emner:
- introduktion
- Atomkerne med elektroner
- Elektron flow
- Strøm, spænding og modstand
Forord:
Enhver biltekniker, fra assistent til teknisk specialist, skal beskæftige sig med elektronik. Udover elektronikken i komfort- og sikkerhedssystemer som belysning, vinduesviskermotoren og ABS-systemet finder vi elektronik i styringen af motorstyringssystemet og i form af kommunikationsnetværk (herunder CAN-bus). Flere og flere køretøjer får også en elektrisk drivlinje. Enhver, der ønsker at forstå elektronik, bør starte med det grundlæggende. I dette afsnit starter vi med en kort forklaring af de elektroner, der kredser omkring et atom, og vi går hurtigt videre til elektriske diagrammer, hvor de grundlæggende begreber inden for køretøjselektronik forklares på en praktisk måde.
Atomkerne med elektroner:
Ifølge Bohrs atommodel består et atom af en kerne, der indeholder protoner og neutroner, med elektroner, der kredser omkring det i flere skaller. Kobberatomet indeholder 29 protoner og 35 neutroner i sin kerne.
Elektronerne er placeret i fire skaller. Fordelingen af elektronerne over disse skaller kaldes elektronkonfigurationen. Hver skal har et maksimalt antal pladser til elektroner. Den første skal (K) har plads til to elektroner, den anden skal (L) til otte, den tredje skal (M) til atten og den anden skal til 32 elektroner.
Elektronerne i de indre tre skaller er bundne elektroner. Elektronerne i den ydre skal deltager i kemiske bindinger og reaktioner og kaldes også "valenselektroner". Kobberatomet indeholder en valenselektron. Disse elektroner kan bevæge sig frit og bevæge sig til et andet atom. I tilfælde af kobbertråd overlapper de ydre skaller, og den enkelte elektron kan bevæge sig hen over skallen af dets naboatom.
Donation af valenselektronen er vigtig for dette emne. Elektronens spring fra et atom til et andet gør det muligt for materialet at lede. Materialer som kobber, guld og aluminium har en valenselektron i den ydre skal. I modsætning hertil har isolatorer som plastik, glas og luft ikke en valenselektron. Dette materiale er derfor også ikke-ledende.
Elektron flow:
På det næste billede ser vi et batteri, en lampe, lederen (kobbertråd) og en kontakt. Afhængigt af kontaktens position kan der strømme strøm gennem kredsløbet. Det lyseblå rektangel repræsenterer kobberlederen med kobberatomerne (gule) og de springende valanceelektroner (grønne).
- Kontakt åben: elektronerne cirkler rundt om kobberatomet, men der er ingen elektronstrøm gennem forbrugeren (lampen). Lampen lyser ikke;
- Kontakt lukket: fordi batteriet skaber en spændingsforskel, sker der en elektronstrøm fra minus til plus. Strømmen løber gennem lampen og tænder på grund af elektronstrømmen og spændingsforskellen.
Strømmen bevæger sig fra – (minus) til + (plus). Dette er den faktiske strømningsretning. Tidligere troede man, at strømmen ville bevæge sig fra plus til minus, men det er ikke korrekt. Alligevel holder vi os for nemheds skyld til denne teori og kalder den den "tekniske flowretning". I det følgende vil vi fastholde denne tekniske strømningsretning, forudsat at flowet løber fra plus til minus.
Strøm, spænding og modstand:
I dette afsnit zoomer vi ind på de tre begreber: strøm, spænding og modstand. Vi støder hele tiden på disse begreber inden for bilteknologi. Strøm, spænding og modstand har hver deres egen mængde, enhed og symbol.
- I = Strøm = Ampere (A)
- U = Spænding = Volt (V)
- R = Modstand = Ohm (Ω)
Flyde: I det foregående afsnit så vi strømmen af elektroner gennem et kredsløb. Mængden af elektroner, der strømmer gennem et bestemt tværsnitsareal af en elektrisk leder inden for et sekund, kaldes strømmen. Enheden for strøm er ampere (A). En strøm på 1 A opnås, når 6,24 kvintillioner (6.240.000.000.000.000.000) elektroner er løbet gennem et tværsnit inden for et sekund. Jo flere elektroner der strømmer inden for en given tidsperiode, jo højere er strømmen.
