第1章　汽车电气维修基础知识

1.1　电学基础知识

1-1　什么是电路？

由金属导线和电气以及电子部件组成的导电回路，称为电路，也就是电流所流过的路径。直流电通过的电路称为“直流电路”，交流电通过的电路称为“交流电路”。

1-2　一般电路由哪几部分组成？

一般电路都是由电源、负载、开关（控制元件）和连接导线四个基本部分组成。图1-1所示为简单电路及电路图，当合上实际电路的开关时，因电流流过小灯泡，小灯泡发光。这样，干电池、小灯泡、开关和连接导线就构成了一个简单电路。

1-3　电源有何功用？

电源是将非电能转换为电能（如干电池将化学能转换为电能，发电机将机械能转换为电能），向负载提供电能的装置。常见的电源有干电池、蓄电池、发电机等，如图1-2所示。

1-4　什么是负载？

负载就是用电器，它是将电能转换成其他形式能的电器元件或设备，如灯泡将电能转换为光能、电喇叭将电能转换为声能等。

1-5　开关有何功用？

开关是控制元件的一种类型，也就是用来控制电路接通和断开的电器元件。作为开关的控制元件有很多种，如继电器、各种开关、晶体管等，如图1-3所示。

1-6　连接导线的作用是什么？

连接导线是将电源、负载、开关互相接通的连接线，担负着传输和分配电能的任务。

1-7　什么是电路图？有哪三种状态？

用统一规定的符号表示电路连接的图叫电路图。电路图有：通路、断路（开路）和短路三种状态。

小提示

◆通路和断路是电路的常见状态，例如，电灯的亮和灭。而短路是错误的危险状态，是绝对应该避免的。

1-8　什么是通路？

如图1-4所示，通路是指电流能在其中流通的电路，又称闭路，此时电路有工作电流，且用电器正常工作。

1-9　什么是断路？

如图1-5所示，断路是指电路中某处断开（如开关断开或自然故障断开），不能成为通路的电路，又称开路，此时电路中没有电流，用电器不能工作。

1-10　什么是短路？

如图1-6所示，短路是指电路（或电路中一部分）被短接。如负载或电源两端被导体直接连接在一起就称为短路，此时电源提供的电流将比通路时提供的电流大很多倍，因此，一般不允许短路。

小提示

◆如果在供电系统中短路，则属严重事故，如在汽车电路中发生短路，将烧坏导线或电缆，时间长了，还会烧坏电源设备。

1-11　什么是串联电路？

两个或两个以上的用电器相连接，其中第一个用电器的末端与第二个的首端相接，第二个的末端与第三个的首端相接，依此类推，最后第一个用电器的首端和最后一个的末端接在电源上，这种电路叫串联电路，如图1-7所示。

小提示

◆在串联电路里，任何一个用电器断开，整个电路便停止工作。

1-12　什么是并联电路？

把用电器的一端连接于电路的某一点，另一端连接于电路的另一点，并且在电路的两点之间同时接有多个用电器，这种电路叫并联电路，如图1-8所示。

小提示

◆并联电路中当某一用电器停止工作时，不会影响其他用电器的正常工作。

△1-13　怎样比较串联与并联的电路连接方式？

串联与并联的电路连接方式比较如表1-1所示。

1-14　什么是电压？

电压是推动电荷定向移动形成电流的原因。电流之所以能够在导线中流动，也是因为在电流中有着高电势和低电势之间的差别。这种差别叫电势差或电位差，也叫电压（电压的方向规定为从高电位指向低电位的方向，电压永远是正值，但电势差有负值。通常以大地的电位为标准，称为零电位）。换句话说，在电路中，任意两点之间的电位差称为这两点的电压。

电压的国际单位制为伏特（V），常用的单位还有毫伏（mV）、微伏（μV）、千伏（kV）等。它们之间的换算关系如下。

1kV=1000V

1V=1000mV

1mV=1000μV

1-15　什么是直流电压？

电压的大小和方向均不随时间变化的电压叫直流电压，也称为稳恒电压或恒定电压，用大写字母“U”表示。

1-16　什么是交流电压？

电压的大小和方向都随时间改变的电压叫交流电压，如220V的民用交流电压、380V的工业用交流电压等，其大小及方向均随时间按正弦规律作周期性变化。交流电压的瞬时值要用小写字母“u”或“u（t）”表示。

