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第1章 汽车大灯电路分析
发布时间:2020-08-02 23:12    作者:ag8游戏平台   

  第1章 汽车大灯电路分析_物理_自然科学_专业资料。第1章 汽车大灯电路分析 1.1 电路的作用和组成 1. 电路 ? 电路是电流流通的闭合路径,是由某些 电气设备和元器件按一定方式组合后的总 称。诸如发电机、变压器、电动机、电池、 晶体管以及各种

  第1章 汽车大灯电路分析 1.1 电路的作用和组成 1. 电路 ? 电路是电流流通的闭合路径,是由某些 电气设备和元器件按一定方式组合后的总 称。诸如发电机、变压器、电动机、电池、 晶体管以及各种电阻器和电容器等。如图 1.1.1是扩音机电路示意图,图1.1.2是汽车 大灯控制电路。 图1.1.1 扩音机电路示意图 图1.1.2 汽车大灯控制电路 ? 一般电路由电源、中间环节和负载三基本部分组成。电源 是将其它形式能量转化为电能的装置,如发电机、干电池、 蓄电池等;负载是消耗电能的用电设备,如白炽灯、电炉、 电动机、电视机等;中间环节起传输、控制、分配、保护 等作用的装置,如导线、变压器、开关等。 ? 电路的作用有两种,一种是实现电能的传输与转换例如图 1.1.3的电力系统,例如电力网络将电能从发电厂输送到各 个工厂、农村、学校和千家万户,供各种电气设备使用; 另一种实现电信号的传输、处理和存储,例如图1.1.1的扩 音机,通过话筒将声音转化成电信号,送入放大器进行放 大处理,再通过扬声器把放大的声音传递出来。 图1.1.3 电力系统电路示意图 2. 电路模型 ? 将实际元件理想化,即在一定条件下突 出其主要电磁性质,忽略其次要因素,近 似看作理想电路元件。由理想电路元件所 组成的电路就是实际电路的电路模型。如 图1.1.3即为手电筒的实际电路和电路模型。 (a)手电筒电路 (b)手电筒电路模型 图1.1.3 手电筒电路 1.2 电流和电压参考方向 ? 电压和电流的方向有实际方向和参考方向之分。 习惯上,规定正电荷的移动方向表示电流的实际方向。 在外电路,电流由正极流向负极;在内电路,电流由负极 流向正极。 但在分析较为复杂的直流通路时,往往难于 事先判断某支路中电流的实际方向;对交流讲,其方向随 时间而变,在电路图上无法用一个键标来表示它的实际方 向。 参考方向 参考方向 a b a b 实际方向 实际方向 (a) 参考方向与实际方向相同 (b)参考方向与实际方向相 反 1.2.1 电流的参考方向 ? 若电流实际方向与参考方向相同,电流取正值;若电流实 际方向与参考方向相反,电流取负值。根据电流的参考方 向和电流量值的正负就可以确定电流的实际方向。电流的 参考方向一般用箭头表示,也可以用双下标表示,如 表 示参考方向是由a 到b。 ? 同理,对电路中两点之间的电压也可以指定参考方向ia或b 参 考极性。两点之间的电压参考方向可以用“+”、“—”极性 来表示,正极指向负极的方向就是电压的参考方向。如果 实际电位a点高于b点,两者的方向一致,则。当实际电位 b点高于a点,两者相反,则。有时为了图示方便,可用一 个箭头表示电压的参考方向。也可用双下标表示电压,如 表示a和b之间的电压参考方向由a指向b。 u ab ? 如果指定流过元件的电流的参考方向是标示的从 电压正极性的一端指向负极性的一端,即两者的 参考方向一致,把电压和电流的这种参考方向称 为关联参考方向,否则为非关联参考方向,如图 1.2.3。本书后面除特别说明均采用电压、电流关 联参考反向。 (a)关联参考方向 (b)关联参考方向 (c)非关联参考方向 (d)非关联参考方 向 图1.2.3 电压、电流关联参考方向 1.3电阻的串联与并联 1.电阻的串联 ? 如果电路中有两个或者两个以上的电阻依次顺序相联,并 且这些电阻中通过同一电流,这样的联结方法就成为电阻 的串联。 如图1.3.1(a)所示的是两个电阻的串联电路。 ? 两个串联的电阻可以用一个等效电阻 代替,等效电阻等于 ? 各个串联电阻之和,即 R ? R1 ? R2 )(b) 图1.3.1 (a)电阻的串联 (b)等效电阻 ? 假设流过两个电阻的电流为,两个串联电阻上 的电压为,则两个串联电阻上的电压分别为 U1 ? IR1 ? U R1 ? R2 R1 U2 ? IR2 ? U R1 ? R2 R2 可见,串联电阻上的电压分配与电阻成正比。当其中一个 电阻的阻值与其它电阻的阻值相比小很多时,它上面上分 配的电压与其它电阻相比也小得多,因此,这个电阻的分 压作用可以忽略。 2.电阻的并联 ? 如果有两个或更多个电阻联接在两个共同 端点之间,这样的联接方式称为电阻的并联。 各个并联的电阻上承受相同的电压。如图 1.3.2(a)是两个电阻并联的电路。 图3.1.2 (a)电阻的并联 (b)等效电阻 ? 同电阻的串联一样,两个并联的电阻也可以 用一个等效电阻来代替。如图1.3.2(b)所示。 并联电阻的倒数等于各个并联电阻的倒数之 和,即 1? 1? 1 R R1 R2 两个并联电阻上的电流分别为 I1 ? U1 R1 ? U R1 ? IR R1 ? R2 R1 ? R2 I I2 ? U2 R2 ? U R2 ? IR R2 ? R1 R1 ? R2 I 1.4电源的工作状态 ? 电源的工作分有载工作、开路与短路三种状态。 1.电源有载工作 在图1.4.1手电筒电路中,当开关闭合后,电源和负载之间形 成闭合路径,电源向负载提供能量,灯泡发光。这时电路的工 作状态称为有载工作状态。 图1.4.1 电源有载工作 (1)电压与电流 ? 根据欧姆定律,电路中的电流为:I ? E ? R0 ? R ? 负载两端的电压为:U ? RI ? E ? R0I ? 由上式可见,电源端电压小于电动势,两 者之差为电流通过电源内阻所产生的电压降。 电流越大,电源端电压下降的越多。 (2)功率平衡 ? 设电路任意两点间的电压为U,流入此部 分电路的电流为I,则这部分电路消耗的功 率为:P ? UI ? 由 得: U ? E ? R0I UI ? EI ? R0 I 2 式中是 PE ? UI 电源产生的功率;?P ? R0I 2 是电 源内阻上消耗的功率;P ? PE ? ?P是电源的输出 功率。 ? 由此可见,在一个电路中,电源产生的功 率和负载取用的功率以及内阻上所消耗的 功率是平衡的。 (3)负载与电源的区别 ? 分析电路是,判别电路元件是电源还是负 载,可以根据功率的正负来判别。 ? 当电压和电流是关联参考方向时,P ? UI ; 当电压和电流是非关联参考方向时,P ? ?。UI ? 如果 P ? 0 ,则表示元件吸收功率,此元 件可以认为是负载。 ? 如果 P ? 0 ,则表示元件发出功率,此元 件可以认为是电源。 (4)额定值与实际值 ? 额定值是制造厂商为了使产品能在给定的条件 下正常运行而规定的正常允许值。如一个灯泡 上标的220V100W,这就是它的额定电压和额 定功率。电气设备或元件的额定值通常标在铭 牌上或写在说明上。额定电压、额定电流和额 定功率分别用 表示。 ? 使用时,电压、电流和功率的实际值不一定等 于它们的额定U值N,。I N和PN 2.电源开路 ? 