分壓電路在汽車電氣控制系統中的應用

陳海芹

江蘇省連云港工貿高等職業技術學校 江蘇省連云港市 222000

1 引言

現代社會人們對汽車功能的要求越來越高，不但要求著汽車駕駛的安全性，更追求駕駛過程中的舒適性與功能性，這也意味著傳統意義上的汽車結構需要與時俱進的革新，各類控制性能更好的元件應在汽車系統中得到有效應用。而人們常提到的汽車操縱感，則與汽車電氣控制系統的各部分元件應用密切相關，不同類型的元件對電壓的要求都有所不同，技術人員以分壓電路的形式將各類元件連接到一起，通過調節電壓的方式讓其得到穩定運行，才能更好的保障汽車在駕駛途中的安全性。然而分壓電路的應用分布于汽車電氣控制系統的各個方面，既有為三極管提供偏置電壓結構的應用，也有輔助傳感器發射控制信號的應用，要想研究分壓電路的應用情況，就需要結合實例來分析分壓電路在不同結構中的不同作用，可以幫助技術人員在復雜的汽車電路中找到一些具有共性的基本規律，有助于技術人員更好的學習并應用汽車電子技術于實踐中。

2 分壓電路的主要構成內容

現代汽車控制系統中應用的分壓電路在本質上就是串聯電路，即每一個電阻元件按照固定的順序依次連接，構成了一個完整的串聯電路，在這個電路中流通的電流是同一種，可以用基爾霍夫電壓定律可 以 表 示 為“U=U1+U2+U3+U4+……+Un”，因為“U=IR”，所以又可以表示 為“U=I×R1+I×R2+I×R3+I×R4+……+I×Rn”， 又 可 以 寫 為“U=I×（R1+R2+R3+R4+……Rn）”，而基本的串聯電路電阻公式為“R總=R1+R2+R3+R4+……Rn”， 即“U=I×R總”。由于串聯電路各個部分的電流是相同的，所以電路電流可以表示為“I=U÷R總”，而本串聯電路中每一個電阻元件的電壓都可以用以下公式來表示，如1號元件兩端的電壓可表示為“U1=I×R1=U/R總×R1”，同理，2號元件兩端的電壓可表示為“U2=I×R2=U/R總 ×R2”，3號 元件兩端的電壓可表示為“U3=I×R3=U/R總×R3”，4號元件兩端的電壓可表示為“U4=I×R4=U/R總 ×R4” ……n號 元件兩端的電壓可表示為“Un=I×Rn=U/R總×Rn”。從這些表達公式中可以看出，在以串聯電路形式構成的分壓電路中，電路中每一個電阻元件兩端的電壓都會與該元件自身的電阻形成正比的關系，根據“I=U/R”公式可知，串聯電路電流不變時，電阻元件的電阻值越大，則其在串聯電路中的電壓分壓就會越大。如圖1所示，是分壓電路作為汽車控制系統中的分壓器使用時的使用模型，其中圖1中標注的U0為電路中電阻R2分壓值，可以作為輸出信號使用。

