第一节电源和负载_汽车电工与电力电子基础-QQ阅读男生科幻网

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第一节电源和负载

一、交流电和直流电

电气设备的运行需要电流，因此要构成电路，电路就是电流通过的路径。电流可分为直流与交流两种。

方向保持不变，仅允许电流大小变化的电流称为直流电流，通称直流，如交流发电机整流后的电流。

方向和大小都保持不变的电流称为恒定电流，通常也简称为直流，如蓄电池在对一个固定负载放电时的电流，基本可认为是恒定电流。

方向和大小随时间做周期性变化，而且在一个周期内的平均值等于零的电流称为交变电流，通称交流电，常见的如单相或三相正弦交流电。

【特别提示】 注意没有两相电这个概念，这样的错误源于照明电为相线和零线两根线，误把两根线当成两相，在生活中这样错误认为的不在少数，包括许多高学历的所谓人才。

什么是“相”，相为发电机或用电器中线圈的个数，有三个线圈的发电机称为三相交流发电机，相数与交流电中相线的个数是相等的。

最后在描述直流电时，对电极用正极或负极，对导线或电缆称为正线（正电缆）或负线（负电缆），这种情况一般不出错。但在描述交流电时，经常的错误是将相线称为正线，将零线称为负线，这是常犯的错误。

本章讨论的直流电路，是指电路中通过恒定电流的电路。

二、电路的组成

直流电路由电源（蓄电池）、熔丝、负载、输电导线与控制设备（如图1-1中开关）等组成。图1-1a是最简单的直流电路图，它由干电池、小灯泡（代表负载EL=Electrical Load）、输电导线和开关构成，通常会在开关S（Switch）前加装保险装置。我们常把负载、输电导线和开关等统称为外电路；而把电源内部称为内电路。

要分清电源和负载的本质区别：电路中把非电能转换成电能的设备称为电源；而把电能转换成非电能的设备称为负载。例如，将干电池与灯泡接成电路时，干电池是电源；而把干电池换成蓄电池，把小灯泡换成直流发电机时，这时蓄电池就成为负载了。

【专业指导】 在汽车电气中，12V铅酸蓄电池在发动机未运转时为全车供电，这时蓄电池为电源。当发动机运转时后，发动机拖动发电机发电，为蓄电池充电，这时蓄电池为负载。

【专业指导】 汽车中低压直流和高压直流电路的特点

1．传统汽车的单线制、负搭铁电路

图1-1a所示电路为双线制电路，即负载（小灯泡）向上到电源正极采用一条带有绝缘皮的导线，称为正极导线；负载（小灯泡）向下到电源负极采用一条带有绝缘皮的导线，称为负极导线。

汽车电路中的负载电路成百上千，每个电路的负极导线如果都回到蓄电池负极将造成大量的导线浪费，因此在汽车电路中，通常将蓄电池负极直接接在金属车身上，将负载的负极用一段短导线接在车身上（见图1-1b）。人们将这种设计称为“单线制、负搭铁”。单线制是指只有正极导线，负极导线因较短可不计；负搭铁是指蓄电池负极搭铁，负载的负极搭铁。

汽车中的12V/24V电系中是安全的，最多是操作人员被烫伤，极少会烧伤，人身不会有10mA以上的电流形成，不会出现击伤的问题。

2．汽车双线制电路

在汽车电控系统中的传感器（如发动机冷却液温度传感器、进气温度、爆燃传感器等）和集电极开路型接法执行器（如喷油器电路、电磁阀电路、节气门体电机电路等）中，发动机控制单元采用单线制、负搭铁，而冷却液温度传感器相对5V恒压源为双线制，如图1-1c所示。

电动汽车上采用动力电池作为电源（见图1-1d），直流电经过三相全桥变频器的六个电子开关转换为脉冲直流电，在三相电机的线圈内形成方波或正弦波电流，图1-1d中是一个三三导通的例子，V1、V4、V6导通，U相向V相和W相供给电流。