图1.3.1中,开关断开时,电源处于断开状 态,灯泡不亮,此时的电源处于开路(空 载)状态。 电源开路时,电路中各个基本物理量的值 为: 电路中电流为:I ? 0 ? 电源端电压为:U ? E 电源向外提供的功率为:P ? 0 。 3. 电源短路 ? 在图1.3.1的电路中,当电源的两端由于某 种原因而直接连接在一起时,电源处于短 路状态。 ? 电源短路时,电路中各个基本物理量的值: ? ? ? 电 电 电路源源中的向的端外电电提流 压 供为 为 的:: 功UI ?率I?s ?为0RE0: ? 负载消耗的功率为: PE ? ?P ? R0I 2 P?0 1.5 基尔霍夫定律 ? 基尔霍夫定律包括两个定律,即基尔霍夫电流定律和基尔 霍夫电压定律。基尔霍夫电流定律应用于结点,电压定律 应用于回路。 ? 为了便于理解基尔霍夫电流定律和电压定律,我们先介绍 几个名词。以一个复杂电路为例,具体电路如图1.5.1所示。 ? (1) 支路:指电路中的任一个分支,每一条支路中至少 包含一个元件,一个支路中每个元件流过的电流是相同的。 图1.5.1中有3条支路,它们分别为acb、adb、ab。 ? (2) 结点:电路中三条或三条以上支路的交点称为结点。 图1.5.1中有2个结点,分别为a、b。 ? (3) 回路:由一条或多条支路所组成的闭合路径称为回 路。图1.5.1中有3条回路,它们分别为cabc、adba和 cadbc。 1.基尔霍夫电流定律 ? 定律的内容:任一瞬时,流入某个结点的 电流之和等于流出该结点的电流之和。其 数学表达式为: ? ? ?Ii I1 ? I2 ? I3 为流入结点电流的代数和,? I 0 为流出结点电流的代数和。 ? 在图1.5.1所示的电路中,对节点a 可以写 出 ?Ii ? ?I0 ? 即 ?I ?0 就是在任一瞬时,一个结点上电流的代数和恒等于零。 如果规定参考方向流向结点的方向取正号,流出结点的 方向取负号。 ? 图1.5.2 基尔霍夫定律的推广应 用 ? 基尔霍夫电流定律不仅适用于电 路中的结点,也可以推广为电路 中的任一个假设的闭合面。例如 在三相电路中,电路如图1.5.2 所示,电路图中虚线框内是一个 闭合的面,利用基尔霍夫电流定 律,我们可知通过这个闭合面的 电流具有如下关系:,即:任一 瞬时,通过闭合面的电流的代数 和也为零。 图1.5.2 基尔霍夫定律的推广 应用 2. 基尔霍夫电压定律(KVL) ? 定律的内容:任一瞬时,从回路中任意一点出发, 沿顺时针方向或逆时针方向循行一周,则在这个 方向上的电位升和等于电位降之和。其数学表达 式为: ?U升 ? ?U降 ? 对于图1.5.1中的cadbc回路可列出 I2R2 ? E1 ? I1R1 ? E2 ? 或将上式改写成 I2R2 ? E1 ? I1R1 ? E2 ? 0 ? 即 ?U ? 0 ? 也就是说在任一瞬时,沿任一回路 循行方向(顺时针方向或逆时针方向),回路中 各段电压的代数和为0。(如果规定电位降取正号, 则电位升就取负号,反之也可。) ? 也就是说在任一瞬时,沿任一回路循行方向(顺 时针方向或逆时针方向),回路中各段电压的代 数和为0。(如果规定电位降取正号,则电位升就 取负号,反之也可。) ? 基尔霍夫电压定律不仅应用于闭合回路,也可推 广应用与回路的部分电路,如图1.5.4。 ? 根据基尔霍夫电压定律,对图1.5.4(a)可得: ?或 U AB ? U A ? U B ?U ? U A ?UB ?U AB ? 0 ? 对图1.5.4(b)可得:?U ? E ?U ? RI ? 0 ? 