VMW-内部培训资料-电气及电子系统基本原理.doc

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产品信息
电气 / 电子系统基本原理

BMW 售后服务

产品信息
电气 / 电子系统基本原理

电子，质子，中子

电压/电流

欧姆定律

电阻器，电容器和线圈

半导体技术

半导体元件

模拟/数字信号

逻辑电路

数据传输

有关本产品信息的说明

所用符号

为了便于理解内容并突出重要信息，在本产品信息中使用了下列符号：

· 所包含的信息有助于更好地理解所述系统及其功能。

· 表示某项说明内容结束。

产品信息的当前状况

由于 BMW 对车辆结构和装备不断进行后续研发，因此本产品信息中的内容
与培训所用车辆情况可能会不一致。

本手册发行时仅针对左侧驾驶型车辆。右侧驾驶型车辆部分操作元件的布置位
置与本产品信息的图示情况不同。

目录
电气 / 电子系统基本原理

简介 1
为什么电工学的基础知识如此重要？ 1

功能 1
原子，电子和电荷载体 1
电压 5
电流 9
电阻 15
欧姆定律 20
电功率 21
电路 22
电容器和电容 26
线圈和电感 29
半导体技术 34
半导体元件 37
模拟/数字信号 50
逻辑电路 54
数据传输 63

总结 66
我应当记住什么。 66

测验问题 69
问题目录 69
问题答案 71

88

序言
电气 / 电子系统基本原理

为什么电工学的基础知识如此重要？

现在 BMW 车辆使用的电子系统越来越多。其原因在于可靠性高，具有附加工作流程且更快，并能减小组件尺寸。在车辆中安装电子系统的最终目的在于使车辆更安全、更可靠、更舒适，从而确保现在和将来的销售业绩。

为了了解电气或机电系统内的复杂关系，电气/ 电子系统的基础知识对于“非电工”人员来说也非常重要。

本产品信息总结了电工学方面的基础知识。其中既包括最重要的电工学公式和定律，而且还介绍了最重要的组件，例如电阻、电容器、线圈等。

本产品信息以简明扼要的方式介绍了最重要的主题。

以本产品信息为基础提供关于“普通车辆电气系统”主题的其它产品信息，可根据具体市场要求将这些信息结合在培训内容中。

本产品信息也可用作参考资料。

功能
电气 / 电子系统基本原理

原子，电子和电荷载体

为了能够更好地了解电压、电流、电阻以及半导体、导体和绝缘体等电学参数，在此需要介绍一些原子物理学的基本原理。

原子

所有物质都由大约 100 种不同的元素构成。这些元素中最小的组成部分是原子。大约2500 年前，德谟克利特（古希腊学者）就提出了世界是由不可分割的微粒构成的假设。由此得到了原子这个名称：a-tomos（原子）= 不可分割。

现在我们知道，原子是可分割的，由中子、质子和电子组成。

有多种关于原子结构的理论。尼尔斯·玻尔理论是电工学理论中最为直观的一个。上图所示的原子模型即玻尔原子模型。它表示了电子、质子和中子之间的相互关系。人们假设，原子由一个原子核和一个原子壳组成。

该结构与行星体系的结构相似：行星（原子壳）围绕太阳（原子核）旋转。
原子核位于原子的中心。它由质子和中子构成。中子是不带电荷的质量粒子。质子是带正电荷的粒子。质子和中子的质量几乎相等。

原子核带正电荷，原子的全部质量几乎都在原子原子核上。

电子是带负电荷的粒子。原子壳内电子的数量与原子核内质子的数量相等。质子或中子的质量大约比电子质量大 2000 倍。

原子向外呈电中性。原子核和原子壳带有相同数量的电荷（质子和电子）。
相反电荷之间的电引力使原子核和原子壳结合在一起。

电子可借助外部能量（例如光、热和化学过程）达到更高的能量级以及由此返回初始状态，在这个过程中同时吸收或释放出能量。

电子
电子在围绕原子核的几个圆形或椭圆形轨道上移动。根据具体物质（例如铜、铅、铝）最多有七条这样的轨道，这些轨道由内向外用数字1 至 7 或大写字母 K 至 Q 命名。在每条轨道上始终只有特定数量的电子在移动。每条轨道上电子数量最多为：

