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1、汽车电工电子基础汽车电工电子基础张张 军军 主编主编目录目录 直流电路直流电路1正弦交流电路正弦交流电路2三相交流电路三相交流电路3电磁学的应用电磁学的应用4发电机与电动机发电机与电动机5安全用电安全用电6半导体二极管半导体二极管7晶体管的应用晶体管的应用8 集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用9 数字电路基础数字电路基础10 第第1章章 直流电路直流电路汽车工程学院汽车工程学院知识目标知识目标 1.电路的组成及各个部分的作用电路的组成及各个部分的作用 2.能够应用基尔霍夫定律进行复杂电路计算能够应用基尔霍夫定律进行复杂电路计算l能力目标能力目标 1.能用万用表测量电路中电阻、电压及电
2、流值能用万用表测量电路中电阻、电压及电流值 2.解决直流电路中的连结问题解决直流电路中的连结问题电路及其组成电路及其组成 1电压源与电流源的等效变化电压源与电流源的等效变化 2电路分析计算电路分析计算3电路的暂态分析电路的暂态分析 4直流电路直流电路直流电路直流电路电路及其组成电路及其组成电路是电流的通路，它是为了实现电路是电流的通路，它是为了实现某种功能某种功能，由各种电气设备和器，由各种电气设备和器件，按件，按一定方式一定方式互相连接的电流通路。互相连接的电流通路。导线导线电阻电阻电源电源电路主要物理量电路主要物理量电流电流电压电压电位和电动势电位和电动势弱电电路弱电电路弱电电路弱电电路C
3、ommunal Voice电流电流电流电流定义定义所谓电流就是单位时间内通过导体某一横截面的电荷量。所谓电流就是单位时间内通过导体某一横截面的电荷量。i= dq/ dtI=Q/t直流直流 在国际单位制（在国际单位制（SI)中，规定电流的单位是安培（中，规定电流的单位是安培（A）。）。电流方向电流方向 1. 实际方向实际方向 习惯上规定正电荷移动的方向或者负电荷移动的反方向为习惯上规定正电荷移动的方向或者负电荷移动的反方向为电流的方向（实际方向）电流的方向（实际方向）.如下图如下图 所示的电流。所示的电流。 2. 参考方向参考方向 电流参考方向是假定的电流流向。电流参考方向是假定的电流流向。 当
4、电流参考方向与实际方向一致时，电流为正值。当电流参考方向与实际方向一致时，电流为正值。 当电流参考方向与实际方向相反时，电流为负值。当电流参考方向与实际方向相反时，电流为负值。 如下图如下图 在电路中，如果设正电荷由在电路中，如果设正电荷由A点移动到点移动到B点时电场力所做的功点时电场力所做的功为为dw，则，则A、B两点间的电压为两点间的电压为 UAB=dw/dq U=W/Q 在国际单位制种，电压的单位是伏特（在国际单位制种，电压的单位是伏特（V）。）。 电压电压电压电压定义定义直流电路直流电路方向一致，方向一致，U0方向不一致，方向不一致，U100mAOCBW1W2W3电位定义电位定义电位定
5、义电位定义电位定义电位定义 电场力把单位正电荷从电路中某点移动到参考点所做的功，用电场力把单位正电荷从电路中某点移动到参考点所做的功，用大写字母大写字母V表示表示 。 参考点参考点 在电路中选定某一点在电路中选定某一点A为电位参考点，就是规定该点的电位为零为电位参考点，就是规定该点的电位为零 结论结论 1）电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中各点的电）电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中各点的电位也将随之改变位也将随之改变 2）电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同）电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而变，即与零电位参考点的选取无关而变，即与零电位参考点的选取无
