第1章 汽车电工、电子基础

1.1 电工基础

1.1.1 电工基本概念

现如今的汽车中，电子元件使用率越来越高，大大提升了汽车的舒适与使用方便度，但也给维修带来了一定的难度，这就要求从业者要有一定的电工、电子知识。

1.电场

带电的物体，叫做带电体。在带电体周围的空间，有电力作用的范围，叫做电场。电场是由带电体产生的，凡是带电体周围的空间都存在电场。电场具有以下两个主要的性质：

1）位于电场中的带电体，受到力的作用，表明电场具有力的性质。

2）任何带电体在电场中受到电场力的作用而产生位移。这说明电场做了功，表明电场还具有能的性质。

2.电流

电荷在电路中有规则地定向运动，形成电流。电子的移动是从负极到正极，但电流的方向习惯上规定为从正极到负极。根据电流在电路中流动的方式不同分为直流电和交流电。

直流电是指电流方向不随时间而变的电流，如干电池、蓄电池和直流发电机所输出的电流。

交流电是指电流大小和方向随时间变化的电流，如交流发电机输出的交流电流。

表明电流强弱的物理量叫电流强度，用符号“I”表示。电流强度的单位是安培，用字母“A”表示。1A就是每秒钟通过导线横截面的电量为1C（库仑）。常用的电流单位还有毫安（mA）和微安（μA）。

1kA=10³A，1mA=10^-3A，1μA=10^-3mA=10^-6A

3.电位和电位差（电压）

单位电荷在电场中某一点所具有的位能，叫做该点的电位。电荷在电场中的位置不同时，具有的位能也不相同。电位与河流各处具有不同的水位一样，电位也有高、低之分、如电池的正极是高电位，负极是低电位。电流是从高电位流向低电位的。

电路中的两点间的电位之差叫电位差，也叫电压。用符号“U”表示。电压的单位叫“伏特”，简称“伏”，用符号“V”表示。

4.电动势

在电路中有电压就有电流，要想在电路中维持电压，必须消耗某种能量，使电路两端经常存有异性电荷，以便电路中有连续的电流。这种促使电流不断地在电路中流动的源泉称为电源。有如自来水在水管中流动需要有水压一样，干电池、蓄电池和发电机都是电源。

由电源内部产生的维持电子流动的力量叫电动势。电动势用“E”表示；单位也是“伏特”。

5.电阻

电子在物体内移动所遇到的阻力叫电阻，用符号“R”表示。电阻的单位是“欧姆”，简称“欧”，用符号“Ω”表示。

如果有一导体，当它两端的电压是1V，流过它的电流是1A时，该导体的电阻就是1Ω。常用的电阻单位还有千欧（kΩ）和兆欧（MΩ）。

1kΩ=10³Ω，1MΩ=10³kΩ=10⁶Ω

导体电阻的大小和其长度成正比，和其横截面积成反比。一般导体的电阻都随温度的变化而变化，温度升高，电阻增大。

6.电功率

电流在单位时间内所做的功，叫做电功率，用符号“P”表示。电功率的单位是“瓦特”，用符号“W”表示。常用的功率单位还有千瓦和英马力。

1kW（千瓦）=1000W（瓦特）

1hp（英马力）=745.7W（瓦特）

1kW（千瓦）=1.34hp（英马力）

1.1.2 直流电路

1.电路的组成

电流通过的路径叫做电路。一个完整的电路是由电源、负载、中间环节（包括开关和导线）等三部分按一定方式组成的，如图1-1所示。

（1）电源

电源是将其他形式的能转换为电能的装置。

例如汽车上的蓄电池和发电机。蓄电池是将化学能转换为电能的装置，称作化学电源；发电机则是把机械能转换为电能的装置，常称作物理电源。蓄电池和直流发电机的符号如图1-2所示。

图1-1 简单的电路

图1-2 直流电源符号

图中E表示电源的电动势，U表示电源电压，R₀则表示电源的内电阻。

（2）负载

负载是将电能转换为其他形式能量的装置。

例如汽车上的起动机、点火装置、照明灯等。起动机将电能转换为机械能，点火装置将电能转换为热能，而照明灯则把电能转换为光能。

（3）导线

用以连接电源和负载并构成电路的导线，起着传输电能的作用。

连接导线的电阻一般都很小，在进行电路分析计算时，常把此电阻忽略不计。在汽车上，为便于安装、连接和减少电路故障。一般都把很多导线包扎起来构成导线束。

2.电路的状态

（1）通路

电路通路就是将电源与负载接通而构成闭合回路，如图1-3所示的内开关S合上（接通）后的工作状态。

此时，在电源电动势E的作用下，电路中即有电流I通过（图中R_L为连接导线的电阻）。

1）额定电流。为了保证电气设备的使用寿命，通常对所通过的电流加以限定，即在长时间内允许通过电气设备的最大工作电流称为额定电流，用I_e表示。

2）额定电压。为了限制电气设备以及绝缘材料所承受的电压，因而对允许施加在各电气设备上的电压也有一定的限制，通常把这个限定的电压值叫作该电气设备的额定电压，用U_e表示。