在电路中提供电压的装置是电源。电压的大小可以用电压表（符号“V”）测量。

1-17　电压是如何分类的？

电压可分为高电压、低电压和安全电压。

高、低电压的区别是，以电气设备的对地电压值为依据，对地电压高于1000V的为高电压，对地电压小于或等于1000V的为低电压。

1-18　什么是安全电压？

安全电压指人体较长时间接触而不致发生触电危险的电压。按照国家标准《特低电压（ELV）限值》GB/T 3805—2008安全电压规定了为防止触电事故而采用的由特定电源供电的电压系列。

我国对工频安全电压规定了五个等级，即42V、36V、24V、12V以及6V。

1-19　什么是电流？

电流，是指电荷的定向移动。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，处于电场内的电荷产生定向移动，形成了电流。

物理上规定电流的方向是正电荷定向移动的方向或者负电荷定向移动的反方向。

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。电流单位安培，简称安，符号是“A”。

安培是国际单位制中所有电性的基本单位。常用的单位有毫安（mA）、微安（μA），换算关系如下。

1A=1000mA

1mA=1000μA

1kA=1000A

1-20　电流是如何分类的？

电流可分为直流电流和交流电流。

不随时间变化的电流称为直流电流。工程上常将以直流分量为主的电流也称为直流电流。

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。随时间变化的电流称为瞬变电流。

1-21　什么是电阻？

电荷在导体内流动时，必须克服导体内电荷的吸引力和导体内自由离子的碰撞而产生的阻力。这种导体对电荷流动的阻碍作用称为导体的电阻，用符号“R”表示。

电阻的单位为欧［姆］，用符号“Ω”表示。常用的单位有千欧（kΩ）、兆欧（MΩ），换算关系如下。

1MΩ=1000kΩ

1kΩ=1000Ω

1-22　电阻有什么作用？

电阻在电路中通常起分压、分流的作用。

1-23　什么是导体、绝缘体、半导体？

电阻较小的物体（如金、银、铜、铁等）称为导体。

电阻较大的物体（如塑料、陶瓷、橡胶等）称为绝缘体。

介于导体与绝缘体之间的某些物体（如硅、硒、锗等）称为半导体。

1-24　什么是欧姆定律？

在电路中，电流强度I与电压U成正比，与电阻R成反比。用公式表示为：

I=U/R

这就是电学中最基础的欧姆定律。

△1-25　什么是电功率？

在电路中，电流I与电压U的乘积称为电功率，用符号“P”表示。电功率的单位为瓦［特］，用符号“W”表示。电功率公式为：

P=IU

1-26　什么是电阻器？在电路中的连接形式有哪两种？

电阻器是按照不同用途而制作的一种具有一定数值电阻的元件。

电阻器在电路中的连接有串联和并联两种形式。

△1-27　电阻器的串联电路特点如何？

电阻器的串联电路如图1-9所示。

从实验中得知：

①串联电路中的总电阻等于各个电阻之和，用公式表示为：

R=R1+R2+R3

②串联电路两端的总电压等于各串联电阻两端电压之和，用公式表示为：

V=V1+V2+V3

③串联电路中的电流强度在各处是相等的，用公式表示为：

I=I1=I2=I3

△1-28　电阻器的并联电器特点如何？

电阻器的并联电路如图1-10所示。

从实验得知：

①并联电路中总电阻的倒数等于各电阻的倒数之和，用公式表示为：

②并联电路中各电阻两端的电压是相等的，用公式表示为：

V=V1=V2=V3

③并联电路中，干路中的电流强度等于各并联支路电流强度之和，用公式表示为：

I=I1+I2+I3

△1-29　什么是电容器？

电容器俗称电容。电容器是由两个相互靠近且中间有各种介质绝缘的金属薄片组成，两金属薄片分别作为电容器的两个电极。用电解质作介质的叫电解电容器，用陶瓷作介质的叫陶瓷电容器，用云母作介质的叫云母电容器，如图1-11所示。

电容器是存放电荷的容器，主要参数是电容量，用符号“C”表示。电容量C表示电容器储存电荷的本领，其单位为法、微法、皮法，分别用符号“F”“μF”“pF”表示。

1F=106μF=1012pF

△1-30　电容器具有哪些特性？

电容器在电子线路中也是广泛应用的器件之一，多用它来滤波、隔断直流电、交流耦合、交流旁路等，也用它和电感元件一起组成振荡电路。

①电容器在同等电压的作用下，电容量越大，储存电荷的本领越大，储存电荷量越多。

②加在电容器两端的电压越高，储存的电荷量越多。

③向电容器储电时，电容量越大，储足电荷所用的时间越长。

④利用电容器储存电荷与释放电荷（俗称充电与放电）的作用，较高频率的交流电相当于能通过电容器。

⑤电容器有隔断直流电通过的作用。

1-31　什么是磁场？

无论是天然磁石，还是人工磁铁，都有吸引铁、镍、钴等物质的性质，这一性质叫作磁性。它们之间的作用力叫作磁力。磁性物质周围存在着一个磁力的区域，这个区域叫作磁场。

1-32　什么叫磁力线？

磁场是看不见的，但在磁铁上面放一玻璃或硬纸片，在上面均匀地撒上一层铁屑，稍加振动，就会发现铁屑在磁场作用下，有规律地排列成如图1-12（a）所示的形状。为了研究方便，把铁屑受磁场作用而排列的形状按方向用线连起来，这些线条称为磁力线。

