第1章　汽車電工基本知識

1.1　電工電子基礎知識

1.1.1　電工電子常見基本概念及定律

（1）電壓、電流和電阻

電壓、電流、電阻是組成任何汽車電子電路的三大要素，圖1-1-1描述了三者之間的關系。電壓是電子流過導體（電路）形成電流的動力，而電阻就是電子移動過程中遇到的阻力，不過要說明的是只有在封閉的電氣回路中才能形成電流。

為了能夠更好地了解電壓、電流、電阻以及半導體、導體和絕緣體等，在此先介紹一些原子物理學的基礎知識。

① 原子、電子和電荷載體　所有物質都由不同的元素構成。這些元素最小的組成部分是原子。原子是可分割的，由中子、質子和電子組成。關于原子結構有多種不同理論。尼爾斯·玻爾理論是電工學理論中最為直觀的一個。中子是不帶電荷的質量粒子。質子是帶正電荷的粒子。電子是帶負電荷的粒子。電子多于質子或質子多于電子時將原子稱為離子。電荷載體可以是電子（金屬電荷載體）或離子（液態和氣態電荷載體）。

② 電壓　正電荷與負電荷分別位于不同兩側時便會產生電壓電源。電壓電源始終具有帶有不同電荷的兩極：一側是缺少電子的正極；另一側是電子過剩的負極。在負極與正極之間有一種電子補償趨勢，即兩極連接起來時電子由負極流向正極。這種電子補償趨勢稱作電壓。

汽車蓄電池內的電化學過程使電荷分離：電子聚集在一側（負極）；另一側缺少電子（正極）。兩極之間產生一個電位差，即電壓。電壓的高低取決于電子數量之差，可用圖1-1-2中的水位差來解釋此現象。如果用一個帶有規定電阻的導體將蓄電池兩極連接起來，電子就會從負極移向正極。電流一直流動，直至兩極之間不存在電位差或電路斷路。

可按以下方式描述電壓：電壓是施加在自由電子上的壓力或作用力；電壓是產生電流的原因；兩點或兩極之間產生電荷差時就會形成電壓（壓力）。

電壓的符號是U，計量單位是V。數值和極性保持不變的電壓稱為直流電壓。使用最多的直流電壓電源包括原電池（蓄電池）、發電機（部分接有整流器）、光電池（太陽能系統）和開關模式電源。數值大小和極性不斷變化的電壓稱為交流電壓。

③ 電流　是指電荷載體（例如物質或真空中的自由電子或離子）的定向移動。電壓是產生電流的原因。只有在閉合的電路內才有電流流動，如圖1-1-3所示。

電路由電源（例如電池）、用電器（例如一個白熾燈泡）和導線組成。通過開關可使電路閉合或斷開。每個導體都帶有自由電子。電路閉合時，所施加的電壓使導體和用電器的所有自由電子同時朝一個方向移動。每個時間單位內流動的電子（電荷載體）數量就是電流強度，俗稱電流。每秒鐘流經導體的電子越多，電流強度就越大。

電流強度的符號是I，計量單位是A。在最簡單的情況下，電流流動不隨時間而改變。這種電流稱為直流電流（DC）。除直流電流外還有交流電流（AC）。交流電流是指以周期方式改變其極性（方向）和電流值（強度）的電流。電流變化頻率（通常也稱為電源頻率）表示每秒鐘內電流朝相同方向流動的次數。

在導體內的準確過程尚不清楚時，人們認定電壓電源外部的電流方向為從正極流向負極。這種電流方向稱為技術電流方向，如圖1-1-4所示。雖然當時這種假設已遭到駁斥，但出于實際原因仍保留了原來（歷史）的電流方向。因此，即使在今天仍將電路內部的電流方向規定為從正極流向負極。為了了解電流流動機制以及物質的特定電氣特性，人們考慮了電荷載體的實際移動情況。在一個閉合電路內，負極排斥自由電荷載體（電子），正極吸引自由電荷載體（電子），因此產生一個從負極流向正極的電子流。該電流方向為物理電流方向，又稱為電子流動方向。

④ 電阻　自由電荷載體在導體內部移動的結果是，自由電荷載體與原子相撞，因此電子流動受到干擾。這種效應稱作電阻。該效應使電阻具有限制電路內電流的特點。電阻也稱為歐姆電阻。在電子系統中，電阻的作用非常重要。除作為元件的標準電阻外，其他各部件都有一個可影響電路電壓和電流的電阻值。