3）额定功率。对电阻性负载而言，电气设备的额定电流和额定电压的乘积就等于它的额定功率，用P_e表示，即P_e=I_eU_e。

（2）断路

电路断路就是电源与负载未接成闭合回路，如图1-4所示的电路中开关S断开（未闭合）时的电路状态。

图1-3 通路示意图

图1-4 断路（开路）示意图

电路断路时，相当于其负载电阻为无穷大，电路中的电流等于0，电源的断路（开路）电压等于电动势（或电源电压），即：R=∞，I=0，U_o=E。

（3）短路

当电源两端被电阻接近于0的导体接通（如图1-5b中虚线箭头所示）时，这种情况叫做电源被短路。

图1-5所示为由于导线过热引起导线绝缘损坏，使得两根导线互相接触而造成短路。当然，线路接错或其他原因也会造成短路。此时，电源的电流值为

I_短=E/R

此电流称为短路电流，用I_短表示。一般电源内电阻R₀都很小，所以此时的电流（I_短）很大，会使电源发热过甚而烧毁，因此，在工作中必须防止这种短路故障的发生。

图1-5 短路示意图

a）短路 b）短路电路图

图1-6 部分（一段）电阻电路图

3.欧姆定律

实验表明，导体中通过电流I的大小与加在导体两端的电压U成正比，而与导体的电阻R成反比。能较确切地表述这三种物理量之间关系的定律称为欧姆定律。欧姆定律是进行电路计算的最基本的定律。

（1）部分电路欧姆定律

图1-6所示为部分（或一段）电路，即在该电路中包含电源电动势，仅用端电压U表示电路中的电源。该电路的欧姆定律公式为

式中I——导体中的电流（A）；

U——电源电压或电阻两端的电压（V）；

R——负载电阻或导体的电阻（Ω）。

（2）全电路欧姆定律

图1-7所示是一种最简单的闭合回路，称为全电路。在此电路中，电流I的大小与电动势E成正比，与其全部电阻值成反比。其欧姆定律公式为

I=E/（R₀+R）

式中I——电路中的电流（A）；

E——电源电动势（V）；

R₀——电源内电阻（Ω）；

R——负载电阻（Ω）。

图1-7 最简单的闭合电路图（全电路）

4.基尔霍夫定律

基尔霍夫定律不仅适用于简单电路，还可对复杂电路进行计算。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。节点是指电路中3个或3个以上的支路相连接的点，回路是由一个或多个支路所组成的闭合电路。

1）基尔霍夫电流定律：在电路中，出于电流的连续性，任何一点（包括节点在内）均不能堆积电荷。因此，在任一瞬时，流向节点的电流之和等于由节点流出的电流之和。

2）基尔霍夫电压定律：如果从回路中任意一点出发，以顺时针方向或逆时针方向沿回路绕行一周，则在这个方向上电位升之和等于电位降之和。即电路中的任一闭合电路，电动势的电压升代数和等于各电阻上的电压降的代数和。

电动势和电阻上的电压降的正、负号确定：先假定各支路电流的方向，再任选一个环绕回路的方向，如果环绕方向指向电源的正极，而从电源负极引出，这个电动势为负（“-”），否则为正（“+”）。如果电流方向与环绕方向一致，电阻上的电压降为正（“+”），否则为负（“-”）。

5.电阻的串、并联

在简单直流电路中，其外电路通常是由许多电阻串联、并联或混联所组成。电阻的串联和并联计算见表1-1。

表1-1 电阻的串联、并联计算

6.电源的串、并联计算

电源的连接方式和电阻的连接一样，通常有串联、并联和混联三种，见表1-2。

表1-2 电源的连接

（续）

注：n为串联或并联的电源（电池）数。

7.电容器及其充放电

（1）电容器的结构、容量及连接

电容器的结构如图1-8所示。它是用绝缘体隔开的两个导体组合而成，其导体的引出线称为电容器的电极。它是电路中用得最广泛的电路元件之一。利用电容器的充电和放电原理，能够实现电路输出波形的变换。

