汽车电工电子技术（第2版）

《汽车电工电子技术（第2版）》是教育部高等学校机械类专业教学指导委员会规划教材（车辆工程、汽车服务工程），由吉林大学电工电子教学中心组织编写；本教材也适合作为远程教育、自学考试的参考书。

 

本书在满足教育部高等院校电工学课程指导组颁布的非电类电工学课程的基本要求的同时，从汽车类相关专业的知识需求出发，对传统内容进行了删减和修改，适当增加了一些电动汽车的新知识。同时在内容结构上也更利于学习者自学。本书内容包括电路分析基础、正弦交流电路、铁芯线圈与变压器、汽车中的电机、常用半导体器件、基本放大电路、集成运算放大器、数字电子电路和功率电子电路。 本书内容通俗易懂，实用性强，并将电工电子技术与汽车技术紧密结合。本书既可以供高等院校汽车类相关专业的本科、专科、高职等读者使用，也可以供远程教育、自学考试等汽车类专业的读者使用，还可供其他非电类专业读者和工程技术人员参考。

王芳荣，男，1967年6月出生，工学博士，吉林大学教授/硕士生导师。1990年获学士学位，1995年获硕士学位，2007年6月于吉林大学获机械电子工程专业工学博士学位。2005年研究生毕业后留校任教至今，长期工作在电学基础课教学和科研的第一线，并取得了一些成果，先后主编和参编了多部教材和著作，现主要从事汽车安全技术以及车辆人机工程、模式识别与智能系统等相关领域的教学与科研工作。近几年的主要成果如下。撰写的论文：1.王芳荣,郭柏苍等.次任务驾驶安全评价指标筛选及其重要程度研究.吉林大学学报(工学版),47(6),2017.（EI源)；2.Wang Fangrong,Jin Lisheng*,Zhang Tieqiang et al. Research on meat species and freshness identification method based on spectral characteristics.OPTIK,124(23), 2013,pp.5952-5955. (SCI检索)；3.Wang Fangrong, Fan Wenyong,Zhai Weiwei et al. Investi