電阻的符號是R，計量單位是Ω。

導線的電阻取決于導體的尺寸、電阻率和溫度。導體越長電阻值越大。導體橫截面越大電阻值越小。相同尺寸的不同材料電阻值不同。每種物質都有一個特定的電阻率ρ。某種物質的電阻率是指溫度為20℃時長1m、橫截面1mm²導體的電阻值。溫度越低電阻越小。

（2）歐姆定律

電流、電壓、電阻稱為電的三要素，它們之間的關系就是歐姆定律。在同一電路中，導體中的電流與導體兩端的電壓成正比，與導體的電阻成反比，這就是歐姆定律。

電壓、電流和電阻之間的關系可用圖1-1-5的水流來代替說明。電壓一定時，電阻越高，電流越小。如圖1-1-6所示，水流的壓力隨著位于水箱和水輪之間的閥門的開度而變化，因此水輪機的轉速也隨之變化。此閥門相當于電路中的電阻。

如圖1-1-7所示，增加水箱中水的容量可以增加水輪的速度。另外，減小閥門的開度阻止水流，便減慢了水輪的速度。因此，調節水壓及閥門開度便可以將水輪控制在設定的速度運行。同樣，在電路中，改變電阻及電壓，可以對電路中各設備分配不同的做功量。

歐姆定律公式如圖1-1-8所示。電流、電壓和電阻存在以下關系：增加電壓可以增大電流；減少電阻可以增大電流。這種關系可歸納如下：電流與電壓成正比，與電阻成反比。電壓、電流及電阻間的這種關系由歐姆定律定義，寫成公式為

U＝RI

式中　U——電壓，V；

　　　R——電阻，Ω；

　 　　I ——電流，A。

1.1.2　電路的基本概念

電路的概念可通過圖1-1-9來理解。如圖1-1-9（a）所示，把蓄電池的正極、負極與燈泡用導線連接起來形成電通路稱為電路或回路。如果用符號表示圖中的電器，就會得到圖1-1-9（b）所示的電路圖，圖中R表示燈泡的電阻，箭頭表示電流的方向。如果在圖1-1-9（b）電路中增設開關就形成了圖1-1-9（c）所示電路，該電路可通過開關控制通與斷。開關斷開時，電路中沒有電流通過，燈不亮，這種狀態稱為開路或斷路。當開關閉合時，電路中有電流通過，燈亮，這種狀態稱為通路。

圖1-1-10是一個簡單的電路，一個完整的電路由電源、負載、控制和保護裝置及連接導線四部分組成。電路中的負載是將電能轉換成其他形式能量的裝置。負載性質可分為電阻組件、電感組件和電容組件三種。圖1-1-10中的蓄電池就是電源，保險絲是保護裝置，開關用于控制電路通斷，是控制部件，而燈泡就是負載，導線和接地連接都屬于電路連接。

1.1.3　電路的基本連接方法

電路的基本連接有串聯和并聯兩種。

（1）串聯

串聯就是將所有的負荷（負載電阻）連接成一個通路，如圖1-1-11所示。它的特點是各負荷中通過的電流相等。串聯電路的總電阻等于各電阻之和。在電源串聯電路中，電源總電壓等于各電源電壓之和。在柴油車的電源供應上，通常用兩個12V蓄電池串聯得到24V電壓。

在一個串聯電路中，由于電荷移動的路線只有一條，因此相同的電流經過每個電阻（負載），電壓會因為串聯電阻數量的增多而下降。電阻越大，在電路中的串聯分壓就越大，也就是說每個電阻兩端的電壓與它的阻值大小成正比。在串聯電路中，6Ω的燈泡分得的電壓就是2Ω燈泡的3倍。電路中串聯的燈泡越多，燈泡的亮度越暗。

（2）并聯

將幾個負載的一端和另一端分別與電源相連，稱為并聯，如圖1-1-12所示。在這個電路中有更大的橫截面供電流通過。因此總電阻較小。并聯電路的總電阻始終小于最小的單個用電器的電阻。用電器并聯時，施加在所有用電器上的電壓都相同。正是因為這種特性，并聯電路在汽車中及家用和工業用電中最為常用。

將相同規格的蓄電池進行并聯（正極與正極相連，負極與負極相連）時，無論并聯幾個，電壓均保持不變，僅容量增加，是各蓄電池容量之和。當汽車的啟動蓄電池虧電或電壓過低時，常采用這種蓄電池并聯的方式啟動發動機。