汽车电子电路基础知识.doc

(完整版)汽车电子电路基础知识
湖 北 交 通 职 业 技 术 学 院
教 学 设 计

教师姓名
黄刚
授课班级
1402035
授课形式
PPT/视频/实验
授课日期
2015年 3 月 日
授课时数
8
课程名称
汽车电子及电器
章节名称
增补内容：电子电路基础知识
教学背景
学生为汽车整形技术专业的,有一定的汽车专业基础知识，对汽车结构及发展有一定的了解。现在要学习汽车电器知识，考虑学生的实际水平,进行电子电路基础知识的补充介绍。
教学目标
· 知识目标：掌握电路的基本概念、电路连接的基本特点、电路图的组成；理解电和磁的基本关系、电磁感应原理；了解二极管、三极管的基本特性。
· 能力目标:能够识读简单的电路图；会用左手、右手安培定则；会使用万用表对二极管、三极管进行简易测试。
· 素质目标：培养学习兴趣,明确学习目标,加强团队合作意识。
教学重点
电路连接的基本特点，二极管、三极管的基本特性
教学难点
电磁感应原理
课外作业
搜集一些讲课没有涉及到的汽车新技术进行交流.
教学设计
备注
Ⅰ、教学信息
· 本内容为汽车整形技术专业钣喷方向汽车概论课程中的一个学习项目，对象为汽车专业单招班一年级学生，有了一定的汽车结构基础知识。通过本任务的学习学生要对汽车电路及电子技术方面的基本内容有一定的了解，为后续汽车电器知识的学习打下基础。并要进一步培养学生学习兴趣，让他们明确学习目标。

Ⅱ、教学目标

授课主要流程设计
备注
Ⅲ、教学流程
一、课程引入
汽车电气设备是汽车的重要组成部分，随着汽车技术的进步，汽车电气设备的结构与性能也在不断改进，特别是电子技术在汽车上的广泛应用已经成为现代汽车电气设备的重要标志。但要对汽车电气设备的相关知识进行全面掌握，必须具有一定的电工电子基础知识。

二、理论指导
项目一：直流电路基础
一、电路的基本概念
1、电路的组成
电路就是电流所流过的路径，它为了实现某种功能由一些电气设备或元件构成。就其功能而言,可以分为两大类：一是实现能量的转换、传送与分配（如电力系统电路等）；二是实现信号的传送和处理（如广播电视系统)。一般由电源、用电器、导线、开关组成。
2、电路的状态
电路通常有三种状态：通路、开路和短路。
通路：电路连成闭合回路,电路中有电流通过。
开路：指电路中某处断开，不构成通路的电路。
短路：把电源两端的导线直接相连时，电源输出的电流不经负载只经连接导线而直接流回电源的状态
3、电路图
电路图是用国家统一规定的电器元件或设备的符号来表示电路连接情况。

二、汽车电路的特点
1、两个电源
蓄电池、发电机
2、低压直流
3、并联单线
4、负极搭铁

三、电阻的连接及应用
1、电阻的串联及应用
两个或两个以上的电阻依次相连,中间无分支的连接方式叫电阻的串联。
电阻串联的性质：
（1)流过各电阻中的电流相等，即
I=I1=I2
（2）电路的总电压等于各电阻两端的电压之和,即
U=U1+U2
由此可得，电路取用的总功率等于各电阻取用的功率之和，即
IU=IU1+IU2
(3）电路的总电阻等于各电阻之和,即
R=R1+R2
（4)电路中每个电阻的端电压与电阻值成正比
(5）串联电阻电路消耗的总功率P等于各串联电阻消耗的功率之和,即

串联电路的实际应用主要有：
① 常用电阻的串联来增大阻值，以达到限流的目的；
② 常用几个电阻的串联构成分压器，以达到同一电源能供给不同电压的需要;
③ 在电工测量中,应用串联电阻来扩大电压表的量程.
2、电阻的并联及应用：
两个或两个以上的电阻接在电路中相同两点之间的连接方式叫电阻的并联。