图1-1d中的电池为镍氢电池或锂离子电池，同种电池经过大量的串联，形成电压在200~300V之间的300V等级、300~400V之间的400V等级、400~500V之间的500V等级、500~600V之间的600V等级、600~700V之间的700V等级、700~750V之间的800V等级，国标规定，电压最高不超过750V。目前（2017年），国内400V、500V电压等级的电动汽车较多，其次为700V，其他电压等级实际车型较少或没有。

图1-1 电路的组成

1-1 微课1

1-1 微课2

图1-1 电路的组成（续）

为了区别传统燃油汽车中的12V/24V电系，或者是因为在电动汽车上作业直流安全电压规定为60V（不要误认为是低压电工操作场合的交流安全电压36V），把高于60V的直流电压称为高压，这种说法符合电动汽车上的工作，易于区别两种电压网络。不过电动汽车的60~750V之间的电压也只是低压范畴的下限，远不能称为高压，所以不用过于紧张。

三、电流的方向

人们规定：正电荷移动的方向为电流的实际方向。即，在外电路中电流从电源的正极流向负极；而在内电路中，电流从电源的负极流向正极。

简单电路中电流实际方向容易按电源极性来判定。在比较复杂的电路中，电流方向往往难以直观判断。为了分析计算电路的需要，我们引入参考正方向的概念。

电流在导体中流动的实际方向有两种可能，任意选取其中一个方向作为参考标准，称之为参考正方向，简称正方向。设电路中某一未知电流的正方向已经选定，如果求得此电流为正值，则说明电流的实际方向与选定的正方向一致；若求得此电流为负值，则说明电流的实际方向与选定的正方向相反。可见，电流的正方向是预先任意标定的，正方向一经标定，电流值的正负也随之确定；若不标定正方向，则讨论电流值的正负便没有意义了。

如图1-2所示，实线箭头表示电流的参考正方向，虚线箭头表示电流的实际方向。可知，图1-2a中电流为正值；图1-2b中电流为负值。

四、电源

1．电能源和电信号

电路的作用一般可分为两类：一类是能量的转换、传输、分配和利用；另一类是电信号的产生、传送、处理和接收。前者的电源是指电路中的能源，例如图1-1中的干电池是驱动小灯泡工作的能源；而后者的电源主要指的是信号源，例如图1-3所示热电偶测温电路中，热电偶把热能转换为电能，但其能量很小，不能作为能源，它产生的温差电动势可作为反映热端温度的电信号，因此它是一种信号源，与它连接的毫伏表是接收信号的负载，将温差电动势的毫伏数刻成温度，就可指示所测的温度了。

图1-2 参考正方向

图1-3 热电偶测温电路

但需要指出，以传递、处理和接收电信号为主要任务的电路中，一般除有信号源外，还需要驱动电路工作的能源。例如，收音机、电视机等都需要供给工作电源。

本书电工学部分讨论的电路属于前一类，因此所说的电源主要是指电路中的能源。而工业电子学部分讨论的电路则属于后一类，电路的工作对象和研究重点是电信号，同时也讨论电路工作需用的能源。

2．电源的外特性

电源内部存在一种非静电力，称为电源力，它能使电源内部导体中的正负电荷分离，形成正、负两极，两极间具有一定的电位差。电源的电动势，在数值上等于电源力把单位正电荷从电源负极经过内电路移到电源正极所做的功；也就等于电源两极间开路（未接外电路）时的电位差。（物理学中常将电位称作电势；电位差称作电势差）。

电动势的实际方向，规定由电源负极指向正极，即由低电位指向高电位（电位升）。接通外电路后，电流由电源负极通过电源内部流向正极，可见电源中的电流与电动势同向。电动势的参考正方向也可任意选取，当实际方向与正方向一致时，电动势为正值，反之，为负值。

