Soggetti:
- Introduzione
- Nucleo atomico con elettroni
- Flusso di elettroni
- Corrente, tensione e resistenza
Introduzione:
Ogni tecnico automobilistico, dall'assistente allo specialista tecnico, ha a che fare con l'elettronica. Oltre all'elettronica dei sistemi di comfort e sicurezza come l'illuminazione, il motorino del tergicristallo e il sistema ABS, troviamo l'elettronica nel controllo del sistema di gestione del motore e sotto forma di reti di comunicazione (compreso il bus CAN). Sempre più veicoli vengono dotati anche di trasmissione elettrica. Chiunque voglia capire l'elettronica dovrebbe iniziare dalle basi. In questa sezione si inizia con una breve spiegazione degli elettroni che girano attorno ad un atomo e si passa velocemente agli schemi elettrici dove vengono spiegati in maniera pratica i concetti base dell'elettronica del veicolo.
Nucleo atomico con elettroni:
Secondo il modello atomico di Bohr, un atomo è costituito da un nucleo contenente protoni e neutroni, con gli elettroni che orbitano attorno ad esso in diversi gusci. L'atomo di rame contiene 29 protoni e 35 neutroni nel suo nucleo.
Gli elettroni si trovano in quattro gusci. La distribuzione degli elettroni su questi gusci è detta configurazione elettronica. Ogni guscio ha un numero massimo di posti per gli elettroni. Il primo guscio (K) ha spazio per due elettroni, il secondo guscio (L) per otto, il terzo guscio (M) per diciotto e gli altri gusci per 32 elettroni.
Gli elettroni nei tre gusci interni sono elettroni legati. Gli elettroni nel guscio esterno partecipano a legami e reazioni chimiche e sono anche chiamati “elettroni di valenza”. L'atomo di rame contiene un elettrone di valenza. Questi elettroni possono muoversi liberamente e spostarsi verso un altro atomo. Nel caso del filo di rame, i gusci esterni si sovrappongono e il singolo elettrone può muoversi attraverso il guscio dell’atomo vicino.
Donare l'elettrone di valenza è importante per questo argomento. Il salto dell'elettrone da un atomo all'altro rende possibile la conduzione del materiale. Materiali come rame, oro e alluminio hanno un elettrone di valenza nel guscio esterno. Al contrario, isolanti come plastica, vetro e aria non hanno un elettrone di valenza. Questo materiale è quindi anche non conduttivo.
Flusso di elettroni:
Nell'immagine successiva vediamo una batteria, una lampada, il conduttore (filo di rame) e un interruttore. A seconda della posizione dell'interruttore, la corrente può o meno fluire attraverso il circuito. Il rettangolo azzurro rappresenta il conduttore di rame con gli atomi di rame (giallo) e gli elettroni di mantovana che saltano (verde).
- Interruttore aperto: gli elettroni circolano attorno all'atomo di rame, ma non c'è flusso di elettroni attraverso il consumatore (la lampada). La lampada non è accesa;
- Interruttore chiuso: poiché la batteria crea una differenza di tensione, si verifica un flusso di elettroni dal meno al più. La corrente scorre attraverso la lampada e si accende a causa del flusso di elettroni e della differenza di tensione.
La corrente si sposta da – (meno) a + (più). Questa è la direzione effettiva del flusso. In passato si pensava che la corrente si spostasse dal più al meno, ma non è corretto. Tuttavia, per comodità, ci atteniamo a questa teoria e la chiamiamo “direzione tecnica del flusso”. Di seguito manterremo questa direzione tecnica del flusso, assumendo che il flusso vada dal più al meno.
Corrente, tensione e resistenza:
In questa sezione approfondiamo i tre concetti: corrente, tensione e resistenza. Incontriamo continuamente questi concetti nella tecnologia automobilistica. Corrente, tensione e resistenza hanno ciascuna la propria quantità, unità e simbolo.
- I = Corrente = Ampere (A)
- U = Tensione = Volt (V)
- R = Resistenza = Ohm (Ω)
Flusso: Nella sezione precedente abbiamo visto il flusso di elettroni attraverso un circuito. La quantità di elettroni che fluiscono attraverso una determinata area della sezione trasversale di un conduttore elettrico entro un secondo è chiamata corrente. L'unità di corrente è l'ampere (A). Una corrente di 1 A viene raggiunta quando 6,24 quintilioni (6.240.000.000.000.000.000) di elettroni sono fluiti attraverso una sezione trasversale in un secondo. Maggiore è il numero di elettroni che fluiscono in un dato periodo di tempo, maggiore è la corrente.
