Przedmioty:
- Wprowadzenie
- Jądro atomowe z elektronami
- Przepływ elektronów
- Prąd, napięcie i rezystancja
Przedmowa:
Każdy technik samochodowy, od asystenta po specjalistę technicznego, ma do czynienia z elektroniką. Oprócz elektroniki systemów komfortu i bezpieczeństwa, takich jak oświetlenie, silnik wycieraczek i system ABS, elektronikę znajdziemy w sterowaniu systemem zarządzania pracą silnika oraz w postaci sieci komunikacyjnych (m.in. magistrali CAN). Coraz więcej pojazdów otrzymuje także elektryczny układ napędowy. Każdy, kto chce zrozumieć elektronikę, powinien zacząć od podstaw. W tej części zaczynamy od krótkiego wyjaśnienia elektronów krążących wokół atomu i szybko przechodzimy do schematów elektrycznych, na których w praktyczny sposób wyjaśniane są podstawowe pojęcia z zakresu elektroniki samochodowej.
Jądro atomowe z elektronami:
Według modelu atomu Bohra atom składa się z jądra zawierającego protony i neutrony, a wokół niego krążą elektrony w kilku powłokach. Atom miedzi zawiera w swoim jądrze 29 protonów i 35 neutronów.
Elektrony znajdują się na czterech powłokach. Rozkład elektronów na tych powłokach nazywany jest konfiguracją elektronową. Każda powłoka ma maksymalną liczbę miejsc na elektrony. Na pierwszej powłoce (K) jest miejsce na dwa elektrony, na drugiej powłoce (L) na osiem, na trzeciej powłoce (M) na osiemnaście, a na pozostałych 32 elektronach.
Elektrony w trzech wewnętrznych powłokach są elektronami związanymi. Elektrony w powłoce zewnętrznej biorą udział w wiązaniach i reakcjach chemicznych i nazywane są także „elektronami walencyjnymi”. Atom miedzi zawiera jeden elektron walencyjny. Elektrony te mogą się swobodnie poruszać i przemieszczać do innego atomu. W przypadku drutu miedzianego zewnętrzne powłoki zachodzą na siebie i pojedynczy elektron może przemieszczać się po powłoce sąsiedniego atomu.
Oddanie elektronu walencyjnego jest ważne w tym temacie. Przeskakiwanie elektronu z jednego atomu na drugi umożliwia materiałowi przewodzenie. Materiały takie jak miedź, złoto i aluminium mają elektron walencyjny na zewnętrznej powłoce. Natomiast izolatory, takie jak plastik, szkło i powietrze, nie mają elektronu walencyjnego. Materiał ten jest zatem również nieprzewodzący.
Przepływ elektronów:
Na następnym obrazku widzimy baterię, lampę, przewodnik (drut miedziany) i przełącznik. W zależności od położenia przełącznika prąd może płynąć przez obwód lub nie. Jasnoniebieski prostokąt przedstawia miedziany przewodnik z atomami miedzi (żółty) i przeskakującymi elektronami walencyjnymi (zielony).
- Przełącznik otwarty: elektrony krążą wokół atomu miedzi, ale przez odbiornik (lampę) nie przepływają elektrony. Lampa nie świeci;
- Przełącznik zamknięty: ponieważ bateria wytwarza różnicę napięcia, przepływ elektronów następuje od minus do plusa. Prąd przepływa przez lampę i włącza się z powodu przepływu elektronów i różnicy napięcia.
Prąd przesuwa się od – (minus) do + (plus). To jest rzeczywisty kierunek przepływu. Kiedyś sądzono, że prąd będzie przemieszczał się od plusa do minusa, ale nie jest to prawidłowe. Jednak dla wygody trzymamy się tej teorii i nazywamy ją „technicznym kierunkiem przepływu”. W dalszej części utrzymamy ten techniczny kierunek przepływu, zakładając, że przepływ przebiega od plusa do minusa.
Prąd, napięcie i rezystancja:
W tej sekcji przybliżymy trzy pojęcia: prąd, napięcie i rezystancję. W technice motoryzacyjnej stale spotykamy się z tymi koncepcjami. Prąd, napięcie i rezystancja mają swoją własną wielkość, jednostkę i symbol.
- I = prąd = amper (A)
- U = napięcie = wolt (V)
- R = rezystancja = om (Ω)
Pływ: W poprzedniej części widzieliśmy przepływ elektronów w obwodzie. Ilość elektronów przepływających przez określony obszar przekroju poprzecznego przewodnika elektrycznego w ciągu jednej sekundy nazywa się prądem. Jednostką prądu jest amper (A). Prąd o natężeniu 1 A osiąga się, gdy w ciągu jednej sekundy przez przekrój poprzeczny przepłynie 6,24 trylionów (6.240.000.000.000.000.000 XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX) elektronów. Im więcej elektronów przepływa w danym okresie czasu, tym większy jest prąd.
