汽車電子電氣基礎(chǔ)知識(shí)詳解(三)

◆文/山東 劉春暉 張學(xué)忠

（接上期）

十三、電源的內(nèi)電阻

我們假設(shè)一個(gè)理想電源始終提供規(guī)定電壓U，例如蓄電池提供12.5V電壓。但當(dāng)接通一個(gè)或多個(gè)能量用電器(如燈泡、電機(jī)等)時(shí)，所有電池和大部分供電單元都會(huì)出現(xiàn)電壓降。如將一個(gè)12V/2W燈泡接到電池上時(shí)，電壓就會(huì)由12.5V降到12V甚至更低。原因在于電源的內(nèi)阻Ri(圖28)。

圖28 電源的內(nèi)阻示意

我們將實(shí)際中的電池想象成一個(gè)由理想恒壓電源(電源電壓為Uq、電阻為內(nèi)阻Ri)組成的串聯(lián)電路(圖29)。當(dāng)然實(shí)際上并沒(méi)安裝什么電阻，這只是一個(gè)示意圖，一個(gè)替代電路圖。電源電壓Uq保持不變，即不受電流I的影響。現(xiàn)在通過(guò)能量轉(zhuǎn)換器RL(負(fù)載電阻、外阻、用電器)向內(nèi)阻為Ri、電源電壓為Uq(電動(dòng)勢(shì))的電壓電源施加負(fù)荷。

負(fù)載電阻RL不會(huì)獲得接線柱A和B上的全部電源電壓，因?yàn)橐徊糠衷谛铍姵貎?nèi)阻Ri中損耗。

電流I流經(jīng)外部電路時(shí)，接線柱電壓就會(huì)降低(電流I流經(jīng)內(nèi)阻Ri時(shí)產(chǎn)生電壓降)。因此接線柱電壓(即電阻RL上的電壓)就會(huì)隨電流的升高而降低。

十四、電容器和電容

電容器是一個(gè)能夠存儲(chǔ)電荷或電能的元件。最簡(jiǎn)單的電容器由兩個(gè)對(duì)置的金屬板和金屬板之間的一個(gè)絕緣體組成。電容器上的電荷的分布如圖30所示。

電容器的存儲(chǔ)能力稱為電容。電容的單位是法拉(F)，常用微法(μF)和皮法(pF)。電容器的容量取決于導(dǎo)電板的面積、導(dǎo)電板距離和兩板之間絕緣材料(電介質(zhì))的性質(zhì)。實(shí)際使用的電容器值小于1F。

圖30 電容器上的電荷分布

1.電容器類型

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況使用非極化或極化電容器。電容器的電路符號(hào)及類型如圖31、圖32所示。非極化電容器的兩個(gè)接頭相同，即可以相互調(diào)換。非極化電容器可用直流和交流電壓驅(qū)動(dòng)。

而極化電容器有一個(gè)正極接頭和一個(gè)負(fù)極接頭。這兩個(gè)接頭不能互換。極化電容器不能用交流電壓驅(qū)動(dòng)。要求高電容量時(shí)(至mF)，使用電解電容器。

圖31 電容器的電路符號(hào)

圖32 電容器的類型

2.電容器串聯(lián)和并聯(lián)

與電阻相似，電容器也可并聯(lián)和串聯(lián)。如圖33所示，將電容器依次連接在一起且相同電流經(jīng)過(guò)所有電容器時(shí)，電容器為串聯(lián)形式?？傠妷篣total分布在串聯(lián)電容器上。局部電壓之和等于總電壓。最小電容上的電壓降最大。最大電容上的電壓降最小。

(1)串聯(lián)時(shí)的總電容。串聯(lián)電路的總電容小于最小的單個(gè)電容。每增加一個(gè)串聯(lián)電容器，總電容就會(huì)隨之減小。

圖33 電容器串聯(lián)

(2)并聯(lián)電路的總電容。如圖34所示，電容器并聯(lián)時(shí)，施加在所有電容器上的電壓都相同。因?yàn)橥ㄟ^(guò)電流為電容器充電，所以所有電容器的總電容大于所有單個(gè)電容器的電容。總電容等于單個(gè)電容之和。

電容器通常采用并聯(lián)方式，以增大電容。

圖34 電容器并聯(lián)

3.電容器的應(yīng)用

電容器在車輛上作為短時(shí)電荷存儲(chǔ)器使用，用于電壓濾波和減小過(guò)壓峰值。

(1)通過(guò)高通濾波器分開DC電壓和AC電壓。電容器在車輛上作為短時(shí)電荷存儲(chǔ)器使用，用于電壓濾波和減小過(guò)壓峰值。輸入端電壓U1是一種混合電壓或波動(dòng)電壓。它由一個(gè)帶有疊加AC電壓的DC電壓構(gòu)成。