电阻并联的性质：
(1)各并联电阻的端电压相等，且等于电路两端的电压，即
U=U1=U2
（2）并联电路中的总电流等于各电阻中流过的电流之和，即
I=I1+I2
(3)并联电路的总电阻的倒数等于各并联电阻的倒数之和。
(4)并联电路中,流过各电阻的电流与其电阻值成反比，阻值越大的电阻分到的电流越小.
可见，在电路中，通过并联电阻能达到分流的目的。
（5）并联电阻电路消耗的总功率等于各电阻上消耗的功率之和。
可见,各并联电阻消耗的功率与其电阻值成反比。
并联电路的实际应用有：
1）工作电压相同的负载都是采用并联接法。对于供电线路中的负载，一般都是并联接法，负载并联时各负载自成一个支路，如果供电电压一定,各负载工作时相互不影响，某个支路电阻值的改变，只会使本支路和供电线路的电流变化，而不影响其他支路.例如工厂中的各种电动机、电炉、电烙铁与各种照明灯都是采用并联接法，人们可以根据不同的需要起动或停止各支路的负载。
2）利用电阻的并联来降低电阻值,例如将两个1000的电阻并联使用,其电阻值则为500。
3）在电工测量中，常用并联电阻的方法来扩大电流表量程.

项目二：电磁原理
导入新课：
常用的电动机、变压器,以及在汽车上用到的电磁铁、继电器、各种电磁阀,都是有铁芯的线圈,所以在这些电气设备中不仅存在电路问题，也存在着磁路问题。比如电气设备内部的电与磁的相互作用、相互转换等。本项目就来学习磁路及电磁器件的知识.
一、磁场的基本物理量
1．磁感应强度B
2．磁通量Φ
若磁场为均匀磁场，Φ的大小可用Φ=BS 公式计算。
3．磁导率μ

图3—1 直导体周围的磁场
磁导率μ用来衡量磁介质导磁性能的物理量。如图3-1所示的直导体,在导体附近X点处的磁感应强度Bx

磁导率μ的单位:亨每米(H／m)。
不同的介质,磁导率μ也不同。例如真空的磁导率μ0＝4π×10-7H／m,一般磁介质的磁导率μ与真空中磁导率μ0的比值，称为相对磁导率,用μr表示，即

相对磁导率μr的物理意义：
根据磁介质相对磁导率的不同，材料分成三大类：
第一类μr略小于1，称为逆磁(反磁）材料；
第二类μr略大于1，顺磁材料.这两类统称为非铁磁性材料.
第三类为铁磁性材料。
4．磁场强度H
磁场强度H也是磁场的—个基本物理量。

上式中，H为磁场强度，单位为安每米(A／m）。
由图3-1可知，磁场中X点的磁场强度Hx为

由此可见，磁场强度的大小取决于电流的大小、载流导体的形状及几何位置，而与磁介质无关(而B与磁介质有关，使磁场的计算变得复杂）。H和B同为矢量。H的方向就是该点B的方向。

二、电磁感应
1．电磁感应定律
在电磁感应中产生的感应电动势
上式中的负号表明：感生电动势的方向总是阻碍原磁通量的变化趋势。
2．自感和互感
（1)自感
（2）互感
我们把一个线圈的电流变化在紧靠它的另一个线圈中产生感生电动势的现象叫做互感。

三、磁路欧姆定律
在磁路中，磁通Φ与磁动势NI成正比，与磁阻Rm成反比，这就是磁路欧姆定律,它的表示式为

比较磁路欧姆定律和电路欧姆定律：
对于铁磁材料,由于μ不是常数，故Rm也不是常数.因此，上式主要被用来定性分析磁路,一般不能直接用于磁路计算。
【课堂互动】磁路欧姆定律与电路欧姆定律相比存在什么对应关系?列出对应表。