具有电动势E、内电阻R₀的电源与外电路接通后，全电路中就有电流I通过；设外电路的电阻为R，则由全电路的欧姆定律（这在物理学中已经学过）得

式（1-1）也可写成如下形式：

式（1-2）中U=RI是外电路的端电压，简称路端电压。若忽略连接导线的电阻，R只是负载的电阻，则U就是负载的端电压。

反映路端电压U与电路中电流I之间关系的曲线：U=f（I），称为电源的外特性曲线，简称电源外特性。一般，E和R₀都是常量，按式（1-2）的函数关系可以绘出电源的外特性曲线，它是一条直线，如图1-4所示。该直线在纵坐标上的截距就等于电源的电动势E。内电阻越大的电源，其外特性越陡；反之，内阻越小，外特性越接近于水平直线。

图1-4 电源的外特性

【专业指导】 当汽车上的12V/24V铅酸蓄电池使用时间长后，因硫酸铅不能被充分还原，会使极板的内阻增加，电池的对外输出能力下降，在充放电时蓄电池过热，这时应停止充电，更换新的蓄电池。

3．电压源和电流源

具有不变的电动势和较低内阻的电源称为电压源。大多数实际电源如干电池、铅蓄电池及一般直流发电机都可视为电压源。

若电源的内阻R₀≈0，可忽略不计，即认为电源供给的电压总是等于它的电动势，其外特性是为一条水平直线，如图1-5所示。这只是一种理想的情况，实际电源不可能如此。我们把具有不变电动势且内阻为零的电源称为理想电压源，或简称恒压源。理想电压源的代表符号如图1-6所示。

图1-5 理想电压源的外特性

图1-6 理想电压源的代表符号

电动势为E、内阻为R₀的电压源可以等效为恒压源E和内阻R₀串联，如图1-7所示。

一般用电设备所需的电源，多数是需要它输出较为稳定的电压，这要求电源的内阻越小越好，也就是要求实际电源的特性与理想电压源尽量接近。

【专业指导】 在汽车上，铅酸蓄电池为电压源，内阻极小，为几个毫欧，可以认为是电压源。汽车上的交流发电机发出的交流电经整流、滤波、稳压后输出的电压相对稳定，内阻很小，也可认为是电压源。

但是，并非在任何情况下都要求电源的内阻越小越好。某些特殊场合，却要求电源具有很大的内阻，这是因为高内阻的电源能够输出一个较稳定的电流。

例如，将60V蓄电池串联一个60kΩ的高电阻，如图1-8中点画线框中所示，即构成一个最简单的高内阻电源。它对于低阻负载，基本上具有稳定的电流输出。当负载电阻R在零~几百欧的范围内变化时，电源输出的电流为

电流几乎保持不变。可见，当低电阻的负载在一定范围内变化时，具有高内阻的电源输出的电流基本恒定，电源内阻越高，输出电流越接近于恒定。

图1-7 电压源等效为理想电压源E与内阻R₀串联

图1-8 高内阻电源示例

我们把内阻为无限大、能输出恒定电流I_S的电源称为理想电流源或恒流源。理想电流源输出的恒定电流I_S通常称为电激流。理想电流源的代表符号如图1-9所示。

恒流源与恒压源一样，都属理想状态，实际上都是不存在的。实际电流源的性能只是在一定范围内接近于理想电流源。例如，晶体管工作于放大状态时就接近于恒流源。

把电激流为I_S的恒流源与电阻R₀并联的电路定义为电流源，如图1-10所示。

图1-9 理想电流源的代表符号

图1-10 电流源定义为理想电流源I_S与内阻R₀并联

这样定义电流源是有根据的，因为可以证明：恒流源与电阻并联的电路同恒压源与电阻串联的电路之间，在满足一定关系的条件下是可以互相等效的。

【专业指导】 汽车上没有直接的电流源，功率放大电路中会有电流源，不过也看不到，因为集成在运算放大器内部了。

五、负载

1．负载的端电压

电流流过负载时，在负载两端产生电位降（也称为电压或电压降），电流的入端电位高，出端电位低，这就反映了在负载中有电流能量转换为其他能量。

电压的实际方向规定为电位降的方向，即由电流的入端指向出端。可见，负载上的电压与电流同向。电压的参考正方向也可任意选取，当实际方向与正方向一致时，电压为正值，反之，为负值。

