汽车电子电气基础知识详解(三)

◆文/山东 刘春晖 张学忠

（接上期）

十三、电源的内电阻

我们假设一个理想电源始终提供规定电压U，例如蓄电池提供12.5V电压。但当接通一个或多个能量用电器(如灯泡、电机等)时，所有电池和大部分供电单元都会出现电压降。如将一个12V/2W灯泡接到电池上时，电压就会由12.5V降到12V甚至更低。原因在于电源的内阻Ri(图28)。

图28 电源的内阻示意

我们将实际中的电池想象成一个由理想恒压电源(电源电压为Uq、电阻为内阻Ri)组成的串联电路(图29)。当然实际上并没安装什么电阻，这只是一个示意图，一个替代电路图。电源电压Uq保持不变，即不受电流I的影响。现在通过能量转换器RL(负载电阻、外阻、用电器)向内阻为Ri、电源电压为Uq(电动势)的电压电源施加负荷。

负载电阻RL不会获得接线柱A和B上的全部电源电压，因为一部分在蓄电池内阻Ri中损耗。

电流I流经外部电路时，接线柱电压就会降低(电流I流经内阻Ri时产生电压降)。因此接线柱电压(即电阻RL上的电压)就会随电流的升高而降低。

十四、电容器和电容

电容器是一个能够存储电荷或电能的元件。最简单的电容器由两个对置的金属板和金属板之间的一个绝缘体组成。电容器上的电荷的分布如图30所示。

电容器的存储能力称为电容。电容的单位是法拉(F)，常用微法(μF)和皮法(pF)。电容器的容量取决于导电板的面积、导电板距离和两板之间绝缘材料(电介质)的性质。实际使用的电容器值小于1F。

图30 电容器上的电荷分布

1.电容器类型

根据实际应用情况使用非极化或极化电容器。电容器的电路符号及类型如图31、图32所示。非极化电容器的两个接头相同，即可以相互调换。非极化电容器可用直流和交流电压驱动。

而极化电容器有一个正极接头和一个负极接头。这两个接头不能互换。极化电容器不能用交流电压驱动。要求高电容量时(至mF)，使用电解电容器。

图31 电容器的电路符号

图32 电容器的类型

2.电容器串联和并联

与电阻相似，电容器也可并联和串联。如图33所示，将电容器依次连接在一起且相同电流经过所有电容器时，电容器为串联形式。总电压Utotal分布在串联电容器上。局部电压之和等于总电压。最小电容上的电压降最大。最大电容上的电压降最小。

(1)串联时的总电容。串联电路的总电容小于最小的单个电容。每增加一个串联电容器，总电容就会随之减小。

图33 电容器串联

(2)并联电路的总电容。如图34所示，电容器并联时，施加在所有电容器上的电压都相同。因为通过电流为电容器充电，所以所有电容器的总电容大于所有单个电容器的电容。总电容等于单个电容之和。

电容器通常采用并联方式，以增大电容。

图34 电容器并联

3.电容器的应用

电容器在车辆上作为短时电荷存储器使用，用于电压滤波和减小过压峰值。

(1)通过高通滤波器分开DC电压和AC电压。电容器在车辆上作为短时电荷存储器使用，用于电压滤波和减小过压峰值。输入端电压U1是一种混合电压或波动电压。它由一个带有叠加AC电压的DC电压构成。

如图35所示，充电后，电容器发挥直流断续器的作用。只有AC电压组件可促使电容器反复进行电荷交换。在此过程中通过的电流会在电阻器R上产生AC电压。这种电路用在带有晶体管的放大器系统内，用于从混合电压中过滤出AC电压。

图35 带有RC元件的高通滤波器

(2)脉动DC电压平滑处理(滤波)如图36所示，通过RC组件对仅由正值半正弦波构成的AC电压进行平滑处理，以降低电压波动(交流声部分)。输出电压已非常接近恒定DC电压。输出电压平滑处理程度取决于电容C和电路中通过的负载电流。

这种电路在机动车电子系统内用于降低控制单元内DC供电电源的波动，并过滤掉干扰电压。

图36 带有RC元件的低通滤波器

(3)机动车内车内照明灯关闭延迟，如图37所示。电容器C与继电器的线圈并联在一起。因此，释放开关后仍有电流通过继电器，从而通过照明灯。通过继电器的励磁线圈使电容器放电后，继电器就会关闭照明灯电路，照明灯电流在开关释放后延迟一小段时间才中断。

