فاعل، موضوع:
- مقدمه
- هسته اتمی با الکترون
- جریان الکترون
- جریان، ولتاژ و مقاومت
معرفی:
هر تکنسین خودرو، از دستیار گرفته تا متخصص فنی، باید با الکترونیک سر و کار داشته باشد. علاوه بر الکترونیک سیستم های راحتی و ایمنی مانند روشنایی، موتور برف پاک کن شیشه جلو و سیستم ABS، الکترونیک را در کنترل سیستم مدیریت موتور و در قالب شبکه های ارتباطی (از جمله CAN bus) می یابیم. خودروهای بیشتری نیز از پیشرانه الکتریکی برخوردار می شوند. هرکسی که می‌خواهد الکترونیک را بفهمد باید از اصول اولیه شروع کند. در این بخش با توضیح مختصری از الکترون‌هایی که به دور یک اتم می‌چرخند شروع می‌کنیم و به سرعت به نمودارهای الکتریکی می‌رویم که در آن مفاهیم اولیه الکترونیک خودرو به صورت عملی توضیح داده شده است.
هسته اتمی با الکترون:
بر اساس مدل اتمی بور، یک اتم از هسته ای شامل پروتون و نوترون تشکیل شده است که الکترون ها در چندین پوسته به دور آن می چرخند. اتم مس دارای 29 پروتون و 35 نوترون در هسته خود است.
الکترون ها در چهار پوسته قرار دارند. توزیع الکترون ها روی این پوسته ها را پیکربندی الکترون می گویند. هر پوسته دارای حداکثر تعداد مکان برای الکترون است. پوسته اول (K) برای دو الکترون، پوسته دوم (L) برای هشت الکترون، پوسته سوم (M) برای هجده الکترون و پوسته های دیگر برای 32 الکترون جا دارد.
الکترون های سه لایه داخلی، الکترون های پیوندی هستند. الکترون‌های لایه بیرونی در پیوندها و واکنش‌های شیمیایی شرکت می‌کنند و به آنها «الکترون ظرفیت» نیز می‌گویند. اتم مس حاوی یک الکترون ظرفیت است. این الکترون ها می توانند آزادانه حرکت کنند و به اتم دیگری حرکت کنند. در مورد سیم مسی، لایه‌های بیرونی روی هم قرار می‌گیرند و تک الکترون می‌تواند روی پوسته اتم همسایه خود حرکت کند.
اهدای الکترون ظرفیت برای این موضوع مهم است. پرش الکترون از یک اتم به اتم دیگر رسانایی ماده را ممکن می کند. موادی مانند مس، طلا و آلومینیوم دارای یک الکترون ظرفیت در لایه بیرونی هستند. در مقابل، عایق هایی مانند پلاستیک، شیشه و هوا الکترون ظرفیت ندارند. بنابراین این ماده نیز نارسانا است.
جریان الکترون:
در تصویر بعدی باتری، لامپ، هادی (سیم مسی) و کلید را می بینیم. بسته به موقعیت سوئیچ، جریان ممکن است از مدار عبور کند یا نباشد. مستطیل آبی روشن نشان دهنده هادی مس با اتم های مس (زرد) و الکترون های پرش والانس (سبز) است.
- سوئیچ باز: الکترون ها به دور اتم مس می چرخند، اما جریان الکترونی از طریق مصرف کننده (لامپ) وجود ندارد. لامپ روشن نیست؛
- کلید بسته: چون باتری اختلاف ولتاژ ایجاد می کند، جریان الکترون از منفی به مثبت رخ می دهد. جریان از طریق لامپ می گذرد و به دلیل جریان الکترون و اختلاف ولتاژ روشن می شود.
جریان از – (منهای) به + (بعلاوه) حرکت می کند. این جهت جریان واقعی است. قبلا تصور می شد که جریان از مثبت به منفی می رود، اما این درست نیست. با این حال، برای راحتی، ما به این نظریه پایبند هستیم و آن را "جهت جریان فنی" می نامیم. در ادامه ما این جهت جریان فنی را حفظ خواهیم کرد، با این فرض که جریان از مثبت به منفی اجرا می شود.