如圖35所示，充電后，電容器發(fā)揮直流斷續(xù)器的作用。只有AC電壓組件可促使電容器反復(fù)進(jìn)行電荷交換。在此過(guò)程中通過(guò)的電流會(huì)在電阻器R上產(chǎn)生AC電壓。這種電路用在帶有晶體管的放大器系統(tǒng)內(nèi)，用于從混合電壓中過(guò)濾出AC電壓。

圖35 帶有RC元件的高通濾波器

(2)脈動(dòng)DC電壓平滑處理(濾波)如圖36所示，通過(guò)RC組件對(duì)僅由正值半正弦波構(gòu)成的AC電壓進(jìn)行平滑處理，以降低電壓波動(dòng)(交流聲部分)。輸出電壓已非常接近恒定DC電壓。輸出電壓平滑處理程度取決于電容C和電路中通過(guò)的負(fù)載電流。

這種電路在機(jī)動(dòng)車電子系統(tǒng)內(nèi)用于降低控制單元內(nèi)DC供電電源的波動(dòng)，并過(guò)濾掉干擾電壓。

圖36 帶有RC元件的低通濾波器

(3)機(jī)動(dòng)車內(nèi)車內(nèi)照明燈關(guān)閉延遲，如圖37所示。電容器C與繼電器的線圈并聯(lián)在一起。因此，釋放開關(guān)后仍有電流通過(guò)繼電器，從而通過(guò)照明燈。通過(guò)繼電器的勵(lì)磁線圈使電容器放電后，繼電器就會(huì)關(guān)閉照明燈電路，照明燈電流在開關(guān)釋放后延遲一小段時(shí)間才中斷。

圖37 車內(nèi)照明燈關(guān)閉延遲

注意：在新款寶馬車輛的控制單元內(nèi)，這一時(shí)間延遲由微處理器來(lái)控制。

總結(jié)：電容器在電場(chǎng)內(nèi)存儲(chǔ)電能。按設(shè)計(jì)要求電容器分為非極化電容器和極化電容器。這些電容器用于分開AC電壓和DC電壓，平滑處理DC電壓以及產(chǎn)生時(shí)間延遲。

十五、線圈和電感

在電子電氣系統(tǒng)上線圈有多種用途，例如用作點(diǎn)火線圈、用于繼電器和電機(jī)內(nèi)。在車輛電子系統(tǒng)上，線圈用于感應(yīng)式傳感器內(nèi)，例如曲軸和凸輪軸傳感器。但線圈也可以用于輸送能量(變壓器)或進(jìn)行過(guò)濾(例如分頻器)。在繼電器內(nèi)利用線圈的磁力切換觸點(diǎn)開關(guān)。線圈按照電磁學(xué)原理和電磁感應(yīng)原理工作。

1.電磁學(xué)工作原理

(1)導(dǎo)電體的磁場(chǎng)

如圖38所示，在每個(gè)載流導(dǎo)體周圍都有一個(gè)磁場(chǎng)。磁力線的形狀為閉合的圓圈。

圖38 某個(gè)載流導(dǎo)體周圍的磁場(chǎng)

載流導(dǎo)體周圍磁力線的方向可通過(guò)螺旋定則確定。設(shè)想將一個(gè)右旋螺紋螺栓沿電流方向(技術(shù)方向)擰入一個(gè)導(dǎo)體內(nèi)，則其旋轉(zhuǎn)方向就是磁力線方向。流入導(dǎo)體內(nèi)的電流用符號(hào)表示，流出導(dǎo)體的電流用中心有一個(gè)點(diǎn)的圓圈表示。

(2)線圈

如圖39所示，基本線圈是指纏繞在一個(gè)固體上的導(dǎo)線。但不一定要有這個(gè)固體。它主要用于固定較細(xì)的導(dǎo)線。將電導(dǎo)體纏繞成一個(gè)線圈時(shí)，就會(huì)在線圈內(nèi)部形成磁力線。磁力線平行分布且密度相同。這種磁場(chǎng)稱為均勻磁場(chǎng)。磁力線離開的地方為北極，進(jìn)入的地方為南極。

線圈最重要的物理特性是其電感。一個(gè)線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度取決于繞組數(shù)量N、電流強(qiáng)度I、線圈結(jié)構(gòu)。

圖39 某個(gè)線圈的磁場(chǎng)

一個(gè)線圈的電感是在自身繞組中將電能轉(zhuǎn)化為磁能的能力。電感的公式符號(hào)是L。電感的計(jì)量單位是 H(亨利)。實(shí)際使用的線圈電感值低于1亨利，例如1mH。線圈不同的電路符號(hào)如圖40所示。

但除了電感外，實(shí)際線圈還具有其他一些(通常是不希望出現(xiàn)的)特性，例如電阻或電容。通過(guò)在線圈中放入一個(gè)鐵芯可使磁場(chǎng)強(qiáng)度增大1 000倍。鐵芯不是電路的一部分。帶有鐵芯的線圈稱為電磁鐵。只有當(dāng)電流I經(jīng)過(guò)線圈時(shí)，軟磁鐵芯才保持磁性。在機(jī)動(dòng)車應(yīng)用中，這個(gè)原理用于繼電器、電磁閥等各種元件。