【专业指导】 电压、端电压和压降

在汽车上使用数字式万用表时，黑表笔放在参考点上，红表笔放在测量点上可测两点之间的电位差，简称为电压。

端电压这个术语在汽车上使用时，举例如铅酸蓄电池开路端电压、铅酸蓄电池带载端电压、用电器的端电压等。

压降也就是分压多少的意思，通常将导线、开关或接地等因电阻很小出现的端电压（分压）称为压降，比如线路压降为多少，开关压降为多少，接地压降为多少。

2．电阻

直流电路中的负载性质主要是电阻性的，构成电阻的材料主要是导体，而且大多是金属导体。

我们把导体的端电压U和流过该导体的电流I的比值称为该导体的电阻，即

在温度一定的条件下，在一个电阻元件上加不同的电压时，会测得不同的电流，然后在U-I坐标平面上画出一条反映电压与电流之间关系的曲线，简称伏安特性。一般金属电阻值不随所加电压或通过的电流的变化而改变，即在一定的温度下电阻是常数。这种电阻的伏安特性是一条通过原点的直线，如图1-11所示，因而这种电阻称为线性电阻。

图1-11 线性电阻的伏安特性

如果式（1-3）中的电阻值R是常数，则该式所表明的规律就是欧姆定律，可见欧姆定律只适用于线性电阻。

推广来说，凡遵守欧姆定律的电气元件，就称为线性元件；由电源和线性元件组成的电路称为线性电路。本书电工学部分只讨论线性电路。

另一类电阻，其阻值随电压或电流的变化而改变，即其电压与相应电流的比值不是常数，称之为非线性电阻。例如，二极管的正向电阻就是非线性的，它的伏安特性如图1-12所示。晶体管的输入电阻和输出电阻也都是非线性的。

图1-12 二极管的正向伏安特性

对于具有非线性电阻的电路，欧姆定律已不适用，一般可根据电阻的伏安特性用图解法进行分析计算，或在小范围内将非线性电路近似地作为线性电路处理。

物理学中讲过，导体电阻不仅与它的长度和横截面积有关，而且还与导体材料有关。在一定温度下，通常用电阻率来比较不同导体材料在长度和横截面积都取1个单位时的电阻值的大小。

在常用的金属导电材料中，铜的电阻率很小，应用很广。铝的导电性能虽次于铜，但质量密度小，特别是我国铝的储量丰富，铝导线的使用日趋增多；不过，铝的拉力强度和韧性都不如铜，且焊接较困难。

电阻率较高的导体材料主要用来制造各种电阻元件，电阻元件也常简称为电阻。

电阻值的倒数称为电导，用G表示，即

式中，G的单位是西门子，简称西（S），1S=1Ω^-1。

导体的温度发生变化时，其电阻也随之变化。一般金属导体的电阻随温度升高而增大，称为正温度系数（Positive Temperature Coefficient，PTC）电阻；而碳的电阻却随温度的升高而减小，称为负温度系数（Negative Temperature Coefficient，NTC）电阻。

