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图解汽车电工基础,通俗易懂,快速掌握

2019-10-26  flyk0tcfb...

电路的基本物理量

在了解汽车电路之前,先来学习一下电路的基本物理量。

图1-1所示为日常生活中常见的手电筒,它是应用直流电路的原理进行工作的。在直流电路中有三大要素,即电压、电流、电阻,这三者之间有定律关系。

图1-1 手电筒

1.电流

当闭合手电筒的开关,灯泡亮了,因为有电流流过灯泡。大量的电荷朝一个方向移动(也称定向移动)就形成了电流。 电流只在含有很多自由电子的物体中流动。电流是对在导体里移动的电子流的称谓,就像公路上有大量的汽车朝一个方向移动就形成“车流”一样。

电流用 I 来表示,单位为安培(简称安),用A表示,比安培小的单位有毫安(mA)、微安( μ A),它们之间的关系为 1A=1000mA,1mA=1000 μ A 。

通常规定电流的方向是从高电位(正极)到低电位(负极)。图1-2所示电路的电流方向如图中箭头所示,即 电源正极→灯泡→电源负极。

图1-2 电流的方向

提示

汽油发动机启动电流为200~600A,有些柴油机启动电流达1000A。

2.电压

电压是导致电子在导电体内流动的一种电力或压力,是位于两点之间的电位差。电压就如水压一样,水的流动是因为有水压(水位差),如图1-3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。

图1-3 水位差

图1-4(a)中水流的形成是由于抽水机给水流提供能量,抽水机的工作使水路存在一个稳定的水压,从而保证水流得以持续。图1-4(b)中电源的作用与抽水机类似,它给电路中的电流提供能量,使电路存在一个稳定的电压,从而保证电流得以持续。电压是使自由电荷发生定向移动的原因,但是当电路无电流流动时,电压依然存在。

图1-4 水压与电压

电压分为直流电压与交流电压。如果电压的大小及方向都不随时间变化,则称之为直流电压,用 U 表示。汽车电路中的电压一般指的是12V直流电压。通常规定电压的参考方向为高电位(“ ”极性)端指向低电位(“-”极性)端,即电压的方向为电位降低的方向。

电压的国际单位为伏特(V),常用的单位还有千伏(kV)、毫伏(mV)、微伏( μ V)等, 它们之间的关系为1kV=1000V,1V=1000mV,1mV=1000 μ V。

3.电阻

河中的水流遇到石头时会受到阻碍。同样电流在导体中也会受到阻碍。导体对电流的阻碍作用称为电阻,电阻即阻止电流流动及减缓流动的力 (图1-5)。电阻将电能转换成其他形式的能,如热能、光能或动能。

图1-5 电路中的电阻

电阻在电路中用 R 表示,电阻的单位有欧姆(Ω)、千欧(kΩ)、兆欧(MΩ), 它们之间的关系为1kΩ=1000Ω,1MΩ=1000kΩ。

影响电阻大小的因素有导体的材料、长度、温度、横截面积。

4.欧姆定律

前面讲了电路的三大要素,即电压、电流、电阻,它们之间的关系就是欧姆定律。

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。写成公式形式:

U = RI

式中 U —电压, V ;

R —电阻, Ω ;

I —电流, A 。

欧姆定律可用图1-6表达。也就是说,如果电阻恒定而电压变化,电流将随电压的增大或减小而(成比例地)增大或减小;如果电压恒定而改变电阻,电流与电阻的变化相反,电阻变大时电流将减小,而电阻减小时电流将增大。

图1-6 欧姆定律

为在汽车电路中应用欧姆定律,记住它的一个较容易的方法是把它想象为一个电压恒定的跷跷板,如图1-7所示。电压不变时,如果电阻下降,则电流便会上升。反之,电阻升高,电流下降。

图1-7 欧姆定律(电流与电阻对比)

电路及其工作状态

1.电路

电路是电流流过的路径。 把一个灯泡通过开关、导线和干电池连接起来,就组成了一个简单的电路,如图1-8所示。

图1-8 简单电路的组成

可以看出,电路一般由电源、负载、控制装置以及连接导线组成。

(1)电源 图1-8中的干电池就是电源。电源是电路中供应电能的设备,如汽车上的发电机、蓄电池都是电源。发电机是将机械能转换成电能,蓄电池是将化学能转变成电能。

(2)负载 是将电能转换成其他形式能量的装置。灯泡、电炉、电动机等都是负载。灯泡是将电能转变成光能,电炉是将电能转变成热能,电动机是将电能转变成机械能。

(3)控制装置 图1-8中开关是控制装置,它为电流提供通路,把电源的能量供给负载,并根据负载需要接通和断开电路。

(4)导线 用来连接电源和负载,传输电能。汽车电路中,蓄电池和电路的负极与车体的金属架连接,以车体本身代替导线。

2.电路的工作状态

电路的工作状态有三种,即通路、开路、短路。

(1)通路 是指从电源的一端沿着导线经过负载最终回到电源另一端的闭合电路。如图1-9所示,当开关闭合后,电源与负载接成闭合回路,电路中有电流流过。

图1-9 通路

(2)开路 也称断路,有控制性开路和故障性开路两种。开路状态时电路中没有电流流过。控制性开路是根据需要,人为将开关断开,使电路切断;而故障性开路是由于插头断开、电线截断、保险丝烧断或其他原因致使电流不能从电源正极流向负载和负极的不完整的电路。图1-10所示为控制性开路,当开关断开时,电路中的电流为零。