四、变压器
【想一想】我们生活中使用的三相照明用电是怎样传输过来的？中间经过什么环节？
变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止的电气设备，它具有变电压、变电流和变阻抗的作用。
变压器种类很多，按其用途不同，有电源变压器、控制变压器、电焊变压器、自耦变压器、仪用互感器等。
1、单相变压器的结构
单相变压器由闭合铁芯和两个绕组及辅助设备等组成。变压器从结构可分为两种:芯式和壳式。

2、变压器的工作原理
(1)变压器的空载运行
变压器原线圈接上额定的交变电压u1，副线圈开路不接负载（开路i2=0），这种状态称为空载运行.

K称为变压比或变比.当K＞1时，变压器为降压变压器；当K＜1时，为升压变压器。
【想一想】学生总结变压器的工作原理实质是什么？
【例3-1】某单相变压器接到电压U1=380V的电源上，已知副边空载电压U20=19V,副绕组匝数N2=100匝,求变压器变比K及N1。
【解】 K=U1/U20==380/19=20
N1=KN2=20×100=2000匝
（2）变压器负载运行
1）变压器负载运行时初、次级的电压关系
变压器的原绕组接交流电压u1，副绕组接负载Z2，变压器向负载供电，这种运行状态称为负载运行

2）变压器负载运行时初、次级的电流关系
 结合前面所学知识，可以得到：

项目三:半导体元件
一、二极管的结构与特性
【课堂互动】认识几种二极管。
1．二极管的结构
（1）二极管的外形
（2）二极管的结构 从P型半导体上引出的电极叫二极管的正极或阳极，用“+”表示;另一电极叫负极或阴极，用符号“—”表示。文字符号为VD，箭头指向二极管正向导通时的电流方向.

图6-8 二极管的电路符号
（3）二极管的分类：
2．二极管的伏安特性
伏安特性是指加在二极管两端的电压与通过它的电流之间的关系，可用伏安特性曲线来表示.

（1）正向特性 死区电压，也叫阈值电压或坎电压。硅管的死区电压约为0.5V,锗管的死区电压约为0。1V.
AB段称为正向导通区。
（2）反向特性 0Ｄ段称为反向截止区。这时二极管呈现很高的电阻，在电路中相当于一个断开的开关,呈截止状态。
总结：
①二极管具有单向导电性，二极管只允许电流从管的“+”极流向管子的“-”极,而不允许电流从“—"极流向“+”极。它的单向导电性可以用水流和阀门的比喻来帮助同学们理解
②二极管的伏安特性具有非线性。
③二极管的伏安特性与温度有关。
二、二极管的主要参数
二极管的参数是反映二极管电性能的质量指标，是合理选择和使用二极管的主要依据。二极管的主要参数有以下几种.
（1）最大整流电流IFM
（2)最高反向工作电压URM
（3）最大反向电流IRM
三、二极管的检测
1．用模拟式万用表检测二极管的单向导电性（注意黑表笔的极性）
2．用模拟式万用表检测二极管的好坏
若测得的二极管的正向电阻小，反向电阻大，且两者相差很大，说明管子是好的。
若测得的二极管的反向电阻太小，则说明该管已失去了单向导电性；若反向电阻无穷大，则说明管内部已开路；若反向电阻为零，则说明该管已被击穿,不能使用。
3．用模拟式万用表判断二极管的极性
注意：用万用表测二极管时，不能用R×1和R×10K挡，R×1挡电流太大，可能烧坏二极管;R×10K挡电压太高，可能会击穿管子。
四、特殊二极管及其在汽车上的应用
(一）稳压二极管
1．稳压二极管伏安特性
稳压二极管工作在反向击穿区，也称为齐纳二极管。这种管子杂质浓度较高，PN结较薄。它的伏安特性与普通二极管类似，只是稳压二极管的反向击穿区特性曲线很陡。

