第二章　維修人員應掌握基本技能

第一節　電子電路知識

一、電壓

1.電壓的概念

在電路中，任意兩點之間的電位差稱為這兩點的電壓。

電壓也稱作電勢差或電位差，電壓是相對于正負兩個電極來說。所以，電壓就是正極到負極的電勢差。電壓是衡量單位電荷在靜電場中由于電勢不同所產生的能量差的物理量。換句話說，只要在兩個端點之間，存在電勢差，這兩個端點之間就會有電壓。電壓是形成電流的原因。

電壓通常用字母U代表，電壓的國際單位制為伏特，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。它們之間的換算關系如下：

1千伏（kV）=1000伏（V）；

1伏（V）=1000毫伏（mV）；

1毫伏（mV）=1000μV。

2.電壓形成的條件

因此，電壓是否存在有以下兩點判斷：

①電壓一定是指兩端，即兩個點之間；

②這兩點之間是否有電流通過；有電流，這兩點間是否有電阻或是某個用電器。若有用電器，則有電壓；若無電流，這兩點是否可以分別與電源的+、-極（或火線、零線）“相通”，若是，則有電壓。

例如，一根通電的短導線兩段，它們雖然都有電勢，但因為沒有電勢差，所以沒有電壓。也因為沒有電壓，所以小鳥停在上面不會被電死。同樣，一個通電的電阻的兩段，就有電勢，也有電勢差，所以有電壓。

3.電壓的種類

電壓分交流電和直流電兩種。我國民用電源就是220V交流電，屬于危險電壓，交流電的特性是無正負極性；直流電則一般被廣泛使用于手機（鋰電池）之中。例如干電池（1.5V）、鋰電池、蓄電池等被稱之為直流電，直流電的特性是有正負極性，所以直流電源出廠時都標注有正負極。直流電源正負極標注如圖2-1所示。

交流電是指電壓的大小和方向隨時間作周期性變化的電壓。直流電是指大小和方向不隨時間作周期性變化的電壓。

4.電壓的測量

電壓的大小可以用萬用表電壓擋測量。測量的時候，把電壓表的表筆與被測量電路并聯，電壓表的擋位要選擇電壓表指針較大的量程。如果電路上的電壓大小估計不出來，應用大的量程，簡略測量后再用合適的量程。這樣可以防止由于電壓過大而損壞萬用表。另外，測量交流電的時候一定要注意安全，不要用手接觸表筆漏電的地方。交流電壓的測量如圖2-2所示。直流電壓的測量示意圖如圖2-3所示。

二、電流

1.電流的概念

單位時間內通過導體橫截面的電荷量，叫電流，電流是指一群電荷的流動。電源的電動勢形成了電壓，繼而產生了電場力，在電場力的作用下，處于電場內的電荷發生定向移動，形成了電流。電流的大小稱為電流強度，簡稱電流，符號為I，是指單位時間內通過導線某一截面的電荷量，每秒通過1庫侖的電量稱為1“安培”（A）。安培是國際單位制中所有電性的基本單位。除了A，常用的單位有毫安（mA）、微安（μA）。它們的換算方式如下：

1kA=1000A

1A=1000mA

1mA=1000μA

2.電流形成的原因

因為有電壓（電勢差）的存在，所以產生了電力場強，使電路中的電荷受到電場力的作用而產生定向移動，從而形成了電路中的電流。

3.電流產生的條件

①必須具有能夠自由移動的電荷。例如，金屬中只有負電荷移動，電解液中為正負離子同時移動。

②導體兩端存在電壓差，也就是說要使閉合回路中得到持續電流，必須要有電源。

③電路必須為通路。

4.電流的種類

電流可分為直流電流、交流電流。

不隨時間變化的電流稱為直流電流。周期地變化而不含直流分量的電流稱為交流電流。電工中涉及的電流除直流、交流及瞬變電流外，還有傳導電流、運流電流和位移電流。

5.電流測量

電流可以用萬用表電流擋測量。測量的時候，把電流表的表筆與被測電路串聯，要選擇電流表指針接近滿偏轉的量程。確認目前使用的電流表的量程，被測電流不要超過電流表的量程，這樣可以防止電流過大而損壞電流表。正負接線柱的接法要正確，電流從正接線柱流入，從負接線柱流出。絕對不允許不經過用電器而把電流表直接連到電源的兩極上。直流電流測量示意圖如圖2-4所示。

