1.1 电路

例 1-1 电路

电路是电流的通路，无论简单与复杂，能完成某项特定功能的电路都必须有电源、负载和导线这三个基本要素。把电源的正极、负极与负载用导线连接起来形成电通路称为电路或回路。如图1-1所示。

1.1.1　电路的组成

例 1-2 电源

电源在电路中提供电能，有交流和直流两种电源。汽车上所使用的蓄电池和发电机是直流电源。蓄电池是将其极板上储存的化学能转变成电能向汽车上的用电设备供电，而发动机则是在发动机的驱动下将机械能转变成电能向汽车电路输出电流。图1-1（a）中的电源即为蓄电池。

例 1-3 负载

图1-1（a）中的灯泡即为负载。负载在电路中可将电能转变成光、声、热、机械等能量，电路通过负载实现其功能，负载有电阻、电容和电感三种类型，电阻类负载消耗电能，而电容和电感本身并不消耗电能。在汽车上，各种照明和信号灯、电喇叭、继电器及电子装置等均是汽车电路中的负载。

但实际电路中的负载，可能同时具有电阻、电容和电感。一个元件是纯电阻、纯电容或纯电感的电路很少，它可能是以电阻、电容、电感中的某种特性为主，兼有其他一种或两种负载特性，比如继电器线圈，是电感类负载，但同时具有直流电阻和分布电容。一般电路中，比如灯泡的灯丝、电阻器等主要表现电阻特性，相比之下其电容性和电感性完全可以忽略，我们可以把它们看成是纯电阻元件；电容器呈电容特性，是电容元件，匝数较少的电感线圈则可以看成是纯电感元件，当线圈的匝数较多时，其线圈导线的电阻就不能忽略了。点火线圈在电流变化中主要表现为电感性，同时也表现有电阻性，因此在做电路分析时其电感和电阻参数都应考虑。

例 1-4 导线

导线在电路中连接电源和负载，起传输和分配电能的作用。导线通常是由铜、铝、银等金属导体制成，并用绝缘材料包装。汽车电路的导线就是连接电源与各用电设备的配线，汽车电路还利用“搭铁”来简化线路，即通过发动机的机体、车身及车架等金属部分作为电流的回路。

除了电源、负载和导线这三大要素外，汽车电路中通常还配以相应的控制开关以及熔断器、易熔线、断路器等电路安全保护器件，见图1-1。控制开关可使电路在人们的控制下工作，安全保护器件则是为了保护电路不被过载电流和短路电流烧坏。

1.1.2　电路的基本参数

例 1-5 电场

电场是电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质。只要电荷存在，它周围就存在电场，电场是客观存在的，它具有力和能的特性。电荷间的作用总是通过电场进行的。带电的正负极板之间就存在着电场，静止不动的带电粒子会在其周围形成电场，电场对静止的电荷有电场力的作用。

例 1-6 电动势

电动势E的物理定义是电源力把单位正电荷从电源的负极移动到正极所做的功。在电源的内部，电源的正极和负极之间存在着电场，要保持电源有对外的供电能力，就必须用电源力来克服电源内部的电场力，持续不断地将正电荷从电源的负极移动到电源的正极。

电动势是反映发电机、蓄电池等电源的电源力对电荷做功的能力，它的单位是伏特，简称伏（V）。电源力可由热能、机械能、化学能等其他能量转化而来。由图1-2可知，建立了电动式的电源，当外接外电路和负载后，就会在电路中形成电流。

例 1-7 电压

电压U就是静电场或电路中两点之间的电位差，它反映电场力对电荷做功的能力，数值上等于电场力把单位正电荷从电源的正极经外电路移动到负极所做的功，电压的单位也是伏特（V），从电动势和电压的定义来看，两者的物理意义显然是不相同的，电动势表示电源内部电源力对电荷做功的能力，而电压反映的是电路中电场对电荷做功的能力。

例 1-8 电流

电流是指电荷有规律的运动，而导体能通电流是因为导体中有受原子核束缚力很小的自由电子，这些自由电子平时围绕原子核做不规则运动。当电路接通电源时，通过导体形成外电场，导体中的自由电子就会在电场力的作用下作定向运动，即形成了电流。电流的大小以单位时间里所通过的电荷来度量，其单位是安培，简称安（A）。电流的方向就是正电荷运动的方向，从电源的正极流向电源的负极，而导体中实际运动的是电子（负电荷），其定向运动的方向与电流方向相反。

例 1-9 电位

电路中的电位就是相对于电路中的某参考点的电压。参考点不同，电路中各点的电位也不同。

图1-3中各段电路的电压为：

若以A点为参考点，电路中其他各点的电位为：

若以B点为参考点，电路中其他各点的电位为：

电路中两点之间的电压绝对值是确定的，正负则与参考点有关。比如，UAB=60V，UBA=–60V。电路中各点的电位是相对于参考点而言的，选择不同的参考点，电位的正负和大小就会不同。

