第1章　汽車電氣維修基礎知識

1.1　電學基礎知識

1-1　什么是電路？

由金屬導線和電氣以及電子部件組成的導電回路，稱為電路，也就是電流所流過的路徑。直流電通過的電路稱為“直流電路”，交流電通過的電路稱為“交流電路”。

1-2　一般電路由哪幾部分組成？

一般電路都是由電源、負載、開關（控制元件）和連接導線四個基本部分組成。圖1-1所示為簡單電路及電路圖，當合上實際電路的開關時，因電流流過小燈泡，小燈泡發光。這樣，干電池、小燈泡、開關和連接導線就構成了一個簡單電路。

1-3　電源有何功用？

電源是將非電能轉換為電能（如干電池將化學能轉換為電能，發電機將機械能轉換為電能），向負載提供電能的裝置。常見的電源有干電池、蓄電池、發電機等，如圖1-2所示。

1-4　什么是負載？

負載就是用電器，它是將電能轉換成其他形式能的電器元件或設備，如燈泡將電能轉換為光能、電喇叭將電能轉換為聲能等。

1-5　開關有何功用？

開關是控制元件的一種類型，也就是用來控制電路接通和斷開的電器元件。作為開關的控制元件有很多種，如繼電器、各種開關、晶體管等，如圖1-3所示。

1-6　連接導線的作用是什么？

連接導線是將電源、負載、開關互相接通的連接線，擔負著傳輸和分配電能的任務。

1-7　什么是電路圖？有哪三種狀態？

用統一規定的符號表示電路連接的圖叫電路圖。電路圖有：通路、斷路（開路）和短路三種狀態。

小提示

◆通路和斷路是電路的常見狀態，例如，電燈的亮和滅。而短路是錯誤的危險狀態，是絕對應該避免的。

1-8　什么是通路？

如圖1-4所示，通路是指電流能在其中流通的電路，又稱閉路，此時電路有工作電流，且用電器正常工作。

1-9　什么是斷路？

如圖1-5所示，斷路是指電路中某處斷開（如開關斷開或自然故障斷開），不能成為通路的電路，又稱開路，此時電路中沒有電流，用電器不能工作。

1-10　什么是短路？

如圖1-6所示，短路是指電路（或電路中一部分）被短接。如負載或電源兩端被導體直接連接在一起就稱為短路，此時電源提供的電流將比通路時提供的電流大很多倍，因此，一般不允許短路。

小提示

◆如果在供電系統中短路，則屬嚴重事故，如在汽車電路中發生短路，將燒壞導線或電纜，時間長了，還會燒壞電源設備。

1-11　什么是串聯電路？

兩個或兩個以上的用電器相連接，其中第一個用電器的末端與第二個的首端相接，第二個的末端與第三個的首端相接，依此類推，最后第一個用電器的首端和最后一個的末端接在電源上，這種電路叫串聯電路，如圖1-7所示。

小提示

◆在串聯電路里，任何一個用電器斷開，整個電路便停止工作。

1-12　什么是并聯電路？

把用電器的一端連接于電路的某一點，另一端連接于電路的另一點，并且在電路的兩點之間同時接有多個用電器，這種電路叫并聯電路，如圖1-8所示。

小提示

◆并聯電路中當某一用電器停止工作時，不會影響其他用電器的正常工作。

△1-13　怎樣比較串聯與并聯的電路連接方式？

串聯與并聯的電路連接方式比較如表1-1所示。

1-14　什么是電壓？

電壓是推動電荷定向移動形成電流的原因。電流之所以能夠在導線中流動，也是因為在電流中有著高電勢和低電勢之間的差別。這種差別叫電勢差或電位差，也叫電壓（電壓的方向規定為從高電位指向低電位的方向，電壓永遠是正值，但電勢差有負值。通常以大地的電位為標準，稱為零電位）。換句話說，在電路中，任意兩點之間的電位差稱為這兩點的電壓。