镍铬合金及铁铬铝合金在高温时有足够的机械强度和抗氧化性，且加工性能好，常用来制作电热元件。

锰铜、康铜的电阻受温度的影响很小，因此常用来制作标准电阻和电工测量仪表中的附加电阻。

铂的电阻受温度影响较大，而且铂的熔点高，常用来制成铂电阻温度计。

【专业指导】 在电动汽车上，空调加热器采用PTC电阻，当温度升高时，电阻的增加限制了电流最大值，从而有自动限流作用；电机中定子线圈测温中也可采用PTC电阻。

以上主要是讨论导体的电阻。广义地说，作为电路中的电阻元件，其特征是消耗一定的电能（将电能转变成非电能之后不再变回为电能）。因此，凡在电路中消耗一定电能的元件都可以用一个等效电阻来代替它。

电阻率很大的材料，电流很难通过，它对电流有绝缘的作用，称为绝缘体，又称电介质。例如，橡胶、玻璃、陶瓷、云母、电木、塑料等都是绝缘体。常用的铜芯或铝芯电线，外面都包裹着橡皮或塑料等绝缘体，以防止漏电和保证安全。但在超过绝缘允许的高电压下，绝缘体会被击穿而失去绝缘作用。或者由于导线中电流太大，发热过多，温度太高，致使绝缘体炭化、烧焦而失去绝缘作用。

【专业指导】 汽车电路中由于在开关S前有熔丝，熔丝以后的电路出现负载增大或短路等过电流故障时，熔丝熔断，起到保护作用，能主动防止失火。在插接器发生虚接时会出现绝缘体炭化、烧焦而失去绝缘作用，甚至出现失火。

导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。关于半导体导电的一些特殊性能，将在本书工业电子学篇章中论述。

还有一类物质，在较高的温度时是导体或半导体，甚至是绝缘体，可是当温度降到某一特定值T_C时，它的直流电阻突然下降为零，这一现象称为零电阻效应。人们把这类物质称为超导体，这种失去电阻的性质称为超导电性。出现零电阻时的温度T_C称为转变温度或临界温度。过去人们认为，超导性只是物质在低温（液氦区）时才会出现。1987年以来，中、美、日等国科学家相继发现了高达77K（液氮送）的超导材料（注:1968年国际实用温标规定：水的冰点为273.15K，氮的沸点为77K），人们认为找到常温下的超导体也是可能的。

超导的应用将涉及电力输送、发电、数字电子技术、大功率磁体、加速器、高速列车、医学等许多领域。若能找到较高转变温度的超导材料，将会引起一场新的技术革命。

3．电阻串联分压

将若干个电阻元件，顺序地连接成一条无分支的电路，称为串联电阻电路，如图1-13所示。

图1-13 电阻的串联

串联的基本特点如下：

1）流过串联各元件的是同一电流I。

2）串联各元件的电压之和，等于串联电路总的电压U。

在图1-13所示三个电阻的串联电路中，有

根据以上特点和欧姆定律，可求得串联等效电阻为

综上，串联电路的等效电阻等于各段电阻之和。若以等效电阻盘来代替串联的全部电阻，则在电压不变的条件下，电流也不会改变，因此称之为“等效”。

将式（1-5）等号两边乘以电流I，得

可见，串联电路的总电功率等于各段电功率之和。

利用欧姆定律可以证明：

这表明，串联电路各段电压与各段电阻成正比。

还可求得

这就是串联电路各段电压的分配公式，、、称为串联分压系数。

【专业指导】 汽车电路中很少出现串联电路，大多为并联电路。典型的串联电路为丰田汽车冷却风扇电路，在丰田汽车中，发动机散热器风扇和冷凝器风扇在温度不是过高时采用两个风扇串联，每个风扇电压为6V，风扇低速转动；发动机温度过高时，发动机散热器风扇和冷凝器风扇采用两个风扇并联，每个风扇电压为12V，风扇高速转动。

利用串联分压的道理，可以扩大电压表的量程；还可以制成电阻分压器，图1-14所示为它的原理图，由可变电阻器或电位器组成。图1-15所示常用的滑线电阻和电位器的外形图。

如图1-14所示，可变电阻器的总电阻为R，A、B两端接入电源电压U，C、D两端输出电压U_O由式（1-9）可得