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第二章　维修人员应掌握基本技能

第一节　电子电路知识

一、电压

1.电压的概念

在电路中，任意两点之间的电位差称为这两点的电压。

电压也称作电势差或电位差，电压是相对于正负两个电极来说。所以，电压就是正极到负极的电势差。电压是衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。换句话说，只要在两个端点之间，存在电势差，这两个端点之间就会有电压。电压是形成电流的原因。

电压通常用字母U代表，电压的国际单位制为伏特，简称伏，用符号V表示。高电压可以用千伏（kV）表示，低电压可以用毫伏（mV）表示，也可以用微伏（μV）表示。它们之间的换算关系如下：

1千伏（kV）=1000伏（V）；

1伏（V）=1000毫伏（mV）；

1毫伏（mV）=1000μV。

2.电压形成的条件

因此，电压是否存在有以下两点判断：

①电压一定是指两端，即两个点之间；

②这两点之间是否有电流通过；有电流，这两点间是否有电阻或是某个用电器。若有用电器，则有电压；若无电流，这两点是否可以分别与电源的+、-极（或火线、零线）“相通”，若是，则有电压。

例如，一根通电的短导线两段，它们虽然都有电势，但因为没有电势差，所以没有电压。也因为没有电压，所以小鸟停在上面不会被电死。同样，一个通电的电阻的两段，就有电势，也有电势差，所以有电压。

3.电压的种类

电压分交流电和直流电两种。我国民用电源就是220V交流电，属于危险电压，交流电的特性是无正负极性；直流电则一般被广泛使用于手机（锂电池）之中。例如干电池（1.5V）、锂电池、蓄电池等被称之为直流电，直流电的特性是有正负极性，所以直流电源出厂时都标注有正负极。直流电源正负极标注如图2-1所示。

图2-1　直流电源正负极标注

交流电是指电压的大小和方向随时间作周期性变化的电压。直流电是指大小和方向不随时间作周期性变化的电压。

4.电压的测量

电压的大小可以用万用表电压挡测量。测量的时候，把电压表的表笔与被测量电路并联，电压表的挡位要选择电压表指针较大的量程。如果电路上的电压大小估计不出来，应用大的量程，简略测量后再用合适的量程。这样可以防止由于电压过大而损坏万用表。另外，测量交流电的时候一定要注意安全，不要用手接触表笔漏电的地方。交流电压的测量如图2-2所示。直流电压的测量示意图如图2-3所示。

图2-2　交流电压的测量

图2-3　直流电压的测量示意图

二、电流

1.电流的概念

单位时间内通过导体横截面的电荷量，叫电流，电流是指一群电荷的流动。电源的电动势形成了电压，继而产生了电场力，在电场力的作用下，处于电场内的电荷发生定向移动，形成了电流。电流的大小称为电流强度，简称电流，符号为I，是指单位时间内通过导线某一截面的电荷量，每秒通过1库仑的电量称为1“安培”（A）。安培是国际单位制中所有电性的基本单位。除了A，常用的单位有毫安（mA）、微安（μA）。它们的换算方式如下：

1kA=1000A

1A=1000mA

1mA=1000μA

2.电流形成的原因

因为有电压（电势差）的存在，所以产生了电力场强，使电路中的电荷受到电场力的作用而产生定向移动，从而形成了电路中的电流。

3.电流产生的条件

①必须具有能够自由移动的电荷。例如，金属中只有负电荷移动，电解液中为正负离子同时移动。

②导体两端存在电压差，也就是说要使闭合回路中得到持续电流，必须要有电源。

③电路必须为通路。

4.电流的种类

电流可分为直流电流、交流电流。

不随时间变化的电流称为直流电流。周期地变化而不含直流分量的电流称为交流电流。电工中涉及的电流除直流、交流及瞬变电流外，还有传导电流、运流电流和位移电流。

5.电流测量

电流可以用万用表电流挡测量。测量的时候，把电流表的表笔与被测电路串联，要选择电流表指针接近满偏转的量程。确认目前使用的电流表的量程，被测电流不要超过电流表的量程，这样可以防止电流过大而损坏电流表。正负接线柱的接法要正确，电流从正接线柱流入，从负接线柱流出。绝对不允许不经过用电器而把电流表直接连到电源的两极上。直流电流测量示意图如图2-4所示。

图2-4　直流电流的测量示意图

三、电阻

1.电阻的概念

电阻表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种特性。电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件。电阻是所有电子电路中使用最多的元件。

电阻元件的电阻值大小一般与温度、材料、长度，还与横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数。

电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生内能。电阻在电路中通常起分压分流的作用，对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。电阻将会导致电子流通量的变化，电阻越小，电子流通量越大，反之亦然。

电阻器简称电阻，通常用“R”表示，电阻都有一定的阻值，它代表这个电阻对电流流动阻挡力的大小。电阻的单位是欧姆，用符号“Ω”表示。欧姆定义是：当在一个电阻器的两端加上1V的电压时，如果在这个电阻器中有1安培的电流通过，则这个电阻器的阻值为1欧姆。在国际单位制中，电阻的单位是欧姆（Ω），此外还有兆欧（MΩ）、千欧（kΩ）。它们的换算单位如下：