2．稳压二极管的主要参数
（1）稳定电压UZ 指稳压二极管反向击穿后稳定工作的电压值（击穿电压)。不同型号的管子具有不同的稳压值。相同型号的管子,因制造工艺不易控制，相同型号的稳压值也有少许差别,如2CW1的UZ=7~8。5V。但具体到某一只稳压管,它的稳定电压是确定的。
(2）稳定电流IZ 是指稳压管在稳定电压时的工作电流，其范围在IZmin~IZmax之间(图6-14a）。
（3)最大耗散功率PM
(6)动态电阻rZ
应当注意：
（1）稳压管在工作时一定是正极接低电位，负极接高电位。
（2）稳压管一般只用于低电压、小电流的工作场合，对一些高电压或大电流的工作场合不能选用稳压管稳压。
3．稳压二极管在汽车上的应用
（二)发光二极管
1．发光二极管的结构、符号
具有普通二极管的正、反向特性，而且当给管子施加正向偏压时，管子还会发出可见光和不可见光（即电致发光），其亮度随着流过的电流增大而提高，发光的颜色和构成PN结的材料有关.
应该注意:①发光二极管在使用时必须正向偏置，还应串接一个限流电阻。②使用时，工作温度一般为-20℃～75℃,不要安装在发热元件附近。
2．发光二极管在汽车上的应用
在汽车电路中,发光二极管随处可见，主要用在仪表板上作为指示信号灯或报警信号灯.
发光二极管除上述单个使用外,在汽车仪表中还常用来作为显示器件,如经常被做成七字符段、十四字符段或矩阵式发光器件,也可以显示图形符号。
3．发光二极管的检测
【想一想】日常生活中或在汽车上还有什么地方用发光二极管?
（三）光电二极管
1．光电二极管外形及符号
光电二极管的结构与普通二极管的结构基本相同，只是在它的ＰＮ结（结面积尽量大，电极面积尽量小,结很浅）处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。
注意：光电二极管大部分应用场合与稳压管类似，工作在反向状态。
2．光电二极管在汽车上的应用
利用光电二极管制成光电传感器,可以把非电信号转变为电信号，以便控制其他电子器件。汽车上有的传感器就是利用光电二极管制成的.
【想一想】汽车上还有哪些地方用光电二极管？
五、晶体三极管的结构与分类
三极管的结构：两个PN结，三个区域，三个电极.依次为发射极（ｅ、E极）、基极（ｂ、B极）和集电极（ｃ、C极)。箭头表示发射结正向电流的流向,三极管的文字符号是VT。
为使三极管具有电流放大作用，在制造过程中必须满足实现放大的内部结构条件,即：
（1）发射区掺杂浓度远大于基区和集电区的掺杂浓度，以便于有足够的载流子供“发射”.
（2）基区很薄（一般只有几个微米至几十微米），且掺杂浓度很低，以减少载流子在基区的复合机会，这是三极管具有放大作用的关键所在。
（3）集电区比发射区体积大且掺杂少,集电结的面积要大,集电结的面积小，以利于收集载流子。
介绍三极管的种类和分类方法：
六、三极管的电流放大作用
三极管的电流放大作用即“以小控大、以弱控强”的作用，并非真正把小电流放大了。
不论是PNP型还是NPN型的三极管,实现电流放大作用的基本条件是：发射结必须加正向电压（正偏），集电结则要加反向电压（反偏）。
1.三极管的工作电压和基本连接方式
（1）工作电压
对于NPN型:UC>UB〉UE；对于PNP型：UE>UB〉UC。
(2）放大电路的基本连接方式
有三种基本连接方式。
①共发射极接法。
②共基极接法。
③共集电极接法。
2．电流放大原理
三极管内部载流子的运动情况可以分为三个过程：
（1）注入过程
（2）扩散与复合过程
(3）收集过程
三个电极中的电流间的关系:IE=IB+IC
IC与IB的比值称为直流电流放大倍数，用表示，则有