圖40 線圈的電路符號(hào)

2.電磁感應(yīng)

如圖41、圖42所示，電導(dǎo)體或線圈在磁場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體或線圈內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓。磁場(chǎng)強(qiáng)度改變時(shí)，導(dǎo)體或線圈內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生電壓。該過(guò)程稱為電磁感應(yīng)，產(chǎn)生的電壓稱為感應(yīng)電壓。

感應(yīng)電壓的大小取決于：磁場(chǎng)強(qiáng)度、電導(dǎo)體或線圈在磁場(chǎng)中的移動(dòng)速度、線圈的圈數(shù)。

在機(jī)動(dòng)車應(yīng)用中，這個(gè)原理用于電磁感應(yīng)式傳感器，點(diǎn)火線圈和發(fā)電機(jī)等元件中。

3.自感應(yīng)電壓

不斷變化的電流經(jīng)過(guò)線圈時(shí)，線圈周圍就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不斷變化的磁場(chǎng)。電流每變化一次線圈內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)自感應(yīng)電壓。產(chǎn)生該電壓的目的在于抵消電流變化。

電感對(duì)磁場(chǎng)變化(建立和消失)的反作用與物理學(xué)中的慣性原理相似。例如賽車加速時(shí)，其慣性就會(huì)克服加速效果。而制動(dòng)時(shí)，由于賽車的慣性，需要一段時(shí)間賽車才能完全靜止。

自感應(yīng)電壓越來(lái)越大的條件是：電感L越來(lái)越大、電流變化越來(lái)越大、電流變化時(shí)間越來(lái)越短。

圖41 某個(gè)導(dǎo)體內(nèi)電壓的電磁感應(yīng)

圖42 線圈的電磁感應(yīng)

4.自感應(yīng)的應(yīng)用

(1)點(diǎn)火線圈

點(diǎn)火線圈(圖43)的任務(wù)是將蓄電池電壓轉(zhuǎn)化成所需要的點(diǎn)火電壓。在此過(guò)程中，點(diǎn)火能量(通過(guò)初級(jí)繞組的電流)作為磁能臨時(shí)存儲(chǔ)在點(diǎn)火線圈的鐵芯內(nèi)。初級(jí)線圈電流切斷后，磁場(chǎng)削弱并在次級(jí)繞組內(nèi)產(chǎn)生約30kV的高電壓。感應(yīng)電壓的電壓取決于磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)變化速度、次級(jí)線圈的繞組數(shù)量。

電磁鐵不能在次級(jí)線圈中移動(dòng)。取而代之的是開關(guān)不斷地?cái)嚅_和閉合。因此開關(guān)接觸時(shí)線圈內(nèi)部就會(huì)形成磁場(chǎng)，開關(guān)斷開觸點(diǎn)時(shí)磁場(chǎng)就會(huì)減弱。開關(guān)閉合時(shí)形成磁場(chǎng)，磁場(chǎng)穿過(guò)次級(jí)繞組。在形成磁場(chǎng)的同時(shí)，繞組內(nèi)產(chǎn)生電壓。當(dāng)磁場(chǎng)完全形成后，該電壓就會(huì)消失。開關(guān)斷開(斷開觸點(diǎn))時(shí)，磁場(chǎng)削弱并反過(guò)來(lái)穿過(guò)次級(jí)繞組。此時(shí)就會(huì)形成帶有反極性的電壓。圖44連接方式還無(wú)法達(dá)到令人滿意的結(jié)果。釋放開關(guān)時(shí)，其接觸點(diǎn)上就會(huì)出現(xiàn)因自感應(yīng)產(chǎn)生的電弧放電。這種電弧放電會(huì)使磁場(chǎng)減弱的速度放慢，從而使得次級(jí)感應(yīng)電壓的強(qiáng)度不足以產(chǎn)生點(diǎn)火火花。

如圖45所示，為了解決這個(gè)問(wèn)題，將一個(gè)電容器與接觸斷路器觸點(diǎn)并聯(lián)在電路中。

電容器處于短路狀態(tài)，直至開關(guān)的觸點(diǎn)閉合。只有當(dāng)觸點(diǎn)斷開后，感應(yīng)電壓才會(huì)為電容器充電。當(dāng)電壓為0且電流較大時(shí)開始對(duì)電容器進(jìn)行充電。

圖43 點(diǎn)火線圈

圖44 點(diǎn)火線圈的變壓器原理

圖45 斷路器觸點(diǎn)兩端并聯(lián)觸點(diǎn)

電容器負(fù)責(zé)兩項(xiàng)工作：大大減少電弧放電。從而可以突然切斷接觸點(diǎn)上的電流，也使得磁場(chǎng)可以更迅速地削弱。磁場(chǎng)快速削弱可使線圈繞組內(nèi)產(chǎn)生高電壓。