磁力线描述了磁场的分布情况，磁力线稠密的地方，磁力作用强；磁力线稀疏的地方，磁力作用就弱。

1-33　什么叫磁极？

磁性最强的两端叫作磁铁的磁极。如把一条形磁铁悬挂在空中，它的两极分别指向地球的南极和北极方向。其中指向南极的磁极称为S极，指向北极的磁极称为N极。规定磁力线的方向是从N极指向S极，如图1-12（b）所示。

1-34　什么叫磁通量？

在磁场中，某一面积中通过磁力线的条数，叫作通过这个面的磁通量，简称磁通，用符号“Ф”表示。

1-35　通电导体和通电线圈的磁力线是怎样的？

磁场不仅存在于磁铁的周围，通电（载流）导体的周围也存在磁场。

通电导体产生的磁场磁力线是许多以导体为中心的同心圆，如图1-13所示。磁力线的方向由右手定则判定。

通电线圈产生的磁场如同一块条形磁铁，其磁力线如图1-14所示。磁力线的方向也由右手定则判定。

1-36　通电线圈产生的磁场强度特点如何？

通电线圈产生的磁场强度，与通过线圈的电流强度成正比。通过的电流越大，产生的磁场越强；通过的电流越小，产生的磁场越弱。

如果在线圈中加入铁芯，产生的磁场会进一步加强。发电机线圈、点火线圈的绕线都是绕制在铁芯上，以加强产生的磁场。

1-37　电磁感应有哪些规律？

人们在实验中发现电磁感应有以下规律。

①不论用何种方式，只要使某一闭合回路所包围面积中的磁通量发生变化，那么，在该回路中便会产生感应电流。

②感应电流产生的磁场，总是阻碍原磁场变化。简单地说，穿过闭合回路的磁力线增加时，感应电流产生的磁场与原磁场的磁力线方向相反；穿过闭合回路的磁力线减少时，感应电流产生的磁场与原磁场的磁力线方向相同。

③感应电势E（线圈两端的电压）的大小与穿过闭合回路磁通量Φ的变化率成正比。

1-38　半导体元件有何特点？

半导体元件是由在纯净的半导体材料中掺入少量有用杂质而形成的材料制成的。它在某些条件下表现为导体的特性，而在另一种条件下表现为绝缘体的特性。

小提示

◆在汽车电气设备中应用较多的半导体元件有二极管、晶闸管和三极管。

1-39　什么是二极管？

二极管又称晶体二极管，它是一种能够单向传导电流的电子器件。由P型半导体和N型半导体形成的PN结构成，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于PN结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

小提示

◆二极管具有单方向导电的特性。在汽车电气设备中，利用二极管的特性，将交流发电机发出的交变电流变为单一方向流动的直流电。

1-40　二极管的特性如何？

二极管有两个电极，即阳极（+）和阴极（-），其外形、内部结构和代表符号如图1-15所示。

当阳极的电位高于阴极的电位时，二极管的两极间导通，呈现导体的特性，见图1-16（a）；当阳极的电位低于阴极的电位时，二极管的两极间不导通，呈现绝缘体的特性，见图1-16（b）。

1-41　二极管的结构特点如何？

二极管常用结构有两种：点接触型二极管和面结合型二极管。

1-42　点接触型二极管结构有什么特点？

点接触型二极管就是由一根较细的金属丝压在光滑的半导体（硅或锗）薄片上构成的，经过适当处理，在半导体薄片与金属丝的接触点附近形成了一个PN结，出现了单向导电性。金属丝为正极，半导体薄片为负极，结构如图1-17（a）所示。

1-43　面结合型二极管结构有什么特点？

面结合型二极管是利用掺杂质的方法制成PN结的，其结构如图1-17（b）所示。同点接触型二极管相比，面结合型二极管的PN结面积大，能承受较大的电流及电压，因此，面结合型二极管常用作功率较大的电源整流之用。

