直流电路的认识ppt课件.ppt

汽车电工电子技术是一门专业基础课。,基础要求：,汽车电工电子技术,课时：64 理论：48 实验：16成绩=考试60%+实验20%+平时20%,1.1 直流电路的基本知识及汽车电路特点,1.2 汽车简单电路识读与计算,1.3 Multisim10仿真软件的操作,单元一 直流电路,理解物理量的参考方向的概念。掌握电路中基本物理量。理解电路工作状态及电气设备额定值。掌握电阻器的识读及串并联计算。掌握基尔霍夫定律。掌握电源等效变换、叠加原理、戴维南定理等。掌握分析简单汽车电路的方法。,本章学习目标,一、直流电路的基本知识及汽车电路特点,1、电的三要素（1）电流（2）电压（3）电阻2、电的三大效应（1）热效应（2）光效应（3）电磁感应,1.1 电的基本知识,1.2 电路的基本知识,1.2.1 电路的组成及作用,电源（或信号源）：,提供电能（或信号）的部分；,负 载：,吸收或转换电能的部分；,中间环节：,连接和控制电源和负载的部分；,电路中各部分在正常工作时，必须工作在额定状态！即电源、负载、导线等都有相应的额定值。,注意！,1.2.2 电流和电压的参考方向,电流和电压的正方向：,实际正方向：,物理中对电量规定的方向。,电流I,电动势E,电压U,正电荷移动的方向,电源驱动正电荷的方向,电位降落的方向,A,kA,mA,A,V,kV,mV,V,V,kV,mV,V,物理量正方向的表示方法,正负号,Uab（高电位在前，低电位在后）,双下标,箭 头,1,2,3,假设正方向（参考方向）,在分析计算时，对电量人为规定的方向。,在复杂电路中难于判断元件中物理量的实际方向，电路如何求解？,问题的提出,电流方向AB？,电流方向BA？,(1)在解题前先任意设定一个正方向，作为参考方向；,若计算结果为正，则实际方向与参考方向一致；若计算结果为负，则实际方向与参考方向相反；,(2)根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关 系的代数表达式；,(3)根据计算结果确定实际方向：,假设正方向（参考方向）的应用,注意！,已知：E=2V,R=1求：当U 分别为 3V 和 1V 时，求IR的大小和方向?,(3)数值 计算,实际方向与参考方向一致,实际方向与参考方向相反,(4)为了避免列方程时出错，习惯上把 I 与 U 的方向按相同方向假设。称为关联参考方向。,(1)方程式U/I=R 仅适用于U,I参考方向一致的情况。,(2)“实际方向”是物理中规定的，而“参考方向”则 是人们在进行电路分析计算时,任意假设的。,(3)在以后的解题过程中，注意一定要先假定物理量的参考方向，然后再列方程计算。缺少“参考方向”的物理量是无意义的。,（关联参考方向）,（非关联参考方向）,1.2.3 电位V,常用单位：V、kV、MV,电位值是相对的,参考点选得不同，电路中其它各点的电位也将随之改变；电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而改变。,电位和电压的区别,注意,电路如图示：,1、若选A为参考点，则各点电位如下,2、若选B为参考点，则各点电位如下,3、不论A或B为参考点，则各两点间的电压是不改变的。,VA=0,VB=UBA=-60V，VC=UCA=80V，VD=UDA=30V,VB=0,VA=UAB=60V，VC=UCB=140V，VD=UDB=90V,UAB=VA-VB=60V,UCB=VC-VB=140V,UDB=VD-VB=60V,电位的计算,1、选定参考点；,电位在电路中的表示法,参考电位在哪里？,说明,说明：从本质上说，电位与电压是同一个概念，电压指的是两点之间的电位差，而电位指的是各点与参考点之间的电位差。所以，要想求电位，必须先选参考点。通常选取多条导线的交汇点作为参考点。,1.2.5 电动势,（1）电动势的基本概念 电动势：非电场力把单位正电荷从电源内部由低电位端移到高电位端所作的功。单位：伏特（V）E=W/q(2)电动势的实际方向 从电源的负极指向电源的正极。