Per avere un'idea di quanta energia richiedono le utenze elettriche nella tecnologia automobilistica, ecco un elenco in cui la corrente è stimata con una tensione di carica di 14 volt:
- Motorino avviamento motore benzina: 40 – 80 A;
- Motorino avviamento motore diesel: 100 – 300 A;
- Bobina di accensione: da 3 a 6 A, a seconda del tipo;
- Iniettore carburante motore benzina: 4 – 6 A;
- Pompa elettrica del carburante: 4 – 12 A, a seconda della pressione e della portata;
- Ventola elettrica di raffreddamento: 10 – 50 A;
- Lampada H7 (anabbagliante alogena) da 55 Watt: 3,9 A;
- Lampada allo xeno da 35 Watt: 2,5 A;
- Lampade LED (controllate PWM e non tramite resistenza in serie): 0,6 – 1 A;
- Riscaldamento lunotto: 10 – 15 A;
- Riscaldamento sedili: 3 – 5 A per sedile;
- Autoradio di serie senza computer di bordo: ~5 A;
- Motorino tergicristallo: 2 -5 A a seconda della potenza;
- Motore del ventilatore interno: 2 – 30 A a seconda della velocità;
- Servosterzo elettrico: 2 – 40 A, a seconda della potenza.
Tensione: La tensione è la forza che fa muovere gli elettroni. La tensione è una misura della differenza di forza tra gli elettroni in due punti. La tensione viene misurata in volt, abbreviato in V. Nella tecnologia automobilistica lavoriamo con una “tensione nominale” di 12 volt. Ciò significa che la batteria e tutte le utenze elettriche funzionano a 12 volt. Tuttavia in pratica vediamo che la tensione non è mai esattamente di 12 volt, ma è sempre leggermente inferiore, ma spesso superiore. Inoltre, la tensione con la propulsione elettrica è molte volte superiore. Le utenze in un'auto consumano tensione. Prendiamo come esempio il lunotto termico: utilizza circa una corrente di 10 A con una tensione di 14 volt. Il flusso diventa niet si consuma e ritorna alla batteria. La tensione di 14 volt viene utilizzata nel riscaldamento del lunotto per riscaldarsi. Alla fine (lato terra) rimangono ancora 0 volt.
Per avere un'idea dei possibili livelli di tensione in un'autovettura, ecco un breve elenco delle tensioni che potremmo incontrare:
- Voltaggio della batteria: 11 – 14,8 V (batteria quasi scarica alla massima tensione di carica dell'alternatore);
- Tensione di apertura dell'iniettore piezoelettrico: brevemente 60 – 200 volt;
- Tensione di sistema di un veicolo con propulsione elettrica (ibrido o BEV): 200 – 800 volt.
Resistenza: ogni componente elettrico ha una resistenza interna. Questo valore di resistenza determina la quantità di corrente che fluirà. Maggiore è la resistenza, minore è la corrente. Il resistore ha la lettera R e l'unità Ohm. Come unità utilizziamo il segno omega dell'alfabeto greco: Ω. Possiamo usarne uno in un circuito elettrico resistenza aggiuntiva aggiungere per limitare la corrente.
Quando si verifica un cortocircuito, ad esempio quando un filo positivo tocca la carrozzeria, la resistenza è molto bassa. La corrente aumenta immediatamente finché non si brucia un fusibile per evitare danni. Nell'elenco seguente vediamo quanta resistenza hanno i componenti che incontriamo nella tecnologia automobilistica:
- Filo di rame lungo 2 metri e sezione 1,25 mm²: 0,028 Ω;
- Lampada (lampadina da 21 Watt): 1,25 Ω;
- Iniettore di carburante per motore a benzina (variante ad alta impedenza): 16 Ω;
- Sezione corrente di controllo relè: ~ 60 Ω;
- Sezione di potenza principale relè: < 0,1 Ω.
La resistenza di un componente spesso dipende dalla temperatura: ad esempio, la resistenza della lampada quando è accesa è molto più elevata che durante la misurazione a freddo, in cui la corrente diminuisce man mano che si scalda.
In sintesi: la resistenza di un componente elettrico determina la quantità di corrente che fluirà. Una piccola resistenza significa che scorrerà molta corrente. La tensione fornita (spesso intorno ai 12 volt) viene consumata nel componente elettrico, risultando in 0 volt sul lato terra. La potenza non viene consumata, quindi è altrettanto alta sul lato positivo che sul lato terra.
Per comprendere meglio i concetti, a volte è utile guardare l'esempio della botte d'acqua. La botte viene riempita d'acqua e chiusa sul fondo con un rubinetto. La tensione e il flusso dell'acqua attraverso il rubinetto che consente il passaggio di una certa quantità d'acqua, danno una buona idea di cosa succede all'elettricità in un consumatore con una resistenza interna.
Tensione:
Quando la botte è piena d'acqua, la pressione dell'acqua al rubinetto aumenta. La pressione dell'acqua può essere paragonata al concetto di tensione elettrica. L'impianto deve essere chiuso, altrimenti l'acqua verrà scaricata e non ci sarà più pressione idrica.
Flusso:
Quando apriamo il rubinetto, l'acqua inizia a "scorrere" attraverso il rubinetto. Il flusso d'acqua può essere paragonato al concetto di corrente elettrica.
Resistenza:
Il rubinetto regola la resistenza al passaggio del flusso d'acqua. Aprendo ulteriormente il rubinetto, la resistenza diminuisce e la corrente aumenta.
Lo stesso vale per l'elettricità. Maggiore è la resistenza nel circuito elettrico, minore è la corrente e viceversa. La resistenza non ha alcuna influenza sulla tensione.