1MΩ=1000kΩ；

1kΩ=1000Ω。

2.电阻测量

电阻可以用万用表欧姆挡（电阻挡）测量。测量的时候，要选择万用表指针接近偏转一半的挡位。越接近量程测量结果越精确。

电阻的测量如图2-5所示。

图2-5　电阻的测量

3.导体与绝缘体

没有电阻或电阻很小的物质称其为电导体，简称导体。常见的金属都是导体，例如银、铜、铝、锡都是导体。银的导电性虽好，但资源奇缺，价格昂贵，不能满足需求。钢铁虽又多又便宜，但电阻率大。钢铁最大的缺点是容易锈蚀，造成接头接触不良和强度迅速降低，成本太高，可靠性太差。铜资源较稀缺，铝资源较丰富，资源大体可满足，价格可接受，综合商业意义上优势明显，所以最常用铝线做导线。

不能形成电流传输的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。例如，常见的橡胶、塑料、陶瓷、玻璃都是绝缘体。所以为了保证用电安全，日常使用的导线外壳都采用塑料绝缘。

铜导线如图2-6所示。塑料外壳导线如图2-7所示。

图2-6　铜导线

图2-7　塑料外壳导线

四、欧姆定律

在同一电路中，导体中的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻阻值成反比，这就是欧姆定律，基本公式是I=U/R。由欧姆定律可知，如果知道电压、电流、电阻三个量中的两个，就可以根据欧姆定律求出第三量，即I=U/R，R=U/I，U=I×R。

五、电源

电源的作用是为电路提供动力和能量。把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。铅酸蓄电池能把化学能转变为电能，发电动机能把机械能转换成电能，干蓄电池能把化学能转换成电能。铅酸蓄电池、发电动机、干蓄电池等叫做电源。通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的装置叫做直流电源。常见电源如图2-8所示。

图2-8　常见电源

六、负载与空载

把电能转换成其他形式能量的装置叫做负载。换句话说用电器就是负载。电动机能把电能转换成机械能，电阻能把电能转换成热能，电灯泡能把电能转换成热能和光能，扬声器能把电能转换成声能。电动机、电阻、电灯泡、扬声器等都叫做负载。

电源不接用电器叫空载。测量充电器的空载输出电压如图2-9所示。

图2-9　测量充电器的空载输出电压

七、电路

1.电路的概念

电流流过的路叫做电路。换句话说，就是电子走的路。把电源、用电器、开关用导线连接起来组成的电流的路径叫做电路。电路是由电气设备和元器件，按一定方式连接起来，为电荷流通提供了路径的总体，也叫电子线路或称电气回路。例如由电阻、电容、电感、二极管、三极管和开关等，构成的电气回路。

最简单的电路由电源、负载和导线、开关等元件组成。也可以说电路是由电源、用电器、开关和导线四大要素组成。

电源、用电器、开关和导线在电路中的各自作用如下：

电源的作用是为电路提供动力和能量；

用电器的作用是工作时将电能转化为其他形式的能；

开关的作用是控制电路的通和断；

导线的作用是电流的通道。

最简单的电路线路图如图2-10所示。最简单的电路实物图如图2-11所示。

图2-10　最简单的电路线路图

图2-11　最简单的电路实物图

2.电路的三种状态

①通路：接通的电路，指电路处处连通，只有通路，电路中才有电流通过此时电路工作正常。

②开路：断开的电路，也叫断路，此时电路不工作。

电气设备在正常工作时，电路中电流由电源的一端经过电气设备后回到电源的另一端形成回路。若将电路的回路切断或因某种原因发生断线，电路中电流不能流通，电路不能形成回路，就叫做开路。

③短路：用导线直接将电源的正负极相连的电路。或者电路某一部分的两端直接接通，使这部分的电压变成零，叫做短路。

电源的两端不经过任何电气设备，直接被导线连通短路时，电路内会出现非常大的电流，叫做短路电流。短路电流可能增大到远远超过导线所允许的电流限度，致使导线剧烈升温，甚至烧毁电气设备，引起火灾。所以应采取一定的措施避免出现短路事故。措施有两个，一是断电操作，二是进行绝缘处理。

