Emner:
- introduksjon
- Atomkjerne med elektroner
- Elektronstrøm
- Strøm, spenning og motstand
Forord:
Hver biltekniker, fra assistent til teknisk spesialist, må forholde seg til elektronikk. I tillegg til elektronikken til komfort- og sikkerhetssystemer som belysning, vindusviskermotoren og ABS-systemet finner vi elektronikk i styringen av motorstyringssystemet og i form av kommunikasjonsnettverk (inkludert CAN-buss). Stadig flere kjøretøy får også elektrisk drivverk. Alle som ønsker å forstå elektronikk bør begynne med det grunnleggende. I denne delen starter vi med en kort forklaring av elektronene som sirkler rundt et atom, og vi går raskt videre til elektriske diagrammer der de grunnleggende konseptene for kjøretøyelektronikk forklares på en praktisk måte.
Atomkjerne med elektroner:
I følge Bohrs atommodell består et atom av en kjerne som inneholder protoner og nøytroner, med elektroner som går i bane rundt seg i flere skall. Kobberatomet inneholder 29 protoner og 35 nøytroner i kjernen.
Elektronene er plassert i fire skall. Fordelingen av elektronene over disse skallene kalles elektronkonfigurasjonen. Hvert skall har et maksimalt antall plasser for elektroner. Det første skallet (K) har plass til to elektroner, det andre skallet (L) for åtte, det tredje skallet (M) for atten og det andre skallet for 32 elektroner.
Elektronene i de tre indre skallene er bundne elektroner. Elektronene i det ytre skallet deltar i kjemiske bindinger og reaksjoner og kalles også "valenselektroner". Kobberatomet inneholder ett valenselektron. Disse elektronene kan bevege seg fritt og flytte til et annet atom. Når det gjelder kobbertråd, overlapper de ytre skallene og enkeltelektronet kan bevege seg over skallet til naboatomet.
Å donere valenselektronet er viktig for dette emnet. Spranget av elektronet fra ett atom til et annet gjør det mulig for materialet å lede. Materialer som kobber, gull og aluminium har et valenselektron i det ytre skallet. I motsetning til dette har ikke isolatorer som plast, glass og luft et valenselektron. Dette materialet er derfor også ikke-ledende.
Elektronstrøm:
På det neste bildet ser vi et batteri, en lampe, lederen (kobbertråd) og en bryter. Avhengig av posisjonen til bryteren, kan strømmen flyte gjennom kretsen eller ikke. Det lyseblå rektangelet representerer kobberlederen med kobberatomene (gule) og de hoppende valanselektronene (grønne).
- Bryter åpen: elektronene sirkler rundt kobberatomet, men det er ingen elektronstrøm gjennom forbrukeren (lampen). Lampen lyser ikke;
- Bryter lukket: fordi batteriet skaper en spenningsforskjell, oppstår en elektronstrøm fra minus til pluss. Strømmen går gjennom lampen og tennes på grunn av elektronstrømmen og spenningsforskjellen.
Strømmen beveger seg fra – (minus) til + (pluss). Dette er den faktiske strømningsretningen. Tidligere trodde man at strømmen skulle gå fra pluss til minus, men det er ikke riktig. Likevel, for enkelhets skyld, holder vi oss til denne teorien og kaller den den "tekniske flytretningen". I det følgende vil vi opprettholde denne tekniske strømningsretningen, forutsatt at strømmen går fra pluss til minus.
Strøm, spenning og motstand:
I denne delen zoomer vi inn på de tre begrepene: strøm, spenning og motstand. Vi møter disse konseptene hele tiden innen bilteknologi. Strøm, spenning og motstand har hver sin mengde, enhet og symbol.
- I = Strøm = Ampere (A)
- U = Spenning = Volt (V)
- R = Motstand = Ohm (Ω)
Strømme: I forrige avsnitt så vi strømmen av elektroner gjennom en krets. Mengden elektroner som strømmer gjennom et visst tverrsnittsareal av en elektrisk leder i løpet av ett sekund kalles strømmen. Enheten for strøm er ampere (A). En strøm på 1 A oppnås når 6,24 kvintillioner (6.240.000.000.000.000.000) elektroner har strømmet gjennom et tverrsnitt i løpet av ett sekund. Jo flere elektroner som strømmer innenfor en gitt tidsperiode, jo høyere er strømmen.