第1章电路分析基础

1.1电路的基本物理量及参考方向

1.1.1电流及其参考方向

1.1.2电压及其参考方向

1.1.3电动势及其参考方向

1.1.4电位

1.1.5电功率

1.2电路的工作状态

1.2.1有载工作状态（通路）

1.2.2开路

1.2.3短路

1.3理想电路元件

1.3.1理想无源元件

1.3.2理想有源元件

1.4基尔霍夫定律

1.4.1基尔霍夫第一定律

1.4.2基尔霍夫第二定律

1.5电路的基本定律

1.5.1叠加原理

1.5.2戴维南定理

1.6电路的暂态分析

1.6.1暂态分析的基本概念与换路定律

1.6.2RC电路的暂态过程

1.7电路分析在汽车中的应用

1.7.1串联电路的应用

1.7.2电桥电路的应用

1.7.3电容充、放电的应用

重点与难点答疑

练习题

自我测验题
第2章正弦交流电路

2.1正弦交流电的基本概念

2.1.1周期与频率

2.1.2最大值与有效值

2.1.3相位与相位差

2.2正弦交流电的相量表示法

2.2.1相量图表示法

2.2.2相量（复数）表示法

2.2.3基尔霍夫定律的相量形式

2.3单一理想元件的交流电路

2.3.1电阻电路

2.3.2电感电路

2.3.3电容电路

2.4RLC串联的交流电路

2.4.1电压与电流之间的关系

2.4.2功率关系

2.4.3功率因数

2.5阻抗的串联与并联

2.5.1阻抗的串联

2.5.2阻抗的并联

2.6正弦交流电路的分析方法

2.6.1相量解析法

2.6.2相量图法

2.7正弦交流电路中的谐振

2.7.1串联谐振

2.7.2并联谐振

2.8三相交流电路

2.8.1三相交流电源

2.8.2负载星形联接的三相电路

2.8.3负载三角形联接的三相电路

2.8.4三相电路的功率

重点与难点答疑

练习题

自我测验题
第3章铁芯线圈与变压器

3.1磁路

3.1.1磁路的基本概念

3.1.2铁磁材料的磁性能

3.1.3磁路的欧姆定律

3.2交流铁芯线圈

3.2.1电压、电流和磁通的关系

3.2.2铁芯线圈的能量损耗

3.2.3交流铁芯线圈的应用——交流电磁铁

3.3变压器

3.3.1变压器的基本结构

3.3.2变压器的工作原理

3.3.3变压器的外特性与额定值

3.3.4变压器绕组的同极性端及其测定

3.4直流铁芯线圈在汽车上的应用

3.4.1直流铁芯线圈的电磁特点

3.4.2直流铁芯线圈的应用

3.5变压器在汽车上的应用

3.5.1点火线圈的结构与原理

3.5.2传统点火系统的组成和工作原理

重点与难点答疑

练习题

自我测验题
第4章汽车中的电机

4.1三相交流异步感应电动机

4.1.1三相异步电动机的基本结构

4.1.2三相异步电动机的工作原理

4.1.3三相异步电动机的机械特性与运行状态

4.1.4三相异步电动机的使用

4.1.5三相异步电动机的铭牌和技术数据

4.2三相同步交流发电机

4.2.1交流发电机的构造

4.2.2交流发电机的工作原理

4.3直流电动机

4.3.1基本结构

4.3.2工作原理

4.3.3机械特性

4.3.4直流电动机的使用

4.4控制电机

4.4.1直流伺服电动机

4.4.2步进电机

4.5电动汽车中的电机驱动系统

4.5.1交流电机驱动系统的优点

4.5.2交流电机驱动系统框图

重点与难点答疑

练习题

自我测验题
第5章常用半导体器件

5.1PN结及其单向导电性

5.1.1本征半导体

5.1.2杂质半导体

5.1.3PN结的形成

5.1.4PN结的单向导电性

5.2半导体二极管

5.2.1半导体二极管的结构

5.2.2半导体二极管的伏安特性

5.2.3半导体二极管的主要参数

5.2.4半导体二极管的应用

5.3特殊二极管

5.3.1稳压二极管

5.3.2发光二极管

5.3.3光敏二极管

5.4晶体管（双极型三极管）

5.4.1晶体管的结构和分类

5.4.2晶体管的电流分配及放大作用

5.4.3晶体管的特性曲线和主要参数

5.5场效应晶体管（单极型三极管）

5.5.1N沟道增强型MOS管

5.5.2N沟道耗尽型MOS管

5.5.3MOS管的主要参数及使用注意事项

5.6半导体器件在汽车中的应用

5.6.1晶体管的两种作用

5.6.2二极管的续流保护作用

重点与难点答疑

练习题

自我测验题
第6章基本放大电路

6.1基本交流放大电路的组成

6.1.1放大电路的基本概念

6.1.2基本交流放大电路的组成

6.2放大电路的图解法

6.2.1放大电路的静态分析

6.2.2用图解法对放大电路进行动态分析

6.2.3非线性失真

6.3静态工作点的稳定

6.3.1温度对静态工作点的影响

6.3.2分压式偏置电路

6.4微变等效电路法

6.4.1晶体管的微变等效电路

6.4.2放大电路的微变等效电路

6.4.3放大器的性能分析

6.5共集电极放大电路

6.5.1共集电极放大电路的组成

6.5.2共集电极放大电路的分析

6.5.3共集电极放大电路的特点及应用

6.6阻容耦合多级放大电路与功率放大电路

6.6.1两级阻容耦合放大电路

6.6.2功率放大电路

重点与难点答疑

练习题

自我测验题
第7章集成运算放大器

7.1直接耦合放大电路与差动放大电路

7.1.1直接耦合放大电路