جریان، ولتاژ و مقاومت:
در این بخش ما روی سه مفهوم جریان، ولتاژ و مقاومت بزرگنمایی می کنیم. ما همیشه در فناوری خودرو با این مفاهیم روبرو هستیم. جریان، ولتاژ و مقاومت هر کدام کمیت، واحد و نماد خاص خود را دارند.
- I = جریان = آمپر (A)
- U = ولتاژ = ولت (V)
- R = مقاومت = اهم (Ω)
جریان: در بخش قبل، جریان الکترون ها را در یک مدار دیدیم. به مقدار الکترون هایی که در عرض یک ثانیه از سطح مقطع معینی از یک هادی الکتریکی عبور می کنند، جریان نامیده می شود. واحد جریان آمپر (A) است. زمانی که 1 کوئینتیلیون (6,24) الکترون در یک مقطع عرضی در عرض یک ثانیه جریان داشته باشد به جریان 6.240.000.000.000.000.000 A می رسد. هر چه الکترون های بیشتری در یک بازه زمانی مشخص جریان داشته باشند، جریان بیشتر است.
برای به دست آوردن بینشی در مورد میزان انرژی مورد نیاز مصرف کنندگان برق در فناوری خودرو، در اینجا لیستی وجود دارد که در آن جریان با ولتاژ شارژ 14 ولت تخمین زده می شود:
- موتور استارت موتور بنزینی: 40 – 80 A;
- موتور استارت موتور دیزل: 100 – 300 A;
- کویل احتراق: 3 تا 6 A، بسته به نوع.
- انژکتور سوخت موتور بنزینی: 4 – 6 A;
- پمپ سوخت الکتریکی: 4 - 12 A، بسته به فشار و جریان.
- فن خنک کننده الکتریکی: 10 - 50 A;
- لامپ H7 (پرتو فرورفته هالوژن) 55 وات: 3,9 A;
- لامپ زنون 35 وات: 2,5 A;
- لامپ های LED (کنترل PWM و نه از طریق یک مقاومت سری): 0,6 - 1 A;
- گرمایش شیشه عقب: 10 - 15 A;
- گرمایش صندلی: 3 تا 5 آمپر برای هر صندلی.
- رادیو استاندارد اتومبیل بدون رایانه داخلی: ~ 5 A;
- موتور برف پاک کن: 2 -5 آمپر بسته به قدرت.
- موتور فن داخلی: 2 - 30 A بسته به سرعت.
- فرمان برقی: 2 تا 40 آمپر، بسته به قدرت.
ولتاژ: ولتاژ نیرویی است که باعث حرکت الکترون ها می شود. ولتاژ اندازه گیری اختلاف نیرو بین الکترون ها در دو نقطه است. ولتاژ بر حسب ولت اندازه گیری می شود که به اختصار V است. در فناوری خودرو ما با "ولتاژ اسمی" 12 ولت کار می کنیم. این بدان معنی است که باتری و تمام مصرف کنندگان برق بر پایه 12 ولت هستند. با این حال، در عمل می بینیم که ولتاژ هرگز دقیقاً 12 ولت نیست، بلکه همیشه کمی کمتر است، اما اغلب بیشتر است. علاوه بر این، ولتاژ با نیروی محرکه الکتریکی چندین برابر بیشتر است. مصرف کنندگان در خودرو ولتاژ مصرف می کنند. بیایید بخاری شیشه عقب را به عنوان مثال در نظر بگیریم: تقریباً از جریان 10 آمپر با ولتاژ 14 ولت استفاده می کند. جریان می شود niet مصرف می شود و به باتری برمی گردد. ولتاژ 14 ولت در گرمکن شیشه عقب برای گرم شدن استفاده می شود. در انتها (سمت زمین) هنوز 0 ولت باقی مانده است.
