1、第一章 汽車電工電子基礎知識第一節電路的基本知識一、電路的組成電路是電流通過的路徑。電路是一些電氣設備，電器元件，按一定的方式組合起來，構成的電流的通路。圖1-1 (a)所示為由電池、小燈泡、開關和連接導線構成的一個簡單電路。 當合上開關時，電池向外輸出電流，電流流過小燈泡，小燈泡就會發光。1、電路的組成 一般電路是由電源、負載、中間環節三部分組成。(1)電源是提拱電能的裝置，它把其他形式的能量轉換為電能。例如，干電池，發電 機等。(2)負載是取用電能的裝置，是各種用電設備的總稱.它把電能轉換為其他形式的能 量.例如：電燈、電爐、電動機等。(3)導線、開關等稱為中間環節。用來傳送，分配電能，控

2、制電路的通斷，保護電路 安全正常運行。(a)(b)圖1-2電位的表不圖1-1燈泡發光的電路圖二、電路的基本物理量1 .電流電荷的定向移動形成電流， 正電荷和負電荷的定向移動都形成電流。在金屬導體中，電流是自由電子有規則的定向運動形成。電流的大小用電流強度來表示。電流強度簡稱為“電流” ，等于單位時間內通過某一導 體橫截面的電荷量，電流分兩種，即直流電流和交流電流。 單位是安培，簡稱安，符號為ao2 .電壓和電位電壓是電路中兩點之間的電位差，它反映電場力對電荷做 功的能力，數值上等于電場力把單位正電荷從電源的正極經外 電路移到負極所做的功。單位是伏特，簡稱伏，符號為 v。在電路中任意選一點為參考

3、點，則某點到參考點的電壓就 叫做這一點(相對于參考點)的電位。參考點在電路圖中用符 號“，”表示，如圖1-2所示。在電氣設備和汽車中常用大地和 機殼及汽車車身作為接地點。電位用符號v表示，如a點電位記作va。當選擇o點為參考點時，則 va=uao。電路中某一點 的電位實質上就是將單位正電荷從電路中的某一點移到參考點時 獲得或失去的能量大小。電位與電壓的關系：(1)電路中某一點的電位等于該點與參考點之間的電壓。因些，離 開參考點討論電位是沒有意義的。(2)參考點選的不同，電路中各點的電位值也不同，但是，任意兩點之間的電壓是不變的。所以，電路中各點的電位值的大小是相對的，而兩點之間的電壓值是絕對的

4、。3 .電動勢非電場力把單位正電荷從電源內部低電位b端移到高電位a端所做的功，稱為電動勢,用字母e表示（1-1）電動勢的單位與電壓相同，也用伏（v）表示。電動勢的極性和實際方向是客觀存在的。在電路中，要想維持電流流動， 必須有一種外力把正電荷源源不斷地從低電位處移到高 電位處，才能在整個閉合的電路中形成電流的連續流動，這個任務是由電源來完成的。 在電源內部，由于電源力的作用，正電荷從低電位移向高電位。在不同類型的電源中，電源力的來源不同。例如，電池中的電源力是由化學作用產生的；發電機的電源力則是由電磁作用產生的。電源電動勢的實際方向由負極指向正極，即由電源的低電位指向高電位，也就是電位 升高的

5、方向。4 .電能與電功率w表示。電能的大電流能使電燈發光、電動機轉動、電爐發熱，這些都說明電流通過電氣設備時做了功, 消耗了電能，我們把電氣設備在工作時間消耗的電能（也稱為電功）用 小與通過電氣設備的電流和加在電氣設備兩端的電壓以及通過的時間成正比，即w=uit（1-2）電能的單位是焦耳，簡稱焦（j）。電氣設備在單位時間內消耗的電能稱為電功率，簡稱功率，用 p表示，即電功率的單位是瓦特，簡稱瓦（c wp =tw)。uqt曳二uit(1-3)在電工應用中，功率的常用單位是千瓦（kw）,電能的常用單位是千瓦（kwh),千瓦時（kwh）, 1千瓦時即為上度電，千瓦時與焦耳之間的換算關系1 度=1kw

6、h = 1000wh =3.6m106j我們把電氣設備在給定的工作條件下正常運行而規定的最大容許值稱為額定值。實際工作時，如果超過額定值工作，會使電氣設各使用壽命縮短或損壞；如果小于額定值，會使電氣設備的利用率降低甚至不能正常工作。額定電壓、額定電流、額定功率分別用u n、i n、5 .電阻與歐姆定律電路中具有阻礙電流通過的作用稱為電阻，電阻的單位為歐姆， 簡稱歐。電路中流過電阻r的電流i與電阻兩端的電壓 u成正比，這就是歐姆定律，其表達式如下：r =（1-4）s1三、電路的工作狀態為（）；+1 .有載工作狀態（仃0屁在有負載的工作狀態下，負載電流的變化將引起端電壓的小。 變化。在圖1-3所示

7、電路中，當開關合上之后，就是電路的有i一二載工作狀態。電路中的電流為（工作時,開關處于閉合狀態）圖1-3電路的有載工作狀態rl ro(1-5)當電壓源us和內電阻ro為定值時，由上式可見，負載電阻越小，則電路中的電流越大。負載電阻兩端的電壓為u = rli =us -r0i(1-6)2.開路狀態若圖1-4所示電路中的開關是斷開的，或者電 流過大使熔斷器熔斷等，電路即處于開路狀態，又 叫做斷路狀態或空載狀態。開路時，外電路的電阻對電源來說等于無窮大, 因此電路中的電流為零。此時負載上的電流、電壓、 功率都等于零。開路時電源的端電壓叫做開路電壓, 用u表示。1圖1-4 電路的開路狀態由于開路時電流