6、关 定义定义在数值上，等于非静电力将单位正电荷从电源的负极通过电源内部在数值上，等于非静电力将单位正电荷从电源的负极通过电源内部移送到正极时所做的功移送到正极时所做的功电动势用字母电动势用字母E来表示，单位也是伏特（来表示，单位也是伏特（V）方向方向 在电源内部由低电位指向高电位端在电源内部由低电位指向高电位端电动势电动势电动势电动势l电源电源l中间环节中间环节l负载负载供应电能的设备，供应电能的设备，它能将非电形式它能将非电形式的能量，如机械的能量，如机械能、化学能转换能、化学能转换电能。电能。电源电源电源电源导线导线导线导线导线的面积导线的面积导线标称截面是经过换算的线心截面积，而不是实际
7、几何面积。导线标称截面是经过换算的线心截面积，而不是实际几何面积。汽车常用的导线汽车常用的导线 1低压导线低压导线2 2高压导线高压导线在汽车点火线圈至火花塞之间的电路使用高压点火线，简称在汽车点火线圈至火花塞之间的电路使用高压点火线，简称高压线。高压线。 标称截面积标称截面积/mm/mm2 2用用 途途0.50.5尾灯、顶灯、指示灯、仪表灯、牌照灯、刮水器、时钟、燃油尾灯、顶灯、指示灯、仪表灯、牌照灯、刮水器、时钟、燃油表、水温表、油压表等电路表、水温表、油压表等电路0.80.8转向灯、制动灯、停车灯、断电器等电路转向灯、制动灯、停车灯、断电器等电路1.01.0前照灯、电喇叭（前照灯、电喇叭
8、（3 A3 A以下）电路以下）电路1.51.5前照灯、电喇叭（前照灯、电喇叭（3 A3 A以上）电路以上）电路1.51.54.04.0其它其它5 A5 A以上电路以上电路4 46 6柴油车电热塞电路柴油车电热塞电路6 62525电源电路电源电路16169595起动电路起动电路导线颜色导线颜色 负载负载负载负载电容电容电感电感电阻电阻负载负载负载负载负载负载负载负载 电阻元件是反映电流热效应这一物理现象的理想电路元件。电阻元件是反映电流热效应这一物理现象的理想电路元件。用字母用字母R表示。表示。 u=Ri电阻电阻电阻电阻定义定义 在关联参考方向下，若在关联参考方向下，若R=u/i为常数，也称其为
9、线性电阻，其伏为常数，也称其为线性电阻，其伏安特性曲线如下图安特性曲线如下图 特性曲线特性曲线电阻型号命名方法电阻型号命名方法 按阻值分：固定电阻，可变电阻按阻值分：固定电阻，可变电阻 按材料分：碳膜电阻按材料分：碳膜电阻 ，金属膜电阻，线绕电阻，金属膜电阻，线绕电阻 按功率分：按功率分：1/16W, 1/8W等额定功率的电阻等额定功率的电阻 按精确度分：按精确度分： 等普通电阻，等普通电阻， 等精密电阻等精密电阻 分类分类 1）直标法）直标法 ：电阻值直接用数字与字母印在电阻上：电阻值直接用数字与字母印在电阻上 举例：举例：3 3 I 表示表示3.3 2）色标法）色标法 ：将不同颜色的色环涂
10、在电阻上来表示电阻的标称值：将不同颜色的色环涂在电阻上来表示电阻的标称值 及误差。及误差。 3）文字标号法：例）文字标号法：例3 M3 K表示表示3.3M电阻值的标识电阻值的标识电容元件是反映存储电荷产生电场，储存电场能量这一物理现电容元件是反映存储电荷产生电场，储存电场能量这一物理现象的理想电路元件。实际的电容器通常由两块金属板中间介质象的理想电路元件。实际的电容器通常由两块金属板中间介质构成。构成。 电容器极板上储存的电荷量电容器极板上储存的电荷量q与外加电压与外加电压u成正比，即：成正比，即： 式中式中C-电容，是表征电容元件的参数，在国际单位制中电容单电容，是表征电容元件的参数，在国际