三、電阻

1.電阻的概念

電阻表示導體對電流阻礙作用的大小。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特性。電阻元件是對電流呈現阻礙作用的耗能元件。電阻是所有電子電路中使用最多的元件。

電阻元件的電阻值大小一般與溫度、材料、長度，還與橫截面積有關，衡量電阻受溫度影響大小的物理量是溫度系數。

電阻的主要物理特征是變電能為熱能，也可說它是一個耗能元件，電流經過它就產生內能。電阻在電路中通常起分壓分流的作用，對信號來說，交流與直流信號都可以通過電阻。電阻將會導致電子流通量的變化，電阻越小，電子流通量越大，反之亦然。

電阻器簡稱電阻，通常用“R”表示，電阻都有一定的阻值，它代表這個電阻對電流流動阻擋力的大小。電阻的單位是歐姆，用符號“Ω”表示。歐姆定義是：當在一個電阻器的兩端加上1V的電壓時，如果在這個電阻器中有1安培的電流通過，則這個電阻器的阻值為1歐姆。在國際單位制中，電阻的單位是歐姆（Ω），此外還有兆歐（MΩ）、千歐（kΩ）。它們的換算單位如下：

1MΩ=1000kΩ；

1kΩ=1000Ω。

2.電阻測量

電阻可以用萬用表歐姆擋（電阻擋）測量。測量的時候，要選擇萬用表指針接近偏轉一半的擋位。越接近量程測量結果越精確。

電阻的測量如圖2-5所示。

3.導體與絕緣體

沒有電阻或電阻很小的物質稱其為電導體，簡稱導體。常見的金屬都是導體，例如銀、銅、鋁、錫都是導體。銀的導電性雖好，但資源奇缺，價格昂貴，不能滿足需求。鋼鐵雖又多又便宜，但電阻率大。鋼鐵最大的缺點是容易銹蝕，造成接頭接觸不良和強度迅速降低，成本太高，可靠性太差。銅資源較稀缺，鋁資源較豐富，資源大體可滿足，價格可接受，綜合商業意義上優勢明顯，所以最常用鋁線做導線。

不能形成電流傳輸的物質稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。例如，常見的橡膠、塑料、陶瓷、玻璃都是絕緣體。所以為了保證用電安全，日常使用的導線外殼都采用塑料絕緣。

銅導線如圖2-6所示。塑料外殼導線如圖2-7所示。

四、歐姆定律

在同一電路中，導體中的電流跟導體兩端的電壓成正比，跟導體的電阻阻值成反比，這就是歐姆定律，基本公式是I=U/R。由歐姆定律可知，如果知道電壓、電流、電阻三個量中的兩個，就可以根據歐姆定律求出第三量，即I=U/R，R=U/I，U=I×R。

五、電源

電源的作用是為電路提供動力和能量。把其他形式的能轉換成電能的裝置叫做電源。鉛酸蓄電池能把化學能轉變為電能，發電動機能把機械能轉換成電能，干蓄電池能把化學能轉換成電能。鉛酸蓄電池、發電動機、干蓄電池等叫做電源。通過變壓器和整流器，把交流電變成直流電的裝置叫做直流電源。常見電源如圖2-8所示。

六、負載與空載

把電能轉換成其他形式能量的裝置叫做負載。換句話說用電器就是負載。電動機能把電能轉換成機械能，電阻能把電能轉換成熱能，電燈泡能把電能轉換成熱能和光能，揚聲器能把電能轉換成聲能。電動機、電阻、電燈泡、揚聲器等都叫做負載。

電源不接用電器叫空載。測量充電器的空載輸出電壓如圖2-9所示。

七、電路

1.電路的概念

電流流過的路叫做電路。換句話說，就是電子走的路。把電源、用電器、開關用導線連接起來組成的電流的路徑叫做電路。電路是由電氣設備和元器件，按一定方式連接起來，為電荷流通提供了路徑的總體，也叫電子線路或稱電氣回路。例如由電阻、電容、電感、二極管、三極管和開關等，構成的電氣回路。

最簡單的電路由電源、負載和導線、開關等元件組成。也可以說電路是由電源、用電器、開關和導線四大要素組成。

電源、用電器、開關和導線在電路中的各自作用如下：

電源的作用是為電路提供動力和能量；

用電器的作用是工作時將電能轉化為其他形式的能；

開關的作用是控制電路的通和斷；

導線的作用是電流的通道。

最簡單的電路線路圖如圖2-10所示。最簡單的電路實物圖如圖2-11所示。

2.電路的三種狀態

①通路：接通的電路，指電路處處連通，只有通路，電路中才有電流通過此時電路工作正常。

②開路：斷開的電路，也叫斷路，此時電路不工作。

電氣設備在正常工作時，電路中電流由電源的一端經過電氣設備后回到電源的另一端形成回路。若將電路的回路切斷或因某種原因發生斷線，電路中電流不能流通，電路不能形成回路，就叫做開路。