8、i =0,故開路電壓u =us-ir=us,即開路電壓等于電源電壓。3.短路狀態在正常狀態下工作的電路中， 如果電路由于絕緣損壞或接線不當或操作不慎等原因，使負載端或電源端造成電源線直接觸碰或搭接，則形成電路的短路狀態。電源和負載都被短路狀況如圖l 5所示。此時，電流不再流經負載，外電路的電阻對電源來講為零。短路電流 為i -uis - ro(1-7)由于ro很小，所以短路電流is很大，一般 超過電源的額定電流許多倍，這樣大的電流不僅在內1-5電路的短路狀態阻ro上會產生很大的功率損失，使電源嚴重發熱，而且會產生很大的電磁力使設備發生機 械損傷。短路后，負載上的電壓、電流和功率都為零，電源所產

9、生的電能全部被內阻 即ro所消耗。ps =po =*(1-8)短路通常是一種嚴重故障，應該盡量防止。為此，電路中一般都要接入熔斷器或其他 自動保護裝置，以便在發生短路時在規定的時限內自動切斷故障電路與電源的聯系。四、電路中電阻的串聯與并聯1.串聯電路把電阻一個接一個地首尾依次連接起來，就組成串聯電路，如圖 1-6所示。串聯電路的基本特點是：(1)電路中各處的電流強度相等。(2)電路兩端的總電壓等于各部分電路兩端的電壓之和。(3)串聯電路的總電阻等于各個電阻之和，即圖1-6電阻的串聯(1-9)圖1-7 電阻的并聯(1-11)i1r1r1r u rr2r3(4)串聯電路的電壓分配，串聯電路中各個電

10、阻兩端的電壓與它的阻值成正比，即u1 = ir1 =1uri r2 r3u2=ir2=2u(1-10)rr2 r3u3 = ir3 =3uri r2 r32 .并聯電路把兩個或兩個以上電阻接到電路中的兩點之間， 電阻兩端承受的是同一個電壓的電路，叫做電阻并聯電路。圖 1-7 是三個電阻 ri、r2、r3組成的并聯電路。并聯電路的基本 特點是：(1)電路中各支路兩端的電壓相等。(2)電路中的總電流強度等于各支路的電流強度之和。(3)并聯電路的總電阻，即1111=十十r rr2r3這就是說，并聯電路總電阻的倒數，等于各個電阻的倒數之和。(4)并聯電路的電流分配，并聯電路中通過各個電阻的電流強度與它

11、的阻值成反比。即(1-12)u =i rrr3r2r2r3第二節磁場與磁路的基本概念一、磁場與電磁感應1 .磁場靜止不動的帶電粒子(電荷)周圍存在著電場，電場對靜止的電荷有電場力的作用。而運動的電荷周圍不僅有電場，還有另一種看不見的物質存在，這種由運動電荷產生的物質叫磁場，磁場對運動的電荷有力的作用。2 .電流的磁效應電流是電荷的運動形成的，因此，電流的周圍就有磁場。(1)通電導體的磁場如果把磁場想象成布滿沿磁場方向的磁力線，通電導體周圍的磁場就是圍繞導體的同心圓，磁場的方向可用右手螺旋定則判定如圖1-8所示。(2)線圈的磁場線圈的磁場實際上是通電導體彎曲成螺旋狀時的另一種形式，磁場的分布形式

12、和方向判定如圖1-9所示。圖l 8通電直導體周圍的磁場圖1-9 螺旋線圈產生的磁場3.磁場的基本物理量(1)磁感應強度磁場的重要特性之一就是磁場對磁場中的載流導體有力的作用(電磁力)。若把長度為1-10(a)所示，則作1、電流為i的直導體按垂直于磁感應線的方向放入一磁場中，如圖用于導體上的電磁力 af與導體中通過的電流i以及導體的長度 a1成正比。力的方向和 磁感應線的方向以及電流的方向垂直，三者的關系可用左手定則來確定，如圖 1 10(b)所 示。若把同一載流導體按垂直于磁感應線的方 向放入不同的磁場中或同一磁場的不同位置 中，電磁力的大小可能各不相同，而且磁場 越強的地方電磁力也越大。 可

13、見，電磁力不僅 與電流i和導體的長度 a1成正比，且與導體所在位置的磁場強弱有關。因此，需要引入一個用來描述磁場中各點的磁場強度和方向的物理量，這個物理量稱為磁感應強度，用 b來表示。 磁感應強度b是表示磁場內某點的磁 場強弱和方向的物理量，它是一個矢量。磁感應強度與電流之間的方向關系可用右手螺旋定 則來確定，其大小可用公式來衡量。d f.、b = (1-13 )i1磁感應強度的單位是特斯拉(t)。在工程計算中，有時，由于特斯拉單位太大，也常采用高斯(gs)作為磁感應強度的單位：仃相當于104gs。如果磁場內各點的磁感應強度的大小相等，方向相同，則這樣的磁場稱為均勻磁場。（2）磁通磁感應強度b