電壓的國際單位制為伏特（V），常用的單位還有毫伏（mV）、微伏（μV）、千伏（kV）等。它們之間的換算關系如下。

1kV=1000V

1V=1000mV

1mV=1000μV

1-15　什么是直流電壓？

電壓的大小和方向均不隨時間變化的電壓叫直流電壓，也稱為穩恒電壓或恒定電壓，用大寫字母“U”表示。

1-16　什么是交流電壓？

電壓的大小和方向都隨時間改變的電壓叫交流電壓，如220V的民用交流電壓、380V的工業用交流電壓等，其大小及方向均隨時間按正弦規律作周期性變化。交流電壓的瞬時值要用小寫字母“u”或“u（t）”表示。

在電路中提供電壓的裝置是電源。電壓的大小可以用電壓表（符號“V”）測量。

1-17　電壓是如何分類的？

電壓可分為高電壓、低電壓和安全電壓。

高、低電壓的區別是，以電氣設備的對地電壓值為依據，對地電壓高于1000V的為高電壓，對地電壓小于或等于1000V的為低電壓。

1-18　什么是安全電壓？

安全電壓指人體較長時間接觸而不致發生觸電危險的電壓。按照國家標準《特低電壓（ELV）限值》GB/T 3805—2008安全電壓規定了為防止觸電事故而采用的由特定電源供電的電壓系列。

我國對工頻安全電壓規定了五個等級，即42V、36V、24V、12V以及6V。

1-19　什么是電流？

電流，是指電荷的定向移動。電源的電動勢形成了電壓，繼而產生了電場力，在電場力的作用下，處于電場內的電荷產生定向移動，形成了電流。

物理上規定電流的方向是正電荷定向移動的方向或者負電荷定向移動的反方向。

電流的大小稱為電流強度（簡稱電流，符號為“I”），是指單位時間內通過導線某一截面的電荷量。電流單位安培，簡稱安，符號是“A”。

安培是國際單位制中所有電性的基本單位。常用的單位有毫安（mA）、微安（μA），換算關系如下。

1A=1000mA

1mA=1000μA

1kA=1000A

1-20　電流是如何分類的？

電流可分為直流電流和交流電流。

不隨時間變化的電流稱為直流電流。工程上常將以直流分量為主的電流也稱為直流電流。

周期地變化而不含直流分量的電流稱為交流電流。電工中涉及的電流除直流、交流及瞬變電流外，還有傳導電流、運流電流和位移電流。隨時間變化的電流稱為瞬變電流。

1-21　什么是電阻？

電荷在導體內流動時，必須克服導體內電荷的吸引力和導體內自由離子的碰撞而產生的阻力。這種導體對電荷流動的阻礙作用稱為導體的電阻，用符號“R”表示。

電阻的單位為歐［姆］，用符號“Ω”表示。常用的單位有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ），換算關系如下。