③短路：用導線直接將電源的正負極相連的電路。或者電路某一部分的兩端直接接通，使這部分的電壓變成零，叫做短路。

電源的兩端不經過任何電氣設備，直接被導線連通短路時，電路內會出現非常大的電流，叫做短路電流。短路電流可能增大到遠遠超過導線所允許的電流限度，致使導線劇烈升溫，甚至燒毀電氣設備，引起火災。所以應采取一定的措施避免出現短路事故。措施有兩個，一是斷電操作，二是進行絕緣處理。

3.串聯電路

串聯是連接電路元件的基本方式之一。串聯就是將電阻、電容、電感、用電器等電路元件逐個順次首尾相連接，換句話說，串聯使同一電流通過所有相連接器件的聯結方式。

將各用電器串聯起來組成的電路叫串聯電路。在串聯電路中通過各用電器的電流都相等。

串聯電路的特點如下：

①串聯電路電流處處相等：I總=I1=I2=I3=……=In

②串聯電路總電壓等于各處電壓之和：U總=U1+U2+U3+…+Un

③串聯電阻的等效電阻等于各電阻之和：R總=R1+R2+R3+…+Rn

④串聯電路總功率等于各功率之和：P總=P1+P2+P3+…+Pn

⑤串聯電路中，只要有某一處斷開，整個電路就成為斷路，所以相串聯的電子元件均不能正常工作。

⑥串聯電路中，開關在任何位置就可以控制整個電路，其作用與所在的位置無關。

⑦串聯電路中，電流只有一條通路，經過一盞燈（用電器）的電流一定經過另一盞燈。如果一盞燈熄滅，另一盞燈一定也熄滅。

綜合以上可知在一個電路中，若想控制所有電路，即可使用串聯的電路。串聯電路線路原理圖如圖2-12所示。

4.并聯電路

若各元件“首首相接，尾尾相連”并列地連在電路兩點之間，則電路就是并聯電路。并聯就是把電路中的元件并列地接到電路中的兩點間，電路中的電流分為幾個分支，分別流經幾個元件的連接方式。換句話說，使同一電壓施加于所有相連接器件的聯結方式叫并聯。

并聯電路有如下特點。

①并聯電路中各支路的電壓相等。即：U=U1=U2=…

②各支路電流的和等于電路中的總電流。即：I總=I1+I2+…

③各用電器并聯接入電路，電流不止一條路徑。

④干路開關控制整個電路；支路開關控制其所在支路上的用電器。

⑤一條支路斷路，不影響其他支路。

⑥一條支路被短路，整個電路都被短路。

并聯電路線路原理圖如圖2-13所示。

八、脈沖信號

瞬間突然變化，作用時間極短的電壓或電流稱為脈沖。脈沖是一種躍變信號，并且持續時間短暫，可短至幾個微秒（μs）甚至幾個納秒（ns）。脈沖躍變后的值比初始值高的稱為正脈沖；脈沖躍變后的值比初始值低的稱為負脈沖。它可以是周期性重復的，也可以是非周期性的或單次的。

脈沖信號可以用示波器測量。脈沖就是電壓或電流的波形象心電圖上的脈搏跳動的波形，脈沖有干擾脈沖和信號脈沖。

常見的幾種脈沖信號如圖2-14所示。

九、框圖

用方框表示電子電路連接的圖叫方框圖，簡稱框圖。

十、線路圖

線路圖是指用圖表和符號的方式用來表達電路的連接狀態。

十一、地線

地線電壓為0V，常使用黑色線，國標為黃綠線，用萬用表測量電壓與電阻時黑表筆應接地線。地線電路的符號是』，也有用GND表示的。

十二、霍爾元件

1.霍爾效應

霍爾效應是指磁場作用于載流金屬導體、半導體中的載流子時，產生橫向電位差的物理現象。在一塊通電的半導體薄片上，當電流通過金屬箔片時，若在垂直于電流的方向施加磁場，則金屬箔片兩側面會出現橫向電位差，這種現象就是霍爾效應。半導體中的霍爾效應比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現極強的霍爾效應。

