Předměty:
- Úvod
- Atomové jádro s elektrony
- Tok elektronů
- Proud, napětí a odpor
Předmluva:
S elektronikou se musí potýkat každý autotechnik, od asistenta po technického specialistu. Kromě elektroniky komfortních a bezpečnostních systémů jako je osvětlení, motorek stěračů a systém ABS najdeme elektroniku v řízení systému řízení motoru a v podobě komunikačních sítí (včetně sběrnice CAN). Stále více vozidel dostává také elektrický pohon. Každý, kdo chce rozumět elektronice, by měl začít se základy. V této části začneme stručným vysvětlením elektronů, které obíhají kolem atomu, a rychle přejdeme k elektrickým schématům, kde jsou prakticky vysvětleny základní pojmy elektroniky vozidla.
Atomové jádro s elektrony:
Podle Bohrova atomového modelu se atom skládá z jádra obsahujícího protony a neutrony, přičemž kolem něj obíhají elektrony v několika obalech. Atom mědi obsahuje ve svém jádru 29 protonů a 35 neutronů.
Elektrony jsou umístěny ve čtyřech obalech. Rozložení elektronů v těchto obalech se nazývá elektronová konfigurace. Každá slupka má maximální počet míst pro elektrony. První obal (K) má místo pro dva elektrony, druhý obal (L) pro osm, třetí obal (M) pro osmnáct a další obaly pro 32 elektronů.
Elektrony ve vnitřních třech obalech jsou vázané elektrony. Elektrony ve vnějším obalu se účastní chemických vazeb a reakcí a nazývají se také „valenční elektrony“. Atom mědi obsahuje jeden valenční elektron. Tyto elektrony se mohou volně pohybovat a přesunout se k jinému atomu. V případě měděného drátu se vnější obaly překrývají a jeden elektron se může pohybovat po obalu sousedního atomu.
Darování valenčního elektronu je pro toto téma důležité. Přeskakování elektronu z jednoho atomu na druhý umožňuje materiálu vést. Materiály jako měď, zlato a hliník mají ve vnějším obalu valenční elektron. Naproti tomu izolanty jako plast, sklo a vzduch valenční elektron nemají. Tento materiál je tedy také nevodivý.
Tok elektronů:
Na dalším obrázku vidíme baterii, lampu, vodič (měděný drát) a vypínač. V závislosti na poloze přepínače proud může nebo nemusí protékat obvodem. Světle modrý obdélník představuje měděný vodič s atomy mědi (žlutý) a přeskakujícími valenčními elektrony (zelený).
- Spínač otevřený: elektrony krouží kolem atomu mědi, ale přes spotřebič (výbojku) neprotéká žádný elektron. Lampa nesvítí;
- Spínač zavřený: protože baterie vytváří rozdíl napětí, dochází k toku elektronů od mínus do plus. Proud protéká lampou a zapíná se díky toku elektronů a rozdílu napětí.
Proud se pohybuje od – (mínus) do + (plus). Toto je skutečný směr proudění. Dříve se myslelo, že se proud bude pohybovat z plusu do mínusu, ale to není správné. Přesto se pro pohodlí držíme této teorie a nazýváme ji „technický směr toku“. V následujícím budeme udržovat tento technický směr toku za předpokladu, že tok běží od plusu do mínusu.
Proud, napětí a odpor:
V této části si přiblížíme tři pojmy: proud, napětí a odpor. S těmito pojmy se v automobilové technice setkáváme neustále. Proud, napětí a odpor mají každý svou vlastní veličinu, jednotku a symbol.
- I = proud = ampér (A)
- U = Napětí = Volt (V)
- R = Odpor = Ohm (Ω)
Tok: V předchozí části jsme viděli tok elektronů obvodem. Množství elektronů, které proteče určitou plochou průřezu elektrického vodiče během jedné sekundy, se nazývá proud. Jednotkou proudu je ampér (A). Proudu 1 A je dosaženo, když průřezem během jedné sekundy proteklo 6,24 kvintilionů (6.240.000.000.000.000.000 XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX) elektronů. Čím více elektronů proteče v daném časovém období, tím vyšší je proud.