(3)电源电压与电动势的关系 理想电源端电压与电动势关系：大小相同、方向相反。,1.2.5 功 率,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=U I,功率的概念,单位:W,kW,mW,负载,若元件上的电压为 U 和电流为 I的实际方向一致,则该元件吸收功率,为负载;,电源,若元件上的电压为 U 和电流为 I的实际方向相反,则该元件发出功率,为电源。,根据 电压和电流的实际方向判断器件的性质，或是电源，或是负载。,当元件上的U、I 的实际方向一致，则此元件消耗电功率，为负载。,当元件上的U、I 的实际方向相反，则此元件发出电功率，为电源。,实际方向根据参考方向和计算结果的正、负得到。,结 论,在 U、I 为关联参考方向的前提下：,则吸收功率为负载,若 P=UI 0,若 P=UI 0,则发出功率为电源,根据 P 的+或-可以区分器件的性质，或是电源，或是负载。,在进行功率计算时，如果假设 U、I 正方向一致。,当P 0 时,说明 U、I 实际方向相反，电路发出电功率，为电源。,当P 0 时,说明 U，I 实际方向一致，电路消耗电功率，为负载。,负载电阻,1.2.4 电源的工作状态,1.负载工作状态,电源电动势,电源内阻,电路电流:,电源端电压:,电路功率:,电源外特性:,功率平衡,2.开路状态,I=0,U=U0=E,P=0,3.短路状态,U=0,（1）电源系统:主要包括蓄电池、交流发电机、电压调节器。（2）用电设备。（3）中间装置(线束及开关),1.3.1汽车电路的组成,1.3 汽车电路组成、特点及电器元器件,1.3.2汽车电路特点,（1）两个电源（蓄电池和发电机）（2）低压直流供电 目前汽油车普遍采用12 V,柴油车普遍采用24 V。（3）用电设备并联（4）单线制（5）负极搭铁(接地),1.3.2汽车电器元件,电源、开关、用电设备三大类 1、汽车电路常用的联接装置导线 导线以导线束形式集中铺设（汽车电气设备的联接导线的介绍详见课本P16）。2、汽车断路器 当电流负荷超过用电设备额定容量时，将电路断开的一种可重复使用的电路保护装置。3、汽车易熔线 易熔线是为电流过大时熔化和断开电路而设计的导线，是容量非常大的熔断器，主要用来保护电源电路和大电流电路，一般位于蓄电池和起动机或电器中心之间。4、汽车插接器,伏-安 特性,1.4 电阻 R,（常用单位：、k、M）,线性电阻,非线性电阻,消耗能量,吸收功率,电阻元件是耗能元件,（W）,单位：P（W），t（s），W（J）P（kW），t（h），W（kWh）,1、电阻阻值的标注方法（详见P21）（1）直标法（2）色环标注法,2、电阻定律 式中，导体的电阻率 由实验可知，银、铜、铝等金属的电阻率较小，所以在实际应用中常用铜、铝两种导线。,3、电阻串并联1）电阻串联的基础知识设总电压为U、电流为I、总功率为P。电阻串联特点为：（1）电流关系：I=I1=I2=In（2）电压关系:U=U1+U2+Un（3）等效电阻:R=R1 R2 Rn,分压及功率分配公式：结合上述三特点分析推导:（1）分压关系：（2）功率分配：,应用详见P24汽车多挡冷风机图,2）电阻并联的基础知识 设总电流为I、电压为U、总功率为P。并联电阻电路中电压、电流及电阻间关系:,（1）分流关系：R1I1=R2I2=RnIn=RI=U,（2）功率分配：R1P1=R2P2=RnPn=RP=U*U,（1）电流关系：I=I1+I2+In（2）电压关系:U=U1=U2=Un（3）等效电阻:,分流作用及功率关系：,应用详见P25汽车照明电路图,3）电阻混联电路 定义：在电阻电路中，既有电阻的串联关系又有电阻的并联关系，称之为电阻混联。混联电路分析步骤（1）首先整理清楚电路中电阻串、并联关系，必要时重新画出串、并联关系明确的电路图；（2）利用串、并联等效电阻公式计算出电路中总的等效电阻即等效电路；（3）利用已知条件进行计算，确定电路的总电压与总电流；（4）根据电阻分压关系和分流关系，逐步推算出各支路的电流或电压。,4）直流电桥在汽车电路中的应用,直流电桥（惠斯通电桥）是用来测量电气设备直流电阻或与电阻有一定函数关系的比较仪器。