14、 （如果不是均勻磁場，則取 b的平均值）與垂直于磁場方向的面積s的乘積，稱為通過該面積的磁通 ，即6=bs 或 b = （ 1-14 ）s由上式可見，磁感應強度在數值上可以看成為與磁場方向垂直的單位面積所通過的磁通，故三感應強度又稱為磁通密度。如果用磁感應線來描述磁場，使磁感應線的疏密反映磁感應強度的大小，則通過某一面積的磁感應線的總數就反映通過該面積的磁通的大小，通過垂直于磁場方向的單位面積的磁感應線數目就反映該點的磁感應強度的大小。根據電磁感應d：d 定律的公式e = 可知，在國際單位制中， 磁通的單位是伏秒，通常稱為韋伯（wb）。 dt在工程計算中，有時由于 wb這一單位太大，也常采用麥

15、克斯韋（ mx）作為磁通的單位。iwb相當于108mx。（3）磁導率各種物質在磁場中表現是不一樣的，有的會增強磁場，有的會削弱磁場，這主要與各種物質的導磁性能有關。為了衡量物質的導磁性能而引入了磁導率這個物理量，用符號k表示，它的物理單位是亨/米（ h / m）。經測定，真空中的磁導率為一個常數，用 r表示，有0 二4 二 101h/m）自然界中，大多數的物質對磁場強弱影響甚微，有的物質使磁場略比真空中增強，如空氣、錫、鋁等；有的物質使磁場略比真空中減弱，如銅、銀、石墨等，它們的磁導率n之r0而只有鐵、饃、鉗及其合金，他們的磁導率n很大，能使磁場大為增強，我們將這類物質稱為鐵磁材料。鐵磁材料的

16、磁導率是真空的幾百倍，它能使磁場大大增強， 故而通電線圈一般都繞在鐵磁材料制成的鐵芯外，這樣就能以較小的電流產生較強的磁場，使線圈的圈數、體積、重量減小。所以在電氣設備中，鐵磁材料得到了廣泛的應用。（4）磁場強度磁感應強度b的計算在實際中往往很難求得，因為它不僅與電流、導體的形狀、位置 有關，而且還與物質的磁導率有關。為了方便地計算出b ,我們引人了一個輔助物理量，稱為磁場強度，用符號 h表示。在電工技術中，用簡單的形式來計算出某一區域的磁場強度，雨要計算主的磁感應強度b ,則可用公式來表示：(1-15)式中，n為該點處的物質磁導率。磁場強度也是一個矢量，磁場中某點的磁場弓ii度的方向即為該點

17、的磁感應強度b方向。它的物理量單位是：a/m。磁場強度的引人不僅簡化了磁場計算，而且常用來分析鐵磁材料的磁化狀況。、磁路的概念及基本定律1.磁路磁路就是磁通通過的路徑。磁路實質上是局限在一定路徑內的磁場。常見的磁路如圖1-11所示，磁路中的磁通由勵磁電流產生，經過鐵心和空氣隙而閉合，如圖1-11 (a)、(b);也可由永久磁鐵產生，如圖 1-11 (c)。(a)變壓器(b)電磁鐵圖1-11常見電氣設備的磁路2.磁路歐姆定律圖1-12為繞有線圈的鐵心，當線圈中通入電流i時，在鐵心中就會有磁通 中通過。實驗可知，鐵心中的磁通 中與通過線圈的電流i、線圈匝數n、磁路的截面積 a”及磁導率1.逋電線圈

18、。磁源鐵心;3-空氣 隙:4-建路圖1-12 磁路n成正比，與磁路的長度l成反比，即(1-16 )ina infm7rma(1-16)式中，fm = in稱為磁通勢，由此而產生磁通；r =一稱為磁阻，是表示磁路對磁通具有阻礙a作用的物理量。上式可以與電路中的歐姆定律(i = u 對應，因而稱為磁路歐姆定律。r為了更好地理解磁路及其基本物理量，把磁路與電路的有關物理量一一對應，如表1-1中。表1-1磁路與電路有關物理量對照磁路電路磁路電路磁動勢f電動勢e磁阻r =_l m ns電阻r=-l rs磁通電流i導磁率(1導電率r磁感應強度b電流密度j磁通中= _f_rm電流i =-r第三節電路中基本元

19、件、電阻元件的基本特性電阻元件對電路中的電流具有阻礙作用，是耗能元件。電阻器簡稱電阻，它是電路元件中應用最廣泛的一種，其質量的好壞對電路工作的穩定性有極大影響。電阻的主要要用途是穩定和調節電路中的電流和電壓，在電路中常用作于分流、分壓、濾波(與電容組合)、耦合、阻抗匹配、負載等，電阻用 r符號表示。電阻的外 形結構示意圖如圖1-13所示。ta)硬眼電阻 (10金屬股電阻 2硬膜電阻口繼統電阻熱敏電阻圖1-13常用固定電阻器外形1 .電阻的分類(2)按電阻的用途分(1)按電阻體的材料和結構特征分有線繞電阻和非線繞電阻能及敏感電阻。用通用電阻、精密電阻、高阻電阻、高壓電阻和高頻電阻等。2 .電阻的

20、伏安特性為電阻的伏安特性如圖u =ir1-14所示。(1-17)(a)(b)圖1-14電阻元件及伏安特性應當指出，式(1-17)適用于電壓與電流的參考方向是關聯方向，如果是非關聯方向， 則歐姆定律應寫成 u=-ir。3 .汽車電路中電阻特性的應用(1)點火線圈產生溫度點火線圈中的電阻在工作時，電流流過點火線圈會產生熱量而使其溫度上升。(2)接觸不良造成電壓降點火開關、線路連接端子及蓄電池導線接頭等接觸不良，就會具有一定的接觸電阻，接觸電阻產生的電壓降會使用電設備的電壓降低，電流減小，造成用電設備工作不正常或不能工作。(3)接觸不良造成溫升電流經過接觸電阻所產生的熱量，會使該接觸不良處溫度升高。