1MΩ=1000kΩ

1kΩ=1000Ω

1-22　電阻有什么作用？

電阻在電路中通常起分壓、分流的作用。

1-23　什么是導體、絕緣體、半導體？

電阻較小的物體（如金、銀、銅、鐵等）稱為導體。

電阻較大的物體（如塑料、陶瓷、橡膠等）稱為絕緣體。

介于導體與絕緣體之間的某些物體（如硅、硒、鍺等）稱為半導體。

1-24　什么是歐姆定律？

在電路中，電流強度I與電壓U成正比，與電阻R成反比。用公式表示為：

I=U/R

這就是電學中最基礎的歐姆定律。

△1-25　什么是電功率？

在電路中，電流I與電壓U的乘積稱為電功率，用符號“P”表示。電功率的單位為瓦［特］，用符號“W”表示。電功率公式為：

P=IU

1-26　什么是電阻器？在電路中的連接形式有哪兩種？

電阻器是按照不同用途而制作的一種具有一定數值電阻的元件。

電阻器在電路中的連接有串聯和并聯兩種形式。

△1-27　電阻器的串聯電路特點如何？

電阻器的串聯電路如圖1-9所示。

從實驗中得知：

①串聯電路中的總電阻等于各個電阻之和，用公式表示為：

R=R1+R2+R3

②串聯電路兩端的總電壓等于各串聯電阻兩端電壓之和，用公式表示為：

V=V1+V2+V3

③串聯電路中的電流強度在各處是相等的，用公式表示為：

I=I1=I2=I3

△1-28　電阻器的并聯電器特點如何？

電阻器的并聯電路如圖1-10所示。

從實驗得知：

①并聯電路中總電阻的倒數等于各電阻的倒數之和，用公式表示為：

②并聯電路中各電阻兩端的電壓是相等的，用公式表示為：

V=V1=V2=V3

③并聯電路中，干路中的電流強度等于各并聯支路電流強度之和，用公式表示為：

I=I1+I2+I3

△1-29　什么是電容器？

電容器俗稱電容。電容器是由兩個相互靠近且中間有各種介質絕緣的金屬薄片組成，兩金屬薄片分別作為電容器的兩個電極。用電解質作介質的叫電解電容器，用陶瓷作介質的叫陶瓷電容器，用云母作介質的叫云母電容器，如圖1-11所示。

電容器是存放電荷的容器，主要參數是電容量，用符號“C”表示。電容量C表示電容器儲存電荷的本領，其單位為法、微法、皮法，分別用符號“F”“μF”“pF”表示。

1F=106μF=1012pF

△1-30　電容器具有哪些特性？

電容器在電子線路中也是廣泛應用的器件之一，多用它來濾波、隔斷直流電、交流耦合、交流旁路等，也用它和電感元件一起組成振蕩電路。

①電容器在同等電壓的作用下，電容量越大，儲存電荷的本領越大，儲存電荷量越多。

②加在電容器兩端的電壓越高，儲存的電荷量越多。

③向電容器儲電時，電容量越大，儲足電荷所用的時間越長。

④利用電容器儲存電荷與釋放電荷（俗稱充電與放電）的作用，較高頻率的交流電相當于能通過電容器。

⑤電容器有隔斷直流電通過的作用。

1-31　什么是磁場？

無論是天然磁石，還是人工磁鐵，都有吸引鐵、鎳、鈷等物質的性質，這一性質叫作磁性。它們之間的作用力叫作磁力。磁性物質周圍存在著一個磁力的區域，這個區域叫作磁場。

1-32　什么叫磁力線？

磁場是看不見的，但在磁鐵上面放一玻璃或硬紙片，在上面均勻地撒上一層鐵屑，稍加振動，就會發現鐵屑在磁場作用下，有規律地排列成如圖1-12（a）所示的形狀。為了研究方便，把鐵屑受磁場作用而排列的形狀按方向用線連起來，這些線條稱為磁力線。

磁力線描述了磁場的分布情況，磁力線稠密的地方，磁力作用強；磁力線稀疏的地方，磁力作用就弱。

1-33　什么叫磁極？

磁性最強的兩端叫作磁鐵的磁極。如把一條形磁鐵懸掛在空中，它的兩極分別指向地球的南極和北極方向。其中指向南極的磁極稱為S極，指向北極的磁極稱為N極。規定磁力線的方向是從N極指向S極，如圖1-12（b）所示。