例如，在围绕氢原子原子核的轨道 1 上只有一个电子。而在围绕铜原子原子核的 4 条轨道（K2、L8、M18 和 N1）上则有 29 个电子。
在原子最外侧轨道上的电子也称作价电子。它们负责使不同原子结合在一起。
原子倾向于让尽可能多的电子位于其最外侧的轨道上。为了达到这种状态，原子与其它子形成化合物。
电子多于质子或质子多于电子时将原子称为离子。离子一词来源于希腊语，表示迁移。
只有几个价电子的原子很容易释放出电子。随后原子的质子便多于电子，从而变成阳离子。

带有较多价电子的原子很容易吸收其它电子，以便补充其最外侧的电子壳。随后原子的电子便多于质子，从而变成阴离子。

由此产生的阳离子和阴离子相互吸引，形成紧密连接的化合物。从而产生一种新的物质。至少包括两个原子的新化合物称为分子。

电荷载体
电荷载体可以是电子（金属电荷载体）或离子（液态和气态电荷载体）。
由于外侧电子（价电子）与原子核的距离相对较远，因此这些电子与原子核的连接较弱。原子吸收能量（例如热、光和化学过程）后，价电子从原子外侧壳体上脱离。形成所谓的自由电子。

自由电子从一个原子移动到另一个原子时称为电子流动或电流。

电子流动不仅包括一个单独的自由电子，而是包括很多自由电子。

自由电子的这种移动是不定向的，即没有任何优先移动方向。

电压

什么是电压？
正电荷与负电荷分别位于不同两侧时便产生了电压电源。
电压电源始终具有带有不同电荷的两极。一侧是缺少电子的正极。另一侧是电子过剩的负极。
在负极与正极之间有一种电子补偿趋势，即两极连接起来时电子由负极流向正极。这种电子补偿趋势称作电压。

下面以车辆蓄电池为例说明电压原理。

车辆蓄电池内的电化学过程使电荷分离：
l 电子聚集在一侧（负极），
l 另一侧缺少电子（正极）
两极之间产生一个电势差，即电压。（当两点如蓄电池两极之间存在电子数量差时就会产生电压。）

电压的高低取决于电子数量之差。

如果用一个带有规定电阻的导体将蓄电池两极连接起来，电子就会从负极移向正极。电流一直流动，直至两极之间不存在电势差或电路断路。

可按以下方式描述电压：
l 电压是施加在自由电子上的压力或作用力。
l 电压是产生电流的原因。
l 两点或两极之间产生电荷差时就会形成电压（压力）。

公式符号
电压的公式符号是大写的 U。

计量单位
电压 U 的计量单位是 1 伏特（V）。

测量电压

用电压表测量电压。测量电学参数（电压、电流、电阻）时通常使用一个数字万用表。

电压表始终与用电器、元件或电压电源并联在一起。

为了不影响待测电路，电压表内阻应尽可能大。在电压电源上测量时测量瞬时电压。
用电压表测量时要注意以下几点：
l 必须设置电压类型，即交流电压或直流电压（AC/DC）。
l 开始时应选择较大的测量范围（量程）。
l 测量直流电压时注意极性。
l 测量后要将电压表调到最大的交流电压量程。

电压类型

直流电压

电压值和极性保持不变的电压称为恒定（理想）直流电压。

8 – 理想直流电压图

电压值变化和极性保持不变的电压称为直流电压。
最常用的直流电压电源包括原电池（蓄电池）、相应的发电机（部分接有整流器）、光电池（太阳能系统）和开关模式电源。在技术领域还通常组合使用变压器和整流器。