21、二、電容元件的基本特性電容器簡稱電容，它由兩個極板及它們之間的介質組成。可以儲存電場能量， 電容元件本身不消耗能量。利用電容器充、放電和隔直、通交特性，在電路中常用于調諧、濾波、耦 合、旁路、能量轉換等。電容器用符號c表示。電容器的外形示意圖及有關圖形符號如圖1-14所示。c 王空介固定電器襤ctf電解電容器(c)羋可變電容器圖 1-15電容器形狀及圖形符號1 .電容器的分類(1)按其結構分有固定電容器、半可變電容器、可變電容器三大類。(1-18)圖1-16電容元件式(1-19)表明，在某一時刻電容電路中的電流ic與該時刻電容(2)按電容器介質材料分有電解電容器、有機介質電容器、無機介質電容器

22、三大類。2 .電容器的電壓、電流特性電容器是一種聚集電荷的元件，其聚集的電荷量與所加的電壓成正比，即 q = cu當電容器(見圖1-16)極板上的電荷q或兩極板間的電壓uc發生變化時，電路中就會產生電流足，在圖1-16中所規定的參考方向下, 其數學表達式為(1-19)dqducic = = cdtdt電壓uc變化率成正比，而與該時刻電容電壓 uc的數值無關，這一特性稱為電容的動態特性:電容元件也稱為動態元件。式(1-19)還表明了電容元件的一個重要特性，即：如果電容的電流為有限值，則電容兩端的的電壓只能連續變化而不能躍變。否則，就會導致處一 8, ic=c-g,這與dtdt保持電流為有限值相違

23、背，所以電容電壓不可能發生躍變。電容是一種有“記憶”功能的元件。其電場能量 wc的大小與電容量c和電容兩端的電壓 u的關系如下：1,2vc = - cu c(1-20)23 .汽車電路中電容特性應用(1)電容吸收自感電動勢觸點式點火系統分電器上的電容器并聯于斷電器觸點的兩端，這是利用電容電壓不能突變的特性來吸收點火線圈初級繞組的自感電勢，以減小觸點火花和提高次級電壓。(2)電容吸收高頻波一些電子點火系統的點火線圈處接一個電容，用以吸收點火系統產生的高頻振蕩波, 以減小對無線電的干擾。(3)蓄電池的電壓安全保護作用蓄電池相當于一個大容量的電容，用它可以吸收電路中的瞬變過電壓，使電壓穩定, 對電路

24、元件起到了保護作用。三、電感元件的基本特性電感器電感器是用漆包線在絕緣骨架上繞制而成的一種能夠存儲磁場能量的電子元件。是汽車電子線路的重要元件之一，它與電阻、電容、晶體管等元器件組合構成各種功能的電l表不。子電路。在調諧、振蕩、耦合、匹配、濾波等電路中都是重要元件。電容器用符號 電感器的外形示意圖如圖 1-17所示。而瑞娜芯屯巴粉固定電感器賽芯屯愿揩圖1-17 電感器的外形示意圖1 .電感線圈的分類(1)按電感線圈圈芯性質分有空心線圈和帶磁芯的線圈。(2)按繞制方式不同分有單層線圈、多層線圈、蜂房線圈等。(3)按電感量變化情況分有固定電感和微調電感等。電感元件(b)符號圖1-18電感元件及其表

25、示符號電壓，以ul表示，根據電磁感應定律，有(1-21 )2 .電感器的電壓、電流特性如圖1-18所示，當通過線圈的電流發生變化時，由于穿過 線圈的磁通也相應地發生變化，因此在線圈兩端產生感應d-diul = = l dtdt式(1-21)就是電感元件的特性方程式。它表明：在某 一時刻電感兩端的電壓只取決于該時刻的電流變化 率，而與該時刻電流的大小無關。這一特性稱為電感 的動態特性，故電感元件也稱為動態元件。式(1-21)還表明了電感元件的一個重要特性，如果電感兩端的電壓保持為有限值，則流過電感的電流只能連續變化而不能躍變。電感也是一種有“記憶”功能的元件，其磁場能量 wl的大小與電感量 l和

26、通過電感的電流i的關系如下：1 2wl= li(1-22)23.汽車電路中電感特性應用(1)點火線圈儲存點火能量點火線圈初級繞組通電時， 將電源的電能變為磁場能量，并在初級繞組斷電時， 再轉換為火花塞電極的點火能量。(2)電感的自感電動勢造成過電壓點火線圈、繼電器線圈、發電機和電動機的繞組等電感在電路開關開閉時或是通電線路 突然斷開時，會產生自感電動勢， 這些瞬變的電壓可以很高，會對汽車上的電子元件造成危害。因此，現代汽車電氣設備特別強調蓄電池的連接要可靠。因為蓄電池可吸收瞬變過電壓，對穩定電網電壓和保護電子元件起到很重要的作用。三、變壓器變壓器是一種交流電壓變換成頻率相同而電壓不同的靜止電器