1-34　什么叫磁通量？

在磁場中，某一面積中通過磁力線的條數，叫作通過這個面的磁通量，簡稱磁通，用符號“Ф”表示。

1-35　通電導體和通電線圈的磁力線是怎樣的？

磁場不僅存在于磁鐵的周圍，通電（載流）導體的周圍也存在磁場。

通電導體產生的磁場磁力線是許多以導體為中心的同心圓，如圖1-13所示。磁力線的方向由右手定則判定。

通電線圈產生的磁場如同一塊條形磁鐵，其磁力線如圖1-14所示。磁力線的方向也由右手定則判定。

1-36　通電線圈產生的磁場強度特點如何？

通電線圈產生的磁場強度，與通過線圈的電流強度成正比。通過的電流越大，產生的磁場越強；通過的電流越小，產生的磁場越弱。

如果在線圈中加入鐵芯，產生的磁場會進一步加強。發電機線圈、點火線圈的繞線都是繞制在鐵芯上，以加強產生的磁場。

1-37　電磁感應有哪些規律？

人們在實驗中發現電磁感應有以下規律。

①不論用何種方式，只要使某一閉合回路所包圍面積中的磁通量發生變化，那么，在該回路中便會產生感應電流。

②感應電流產生的磁場，總是阻礙原磁場變化。簡單地說，穿過閉合回路的磁力線增加時，感應電流產生的磁場與原磁場的磁力線方向相反；穿過閉合回路的磁力線減少時，感應電流產生的磁場與原磁場的磁力線方向相同。

③感應電勢E（線圈兩端的電壓）的大小與穿過閉合回路磁通量Φ的變化率成正比。

1-38　半導體元件有何特點？

半導體元件是由在純凈的半導體材料中摻入少量有用雜質而形成的材料制成的。它在某些條件下表現為導體的特性，而在另一種條件下表現為絕緣體的特性。

小提示

◆在汽車電氣設備中應用較多的半導體元件有二極管、晶閘管和三極管。

1-39　什么是二極管？

二極管又稱晶體二極管，它是一種能夠單向傳導電流的電子器件。由P型半導體和N型半導體形成的PN結構成，在其界面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于PN結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態。

小提示

◆二極管具有單方向導電的特性。在汽車電氣設備中，利用二極管的特性，將交流發電機發出的交變電流變為單一方向流動的直流電。

1-40　二極管的特性如何？

二極管有兩個電極，即陽極（+）和陰極（-），其外形、內部結構和代表符號如圖1-15所示。

當陽極的電位高于陰極的電位時，二極管的兩極間導通，呈現導體的特性，見圖1-16（a）；當陽極的電位低于陰極的電位時，二極管的兩極間不導通，呈現絕緣體的特性，見圖1-16（b）。

1-41　二極管的結構特點如何？

二極管常用結構有兩種：點接觸型二極管和面結合型二極管。

1-42　點接觸型二極管結構有什么特點？

點接觸型二極管就是由一根較細的金屬絲壓在光滑的半導體（硅或鍺）薄片上構成的，經過適當處理，在半導體薄片與金屬絲的接觸點附近形成了一個PN結，出現了單向導電性。金屬絲為正極，半導體薄片為負極，結構如圖1-17（a）所示。

1-43　面結合型二極管結構有什么特點？

面結合型二極管是利用摻雜質的方法制成PN結的，其結構如圖1-17（b）所示。同點接觸型二極管相比，面結合型二極管的PN結面積大，能承受較大的電流及電壓，因此，面結合型二極管常用作功率較大的電源整流之用。

△1-44　二極管的類型有哪些？

二極管的類型主要有整流二極管、穩壓二極管、發光二極管、檢波二極管、繼流二極管和變容二極管等。

△1-45　整流二極管有什么作用？

整流二極管利用二極管單向導電特性，可以把方向交替變化的交流電轉變成單一方向的脈動直流電。

△1-46　穩壓二極管有什么作用？

穩壓二極管是利用二極管的反向擊穿特性制成的，在電路中其兩端的電壓保持基本不變，起到穩定電壓的作用。反向擊穿電壓恒定，且擊穿后可恢復，利用這一特性可以實現穩壓電路。

△1-47　限幅元件有什么作用？

二極管正向導通后，它的正向壓降基本保持不變（硅管為0.7V，鍺管為0.3V）。利用這一特性，在電路中作為限幅元件，可以把信號幅度限制在一定范圍內。

△1-48　發光二極管有什么作用？

發光二極管是用磷化鎵、磷砷化鎵材料制成的，體積小，正向驅動發光，工作電壓低，工作電流小，發光均勻、壽命長，可發紅、黃、綠、藍單色光。隨著技術的進步，研制成了白光高亮二極管，形成了LED照明這一新興產業。作為發光管，用于VCD、DVD、計算器等顯示器上。

