Μαθήματα:
- Εισαγωγή
- Ατομικός πυρήνας με ηλεκτρόνια
- Ροή ηλεκτρονίων
- Ρεύμα, τάση και αντίσταση
Εισαγωγή:
Κάθε τεχνικός αυτοκινήτων, από βοηθός έως τεχνικός, έχει να ασχοληθεί με τα ηλεκτρονικά. Εκτός από τα ηλεκτρονικά συστήματα άνεσης και ασφάλειας όπως ο φωτισμός, ο κινητήρας υαλοκαθαριστήρα και το σύστημα ABS, βρίσκουμε ηλεκτρονικά στον έλεγχο του συστήματος διαχείρισης του κινητήρα και με τη μορφή δικτύων επικοινωνίας (συμπεριλαμβανομένου του διαύλου CAN). Όλο και περισσότερα οχήματα αποκτούν επίσης ηλεκτρικό σύστημα μετάδοσης κίνησης. Όποιος θέλει να καταλάβει ηλεκτρονικά πρέπει να ξεκινήσει από τα βασικά. Σε αυτή την ενότητα ξεκινάμε με μια σύντομη εξήγηση των ηλεκτρονίων που κυκλώνουν γύρω από ένα άτομο και προχωράμε γρήγορα σε ηλεκτρικά διαγράμματα όπου οι βασικές έννοιες των ηλεκτρονικών οχημάτων εξηγούνται με πρακτικό τρόπο.
Ατομικός πυρήνας με ηλεκτρόνια:
Σύμφωνα με το ατομικό μοντέλο του Bohr, ένα άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα που περιέχει πρωτόνια και νετρόνια, με ηλεκτρόνια να περιφέρονται γύρω του σε διάφορα κελύφη. Το άτομο χαλκού περιέχει 29 πρωτόνια και 35 νετρόνια στον πυρήνα του.
Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε τέσσερα κελύφη. Η κατανομή των ηλεκτρονίων σε αυτά τα κελύφη ονομάζεται διαμόρφωση ηλεκτρονίων. Κάθε κέλυφος έχει έναν μέγιστο αριθμό θέσεων για ηλεκτρόνια. Ο πρώτος φλοιός (Κ) έχει χώρο για δύο ηλεκτρόνια, ο δεύτερος φλοιός (L) για οκτώ, ο τρίτος φλοιός (Μ) για δεκαοκτώ και οι άλλοι φλοιοί για 32 ηλεκτρόνια.
Τα ηλεκτρόνια στα τρία εσωτερικά κελύφη είναι συνδεδεμένα ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό περίβλημα συμμετέχουν σε χημικούς δεσμούς και αντιδράσεις και ονομάζονται επίσης «ηλεκτρόνια σθένους». Το άτομο χαλκού περιέχει ένα ηλεκτρόνιο σθένους. Αυτά τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν ελεύθερα και να μετακινηθούν σε άλλο άτομο. Στην περίπτωση του χάλκινου σύρματος, τα εξωτερικά κελύφη επικαλύπτονται και το μεμονωμένο ηλεκτρόνιο μπορεί να κινηθεί κατά μήκος του κελύφους του γειτονικού ατόμου του.
Η δωρεά του ηλεκτρονίου σθένους είναι σημαντική για αυτό το θέμα. Το άλμα του ηλεκτρονίου από το ένα άτομο στο άλλο καθιστά δυνατή την αγωγή του υλικού. Υλικά όπως ο χαλκός, ο χρυσός και το αλουμίνιο έχουν ένα ηλεκτρόνιο σθένους στο εξωτερικό περίβλημα. Αντίθετα, μονωτές όπως το πλαστικό, το γυαλί και ο αέρας δεν έχουν ηλεκτρόνιο σθένους. Αυτό το υλικό είναι επομένως επίσης μη αγώγιμο.