或 U ? E ? RI ? (a) (b) 图1.5.4 基尔霍夫电压定律的推 ? 注意:(1)基尔霍夫两个定律具有普遍性, 它们适用于由各种不同元件所构成的电路, 也适用于任一瞬时对任何变化的电流和电 压。 ? (2)列方程时,不论是应用基尔霍夫定律 还是欧姆定律,首先都要在电路图上标出 电流、电压和电动势的参考方向;因为所 列方程中各项前的正负号是由它们的参考 方向决定的。 1.6 支路电流法 ? 凡不能用电阻串并联化简的电路,一般称 为复杂电路。在计算复杂电路的各种方法 中,支路电流法是最基本的。它是应用基 尔霍夫电流定律和电压定律分别对节点和 回路列出方程,求出未知量。 ? 一般地说,若一个电路有b条支路,n个节 点,可列n-1个独立的电流方程和b-(n-1)个 电压方程。 ? 下面以图1.6.1为例来说明支路电流法的应用。在该电路中, 有两个结点a和b,三条支路acba、adba和cdbc。电动势 和电流的参考方向如图所示。 ? 根据基尔霍夫电压定律,对结点a可列 I1 ? I2 ? I3 ? 0 ? 对结点b可列 I3 ? I1 ? I2 ? 0 ? 分析结点和b结点列出的方程,可见两个方程是非独 立方程。因此,对于有两个结点的电路,只能列出个独立 的电流方程。 ? 因此对于有n个结点的电路,根据基尔霍夫电压定律只能 列出个独立的电流方程。 ? 应用基尔霍夫电压定律列出其余个独立方程,通常取简单 的回路列出,如图1.6.1的电路,可以对回路acba和adba 列出方程。 ? 对回路acba可列:E1 ? I1R1 ? I3R3 ? 0 ? 对回路adba可列:E2 ? I 2 R2 ? I3R3 ? 0 ? 应用基尔霍夫电流定律和电压定律一共可以 列出 n ?1? ?b ? (n ?1)?? b 个独立方程,因此可以求出b个 支路电流。 ? 用支路电流法求支路电路的步骤如下: ? (1)选定各支路电流和电压的参考方向并在电路 图上标示; ? (2)根据基尔霍夫电流定律对结点列出 b?n?1 独 立的电流方程。 ? (3)选取独立回路,指定回路的循行方向,根据 基尔霍夫电压定律列出方程; ? (4)求解支路电流。 1.7电压源和电流源及其等效变换 1.电压源 ? 任何一个电源,如用于汽车、电力机车、应急灯 等的蓄电池、还有发电机、干电池和各种信号源, 它们是具有不变的电动势E和较低内阻R的电源。 因此,分析与计算电路时,通常用和相串联的模 型来表示电压源,如图1.7.1。在图中,U是电源 的1.7端.1电可压以、得R出L是负载,I是负载电流。根据图 U ? E ? IR0 图1.7.1 电压源电路 由此可以得出电压源的外特性曲线,当电压 源短路时, U ? 0,I ? IS ? E R0 ,当电源开路时, I ? 0,U ? U 0 ? E 。内阻 R0 越小,则直线 电压源和 理想电压源的外特性曲 线 理想 电压源 ? 当R0=0时,电压 恒等于电动势 E ,是一恒定值,而其中的电流 则是任意的,它的大小取决于外电路,这样的电源称为理想电压源或 恒流源,如图1.7.3所示。理想电压源的伏安特性如图1.7.2所示为一 条以 E 为纵坐标且平U 行于横轴的直线,表明其电流由电源本身和外 I 电路共同决定,不论电流为何值,直流电压源端电压总为 E 。 ? 理想电压源是实际电源的一种理想模型。例如,在电力供电网中, 对 于任何一个用电器(如一盏灯)而言,整个电力网除了该用电器以外 的部分,就可以近似地看成是一个理想电压源。当电源电压稳定在它 的工作范围内, 该电源就可认为是一个恒压源。如果电源的内电阻远 小于负载电阻 RL ,那么随着外电路负载电流的变化, 电源的端电 压可基本保持不变,这种电源就可以认为是一个理想的电压源。