برای به دست آوردن بینشی در مورد سطوح ولتاژ احتمالی در یک خودروی سواری، در اینجا لیست مختصری از ولتاژهایی که ممکن است با آنها روبرو شویم آورده شده است:
- ولتاژ باتری: 11 – 14,8 ولت (باتری تقریبا خالی تا حداکثر ولتاژ شارژ دینام).
- ولتاژ باز شدن انژکتور پیزو: به طور خلاصه 60 – 200 ولت؛
- ولتاژ سیستم وسیله نقلیه با نیروی محرکه الکتریکی (هیبرید یا BEV: 200 – 800 ولت.
مقاومت: هر جزء الکتریکی یک مقاومت داخلی دارد. این مقدار مقاومت تعیین می کند که چه مقدار جریان جریان خواهد داشت. هر چه مقاومت بیشتر باشد جریان کمتر است. مقاومت دارای حرف R و واحد اهم است. به عنوان یک واحد از علامت امگا از الفبای یونانی استفاده می کنیم: Ω. ما می توانیم از یکی در مدار الکتریکی استفاده کنیم مقاومت اضافی برای محدود کردن جریان اضافه کنید.
هنگامی که یک اتصال کوتاه ایجاد می شود، به عنوان مثال هنگامی که یک سیم مثبت با بدنه تماس می گیرد، مقاومت بسیار کمی وجود دارد. جریان بلافاصله افزایش می یابد تا زمانی که یک فیوز منفجر شود تا از آسیب جلوگیری شود. در لیست زیر می بینیم که قطعاتی که در فناوری خودرو با آن ها مواجه می شویم چقدر مقاومت دارند:
- سیم مسی به طول 2 متر و سطح مقطع 1,25 میلی متر مربع: 0,028 Ω.
- لامپ (لامپ 21 وات): 1,25 Ω.
- انژکتور سوخت موتور بنزینی (نوع امپدانس بالا): 16 Ω.
- بخش جریان کنترل رله: ~ 60 Ω.
- بخش برق اصلی رله: < 0,1 Ω.
مقاومت یک جزء اغلب به دما بستگی دارد: به عنوان مثال، مقاومت لامپ در هنگام روشن بودن بسیار بیشتر از اندازه گیری زمانی است که سرد بود، که در آن جریان با گرم شدن آن کاهش می یابد.
به طور خلاصه: مقاومت یک قطعه الکتریکی تعیین می کند که چه مقدار جریان خواهد داشت. مقاومت کم به این معنی است که جریان زیادی جریان خواهد داشت. ولتاژ عرضه شده (اغلب حدود 12 ولت) در قطعه الکتریکی مصرف می شود و در نتیجه 0 ولت در سمت زمین ایجاد می شود. انرژی مصرف نمی شود، بنابراین به همان اندازه که در سمت زمین مثبت است، از نظر مثبت بالا است.
برای درک بهتر مفاهیم، گاهی اوقات نگاه کردن به مثال بشکه آب مفید است. بشکه از آب پر شده و در پایین با یک شیر آب بسته می شود. ولتاژ و جریان آب از طریق شیر که به مقدار معینی آب اجازه عبور می دهد، ایده خوبی از آنچه برای برق مصرف کننده با مقاومت داخلی اتفاق می افتد به دست می دهد.
ولتاژ:
هنگامی که بشکه از آب پر می شود، فشار آب در شیر افزایش می یابد. فشار آب را می توان با مفهوم ولتاژ در برق مقایسه کرد. سیستم باید بسته باشد، در غیر این صورت آب تخلیه می شود و دیگر فشار آب وجود نخواهد داشت.
جریان:
وقتی شیر آب را باز می کنیم، آب از شیر شروع به "جریان" می کند. جریان آب را می توان با مفهوم جریان در الکتریسیته مقایسه کرد.
مقاومت:
شیر مقاومت در برابر عبور جریان آب را تنظیم می کند. با باز شدن بیشتر شیر، مقاومت کاهش می یابد و جریان افزایش می یابد.
در مورد برق هم همینطور. با مقاومت بیشتر در مدار الکتریکی، جریان کمتری وجود دارد و بالعکس. مقاومت هیچ تاثیری بر ولتاژ ندارد.
