汽車電子電氣基礎知識詳解(三)

◆文/山東 劉春暉 張學忠

（接上期）

十三、電源的內(nèi)電阻

我們假設一個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。但當接通一個或多個能量用電器(如燈泡、電機等)時，所有電池和大部分供電單元都會出現(xiàn)電壓降。如將一個12V/2W燈泡接到電池上時，電壓就會由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

我們將實際中的電池想象成一個由理想恒壓電源(電源電壓為Uq、電阻為內(nèi)阻Ri)組成的串聯(lián)電路(圖29)。當然實際上并沒安裝什么電阻，這只是一個示意圖，一個替代電路圖。電源電壓Uq保持不變，即不受電流I的影響。現(xiàn)在通過能量轉(zhuǎn)換器RL(負載電阻、外阻、用電器)向內(nèi)阻為Ri、電源電壓為Uq(電動勢)的電壓電源施加負荷。

負載電阻RL不會獲得接線柱A和B上的全部電源電壓，因為一部分在蓄電池內(nèi)阻Ri中損耗。

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

十四、電容器和電容

電容器是一個能夠存儲電荷或電能的元件。最簡單的電容器由兩個對置的金屬板和金屬板之間的一個絕緣體組成。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電板的面積、導電板距離和兩板之間絕緣材料(電介質(zhì))的性質(zhì)。實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)實際應用情況使用非極化或極化電容器。電容器的電路符號及類型如圖31、圖32所示。非極化電容器的兩個接頭相同，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。

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

圖31 電容器的電路符號

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)過所有電容器時，電容器為串聯(lián)形式。總電壓Utotal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)時的總電容。串聯(lián)電路的總電容小于最小的單個電容。每增加一個串聯(lián)電容器，總電容就會隨之減小。

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，施加在所有電容器上的電壓都相同。因為通過電流為電容器充電，所以所有電容器的總電容大于所有單個電容器的電容。總電容等于單個電容之和。

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.電容器的應用

電容器在車輛上作為短時電荷存儲器使用，用于電壓濾波和減小過壓峰值。

(1)通過高通濾波器分開DC電壓和AC電壓。電容器在車輛上作為短時電荷存儲器使用，用于電壓濾波和減小過壓峰值。輸入端電壓U1是一種混合電壓或波動電壓。它由一個帶有疊加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進行電荷交換。在此過程中通過的電流會在電阻器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濾出AC電壓。

圖35 帶有RC元件的高通濾波器

(2)脈動DC電壓平滑處理(濾波)如圖36所示，通過RC組件對僅由正值半正弦波構(gòu)成的AC電壓進行平滑處理，以降低電壓波動(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和電路中通過的負載電流。

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

圖36 帶有RC元件的低通濾波器

(3)機動車內(nèi)車內(nèi)照明燈關閉延遲，如圖37所示。電容器C與繼電器的線圈并聯(lián)在一起。因此，釋放開關后仍有電流通過繼電器，從而通過照明燈。通過繼電器的勵磁線圈使電容器放電后，繼電器就會關閉照明燈電路，照明燈電流在開關釋放后延遲一小段時間才中斷。

圖37 車內(nèi)照明燈關閉延遲

注意：在新款寶馬車輛的控制單元內(nèi)，這一時間延遲由微處理器來控制。

總結(jié)：電容器在電場內(nèi)存儲電能。按設計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，例如用作點火線圈、用于繼電器和電機內(nèi)。在車輛電子系統(tǒng)上，線圈用于感應式傳感器內(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)或進行過濾(例如分頻器)。在繼電器內(nèi)利用線圈的磁力切換觸點開關。線圈按照電磁學原理和電磁感應原理工作。