27、設備，在汽車電子線路中應用十分廣泛。1 .變壓器的主要作用升壓和降壓、變換電流、 變換阻抗和傳遞信息。如電子線路中的輸出變壓器、耦合變壓 器。2 .變壓器的分類(1)按變壓器的鐵心和線圈結構分有芯式變壓器和殼式變壓器等，大功率變壓器以芯式結構為多，小功率變壓器常采用殼式結構。(2)按變壓器使用頻率分有高頻變壓器、中頻變壓器和低頻變壓器。常見變壓器的符號如圖1-19所示，常見變壓器外形如圖1-20所示。股軾變正器高竟變壓器 中蚓變正番圖1-20變壓器外形圖1-19變壓器的符號3 .變壓器的檢測方法(1)外觀檢查 外觀檢查包括能夠看見摸得到的項目，如線圈引線是否脫焊，絕緣材 料是否燒焦，機械是否損

28、傷和表面破損等。(2)開路檢查 一般中、高頻變壓器的線圈圈數不多， 其直流電阻應很小，在零點幾 歐姆至幾歐姆之間。音頻和電流變壓器由于線圈圈數較多， 直流電阻可達幾百歐至幾千歐以 上。用萬用表測變壓器的直流電阻只能初步判斷變壓器是否正常，還必須進行短路檢查。(3)短路檢查高頻變壓器的局部短路要用專門測量儀器判斷。中、高頻變壓器內部局部短路時，表現為線圈的空載值 q下降，整機特性變壞。由于變壓器一、二次側之間是交流耦合，直流斷路的，如果變壓器兩繞組之間發生短路, 會造成直流電壓直通，可用萬用表檢測出來。五、繼電器繼電器是一種根據特定形式的輸入信號的變化來接通或斷開小電流電路的自動控制電 器。繼電

29、器在汽車中主要起著控制和保護電路的作用。繼電器一般由三個基本部分組成：檢測機構、中間機構和執行機構。檢測機構的作用是接收外界輸入信號并將信號傳遞給中間機構；中間機構對信號的變化進行判斷、物理量轉換、放大等；當輸入信號變化到一定值時，執行機構(一般是觸頭)動 作，從而使其所控制的電路狀態發生變化，接通或斷開某部分電路， 達到控制或保護的目的。汽車中常見的繼電器有電磁繼電器、干簧繼電器、雙金屬繼電器和電子繼電器。1 .繼電器的工作原理(1)繼電器的保護工作原理卜蓄也池;上熔斷器;3-里叭斷噌耦港-電喇叭;5-喇叭按鈕圖1-21繼電器起保護的電路原理繼電器用作保護的電路原理如圖1-21所示。該繼電器

30、保護電路用于保護喇叭按鈕 觸點。喇叭的工作電流較大，直接由喇叭按 鈕控制，其觸點很容易燒壞。圖中的喇叭電 路加了喇叭繼電器后，喇叭按鈕開關只控制繼電器線圈電路的通斷，由繼電器線圈通電產生的電磁力使繼電器觸點閉合，接通喇叭電路。喇叭按鈕只通過繼電器線圈較小的電 流，使喇叭按鈕觸點不容易燒壞，使用壽命 得以延長。(2)繼電器的自動控制電路原理繼電器用做自動控制的電路原理如圖1-22所示。該繼電器控制電路用于自動控制充電指示燈的亮起和熄滅，以提示充電系統工作是否正常。繼電器線圈連接發電機的中點接線柱n (該接線柱電壓是發電機輸出端子b電壓的1/2),繼電器的常閉觸點串聯在充電指示燈電路中。當發電機正

31、常發電時，其中點電壓使繼電器線圈通電而打開觸點，充電指示燈自動熄滅，指示充電系統正常工作。當接通點火開關 而發動機未工作或發電機出現了故障時，發電機中點電壓低或無， 使繼電器線圈電流小或斷流，繼電器觸點在彈簧力作用下閉合，充電指示燈亮，指示充電系統未工作或有故障。l-蓄電池；2-盍火開是；a充電指岳燈:處充電指本燈解電福5-發電機；b-發電機電林(輸出)接戰柱；即發電機中點貍戰柱圖1-22繼電器的自動控制電路原理第四節電子元件一、pn結及其特性1、半導體的基本知識物質按其導電能力的不同，將其分為導體、絕緣體和半導體三類。半導體，它的導電 能力介于導體和絕緣體之間，并且其導電能力是可以控制的。如

32、硅、錯以及大多數金屬氧化 物和硫化物等都是半導體。其中以硅和錯半導體的生產技術較為成熟，所以應用較多。現代電子技術的發展實際上就是半導體技術的發展，這是因為除了半導體導電能力不同外，半導體還有以下特征。(1)雜敏性：半導體對雜質很敏感。在半導體硅中只要摻入億分之一的硼( b),電阻率就會下降到 原來的幾萬分之一。 人們就用控制摻雜的方法， 制造出各種不同性能、 不同用途的半導體器 件，如普通半導體二極管、三極管、晶閘管、電阻和電容等。在半導體中不同的部分摻入不同的雜質就呈現不同的性能，再采用一些特殊工藝，將 各種半導體進行適當的連接就可制成具有某一特定功能的電路一集成電路。(2)熱敏性：半導體

33、對溫度很敏感。溫度每升高10c,半導體的電阻率就減小為原來的二分之一。這種特性對半導體器件的工作性能有許多不利的影響，利用這一特性可制成自動控制中有用的熱敏電阻。(3)光敏性：半導體對光照很敏感。半導體受光照時，它的電阻率會顯著減小。自動控制中用的光 電二極管、光電三極管和光敏電阻等，就是利用這一特性制成的。2、p型半導體和n型半導體純凈的幾乎不含雜質的半導體稱為本征半導體。半導體材料在外界能量的作用下，激發出兩種載流子：自由電子和空穴，它們都具有導電能力。自由電子帶負電荷，空穴帶正電荷。當半導體兩端加上外電壓時，半導體中將出現兩部分電流：一部分是自由電子作定向 運動所形成的電子電流， 一部分