图1-10 开路

提示

在汽车电路中,由于插接器连接问题造成的断路故障比较常见。

(3)短路 在电源正极和负极之间,负载被导线直接短接或负载内部击穿损坏,电流绕过了部分或全部电路负载而流过的较短(电阻较小)路径的情况称为短路。短路会导致电源严重过载,为防止电源被烧毁或发生火灾,通常要在电路中安装保险丝等保护装置,实现过电流保护。图1-11所示的状态为短路。

图1-11 短路

提示

电路产生短路的原因大多是由于绝缘材料损坏或接线不慎引起,因此应经常检查电气设备和线路的绝缘情况。

电路基本连接方式

电路的连接方法主要有串联和并联。

1.串联电路

这是一种最简单的电路,电源、负载、导体以及控制装置都与仅有的一条电路径相连。每个元件的电阻都可以是不同的,数值相同的电流将流经每一个元件,所以通过每个元件的电压也将是不同的。如果路径损坏,电流便不能通过。串联电路可以用水流来描述,如图1-12所示。

图1-12 电路的串联与水流原理

串联电路定律:

①电路的总电阻等于各电阻之和。

②串联电路中每一点的电流都是相同的。

③串联电路中各个压降的总和等于电路两端的总电压或电源电压。

2.并联电路

若干个元件首与首连接,尾与尾连接,接到一个电源上,这种连接方法称为并联。一个并联电路有一个以上的电流通路,每个分路的电压相同。假如每个分路的负载电阻相同,分路电流也将相同。假如分路里的负载电阻不同,分路电流也将不同。假如有一个分路损坏,电流将继续流往其他分路。并联电路也可以用水流来描述,如图1-13所示。

图1-13 电路的并联与水流原理

并联电路定律:

①并联电路中,通过各分路的电压相同。

②并联电路中的总电流等于各个分路电流的总和。

③并联电路中的总电阻通常小于最小电阻分路里的电阻。

直流电与交流电

1.直流电

方向和大小均不随时间变化的电流或电压称为直流电(DC)。直流电流可由电池、热电偶、太阳能电池和换向器式的发电机产生。汽车的大部分系统均使用直流电。直流电的优点是可以被储存在蓄电池中。图1-14所示为12V的直流电压。

图1-14 直流电压

2.交流电

大小和方向随时间改变的电流或电压称为交流电(AC)。如果电压和电流是按周期性正弦规律变化的,则称为正弦交流电。在汽车维修企业中,许多大型汽车维修检测设备是用交流电作为电源的,其波形如图1-15所示。

图1-15 正弦交流电

汽车发电机所产生的就是交流电。由于磁路定律,交流电很容易在发电机中产生,但是却难以储存。因此,发电机配备有特殊电路,可以在应用于车辆电气系统之前被转换成直流电。

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电流的三大效应

电流的效应是多方面的,电流三大效应是指电流的热效应、化学效应和磁效应。

1.电流的热效应

电流通过电阻要发热,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。 如除霜器、点烟器、座椅加热装置(图1-16)等就是利用这种效应制成的。当电流流经除霜器或点烟器时,就将电能转换成热能而产生热。当过大电流流过保险丝时,因为产生热而将保险丝熔断。

图1-16 座椅加热装置

2.电流的化学效应

电流通过导电的液体会使液体发生化学变化,产生新的物质,电流的这种效应称为化学效应,如电解、电镀、电离等。图1-17所示为电解硫酸铜。

图1-17 电解硫酸铜

汽车蓄电池的充电就是应用电流的化学效应。

3.电流的磁效应

任何通有电流的导体都可以在其周围产生磁场现象,称为电流的磁效应。喇叭、继电器等都是利用电流的磁效应制成的。

如图1-18所示,把通电导体与指南针(磁针)平行放置,然后接通电源,当导体上有电流通过时,周围产生磁场,使附近的磁针产生偏转。

图1-18 电流的磁效应

如果给直条导线通电,在直条导线周围会产生磁力线。磁力线的方向可以用安培右手定则(导线)来判定(图1-19): 以右手握住有电流的直条导线,拇指指向电流方向,其余四指的方向即为磁力线的方向。

图1-19 安培右手定则(导线)