图1-8 电容器的结构及表示符号

a）固定电容 b）可变电容

1—导体（金属平板）或定片 2—绝缘体（介质）或动片

在单位电压作用下所能存储的电荷量，叫做该电容器的电容量，简称电容，其计算公式为

式中C——电容器的电容量（F）；

Q——电容器储存的电荷量（C）；

U——电容器两电极间的电压（V）。

电容器的串联和并联，见表1-3。

表1-3 电容器的串联和并联

（2）电容器的充放电

1）电容器的充电：图1-9a为电容器的充电电路，图1-9b为电容器充电特性曲线。

图1-9 电容器的充电

a）充电电路 b）充电特性曲线

由图1-9a可见，当把电容器C与电阻R串联后，接到端电压为恒定值U的电源两端，电容器C即被充电。其充电电流I_充和充电电压U_r的变化规律如图1-9b所示。

在电容器C的充电过程中，可得出两个很重要的基本概念。

①当电路刚一接通的瞬时，电容器C相当于短路（I_充很大）；而当电路达到稳定状态时，电容器C相当于断路（I_充≈0）。

②电容器上的充电电压U_c不可能产生突变（即有一个电荷积累的过程或充电过程）、充电于一定时间后，电容器上的电压才能达到稳定值U（即U_c=U）。

2）电容器的放电：电容器的放电电路如图1-10a所示，其放电特性曲线如图1-10b所示。

图1-10 电容器的放电

a）放电电路 b）放电特性

由图1-10a可见，当把被充电的电容器C与电阻R接成放电回路时，电容器C就以与充电电流方向相反的放电电流I_放对电阻R进行放电。其放电电流I_放和放电电压U_c的变化规律如图1-10b所示。

电容器在放电过程中所放出的能量，就是它在充电过程中存储在电场（电容器）中的全部能量。同理，在电容器C放电过程中，放电开始时，电容器C相当于短路（I_放很大），而放电结束时，电容器C相当于断路（I_放≈0）。当电容器中的介质（绝缘体）的电导率接近于0时，电容器C基本不消耗能量（即存储的能量等于放出的能量）。

总之，在电阻和电容器组成的RC电路中，电容器C充放电时间的长短，与电路的时间常数RC（即R与C的乘积）有关。因此，使用中只要改变电路的时间常数，便可改变电容器充电和放电的时间，以实现对电路进行变换的某种功能。这种RC电路在电子电路中的应用非常广泛。

1.1.3 交流电路

直流电其电流的方向和大小是不随时间变化的，但在实际中应用最为广泛的是电流大小和方向随时间按正弦规律变化的正弦交流电。它有许多优点，其一是可以通过变压器变换电压；当变压器把发电机产生的交流电压升高，可实现低损耗、远距离输电，到达目的地后，通过变压器降低电压，实现安全用电。其二是交流发电机制造工艺简单、使用方便、价格便宜、便于维修，优于直流发电机。

图1-11 正弦交流电压波形图

若用电压来表示交流电，则可参见图1-11所示的正弦交流电压波形图。表示为数字公式时可写成

如果用电流表示，则可写成：

u、i表示正弦电压和电流的瞬时值，为任一瞬间的数值，通常用小写字母表示。U_m、I_m为正弦交流电电压和电流的最大值（幅值），U、I为有效值，用大写字母表示。用表测量的数值均为有效值，平常所说的220V、380V等也为有效值。根据热效应规律，有U_m=，。

图1-11中T为周期，是变化一周所需的时间，用秒（s）表示。正弦交流电变化的速率用频率表示，单位为赫兹（Hz），它等于每秒钟变化的周期数。我们常用的交流电的频率为50Hz，称之“工频”，表示每秒钟变化了50次。根据以上的说法，应有。

ω表示角频率，为正弦交流电每秒钟变化的弧度数；ω也称角速度，单位为弧度/秒（rad/s）：ω和f之间的关系为

φ称为电压u、电流i的初相位，它们是t=0的相位角幅值（或有效值）、角频率（或周期、频率）和初相位是正弦量的三个要素，根据这三个要素，可以写出正弦量的瞬时值表达式，并画出波形图。

1.1.4 电磁基础知识

1.磁

（1）磁体

通常将具有磁性的物体称为磁体，磁体分为天然磁体和人造磁体两大类，天然磁铁是一种铁矿石，其磁性较弱，实际应用的多数为人造磁铁。人造磁铁又分为永久磁铁和暂时磁铁两种，永久磁铁的磁性能够长期保存，如电工仪表中的马蹄形磁铁和扬声器中用的圆形磁铁；暂时磁铁的磁性是暂时的，当外部磁化条件去掉后，磁铁的磁性随之消失，如电磁铁和电磁开关等的磁铁都是暂时磁铁。