在此有几个电压值示例：
l l 闪电：几百万伏特
l l 车辆点火时：15 000 V
l l 车辆供电：12 V
l l 电池：1.5 V 至 9 V

交流电压

数值大小和极性不断变化的电压和电流称为交流电压和交流电流。

交流电压的典型代表是家庭常用的“来自插座的电流”。

上图显示了一个正弦交流电压（u）随时间（t）变化的情况。交流电压的特点是其方向呈周期性变化。

在欧洲，交流电压为 230 V，频率为 50 Hz。该频率（通常也称为电源频率）表示每秒钟电流朝相同方向流动的次数。

在此有几个电压值示例：
l l 高压架空线：最高 400 000 V
l l 有轨电车：500 V
l l 欧洲家用电器：230 V
l l 电话：60 V

电流

什么是电流？

电流是指电荷载体（例如物质或真空中的自由电子或离子）的定向移动。

电压是产生电流的原因。
只有在闭合的电路内才有电流流动。

电路由电源（例如电池）、用电器（例如一个白炽灯泡）和导线组成。通过开关可使电路闭合或断开。
每个电导体都带有自由电子。电路闭合时，所施加的电压使导体和用电器的所有自由电子同时朝一个方向移动。
每个时间单位内流动的电子（电荷载体）数量就是电流强度，俗称电流。每秒钟内流经导体的电子越多，电流强度就越大。电流强度用电流表测量。
公式符号
电流强度的公式符号是大写的 I。
计量单位
电流强度 I 的计量单位是 1 安培（A）。

今天，电流是输送和提供能量的最重要方式之一。因此今天的所有照明装置、大部分家用电器以及所有电子装置和计算机技术都用电能驱动。
电流的流动可通过各种不同的效应来决定。在此主要是热效应和磁效应。

电流类型

根据电子移动方向将电流分为直流电流和交流电流。

直流电流

最简单的情况是，电流流动不随时间而改变。这种电流称为直流电流（DC）。
直流电流有两个电流方向：
- 技术电流方向：从正极流向负极
- 物理电流方向：电子在闭合电路内从负极流向正极。

在导体内的准确过程尚不清楚时，人们认定电压电源外部的电流方向为从正极流向负极。这种电流方向称为技术电流方向。虽然当时这种假设已遭到驳斥，但出于实际原因仍保留了原来（历史）的电流方向。因此，即使在今天仍将电路内部的电流方向规定为从正极流向负极。为了了解电流流动机制并找出物质的特定电气特性，人们考虑了电荷载体的实际移动情况在一个闭合电路内，负极排斥自由电荷载体（电子），正极吸引自由电荷载体（电子）。因此产生一个从负极流向正极的电子流。该电流方向为物理电流方向，又称为电子流动方向。

交流电流

除直流电流外还有交流电流（AC）。交流电流是指以周期方式改变其极性（方向）和电流值（强度）的电流。该定义也适用于交流电压。交流电流的特点是其电流方向呈周期性变化。电流变化频率（通常也称为电源频率）表示每秒钟内电流朝相同方向流动的次数。例如欧洲家用电流的频率为 50 Hz。
通过发电站的发电机产生交流电压 / 交流电流。为此发电机内的转子旋转 360 度。由此产生一个极性变化的电压，即正弦曲线形式的电压。欧洲最重要的交流电压是 230 V 电源。其频率为 50 Hz。这相当于发电机内的转子每秒钟旋转 50 圈。

交流电流的平均电流强度为零。交流电流无法确定流动方向。
但为了能够得到电流强度，仍规定了交流电流的有效电流强度。
均方根值 ieff 大约是峰值电流的 70 %。均方根值表示哪个直流电流有相同的功率。

