汽车电子电气基础知识详解(二)

◆文/山东 刘春晖 张学忠

（接2019年第12期）

二、欧姆定律

欧姆定律是最重要的电工学定律之一，它描述了电压、电流和电阻之间的关系。欧姆定律的内容是，在恒温下一个金属导体上的电压降U与流经导体的电流强度为I的电流成正比。

利用欧姆定律可计算出一个电路的三个基本参数，前提是至少已知其中的两个参数。这三个基本参数是电压、电流和电阻。欧姆定律可用以下三个公式表达：

如果在电阻1Ω的用电器上施加1V电压，则电路内的电流强度为1A。电压升高时，电流也随之升高。用电器电阻升高时，在电压保持不变的情况下电流减小。魔法三角可用于辅助确定欧姆定律的不同公式，如图10所示。删掉待计算的参数，用剩下的两个参数计算出该结果。为了清楚这些参数的顺序，要记住URI。提示：如果很难接入电路或不允许断开电路，则要测量电路内已知电阻上的电压。随后可通过欧姆定律计算出电流。

图10 欧姆定律的魔法三角

三、电功

当电压U使电量Q移动时，就在做电功。功的单位为焦耳(J)或者千瓦时(kWh)。电功的计算公式如下：

电机旋转和灯泡照明都是电功的形式。当电流通过时，电能就被转化为其他形式，例如动能、光能或热能。

四、电功率

从技术角度来说，“电流消耗”这种通俗的表述是不正确的，因为流入设备的电流还会再次流出。事实上，涉及普通家用电流时，电子只是在导体内短程往复“摆动”，而不会有明显数量的电子从导线流入设备内，实际“流动”的是电能。电能也同样不像通俗表述的那样被消耗掉，而是进行相应转换，例如转化为机械能(电动机)、热能(电吹风)和化学能(例如手机电池充电时)。此时所做的功(电压、电流强度和时间的乘积)由一个所谓的电度表确定。因此，“电流消耗”的计量单位是能量单位“千瓦时”，而不是电流单位“安培”。一般来说，功率是指特定时间内做功的能力。

电功率是电子学和电工学中定义表述差异最大的一个数值。所有功率的共同点(针对直流电压)是计量单位和公式符号。电功率的公式符号是大写的P。电功率的基本单位是瓦特(W)或伏安(VA)。后者通过电压和电流计算出来。计量单位“VA”经常可以在变压器和电机上看到。

电功率P、电压U、电流和电阻之间的数学关系参见图11。可通过两个已知的电参数计算出一个未知的电参数。

图11 电流I、电压U、电阻R和功率P的换算表

五、电路

到现在为止，我们谈及的电路都由一个电压电源和一个负载电阻构成。但在车辆上一个电压电源(车载网络供电)会同时接有很多用电器。这种电路称为扩展型电路。扩展型电路也分为并联和串联两种基本连接方式。

下面以电阻为用电器介绍这两种连接方式。与其他用电器连接时，例如电机、白炽灯泡或继电器，情况基本相同。在电子电气系统中电路也用电路图来表示。

与以前所示电路图的唯一区别是未画出回流导线。在一些汽车中回流导线通过车身即电气接地表示。接地用图12所示电路符号表示。车辆上的所有接地连接都通过车身以电气方式相互连接。车身通过一根铜带与蓄电池负极接线柱连接在一起。

图12 接地电路符号

六、电路图

识别电路图是诊断系统故障的基本技能，下面就宝马电路图的一些表示方法做出说明，部分电路符号的表示方法如表1所示，导线颜色的表示方法如表2所示。线路图说明：同一插头中的两个线脚划线表示同一插头的连接点，其各部分的含义如图13所示。

表1 部分电路符号的表示

表2 导线颜色的表示方法

图13 线路说明

七、串联电路

1.电阻的串联

图14 电阻串联

串联时将所有电阻依次连接在一起。电流先后经过每个电阻，也就是说必须克服总电阻，如图14所示。

相同电流经过所有电阻时这些电阻为串联形式。总电压Utotal分布在串联电路的各个电阻上。各部分电压之和等于总电压。

由于串联电路内各处的电流大小都相等，因此不同电阻的电压降不同。电压与对应的电阻成正比。串联电路的总电阻是各串联电阻之和。

总电压分配在最大电阻上的电压降最大，总电压分配在最小电阻上的电压降最小。

2.供电电源串联

正确串联连接各供电电源的电极时，就会将各部分电压相加起来，如图15所示。将各电源彼此同极相对连接时就会消减电压。最大电流由最弱供电电源决定。

串联连接供电电源时，各部分电压相加形成总电压。同理，将各内阻抗相加即得到总内阻抗。

图15 供电电源串联

八、并联电路

并联电路不是将电阻依次连接，而是将其并排连接时称为并联。在这个电路中有更大的横截面供电流通过，并联电路的连接如图16所示。因此总电阻较小。并联电路的总电阻始终小于最小的单个电阻。电阻并联时，施加在所有电阻上的电压都相同。

图16 电阻并联

总电流在电阻的连接点处分为多个分电流。分电流的总和等于总电流，如图17所示。

图17 电流I分为三个分电流

并联电路的总电阻小于最小的单个电阻。电流可以更好地通过各个并联电阻，即电导率升高。利用下列公式计算三个电阻并联时的总电阻，如图18所示。

图18 一个并联电路的总电阻

可将供电电源并联起来，其电路如图19所示。但必须确保所有供电电源都具有相同的标称电压值和内阻抗。必须将各电源的同极彼此相连，否则可能会对供电电源造成无法修复的损坏或破坏。并联连接供电电源可输出相对于单个供电电源来说更强的电流。