11、单位制中电容单位是法拉位是法拉(F) . 电容电容电容电容在下在下 中中电容上的电压与电流去关联参考方向时，有电容上的电压与电流去关联参考方向时，有 电容元件储存的电场能量为：电容元件储存的电场能量为： 电容分类电容分类 按电容值分：固定电容器，可调电容器按电容值分：固定电容器，可调电容器 按介质分按介质分:纸介电容器，金属化纸介电容器，有机薄膜介质纸介电容器，金属化纸介电容器，有机薄膜介质电容器，瓷介电容器，云母电容器，电解电容器。电容器，瓷介电容器，云母电容器，电解电容器。电容型号命名方法电容型号命名方法 电容型号命名方法与电阻型号命名相似电容型号命名方法与电阻型号命名相似 电容额定电压电
12、容额定电压 电容额定直流工作电压指在线路上能够长期可靠地工作而电容额定直流工作电压指在线路上能够长期可靠地工作而不被击穿时所能承受的最大直流电压（又称耐压）。如果不被击穿时所能承受的最大直流电压（又称耐压）。如果电容器用在交流电路里，则应注意所加的交流电压的最大电容器用在交流电路里，则应注意所加的交流电压的最大值（峰值）不能超过额定直流工作电压值（峰值）不能超过额定直流工作电压 定义定义 电感元件是反映电流周围存在磁场，储存磁场能量这一物电感元件是反映电流周围存在磁场，储存磁场能量这一物理现象的理想电路元件，其相当于一个电阻为零的线圈。理现象的理想电路元件，其相当于一个电阻为零的线圈。 忽略导
13、线电阻及线圈匝与匝之间的电容时，电感上的磁链忽略导线电阻及线圈匝与匝之间的电容时，电感上的磁链与电流成正比，即：与电流成正比，即： 式中：式中：L电感，是表征电感元件的特征参数。在国际单位制电感，是表征电感元件的特征参数。在国际单位制 中，电感的单位为亨利（中，电感的单位为亨利（H）。）。电感电感电感电感 如下图如下图 当电压、电流和电动势的参考方向一致，则有：当电压、电流和电动势的参考方向一致，则有： 电感元件中储存的磁场能量为：电感元件中储存的磁场能量为： 上式说明，电感元件在某时刻储存的磁场能量，只与该时刻流上式说明，电感元件在某时刻储存的磁场能量，只与该时刻流过过 的电流的平方成正比，
14、与电压无关。电感元件不消耗能量，的电流的平方成正比，与电压无关。电感元件不消耗能量，是储是储 能元件。能元件。 电磁感应电磁感应右手定则右手定则 用右手握线圈，手指沿着电流流动的方向，大拇指便用右手握线圈，手指沿着电流流动的方向，大拇指便指向指向N极。极。 电阻式温度传感器的一种，分正温度系数热敏电阻与负温度系数电阻式温度传感器的一种，分正温度系数热敏电阻与负温度系数热敏电阻两种。热敏电阻两种。 热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻例：冷却水温度传感器例：冷却水温度传感器 ：其特性曲线如下图：其特性曲线如下图 电压源与电流源的等效变换电压源与电流源的等效变换电压源电压源一个直流稳压电源在一定的电流
15、范围内，具有很小的内阻。常将它一个直流稳压电源在一定的电流范围内，具有很小的内阻。常将它视为一个理想的电压源，即其输出电压不随负载电流而变。视为一个理想的电压源，即其输出电压不随负载电流而变。定义定义USui0伏安特性曲线伏安特性曲线 1.端电压始终恒定，等于直流电压端电压始终恒定，等于直流电压 。特点特点2.输出电流是任意的，即随负载（外电路）输出电流是任意的，即随负载（外电路） 的改变而的改变而改变。改变。电路符号电路符号USus+_IR5VRLUSUO+_+_电路电路理想电压源理想电压源IRUS实际电压源实际电压源USui0U = US -IR0其实其实，理想电压源也不存在。理想电压源也