该参数表示与交流电流输送电荷量相同的直流电流。

脉动电流

如果在一个电路中直流电源和交流电源可同时起作用，就会产生脉动电流。因此，周期电流是直流电流与交流电流叠加的结果。

测量电流

电流表始终与用电器串联在一起。为此必须断开电路导线，以将电流表加入电路中。测量时电流必须流经电流表。

电流表内阻应尽可能低，以免影响电路。

用电流表测量时要注意以下几点：
l 注意电流类型，即电路中流过的是交流电流还是直流电流（AC/DC）。
l 开始时应选择尽可能大的量程。
l 注意直流电流的极性。
l 测量后要将电流表调到最大交流电压量程。

电流夹钳
另外一种测量电流的方法是使用电流钳。如果待测电流强度 > 10 A，那么用电流夹钳测量电流的优势非常突出。 另一个优点是测量电流强度时无需打开电路。

电流强度的一些示例：
l l 闪电：> 100000 A
l l 铝熔炼炉：大约 15000 A
l l 电焊：500 A
l l 起动机：最高 250 A
l l 有轨电车：大约 50 A
l l 熨斗：2 A
l l 彩色电视：最高 1 A
l l 白炽灯泡（100 W）：230 V 时为 0.45 A
l l 便携式计算器：0.007 A

电流密度

电流密度表示一个导体内电子挤压在一起时的紧密程度。电子越多且越紧密的聚集在一起，电子撞击原子的频率就越高、强度就越大。相撞时释放出热能。导体的温度升高。该过程可能会持续进行，直至导体赤热或燃烧。
导体温度升高不仅受电流强度 I 的影响，而且还受到导线横截面的影响。电流密度 J 由这两个因素决定。一个导体内的电流挤压密度越大，受热程度就越大。
公式符号
电流密度的公式符号是大写的 J。
计量单位
电流密度由以安培（A）为单位的电流和以平方米（mm2）为单位的导线横截面构成。因此电流密度的计量单位是 A/mm2。
公式

电流和电压的替代模式

也可以将电压和电流与水流进行对比。

在上部管路水流（高电势点）与下部管路水流（低电势点）之间存在一个高度差（位差 = 电压）。将水流从下部泵至上部的水泵相当于电压电源。
水龙头打开时水流流动，并驱动涡轮的叶轮。在此过程中进行能量转换。同理，电荷载体在电路中的导体内流动，形成从高电势点流至低电势点的电流。信号灯相当于涡轮（能量转换器）。
管内的水越多，到达管端部的水就越多。电流也是如此。电子数量越多，通过导体的电流强度就越大。

电阻
定义
自由电荷载体在导体内部移动的结果是，自由电荷载体与原子相撞，因此电子流动受到干扰。这种效应称作电阻！
该效应使电阻具有限制电路内电流的特点。电阻也称为欧姆电阻。在电子系统中，电阻的作用非常重要。除作为元件的标准电阻外，其它各部件都有一个可影响电路电压和电流的电阻值。
公式符号
电阻的公式符号是大写的 R（英语电阻一词的第一个字母）。
计量单位
电阻的计量单位是欧姆，符号是希腊字母 Ω（欧米加）。
电路符号

测量欧姆电阻
欧姆电阻值用欧姆表测量。在大多数情况下使用多量程测量仪（万用表），以免出现读数错误和不准确。测量电阻时要注意以下几点：
l 测量期间不得将待测部件连接在电压电源上，因为欧姆表使用本身的电压电源并通过电压或电流确定电阻值。
l 待测部件必须至少有一侧与电路分离。否则并联的部件会影响测量结果。
l 极性无关紧要。
导体的电阻
导线的电阻取决于导体的尺寸、比电阻和温度。导体越长电阻值越大。导体横截面越大电阻值越小。
相同尺寸的不同材料其电阻值不同。每种物质都有一个特定的比电阻 ρ。
某种物质的比电阻是指温度为 20 °C 时长 1m、横截面为 1 mm2 导体的电阻值。温度越低电阻越小。
按照下列公式计算导体电阻：