通常 用的稳压电源也可认为是一个理想电压源。 2 .电流源 ? 电 电源路除模用型电来动表势示。E和内阻R0串联的电路模型表示以外,还可以用另一种 ? 如将实际电压源的端电压公式 U ? E ? IR0 两端分别除以可得 U R0 ?E R0 ? I ? IS ? I ? ? 即 U Is ? R0 ? I 用电路图表示,如图1.7.4所示,该电路图使用电流来表示的电源的电路 模 说型,,端即电电压流和源负,载有电两 流条 均支 为路 发并 生联 变, 化电 。流分别为IS和RU0 。对负载电阻来 图1.7.4 电流源模型 图1.7.5 电流源和理想电流 源的外特性曲线 由上式可得出电流源的外特性曲线 所示,当电流源短路时,U =0,I S ? I ; 当电流源开路时, I ? 0 ,U ? U o ? I S R0 。内阻 R0 越大,则直线 ? ? (相当于并联支路 R0 断开)时,电流 I 恒等于电流 I S ,是一定值,而其两 端的电压 U 则是任意的,由负载电阻 RL 及电流 I S 本身确定,这样的电源称为理想电流源 或恒流源,其符号与电路如图 1.7.6 所示。它的外特性曲线是与纵轴平行的一条直线 所示。 理想电流源也是理想的电源。当电源的内阻 R0 远远大于负载电阻 RL 时,则 I ? I S ,基 本上恒定,可以认为是理想电流源。理想电流源的特点是无论负载或外电路如何变化,电流 源输出的电流不变。 3. 电压源和电流源的等效变换 一个实际的电源,既可以用理想电压源与内阻串联表示, 也可 以用一个理想电流源与内阻并联来表示。对于外电路而言, 如果电 源的外特性相同, 无论采用哪种模型计算外电路电阻 RL 上的电压、 电流,结果都会相同。 在图 1.7.7(a)电路中, U ? E ? IR0 在图 1.7.7(b)电路中, I ? IS ? U R0 图1.7.6 理想电流 源 (a)电压源 图 1.7.7 电源 (b)电流源 整理后得: U ? I S R0 ? IR0 由此可见,实际电压源和实际电流源若要等效互换,其伏安特性 方程必相同,则其电路参数必须满足条件: E ? I S R0,R0 ? R0 当实际电压源等效变换成实际电流源时,电流源的电流等于电压 源的电压与其内阻的比值,电流源的内阻等于电压源的内阻;当实际 电流源等效变换成实际电压源时,电压源的电压等于电流源的电流与 其内阻的乘积,电压源的内阻等于 电流源的内阻。在进行等效互换 时,必须重视电压源的电压极性与 电流源的电流方向之间的关系,即 两者的参考方向要求一致,也就是 说电压源的正极对应着电流源电 流的流出端,如图1.7.8。 图 1.7.8 电压源和电流源的等效变换 实际电源的两种模型的等效互换只能保证其外部电路的电压、电流和功率相同,对其内 部电路,并无等效而言。通俗地讲,当电路中某一部分用其等效电路替代后,未被替代部分 的电压、电流应保持不变。 用电源等效互换分析电路时还应注意这样几点: (1)电源等效互换是电路等效变换的一种方法。这种等效是对电源输出电流 I 、端电 压U 的等效。 (2)有内阻 R0 的实际电源,它的电压源模型与电流源模型之间可以互换等效;理想的 电压源与理想的电流源之间不能互换。 (3)电源等效互换的方法可以推广运用,如果理想电压源与外接电阻串联,可把外接 电阻看其作内阻,则可互换为电流源形式;如果理想电流源与外接电阻并联,可把外接电阻 看作其内阻,则可互换为电压源形式。 1.8 叠加原理 ? 在图1.8.1所示电路中有两个电源,各支路中的电流都是由 这两个电源共同作用产生的。