Ροή ηλεκτρονίων:
Στην επόμενη εικόνα βλέπουμε μια μπαταρία, μια λάμπα, τον αγωγό (χάλκινο σύρμα) και έναν διακόπτη. Ανάλογα με τη θέση του διακόπτη, το ρεύμα μπορεί ή δεν μπορεί να ρέει μέσω του κυκλώματος. Το γαλάζιο παραλληλόγραμμο αντιπροσωπεύει τον αγωγό χαλκού με τα άτομα χαλκού (κίτρινο) και τα ηλεκτρόνια του πηδήματος (πράσινο).
- Διακόπτης ανοικτός: τα ηλεκτρόνια κυκλώνουν γύρω από το άτομο χαλκού, αλλά δεν υπάρχει ροή ηλεκτρονίων μέσω του καταναλωτή (του λαμπτήρα). Η λάμπα δεν είναι αναμμένη.
- Διακόπτης κλειστός: επειδή η μπαταρία δημιουργεί διαφορά τάσης, εμφανίζεται μια ροή ηλεκτρονίων από το μείον στο συν. Το ρεύμα ρέει μέσα από τη λάμπα και ανάβει λόγω της ροής ηλεκτρονίων και της διαφοράς τάσης.
Το ρεύμα μετακινείται από – (μείον) σε + (συν). Αυτή είναι η πραγματική κατεύθυνση ροής. Παλαιότερα πίστευαν ότι το ρεύμα θα μετακινούνταν από το συν στο μείον, αλλά αυτό δεν είναι σωστό. Ωστόσο, για λόγους ευκολίας, εμμένουμε σε αυτή τη θεωρία και την ονομάζουμε «τεχνική κατεύθυνση ροής». Σε αυτό που ακολουθεί θα διατηρήσουμε αυτή την τεχνική κατεύθυνση ροής, υποθέτοντας ότι η ροή εκτείνεται από το συν στο μείον.
Ρεύμα, τάση και αντίσταση:
Σε αυτή την ενότητα κάνουμε μεγέθυνση στις τρεις έννοιες: ρεύμα, τάση και αντίσταση. Συναντάμε αυτές τις έννοιες όλη την ώρα στην τεχνολογία του αυτοκινήτου. Το ρεύμα, η τάση και η αντίσταση έχουν το καθένα τη δική του ποσότητα, μονάδα και σύμβολο.
- I = Ρεύμα = Αμπέρ (Α)
- U = Τάση = Volt (V)
- R = Αντίσταση = Ohm (Ω)
Ρεύμα: Στην προηγούμενη ενότητα είδαμε τη ροή των ηλεκτρονίων μέσω ενός κυκλώματος. Η ποσότητα των ηλεκτρονίων που ρέουν μέσα από μια συγκεκριμένη περιοχή διατομής ενός ηλεκτρικού αγωγού μέσα σε ένα δευτερόλεπτο ονομάζεται ρεύμα. Η μονάδα ρεύματος είναι αμπέρ (Α). Ρεύμα 1 Α επιτυγχάνεται όταν 6,24 κουϊντίλιον (6.240.000.000.000.000.000) ηλεκτρόνια έχουν ρέει μέσω μιας διατομής μέσα σε ένα δευτερόλεπτο. Όσο περισσότερα ηλεκτρόνια ρέουν μέσα σε μια δεδομένη χρονική περίοδο, τόσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα.
Για να αποκτήσετε μια εικόνα για το πόση ενέργεια απαιτούν οι ηλεκτρικοί καταναλωτές στην τεχνολογία του αυτοκινήτου, ακολουθεί μια λίστα όπου το ρεύμα υπολογίζεται σε τάση φόρτισης 14 βολτ:
- Μίζα βενζινοκινητήρα: 40 – 80 A;
- Μίζα κινητήρα ντίζελ: 100 – 300 A;
- Πηνίο ανάφλεξης: 3 έως 6 A, ανάλογα με τον τύπο.
