Aiheet:
- esittely
- Atomiydin elektronien kanssa
- Elektronien virtaus
- Virta, jännite ja vastus
Esipuhe:
Jokainen autoteknikko, avustajasta tekniseen asiantuntijaan, joutuu käsittelemään elektroniikkaa. Mukavuus- ja turvallisuusjärjestelmien, kuten valaistuksen, tuulilasinpyyhkijän moottorin ja ABS-järjestelmän elektroniikan lisäksi löydämme elektroniikkaa moottorin ohjausjärjestelmän ohjauksesta ja tietoliikenneverkkojen muodossa (mukaan lukien CAN-väylä). Yhä useammat ajoneuvot saavat myös sähköisen voimansiirron. Jokaisen, joka haluaa ymmärtää elektroniikkaa, tulisi aloittaa perusasioista. Tässä osiossa aloitamme lyhyellä selityksellä atomin ympärillä kiertävistä elektroneista ja siirrymme nopeasti sähkökaavioihin, joissa ajoneuvoelektroniikan peruskäsitteet selitetään käytännöllisesti.
Atomiydin elektronien kanssa:
Bohrin atomimallin mukaan atomi koostuu protoneja ja neutroneja sisältävästä ytimestä, jonka ympärillä kiertävät elektronit useissa kuorissa. Kupariatomin ytimessä on 29 protonia ja 35 neutronia.
Elektronit sijaitsevat neljässä kuoressa. Elektronien jakautumista näiden kuorien yli kutsutaan elektronikonfiguraatioksi. Jokaisessa kuoressa on maksimimäärä elektroneja. Ensimmäisessä kuoressa (K) on tilaa kahdelle elektronille, toisessa kuoressa (L) kahdeksalle, kolmannelle kuorelle (M) kahdeksalletoista ja muissa kuorissa 32 elektronille.
Kolmen sisemmän kuoren elektronit ovat sitoutuneita elektroneja. Ulkokuoren elektronit osallistuvat kemiallisiin sidoksiin ja reaktioihin, ja niitä kutsutaan myös "valenssielektroneiksi". Kupariatomi sisältää yhden valenssielektronin. Nämä elektronit voivat liikkua vapaasti ja siirtyä toiseen atomiin. Kuparilangan tapauksessa ulkokuoret menevät päällekkäin ja yksi elektroni voi liikkua viereisen atomin kuoren poikki.
Valenssielektronin luovuttaminen on tärkeää tälle aiheelle. Elektronin hyppääminen atomista toiseen mahdollistaa materiaalin johtamisen. Materiaalien, kuten kuparin, kullan ja alumiinin, ulkokuoressa on valenssielektroni. Sitä vastoin eristeissä, kuten muovissa, lasissa ja ilmassa, ei ole valenssielektronia. Tämä materiaali on siksi myös sähköä johtamaton.
Elektronivirta:
Seuraavassa kuvassa näemme akun, lampun, johtimen (kuparilangan) ja kytkimen. Riippuen kytkimen asennosta, virta voi kulkea piirin läpi tai ei. Vaaleansininen suorakulmio edustaa kuparijohdinta kupariatomien (keltainen) ja hyppäävien valanssielektronien (vihreä) kanssa.
- Kytkin auki: elektronit kiertävät kupariatomin ympärillä, mutta kuluttajan (lampun) läpi ei kulje elektronivirtaa. Lamppu ei syty;
- Kytkin kiinni: koska akku luo jännite-eron, elektronien virtaus tapahtuu miinuksesta plussaan. Virta kulkee lampun läpi ja syttyy elektronivirran ja jännite-eron vuoksi.
Virta siirtyy arvosta – (miinus) arvoon + (plus). Tämä on todellinen virtaussuunta. Ennen ajateltiin, että virta siirtyisi plussasta miinukseen, mutta se ei pidä paikkaansa. Kuitenkin mukavuuden vuoksi pysymme tässä teoriassa ja kutsumme sitä "tekniseksi virtaussuunnaksi". Jatkossa säilytämme tämän teknisen virtaussuunnan olettaen, että virtaus kulkee plussasta miinukseen.
Virta, jännite ja vastus:
Tässä osiossa lähennämme kolmea käsitettä: virta, jännite ja vastus. Näihin käsitteisiin törmäämme jatkuvasti autotekniikassa. Virralla, jännitteellä ja resistanssilla on kullakin oma määrä, yksikkö ja symboli.
- I = virta = ampeeri (A)
- U = jännite = voltti (V)
- R = Resistanssi = Ohm (Ω)
Virtaus: Edellisessä osassa näimme elektronien virtauksen piirin läpi. Sähköjohtimen tietyn poikkileikkausalueen läpi sekunnissa virtaavien elektronien määrää kutsutaan virraksi. Virran yksikkö on ampeeri (A). 1 A:n virta saavutetaan, kun 6,24 kvintiljoonaa (6.240.000.000.000.000.000 XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX) elektronia on kulkenut poikkileikkauksen läpi yhdessä sekunnissa. Mitä enemmän elektroneja virtaa tietyn ajanjakson sisällä, sitä suurempi on virta.