如果把导线做成环状并在导线中通入电流,导线周围会产生磁力线,这时每条圆形磁力线从环形导线的一边进入另一边。换句话说,这些磁力线都穿过环状导线中心,这样就形成了一个带有N极和S极的弱电磁体。这些磁力线从N极离开环形导线,沿环形导线外部流动,在S极重新进入,就像一块条形磁铁,如图1-20所示。

图1-20 通电环形导线产生的磁力线

当一带电导线变成线圈时就会产生一个带N、S极的磁场, 如条形磁铁一样。

如果将一铁芯放入线圈中,磁场会变强,因为磁力线穿过铁芯比穿过空气要容易得多。一根铁芯能使磁场强度增大很多倍。线圈产生的磁力线如图1-21所示。这种称为电磁体的结构在发电机中得到应用。发电机使用绕成很多匝的载流导体以及放在其中的一块称为极心的铁芯, 用以产生强磁场。

图1-21 线圈产生的磁力线

线圈磁力线的方向可以用安培右手定则(线圈)来判定(图1-22): 用右手握住线圈,使四指的方向与电流的方向一致,拇指的指向就是磁力线的方向。

图1-22 安培右手定则(线圈)

汽车起动机上的电磁开关、启动继电器等就是电流磁效应的典型应用。图1-23所示为电磁开关示意图,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,开关触点便可能接通大电流到用电设备,即以小电流控制大电流。

图1-23 电磁开关示意图

电磁力与电磁感应

1.电磁力

载流导体在磁场中所受的作用力称为电磁力。通电直导体在磁场中所受作用力的方向,可用左手定则判定(图1-24): 将左手伸开,使拇指与四指垂直,让磁力线垂直穿过掌心,四指朝向导体电流的方向,拇指所指的方向就是导体所受电磁力的方向。

图1-24 左手定则

2.电磁感应

电磁感应实验如图1-25所示。

图1-25 电磁感应实验

在图1-25(a)所示的均匀磁场中放置一根导体。导体两端连接一个灯泡,当导体垂直切割磁力线时,可以明显地观察到灯泡发光。这说明导体回路中有电流存在。另外,当使导体平行于磁力线方向运动时,灯泡不发光,说明导体回路中不产生电流。

在图1-25(b)所示实验中,空心线圈两端连接检流计。当用一块条形磁铁快速插入线圈时,我们会观察到检流计指针向一个方向偏转;如果条形磁铁在线圈内静止不动,检流计指针不偏转;再将条形磁铁由线圈中迅速拔出时,又会观察到检流计指针向另一方向偏转。

上述两实验现象说明: 当导体相对于磁场运动且切割磁力线或者线圈中的磁通发生变化时,在导体或线圈中都会产生感应电动势。若导体或线圈构成闭合回路,则导体或线圈中将有电流流过,这种现象称为电磁感应现象。

要注意的是这种切割磁力线的运动可以是导体相对磁体运动,也可以是磁体相对导体运动。图1-26所示为导体(线圈)在磁场中做切割磁力线运动产生感应电流。汽车的交流发电机就是利用电磁感应原理发电的。

图1-26 导体(线圈)在磁场中做切割磁力线运动产生感应电流

图1-27所示为一个典型的交流发电机转子,转子上绕有励磁线圈,当外电路通过电刷使励磁绕组通电时,便产生磁场,使爪极被磁化为N极和S极。当转子旋转时,磁通交替地在定子绕组中变化,根据电磁感应原理可知,定子的三相绕组中便产生交变的感应电压。

图1-27 交流发电机转子

电功和电功率

1.电功

电功是指电场力对自由电荷所做的功,也就是通常所说的电流所做的功。做功的过程是电能转化为其他形式能量的过程。

如果一段电路两端的电压为 U ,通过的电流为 I ,在时间 t 内,电场力做的功为W = UIt ,即电流在一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压 U 、电路中的电流I 和通电时间 t 三者的乘积。在国际单位中,电功的单位是焦(J),常用单位有千瓦时(kW·h)。

2.电功率

电流在单位时间内所做的功称为电功率。电功率是用来表示消耗电能快慢的物理量,用 P 表示, P = W / t = UI ,即一段电路上的电功率 P 等于这段电路两端的电压 U 和电路中的电流 I 的乘积。电功率表示电流做功的快慢,它的单位是瓦特,简称瓦,符号是W。如宝马750i/750Li发动机功率是300kW。

汽车电路上的用电器工作时都会消耗蓄电池电能或者发电机产生的电能,有大功率的用电器(如前照灯、空调鼓风机、电加热装置等),也有小功率的用电器(如照明指示灯、小灯泡、收音机)。大功率用电器在关闭发动机后不宜长时间开启,以免过多消耗蓄电池电能。同时,在启动汽车时应关闭大功率用电器,使发动机启动有充足的电能。

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