,每一条边称作电桥的一个臂。检流计G连通的CD称为“桥”。其中Rx叫被测臂，R1,R2构成比例臂，R0叫比较臂。,平衡条件：Rx=(R1/R2)R0,调节R0，可使CD两点的电位相等，检流计G指针为零(Ig)，此时，电桥达到平衡。电桥平衡时，根据分压原理，UAC=UAD,UCB=UDB,即I2R2=I1R1，I0R0=IXRX 因为G中无电流(即I0=0)，所以I2=I0，I1=Ix上式两式相除，即/，得:R0/R2=RX/R1 Rx=(R1/R2)R0显然，惠斯通电桥测电阻的原理，就是采用电压比较法。,二、汽车简单电路的识读与计算,1.5 电路图的几种形式,【元件】如电阻、晶体管和电容器等。【组件】刮水时间间隔继电器、危险报警发生器等。【系统】点火系统、照明系统等。,汽车后窗玻璃除霜器线路图,汽车电路线路图表达了各个电器在车上的大致布局，各电器以实物轮廓图表示。导线分布大体上与车上的实际位置、走向相同。电器线路图完整地表达了整车的电器及线路联接，但不能清晰、方便地反映各电气系统的工作原理，且识读所需的时间较长。,声控电动汽车电路原理图,电路原理图是用图形符号按工作顺序或功能布局绘制的，详细了解电器元件间的相互控制关系和工作原理，不考虑实际位置的简图，具有电路清晰、简单明了，便于理解电路的特点。,电路原理图是分析电器系统工作原理以及维修电气系统的最基本、最实用的资料。,汽车电路定位图,电路定位图用于指示各电器及导线的具体位置。一般采用绘制的立体图或实物照片的形式，立体感强，能直观、清晰地反映电器在车上的实际位置，具有很高的实用价值。,1.6 基尔霍夫定律(Kirchhoffs Laws),作用：用来描述电路中各部分电压或各部分 电流之间的约束关系。,三条或三条以上支路的连接点。(n),b=3,a,n=2,b,电路中一个具有两个端钮而有一个或多个元件串联而成的组合，且在电路中无分支的电路。,一、重要名词,（1）支路（branch）,(2)节点(node),电路中通过同一电流的每个分支称为支路。,在电路中，从某一节点出发又回到该节点的闭合路径。(l),回路内部不含支路的回路称网孔。,l=3,3,(3)回路（loop）,（4）网孔（mesh）,网孔是回路，但回路不一定是网孔。,支路：ab、ad、.（共6条）,回路：abda、bcdb、.（共7 个）,节点：a、b、.(共4个）,网孔：abda、bcdb adca（共3 个）,令流出为“+”，则流入为“-”，有：,例:,流入的电流等于流出的电流,定义：在集总电路中,任何时刻，对任一结点，所有流出节点的支路电流的代数和恒等于零。,or:,二、基尔霍夫电流定律（KCL）,例:,三式相加得：,明确：,（1）KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任 意节点处的反映；,（2）KCL是对支路电流加的约束，与支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；,（3）KCL方程是按电流参考方向列写，与电流实际 方向无关。,表明KCL可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面。,（2）选定回路绕行方向，顺时针或逆时针,定义：在集总电路中，任一时刻，沿任一回路，所有支路 电压的代数和等于零。,（1）标定各元件电压参考方向,凡支路电压的参考方向与回路的绕行方向一致者，该电压前面取“+”号；支路电压的参考方向与回路的绕行方向相反者，该电压前面取“-”号。,三、基尔霍夫电压定律（KVL）,U1US1+U2+U3+U4+US4=0,U2+U3+U4+US4=U1+US1,或：,例:,例,KVL也适用于电路中任一假想的回路,明确,（1）KVL的实质反映了电路遵 从能量守恒定律；,（2）KVL是对回路电压加的约束，与回路各支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；,（3）KVL方程是按电压参考方向列写，与电压实际 方向无关。