下表列出了一些电工学中所用导体的比电阻。

导体、非导体和半导体

在电工学中通常还会用到电阻的倒数，即电导率。电导率的公式符号是 G，单位是西门子的缩写S。

根据材料的电导率将其分为导体、非导体和半导体。

导体
导体分为电子导体和离子导体。电子导体由相互紧密连接的金属原子构成。

金属的外壳中只有少量电子（价电子），而且这些电子很容易脱离原子。它们在原子核构成的晶格内移动相对自由。
由于热能的缘故，电子在晶格内的移动非常不规则。通常不会变换位置，也不会进行电荷转移。
当导体承受一个电压力即电压时，电子就会朝某个特定方向移动。电子流从负极流向正极。由于金属的晶格结构，电子可在原子之间比较自由地移动。需要注意的是，电子流不会使金属发生任何变化。但在离子导体内的情况则不同。离子导体包括导电液体（电解液）、熔液和电离的气体。电荷载体既可以带正离子也可以带负离子。离子流会使物质发生变化。

非导体（绝缘体）
绝缘体内自由电荷载体的数量为零。因此电导率也极低。
通常使用绝缘体或绝缘材料使电导体相互绝缘。非导体包括塑料、橡胶、玻璃、陶瓷、纸等固体以及纯水（H2O）、油和油脂等液体，也包括特定条件下的真空和气体。

半导体
半导体的电导率介于金属和绝缘体之间。半导体与导体的区别在于，价电子首先在压力、温度、光照或磁力等外部影响下释放出来，之后才具有导电性。半导体材料包括硅、锗和硒等。

作为元件使用的电阻
由于在大多数情况下导线的电阻都会带来不利影响，因此电子系统通常需要将电路电流限制在一个特定限值内。在此根据具体用途将相应类型和大小的电阻作为元件使用。由于电阻尺寸通常很小且不印出或很难看清电阻值，因此通常用色环来表示电阻值。
每种颜色都代表一个特定的阻值，因此可以通过计算色环数值总和得到电阻值。电阻上注明的电阻值仅适用于温度 20 °C 的条件。之所以有这种限制是因为所有材料的电阻都会随温度而变化。
标称或额定电阻
采用了下列标准系列：
- 标准系列 E6 ±20%
- 标准系列 E12 ±10%
- 标准系列 E24 ±5%
- 标准系列 E96 ±1%
- 标准系列 E48 ±2%
标准系列通过每十个一组的电阻值数量来识别。下表显示了标准系列 E6、E12 和
E24 的电阻值。

电阻值通过压印在电阻器上的数值或通过色环识别。

机械可变电阻

机械可变电阻分为：
l 电位器
l 微调电位器
它们具有相同的电气功能（可变分压器）。电位器的电阻值可随时改变，而微调电位器的电阻值只能在进行调节时偶尔改变。电位器装在防尘套内，有一个轴。

电压电源的内阻
至今我们都假设，一个电压电源始终提供规定电压 U，例如扁电池提供 4.5 V 电压。但当接通一个或多个能量转换器（俗称用电器，例如灯泡、发电机等）时，所有电池和大部分供电单元都会出现电压降。例如，将一个 4.5 V/ 2 W 灯泡接到扁电池上时，电压就会由 4.5V 降到 4.3 V。原因在于电压电源（电池）的内阻 Ri。

可将实际中的电池想像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。
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。
UKL = Uq - URi
电流 I 流经外部电路时，接线柱电压就会降低I*Ri（电流 I 流经内阻 Ri 时内阻上的电压降）。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。
欧姆定律

欧姆定律（根据其发明者 Georg Simon Ohm命名）是最重要的电工学定律之一，它描述了电压、电流和电阻之间的关系。

定义
欧姆定律的内容是，在恒温下一个金属导体上的电压降 U 与流经导体的电流强度为 I 的电流成正比。
电压 (U) = 电流 (I) * 电阻 (R)
利用欧姆定律可计算出一个电路的三个基本参数，前提是至少已知其中的两个参数。这三个基本参数是电压、电流和电阻。