图37 车内照明灯关闭延迟

注意：在新款宝马车辆的控制单元内，这一时间延迟由微处理器来控制。

总结：电容器在电场内存储电能。按设计要求电容器分为非极化电容器和极化电容器。这些电容器用于分开AC电压和DC电压，平滑处理DC电压以及产生时间延迟。

十五、线圈和电感

在电子电气系统上线圈有多种用途，例如用作点火线圈、用于继电器和电机内。在车辆电子系统上，线圈用于感应式传感器内，例如曲轴和凸轮轴传感器。但线圈也可以用于输送能量(变压器)或进行过滤(例如分频器)。在继电器内利用线圈的磁力切换触点开关。线圈按照电磁学原理和电磁感应原理工作。

1.电磁学工作原理

(1)导电体的磁场

如图38所示，在每个载流导体周围都有一个磁场。磁力线的形状为闭合的圆圈。

图38 某个载流导体周围的磁场

载流导体周围磁力线的方向可通过螺旋定则确定。设想将一个右旋螺纹螺栓沿电流方向(技术方向)拧入一个导体内，则其旋转方向就是磁力线方向。流入导体内的电流用符号表示，流出导体的电流用中心有一个点的圆圈表示。

(2)线圈

如图39所示，基本线圈是指缠绕在一个固体上的导线。但不一定要有这个固体。它主要用于固定较细的导线。将电导体缠绕成一个线圈时，就会在线圈内部形成磁力线。磁力线平行分布且密度相同。这种磁场称为均匀磁场。磁力线离开的地方为北极，进入的地方为南极。

线圈最重要的物理特性是其电感。一个线圈的磁场强度取决于绕组数量N、电流强度I、线圈结构。

图39 某个线圈的磁场

一个线圈的电感是在自身绕组中将电能转化为磁能的能力。电感的公式符号是L。电感的计量单位是 H(亨利)。实际使用的线圈电感值低于1亨利，例如1mH。线圈不同的电路符号如图40所示。

但除了电感外，实际线圈还具有其他一些(通常是不希望出现的)特性，例如电阻或电容。通过在线圈中放入一个铁芯可使磁场强度增大1 000倍。铁芯不是电路的一部分。带有铁芯的线圈称为电磁铁。只有当电流I经过线圈时，软磁铁芯才保持磁性。在机动车应用中，这个原理用于继电器、电磁阀等各种元件。

图40 线圈的电路符号

2.电磁感应

如图41、图42所示，电导体或线圈在磁场中移动时，导体或线圈内就会产生一个电压。磁场强度改变时，导体或线圈内也会产生电压。该过程称为电磁感应，产生的电压称为感应电压。

感应电压的大小取决于：磁场强度、电导体或线圈在磁场中的移动速度、线圈的圈数。

在机动车应用中，这个原理用于电磁感应式传感器，点火线圈和发电机等元件中。

3.自感应电压

不断变化的电流经过线圈时，线圈周围就会产生一个不断变化的磁场。电流每变化一次线圈内都会产生一个自感应电压。产生该电压的目的在于抵消电流变化。

电感对磁场变化(建立和消失)的反作用与物理学中的惯性原理相似。例如赛车加速时，其惯性就会克服加速效果。而制动时，由于赛车的惯性，需要一段时间赛车才能完全静止。

自感应电压越来越大的条件是：电感L越来越大、电流变化越来越大、电流变化时间越来越短。

图41 某个导体内电压的电磁感应

图42 线圈的电磁感应

4.自感应的应用

(1)点火线圈

点火线圈(图43)的任务是将蓄电池电压转化成所需要的点火电压。在此过程中，点火能量(通过初级绕组的电流)作为磁能临时存储在点火线圈的铁芯内。初级线圈电流切断后，磁场削弱并在次级绕组内产生约30kV的高电压。感应电压的电压取决于磁场强度、磁场变化速度、次级线圈的绕组数量。

电磁铁不能在次级线圈中移动。取而代之的是开关不断地断开和闭合。因此开关接触时线圈内部就会形成磁场，开关断开触点时磁场就会减弱。开关闭合时形成磁场，磁场穿过次级绕组。在形成磁场的同时，绕组内产生电压。当磁场完全形成后，该电压就会消失。开关断开(断开触点)时，磁场削弱并反过来穿过次级绕组。此时就会形成带有反极性的电压。图44连接方式还无法达到令人满意的结果。释放开关时，其接触点上就会出现因自感应产生的电弧放电。这种电弧放电会使磁场减弱的速度放慢，从而使得次级感应电压的强度不足以产生点火火花。

如图45所示，为了解决这个问题，将一个电容器与接触断路器触点并联在电路中。

电容器处于短路状态，直至开关的触点闭合。只有当触点断开后，感应电压才会为电容器充电。当电压为0且电流较大时开始对电容器进行充电。

图43 点火线圈

图44 点火线圈的变压器原理

图45 断路器触点两端并联触点

电容器负责两项工作：大大减少电弧放电。从而可以突然切断接触点上的电流，也使得磁场可以更迅速地削弱。磁场快速削弱可使线圈绕组内产生高电压。