Viðfangsefni:
- Inngangur
- Atómkjarni með rafeindum
- Rafeindaflæði
- Straumur, spenna og viðnám
Kynning:
Sérhver bílasmiður, allt frá aðstoðarmanni til tæknifræðings, þarf að takast á við rafeindatækni. Fyrir utan rafeindatækni þæginda- og öryggiskerfa eins og lýsingar, rúðuþurrkumótorsins og ABS-kerfisins, finnum við rafeindatækni í stýringu vélarstjórnunarkerfisins og í formi samskiptaneta (þar á meðal CAN bus). Sífellt fleiri farartæki fá einnig rafdrifið drifrás. Allir sem vilja skilja rafeindatækni ættu að byrja á grunnatriðum. Í þessum hluta byrjum við á stuttri útskýringu á rafeindunum sem hringsóla í kringum atóm og förum fljótt yfir í rafrit þar sem grunnhugtök rafeindatækni farartækja eru útskýrð á hagnýtan hátt.
Atómkjarni með rafeindum:
Samkvæmt frumeindalíkani Bohrs samanstendur atóm af kjarna sem inniheldur róteindir og nifteindir og rafeindir snúast um hana í nokkrum skeljum. Koparatómið inniheldur 29 róteindir og 35 nifteindir í kjarna sínum.
Rafeindirnar eru staðsettar í fjórum skeljum. Dreifing rafeindanna yfir þessar skeljar er kölluð rafeindastilling. Hver skel hefur hámarksfjölda staða fyrir rafeindir. Fyrsta skel (K) hefur pláss fyrir tvær rafeindir, önnur skel (L) fyrir átta, þriðja skel (M) fyrir átján og hin fyrir 32 rafeindir.
Rafeindirnar í innri þremur skeljunum eru tengdar rafeindir. Rafeindirnar í ytri skelinni taka þátt í efnatengjum og viðbrögðum og eru einnig kallaðar „gildisrafeindir“. Koparatómið inniheldur eina gildisrafeind. Þessar rafeindir geta hreyft sig frjálslega og færst yfir í annað atóm. Þegar um koparvír er að ræða skarast ytri skeljarnar og eina rafeindin getur færst þvert yfir skel nágrannaatómsins.
Að gefa gildisrafeindina er mikilvægt fyrir þetta efni. Stökk rafeindarinnar frá einu atómi í annað gerir efnið mögulegt að leiða. Efni eins og kopar, gull og ál eru með gildisrafeind í ytri skelinni. Aftur á móti hafa einangrunarefni eins og plast, gler og loft ekki gildisrafeind. Þetta efni er því ekki leiðandi.
Rafeindaflæði:
Á næstu mynd sjáum við rafhlöðu, lampa, leiðarann (koparvír) og rofa. Það fer eftir staðsetningu rofans, straumur getur eða gæti ekki flætt í gegnum hringrásina. Ljósblái rétthyrningurinn táknar koparleiðarann með koparatómunum (gulum) og hoppandi rafeindunum (grænum).
- Rofi opinn: rafeindirnar hringsóla í kringum koparatómið, en það er ekkert rafeindaflæði í gegnum neytandann (lampann). Ljósið logar ekki;
- Rofi lokaður: vegna þess að rafhlaðan skapar spennumun verður rafeindaflæði frá mínus til plús. Straumurinn rennur í gegnum lampann og kviknar vegna rafeindaflæðis og spennumunar.
Straumurinn færist frá – (mínus) í + (plús). Þetta er raunveruleg flæðistefna. Áður var talið að straumurinn myndi færast úr plús í mínus en það er ekki rétt. Samt til hægðarauka höldum við okkur við þessa kenningu og köllum hana „tæknilega flæðistefnu“. Í því sem hér fer á eftir munum við viðhalda þessari tæknilegu flæðistefnu, að því gefnu að flæðið gangi frá plús til mínus.
Straumur, spenna og viðnám:
Í þessum kafla stækkum við hugtökin þrjú: straumur, spenna og viðnám. Við rekumst á þessi hugtök allan tímann í bílatækni. Straumur, spenna og viðnám hafa hvert sitt magn, einingu og tákn.
- I = Straumur = Ampere (A)
- U = Spenna = Volt (V)
- R = Viðnám = Ohm (Ω)
Rennsli: Í fyrri hlutanum sáum við flæði rafeinda í gegnum hringrás. Magn rafeinda sem streymir í gegnum ákveðið þversniðssvæði rafleiðara innan einni sekúndu er kallað straumur. Straumseiningin er amper (A). Straumur upp á 1 A næst þegar 6,24 kvintíljónir (6.240.000.000.000.000.000) rafeindir hafa streymt í gegnum þversnið á einni sekúndu. Því fleiri rafeindir sem streyma innan ákveðins tíma, því meiri straumur.