16、不存在。电流源电流源定义定义一个恒流源在实用中，在一定的电压范围内，可视为一个理想的一个恒流源在实用中，在一定的电压范围内，可视为一个理想的电流源，即其输出电流不随负载两端的电压（亦即负载的电阻值）电流源，即其输出电流不随负载两端的电压（亦即负载的电阻值）而变。而变。ISui0伏安特性曲线伏安特性曲线特点特点1.输出电流恒定不变输出电流恒定不变2.端电压是任意的端电压是任意的,即随负载不同而不同即随负载不同而不同电路符号电路符号iSUIR1AI I = = I IS S- -I IR R0 0第1章R0IR0Isba-+UIOUIIS电路电路实际电流源产生实际电流源产生由稳流电子设备产生，有些
17、电子器件输出具备电流源特性，如由稳流电子设备产生，有些电子器件输出具备电流源特性，如晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线照射下光晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的电流等。电池被激发产生一定值的电流等。等效变换等效变换电压源电压源电流源电流源U = Us IR0U = IR0RIRO= ( Is I ) R= Is R I RRRR=R0说明说明1）电压源模型与电流源模型互换前后电流的方向保持不变，）电压源模型与电流源模型互换前后电流的方向保持不变， 即即IS和和Us方向一致。方向一致。2）所谓）所谓“等效等效”是指是指“对外电路对外电路”等效
18、（即对外电路的等效（即对外电路的伏伏 安特性一致），对于电源内部并不一定等效。安特性一致），对于电源内部并不一定等效。 支路：电路中每一个含有电路元件的分支，同一支路上流过的电支路：电路中每一个含有电路元件的分支，同一支路上流过的电 流相同，即支路电流。流相同，即支路电流。 回路：电路中任意闭合的路径，回路有顺时针和逆时针两个方回路：电路中任意闭合的路径，回路有顺时针和逆时针两个方 向，可以用箭头表示回路的方向。向，可以用箭头表示回路的方向。 节点：电路中三条或三条以上支路的连接点称为节点。节点：电路中三条或三条以上支路的连接点称为节点。电路分析与计算电路分析与计算基尔霍夫定律分为电流定律和电
19、压定律，是分析电路的重要基础。基尔霍夫定律分为电流定律和电压定律，是分析电路的重要基础。基尔霍夫电流定律（基尔霍夫电流定律（Kirchhoffs Current Law,简写成简写成KCL）描述了联接在同一节点上的各支路电流之间的约束关系，反描述了联接在同一节点上的各支路电流之间的约束关系，反映了电流的连续性，即：映了电流的连续性，即： 也就是说在任一瞬间，流入任一节点的电流之和必等于流也就是说在任一瞬间，流入任一节点的电流之和必等于流出该节点的电流之和。出该节点的电流之和。 基尔霍夫电流定律（基尔霍夫电流定律（KCL）对于节点对于节点a ，应用，应用kcl有：有： I1+I2=I3 I1+I
20、2-I3=0 I=0 I1I3I2因此，因此，基尔霍夫电流定律也可叙述为：在任一瞬时，电路中流入任基尔霍夫电流定律也可叙述为：在任一瞬时，电路中流入任一节点的所有电流的代数和等于零一节点的所有电流的代数和等于零。流入节点流入节点时时取正号，流出节取正号，流出节点点时时取负号。取负号。 流出时，电流符号则相反。流出时，电流符号则相反。 例例1： 在图中，在图中，I1=5A,I2=-2A，求，求I3I1I2I3解：根据图示的电流参考方向，应用基尔霍夫电流定律有解：根据图示的电流参考方向，应用基尔霍夫电流定律有 I1+I2=I3 I3=I1+I2 =5+（-2） =3A 基尔霍夫电压定律（基尔霍夫电