（2）磁极

磁体两端磁性最强的部分称为磁极，每个磁体都有两个磁极，分别用南极（S）和北极（N）表示。无论把磁体怎样分割，磁体总保持两个磁极，同性磁极相斥，异性磁极相吸。

（3）磁场

在磁体的周围存在一种特殊物质，具有力和能的特性，磁场用眼睛看不见，但是磁场的存在可以通过其吸收其他物质来感知。

（4）磁力线

磁场是有方向的，为了形象地描述磁场，引入了磁力线的概念，规定在磁力线上的每一点的切线方向就是该点的磁场方向。磁力线的特点：

1）磁力线是互不相交的闭合曲线，在磁体外部由N极指向S极，在磁体的内部由S极指向N极。

2）磁力线上任意一点的切线方向，就是该点的磁场方向，即小磁针在磁力作用下N极所指的方向。

3）磁力线越密表示磁场越强，磁力线越疏，磁场越弱，如图1-12所示。

图1-12 磁力线

2.电流的磁场

（1）电流的磁效应

丹麦科学家奥斯特于1920年研究发现，在电流周围存在着磁场，这种现象被称为电流的磁效应，电流与其产生的磁场的方向可用安培定则（又称右手螺旋定则）来判定。

（2）直导体产生的磁场

如图1-13a所示，电流流过直导体，它产生的磁力线是以导体为中心的同心圆，这些同心圆都在和导线垂直的平面上。磁力线和电流的方向用安培定则来判定，右手握住导体，大拇指指向电流的方向，弯曲四指指向的是磁场磁力线方向，如图1-13b所示。

（3）通电线圈产生的磁场

电流流过用导体绕成的螺线管线圈，它表现出来的磁性类似条形磁铁，线圈的两端相当于N极和S极，它的磁力线是一系列的穿过线圈内孔的闭合回路。磁力线的方向也用安培定则来判定，右手握住线圈，弯曲四指和线圈中电流的方向一致，大拇指所指向的方向就是磁场穿过线圈内孔的方向，也就是线圈磁场的N极，如图1-14所示。

图1-13 安培定则

a）通电直导体的磁场 b）通电直导体的磁场判定

图1-14 通电线圈的磁场判定

带有铁心的通电线圈可增强磁场的作用，线圈和铁心构成一个电磁铁。电磁铁在机动车上的典型的应用就是继电器，如图1-15所示。

A、B构成一对常闭触点，B、C构成一对常开触点。当开关S没闭合时，灯泡甲经常闭触点A、B与电源E构成闭合回路发光，而灯泡乙处于断路状态，不发光；当开关S闭合后，线圈接通电源，产生磁场，使铁心和衔铁同时磁化，产生电磁吸力，将衔铁吸向铁心，衔铁带动动触点B向下，使常闭触点断开，常开触点闭合，从而灯泡甲因回路被切断熄灭，灯泡乙因回路经触点B、C被接通而发光。当线圈断电时，电磁吸力随之消失，衔铁和动触点在弹簧的作用下返回原来的位置，又使得灯炮乙灭，而灯泡甲亮。

3.电磁力

将一根直导体放置在磁场中，当导体没有通电时，静止不动；当通电时，导体会受力，沿某一方向移动；当改变导体中电流的方向时，其移动方向与原来相反。通常把通电导体在磁场中受到的作用力称为电磁力，如图1-16a所示。

图1-15 电路中的继电器

图1-16 左手定则

a）实验电路 b）左手定则应用

通电导体在磁场中的受力方向用左手定则来判断，如图1-16b所示，伸开左手，拇指与四指垂直，让磁力线穿过掌心（即让掌心正对磁场N极），四指指向导体电流的方向，拇指所指的方向就是导体受力的方向。

图1-17 电磁感应

4.电磁感应

（1）直导体中产生的电动势

如图1-17所示，闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁力线运动，导体中就会产生感应电动势，从而在闭合回路中形成电流。这种现象称为电磁感应现象。产生的电流称为感应电流。

直导体中产生的感应电动势方向用右手定则来判定，即伸平右手，拇指与四指垂直，让磁力线穿过掌心（即让掌心正对磁场N极），拇指指向导体运动的方向，四指所指的方向就是产生感应电动势的方向。电磁感应中的切割磁力线的运动是一个相对运动，可以是一个导体切割磁力线，也可以是一个运动的磁场切割导体。

（2）线圈中产生的感应电动势

当线圈得电瞬间，电流持续增加，线圈会产生与电源极性相反的自感电动势，阻止电流增加；电流稳定后，不会再产生自感电动势；当线圈失电时，绕圈内产生与电源极性相同的自感电动势，使电流减少的速度放慢。因此可以得出一个结论，就是电感线圈中的电流不能突变。

注意：

为了消耗线圈断电时产生的自感电动势，常在继电器线圈两端反向并联续流二极管，注意二极管的极性，必须与电源相反。