图19 供电电源并联

各部分电流相加形成总电流，各内阻抗并联连接在一起。

必须确保只将具有相同非负荷电压值和相同内阻抗的供电电源并联在一起。如果将不同容量和充电状态的蓄电池并联在一起(辅助启动)，只能在短时间内保持这种连接状态，否则将会引起蓄电池过热。

九、最常见的电路故障

1.接触电阻

经过一段时间，连接部位在空气、湿气、污物和侵蚀性气体的作用下出现氧化现象。这种氧化作用会使连接部位的接触电阻增大。根据欧姆定律，电阻增大会产生电压降。电路中的电阻增大导致电流减小。因此用电器内实际消耗的功率减小。例如，因氧化作用造成前灯导线电压下降10%时，前灯内的实际功率就会减小大约20%。接触电阻较小且电流只有几安培时，电压降可以忽略不计。

接有电流较大的用电器时，可能会出现严重影响用电器功能的电压降。但由于无法用万用表测量较小的接触电阻，因此必须通过测量闭合电路内的电压来确定该电阻值。

2.短路

在两个电极(例如电池的正极和负极接线柱)之间建立起直接的导电连接(通常是不希望出现的)时称为电气短路。短路就是电压电源的突然性电荷平衡。短路通常是由于绝缘不良或由于电气系统及电路出现电路故障造成的。在电压几乎降为零的同时，电流达到最大值，即短路电流。该电流只能通过电源内阻Ri来限制。

所有为进行平衡蜂拥而至的电子同时试图通过导体，导体无法承受这种电子流，因此导致导体上产生电火花或过热。由于短路电流没有受到限制，因此可能导致没有熔丝保护的导线或电缆过热损坏。出现较高的短路电流时熔丝必须熔断，同时以最快的速度将短路部位与其他正常的供电网络断开。根据电路情况必须尽快切断(最多0.1s)，以将电压降和短路电流的影响降至最低。否则可能会引起火灾。

3.断路

断路时电路无法闭合，即所需电流中断。断路通常是由于插接连接问题造成的。断路的结果是电气组件无法工作，例如白炽灯泡、加热电阻、扬声器等。

十、可变电阻

可变电阻可分为机械可变电阻(电位器)和其他类型的受外界温度压力等条件影响的电阻器，如热敏式电阻、光敏电阻等。可变电阻器按其设置特性进行区分，不同可变电阻特性如图20所示。除直线和对数设置特性外，还有一系列非线性电阻器。在应用方面，一般直线电阻应用在位置传感器上，对数曲线型电阻，应用在音量调节器上，S形曲线应用在空气体积流量计。

图20 不同类型可变电阻特性

十一、机械可变电阻

机械可变电阻即电位器，形式不同，但是它们具有相同的电气功能(可变分压器)，机械可变电阻的电路符号如图21所示。

电位器的电阻值可随时改变，线绕电位器仅在机动车电气系统内使用，碳膜电位器或导电塑料电位器在机动车电子系统内使用。电位器可用于进行长度测量，电位器活动触头与待测长度有关，测量可变电阻器的电压降，通过电阻内的变化可以量度长度变化，电位器也可以作为角度传感器使用。在这种情况下，旋转角度与电位器电阻上的电压降之间具有一种固定的相互关系。

机械可变电阻在机动车中主要应用在燃油液位传感器、叶片式空气体积流量计、踏板位置传感器、节气门位置传感器等。现在除了燃油液位传感器还在使用电位器外，其他的传感器都已经使用非接触式的传感器替代。

图21 机械可变电阻的电路符号

图22 NTC电阻在电路中的电路符号

图23 NTC 电阻随温度变化的特性曲线图

十二、热敏式电阻器

热敏式电阻在车上是应用最广泛的一种可变式电阻。

1.NTC 电阻

NTC 电阻是电阻值随温度升高而减小的半导体电阻。对于NTC电阻来说，R20表示20℃时的电阻值，即处于冷态的NTC电阻。为了抵消内部温度影响，NTC电阻流过的电流较低，因此外界温度对电阻值的影响很大。NTC电阻在电路图中的电路符号如图22所示，两个反向箭头表示电阻与温度之间成反比。温度越高，电阻越低，温度越低，电阻越高，其特性曲线图如图23所示。

图24 带有冷却液温度传感器的电路图

无固有加热特性的NTC电阻在测量温度时作为温度传感器使用，在模拟电路中用于稳定温度。如图24所示为带有冷却液温度传感器的电路图。宝马E60空调蒸发器温度传感器电阻值与温度的关系如表3所示。

表3 宝马E60空调蒸发器温度传感器电阻值与温度的关系

2.PTC电阻

PTC电阻是电阻值随温度升高而增大的半导体电阻，电阻符号如图25所示。图26显示了PTC电阻随温度变化的电阻曲线图。在汽车上PTC电阻可用来控制加热

装置电流，如车外后视镜加热器(图27)。

PTC电阻达到初始温度TA时电阻值开始增大，此时为初始电阻RA，直至标称温度TN时电阻都以非线性形式增长。自标称电阻RN起，电阻显著增大。PTC工作范围扩大，直至达到最终温度TE。

图25 PTC电阻符号

图26 PTC电阻随温度变化的特性曲线图

图27 车外后视镜内加热控制电路图

（未完待续）