△1-44　二极管的类型有哪些？

二极管的类型主要有整流二极管、稳压二极管、发光二极管、检波二极管、继流二极管和变容二极管等。

△1-45　整流二极管有什么作用？

整流二极管利用二极管单向导电特性，可以把方向交替变化的交流电转变成单一方向的脉动直流电。

△1-46　稳压二极管有什么作用？

稳压二极管是利用二极管的反向击穿特性制成的，在电路中其两端的电压保持基本不变，起到稳定电压的作用。反向击穿电压恒定，且击穿后可恢复，利用这一特性可以实现稳压电路。

△1-47　限幅元件有什么作用？

二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。

△1-48　发光二极管有什么作用？

发光二极管是用磷化镓、磷砷化镓材料制成的，体积小，正向驱动发光，工作电压低，工作电流小，发光均匀、寿命长，可发红、黄、绿、蓝单色光。随着技术的进步，研制成了白光高亮二极管，形成了LED照明这一新兴产业。作为发光管，用于VCD、DVD、计算器等显示器上。

△1-49　检波二极管有什么作用？

检波二极管的主要作用是把高频信号中的低频信号检出。在各种收音装置中起检波作用。

△1-50　继流二极管有什么作用？

继流二极管在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。

△1-51　变容二极管有什么作用？

变容二极管使用于电视机的高频头中，起变容作用。

1-52　什么是三极管？

三极管，全称应为半导体三极管，也称晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅值较大的电信号，也用作无触点开关。

小提示

◆三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。

△1-53　三极管如何分类？

①按材质分：硅管、锗管。

②按结构分：NPN型、PNP型（见图1-18）。

③按功能分：开关管、功率管、达林顿管、光敏管等。

④按功率分：小功率管、中功率管、大功率管。

⑤按工作频率分：低频管、高频管、超频管。

⑥按结构工艺分：合金管、平面管。

⑦按安装方式：插件三极管、贴片三极管（见图1-19）。

△1-54　三极管的结构如何？

三极管内部为由P型半导体和N型半导体组成的三层结构，根据分层次序分为NPN型和PNP型两大类。上述三层结构即为三极管的三个区，中间比较薄的一层为基区，另外两层同为N型或P型，其中尺寸相对较小、多数载流子浓度相对较高的一层为发射区，另一层则为集电区。三极管的这种内部结构特点，是三极管能够起放大作用的内部条件。三层结构可以形成两个PN结，分别称为发射结和集电结。三极管符号中的箭头方向就是表示发射结的方向。

三极管有三个电极，即基极b、集电极c和发射极e。三极管的符号如图1-20所示，其结构原理如图1-21所示。

小提示

◆三极管内部结构中有两个具有单向导电性的PN结，因此，当然可以用作开关元件，但同时三极管还是一个放大元件。

▲1-55　三极管的工作状态有哪几种？

三极管有放大状态、截止状态和饱和状态三种工作状态。

▲1-56　三极管的放大状态有什么特点？

三极管放大状态工作电路如图1-22（a）所示。三极管处于放大状态的工作条件是Vc>Vb>Ve，即三极管的集电极电位Vc必须大于基极电位Vb，基极电位Vb必须大于发射极电位Ve时，三极管处于放大工作状态。此时，在基极b与发射极e间加入一信号电压时，基极电流Ib将会产生一很小变化，使集电极电流Ic产生很大变化（电流放大）。集电极电流的变化量ΔIc与基极电流的变化量ΔIb的比值称为三极管共发射极电流放大系数，用符号β表示，即β=ΔIc/ΔIb。通常三极管的电流放大系数β在40～200范围。

三极管的放大状态工作条件是靠合理选用电阻R1和电阻R2来保证的。R1和R2的分压通常称为偏压。电容器C1、C2的作用是隔断直流，允许信号电压通过。

▲1-57　三极管的截止与饱和状态有什么特点？

三极管的截止与饱和状态工作电路如图1-22（b）所示。三极管的三个电极的电位符合Vb<Vc、Vb≤Ve条件时，三极管处于截止工作状态。此时，三极管的三个电极就像相互断开一样。当三极管的基极电流Ib足够大，当Ib≥Ec/β（Rc+Re）时（Ec为电池端电压，Rc、Re分别为集电极上的电阻和发射极上的电阻值），三极管集电极c与发射极e处于饱和导通状态。此时可近似地看成是集电极c与发射极e短接。

三极管的截止与饱和状态，主要是由控制信号来控制的。利用三极管的截止与饱和两个工作状态，在电子装置中，可将三极管作为开关元件使用。