Aby uzyskać wgląd w to, ile mocy wymagają odbiorniki energii elektrycznej w technologii motoryzacyjnej, podajemy listę, na której prąd jest szacowany przy napięciu ładowania wynoszącym 14 woltów:
- Rozrusznik silnika benzynowego: 40 – 80 A;
- Rozrusznik silnika Diesla: 100 – 300 A;
- Cewka zapłonowa: 3 do 6 A, w zależności od typu;
- Wtryskiwacz paliwa silnika benzynowego: 4 – 6 A;
- Elektryczna pompa paliwa: 4 – 12 A, w zależności od ciśnienia i przepływu;
- Elektryczny wentylator chłodzący: 10 – 50 A;
- Lampa H7 (halogenowe światła mijania) o mocy 55 W: 3,9 A;
- Lampa ksenonowa 35 W: 2,5 A;
- Lampy LED (sterowane PWM, a nie poprzez rezystor szeregowy): 0,6 – 1 A;
- Ogrzewanie tylnej szyby: 10 – 15 A;
- Ogrzewanie siedzenia: 3 – 5 A na siedzenie;
- Standardowe radio samochodowe bez komputera pokładowego: ~5 A;
- Silnik wycieraczek: 2 -5 A w zależności od mocy;
- Silnik wentylatora wewnętrznego: 2 – 30 A w zależności od prędkości;
- Elektryczne wspomaganie kierownicy: 2 – 40 A, w zależności od mocy.
Napięcie: Napięcie to siła powodująca ruch elektronów. Napięcie jest miarą różnicy sił między elektronami w dwóch punktach. Napięcie mierzone jest w woltach, w skrócie V. W technologii motoryzacyjnej pracujemy z „napięciem nominalnym” wynoszącym 12 woltów. Oznacza to, że akumulator i wszystkie odbiorniki energii elektrycznej są zasilane napięciem 12 woltów. Jednak w praktyce widzimy, że napięcie nigdy nie wynosi dokładnie 12 woltów, ale zawsze jest nieco niższe, ale często wyższe. Poza tym napięcie przy napędzie elektrycznym jest wielokrotnie wyższe. Odbiorcy w samochodzie zużywają napięcie. Weźmy jako przykład ogrzewanie tylnej szyby: pobiera ono prąd o natężeniu około 10 amperów przy napięciu 14 woltów. Przepływ staje się niet zużywa się i wraca do akumulatora. Do nagrzewania ogrzewania tylnej szyby wykorzystywane jest napięcie 14 V. Na końcu (od strony masy) pozostało jeszcze 0 woltów.
Aby uzyskać wgląd w możliwe poziomy napięć w samochodzie osobowym, oto krótka lista napięć, które możemy napotkać:
- Napięcie akumulatora: 11 – 14,8 V (akumulator prawie pusty do maksymalnego napięcia ładowania alternatora);
- Napięcie otwarcia wtryskiwacza piezoelektrycznego: krótko 60 – 200 V;
- Napięcie systemowe pojazdu o napędzie elektrycznym (hybrydowy lub BEV): 200 – 800 woltów.
Stoisko: każdy element elektryczny ma rezystancję wewnętrzną. Ta wartość rezystancji określa, ile prądu będzie przepływać. Im wyższy opór, tym niższy prąd. Rezystor ma literę R i jednostkę Ohm. Jako jednostkę używamy znaku omega z alfabetu greckiego: Ω. Możemy użyć jednego w obwodzie elektrycznym dodatkowy opór dodać, aby ograniczyć prąd.
W przypadku zwarcia, na przykład gdy przewód dodatni dotyka nadwozia, rezystancja jest bardzo niska. Prąd natychmiast wzrasta, aż do przepalenia bezpiecznika, aby zapobiec uszkodzeniu. Na poniższym zestawieniu widzimy, jak duży opór mają podzespoły, z którymi spotykamy się w technice motoryzacyjnej:
- Drut miedziany o długości 2 metrów i przekroju 1,25 mm²: 0,028 Ω;
- Lampa (żarówka 21 W): 1,25 Ω;
- Wtryskiwacz paliwa silnika benzynowego (wariant wysokoomowy): 16 Ω;
- Sekcja prądowa sterowania przekaźnikiem: ~ 60 Ω;
- Główna sekcja zasilania przekaźnika: < 0,1 Ω.
Rezystancja elementu często zależy od temperatury: na przykład rezystancja włączonej lampy jest znacznie większa niż podczas pomiaru, gdy jest zimna, gdy prąd maleje wraz ze wzrostem temperatury.
W podsumowaniu: rezystancja elementu elektrycznego określa wielkość przepływu prądu. Mały opór oznacza, że będzie płynął duży prąd. Dostarczone napięcie (często około 12 woltów) jest zużywane w elemencie elektrycznym, co daje 0 woltów po stronie masy. Energia nie jest pobierana, więc po stronie plusa jest tak samo wysoka, jak po stronie masy.
Aby lepiej zrozumieć pojęcia, czasami warto spojrzeć na przykład beczki z wodą. Beczka napełniana jest wodą i zamykana od dołu kranem. Napięcie i przepływ wody przez kran, który pozwala na przepuszczenie określonej ilości wody, dają dobre pojęcie o tym, co dzieje się z energią elektryczną w odbiorniku posiadającym opór wewnętrzny.
Napięcie:
Po napełnieniu beczki wodą wzrasta ciśnienie wody w kranie. Ciśnienie wody można porównać do pojęcia napięcia w elektryczności. System musi być zamknięty, w przeciwnym razie woda spłynie i nie będzie już ciśnienia wody.
Pływ:
Gdy odkręcimy kran, woda zaczyna „przepływać” przez kran. Przepływ wody można porównać do pojęcia prądu w elektryczności.
Stoisko:
Bateria reguluje opór przepływu wody. W miarę dalszego otwierania kranu opór maleje, a prąd wzrasta.
To samo dotyczy prądu. Im większy opór w obwodzie elektrycznym, tym mniej prądu i odwrotnie. Rezystancja nie ma wpływu na napięcie.