,四.KCL、KVL小结：,(1)KCL是对支路电流的线性约束，KVL是对回路电压的线性约束。,(2)KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。,(3)KCL表明在每一节点上电荷是守恒的；KVL是能量守恒的具体体现(电压与路径无关)。,练习题：,3,10V,+,+,-,-,1A,-10V,I=?,10,5.,7.,1,2,8.下图电路中，求（1）K打开时，Uab、Ubc、I=？（2）K合上后，Uab、Ubc、I=？,+,_,+,_,+,K,6V,4V,c,4,1,2A,22V,a,b,I,解：1、K打开，Uab=22V，Ubc=4V，I=2A。,_,I1,_,+,_,+,_,+,K,6V,4V,C,4,1,2A,22V,a,b,I,解:2、当开关闭合，Uab=22V由KVL得：6+4I1+I1-4-22=0解得 I1=4A则由KCL得：-I+I1+2=0 求得：I=6A由KVL得：4-1*I1-Ubc=0 求得：Ubc=0V,1.6 电路的分析方法,电路分析通常是已知电路的结构和参数，求电路中的基本物理量。分析的依据是电路的基本定律。,对于简单电路，通过串、并联关系即可求解。如,对于复杂电路（如下图）仅通过串、并联无法求解，必须经过一定的解题方法，才能算出结果。,如：,未知：各支路电流,解题思路：根据电路的基本定律，列节点 电流和回路电压方程，然后联立求解。,补充：支路电流法,已知：电路结构和参数,关于独立方程式的讨论,问题：在用基尔霍夫电流定律或电压定律列方程时，可以列出多少个独立的KCL、KVL方程？,3条支路；2个节点；3个回路，2个网孔,KCL方程：,节点a：,节点b：,KVL方程：,独立方程只有 1 个,#1：,#2：,#3：,独立方程只有 2 个,设：电路中有N个节点，B个支路,N=2、B=3,小 结,用支路电流法解题步骤,1.对每一支路假设一未知电流（I1IB）的参考方向；,4.解联立方程组，得 I1IB。,2.列N-1个节点电流方程；,3.列 B-（N-1）个回路（取网孔）电压方程；,设：电路中有N个节点，B个支路,节点a：,列3个独立KCL方程,节点c：,节点b：,节点数 N=4支路数 B=6,列3个独立KVL方程（网孔）,电压、电流方程联立求得：I1I6,是否能少列一个方程?,N=2 B=3,支路电流未知数少一个：,支路中含有恒流源的情况,I1+6=I,解得：I=4A I1=-2A,2I1+4 I=12,支路电流法的优缺点,优点：支路电流法是电路分析中最基本的 方法之一。只要根据KCL、KVL、欧姆定律列方程，就能得出结果。,缺点：电路中支路数多时，所需方程的个 数较多，求解不方便。,手算时，适用于支路数较少的电路。,1.理想电压源,伏安特性,理想电压源模型,1.7 电源等效变换法,无内阻,理想电压源的特点：(1)输出电压恒定U Us；(2)输出电流取决于外电路。(3)内阻 r=0,3.电压源与电流源的等效变换,伏安特性,实际电压源模型,US,内阻,串！,US/RO,开路点,短路点,I U,2.理想电流源,伏安特性,理想电流源模型,理想电流源的特点：(1)输出电流恒定I=IS,与端电压无关；(2)输出端电压取决于外电路；(3)内阻 r=。,实际电流源模型,并！,伏安特性,IS,ISRO,开路点,短路点,I U,内阻,两种电源的等效互换,等效互换的条件：对外的电压电流相等。,I=I Uab=Uab,即：外特性一致,等效变换的注意事项,（1）“等效”是指“对外”等效（等效互换前后对外伏-安特性一致），对内不等效。,例如：时,RO中不消耗能量,RO中则消耗能量,对内不等效,对外等效,(2)注意转换前后 US 与 Is 的方向,US与IS方向一致！,(3)恒压源和恒流源不能等效互换,恒压源和恒流源伏安特性不同！,(4)在进行等效变换时，与恒压源串联的电阻和与恒流源并联的电阻可以作为其内阻处理。,(5)串联的恒压源可以合并，并联的恒流源可以合并。