For at få indsigt i, hvor meget strøm de elektriske forbrugere inden for bilteknologi kræver, er her en liste, hvor strømmen er estimeret til en ladespænding på 14 volt:
- Benzinmotorens startmotor: 40 – 80 A;
- Dieselmotorens startmotor: 100 – 300 A;
- Tændspole: 3 til 6 A, afhængig af type;
- Benzinmotor brændstofinjektor: 4 – 6 A;
- Elektrisk brændstofpumpe: 4 – 12 A, afhængig af tryk og flow;
- Elektrisk køleventilator: 10 – 50 A;
- H7 lampe (halogen nærlys) på 55 Watt: 3,9 A;
- 35 Watt xenonlampe: 2,5 A;
- LED-lamper (PWM-styret og ikke via en seriemodstand): 0,6 – 1 A;
- Bagrudevarme: 10 – 15 A;
- Sædevarme: 3 – 5 A pr. sæde;
- Standard bilradio uden indbygget computer: ~5 A;
- Viskermotor: 2 -5 A afhængig af effekt;
- Indvendig ventilatormotor: 2 – 30 A afhængig af hastighed;
- Elektrisk servostyring: 2 – 40 A, afhængig af effekt.
Spænding: Spændingen er den kraft, der får elektronerne til at bevæge sig. Spændingen er et mål for forskellen i kraft mellem elektroner i to punkter. Spændingen måles i volt, forkortet til V. I bilteknologi arbejder vi med en "nominel spænding" på 12 volt. Det betyder, at batteriet og alle elforbrugere er baseret på 12 volt. Men i praksis ser vi, at spændingen aldrig er præcis 12 volt, men altid er lidt lavere, men ofte højere. Derudover er spændingen med elektrisk fremdrift mange gange højere. Forbrugerne i en bil forbruger spænding. Lad os tage bagrudevarmeren som et eksempel: den bruger cirka en strøm på 10 ampere ved en spænding på 14 volt. Strømmen bliver niet er opbrugt og går tilbage til batteriet. 14 volt spændingen bruges i bagrudevarmeren til at varme op. For enden (jordsiden) er der stadig 0 volt tilbage.
For at få indsigt i de mulige spændingsniveauer i en personbil, er her en kort liste over spændinger, som vi kan støde på:
- Batterispænding: 11 – 14,8 v (næsten tomt batteri til generatorens maksimale ladespænding);
- Piezo-injektoråbningsspænding: kortvarigt 60 – 200 volt;
- Systemspænding for et køretøj med elektrisk fremdrift (hybrid eller BEV): 200 – 800 volt.
Modstand: hver elektrisk komponent har en indre modstand. Denne modstandsværdi bestemmer, hvor meget strøm der løber. Jo højere modstand, jo lavere strøm. Modstanden har bogstavet R og enheden Ohm. Som en enhed bruger vi omega-tegnet fra det græske alfabet: Ω. Vi kan bruge en i et elektrisk kredsløb ekstra modstand tilføje for at begrænse strømmen.
Når der laves en kortslutning, for eksempel når en positiv ledning rører karosseriet, er der meget lav modstand. Strømmen stiger straks, indtil en sikring springer for at forhindre skade. I den følgende liste ser vi, hvor meget modstand de komponenter, vi møder i bilteknologien, har:
- Kobbertråd på 2 meter lang og et tværsnit på 1,25 mm²: 0,028 Ω;
- Lampe (21 Watt pære): 1,25 Ω;
- Benzinmotor brændstofinjektor (højimpedansvarianten): 16 Ω;
- Relæstyringsstrømsektion: ~ 60 Ω;
- Relæ hovedstrømsektion: < 0,1 Ω.
En komponents modstand afhænger ofte af temperaturen: For eksempel er lampens modstand, når den er tændt, meget højere end under målingen, da den var kold, hvor strømmen falder, når den bliver varmere.
Sammenfattende: modstanden af en elektrisk komponent bestemmer, hvor meget strøm der løber. Lille modstand betyder, at der løber meget strøm. Den tilførte spænding (ofte omkring 12 volt) forbruges i den elektriske komponent, hvilket resulterer i 0 volt på jordsiden. Der forbruges ikke strøm, så den ligger lige så højt på plussiden som på jordsiden.
For bedre at forstå begreberne er det nogle gange nyttigt at se på eksemplet med vandtønden. Tønden fyldes med vand og lukkes i bunden med en vandhane. Spændingen og strømmen af vand gennem hanen, der tillader en vis mængde vand at passere igennem, giver en god idé om, hvad der sker med elektricitet hos en forbruger med en intern modstand.
Spænding:
Når tønden er fyldt med vand, øges vandtrykket ved hanen. Vandtrykket kan sammenlignes med begrebet spænding i elektricitet. Systemet skal være lukket, ellers løber vandet ud, og der vil ikke længere være vandtryk.
Flyde:
Når vi åbner for hanen, begynder vandet at 'løbe' gennem hanen. Vandstrømmen kan sammenlignes med begrebet strøm i elektricitet.
Modstand:
Hanen regulerer modstanden mod passage af vandstrømmen. Når hanen åbnes yderligere, falder modstanden, og strømmen øges.
Det samme gælder for elektricitet. Med mere modstand i det elektriske kredsløb er der mindre strøm og omvendt. Modstanden har ingen indflydelse på spændingen.