Chcete-li získat přehled o tom, kolik energie potřebují elektrické spotřebiče v automobilové technice, zde je seznam, kde je proud odhadován při nabíjecím napětí 14 voltů:
- Startér benzínového motoru: 40 – 80 A;
- Startér naftového motoru: 100 – 300 A;
- Zapalovací cívka: 3 až 6 A, podle typu;
- Vstřikovací ventil benzínového motoru: 4 – 6 A;
- Elektrické palivové čerpadlo: 4 – 12 A, v závislosti na tlaku a průtoku;
- Elektrický chladicí ventilátor: 10 – 50 A;
- Žárovka H7 (halogenová potkávací světla) 55 Watt: 3,9 A;
- 35 Watt xenonová výbojka: 2,5 A;
- LED žárovky (PWM řízené a ne přes sériový odpor): 0,6 – 1 A;
- Vyhřívání zadního okna: 10 – 15 A;
- Vyhřívání sedadel: 3 – 5 A na sedadlo;
- Standardní autorádio bez palubního počítače: ~5 A;
- Motor stěrače: 2 -5 A v závislosti na výkonu;
- Motor vnitřního ventilátoru: 2 – 30 A v závislosti na rychlosti;
- Elektrický posilovač řízení: 2 – 40 A, v závislosti na výkonu.
Napětí: Napětí je síla, která způsobuje pohyb elektronů. Napětí je měření rozdílu sil mezi elektrony ve dvou bodech. Napětí se měří ve voltech, zkráceně V. V automobilové technice pracujeme s „nominálním napětím“ 12 voltů. To znamená, že baterie a všechny elektrické spotřebiče jsou založeny na 12 voltech. V praxi však vidíme, že napětí není nikdy přesně 12 voltů, ale je vždy o něco nižší, často však vyšší. Napětí s elektrickým pohonem je navíc mnohonásobně vyšší. Spotřebiče v autě spotřebovávají napětí. Vezměme si jako příklad vyhřívání zadního skla: používá přibližně proud 10 ampérů při napětí 14 voltů. Tok se stává niet je spotřebován a vrací se zpět do baterie. Napětí 14 V se používá ve vyhřívání zadního okna k zahřívání. Na konci (na straně země) zbývá ještě 0 voltů.
Chcete-li získat přehled o možných úrovních napětí v osobním automobilu, zde je stručný seznam napětí, se kterými se můžeme setkat:
- Napětí baterie: 11 – 14,8 V (téměř vybitá baterie na maximální nabíjecí napětí alternátoru);
- Vypínací napětí piezo vstřikovače: krátce 60 – 200 voltů;
- Systémové napětí vozidla s elektrickým pohonem (hybrid nebo BEV): 200 – 800 voltů.
Odpor: každá elektrická součástka má vnitřní odpor. Tato hodnota odporu určuje, kolik proudu poteče. Čím vyšší je odpor, tím nižší je proud. Rezistor má písmeno R a jednotku Ohm. Jako jednotku používáme znak omega z řecké abecedy: Ω. Jeden můžeme použít v elektrickém obvodu extra odolnost přidat pro omezení proudu.
Když dojde ke zkratu, například když se kladný vodič dotkne karoserie, odpor je velmi nízký. Proud se okamžitě zvyšuje, dokud se nepřepálí pojistka, aby nedošlo k poškození. V následujícím seznamu vidíme, jak velký odpor mají komponenty, se kterými se setkáváme v automobilové technice:
- Měděný drát o délce 2 metry a průřezu 1,25 mm²: 0,028 Ω;
- Lampa (21 Watt žárovka): 1,25 Ω;
- Vstřikovací ventil benzínového motoru (varianta s vysokou impedancí): 16 Ω;
- Sekce proudu ovládání relé: ~ 60 Ω;
- Hlavní výkonová část relé: < 0,1 Ω.
Odpor součástky často závisí na teplotě: například odpor rozsvícené lampy je mnohem vyšší než při měření za studena, kdy se proud s oteplováním snižuje.
Celkem: odpor elektrické součástky určuje, kolik proudu poteče. Malý odpor znamená, že poteče hodně proudu. Dodávané napětí (často kolem 12 voltů) je spotřebováno v elektrické součástce, což má za následek 0 voltů na straně země. Energie se nespotřebovává, takže je stejně vysoká na straně plusů jako na straně země.
Pro lepší pochopení pojmů je někdy užitečné podívat se na příklad sudu na vodu. Sud se naplní vodou a uzavře se na dně kohoutkem. Napětí a průtok vody kohoutkem, který umožňuje průchod určitého množství vody, dávají dobrou představu o tom, co se děje s elektřinou ve spotřebiči s vnitřním odporem.
Napětí:
Když se sud naplní vodou, zvýší se tlak vody na kohoutku. Tlak vody lze přirovnat k pojmu napětí v elektřině. Systém musí být uzavřen, jinak voda odteče a nebude již žádný tlak vody.
Tok:
Když otevřeme kohoutek, voda začne 'protékat' kohoutkem. Proud vody lze přirovnat k pojetí proudu v elektřině.
Odpor:
Kohoutek reguluje odpor proti průchodu proudu vody. Při dalším otevírání kohoutku se odpor snižuje a proud se zvyšuje.
Totéž platí pro elektřinu. S větším odporem v elektrickém obvodu je menší proud a naopak. Odpor nemá žádný vliv na napětí.