- Μπεκ ψεκασμού βενζινοκινητήρα: 4 – 6 A;
- Ηλεκτρική αντλία καυσίμου: 4 – 12 A, ανάλογα με την πίεση και τη ροή.
- Ηλεκτρικός ανεμιστήρας ψύξης: 10 – 50 A;
- Λάμπα H7 (διασταυρούμενη δέσμη αλογόνου) 55 Watt: 3,9 A;
- Λάμπα xenon 35 Watt: 2,5 A;
- Λαμπτήρες LED (ελεγχόμενοι με PWM και όχι μέσω αντίστασης σειράς): 0,6 – 1 A;
- Θέρμανση πίσω παραθύρου: 10 – 15 A;
- Θέρμανση καθισμάτων: 3 – 5 A ανά κάθισμα.
- Τυπικό ραδιόφωνο αυτοκινήτου χωρίς υπολογιστή οχήματος: ~5 A;
- Μοτέρ υαλοκαθαριστήρα: 2 -5 A ανάλογα με την ισχύ.
- Μοτέρ εσωτερικού ανεμιστήρα: 2 – 30 A ανάλογα με την ταχύτητα.
- Ηλεκτρικό τιμόνι: 2 – 40 A, ανάλογα με την ισχύ.
Τάση: Η τάση είναι η δύναμη που κάνει τα ηλεκτρόνια να κινούνται. Η τάση είναι μια μέτρηση της διαφοράς δύναμης μεταξύ των ηλεκτρονίων σε δύο σημεία. Η τάση μετριέται σε βολτ, με συντομογραφία V. Στην τεχνολογία αυτοκινήτων δουλεύουμε με «ονομαστική τάση» 12 βολτ. Αυτό σημαίνει ότι η μπαταρία και όλοι οι ηλεκτρικοί καταναλωτές βασίζονται στα 12 βολτ. Ωστόσο, στην πράξη βλέπουμε ότι η τάση δεν είναι ποτέ ακριβώς 12 βολτ, αλλά είναι πάντα ελαφρώς χαμηλότερη, αλλά συχνά μεγαλύτερη. Επιπλέον, η τάση με την ηλεκτρική πρόωση είναι πολλαπλάσια. Οι καταναλωτές σε ένα αυτοκίνητο καταναλώνουν τάση. Ας πάρουμε ως παράδειγμα τη θέρμανση του πίσω παραθύρου: χρησιμοποιεί ρεύμα περίπου 10 αμπέρ σε τάση 14 βολτ. Η ροή γίνεται niet καταναλώνεται και επιστρέφει στην μπαταρία. Η τάση 14 volt χρησιμοποιείται στη θέρμανση του πίσω παραθύρου για θέρμανση. Στο τέλος (από την πλευρά της γείωσης) απομένουν ακόμη 0 βολτ.
Για να κατανοήσουμε τα πιθανά επίπεδα τάσης σε ένα επιβατικό αυτοκίνητο, ακολουθεί μια σύντομη λίστα με τις τάσεις που μπορεί να συναντήσουμε:
- Τάση μπαταρίας: 11 – 14,8 v (σχεδόν άδεια μπαταρία στη μέγιστη τάση φόρτισης του εναλλάκτη).
- Τάση ανοίγματος πιεζοηλεκτρικού μπεκ: για λίγο 60 – 200 βολτ.
- Τάση συστήματος οχήματος με ηλεκτρική πρόωση (υβριδικό ή BEV): 200 – 800 βολτ.
Αντίσταση: κάθε ηλεκτρικό εξάρτημα έχει μια εσωτερική αντίσταση. Αυτή η τιμή αντίστασης καθορίζει πόσο ρεύμα θα ρέει. Όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση, τόσο χαμηλότερο είναι το ρεύμα. Η αντίσταση έχει το γράμμα R και τη μονάδα Ohm. Ως ενότητα χρησιμοποιούμε το σύμβολο ωμέγα από το ελληνικό αλφάβητο: Ω. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα επιπλέον αντίσταση προσθέστε για να περιορίσετε το ρεύμα.