欧姆定律可用以下三个公式表达：
U = I * R
I = U / R
R = U / I
例如：如果在电阻 1 欧姆的用电器上施加 1 伏特电压，则电路内的电流强度为 1 安培。电压升高时，电流也随之升高。用电器电阻升高时，在电压保持不变的情况下电流减小。魔法三角可用于辅助确定欧姆定律的不同公式。
实际提示：如果很难接入电路或不允许断开电路，则要测量电路内已知电阻上的电压。随后可通过欧姆定律计算出电流。

电功率
从技术角度来说，“电流消耗”这种通俗的表述是不正确的，因为流入设备的电流还会再次流出。事实上，涉及普通家用电流时，电子只是在导体内短程往复“摆动”，而不会有明显数量的电子从导线流入设备内。实际“流动”的是电能。电能也同样不像通俗表述的那样消耗掉，而是进行相应转换，例如转化为机械能（发动机）、热能（电吹风）和化学能（例如手机电池充电时）。此时所做的功（电压、电流强度和时间的乘积）由一个所谓的电度表确定。因此，“电流消耗”的计量单位是能量单位“千瓦小时”，而不是电流单位“安培”。
一般来说，功率是指特定时间内做功多少的能力。
电功率是电子学和电工学中定义表述差异最大的一个数值。所有功率的共同点（针对直流电压）是计量单位和公式符号。
公式符号
电功率的公式符号是大写的 P。
计量单位
电功率的基本单位是瓦特（W）或伏安（VA）。
后者通过电压和电流计算出来。计量单位 VA经常可以在变压器和电机上看到。
电功率 P、电压 U、电流和电阻之间的数学关系参见下图。

可通过两个已知的电参数计算出一个未知的电参数，例如
P = U*I
车辆发动机的功率也表示为 kW。

电路

到现在为止，我们谈及的电路都由一个电压电源和一个负载电阻构成。但在车辆上一个电压电源（车载网络供电）会同时接有很多用电器。这种电路称为扩展型电路。扩展型电路分为两种基本连接方式：
- 并联
- 串联
下面以电阻为用电器介绍这两种连接方式。与其它用电器连接时，例如电机、白炽灯泡或继电器，情况基本相同。在车辆电气系统中电路也用电路图来表示。与以前所示电路图的唯一区别是未画出回流导线。在 BMW 车辆中回流导线通过车身即电气接地表示。接地用以下电路符号表示。

车辆上的所有接地连接都通过车身以电气方式相互连接。车身通过一根铜带与蓄电池负极接线柱连接在一起。

电阻并联和串联

电阻串联
串联时将所有电阻依次连接在一起。电流先后经过每个电阻，也就是说必须克服总电阻。

相同电流经过所有电阻时这些电阻为串联形式。总电压 Utotal 分布在串联电路的各个电阻上。各部分电压之和等于总电压。
Utotal = U1+U2 + U3
由于串联电路内各处的电流大小都相等，因此不同电阻的电压降 / 局部电压不同。电压与对应的电阻成正比。串联电路的总电阻是各串联电阻之和。
Rtotal = R1+R2+R3
总电压分配在最大电阻上的电压降最大。总电压分配在最小电阻上的电压降最小。

电阻并联
不是将电阻依次连接，而是将其并排连接时称为并联。在这个电路中有更大的横截面供电流通过。因此总电阻较小。
并联电路的总电阻始终小于最小的单个电阻。
电阻并联时，施加在所有电阻上的电压都相同。
总电流在电阻的连接点处分为多个分电流。分电流的总和等于总电流。
Itotal = I1 + I2 + I3

并联电路的总电阻小于最小的单个电阻。电流可以更好地通过各个并联电阻，即电导率升高。
利用下列公式计算三个电阻并联时的总电阻。

基尔霍夫定律
基尔霍夫第一定律（节点定律）
并联电阻时会出现电流的汇合点，即所谓的节点。

观察节点周围的电流时会发现，流入节点的电流总量与流出节点的电流总量相等。
通过节点定律可计算出某个节点处的未知电流。
节点定律的内容是：在每个节点处流入的电流总量与流出的电流总量相等，或所有电流的总量为零。
I1 + I2 = I3 + I4 + I5