7.1.2差动放大电路

7.2集成运算放大器简介

7.2.1集成运算放大器的电路构成简单介绍

7.2.2集成运算放大器的主要技术指标

7.2.3运算放大器的电压传输特性

7.2.4运算放大器的理想化模型

7.3集成运算放大器在信号运算电路中的应用

7.4放大电路中的负反馈

7.4.1反馈的基本概念

7.4.2反馈的类型

7.4.3负反馈对放大器性能的影响

7.5集成运算放大器在信号处理与产生方面的应用

7.5.1有源滤波器

7.5.2电压比较器

7.5.3正弦信号发生器

7.6运算放大器在汽车中的应用

7.6.1车灯断线监测电路

7.6.2巡航控制的基本原理

重点与难点答疑

练习题

自我测验题
第8章数字电子电路

8.1数字电路概述

8.1.1数字电路和模拟电路

8.1.2数字信息编码

8.2逻辑门电路

8.2.1基本逻辑关系及其门电路

8.2.2集成门电路

8.2.3CMOS门电路

8.3逻辑代数的基本公式和定律

8.3.1逻辑代数的基本定律

8.3.2逻辑代数的三个重要规则

8.4组合逻辑电路的分析与设计

8.4.1组合逻辑电路的分析

8.4.2组合逻辑电路的设计

8.5常用组合逻辑电路器件

8.5.1编码器和译码器

8.5.2数据分配器和选择器

8.5.3运算器

8.6双稳态触发器

8.6.1基本RS触发器

8.6.2钟控双稳态触发器

8.7常用的时序逻辑电路器件

8.7.1寄存器

8.7.2计数器

8.8555定时器

8.8.1555定时器的基本结构及工作原理

8.8.2单稳态触发器

8.8.3多谐振荡器

8.8.4施密特触发器

8.9模拟量和数字量的转换

8.9.1数模转换器

8.9.2模数转换器

重点与难点答疑

练习题

自我测验题
第9章功率电子电路

9.1晶闸管

9.1.1基本构造

9.1.2工作原理

9.1.3伏安特性

9.1.4主要参数

9.1.5晶闸管触发电路

9.1.6晶闸管的使用注意事项

9.2单相可控整流电路

9.2.1单相半波可控整流电路

9.2.2单相全控桥式整流电路

9.3晶闸管逆变电路

9.3.1有源逆变

9.3.2无源逆变

9.4直流斩波器的工作原理

9.5交流调压电路

重点与难点答疑

练习题

自我测验题

附录

部分练习题答案

参考文献

本书是吉林大学电工电子教学中心的同事们及省内兄弟院校的同行，在近几年来的电工学课程教学改革实践的基础上，为搞好精品课建设且更加符合汽车类专业的技术需求而编写的。
本书在满足教育部高等院校电工学课程组颁布的非电类“电工学”课程的基本要求的同时，在内容结构和知识安排上都采用一些新颖的写法，从而使本书具有如下特色。
1. 本书在教材体系上虽然仍与通用的“电工电子技术”一致，但为了更符合汽车类专业的技术需求，采用了如下三种创新手段： ①在具体内容的表述或举例上与汽车技术紧密结合。②在多章的最后都新增加了一节“电工电子知识在汽车中的应用”。③独辟一章，其题目为“汽车中的电机”，这不仅使本书具有密切结合汽车工业技术传授电工电子技术的特点，也可使学习者更好地完成从理论学习到工程应用的转换。同时填补了某些汽车类专业课程设置中从通用的“电工电子技术”跨越到汽车电控课的知识断层。
2. 本书尤其针对远程教育及自学考试等教育形式的特点，在内容结构上做了精心安排。在教材的每章前，都写有“学习要求”，使学习者能够充分了解学习中要掌握的主要知识要点，使学习目标明确，从而做到心中有数。而在每章之后都有重点与难点答疑、练习题和自我测验题三个板块。可使学习者对所学知识有一个深入的理解与提高，也更突出了学习者的主体性和主动性，进一步对学习效果有一个正确的评估，从而做到心中有数。
3. 随着石油资源的不断减少以及人们环保意识的提高，如何使汽车更节能或者开发电动汽车以及其他新能源汽车已不可避免地越来越受到人们的重视。而体现在这其中的汽车电工电子新技术内容的教材却几乎没有。作者从今后汽车电工电子技术的发展方向上，把功率电子电路、电动汽车的驱动电机及驱动控制等新型汽车所需的电工电子知识编入其中。这在汽车类“电工电子技术”教材建设上可谓先行一步。
全书由王芳荣、王鼎担任主编，王幼林、王丽华担任副主编，陈宗穆担任主审。其中担任编写工作的有： 王幼林（1，2章）、王芳荣（3，4，5，6，7章）、梁亮（8.1节，8.2节）、雷治林（8.3节）、王鼎（内容简介，前言）、赵梅（8.4节）、王丽华（8.5节，8.6节，8.7节，8.8节，第8章重点与难点答疑和练习题）、王丹（9.1节，9.2节，9.3节）、吴丽波（9.4节,9.5节,第9章重点与难点答疑和练习题）、廖方圆（附录）。
本书经湖南大学陈宗穆教授在百忙中抽出时间审阅，并提出了修改意见，在此表示衷心的感谢。
由于编者的学识水平有限，再加之时间上的原因，书中难免有不妥和疏漏之处，敬请读者批评指正。
编者2009年8月

第1章

电路分析基础

 学习要求：  
通过本章的学习，要求学习者应达到如下目标：
(1)  掌握电路中的基本物理量的概念、单位换算及其参考方向； 理解电路的三种工作状态、特点及电器设备的额定值； 掌握理想无源、有源元件的物理性质与伏安特性； 理解电位的概念及计算。
(2)  掌握电阻串并联的特点及分析计算； 掌握欧姆定律、基尔霍夫定律、叠加定理、戴维南定理，并会用它们进行分析计算。
(3)  理解电路的稳态和暂态及时间常数的意义； 了解暂态过程的分析方法。