△1-49　檢波二極管有什么作用？

檢波二極管的主要作用是把高頻信號中的低頻信號檢出。在各種收音裝置中起檢波作用。

△1-50　繼流二極管有什么作用？

繼流二極管在開關電源的電感中和繼電器等感性負載中起繼流作用。

△1-51　變容二極管有什么作用？

變容二極管使用于電視機的高頻頭中，起變容作用。

1-52　什么是三極管？

三極管，全稱應為半導體三極管，也稱晶體三極管，是一種電流控制電流的半導體器件。其作用是把微弱信號放大成幅值較大的電信號，也用作無觸點開關。

小提示

◆三極管是一種電流放大器件，但在實際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉變為電壓放大作用。

△1-53　三極管如何分類？

①按材質分：硅管、鍺管。

②按結構分：NPN型、PNP型（見圖1-18）。

③按功能分：開關管、功率管、達林頓管、光敏管等。

④按功率分：小功率管、中功率管、大功率管。

⑤按工作頻率分：低頻管、高頻管、超頻管。

⑥按結構工藝分：合金管、平面管。

⑦按安裝方式：插件三極管、貼片三極管（見圖1-19）。

△1-54　三極管的結構如何？

三極管內部為由P型半導體和N型半導體組成的三層結構，根據分層次序分為NPN型和PNP型兩大類。上述三層結構即為三極管的三個區，中間比較薄的一層為基區，另外兩層同為N型或P型，其中尺寸相對較小、多數載流子濃度相對較高的一層為發射區，另一層則為集電區。三極管的這種內部結構特點，是三極管能夠起放大作用的內部條件。三層結構可以形成兩個PN結，分別稱為發射結和集電結。三極管符號中的箭頭方向就是表示發射結的方向。

三極管有三個電極，即基極b、集電極c和發射極e。三極管的符號如圖1-20所示，其結構原理如圖1-21所示。

小提示

◆三極管內部結構中有兩個具有單向導電性的PN結，因此，當然可以用作開關元件，但同時三極管還是一個放大元件。

▲1-55　三極管的工作狀態有哪幾種？

三極管有放大狀態、截止狀態和飽和狀態三種工作狀態。

▲1-56　三極管的放大狀態有什么特點？

三極管放大狀態工作電路如圖1-22（a）所示。三極管處于放大狀態的工作條件是Vc>Vb>Ve，即三極管的集電極電位Vc必須大于基極電位Vb，基極電位Vb必須大于發射極電位Ve時，三極管處于放大工作狀態。此時，在基極b與發射極e間加入一信號電壓時，基極電流Ib將會產生一很小變化，使集電極電流Ic產生很大變化（電流放大）。集電極電流的變化量ΔIc與基極電流的變化量ΔIb的比值稱為三極管共發射極電流放大系數，用符號β表示，即β=ΔIc/ΔIb。通常三極管的電流放大系數β在40～200范圍。

三極管的放大狀態工作條件是靠合理選用電阻R1和電阻R2來保證的。R1和R2的分壓通常稱為偏壓。電容器C1、C2的作用是隔斷直流，允許信號電壓通過。

▲1-57　三極管的截止與飽和狀態有什么特點？

三極管的截止與飽和狀態工作電路如圖1-22（b）所示。三極管的三個電極的電位符合Vb<Vc、Vb≤Ve條件時，三極管處于截止工作狀態。此時，三極管的三個電極就像相互斷開一樣。當三極管的基極電流Ib足夠大，當Ib≥Ec/β（Rc+Re）時（Ec為電池端電壓，Rc、Re分別為集電極上的電阻和發射極上的電阻值），三極管集電極c與發射極e處于飽和導通狀態。此時可近似地看成是集電極c與發射極e短接。

三極管的截止與飽和狀態，主要是由控制信號來控制的。利用三極管的截止與飽和兩個工作狀態，在電子裝置中，可將三極管作為開關元件使用。