1.電磁學工作原理

(1)導電體的磁場

如圖38所示，在每個載流導體周圍都有一個磁場。磁力線的形狀為閉合的圓圈。

圖38 某個載流導體周圍的磁場

載流導體周圍磁力線的方向可通過螺旋定則確定。設想將一個右旋螺紋螺栓沿電流方向(技術方向)擰入一個導體內(nèi)，則其旋轉(zhuǎn)方向就是磁力線方向。流入導體內(nèi)的電流用符號表示，流出導體的電流用中心有一個點的圓圈表示。

(2)線圈

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

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

圖39 某個線圈的磁場

一個線圈的電感是在自身繞組中將電能轉(zhuǎn)化為磁能的能力。電感的公式符號是L。電感的計量單位是 H(亨利)。實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如圖40所示。

但除了電感外，實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。通過在線圈中放入一個鐵芯可使磁場強度增大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。只有當電流I經(jīng)過線圈時，軟磁鐵芯才保持磁性。在機動車應用中，這個原理用于繼電器、電磁閥等各種元件。

圖40 線圈的電路符號

2.電磁感應

如圖41、圖42所示，電導體或線圈在磁場中移動時，導體或線圈內(nèi)就會產(chǎn)生一個電壓。磁場強度改變時，導體或線圈內(nèi)也會產(chǎn)生電壓。該過程稱為電磁感應，產(chǎn)生的電壓稱為感應電壓。

感應電壓的大小取決于：磁場強度、電導體或線圈在磁場中的移動速度、線圈的圈數(shù)。

在機動車應用中，這個原理用于電磁感應式傳感器，點火線圈和發(fā)電機等元件中。

3.自感應電壓

不斷變化的電流經(jīng)過線圈時，線圈周圍就會產(chǎn)生一個不斷變化的磁場。電流每變化一次線圈內(nèi)都會產(chǎn)生一個自感應電壓。產(chǎn)生該電壓的目的在于抵消電流變化。

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

自感應電壓越來越大的條件是：電感L越來越大、電流變化越來越大、電流變化時間越來越短。

圖41 某個導體內(nèi)電壓的電磁感應

圖42 線圈的電磁感應

4.自感應的應用

(1)點火線圈

點火線圈(圖43)的任務是將蓄電池電壓轉(zhuǎn)化成所需要的點火電壓。在此過程中，點火能量(通過初級繞組的電流)作為磁能臨時存儲在點火線圈的鐵芯內(nèi)。初級線圈電流切斷后，磁場削弱并在次級繞組內(nèi)產(chǎn)生約30kV的高電壓。感應電壓的電壓取決于磁場強度、磁場變化速度、次級線圈的繞組數(shù)量。

電磁鐵不能在次級線圈中移動。取而代之的是開關不斷地斷開和閉合。因此開關接觸時線圈內(nèi)部就會形成磁場，開關斷開觸點時磁場就會減弱。開關閉合時形成磁場，磁場穿過次級繞組。在形成磁場的同時，繞組內(nèi)產(chǎn)生電壓。當磁場完全形成后，該電壓就會消失。開關斷開(斷開觸點)時，磁場削弱并反過來穿過次級繞組。此時就會形成帶有反極性的電壓。圖44連接方式還無法達到令人滿意的結(jié)果。釋放開關時，其接觸點上就會出現(xiàn)因自感應產(chǎn)生的電弧放電。這種電弧放電會使磁場減弱的速度放慢，從而使得次級感應電壓的強度不足以產(chǎn)生點火火花。

如圖45所示，為了解決這個問題，將一個電容器與接觸斷路器觸點并聯(lián)在電路中。

電容器處于短路狀態(tài)，直至開關的觸點閉合。只有當觸點斷開后，感應電壓才會為電容器充電。當電壓為0且電流較大時開始對電容器進行充電。

圖43 點火線圈

圖44 點火線圈的變壓器原理

圖45 斷路器觸點兩端并聯(lián)觸點

電容器負責兩項工作：大大減少電弧放電。從而可以突然切斷接觸點上的電流，也使得磁場可以更迅速地削弱。磁場快速削弱可使線圈繞組內(nèi)產(chǎn)生高電壓。