分压电路在汽车电气控制系统中的应用

陈海芹

江苏省连云港工贸高等职业技术学校 江苏省连云港市 222000

1 引言

现代社会人们对汽车功能的要求越来越高，不但要求着汽车驾驶的安全性，更追求驾驶过程中的舒适性与功能性，这也意味着传统意义上的汽车结构需要与时俱进的革新，各类控制性能更好的元件应在汽车系统中得到有效应用。而人们常提到的汽车操纵感，则与汽车电气控制系统的各部分元件应用密切相关，不同类型的元件对电压的要求都有所不同，技术人员以分压电路的形式将各类元件连接到一起，通过调节电压的方式让其得到稳定运行，才能更好的保障汽车在驾驶途中的安全性。然而分压电路的应用分布于汽车电气控制系统的各个方面，既有为三极管提供偏置电压结构的应用，也有辅助传感器发射控制信号的应用，要想研究分压电路的应用情况，就需要结合实例来分析分压电路在不同结构中的不同作用，可以帮助技术人员在复杂的汽车电路中找到一些具有共性的基本规律，有助于技术人员更好的学习并应用汽车电子技术于实践中。

2 分压电路的主要构成内容

现代汽车控制系统中应用的分压电路在本质上就是串联电路，即每一个电阻元件按照固定的顺序依次连接，构成了一个完整的串联电路，在这个电路中流通的电流是同一种，可以用基尔霍夫电压定律可 以 表 示 为“U=U1+U2+U3+U4+……+Un”，因为“U=IR”，所以又可以表示 为“U=I×R1+I×R2+I×R3+I×R4+……+I×Rn”， 又 可 以 写 为“U=I×（R1+R2+R3+R4+……Rn）”，而基本的串联电路电阻公式为“R总=R1+R2+R3+R4+……Rn”， 即“U=I×R总”。由于串联电路各个部分的电流是相同的，所以电路电流可以表示为“I=U÷R总”，而本串联电路中每一个电阻元件的电压都可以用以下公式来表示，如1号元件两端的电压可表示为“U1=I×R1=U/R总×R1”，同理，2号元件两端的电压可表示为“U2=I×R2=U/R总 ×R2”，3号 元件两端的电压可表示为“U3=I×R3=U/R总×R3”，4号元件两端的电压可表示为“U4=I×R4=U/R总 ×R4” ……n号 元件两端的电压可表示为“Un=I×Rn=U/R总×Rn”。从这些表达公式中可以看出，在以串联电路形式构成的分压电路中，电路中每一个电阻元件两端的电压都会与该元件自身的电阻形成正比的关系，根据“I=U/R”公式可知，串联电路电流不变时，电阻元件的电阻值越大，则其在串联电路中的电压分压就会越大。如图1所示，是分压电路作为汽车控制系统中的分压器使用时的使用模型，其中图1中标注的U0为电路中电阻R2分压值，可以作为输出信号使用。

图1 分压电路充当分压器的模型示意图（参考）

3 分压电路在现代汽车电气系统中的具体应用形式

3.1 分压电路与偏执电压

1.分压电路对于汽车充电系统的作用

现代汽车内部结构的充电系统结构包括蓄电池部分、充电指示灯部分及电压调节器等等，这些部分构成了完整的现代汽车充电系统，需要满足汽车日常的充电需求。当前汽车的充电系统中多数使用交流发电机，这类发电机的实用优势比较明显，其体积较小且结构简单，后续出现问题也易于维修，并且具有较长的使用寿命，即便是在汽车低速行驶时，也具有较好的充电效果，所以可以维持汽车的正常行驶，也成为多数现代汽车内部结构中为整车电气设备提供电能及蓄电的主要装置。从现代汽车充电系统中使用的交流发电机性能分析可知，其输出电压与转速之间的关系是正比例的，也就是说当交流发电机的转速上升，其电压值也会逐渐增大，但是现代汽车的日常行驶状况会逐渐变化，充电系统中的交流发电机的转速也会不断发生变化，最低为700r/分钟，最大为6000r/分钟，变化值就处于这两个数值之间，这种情况容易给交流发电机带来一定的负荷压力，导致发电机输出的电压值会不稳定，那么汽车内部的电器元件就容易因为电压不稳而受到损害。在这种情况下为保证汽车内部系统中各项电子元件与电子设备能够延长使用寿命并处于正常的工作状态，设计师通常会在充电系统中安装电压调节器来稳定电压输出。这类电压调机器包括两种形式，既有机械式的电压调节器，随着现代电子信息技术的发展，也出现了电子式的电压调节器，多数现代汽车充电系统中会安装电子式的电压调节器，因其精度较高且结构简单的优点而备受青睐，况且电子式电压调机器不需要维修，尤其是在一些日系汽车上，这种电压调节器的使用更为广泛。

如图2所示，为东风某车型中的电子式电压调节器使用模型，图示中以R1和R2两个部分串联成分压电路的结构，经过分析可以看出，a为两个电路串联以后分压线路的输出端口，可以直接检测到整体交流发电机的输出电压值，并向系统的三极管提供基础的偏置电压。该电子式电压调机器的运行原理是，当交流发动机处于较低的转速状态时，其输出的电压也会比调节电压更低，此时a点作为输出电压的端口，分压值就会较小，那么电子式调压器就会进行反向截止，导致V1端口的基本电压处于截止状态，而电源处的电压经过电阻元件R3的作用，会在V2处进行导通，那么交流发电机与励磁线圈之间是相同的，可以对交流发电机的电压起到调整作用。同理，在交流发电机的转速不断提升以后，其输出的电压值也会高于调节的电压值，此时a点处的分压会反向击穿V1处，并在V1处形成偏置电压，那么V1会导通，V2处的电压会因为V1处已经导通而数值变低，直到V2处的电压处于截止状态，则汽车充电系统内的交流发电机与励磁线圈处于断电的状态，那么发电机的输出电压就会处于调低电压的状态。