对于线性电路,任何一条支 路中的电流(或电压),都可以看成是由电路中各电源 (电压源或电流源)单独作用时,在此支路中所产生的电 流(或电压)的代数和。这就是叠加原理。 (a) (b) 图1.8.1 叠加原理 (c) 如图 1.8.1(a)中支路电流 I 2 为例,则为 I 2 ? I 2? ? I 2?? 式中,I 2? 是当电路中电动势 E1单独作用时( E2 ? 0 )在第二条 支路产生的电流,如图 1.8.1(b); I 2?? 是当电路中电动势 E2 单独 作用时( E1 ? 0 )在第二条支路产生的电流,如图 1.8.1(c)。 同理 I1 ? I1? ? I1?? I 3 ? I 3? ? I 3?? 用叠加原理计算复杂电路,就是把一个多电源的复杂电路化 为几个单电源电路来进行计算。 ? 注意: ? 1) 所谓电路中各个电源单独作用,就是将电路中 其它电源置0,即电压源短路,电流源开路; ? 2)叠加定理适用于线性电路,不适用于非线)叠加时,电路的联接以及电路所有电阻和受控 源都不予更动; ? 4) 叠加时要注意电流和电压的参考方向,同相相 加,异号前面加负号; ? 5)不能用叠加定理来计算功率,因为功率不是电 流或电压的一次函数。 1.9 戴维南定理 ? 在复杂电路的计算中,若只需计算出某一支路的 电流, 可把电路划分为两部分, 一部分为待求支 路,另一部分看成是一个有源两端网络(具有两个 出线端的部分电路,其中含有电源,称为有源两 端网络)。 假如有源两端网络能够化简为一个等效 电压源,则复杂电路就变成一个等效电压源和待 求支路相串联的简单电路,如图 1.9.1所示,R 中 的电流就可以由下式求出: I? E R0 ? R 戴维南定理指出:任何一个有源两端线性网络都可以用一个 等效的电压源来代替,这个等效电压源的电动势 E 就是有源两端 网络开路电压U o ,它的内阻 R0 等于从有源两端网络看进去的电阻 (网络电压源的电动势短路,即其电动势为零; 电流源断路, 即其电流为零)。 图 1.9.1 有源电路的等效变换 如图 1.9.1 所示, 从 AB 两端看进去, 各电动势短路为零, A、B 两点之间的等效电阻为 R0 ,则 R0 ? R01 R02 R01 ? R02 1.10 电路中电位的计算 由图 1.10.1 可得出 U ab ? Va ? Vb ? 6 ?10 ? 60V 这是 a,b 两点间的电压值或 两点的电位差,即 a 点电位Va 比 b 点电位Vb 高 60V,但不能计算出Va 和Vb 各为多少伏。因此,计算电 图 1.10.1 Vb=0 位时,必须选定电路中某一点作为参考点,它的电位称为参考电 位,通常设参考电位为零。而其它各点的电位与它相比较,比它 高的为正,比它低的为负。正数值越大则电位越高,负数值越大 则电位越低。参考点在电路图中标上“接地”符号,所谓“接地” 并非真的与大地相接。 如将图 1.10.1 的 b 点作为参考点,则 Vb ? 0, Va ? 60V 反之,若将 a 点作为参考点,则 Va ? 0 , Vb ? ?60V 由此可以得出: 图 1.10.2 图 1.10.1 的简化电路 (1)电路中某一点的电位等于该点与参考点(电位为 零)之间的电压。 (2)参考点选得不同,电路中各点的电位值随着改变, 但是任意两点间的电位差是不变的。 图 1.10.1 也可化简为图 1.10.2 所示电路,不画电源, 各端标以电位值。


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