34、是空穴電流。在半導體中，同時存在著電子導電和空穴導電， 這是半導體導電的最大特點，也是半導體和金屬在導電原理上的本質差別。（1）n型半導體在本征半導體（如硅、錯均為四價元素）中摻入微量的五價元素（如磷），這將使半導體中的自由電子數目大大增多，自由電子導電成為這種半導體導電的 主要導電方式，故稱它為電子半導體或n型半導體。在 n型半導體中，自由電子是多數載流子，而空穴則是少數載流子。（2） p型半導體在本征半導體中摻入微量的三價元素（如硼），這將使空穴的數目顯著增加，自由電子則相對很少。 這種以空穴導電作為主要導電方式的半導體稱為空穴半 導體或p型半導體。其中空穴是多數載流子，自由電子是少數載流

35、子。應當指出，不論是 n型半導體還是 p型半導體，雖然它們都有一種載流子占多數，但 是整個晶體仍然是不帶電的，對外不顯示電性。3、pn結及其單向導電性通常是在一塊晶片上，采取一定的摻雜工藝措施，在兩邊分別形成p型半導體和n型半導體，它們的交界面就形成 pn結，這pn結是構成各種半導體器件的基礎。 pn結具有 單向導電性，它是二極管、三極管、晶閘管以及半導體集成電路等半導體器件的核心部分。（1） pn結的形成圖1-23所示一塊半導體左邊為 p區右邊為n區，由于p區有大量空穴（濃度大）而 n 區的空穴極少（濃度小），因此空穴要從濃度大的 p區向濃度小的n區擴散。首先是交界面 附近的空穴擴散到 n區

36、，在交界面附近的 p區留下一些帶負電的三價雜質離子，形成負空 間電荷區。同樣，n區的自由電子（濃度大）要向 p區自由電子（濃度小）擴散，在交界面 附近的n區留下帶正電的五價雜質離子，形成正空間電荷區。這樣，在p型半導體和n型半導體交界面的兩側就形成了一個空間電荷區，這個空間電荷區就是pn結。o 10 1。.0o。q。 ag 0 。廿 o 0 0 0!。口一白。g日3。0 d 尸8承 01 * * * g q r * * * 0 p區n區p區n區/*_ _ 空間 室八電子1電荷區r內電場方向5） （t敏運動和漂移運動達到平衡構成pn結時凝液子的斤的過程圖1-23 pn結的形成正負空間電荷區在交界

37、面處形成一個電場，稱為內電場，其方向從帶正電的n區指向帶負電的p區，如圖1-23 （b）所示。內電場的作用是阻礙兩區多數載流子的擴散運動，即阻止p區的空穴向n區擴散和n區的自由電子向 p區擴散。同時，內電場對兩區少數載流子的作用恰恰相反，它將推動少 數載流子越超空間電荷區，即把p區的自由電子推向 n區，把n區的空穴推向p區。少數載流子在內電場作用下的這種運動稱為漂移運動。在pn結的形成過程中，多數載流子由于濃度差別而產生的擴散運動與少數載流子在內 電場作用下而產生的漂移運動是互相聯系而存在的。擴散運動產生空間電荷區與內電場，內電場又削弱擴散運動，產生漂移運動。最后，擴散運動與漂移運動達到動態平

38、衡，即從p區擴散到n區的空穴與從 n區漂移到p區的空穴數相等。此時空間電荷區的寬度及內電場 的強度均處于相對穩定狀態。（2） pn結的單向導電性如果在pn結上加上正向電壓，即p區接外電源的正極，n區接外電源的負極，如圖1-24(a)所示，稱為正向偏置(簡稱正偏)。這時外加電場與內電場的方向相反，內電場被削弱。pn結內部擴散運動與漂移運動之間的平衡狀態被破壞，空間電荷區變窄，多數載流子的擴 散運動增強，形成較大的從 p區通過pn結流向n區的正向電流i。在一定范圍內，外加電 壓愈大，外電場愈強，正向電流i也愈大，pn結處于導通狀態。如果給 pn結外加反向電壓，稱為反向偏置(簡稱反偏)，即p區接外電

39、源負極，n區接外電源正極，如圖 1-24(b) 所示，這時外電場與內電場方向相同。在外電場作用下，空間電荷區加寬，內電場增強，使 多數載流子的擴散運動難以進行。反向電流很小，近似等于零。pn結處于截止狀態。皂eee pqg) qqqq 0ao-q0.0.0空間肛用風-t-內電m外電用11(&】區匕電和mx圖1-24 pn結的單向導電性n區一-內電胡 一外電敲1h eb)反向電m上述情況表明：在 pn結上加正向電壓時，正向電流大，pn結處于導通狀態；在 pn結上加反向電壓時，反向電流很小，pn結處于截止狀態。就是說，pn結具有單向導電性。二、二極管1 .二極管的結構、符號和分類半導體二極管的種類

