定的速度运行。

图1-5　调节水流（电流）的方法

同样，在电路中，改变电阻及电压，可以对电路中各设备分配不同的做功量。

电流与所施加的电压成正比，而与一个基本电路中的电阻成反比。使用以下公式，可以描述欧姆定律，以说明电压（E表示电动势）、电流（I表示电流强度）和电阻（R）之间的关系。

E = IR

式中 E——电压，V；

R——电阻，Ω；

I——电流，A。

利用图1-6所示的欧姆定律环图是记忆欧姆定律的一种简易方法。水平线表示“除”，垂直线表示“乘”，遮住所要确定数值的字母。

图1-6　欧姆定律环图

例如，要确定：电阻，遮住R，所得到的公式为E/I；电压，遮住E。所得到的公式为IR；电流，遮住I，所得到的公式为E/R。

二 电路的组成

电路就是电流所流经的路径。一辆车包含上千个单独的电路，其中某些电路非常复杂，但其工作原理都是相同的。若要构成一个完整的电路，就必须有电源、导体、负载和地线。绝大多数的汽车电路均包括：电源（蓄电池或发电机）；导体（导线或电缆）；接地通路（车底盘与蓄电池接地电缆）；负载（灯泡或电动机）；保护装置（熔丝或断路器）；控制装置（开关或继电器）。

无论电路构成组件的数量有多少，或其位置如何，电流总是在一个完整回路中流动。在汽车电路中，电流从电源出发经负载后回到地线。图1-7显示了一个标准汽车电路的电流通路。

图1-7　标准汽车电路的电流通路

1—电源；2—导体；3—熔丝；4—开关；5—负载；6—底盘地线

三 电路基本连接方法

1 串联

串联就是将所有的负载（电阻）连接成一个通路，如图1-8所示。它的特点是各负载中通过的电流相等。串联电路的总电阻等于各电阻之和。在电源串联电路中，电源总电压等于各蓄电池电压之和。在柴油车的电源供应上，通常用两个12V蓄电池串联得到24V电压。

图1-8　串联电路示意图

在串联电路中，只有一条路径供电流通过。电流通过各负荷后经接地回到蓄电池。由于串联电路中只有一条电流通路，电路中任何一处断开都会使电流中断。

一个完整电路中的组件或负载必须消耗一定量的电压才能工作。电压降意为当其经过负载时而消耗掉的电压。只有在电流流动的情况下，才会出现电压降。如图1-9所示，在一个简单的灯泡电路上，电压经过灯泡出现压降，而使灯泡发光。如果还串联着其他负载或灯泡，则经过每个负载装置的电压降会成正比下降。

图1-9　串联电路的电压降

2 并联

将几个负载的一端和另一端分别与电源相连组成的电路，称为并联电路。如图1-10所示，并联电路是具有多个电流流动通路的电路。在并联电路中，总电阻R低于最小电阻支路的电阻。

图1-10　并联电路示意图

如图1-11所示，在并联电路中，每个支路都具有电源电压。增加支路不会降低工作电压。换言之，并联电路的每个支路均相当于一个独立的串联电路。

图1-11　并联电路的电压、电流

绝大多数汽车电路为并联电路。并联电路的一大优点是：如果其中一个负载或支路出现较大的电阻，则其他支路仍然会正常工作。

在并联电路中，增加更多的支路将增加总电流量，因为有多条通路供电流流过。并联电路的这个特性说明了为什么安装非原厂的装置会导致出现问题。不适当地将这些装置（大功率音响设备、报警器）等接入现有电路将会导致增加电流量，以致熔丝熔断。

四 电的三大效应

汽车上安装有很多电器，这些电器提供各种功能。电器根据使用目的，将电能转化为其他功。电流通过汽车电器时，产生某种或多种电效应以满足使用需求，这些效应包括热效应、光效应、磁效应。

1 热效应

当电流通过电阻时，电流做功而消耗电能，产生了热量，这种现象称为电流的热效应。实践证明，电流通过导体所产生的热量和电流的平方、导体本身的电阻以及电流通过的时间成正比，用公式表示如下：