3.串联电路

串联是连接电路元件的基本方式之一。串联就是将电阻、电容、电感、用电器等电路元件逐个顺次首尾相连接，换句话说，串联使同一电流通过所有相连接器件的联结方式。

将各用电器串联起来组成的电路叫串联电路。在串联电路中通过各用电器的电流都相等。

串联电路的特点如下：

①串联电路电流处处相等：I总=I1=I2=I3=……=In

②串联电路总电压等于各处电压之和：U总=U1+U2+U3+…+Un

③串联电阻的等效电阻等于各电阻之和：R总=R1+R2+R3+…+Rn

④串联电路总功率等于各功率之和：P总=P1+P2+P3+…+Pn

⑤串联电路中，只要有某一处断开，整个电路就成为断路，所以相串联的电子元件均不能正常工作。

⑥串联电路中，开关在任何位置就可以控制整个电路，其作用与所在的位置无关。

⑦串联电路中，电流只有一条通路，经过一盏灯（用电器）的电流一定经过另一盏灯。如果一盏灯熄灭，另一盏灯一定也熄灭。

综合以上可知在一个电路中，若想控制所有电路，即可使用串联的电路。串联电路线路原理图如图2-12所示。

图2-12　串联电路线路原理图

4.并联电路

若各元件“首首相接，尾尾相连”并列地连在电路两点之间，则电路就是并联电路。并联就是把电路中的元件并列地接到电路中的两点间，电路中的电流分为几个分支，分别流经几个元件的连接方式。换句话说，使同一电压施加于所有相连接器件的联结方式叫并联。

并联电路有如下特点。

①并联电路中各支路的电压相等。即：U=U1=U2=…

②各支路电流的和等于电路中的总电流。即：I总=I1+I2+…

③各用电器并联接入电路，电流不止一条路径。

④干路开关控制整个电路；支路开关控制其所在支路上的用电器。

⑤一条支路断路，不影响其他支路。

⑥一条支路被短路，整个电路都被短路。

并联电路线路原理图如图2-13所示。

图2-13　并联电路线路原理图

八、脉冲信号

瞬间突然变化，作用时间极短的电压或电流称为脉冲。脉冲是一种跃变信号，并且持续时间短暂，可短至几个微秒（μs）甚至几个纳秒（ns）。脉冲跃变后的值比初始值高的称为正脉冲；脉冲跃变后的值比初始值低的称为负脉冲。它可以是周期性重复的，也可以是非周期性的或单次的。

脉冲信号可以用示波器测量。脉冲就是电压或电流的波形象心电图上的脉搏跳动的波形，脉冲有干扰脉冲和信号脉冲。

常见的几种脉冲信号如图2-14所示。

图2-14　常见的几种脉冲信号

九、框图

用方框表示电子电路连接的图叫方框图，简称框图。

十、线路图

线路图是指用图表和符号的方式用来表达电路的连接状态。

十一、地线

地线电压为0V，常使用黑色线，国标为黄绿线，用万用表测量电压与电阻时黑表笔应接地线。地线电路的符号是』，也有用GND表示的。

十二、霍尔元件

1.霍尔效应

霍尔效应是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。在一块通电的半导体薄片上，当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差，这种现象就是霍尔效应。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。

2.霍尔元件简介

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成霍尔元件。霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器。它具有对磁场敏感、简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。例如用于电动机中测定转子转速，录像机的磁鼓，电脑中的散热风扇等。霍尔元件已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

霍尔元件具有许多优点，它们牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHz），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

霍尔元件外形如图2-15所示。

图2-15　霍尔元件外形

3.霍尔元件分类

（1）按功能

按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。

线性霍尔元件是一种模拟信号输出的磁传感器，输出电压随输入的磁力密度线性变化。

线性霍尔元件是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，一般应用于调速，测电压、电流、功率、厚度、线圈匝数等。

霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达-55～150℃。

（2）按被检测的对象的性质

按被检测的对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量，转变成电量来进行检测和控制。例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等。

（3）按照霍尔开关的感应方式

按照霍尔开关的感应方式可将它们分为：单极性霍尔开关、双极性霍尔开关、全极性霍尔开关。

4.电动自行车上常见的霍尔元件

霍尔器件是电动自行车经常采用的控制型元件，调速手柄发出速度控制指令，无刷直流电动机在运转中的换向，多是采用霍尔器件完成。还有霍尔型数字式里程速度表等。

电动自行车调整转把和助力传感器使用的是线性输出霍尔元件，若电源供电为5V时，当元件敏感面磁场强弱变化时，其输出电压为1～4.2V连续线性变化。线性霍尔元件型号有UGN3501、UGN3502、UGN3503。

1:1助力器传感器专用霍尔元件：EW732、SS40、SS41、US1881。

线性输出霍尔元件的外形与三极管相似，有三个脚，从霍尔元件上有文字型号一面观看，其中左侧引脚为电源+5V，中间引脚为电源负极，右侧引脚为输出信号脚。线性输出霍尔元件引脚功能如图2-16所示。

图2-16　线性输出霍尔元件引脚功能

开关型霍尔元件一般用于电动自行车电子刹把，无刷电动机内部三个位置传感器。电子型闸把采用开关型霍尔元件，常见的有AH3020、AH3021等。无刷电动机一般有三个开关型霍尔元件，常用的霍尔元件有：AH3144、AH41、AH61、AH512、AH3114、AH3175、A3144EU（A）、A3172XU（A）、EW512等。开关型霍尔元有三个脚，从霍尔元件上有文字型号一面观看，其中左侧引脚为电源+5V，中间引脚为电源负极，右侧引脚为输出信号脚。开关型霍尔元件引脚功能如图2-17所示。