,利用电源的等效变换分析电路,变换,合并,简化电路,1、所求支路不得参与变换；,2、与恒压源并联的元件、与恒流源串联的元件对外电路不起作用。,R1,R3,Is,R2,R5,R4,I3,I1,I,求 I=？,IS,R5,R4,I,R1/R2/R3,I1+I3,利用电源等效变换简化电路计算,例1,I=0.5A,U=20V,1.8 叠加定理,在多个电源同时作用的线性电路中，任何支路的电流或任意两点间的电压，都是各个电源单独作用时所得结果的代数和。,+,概念,+,I1=,I1=,证明：,利用支路电流法求解,解得：,I=2A,I=-1A,I=I+I=1A,电路如图所示，用叠加定理求I=？,应用叠加定理要注意的问题,1.叠加定理只适用于线性电路中电压电流的计算，不能计算功率；,如图所示电路，已知：,E=12V，IS=10A,R1=R2=R3=R4=1,用叠加定理计算U=？,解：,原图化为：,+,U=101/21=5V,U=12/4=3V,U=U+U=8V,名词解释,无源二端网络：二端网络中没有电源,有源二端网络：二端网络中含有电源,1.9 等效电源定理,等效电源定理,有源二端网络用电源模型替代，便为等效 电源定理。,戴维南定理,注意：“等效”是指对端口外（R）等效,有源二端网络用电压源模型等效。,等效电压源的内阻等于有源二端网络相应无源二端网络的输入电阻。（有源网络变无源网络的原则是：恒压源短路，恒流源开路）,等效电压源的电压（US）等于有源二端网络的开端电压U0,戴维南定理的证明,=,原图（a）用叠加定理计算，得,从（a）图的戴维南等效电路（b）中计算，得,等效！,戴维南定理的应用,应用戴维南定理分析电路的步骤：,1,将待求支路画出，其余部分就是一个有源二端网络；,2,求有源二端网络的开路电压；,3,求有源二端网络的等效内阻；,4,画出有源二端网络的等效电路；,5,将（1）中画出的支路接入有源二端网络，由此电路计算待求量；,等效电源定理中等效电阻的求解方法,求简单二端网络的等效内阻时，用串、并联的方法即可求出。如前例：,不能用简单 串/并联方法 求解，怎么办？,求某些二端网络的等效内阻时，用串、并联的方法则不行。如下图：,A,Ro,C,R1,R3,R2,R4,B,D,R0,求 开端电压 Uo 与 短路电流 Is,开路、短路法,已知：R1=20、R2=30 R3=30、R4=20 U=10V求：当 R5=10 时，I5=?,等效电路,1）求开端电压UO,2）求输入电阻 RO,3）画等效电路,4）求未知电流 I5,R5=10,求：U=?,1）求开路电压Uo,此值是所求结果吗？,2）求输入电阻 Ro,3）画等效电路,4）求解未知电压,诺顿定理：,定义：对外电路来说，任一线性有源二端网络 都可以用一个等效的电流源来替代。,小结,一、电流电压的参考方向,在作电路分析之前，必须指明各物理量的参考方向,关联参考方向:,二、电源与负载的判定,1、电压和电流的实际方向,2、功率P的正负（注意参考方向的取向）,功率的平衡方程：P发=P吸,三、理想电路元件,电阻R：,理想电压源：U=US I取决于外电路,理想电压源的置零相当于短路,理想电流源：I=IS U取决于外电路,理想电流源的置零相当于断路,四、电路基本定律,欧姆定律：U=IR,基尔霍夫定律：,KCL:I=0（应用于节点或封闭面）,KVL:U=0（应用于回路或部分回路）,五、电路的分析方法,1、支路电流法,解题思路：对电路中的N个节点，B条支路，列出(N-1)独立的KCL方程，B-(N-1)独立KVL方程，联立求解支路电流I1IB。,理想电流源的电流方向与电压源电动势的方向一致,六、电源等效变换法,1、等效对外电路而言，对电源内部不等效；,2、理想电源之间不能进行等效变换；,所求的支路不能参与变换；,注意,七、叠加定理,1、电源的单独作用：理想电源置零，保留电源的内阻,2、分量叠加求总量，注意分量的代数值:分量与总量参考方向一致，为正；相反，为负,4、戴维南定理,等效电压源的参数：,U,大小：有源二端网络的开路电压U0,方向：与开路电压U0的实际方向一致,R0 有源二端网络中的电源置零后，从两个 出线端(A、B)看进去的电阻。,