2.霍爾元件簡介

根據霍爾效應，人們用半導體材料制成霍爾元件。霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁傳感器。它具有對磁場敏感、簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優點。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。例如用于電動機中測定轉子轉速，錄像機的磁鼓，電腦中的散熱風扇等。霍爾元件已發展成一個品種多樣的磁傳感器產品族，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。

霍爾元件具有許多優點，它們牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHz），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

霍爾元件外形如圖2-15所示。

3.霍爾元件分類

（1）按功能

按照霍爾器件的功能可將它們分為：霍爾線性器件和霍爾開關器件。前者輸出模擬量，后者輸出數字量。

線性霍爾元件是一種模擬信號輸出的磁傳感器，輸出電壓隨輸入的磁力密度線性變化。

線性霍爾元件是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，一般應用于調速，測電壓、電流、功率、厚度、線圈匝數等。

霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達-55～150℃。

（2）按被檢測的對象的性質

按被檢測的對象的性質可將它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量，轉變成電量來進行檢測和控制。例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等。

（3）按照霍爾開關的感應方式

按照霍爾開關的感應方式可將它們分為：單極性霍爾開關、雙極性霍爾開關、全極性霍爾開關。

4.電動自行車上常見的霍爾元件

霍爾器件是電動自行車經常采用的控制型元件，調速手柄發出速度控制指令，無刷直流電動機在運轉中的換向，多是采用霍爾器件完成。還有霍爾型數字式里程速度表等。

電動自行車調整轉把和助力傳感器使用的是線性輸出霍爾元件，若電源供電為5V時，當元件敏感面磁場強弱變化時，其輸出電壓為1～4.2V連續線性變化。線性霍爾元件型號有UGN3501、UGN3502、UGN3503。

1:1助力器傳感器專用霍爾元件：EW732、SS40、SS41、US1881。

線性輸出霍爾元件的外形與三極管相似，有三個腳，從霍爾元件上有文字型號一面觀看，其中左側引腳為電源+5V，中間引腳為電源負極，右側引腳為輸出信號腳。線性輸出霍爾元件引腳功能如圖2-16所示。

開關型霍爾元件一般用于電動自行車電子剎把，無刷電動機內部三個位置傳感器。電子型閘把采用開關型霍爾元件，常見的有AH3020、AH3021等。無刷電動機一般有三個開關型霍爾元件，常用的霍爾元件有：AH3144、AH41、AH61、AH512、AH3114、AH3175、A3144EU（A）、A3172XU（A）、EW512等。開關型霍爾元有三個腳，從霍爾元件上有文字型號一面觀看，其中左側引腳為電源+5V，中間引腳為電源負極，右側引腳為輸出信號腳。開關型霍爾元件引腳功能如圖2-17所示。

5.霍爾元件的常見故障和檢測

（1）霍爾元件的常見故障

霍爾元件的常見的故障是霍爾元件失效、燒斷、擊穿，霍爾元件引腳或引線斷開、脫落。

（2）數字萬用表二極管擋檢測（假定被測霍爾元件為無刷電動機專用霍爾元件3144）

將萬用表置于二極管擋位，測量霍爾元件的電源腳與地腳的正向電阻（紅表筆對電源腳，黑筆對地腳），正常讀數為：“1”（表示讀數無窮大，為斷路狀態）。

測量霍爾元件的電源腳與地腳的反向電阻（紅表筆對地腳，黑筆對電源腳），正常讀數為：正常讀數為：“1”。

測量霍爾元件的信號腳與地腳的正向電阻（紅表筆對信號腳，黑筆對地腳），正常讀數為：“1”。

測量霍爾元件的信號腳與地腳的反向電阻（紅表筆對地腳，黑筆對信號腳），正常讀數為：“720mV”（不同型號霍爾元件，該阻值不一樣）。

二極管擋檢測霍爾元件如圖2-18所示。

（3）測量霍爾元件信號輸出電壓法（假定被測霍爾元件為轉把專用霍爾元件）

將用萬用表置于直流20V擋位，打開電動自行車電源鎖，測量霍爾元件的電源腳與地腳（紅、黑引線）的供電電壓為5V（標稱電壓為5V，實測有誤差），如圖2-19所示。轉動轉把，測量霍爾元件的信號輸出腳與地腳（綠、黑引線）電壓就為1～4.2V（實測0.8～3.5V）。否則說明霍爾元件損壞，如圖2-20所示。