1.1.3　电路的几种状态

例 1-10 电路有载工作状态

电路的有载工作状态就是指其正常的工作状态，当电路开关接通时，电路就处于有载工作状态。无论实际的电路中其电源和负载有多复杂，通过电路分析，均可等效简化为如图1-4所示的等效电路。

有载工作状态下电路的基本特性如下。

① 电路中电流的大小与电源电动势的大小、电源内阻及电路的电阻大小有关。

② 电路中导线、开关及保护元件的电阻极小，可忽略不计，因而电路的电阻就是负载的电阻。加在负载上的电压降，其数值上就是电流和负载电阻的乘积，且与电源的端电压一致。

③ 电源电动势减去电源内阻上的电压降才是电源的输出端电压，因此当电路的工作电流很大时，由于电源内阻的电压降较大，电源输出的端电压与其电动势会有较大的差别。比如，汽车蓄电池的电动势为12V，而在启动时，由于启动电流达100A以上，蓄电池内电阻上的电压降可达2～4V，蓄电池实际输出的端电压会降至8～10V。

④ 当电路中有开关触点接触不良、导线连接不良的情况出现时就会有接触电阻，电流通过时也会有电压降。因此，当负载两端的电压降明显低于电源的端电压时就说明在电路中相关器件触点或线路连接有接触不良之处。

例 1-11 电路开路状态

在电路开关未接通（断开）时，电源输出电流I=0，此时电源的端电压等于电源电动势，即U=E，如图1-5（a）所示。当汽车电路所有的用电设备均不通电时，蓄电池对外不输出电流，这时测得的蓄电池正负极桩之间的电压与蓄电池的电动势相同。

当电路的某处断路时，电路也不通电，此时电路负载上无电压降，在电路的断点之处可测得电源的端电压。如图1-5（b）所示。

例 1-12 电路短路状态

电路短路相当于负载电阻为零，如图1-6所示。此时电源的端电压为0，其电流的大小为 。

由于电源的内阻一般都很小，故输出的短路电流很大，可将电源和线路烧毁。因此，汽车电路中设有电路保护装置（如熔断器），以便在电路出现短路故障时，及时切断电路，避免线路被烧坏。

1.1.4　电路中负载形式

负载在电路中可能会同时表现出电阻、电容、电感，但是分析识读电路时我们把它们简化为纯电阻、纯电容、纯电感。下面介绍纯电阻、纯电容、纯电感的基本特性。

例 1-13 电阻元件基本特性

（1）电阻的降压作用

电路中具有阻碍电流通过作用的元件称为电阻，电阻是耗能元件，电阻R的单位为欧姆，简称欧（Ω）。电流流经电阻时就有电压降，对于一个定制的线性电阻来说，电路中流过电阻R的电流I与电阻两端的电压成正比，即U=RI。

（2）电阻消耗电能

电阻通电后会消耗电能并将电能转化为热能，产生的热量Q不仅与电阻值R有关，还与通电电流I的大小和通电时间t成正比关系。

（3）汽车电路中电阻特性启示

① 点火线圈产生高温　点火线圈具有一定的电阻，因此在工作时，电流流过点火线圈会产生热量而使其温度上升。如果因电源电压过高（充电器故障）或点火线圈初级绕组持续通电，就会因点火线圈初级绕组流过的电流过大，产生的热量过多而来不及散去，使点火线圈的温度过高，容易造成点火线圈使用寿命缩短或直接被烧毁。对于湿式点火线圈，电流过大还会有爆炸的危险。

② 接触不良造成电压降　在汽车电路中，开关触点、继电器触点、线路连线端子及蓄电池导线接头等若有接触不良，就会产生接触电阻，并在电流流过时产生电压降。电路中接触电阻产生的电压会使用电设备的电压降低，电流减小，造成用电设备工作不正常或不能工作。

③ 接触不良造成温升　电流经过接触电阻也会产生热量，使接触不良之处的线路连接端子的温度升高。因此对于通过电流比较大的线路、充电电路等，在其线路连接处有时可以通过手触摸连接处是否有异常的温升来判断。

例 1-14 电容元件基本特性

电容器是由中间隔有介质的两个电极构成，电容可以储存电场能量，但电容元件本身并不消耗能量。开关电路中的电容见图1-7，开关电路中的电感见图1-8。

（1）电容可储存电场能量

当电流对电容充电时，在电容两个电极上就集聚起电荷，使电极之间形成一个电场。对电容的充电过程实际上就是电容将电源的电能转化成其内部电场能量的过程，电容储存电场能量Wc的大小与电容器C和电容两端的电压U的关系如下。

（2）电容对直流电开路

在直流电路中，直流电源对地电容的充电使其两端的电压Uc升高，当Uc升高到与电源端电压U相等时，充电电流Ic降至零。此后，只要电容不放电或本身不漏电，连接电容的电路就不可能有电流流过了，因此电容对直流电可以看成是开路的。