 ,单位是mA。
—-三极管的直流电流放大倍数。
当IB有微小变化时，会引起IC的较大变化,我们把集电极电流变化量与基极电流变化量之比叫交流电流放大倍数,用β表示。

通常情况下,β和的数值差别很小，故不再加以区别，工程估算时两者可以通用。
【讨论】三极管电流放大作用的实质是什么?
3．电流放大作用比喻
【课堂互动】图6—37所示是测试晶体管的特性电路，测量的数据如表6-1所示，用以验证三极管各电极的电流分配关系，你能求出三极管的直流电流放大倍数和交流电流放大倍数吗？
七、晶体三极管的开关电路及在汽车上的应用
（一）饱和状态和截止状态
1．饱和状态
三极管工作在饱和状态的条件是：发射结和集电结都处于正向偏置，Uce≈0很低，但电流很大，C、E之间相当于一个闭合的开关。
2．截止状态
三极管工作在截止状态的条件是：发射结反向偏置或零偏置、集电结处于反向偏置。此时IB≈0，Ic≈0, Uce≈UCC，呈现出高电阻状态，C、E之间相当于一个断开的开关.
（二)三极管开关电路
1．NPN三极管开关电路
（1)NPN三极管的开关状态

图6-40 NPN三极管的开关状态
（a）基极输入一个高电位信号 (b)基极输入一个低电位信号
当基极b输入一个高电位控制信号时三极管VT饱和导通,C、E间相当于闭合的开关。
当基极b高电位控制信号撤离后（输入低电位），管子截止，C、E间相当于断开的开关（图6-40b）。
※(2)NPN管开关电路的实验
如图6-42，分析其工作。
【想一想】按下开关、断开开关时,三极管VT9013管的发射结和集电结处于什么状态?
2．PNP三极管开关电路
PNP管的开关电路与NPN管开关电路组成类似。以图6-43讲解。
3．多极开关电路
以图6-44（a）、(b)所示的两级和三级开关电路讲解。
【想一想】图6—44(a)中LED要想发光，须使VT2处于什么状态?若要使VT2导通,B点是处于高位还是低电位?VT1的状态又与A点的电位是什么关系？开关闭合时A点的电位是高还是低？开关打开时，A点的电位高低状态？
（1）两级开关电路的工作原理
※（2）三极开关电路的工作原理
【讨论】在图6-44两个图中，三极管VT1、VT2饱和导通时，B点、C点的电位分别为多少？图6—44（a)中B点的电位与VT2的状态什么关系？图6—44(b）中C点的电位与VT3的状态什么关系？由学生总结电路中几个三极管间的相互状态关系.
4．达林顿管（复合管）
达林顿管的放大倍数为
β=β1×β2。
汽车电子点火系统的点火控制模块大多采用达林顿管做为输出端，达林顿管与负载的连接见图6—46。

图6-46 达林顿管与负载的连接
【想一想】图6-46图中的两个管子状态是不是总是相同的呢?当β1=50，β2=50时，这个复合管相当于一个多大放大倍数的管子呢?
※（三）汽车电子电路中的三极管开关电路
以蓄电池液位报警电路为例,说明晶体管开关电路在汽车上具体应用。
【想一想】还有哪些汽车电路中用到了晶体管的开关作用?

三、任务实施步骤
1、课程导入
2、直流电路基础知识介绍
3、由电和磁的关系讲述电磁原理
4、介绍二极管
5、介绍三极管
6、课外活动：熟练万用表的使用
7、教学点评个小组学习情况

四、教学总结
1、要求学生对直流电路基础知识进行掌握。
2、要求学生对电磁原理进行理解。
3、要求学生具有一定半导体技术的知识.
4、教师对学生的学习、实施过程予以总结并评价考核。

五、知识的拓展与运用
【拓展】参看《汽车电工与电子技术基础》，对没有了解的知识进行学习与补充.