圖1 分壓電路充當分壓器的模型示意圖（參考）

3 分壓電路在現代汽車電氣系統中的具體應用形式

3.1 分壓電路與偏執電壓

1.分壓電路對于汽車充電系統的作用

現代汽車內部結構的充電系統結構包括蓄電池部分、充電指示燈部分及電壓調節器等等，這些部分構成了完整的現代汽車充電系統，需要滿足汽車日常的充電需求。當前汽車的充電系統中多數使用交流發電機，這類發電機的實用優勢比較明顯，其體積較小且結構簡單，后續出現問題也易于維修，并且具有較長的使用壽命，即便是在汽車低速行駛時，也具有較好的充電效果，所以可以維持汽車的正常行駛，也成為多數現代汽車內部結構中為整車電氣設備提供電能及蓄電的主要裝置。從現代汽車充電系統中使用的交流發電機性能分析可知，其輸出電壓與轉速之間的關系是正比例的，也就是說當交流發電機的轉速上升，其電壓值也會逐漸增大，但是現代汽車的日常行駛狀況會逐漸變化，充電系統中的交流發電機的轉速也會不斷發生變化，最低為700r/分鐘，最大為6000r/分鐘，變化值就處于這兩個數值之間，這種情況容易給交流發電機帶來一定的負荷壓力，導致發電機輸出的電壓值會不穩定，那么汽車內部的電器元件就容易因為電壓不穩而受到損害。在這種情況下為保證汽車內部系統中各項電子元件與電子設備能夠延長使用壽命并處于正常的工作狀態，設計師通常會在充電系統中安裝電壓調節器來穩定電壓輸出。這類電壓調機器包括兩種形式，既有機械式的電壓調節器，隨著現代電子信息技術的發展，也出現了電子式的電壓調節器，多數現代汽車充電系統中會安裝電子式的電壓調節器，因其精度較高且結構簡單的優點而備受青睞，況且電子式電壓調機器不需要維修，尤其是在一些日系汽車上，這種電壓調節器的使用更為廣泛。

如圖2所示，為東風某車型中的電子式電壓調節器使用模型，圖示中以R1和R2兩個部分串聯成分壓電路的結構，經過分析可以看出，a為兩個電路串聯以后分壓線路的輸出端口，可以直接檢測到整體交流發電機的輸出電壓值，并向系統的三極管提供基礎的偏置電壓。該電子式電壓調機器的運行原理是，當交流發動機處于較低的轉速狀態時，其輸出的電壓也會比調節電壓更低，此時a點作為輸出電壓的端口，分壓值就會較小，那么電子式調壓器就會進行反向截止，導致V1端口的基本電壓處于截止狀態，而電源處的電壓經過電阻元件R3的作用，會在V2處進行導通，那么交流發電機與勵磁線圈之間是相同的，可以對交流發電機的電壓起到調整作用。同理，在交流發電機的轉速不斷提升以后，其輸出的電壓值也會高于調節的電壓值，此時a點處的分壓會反向擊穿V1處，并在V1處形成偏置電壓，那么V1會導通，V2處的電壓會因為V1處已經導通而數值變低，直到V2處的電壓處于截止狀態，則汽車充電系統內的交流發電機與勵磁線圈處于斷電的狀態，那么發電機的輸出電壓就會處于調低電壓的狀態。

圖2 東風某車型充電系統電子電壓調節器的原理示意圖（參考）

2.分壓電路對于汽車晶體管點火系統的作用

現代汽車的晶體管點火系統中也有對分壓電路的應用，如圖3所示，是豐田某車型在采用磁感式電子點火裝置時，所使用的基本結構，從圖示中可以明顯的看出，R6與R7兩個元件與三極管元件直接串聯，并組成了相對完整的分壓電路，在三極管元件導通電流時，a點所承受的分壓就是R7點兩端電壓提供的偏執電壓，會直接輸送給V5處實現V5處的電壓導通，如果情況相反則剛好使V5處截止。這一電路結構的工作原理也比較簡單，即線路中的信號線圈發出交流電變壓信號時，輸出的電壓會提升P點處的電壓，并且其數值會持續增高，始終大于V2處的導通電壓，正因為V2處電壓導通，而V3的電位會相對降低直至截止，三極管元件的電位因此升高直至導通，由a點獲得一定的分壓值，并持續控制V5處的導通。電路中的點火線圈的初級繞組在初步通電以后，線圈會儲存一定的電磁能，用于電子點火裝置的應用。如果情況相反，則該線路中的信號圈電壓持續降低，線路中P點處的電位要比V2處的導通電壓更低，所以V5處于截止狀態，線路中線圈的初級繞組也處于斷電的狀態，此時點火線圈會對已經儲存的電磁能進行釋放，在高壓狀態下就會促使火花塞跳火，以此完成磁感式電子點火工作。