21、压定律（Kirchhoffs Voltage Law简写为简写为KVL）描）描述了闭合回路中各支路电压之间的关系。基尔霍夫电压定律指出在述了闭合回路中各支路电压之间的关系。基尔霍夫电压定律指出在任一瞬时，沿闭合回路绕行一周，在绕行方向上的电位升之和必等任一瞬时，沿闭合回路绕行一周，在绕行方向上的电位升之和必等于电位降之和。于电位降之和。 基尔霍夫电压定律（基尔霍夫电压定律（KVL）如图所示，应用如图所示，应用kvl有：有： U1+U4=U2+U3 U1-U2-U3+U4=0 U=0 因此，因此，KVL也可以描述为也可以描述为:在任一瞬时，沿任一闭合回路绕行在任一瞬时，沿任一闭合回路绕行一周，回
22、路中各部分电压的代数和恒等于零。若一周，回路中各部分电压的代数和恒等于零。若电位升取正号电位升取正号，则则电位降就电位降就取取负号负号 例例1： 有一闭合回路如图有一闭合回路如图 所示，已知所示，已知U1=15V，U2=-4V，U3=8V， 试求电压试求电压U4和和UAC。 解：解：沿沿ABCDA回路，根据各电压的参考方向，应用基尔霍夫电回路，根据各电压的参考方向，应用基尔霍夫电压定律得：压定律得：沿沿ACBA回路，应用基尔霍夫电回路，应用基尔霍夫电压定律可列出：压定律可列出： 例例2: 如图所示有源支路，已知如图所示有源支路，已知E=12V，U=8V,R=5 ，求电流。，求电流。 解：解：
23、沿闭合回路顺时针方向绕行一周，应用基尔霍夫电压定律，沿闭合回路顺时针方向绕行一周，应用基尔霍夫电压定律，有：有：电流是负值，即其实际方向与图示参考方向相反。电流是负值，即其实际方向与图示参考方向相反。分析计算方法：支路电流法，回路电流法，节点电位法，分析计算方法：支路电流法，回路电流法，节点电位法， 支路电流法：以支路电流为未知量，应用基尔霍夫两个支路电流法：以支路电流为未知量，应用基尔霍夫两个定律，列出所需方程，从而求出未知量。定律，列出所需方程，从而求出未知量。基尔霍夫定律在电路分析计算中的应用基尔霍夫定律在电路分析计算中的应用 下面以下图来具体说明支路电流法其方法和步骤下面以下图来具体说
24、明支路电流法其方法和步骤l（1）由电路的支路数）由电路的支路数m，确定待求的支路电流数。该电路，确定待求的支路电流数。该电路m=6 ，则支路电流有，则支路电流有i1 、i2. i6六个。六个。l（2）节点数）节点数n=4，可列出，可列出n-1个独立的节点方程。对节个独立的节点方程。对节点点1，2，3列列kcl有：有：l（3） 根据根据KVL列出回路方列出回路方程。选取程。选取m-(n-1) 个独立的个独立的回路，由回路，由KVL列出列出l个独立个独立的回路方程的回路方程， 对回路对回路 1，2，3（4）将六个独立方程联立求解，得各支路电流）将六个独立方程联立求解，得各支路电流（5）根据电路的要
25、求，求出其他待求量，如支路或元件上的）根据电路的要求，求出其他待求量，如支路或元件上的电压、功率等。电压、功率等。 例例3： 用支路电流法求解下图所示电路中各支路电流及各电阻上用支路电流法求解下图所示电路中各支路电流及各电阻上吸收的功率。吸收的功率。 解解: 该电路有三条支路、两个节点。故可列出一个独立的节该电路有三条支路、两个节点。故可列出一个独立的节点方程两个独立的回路方程点方程两个独立的回路方程 节点节点 1 + 2 + 3 = 0 回路回路1 7 1 + 11 2 = 6 70 = 64 回路回路2 -11i2+7i3= -6 联立求解，得到：联立求解，得到： 1 = 6 A 2 =
26、2 A 3 = 4 A 2）求各电阻上吸收的功率。电阻吸收的功率）求各电阻上吸收的功率。电阻吸收的功率 电阻电阻R1吸收的功率吸收的功率 电阻电阻R2吸收的功率吸收的功率 电阻电阻R3吸收的功率吸收的功率电路暂态分析电路暂态分析在自然界中，各种事物的运动过程通常都存在稳定状态和过渡状态。在自然界中，各种事物的运动过程通常都存在稳定状态和过渡状态。 稳态：稳态：在一定条件下的稳定状态，简称稳态。在一定条件下的稳定状态，简称稳态。 过渡过程：过渡过程： 当条件改变时，它将从一种稳态转变到另一种新的稳态，当条件改变时，它将从一种稳态转变到另一种新的稳态，这是需要一定时间的，这个转变过程称为过渡过程。