Όταν γίνεται βραχυκύκλωμα, για παράδειγμα όταν ένα θετικό καλώδιο αγγίζει το αμάξωμα, υπάρχει πολύ χαμηλή αντίσταση. Το ρεύμα αυξάνεται αμέσως μέχρι να χτυπήσει μια ασφάλεια για να αποφευχθεί η ζημιά. Στην παρακάτω λίστα βλέπουμε πόση αντίσταση έχουν τα εξαρτήματα που συναντάμε στην τεχνολογία του αυτοκινήτου:
- Χάλκινο σύρμα μήκους 2 μέτρων και διατομής 1,25 mm²: 0,028 Ω.
- Λάμπα (λάμπα φωτός 21 Watt): 1,25 Ω;
- Μπεκ ψεκασμού βενζινοκινητήρα (η παραλλαγή υψηλής αντίστασης): 16 Ω;
- Τμήμα ρεύματος ελέγχου ρελέ: ~ 60 Ω;
- Τμήμα κύριας ισχύος ρελέ: < 0,1 Ω.
Η αντίσταση ενός εξαρτήματος εξαρτάται συχνά από τη θερμοκρασία: για παράδειγμα, η αντίσταση της λάμπας όταν είναι αναμμένη είναι πολύ μεγαλύτερη από ό,τι κατά τη μέτρηση όταν ήταν κρύο, στην οποία το ρεύμα μειώνεται καθώς θερμαίνεται.
Συνοψίζοντας: η αντίσταση ενός ηλεκτρικού στοιχείου καθορίζει πόσο ρεύμα θα ρέει. Μικρή αντίσταση σημαίνει ότι θα ρέει πολύ ρεύμα. Η παρεχόμενη τάση (συχνά περίπου 12 βολτ) καταναλώνεται στο ηλεκτρικό εξάρτημα, με αποτέλεσμα 0 βολτ στην πλευρά της γείωσης. Η ισχύς δεν καταναλώνεται, επομένως είναι εξίσου στα θετικά με την πλευρά του εδάφους.
Για να κατανοήσουμε καλύτερα τις έννοιες, μερικές φορές είναι χρήσιμο να δούμε το παράδειγμα του βαρελιού νερού. Το βαρέλι γεμίζει με νερό και κλείνει στο κάτω μέρος με βρύση. Η τάση και η ροή του νερού μέσα από τη βρύση που επιτρέπει τη διέλευση ορισμένης ποσότητας νερού, δίνουν μια καλή ιδέα για το τι συμβαίνει με την ηλεκτρική ενέργεια σε έναν καταναλωτή με εσωτερική αντίσταση.
Τάση:
Όταν το βαρέλι γεμίσει με νερό, η πίεση του νερού στη βρύση αυξάνεται. Η πίεση του νερού μπορεί να συγκριθεί με την έννοια της τάσης στην ηλεκτρική ενέργεια. Το σύστημα πρέπει να είναι κλειστό, διαφορετικά το νερό θα αποστραγγιστεί και δεν θα υπάρχει πλέον πίεση νερού.
Ρεύμα:
Όταν ανοίγουμε τη βρύση, το νερό αρχίζει να 'ρέει' μέσα από τη βρύση. Η ροή του νερού μπορεί να συγκριθεί με την έννοια του ρεύματος στον ηλεκτρισμό.
Αντίσταση:
Η βρύση ρυθμίζει την αντίσταση στη διέλευση της ροής του νερού. Καθώς η βρύση ανοίγει περαιτέρω, η αντίσταση μειώνεται και το ρεύμα αυξάνεται.
Το ίδιο ισχύει και για την ηλεκτρική ενέργεια. Με μεγαλύτερη αντίσταση στο ηλεκτρικό κύκλωμα, υπάρχει λιγότερο ρεύμα και το αντίστροφο. Η αντίσταση δεν επηρεάζει την τάση.