图2 东风某车型充电系统电子电压调节器的原理示意图（参考）

2.分压电路对于汽车晶体管点火系统的作用

现代汽车的晶体管点火系统中也有对分压电路的应用，如图3所示，是丰田某车型在采用磁感式电子点火装置时，所使用的基本结构，从图示中可以明显的看出，R6与R7两个元件与三极管元件直接串联，并组成了相对完整的分压电路，在三极管元件导通电流时，a点所承受的分压就是R7点两端电压提供的偏执电压，会直接输送给V5处实现V5处的电压导通，如果情况相反则刚好使V5处截止。这一电路结构的工作原理也比较简单，即线路中的信号线圈发出交流电变压信号时，输出的电压会提升P点处的电压，并且其数值会持续增高，始终大于V2处的导通电压，正因为V2处电压导通，而V3的电位会相对降低直至截止，三极管元件的电位因此升高直至导通，由a点获得一定的分压值，并持续控制V5处的导通。电路中的点火线圈的初级绕组在初步通电以后，线圈会储存一定的电磁能，用于电子点火装置的应用。如果情况相反，则该线路中的信号圈电压持续降低，线路中P点处的电位要比V2处的导通电压更低，所以V5处于截止状态，线路中线圈的初级绕组也处于断电的状态，此时点火线圈会对已经储存的电磁能进行释放，在高压状态下就会促使火花塞跳火，以此完成磁感式电子点火工作。

图3 丰田某车型磁感式电子点火装置中分压电路的应用示意图（参考）

3.2 分压电路与传感器

1.分压电路对于环境温度与水温的作用

分压电路在汽车传感系统中的应用主要体现为控制信号的作用，多数汽车的环境及水温传感器会与汽车空调之间形成连接，均可以采用负温度系数所表示的热敏电阻，用于监控汽车内部的温度并维持其环境温度的舒适度。但是汽车系统中普遍使用的空调ECU只能对数字类信号进行处理，而不能在电子元件电阻变化的基础上直接进行处理，反而是通过电子元件电阻变化以后，将数值传输到传感器中，将电阻值的变化转换为能够与温度表达一致的数字信号后，可以进行处理，再以信号的形式返还给处理系统，而这些过程都是在分压电路过程中实现传递的。其基本的传输过程如下，汽车的环境传感器及水温传感器会分别于空调ECU连接，构成了以串联电路为主要形式的分压电路进行工作，分压端包括不同功能所需要的Va、Vb及Vc等等端口，经过整体串联系统中的A/D转换电路处理以后，会改变为数字形式的信号，核心设备空调ECU将数值进行运算，得出了相应的控制信号，即可以完成对车内温度、风速的调控，并为车内外循环系统的应用提供基础条件。

2.分压电路对于汽车电控燃油喷射系统的作用

如图4所示，是本田某车型水温传感器与燃油系统进气温度传感器的线路图，与汽车空调系统ECU直接连接，此车型燃油系统中的水温传感器与进气温度传感器采用的都是负温度系数的电阻元件，属于热敏电阻，根据图示可知，各部分的电阻都与ECU形成了分压电路，经过Va与Vb两个端点将信号输送至A/D转换电路中，转换成数字信号以后，该系统会根据信号的指示形成相应形式的喷油脉冲，即可完成对燃油系统喷油嘴动作的良好控制。除此之外，燃油系统中气节门的位置传感器也需要怠速调整电阻，与燃油系统中的EFI控制单元直接相连，串联成分压电路的结构。汽车所使用的节气门位置传感器通常是根据可变电阻的数值变化来进行调整的，作为电压端子的应用元件，也成为怠速信号端子用于传递信号，其与节气门连接处的电阻组成了传感器输出端子，此时a与b点都处于该串联分压电路结构的中间位置，并且b点的节气门开度为原有开度的2/3。纵观节气门位置传感器的分压电路并没有非常明显的分压电路特征，但从其功能性方面来看，可以将其简化为分压电路的形式，也满足分压电路的串联电路结构要求，所以仍将其归纳于分压电路的应用。也就是说，在汽车燃油系统的气门发生开度变化时，相应位置处的电阻元件也可以作为传感器电阻的分界点使用，形成不同部位的电压分压电路，燃油系统节气门所输出的信号就是分压电路的具体分压值，在转换为数字信号以后，汽车的ECU系统会正常运行并控制燃油系统的喷油器脉冲操作，当节气门增加开度，该电路的分压值也在逐渐增大，和整体的电阻关系为线性关系，仍然符合分压电路的各项特征。

图4 本田某车型水温传感器与进气温度传感器线路示意图（参考）

4 结束语

现代汽车的电气控制系统构成比较复杂，各个功能的应用都需要相应的内部控制系统予以调节，所以现代汽车在构造过程中应用的电子元件较多，也需要相应的电阻元件予以调节电压，用于适应汽车在行驶过程中电压不断变化的环境，维持汽车各项功能的稳定。分压电路作为现代汽车电气控制系统中比较基础的串联电路形式，是以各类电阻元件的使用为主要形式的调压模式，在汽车系统的供压及传感等方面均有应用，无论是维持发动机的电压稳定，还是在汽车空调系统中的应用，都体现出非常重要的作用。