Til að fá innsýn í hversu mikið afl rafneytendur í bílatækni þurfa, er hér listi þar sem straumurinn er áætlaður á 14 volta hleðsluspennu:
- Startmótor fyrir bensínvél: 40 – 80 A;
- Startmótor dísilvélar: 100 – 300 A;
- Kveikjuspóla: 3 til 6 A, fer eftir gerð;
- Bensínvél eldsneytisinnspýting: 4 – 6 A;
- Rafdrifin eldsneytisdæla: 4 – 12 A, fer eftir þrýstingi og flæði;
- Rafmagns kælivifta: 10 – 50 A;
- H7 lampi (halógen lággeisli) 55 Watt: 3,9 A;
- 35 Watta xenon lampi: 2,5 A;
- LED lampar (PWM-stýrðir og ekki í gegnum raðviðnám): 0,6 – 1 A;
- Hiti í afturrúðu: 10 – 15 A;
- Hiti í sæti: 3 – 5 A á sæti;
- Hefðbundið útvarp fyrir bíla án tölvu um borð: ~5 A;
- Þurrkumótor: 2 -5 A eftir afli;
- Innri viftumótor: 2 – 30 A eftir hraða;
- Rafknúið vökvastýri: 2 – 40 A, fer eftir afli.
Spenna: Spenna er krafturinn sem fær rafeindirnar til að hreyfast. Spennan er mæling á kraftmun milli rafeinda í tveimur punktum. Spennan er mæld í voltum, skammstafað V. Í bílatækni er unnið með „nafnspennu“ upp á 12 volt. Þetta þýðir að rafhlaðan og allir rafmagnsnotendur eru byggðir á 12 voltum. Hins vegar sjáum við í reynd að spennan er aldrei nákvæmlega 12 volt heldur alltaf aðeins lægri en oft hærri. Auk þess er spennan með rafknúnum margfalt hærri. Neytendur í bíl neyta spennu. Tökum afturrúðuhitarann sem dæmi: hann notar um það bil 10 amper straum við 14 volta spennu. Flæðið verður niet er neytt og fer aftur í rafhlöðuna. 14 volta spennan er notuð í afturrúðuhitara til að hita upp. Í lokin (jarðhliðin) eru enn 0 volt eftir.
Til að fá innsýn í möguleg spennustig í fólksbíl er hér stuttur listi yfir spennu sem við gætum lent í:
- Rafhlaðaspenna: 11 – 14,8 v (næstum tóm rafhlaða að hámarks hleðsluspennu alternators);
- Opnunarspenna Piezo inndælingartækis: stutta stund 60 – 200 volt;
- Kerfisspenna rafbíls (blendingur eða BEV): 200 – 800 volt.
Viðnám: sérhver rafmagnsíhlutur hefur innra viðnám. Þetta viðnámsgildi ákvarðar hversu mikill straumur mun flæða. Því hærra sem viðnámið er, því minni er straumurinn. Viðnámið hefur bókstafinn R og eininguna Ohm. Sem eining notum við omega táknið úr gríska stafrófinu: Ω. Við getum notað einn í rafrás auka mótstöðu bæta við til að takmarka strauminn.
Þegar skammhlaup myndast, til dæmis þegar jákvæður vír snertir yfirbygginguna, er mjög lítil viðnám. Straumurinn eykst strax þar til öryggi springur til að koma í veg fyrir skemmdir. Í eftirfarandi lista sjáum við hversu mikla mótstöðu íhlutirnir sem við mætum í bílatækni hafa:
- Koparvír 2 metra langur og 1,25 mm² þversnið: 0,028 Ω;
- Lampi (21 Watt ljósapera): 1,25 Ω;
- Bensínvél eldsneytisinnspýting (háviðnám afbrigði): 16 Ω;
- Relay stjórna núverandi hluti: ~ 60 Ω;
- Relay aðalaflshluti: < 0,1 Ω.
Viðnám íhluta fer oft eftir hitastigi: til dæmis er viðnám lampans þegar kveikt er á miklu meiri en við mælinguna þegar það var kalt, þar sem straumurinn minnkar eftir því sem hlýnar.
Í stuttu máli: viðnám rafmagnsíhluta ákvarðar hversu mikill straumur mun flæða. Lítil viðnám þýðir að mikill straumur mun flæða. Spennan sem fylgir (oft um 12 volt) er notuð í rafmagnsíhlutnum, sem leiðir til 0 volts jarðmegin. Rafmagn er ekki notað, þannig að það er jafn hátt á plúshliðinni og á jörðinni.
Til að skilja hugtökin betur er stundum gagnlegt að skoða dæmið um vatnstunnuna. Tunnan er fyllt með vatni og lokuð neðst með krana. Spenna og flæði vatns í gegnum kranann sem hleypir tilteknu magni af vatni í gegnum gefa góða hugmynd um hvað verður um rafmagn í neytanda með innri viðnám.
Spenna:
Þegar tunnan er fyllt með vatni eykst vatnsþrýstingurinn við kranann. Vatnsþrýstinginn má líkja við hugmyndina um spennu í rafmagni. Kerfið verður að vera lokað, annars tæmist vatnið og það verður ekki lengur vatnsþrýstingur.
Rennsli:
Þegar við opnum kranann byrjar vatnið að 'flæða' í gegnum kranann. Vatnsrennslið má líkja við hugtakið straumur í rafmagni.
Viðnám:
Kraninn stjórnar mótstöðunni við vatnsrennsli. Eftir því sem kraninn er opnaður frekar minnkar viðnámið og straumurinn eykst.
Sama gildir um rafmagn. Með meiri viðnám í rafrásinni er minni straumur og öfugt. Viðnámið hefur engin áhrif á spennuna.