Saadaksesi käsityksen siitä, kuinka paljon tehoa autotekniikan sähkökuluttajat tarvitsevat, tässä on luettelo, jossa virta on arvioitu 14 voltin latausjännitteellä:
- Bensiinimoottorin käynnistysmoottori: 40 – 80 A;
- Dieselmoottorin käynnistin: 100 – 300 A;
- Sytytyspuola: 3 - 6 A tyypistä riippuen;
- Bensiinimoottorin polttoainesuutin: 4 – 6 A;
- Sähköinen polttoainepumppu: 4 – 12 A paineesta ja virtauksesta riippuen;
- Sähköinen tuuletin: 10 – 50 A;
- H7-lamppu (halogeeni lähivalot) 55 wattia: 3,9 A;
- 35 watin ksenonlamppu: 2,5 A;
- LED-lamput (PWM-ohjattu, ei sarjavastuksen kautta): 0,6 – 1 A;
- Takalasin lämmitys: 10 – 15 A;
- Istuinlämmitys: 3 – 5 A per istuin;
- Vakioautoradio ilman ajotietokonetta: ~5 A;
- Pyyhkijän moottori: 2 -5 A tehosta riippuen;
- Sisäpuhaltimen moottori: 2 – 30 A nopeudesta riippuen;
- Sähköinen ohjaustehostin: 2 – 40 A tehosta riippuen.
Jännite: Jännite on voima, joka saa elektronit liikkumaan. Jännite on mitta elektronien välisestä voimaerosta kahdessa pisteessä. Jännite mitataan voltteina, lyhennettynä V. Autotekniikassa työskentelemme 12 voltin ”nimellisjännitteellä”. Tämä tarkoittaa, että akku ja kaikki sähkökuluttajat perustuvat 12 volttiin. Käytännössä näemme kuitenkin, että jännite ei ole koskaan tasan 12 volttia, vaan on aina hieman pienempi, mutta usein korkeampi. Lisäksi sähkökäyttöinen jännite on monta kertaa suurempi. Auton kuluttajat kuluttavat jännitettä. Otetaan esimerkkinä takalasin lämmitin: se käyttää noin 10 ampeerin virtaa 14 voltin jännitteellä. Virtauksesta tulee ei kuluu ja palaa akkuun. Takalasin lämmittimen 14 voltin jännitettä käytetään lämmittämiseen. Lopussa (maapuolella) on vielä 0 volttia jäljellä.
Saadaksesi käsityksen mahdollisista jännitetasoista henkilöautossa, tässä on lyhyt luettelo jännitteistä, joita voimme kohdata:
- Akun jännite: 11 – 14,8 V (melkein tyhjä akku laturin maksimilatausjännitteeseen);
- Pietsosuuttimen avausjännite: hetkellisesti 60 – 200 volttia;
- Sähkökäyttöisen ajoneuvon järjestelmäjännite (hybridi tai BEV): 200 - 800 volttia.
Resistanssi: jokaisella sähkökomponentilla on sisäinen vastus. Tämä vastusarvo määrittää, kuinka paljon virtaa kulkee. Mitä suurempi vastus, sitä pienempi virta. Vastuksessa on kirjain R ja yksikkö Ohm. Yksikönä käytämme kreikan aakkoston omega-merkkiä: Ω. Voimme käyttää yhtä sähköpiirissä ylimääräistä vastusta lisää rajoittaaksesi virtaa.
Kun oikosulku tapahtuu, esimerkiksi kun positiivinen johdin koskettaa koria, vastus on erittäin pieni. Virta kasvaa välittömästi, kunnes sulake palaa vaurioiden estämiseksi. Seuraavasta luettelosta näemme, kuinka paljon vastusta autotekniikassa kohtaamillamme komponenteilla on:
- Kuparilanka 2 metriä pitkä ja poikkileikkaus 1,25 mm²: 0,028 Ω;
- Lamppu (21 watin hehkulamppu): 1,25 Ω;
- Bensiinimoottorin polttoainesuutin (korkean impedanssin versio): 16 Ω;
- Releen ohjausvirtaosuus: ~ 60 Ω;
- Releen päävirtaosa: < 0,1 Ω.
Komponentin resistanssi riippuu usein lämpötilasta: esimerkiksi lampun resistanssi sen ollessa päällä on paljon suurempi kuin mittauksen aikana kylmänä, jolloin virta pienenee lämmetessään.
Yhteenvetona: sähkökomponentin resistanssi määrää, kuinka paljon virtaa kulkee. Pieni vastus tarkoittaa, että virtaa kulkee paljon. Syötetty jännite (usein noin 12 volttia) kuluu sähkökomponentissa, jolloin maadoituspuolella on 0 volttia. Tehoa ei kuluteta, joten se on yhtä korkea plus-puolella kuin maan puolella.
Käsitteiden ymmärtämiseksi paremmin on joskus hyödyllistä tarkastella esimerkkiä vesitynnyristä. Tynnyri on täytetty vedellä ja suljetaan pohjasta hanalla. Veden jännite ja virtaus hanan läpi, joka päästää tietyn määrän vettä läpi, antavat hyvän käsityksen siitä, mitä sähkölle tapahtuu kuluttajassa, jolla on sisäinen vastus.
Jännite:
Kun tynnyri täyttyy vedellä, vedenpaine hanassa kasvaa. Veden painetta voidaan verrata sähkön jännitteen käsitteeseen. Järjestelmä on suljettava, muuten vesi valuu pois eikä vesipainetta enää ole.
Virtaus:
Kun avaamme hanan, vesi alkaa "virrata" hanasta. Veden virtausta voidaan verrata sähkön virran käsitteeseen.
Resistanssi:
Hana säätelee vastustusta veden läpikulkua vastaan. Kun hanaa avataan edelleen, vastus pienenee ja virta kasvaa.
Sama koskee sähköä. Kun sähköpiirissä on enemmän vastusta, virtaa on vähemmän ja päinvastoin. Resistanssilla ei ole vaikutusta jännitteeseen.
Aiheeseen liittyvät sivut:
