第三章 汽車影音電學基礎

一、電子技術

電子技術是根據(jù)電子學的原理，運用電子設備設計和制造某種特定功能的電路以解決實際問題的科學，包括信息電子技術和電力電子技術兩大分支。信息電子技術包括模擬電子技術和數(shù)字電子技術。

經(jīng)典改裝欣賞3-1

1.交流電與直流電

交流電（AC）也稱“交變電流”，簡稱“交流”。一般指大小和方向隨時間做周期性變化的電壓或電流。它的最基本的形式是正弦交流電。交流電隨時間變化的形式可以是多種多樣的。不同變化形式的交流電其應用范圍和產(chǎn)生的效果也是不同的。以正弦交流電應用最為廣泛，其他非正弦交流電一般都可以經(jīng)過數(shù)學處理后，成為正弦交流電的疊加。

交流電是用交流發(fā)電機發(fā)出的，在發(fā)電過程中，多對磁極按一定的角度均勻分布在一個圓周上，使得發(fā)電過程中，各個線圈切割磁力線，由于具有多對磁極，每對磁極產(chǎn)生的磁力線被切割產(chǎn)生的電壓、電流都是按正弦規(guī)律變化的，所以能夠不斷地產(chǎn)生穩(wěn)定的電流。交流電的頻率一般是50Hz，即每秒變化50次。當然也有其他形式的交流電，如電子線路中有方波的、三角形的等，但這些波形的交流電不是導體切割磁力線產(chǎn)生的，而是電容充放電、開關晶體管工作時產(chǎn)生的。

通常，物體中的正、負電荷數(shù)量是相等的，一旦物體失去或得到一些電子時，就表現(xiàn)出負電或正電。電荷有規(guī)則的運動就產(chǎn)生電流。電流大小的單位是安培，用符號A表示。

如果在一個電路中，電荷沿著一個不變的方向流動，電流大小也不變，這就是直流電（DC）。在日常生活中，由電池提供的電流，就是直流電。直流輸電具備輸電容量大、穩(wěn)定性好、控制調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點。當電路中的電流方向和大小做周期性變化時，稱為交流電。現(xiàn)代發(fā)電廠生產(chǎn)的電能都是交流電，家庭用電和工業(yè)動力用電也都是交流電。高壓直流輸電方式與高壓交流輸電方式相比，有明顯的優(yōu)越性。僅僅由于技術上的原因，才使得交流輸電代替了直流輸電。

交流電的優(yōu)點主要表現(xiàn)在發(fā)電和配電方面，利用建立在電磁感應原理基礎上的交流發(fā)電機，經(jīng)濟又方便地把機械能（水的動能、風能）、化學能（石油、天然氣）等其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能；交流電源和交流變電站與同功率的直流電源和直流換流站相比，造價低廉；交流電可以方便地通過變壓器升壓和降壓，這給配送電帶來極大的方便，這是交流電與直流電相比所具有的獨特優(yōu)勢。直流電的優(yōu)點主要在輸電方面：

1）輸送相同功率時，直流輸電所用線材僅為交流輸電的1/2～2/3。直流輸電采用兩線制，以大地或海水作回線，與采用三線制三相交流輸電相比，在輸電線截面積相同和電流相同的條件下，即使不考慮趨膚效應，也可以輸送相同的電功率，而輸電線和絕緣材料可節(jié)約1/3。

如果考慮到趨膚效應和各種損耗（絕緣材料的介質(zhì)損耗、磁感應的渦流損耗、架空線的電暈損耗等），輸送同樣功率交流電所用導線截面積大于或等于直流輸電所用導線截面積的1.33倍。因此，直流輸電所用的線材幾乎只有交流輸電的一半。同時，直流輸電桿塔結(jié)構(gòu)也比同容量的三相交流輸電簡單，線路走廊占地面積也少。

2）在電纜輸電線路中，直流輸電沒有電容電流產(chǎn)生，而交流輸電線路存在電容電流，引起損耗。在一些特殊場合，必須用電纜輸電。例如高壓輸電線經(jīng)過大城市時，采用地下電纜；輸電線經(jīng)過海峽時，要用海底電纜。由于電纜芯線與大地之間構(gòu)成同軸電容器，在交流高壓輸線路中，空載電容電流極為可觀。一條200kV的電纜，每千米的電容約為0.2μF，每千米需供給充電功率約3×10³kW，在每千米輸電線路上，每年就要耗電2.6×10⁷kW·h。而在直流輸電中，由于電壓波動很小，基本上沒有電容電流加在電纜上。

3）直流輸電時，其兩側(cè)交流系統(tǒng)不需同步運行，而交流輸電必須同步運行。交流遠距離輸電時，電流的相位在交流輸電系統(tǒng)的兩端會產(chǎn)生顯著的相位差；并網(wǎng)的各系統(tǒng)交流電的頻率雖然規(guī)定統(tǒng)一為50Hz，但實際上常產(chǎn)生波動。這兩種因素引起交流系統(tǒng)不能同步運行，需要用復雜龐大的補償系統(tǒng)和綜合性很強的技術加以調(diào)整，否則就可能在設備中形成強大的循環(huán)電流，損壞設備，或造成不同步運行的停電事故。在技術不發(fā)達的國家里，交流輸電距離一般不超過300km。而直流輸電線路互聯(lián)時，它兩端的交流電網(wǎng)可以用各自的頻率和相位運行，不需進行同步調(diào)整。

4）直流輸電發(fā)生故障的損失比交流輸電小。兩個交流系統(tǒng)若用交流線路互連，則當一側(cè)系統(tǒng)發(fā)生短路時，另一側(cè)要向故障一側(cè)輸送短路電流，因此使兩側(cè)系統(tǒng)原有開關切斷短路電流的能力受到威脅，需要更換開關。而直流輸電中，由于采用可控硅裝置，電路功率能迅速、方便地進行調(diào)節(jié)，直流輸電線路上基本上不向發(fā)生短路的交流系統(tǒng)輸送短路電流，故障側(cè)交流系統(tǒng)的短路電流與沒有互聯(lián)時一樣，因此不必更換兩側(cè)原有開關及載流設備。

在直流輸電線路中，各極是獨立調(diào)節(jié)和工作的，彼此沒有影響。所以，當一極發(fā)生故障時，只需停運故障極，另一極仍可輸送不少于一半功率的電能。但在交流輸電線路中，任一極相發(fā)生永久性故障時，必須全線停電。

提醒：在直流輸電系統(tǒng)中，只有輸電環(huán)節(jié)是直流電，發(fā)電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)仍然是交流電。

2.電子

電子（Electron）是一種基本粒子，目前無法再分解為更小的粒子。其直徑是質(zhì)子的0.001倍，質(zhì)量為質(zhì)子的1/1836。電子圍繞原子核做高速運動，通常排列在各個電子層上。當原子結(jié)合成為分子時，在最外層的電子便會由一個原子，移至另一個原子或成為彼此共享的電子。

電荷的最終攜帶者是組成原子的微小粒子。每個繞原子核運動的電子都帶有一個單位的負電荷，而原子核里面的質(zhì)子帶有一個單位的正電荷。正常情況下，在物質(zhì)中電子和質(zhì)子的數(shù)目是相等的，它們攜帶的電荷相平衡，物質(zhì)呈中性。物質(zhì)在經(jīng)過摩擦后，要么會失去電子，留下更多的正電荷（質(zhì)子比電子多）；要么增加電子，獲得更多的負電荷（電子比質(zhì)子多），這個過程稱為摩擦生電。

自由電子（從原子中逃逸出來的電子）能夠在導體的原子之間移動，但它們在絕緣體中不能移動。于是，物體在摩擦時傳遞到導體上的電荷會被迅速中和，因為多余的電子會從物質(zhì)表面流走，或者額外的電子會被吸附到物體表面上代替流失的電子。所以，無論摩擦多么劇烈，金屬都不可能摩擦生電。但是，橡膠或塑料這樣的絕緣體，在摩擦之后，其表面就會留下電荷。

我們現(xiàn)在知道，構(gòu)成實物的許多基本粒子都帶有一定的電，有正、有負，電荷的絕對量都相等。正常情況下，同一個原子中正負電荷數(shù)相等，因而整個物體被認為是不帶電的或中性的。當它們因故失去一部分電子時，就帶正電；獲得額外電子時，就帶負電。電荷周圍存在電場，運動時還會產(chǎn)生磁場。

電量是物質(zhì)、原子或電子等所帶的電荷的量。單位是庫侖（符號為C），簡稱庫。我們常將“帶電粒子”稱為電荷，但電荷本身并非“粒子”，只是我們常將它想象成粒子以方便描述。因此帶電量多者我們稱之為具有較多電荷，而電量的多寡決定了周圍電場的強弱。此外，根據(jù)電場作用力的方向性，電荷可分為正電荷與負電荷，電子則帶有負電。根據(jù)庫侖定律，帶有同種電荷的物體之間會互相排斥，帶有異種電荷的物體之間會互相吸引。排斥或吸引的力與電荷的乘積成正比。

3.電壓

大家都知道，因為有著高水位和低水位之間的差別而產(chǎn)生的一種壓力，水才能從高處流向低處。城市中使用的自來水，之所以能夠一打開水龍頭，就能從管中流出來，也是因為自來水的儲水塔比地面高，或者是由于用水泵推動水產(chǎn)生壓力的緣故。

電也是如此，電荷之所以能夠在導線中流動，也是因為在電路中有著高電勢能和低電勢能的差別，這種差別叫“電位差”，也叫電壓（Voltage），通常用字母U表示。電壓的單位是伏特（Volt），簡稱伏，用符號V表示。高電壓可以用千伏（kV）表示，低電壓可以用毫伏（mV）表示，也可以用微伏（μV）表示。電壓是產(chǎn)生電流的原因。

在其他條件不變的情況下，增大或減小壓差，會導致電流（水流）同比例地增大或減小。換句話說，增大電壓就能增大電流。將一個電壓加到固定電阻器的兩端，如果我們增大或減小電壓，電阻器中的電流也會同比例地增大或減小。

把1V的電壓加在1Ω的電阻器上，則回路里的電流為1A。如果把電阻器的阻值加倍，電壓保持不變，則電流變?yōu)?.5A。同理，將2V電壓加在1Ω的電阻器上，其電流為2A。

注意事項：

不要認為“大電池的電壓一定高”，高電壓相當于高的水壓，也就是高電勢能。

4.電流

電流（Current）是指電荷的定向移動。電壓是使電路中電荷定向移動形成電流的原因。電流的大?。ǚ枮?span id="s98db2u" class="italic">I）是指單位時間內(nèi)通過導線某一截面的電荷量，1s內(nèi)通過1C的電量稱為1A。安培是國際單位制中的基本單位。除了安培，常用的單位有毫安（mA）及微安（μA）。

電流可以是由正電荷、負電荷或這兩種電荷同時做定向運動而形成的。負電荷沿同一個方向運動所形成的電流與等量的正電荷沿相反方向運動所形成的電流相同。依照慣例，人們假定電流是沿著正電荷運動方向流動。電流有多種效應，例如流過導體（超導體除外）的電流會使導體發(fā)熱；電流會產(chǎn)生磁場；電流在磁場中會受到力的作用；電流還可參與化學變化，例如在電池、電解槽中那樣。這些效應提供了電流應用的多種可能性。

5.電阻

在物理學中，電阻（Resistance）表示導體對電流的阻礙作用。導體的電阻越大，表示導體對電流的阻礙作用越大。不同的導體，電阻一般不同，電阻是導體本身的一種性質(zhì)。導體的電阻用字母R表示，電阻的單位是歐姆，簡稱歐，符號是Ω。比較大的單位有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ）。電阻器簡稱電阻（Resistor，通常用“R”表示），是所有電子電路中使用最多的元件。電阻的主要特征是將電能轉(zhuǎn)化為熱能，也可說它是一個耗能元件，電流經(jīng)過它就產(chǎn)生內(nèi)能。電阻在電路中通常起分壓的作用。對信號來說，交流與直流信號都可以通過電阻。

通常的電源都是在一定的負載上提供一定的電壓。1V電壓加在1Ω電阻器上，其電流是1A。如果電壓保持不變，電阻變?yōu)樵瓉淼囊话?，則電流會變成原來的二倍。所以，當電壓保持不變時，電阻越大，其電流越小。假設有一個額定12V、1A的電源，當把它加載到24Ω的電阻器上時，回路內(nèi)的電流只有0.5A。如果將另一個24Ω的電阻器再接到電源兩端，電源將達到最大安全輸出。如果再接入第三只相同電阻，電源將承受其安全負載的1.5倍（假設在高負載下這個電源仍然能夠保持輸出電壓不變）。這時，電源或熔斷器將很快被燒毀。同樣地，如果回路內(nèi)的用電器阻值過小，其電流將會非常大，此時電源就會被燒毀。對于電源來說，最理想的狀況是在安全范圍內(nèi)接入電阻盡量小的負載，以提供盡量大的輸出功率。

回到汽車影音上的應用，現(xiàn)在有一個最小額定阻值4Ω的100W功放，也就是說，在4Ω的負載下，該功放可提供100W輸出，而更小的阻值將會燒壞功放。為了達到100W輸出，功放的工作電流將達到5A。要在4Ω的回路中提供5A工作電流，功放就必須有20V的電壓（即加載到揚聲器終端的最大電壓是20V）。在這里討論是為了計算電壓、電阻及電流之間的關系，把4Ω和20V輸入到下面的計算器中，電流將作為結(jié)果被計算出來。如果把電阻阻值減小到2Ω，電流將變成原來的二倍。過小的電阻導致了高于5A的額定電流，從而會燒毀功放。電阻分為固定電阻、可變電阻、半固定可變電阻，電阻色碼辨認方式見表3-1。

表3-1 電阻色碼辨認方式

注意事項：

色碼的讀法是從最靠近電阻器左端的色碼條紋開始。

6.電路

電流流過的回路叫做電路（Circuit）。最簡單的電路由電源、負載、導線和開關等元件組成。電路處處連通叫做通路。電路只有處于通路時，才有電流通過。電路某一處斷開叫做斷路或者開路。電路某一部分的兩端直接接通，使這部分電路兩端的電壓變成零，叫做短路。

簡單來說電路就是電流走過的路線，它可以是最簡單的“電池加燈泡”，也可以是計算機里面的大規(guī)模集成電路。電路可以包含任意多個用電器，只要電流是從電源一端流出，從另一端流入，它就可以稱為一個電路。

注意事項：

有些人認為“接觸不良”和“短路”是一樣的，其實不然。“短路”是指電流從用電器以外的途徑流走，通常短路電路的電阻很小，這樣就會使流過電源的電流過大。當我們把電源線接地時，熔斷器就會燒毀。這就是短路。接觸不良的表現(xiàn)是：移動導線時，用電器兩端的電流出現(xiàn)間歇性的間斷，把這種現(xiàn)象叫做接觸不良。

7.功率

瓦特是功率（Power）的單位（無論產(chǎn)生還是消耗），1W相當于1A電流通過1Ω電阻產(chǎn)生的功率。功率是指物體在單位時間內(nèi)所做的功，即功率是描述做功快慢的物理量。揚聲器音質(zhì)的好壞和功率沒有直接的關系。功率決定的是音箱所能發(fā)出的最大聲強，感覺上就是揚聲器發(fā)出的聲音能有多大的震撼力。

根據(jù)國際標準，功率有兩種標注方法：額定功率與瞬間峰值功率。額定功率是指在額定范圍內(nèi)驅(qū)動一個4Ω揚聲器，規(guī)定了波形持續(xù)模擬信號，在有一定間隔并重復一定次數(shù)后，揚聲器不發(fā)生任何損壞的最大功率。峰值功率是指揚聲器短時間所能承受的最大功率。

經(jīng)典改裝欣賞3-2

揚聲器的功率不是越大越好，適用才是最好的，但功放的儲備功率越大越好，最好為實際輸出功率的2倍以上。比如揚聲器輸出功率為30W，則功放的功率最好大于60W。功放的功率取決于揚聲器的負載以及放大器加載到揚聲器上的推力。揚聲器紙盆振動的幅度隨著功放輸出功率的增加而增大。