40、很多，按材料來分，最常用的有硅管和錯管兩種；二極管的結構及符號如圖1-25所示。點接觸型二極管的結構如圖1-25 (a)所示，點接觸型二極管其特點是結面積小，極間電 容也很小，故不能承受較高的反向電壓和較大的電流，適用于高頻小功率場合應用。點接觸 型錯二極管，常用于高頻檢波。面接觸型(或面結型)二極管的結構如圖1-25 (b)所示，(h)點接觸型陽橫引線u陰槌引戰(b)商接觸期這類二極管的結面積大，極間電容也大，允許通過的正向電流大，適用于低頻大功率場合。 面結型硅二極管常用于整流。陰極k:口電路符號圖1-25半導體二極管的結構及符號2 .二極管的伏安特性二極管實質上就是一個pn結，它具有單向

41、導電性，二極管的伏安特性曲線如圖1-26所示。流過二級管的電流 i與其端電壓u的關系稱為二極管的伏安特性曲線。圖1-26二極管的伏安特性曲線正向伏安特性是指縱坐標右側部分它的主要特點如下：(1)正向特性當正向電壓很小的時候，正向電流很小，幾乎為零，二極管處于截止狀態。當正向電壓超過一定數值(硅管約為 0.5v,鑄管約為0.2v)后，電流隨電壓的上升增長得很快，二極 管電阻變得非常小， 進入導通狀態。這個一定數值的正向電壓就稱為死區電壓(門限電壓)，其大小與管子的材料以及環境溫度有關。二極管導通后，正向電流和正向電壓是非線性關系，正向電流變化較大時，二極管兩端正向壓降幾乎為恒量，硅管的正向壓降約

42、為0.7v,鑄管的正向壓降約為 0.3v。(2)反向特性當給二極管加反向電壓時，二極管的反向電流很小， 而且在很大范圍內基本上不隨反向電壓的變化而變化， 此時二極管處于反向截止區，此處的反向電流值稱為反向飽和電流(錯管的反向飽和電流比硅管大)。當反向電壓超過一定數值后，反向電流會突然急劇增大，此時的現象稱為反向電擊穿，此時對應的電壓稱為反向擊穿電壓用ubr表示。通常加在二極管的反向電壓不允許超過反向電壓，否則二極管將失去單向導電性和二極管的損壞(穩壓極管除外)。三、穩壓管1 .穩壓二極管的符號及其伏安特性曲線穩壓二極管簡稱穩壓管，它是一種用特殊工藝制造的面結合型硅半導體二極管，其電路符號如圖1

43、-27 (a)所示。使用時，它的陰極接外加電壓的正極，陽極接外加電壓負極，管 子反向偏置，工作在反向擊穿狀態，利用它的反向擊穿特性穩定直流電壓。穩壓二極管的伏安特性曲線如圖1-27 (b)所示，其正向特性與普通二極管相同，反向特性曲線比普通二極管更陡。二極管在反向擊穿狀態下，流過管子的電流變化很大，而兩端電壓變化很小，穩壓管正是利用這一點實現穩壓作用的。穩壓管工作時，必須接入限流電阻，才能使其流過的反向電流在izmin izmax范圍內變化。在這個范圍內，穩壓管工作安全且兩端的反向電壓變化很小。2.穩壓電路圖1-27穩壓二極管符號及其伏安特性曲線直流穩壓電源是采用穩壓管來穩定電壓，穩壓管并聯型

44、穩壓電路如圖1-28所示。經過整流電路和電容濾波得到直流電壓ui,在經過限流電阻和穩壓管vdz接到負載電阻 rl ,這樣負載上就 得到比較穩定的電壓。該電路的穩壓原理是：當電網電壓升高時，必然引起整流濾波電路輸出電壓 ui升高，而 高又會引起輸出電壓 u0 （即uz）的增大。 管的穩壓特性可知， u z的增大，勢必引起 大增大，于是限流電阻r上的電流ir增大,ui的升由穩壓iz的較r上電壓降也增大，這在很大程度上讓 r承擔了 ui的變化,才 t% vd達圖1-28 簡單并聯型穩壓電路從而使uo基本上趨于穩定（ui t - uot-izt-i t-urt-uoj）。反之，當ui下降而引起uo變小

45、時，也會引起iz減小,r上電壓降ur減小,同樣保持了 uo的基本穩定。同理，當負載電流uo （即uz ）的減小， 因而保持了總電流ir 不變，使ul基本穩定。il變化（即rl變化），如il增大，在ui不變的情況下，勢必會引起 使il有較大的下降，(i r = i z * i l)基本1.三極管的結構和符號晶體管的結構意圖1-29 （a）所示，它 是由三層不同性質的半導體組合而成的。 按 半導體的組合方式不同，可將其分為npn型管和pnp型管。晶體管的圖形符號如圖 1-29（b）所示，符號中的箭頭方向表示發射 結正向偏置時的電流方向。-集電結發射區(培/npn型集電區、 基區b城射結發射區（用圖

46、形符號cpnp型圖 1-29晶體管的結構和圖形符號三極管為保證其電流放大作用，采取了如下結構措施：(1)基區很薄，摻雜的濃度低，使其電子( n型)或空穴(p型)的數量少。(2)發射區摻雜的濃度高，一般高于集電區，比基區則高許多倍。2 .三極管的電流放大原理下面以npn型三極管為例，說明一下三極管的電流放大原理。如圖1-30所示，發射結加正向電壓，而集電結加反向電壓。i.發射區向集電區擴散的電子2基區向發射區擴散的空穴集電 極電流打其擷電波打發射極電波圖1-30三極管的電流放大原理發射結加正向電壓， 削弱了發射結的內電場， 使其阻擋層變薄。于是， 發射區濃度很高 的電子就越過發射結向基區擴散，