1.1电路的基本物理量及参考方向
电路是为能够实现某种需要，由若干电工元器件按一定方式相互联接起来的组合。
电路一般由电源(信号源)、负载和中间环节三部分组成。
电源(信号源)是将其他形式的能量或信号转换为电能或电信号的装置，例如汽车上有两个电源： 一是蓄电池，它将化学能转换为电能； 二是发电机，它将发动机旋转的机械能转换为电能，传感器将非电量信号转换为电信号等。
负载是取用电能，将电能转换为其他形式能量的装置。例如电动机将电能转换为机械能，扬声器将音频信号转换为声音等。
联接电源与负载之间的中间环节是传送、控制电能或电信号的部分，它包括联接导线、控制电器和保护元件(开关、熔断器)等。
电路的作用可分为两类： 一类是实现能量的传输、分配和转换，例如在汽车前照灯(俗称大灯)电路中，电路将蓄电池或者发电机的电能送给负载前照灯，而前照灯将电能转换为光能； 另一类是信号的传递与处理，例如在汽车发动机燃油喷射控制系统的电路中，传感器电路将反映发动机各种工况的非电量信号转换为电信号送给控制器(ECU)，而控制器电路按照预先存储的控制程序对输入的电信号加以运算、判断、处理，最后输出控制信号送给喷油器，从而精确地控制喷油量。
在研究、分析电路时，首先要熟悉电路中的一些基本物理量。
1.1.1电流及其参考方向
电荷在电场力作用下，作有规则的定向运动，形成电流。将单位时间内通过导体横截面的电荷量定义为电流强度，用以衡量电流的大小。电流强度简称为电流，即

i=dqdt或I=Qt
(1.1)

电流的单位是安［培］(A)。当电流较小时也可用毫安(mA)或微安(μA)为单位，它们之间的换算关系为

1A=103mA=106μA

分析电路时，除了要计算电流的大小外，同时还要确定它的方向。习惯上把正电荷运动的方向(或负电荷运动的相反方向)作为电流的方向，这种方向称为电流的实际方向，简称电流的方向。
电流的实际方向，在简单情况下是可以直接确定的。但在实际问题中，往往难以凭直观判断电流的实际方向。因此，为了解决这一困难，引入参考方向这个概念。
什么是电流的参考方向呢？我们知道，任何一段电路中的电流只有两种可能的流向，若任意选某一方向作为电流的方向，在电路图中用箭头表示，并以这个方向列电路方程或表达式、分析计算，那么这种人为规定的电流方向就称为电流的参考方向。

在规定参考方向后，电流可以用一个代数量表示，即它不仅有数值，而且包含了正、负号。按参考方向分析电路得出的电流为正值(i>0)，表明电流的参考方向与实际方向相同。反之，若得出的电流为负值(i<0)，则表明电流的参考方向与实际方向相反。因此，只有参考方向选定之后，电流之值才有正负之分。

图1.1电流参考方向与实际方向
如图1.1所示，实线箭头代表参考方向，虚线箭头代表实际方向。
电流的参考方向标注方法有两种： 一是在电路中，画一个实线箭头，并标出电流名称； 二是用双下标表示，如Iab表示从a点流向b点的电流。

1.1.2电压及其参考方向
电场力把单位正电荷从a点移到b点所做的功，定义为a、b两点间的电压uab，即

uab=dwdq或Uab=WabQ(1.2)

电压的单位可用伏［特］(V)、千伏(kV)、毫伏(mV)等来表示。
在分析与计算电路时，同电流一样，电压也要任意选定其参考方向。按照所选定的参考方向分析电路，得出的电压为正值(u>0)，表明电压的实际方向与参考方向一致；  反之，若得出的电压为负值(u<0)，则表明电压的实际方向与参考方向相反。
电路中表示电压的参考方向的方法有三种，a、b两点间电压的参考方向一是用箭头表示，二是用“ ”“－”符号表示，三是书写时用带双下标的字母uab表示，如图1.2所示。对一个元件或一段电路上的电压参考方向和电流参考方向可以独立地任意选定。若电压和电流的参考方向相同，则把电压和电流的这种参考方向称为关联参考方向，如图1.3所示。

图1.2电压的参考方向

图1.3电压和电流关联参考方向

1.1.3电动势及其参考方向
电动势在数值上等于非电场力把单位正电荷由负极经电源内部移到正极所做的功。显然，电动势的单位也是伏［特］(V)。
通常规定电动势的实际方向是由电源的负极指向电源的正极。同电流和电压一样，在电路中所标出的电动势的方向也是它的参考方向。
注意，电源的端电压与电动势之间的关系如图1.4所示。

图1.4电源端电压与电动势

1.1.4电位
电路中某点电位等于该点与参考点(规定计算电位的起点参考点电位为零)之间的电压。因此，电位计算的实质就是计算电压。只要选择一个合适的路径来计算电压，就可以计算出电位。
在定义了电位的概念之后，电路中任意两点间的电压，则是这两点间的电位差，即

Uab=Ua-Ub