For å få innsikt i hvor mye strøm de elektriske forbrukerne innen bilteknologi krever, er her en liste der strømmen er estimert til en ladespenning på 14 volt:
- Bensinmotor startmotor: 40 – 80 A;
- Dieselmotor startmotor: 100 – 300 A;
- Tennspole: 3 til 6 A, avhengig av type;
- Bensinmotor drivstoffinjektor: 4 – 6 A;
- Elektrisk drivstoffpumpe: 4 – 12 A, avhengig av trykk og strømning;
- Elektrisk kjølevifte: 10 – 50 A;
- H7 lampe (halogen nærlys) på 55 Watt: 3,9 A;
- 35 Watt xenonlampe: 2,5 A;
- LED-lamper (PWM-styrt og ikke via seriemotstand): 0,6 – 1 A;
- Bakrutevarme: 10 – 15 A;
- Setevarme: 3 – 5 A per sete;
- Standard bilradio uten datamaskin ombord: ~5 A;
- Viskermotor: 2 -5 A avhengig av effekt;
- Innvendig viftemotor: 2 – 30 A avhengig av hastighet;
- Elektrisk servostyring: 2 – 40 A, avhengig av effekt.
Spenning: Spenningen er kraften som får elektronene til å bevege seg. Spenningen er et mål på forskjellen i kraft mellom elektroner i to punkter. Spenningen måles i volt, forkortet til V. I bilteknologi jobber vi med en "nominell spenning" på 12 volt. Dette betyr at batteriet og alle elektriske forbrukere er basert på 12 volt. Men i praksis ser vi at spenningen aldri er nøyaktig 12 volt, men alltid litt lavere, men ofte høyere. I tillegg er spenningen med elektrisk fremdrift mange ganger høyere. Forbrukerne i en bil bruker spenning. La oss ta bakrutevarmeren som et eksempel: den bruker omtrent en strøm på 10 ampere ved en spenning på 14 volt. Strømmen blir niet er oppbrukt og går tilbake til batteriet. 14 volt spenningen brukes i bakrutevarmeren for å varme opp. På enden (jordsiden) er det fortsatt 0 volt igjen.
For å få innsikt i mulige spenningsnivåer i en personbil, her er en kort liste over spenninger som vi kan møte:
- Batterispenning: 11 – 14,8 v (nesten tomt batteri til maksimal ladespenning for dynamo);
- Piezo-injektorens åpningsspenning: kort 60 – 200 volt;
- Systemspenning til et kjøretøy med elektrisk fremdrift (hybrid eller BEV): 200 – 800 volt.
Motstand: hver elektrisk komponent har en indre motstand. Denne motstandsverdien bestemmer hvor mye strøm som skal flyte. Jo høyere motstand, jo lavere er strømmen. Motstanden har bokstaven R og enheten Ohm. Som enhet bruker vi omega-tegnet fra det greske alfabetet: Ω. Vi kan bruke en i en elektrisk krets ekstra motstand legg til for å begrense strømmen.
Når det lages en kortslutning, for eksempel når en positiv ledning berører karosseriet, er det svært lav motstand. Strømmen øker umiddelbart inntil en sikring går for å forhindre skade. I den følgende listen ser vi hvor mye motstand komponentene vi møter i bilteknologi har:
- Kobbertråd på 2 meter lang og et tverrsnitt på 1,25 mm²: 0,028 Ω;
- Lampe (21 Watt lyspære): 1,25 Ω;
- Bensinmotor drivstoffinjektor (høyimpedansvarianten): 16 Ω;
- Relékontrollstrømseksjon: ~ 60 Ω;
- Relé hovedstrømseksjon: < 0,1 Ω.
Motstanden til en komponent avhenger ofte av temperaturen: for eksempel er motstanden til lampen når den er på mye høyere enn under målingen da den var kald, der strømmen avtar når den blir varmere.
Oppsummert: motstanden til en elektrisk komponent bestemmer hvor mye strøm som skal flyte. Lite motstand betyr at mye strøm vil flyte. Den tilførte spenningen (ofte rundt 12 volt) forbrukes i den elektriske komponenten, noe som resulterer i 0 volt på jordsiden. Strøm forbrukes ikke, så den ligger like høyt på plusssiden som på bakkesiden.
For bedre å forstå konseptene er det noen ganger nyttig å se på eksemplet med vanntønnen. Tønnen fylles med vann og lukkes i bunnen med en kran. Spenningen og strømmen av vann gjennom springen som lar en viss mengde vann passere, gir en god ide om hva som skjer med elektrisitet i en forbruker med en intern motstand.
Spenning:
Når fatet fylles med vann, øker vanntrykket ved springen. Vanntrykket kan sammenlignes med begrepet spenning i elektrisitet. Systemet må være lukket, ellers vil vannet renne ut og det vil ikke lenger være noe vanntrykk.
Strømme:
Når vi åpner kranen, begynner vannet å 'renne' gjennom springen. Vannstrømmen kan sammenlignes med begrepet strøm i elektrisitet.
Motstand:
Kranen regulerer motstanden mot passasje av vannstrøm. Etter hvert som kranen åpnes ytterligere, synker motstanden og strømmen øker.
Det samme gjelder elektrisitet. Med mer motstand i den elektriske kretsen blir det mindre strøm og omvendt. Motstanden har ingen innvirkning på spenningen.