47、進入基區的自由與基區為數不多的空穴復合，其余的繼續向電子濃度低的集電結處擴散。集電結加反向電壓， 其內電場加強，空間電荷區加寬，擴散到集電結附近的自由電子在 集電結內電場力的作用下，越過集電結，進入集電區。進入集電區的自由電子被電源ec拉走，形成集成電極電流ic ;電源不斷地向發射區注入電子，形成發射極電流 i e ；電源ec從基區拉走電子。形成了基極電流i b。由于基區的空穴數量很少，從發射區進人基區的自由電子與基區的空穴復合的很少，而大量的是被集電結內電場拉到了集電區，因此，ibic。ic與ib的比值就是三極管的電流放大倍數p。p 小(1-23)7b143 .三極管的特性, j+(1)三極

48、管的放大特性三極管級成的放大電路有共射、共集和共基。要使一-/o(%三極管工作在放大狀態， 必須使發射結正偏，集電結反偏，.而與集射極電壓uce無關，如圖1-31所示。當ib 一定時，匕， ic基本不變，具有恒流特性。當ube微小變化時，引起ib”變化；當ib微小的變化，引起ic較大的變化，即 i c = pa b(1-24 )圖1-31 三極管的放大狀態上式表明ic是受ib控制的受控電流源，具有電流放大特性。正是由于三極管的這一特性，三極管被廣泛應用于電壓放大、電流放大和功率放大電路中。(2)三極管的開關特性三極管除了放大工作狀態外，還有截止工作狀態和飽和導通工作狀態，即三極管還具有開關特性

49、。三極管的截止狀態。當加在發射結上的電壓u be 0和加在集電結上電壓ubc a0時，基極電流ib再增大而集電極電流ic卻不再增大，即ic不受ib的控制，三極 管工作在飽和導通狀態。這時由于飽和時集電極電流最大，集電極電壓很小，uce-0.3vc、e極之間近似于短路，相當于開關接通狀態，如圖 1-33所示。圖1-32三極管的截止狀態圖圖1-33三極管的飽和導通狀態三極管的開關特性，被用作由電信號控制的無觸點開關，在汽車電氣系統中的應用是很多的，如無觸點電子點火系統的電子點火器、電子式電壓調節器、無觸點電喇叭等。五、晶閘管(可控硅)1 .晶閘管的結構我國目前生產的晶閘管， 從外形上來分有兩種形式

50、： 螺栓式和平板式。其外形及符號如 圖1-34所示。晶閘管內部是由三個 pn結組成，可以把它中間的 ni和p2分為兩部分，構成 一個pnp型三極管和一個 npn型三極管的復合管，如圖 1-35所示。2 .晶閘管的導通原理晶閘管工作時，它的陽極和陰極分別與電源和負載連接，組成晶閘管的主電路；晶閘管的門極和陰極與控制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。圖1-36所示的是晶閘管的實驗電路，主電源ea和門極電源eg通過雙刀雙擲開關 s1和s2可正向或反向作用于晶閘管的有關電極，主電路的通斷由燈泡顯示。由實驗得到如下結論：(1)當晶閘管承受反向陽極電壓時，不論門極承受何種電壓，晶閘管都處于關斷狀態。

51、(2)當晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓時，晶閘管才能被導通， 即從關斷狀態轉變為導通狀態必須同時具備正向陽極電壓和正向門極電壓兩個條件。(a)外形圖1-34晶閘管的外形及符號女控制極氏陰極j 4一日楨內部紂構圖1-35晶閘管的內部結構(3)晶閘管在導通情況下，只要仍有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管仍保持導通，即晶閘管導通后，門極失去控制作用。(4)晶閘管在導通情況下，當主電路電壓(或電流)減小到接近零時，晶閘管關斷。從晶閘管實驗中，我們可得到晶閘管導通和關斷的條件。下面我們用兩個三極管的相互作用來說明晶閘管的工作原理。如圖1-37所示。圖1-36 晶閘管實驗電路圖

52、1-37晶閘管的工作原理如果控制極不加電壓，則當陽極 a和陰極k之間加正向電壓時，在三個 pn結中有兩 個pn結正向偏置，晶閘管不導通，稱為阻斷；當 a、k之間加反向電壓時，兩個 pn結反 向偏置，一個pn結正向偏置，晶閘管也阻斷。如果控制極 g與陰極k之間加正向電壓 ug,而且a、k之間也加正向電壓 ua,則ua 使vt1、vt2集電結反向偏置。由于 ug使vt2的發射結正偏而產生控制極電流 ig,它就是 vt2的基極電流ib2。vt2放大后其集電極電流 ic2=p1lb2=plg,此電流又流入 vt2的基極，再一次放大。這樣循環下去，形成強烈的正反饋，使兩個晶閘管很快達到飽和導通。導通后,其壓降很小，電源電壓 ua幾乎全部加在負載上，晶閘管中就流過負載電流。晶閘管導通后，它的導通狀態完全依靠管子本身反饋的作用來維持，即使控制極電流消失，ici也遠大于原來的ig,晶閘管仍處于導通狀態。所以控制極的作用僅僅是觸發晶閘管導通，導通后控制極就失去了控制作用。要使晶閘管關斷，必須減小陽極電流i使之不能維持正反饋過程，這個最小電流稱為維持電流。當然也可將陽極電壓降為零或使之反向。一如果陽極和陰極間加反向電壓，則由于vti、vt 2的發射結處于反向偏置，因此無論控制極是否加有電壓，晶閘管均不導通。六、集成電路集成電路它是把多個元器件相互連接在一起，并且同時