Q = I2Rt

式中 I——通过导体的电流，A；

R——导体的电阻，Ω；

t——电流通过导体的时间，s；

Q——电流在电阻上产生的热量，J。

利用电流的热效应可以为人类的生产和生活服务，如电流通过灯泡时，灯丝就要发热发光，汽车进气预热、后视镜加热（图1-12）、电动座椅加热、后风窗加热等就是利用了这种效应。

图1-12　后视镜加热示意图

2 光效应

当电流经过电阻或光电部件时，电阻或光电部件会发光，这就是电的光效应。光效应在汽车电器中的应用广泛，如汽车前大灯（图1-13）、内部照明灯、转向信号灯、二极管指示灯等。

当电流流过灯泡电阻丝时，灯泡会发光。如果无灯光，汽车将无法在夜间行驶。

图1-13　汽车灯光及电路示意图

3 磁效应

当电流经过导体或线圈时，导体或线圈周围空间会产生电磁场。

如图1-14所示，把通有电流的导线置于指南针（磁针）上方，当导线与指南针近于平行时，指南针就会运动。这是因为任何通过电流的导体其周边都是一个磁场，通电导线周围产生的磁力线对指南针产生了作用。把这种作用称为电流的磁效应。

汽车上的喇叭、继电器、点火线圈、起动机、喷油器及各种电磁阀等就是利用了电流的磁效应。

继电器和电磁阀是电流磁效应的典型应用。图1-15所示为继电器工作原理，一个较小的电流流过绕在铁芯上的电磁线圈，产生电磁吸力使电路触点闭合。然后，接触点便可能接通大电流到用电器（负载），即以小电流控制大电流。

图1-14　电流的磁效应

图1-15　继电器工作原理

五 电产生的基本原理

1 电磁感应

如图1-16所示，当导体或线圈在磁场中运动，切割磁力线时，导体或线圈内就会产生电压。磁场强度改变时，导体或线圈内也会产生电压。该过程称为电磁感应，产生的电压称为感应电压。

图1-16　电磁感应产生感应电压

感应电压的大小取决于磁场强度、导体或线圈在磁场中的移动速度、线圈的圈数。

在汽车的电气系统中，这个原理用于电磁感应式传感器、点火线圈和发电机等。在交流发电机中，磁体在静止导体内旋转，这样磁力线就穿过导体。被称为定子的静止导体中就会产生感应电压，旋转的磁体称为转子。

2 自感效应

线圈因本身电流变化而引起的电磁感应现象称为自感。当线圈（或线圈绕组）中的电流发生变化时，由于磁场的变化，通过线圈自身的磁通量也随之变化，于是线圈自身便出现感应电动势，称为自感电动势。

如图1-17（a）所示，当开关闭合或打开时，线圈的磁力线会有所改变。如图1-17（b）所示，磁铁作进、出线圈运动，也能产生磁力线的变化。运动磁铁可以产生电动势，这种电动势的产生无需考虑线圈有无电流流过。由于线圈的电流流动或停止引起磁通量的变化，而磁通量的变化又在该线圈中产生一个电动势。

图1-17　自感效应示意图

3 互感效应

两个线圈如图1-18所示排列，当通过一个线圈（初级线圈）的电流改变时，那么在另一个线圈（次级线圈）会产生感应电动势，在方向上它阻止第一个线圈的磁通的变化。这种现象称为互感效应。

当其中一个线圈有断续的电流通过时，铁芯中的磁力线就会随着电流的通、断而产生或消失。但变化的磁力线同样穿过另一个线圈，于是穿过次级线圈的磁通量不断变化。根据电磁感应原理，次级线圈上会产生感应电动势。

图1-18　互感效应示意图

在发生互感现象的过程中，把通有电流的线圈称为初级线圈，因互感作用产生感应电压的线圈称为次级线圈。次级线圈与初级线圈匝数之比越大，当初级线圈通过电流时，次级线圈上的感应电压就越高。如图1-19所示，汽车发动机上的点火线圈就是利用这一原理制成的，发动机的点火系统控制初级线圈充电与断开，在次级线圈上感应出很高的点火电压，达到上万伏。虽然初级线圈的充电电压只有12V，但次级线圈与初级线圈的匝数比很大，因此能产生点火高压。

图1-19　点火线圈及电路原理