27、这是需要一定时间的，这个转变过程称为过渡过程。 uC C+Ci iC CU U+SR合合合合S S前前前前: : : : 合合合合S S后：后：后：后： 由零逐渐增加到由零逐渐增加到由零逐渐增加到由零逐渐增加到U UU稳态稳态ot暂态暂态暂态过程的必要条件：暂态过程的必要条件：换路换路: : 电路状态的改变，电路状态的改变，电路接通、切断、电路接通、切断、 短路、电压改变或短路、电压改变或参数改变参数改变(1) 电路中含有储能元件电路中含有储能元件 (内因内因)(2) 电路发生换路电路发生换路 (外因外因)换路定则换路定则换路定则：换路定则： 在换路瞬间，电感电流在换路瞬间，电感电流 和电容电
28、压和电容电压 不能跃变不能跃变 设：设：t=0 表示换路瞬间表示换路瞬间 (定为计时起点定为计时起点) t=0- 表示换路前的终了瞬间表示换路前的终了瞬间 t=0+表示换路后的初始瞬间（初始值）表示换路后的初始瞬间（初始值）电感电路：电感电路：电感电路：电感电路：电容电路电容电路电容电路电容电路：注：换路定则仅用于换路瞬间来确定暂态过程中注：换路定则仅用于换路瞬间来确定暂态过程中 uC、 iL初始值。初始值。 求解要点：求解要点：1) 先由先由t =0-的电路求出的电路求出 uC ( 0 ) 、iL ( 0 )； 2) 根据换路定律求出根据换路定律求出 uC( 0+)、iL ( 0+) 。叠加
29、原理叠加原理 在多个电源同时作用的在多个电源同时作用的线性电路线性电路中，任何支中，任何支路的电流或任意两点间的电压，都是各个电源路的电流或任意两点间的电压，都是各个电源单独作用时所得结果的代数和。单独作用时所得结果的代数和。概念概念:+BI2R1I1U1R2AU2I3R3+_+_原电路原电路I2R1I1R2ABU2I3R3+_U2单独作用单独作用+_AU1BI2R1I1R2I3R3U1单独作用单独作用叠加原理叠加原理“恒压源不起作用恒压源不起作用”或或“令其等于令其等于0”，即是将，即是将此恒压源去掉，代之以导线连接。此恒压源去掉，代之以导线连接。BI2R1I1U1R2AU2I3R3+_+_
30、I22 6 AB7.2V3 +_+_A12VBI22 6 3 已知：已知：U1=12V， U2=7.2V， R1=2 ， R2=6 ， R3=3 解：解： I2= I2= I2 = I2 + I2 = 根据叠加原理，根据叠加原理，I2 = I2 + I2 1A1A0A+-10 I4A20V10 10 用迭加原理求：用迭加原理求：I= ?I=2AI= -1AI = I+ I= 1A+10 I4A10 10 +-10 I 20V10 10 解：解：“恒流源不起作用恒流源不起作用”或或“令其等于令其等于0”，即是将，即是将此恒流源去掉，使电路开路。此恒流源去掉，使电路开路。1. 叠加定理只适用于线性
31、电路（电路参数不随电压、叠加定理只适用于线性电路（电路参数不随电压、 电流的变化而改变）。电流的变化而改变）。 2.叠加时只将电源分别考虑，电路的结构和参数不变。叠加时只将电源分别考虑，电路的结构和参数不变。 暂时不予考虑的恒压源应予以短路，即令暂时不予考虑的恒压源应予以短路，即令U=0； 暂时不予考虑的恒流源应予以开路，即令暂时不予考虑的恒流源应予以开路，即令 Is=0。=+4. 迭加原理只能用于电压或电流的计算，不能用来迭加原理只能用于电压或电流的计算，不能用来 求功率，即功率不能叠加。如：求功率，即功率不能叠加。如：5. 运用迭加定理时也可以把电源分组求解，每个分运用迭加定理时也可以把电源分组求解，每个分 电路的电源个数可能不止一个。电路的电源个数可能不止一个。 设设：则则：I3R3=+Thank You!