圖3 豐田某車型磁感式電子點火裝置中分壓電路的應用示意圖（參考）

3.2 分壓電路與傳感器

1.分壓電路對于環境溫度與水溫的作用

分壓電路在汽車傳感系統中的應用主要體現為控制信號的作用，多數汽車的環境及水溫傳感器會與汽車空調之間形成連接，均可以采用負溫度系數所表示的熱敏電阻，用于監控汽車內部的溫度并維持其環境溫度的舒適度。但是汽車系統中普遍使用的空調ECU只能對數字類信號進行處理，而不能在電子元件電阻變化的基礎上直接進行處理，反而是通過電子元件電阻變化以后，將數值傳輸到傳感器中，將電阻值的變化轉換為能夠與溫度表達一致的數字信號后，可以進行處理，再以信號的形式返還給處理系統，而這些過程都是在分壓電路過程中實現傳遞的。其基本的傳輸過程如下，汽車的環境傳感器及水溫傳感器會分別于空調ECU連接，構成了以串聯電路為主要形式的分壓電路進行工作，分壓端包括不同功能所需要的Va、Vb及Vc等等端口，經過整體串聯系統中的A/D轉換電路處理以后，會改變為數字形式的信號，核心設備空調ECU將數值進行運算，得出了相應的控制信號，即可以完成對車內溫度、風速的調控，并為車內外循環系統的應用提供基礎條件。

2.分壓電路對于汽車電控燃油噴射系統的作用

如圖4所示，是本田某車型水溫傳感器與燃油系統進氣溫度傳感器的線路圖，與汽車空調系統ECU直接連接，此車型燃油系統中的水溫傳感器與進氣溫度傳感器采用的都是負溫度系數的電阻元件，屬于熱敏電阻，根據圖示可知，各部分的電阻都與ECU形成了分壓電路，經過Va與Vb兩個端點將信號輸送至A/D轉換電路中，轉換成數字信號以后，該系統會根據信號的指示形成相應形式的噴油脈沖，即可完成對燃油系統噴油嘴動作的良好控制。除此之外，燃油系統中氣節門的位置傳感器也需要怠速調整電阻，與燃油系統中的EFI控制單元直接相連，串聯成分壓電路的結構。汽車所使用的節氣門位置傳感器通常是根據可變電阻的數值變化來進行調整的，作為電壓端子的應用元件，也成為怠速信號端子用于傳遞信號，其與節氣門連接處的電阻組成了傳感器輸出端子，此時a與b點都處于該串聯分壓電路結構的中間位置，并且b點的節氣門開度為原有開度的2/3。縱觀節氣門位置傳感器的分壓電路并沒有非常明顯的分壓電路特征，但從其功能性方面來看，可以將其簡化為分壓電路的形式，也滿足分壓電路的串聯電路結構要求，所以仍將其歸納于分壓電路的應用。也就是說，在汽車燃油系統的氣門發生開度變化時，相應位置處的電阻元件也可以作為傳感器電阻的分界點使用，形成不同部位的電壓分壓電路，燃油系統節氣門所輸出的信號就是分壓電路的具體分壓值，在轉換為數字信號以后，汽車的ECU系統會正常運行并控制燃油系統的噴油器脈沖操作，當節氣門增加開度，該電路的分壓值也在逐漸增大，和整體的電阻關系為線性關系，仍然符合分壓電路的各項特征。

圖4 本田某車型水溫傳感器與進氣溫度傳感器線路示意圖（參考）

4 結束語

現代汽車的電氣控制系統構成比較復雜，各個功能的應用都需要相應的內部控制系統予以調節，所以現代汽車在構造過程中應用的電子元件較多，也需要相應的電阻元件予以調節電壓，用于適應汽車在行駛過程中電壓不斷變化的環境，維持汽車各項功能的穩定。分壓電路作為現代汽車電氣控制系統中比較基礎的串聯電路形式，是以各類電阻元件的使用為主要形式的調壓模式，在汽車系統的供壓及傳感等方面均有應用，無論是維持發動機的電壓穩定，還是在汽車空調系統中的應用，都體現出非常重要的作用。