（3）电容对交流电的容抗作用

电容对交流电的容抗大小与交流电的频率关系为 ，电容量越大，对交流电的阻碍作用就越小。电容的容抗与交流电的频率f也成反比。对于高频交流电，电容的容抗很小，可以忽略。也就是说，电容对频率很高的交流电就相当于一段导线是通路的。

（4）电容两端的电压不能突变

当电路中有瞬变的电压产生时，瞬变电压就会对电容形成充电电流，并不能使电容两端的电压突然升高，而是在充电过程中使电容两端的电压逐渐上升。电压上升的速率与电容的电容量大小及所形成的充电电流大小（取决于充电回路的电阻）有关，电容量越大，电压上升就越慢，充电后上升的电压也越低。

（5）汽车电路中的电容特性应用实例

① 电容吸收自感电动势　传统的触点式点火系统分电器上的电容器并连于断电器触点的两端，这是利用电容两端电压不能突变的特性来吸收点火线圈初级绕组的自感电势，以减小触点火花和提高次级电压。

② 电容的滤波作用　一些汽车发动机转速表信号取自点火线圈负极接线柱，通过电容的滤波作用，滤除高频脉冲，非共振型爆燃传感器的信号也需要通过电容的滤波才能取得爆燃信号，一些电子点火系统的点火线圈处接一个电容，用于衰减点火电路产生的高频震荡波，减小对无线电的干扰。

③ 蓄电池的电压安全保护作用　蓄电池相当于一个大容量的电容，用它可以吸收电路中的瞬变过电压，使电压稳定，对电子元件起到了保护作用。

例 1-15 电感元件基本特性

变压器绕组、电动机绕组、点火线圈绕组、继电器线圈等都具有电感特性，可存储磁场能量，电感元件也不消耗能量。

（1）电感存储磁场能量

当电感线圈通电后，就会在线圈周围形成一个磁场，把电源的电能转变成了磁场能量。

（2）电感线圈对直流电通路或呈电阻性

对于匝数较少的线圈，其电阻可忽略不计，而其电感对直流电不起作用。因此电感线圈对直流电来说相当于一根导线，汽车电路电器中的一些电感元件，如点火线圈、继电器线圈等，都是由多匝线圈构成，其电阻参数不可忽略，因此这些匝数较多的线圈对直流电而言就相当于一个电阻。

（3）电感对交流电有感抗作用

电感对交流电的感抗XL作用与交流电的频率f之间的关系为XL=2πfL，感抗XL与交流电的频率f成正比，对于高频交流电，很大程度上可以把电感看成是开路的。

（4）电感两端的电流不能突变

当电路出现开关打开或关闭，或电路突然出现断开等情况时，电感线圈会产生一个自感电动势eL去阻碍电流的变化，使得流过电感线圈的电流i变化有一个过程。电感量越大，产生的自感电动势也越大，电流的变化也就越慢。

（5）汽车电路中的电感特性应用与影响

① 点火线圈储存点火能量　点火线圈初级绕组通电时，将电源的电能变为磁场能量，并在初级绕组断电时再转化为火花塞电极的点火能量。

② 电感的自感电动势造成过电压　点火线圈、继电器线圈、发电机和电动机的绕组等电感在电路开关开闭时或是通电线路突然断开时会产生自感电动势，这些瞬变的电压会很高，容易对汽车上的电子元件造成危害。因此，现代汽车电气设备出于对汽车电路中电子元件的保护考虑，特别强调蓄电池的连接要可靠，这是因为蓄电池相当于一个大电容，可吸收瞬变过电压，对稳定电网电压可起到很重要的作用。

1.1.5　电路中负载的连接方式

例 1-16 串联

串联就是将所有的负荷（负载电阻）连接成一个通路，如图1-9所示。特点是各负荷中通过的电流相等。电路中电阻串联的等效电阻是各个串联电阻值之和（R=R1+R2+R3），而电路中各串联电阻上的电压就是其电阻与电流的乘积

（U1=IR1，U2=IR2，U3=IR3）。串联电路中，电阻值大的电阻其电压也高。串联电路的电压降分别为，各串联电阻的电压之和等于电源两端电压（U=U1+U2+U3）。如果串联的电阻大小相差太大时，小电阻的电压降可以忽略不计电阻，电压几乎都加在了大电阻上。

例 1-17 并联

电路中有同一个电压施加在两个或两个以上负载的连接方式称为并联。三个电阻的并联电路如图1-10所示，电路中电阻并联的等效电阻为。当电路中有两个或两个以上的电阻并联时，并联电路的等效电阻比并联电路中的任何一个电阻都小。各并联电阻通过的电流为，……各条并联支路的电流之和就是电源的输出电流，且并联电阻上的电流大小与电阻值成反比。如果各条并联支路的电阻值相差很大时，电源电流几乎都从电阻小的支路流过，电阻大的支路电流可以忽略不计。