基尔霍夫第二定律（回路定律）
在一个闭合电路中出现特定的电压分配现象。局部电压相加得到总电压。

观察电路内的电压时会发现，电源电压 Uq1 和Uq2 的总和分为作用在电阻 R1 和 R2 上的局部电压 U1 和 U2。电流 I 使电阻 R1 和R2 上形成电压降。
通过回路定律可计算出一个未知的电源电压。
回路定律的内容是：在每个闭合电路中，电源电压的总和等于所有电压降之和，或所有电压之和为零。
Uq1+Uq2 + (- U1) + (-U2) = 0

最常见的电路故障

接触电阻
经过一段时间，连接部位在空气、湿气、污物和侵蚀性气体的作用下出现氧化现象。这种氧化作用会使连接部位的接触电阻增大。根据欧姆定律，电阻增大会产生电压降。电路中的电阻增大导致电流减小。
因此用电器内实际消耗的功率减小。例如，因氧化作用造成前灯导线电压降为 10 % 时，前灯内的实际功率就会减小大约 20 %。
接触电阻较小且电流只有几安培时，电压降可以忽略不计。
接有电流较大的用电器时，可能会出现严重影响用电器功能的电压降。但由于无法与万用表测量较小的接触电阻，因此必须通过测量闭合电路内的电压来确定该电阻值。

短路
在两个电极（例如电池的正极和负极接线柱）之间建立起直接的导电连接（通常是不希望出现的）时称为电气短路。
短路就是电压电源的突然性电荷平衡。
短路通常是由于绝缘不良或由于电气系统及电路出现电路故障造成的。
在电压几乎降为零的同时，电流达到其最大值，即短路电流。该电流只能通过电源内阻 Ri 来限制。
所有为进行平衡蜂拥而至的电子同时试图通过导体。导体无法承受这种电子流，因此导致导体上产生电火花或过热。
由于短路电流没有受到限制，因此可能导致没有保险丝保护的导线或电缆过热损坏。
出现较高的短路电流时保险丝必须熔断，同时以最快的速度将短路部位与其它正常的供电网络断开。根据电路情况必须尽快切断（最多 0.1秒），以将电压降和短路电流的影响降至最低。否则可能会引起火灾。

断路
断路时电路无法闭合，即所需电流中断。断路通常是由于插接连接问题造成的。
断路的结果是电气组件无法工作，例如白炽灯泡、加热电阻、扬声器等。

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。

电容器充电和放电
以下电路图中给出了电容器的充电和放电过程。

通过开关闭合将一个直流电压电源连到电容器上时，就会进行电荷转移。一个电容器金属板上电子过剩（负电荷），另一个金属板上的电子不足（正电荷）。
短时内流过一股充电电流，直至电容器充满电。该电流可用电流表测量。
电容器充满电时不再有电流流过（电流表显示0 A），即使之后电压电源仍保持连接状态。
随后电容器阻断直流电流，即电容器电阻变为无限大。
电容器与直流电压电源断开后电容器仍保持充电状态，即两个金属板之间存在电子差。电容器存储了电能。
通过改变开关位置使电容器短路时，放电电流朝反方向流动。直至两个金属板重新为电中性，或电阻内的电能转化为热能时，放电电流停止流动。电容器充电 / 放电期间电流的电压和电流曲线图参见下图。

电容器充电过程开始时的电流较高。而开始时的电压较低或为 0 V。随着电容器充电过程的进行，电流越来越小，电压越来越大。
电容器充满电时不再有电流经过。电压达到电压电源值。
电容器开始放电时电流较高，但与充电时的流动方向相反。电压开始时为最大值，然后随着电容器放电而不断降低。电容器完全放电后不再有电流经过，电容器金属板之间没有电势差。如果单位时间内充电和放电过程的数量增加，例如通过施加交流电压，则单位时间内的充电和放电电流数量就会增大，因此单位时间内的电流平均值也会增大。因此电容器内的电流变大，即电容器电阻明显减小（电容性电抗）。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。

电容
电容器的存储能力称为电容。电容的单位是法拉（F）。
实际使用的电容器值小于一法拉：
l 1 mF=10-3 F (mF = 毫法拉)
l 1 μF = 10-6 F (μF = 微法拉)
l 1 nF = 10-9 F (nF = 毫微法拉)
l 1 pF = 10-12 F (pF = 微微法拉)

电容器的充电和放电时间
计算充电和放电时间时，需要电容器充电电流经过的电阻阻值和电容器电容值。施加的电压大小对充电时间没有影响。
电容器 C 电容越小、电阻 R 越小，充电过程越快。因此电容器 C 与电阻 R 的乘积为时间常数τ。
τ = R * C
在每个时间常数 t 内，电容器以充放电电压的63 % 充电或放电。5 个时间常数 t 后，电容器几乎完全充满或排空。

电容器类型
根据实际应用情况使用非极化或极化电容器。

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。

电容器串联和并联
与电阻相似，电容器也可并联和串联。

电容器串联
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。

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。

电容器并联
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。

Ctotal = C1 + C2 + C3

电容器通常采用并联方式，以增大电容。

线圈和电感

在车辆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开关。

导电体的磁场
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。

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。

线圈
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。
有电流经过线圈时，就会产生磁场。线圈将电能存储在磁场中。切断电流时，磁能重新转化为电能。产生感应电压。线圈最重要的物理特性是其电感。
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一亨利，例如 1mH。
一个线圈的磁场强度取决于：
- 绕组数量 N
- 电流强度 I 和
- 线圈结构
线圈用在变压器、继电器和电机内。
线圈有不同的电路符号。

但除了电感外，实际线圈还具有其它一些（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1000 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。

电磁感应
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：
l 磁场强度（绕组数量 N、电流强度 I 和线圈结构）
l 电导体或线圈在磁场中的移动速度
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：
l 电感 L 越来越大
l 电流变化越来越大
l 电流变化时间越来越短。

线圈对直流电流的反应

线圈 L 通过开关 S 经电阻 R 与一个直流电压连接在一起。

开关接通时，几乎全部电压 UB 都施加在线圈上。接通时线圈起到中断作用，即与电容器的作用相反。随着经过线圈的电流慢慢增加，线圈上的电压逐渐减小。5τ 时间过后流过最大电流，此时几乎全部电压 UB 都施加在电阻 R上。时间常数τ根据以下公式计算得出：

断开电压 UB 时，线圈内产生的磁场消失并形成感应电压。这个电压 UL 使一股电流经过电阻 R，直至磁场完全转化为电能并在电阻 R中转换为热能。

如果断开电压 UB 后没有形成闭合电路，感应电压就会明显增大并在打开的开关处产生火花（电弧）。

在车辆上的用途

感应式脉冲传感器
顾名思义，感应式传感器根据感应原理工作。为此主要需要一个线圈（绕组）、一个磁场和“移动”。通过这种测量原理能够以非接触（因此也不产生磨损）方式测量角度、距离和速度。

下面以曲轴传感器介绍感应式脉冲传感器的功能。曲轴传感器测量发动机转速。它由一个永久磁体和一个带有软铁芯的感应线圈构成。飞轮上装有一个齿圈作为脉冲传感器（移动！）。在感应式传感器与齿圈之间只有一个很小的间隙。经过线圈的磁流情况取决于传感器对面是间隙还是轮齿。轮齿将散乱的磁流集中起来，而间隙则会削弱磁流。飞轮及齿圈转动时，就会通过各个轮齿使磁场产生变化。

磁场变化时在线圈内产生感应电压。每个单位时间内的脉冲数量是衡量飞轮转速的标准。控制单元也可以通过已知的齿圈