Предмети:
- Вступ
- Атомне ядро з електронами
- Потік електронів
- Струм, напруга і опір
Вступ:
Кожен автомайстер, від помічника до технічного спеціаліста, має справу з електронікою. На додаток до електроніки систем комфорту та безпеки, таких як освітлення, двигун склоочисника та система ABS, ми знаходимо електроніку в системі керування двигуном і у вигляді мереж зв’язку (включаючи шину CAN). Все більше транспортних засобів також отримують електричну трансмісію. Кожен, хто хоче зрозуміти електроніку, повинен почати з основ. У цьому розділі ми розпочнемо з короткого пояснення електронів, які обертаються навколо атома, і швидко перейдемо до електричних схем, де базові концепції електроніки автомобіля пояснюються практичним способом.
Атомне ядро з електронами:
Згідно з атомною моделлю Бора, атом складається з ядра, що містить протони та нейтрони, а електрони обертаються навколо нього в кількох оболонках. Атом міді містить у своєму ядрі 29 протонів і 35 нейтронів.
Електрони розташовані в чотирьох оболонках. Розподіл електронів по цих оболонках називається електронною конфігурацією. Кожна оболонка має максимальну кількість місць для електронів. Перша оболонка (K) має місце для двох електронів, друга оболонка (L) для восьми, третя оболонка (M) для вісімнадцяти і інші оболонки для 32 електронів.
Електрони у трьох внутрішніх оболонках є зв’язаними електронами. Електрони у зовнішній оболонці беруть участь у хімічних зв’язках і реакціях і також називаються «валентними електронами». Атом міді містить один валентний електрон. Ці електрони можуть вільно рухатися і переходити до іншого атома. У випадку мідного дроту зовнішні оболонки перекриваються, і один електрон може рухатися через оболонку сусіднього атома.
Віддача валентного електрона є важливою для цієї теми. Перестрибування електрона з одного атома на інший робить матеріал провідним. Такі матеріали, як мідь, золото та алюміній, мають валентний електрон у зовнішній оболонці. Навпаки, такі ізолятори, як пластик, скло та повітря, не мають валентного електрона. Тому цей матеріал також є непровідним.
Потік електронів:
На наступному зображенні ми бачимо батарею, лампу, провідник (мідний дріт) і вимикач. Залежно від положення перемикача струм може протікати або не протікати по ланцюгу. Світло-блакитний прямокутник представляє мідний провідник з атомами міді (жовтим) і стрибаючими валентними електронами (зеленим).
- Перемикач відкритий: електрони обертаються навколо атома міді, але через споживача (лампу) електрони не протікають. Лампа не горить;
- Перемикач закритий: оскільки батарея створює різницю напруги, відбувається потік електронів від мінуса до плюса. Струм протікає через лампу і включається за рахунок потоку електронів і різниці напруг.
Струм змінюється від – (мінус) до + (плюс). Це фактичний напрямок потоку. Раніше вважалося, що струм буде рухатися від плюса до мінуса, але це невірно. Але для зручності ми дотримуємося цієї теорії і називаємо її «напрямок технічного потоку». Далі ми будемо підтримувати цей технічний напрямок потоку, припускаючи, що потік йде від плюса до мінуса.
Струм, напруга та опір:
У цьому розділі ми збільшимо масштаб трьох понять: струму, напруги та опору. Ми постійно зустрічаємо ці концепції в автомобільній техніці. Струм, напруга та опір мають власну величину, одиницю та символ.
- I = Струм = Ампер (A)
- U = Напруга = Вольт (В)
- R = Опір = Ом (Ω)
Потік: У попередньому розділі ми бачили потік електронів у ланцюзі. Кількість електронів, що протікають через певну площу поперечного перерізу електричного провідника за одну секунду, називається струмом. Одиниця сили струму — ампер (А). Сила струму в 1 А досягається, коли 6,24 квінтильйонів (6.240.000.000.000.000.000 XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX) електронів протікають через поперечний переріз протягом однієї секунди. Чим більше електронів тече протягом заданого періоду часу, тим вищий струм.
Щоб отримати уявлення про те, яку потужність потребують споживачі електроенергії в автомобільній техніці, ось список, де струм оцінюється при зарядній напрузі 14 вольт:
- Стартер бензинового двигуна: 40 – 80 А;
- Стартер дизельного двигуна: 100 – 300 А;
- Котушка запалювання: від 3 до 6 А, залежно від типу;
- Паливний інжектор бензинового двигуна: 4 – 6 A;
- Електричний паливний насос: 4 – 12 А, залежно від тиску та витрати;
- Електричний вентилятор охолодження: 10 – 50 A;
- Лампа Н7 (галогенна ближнє світло) 55 Вт: 3,9 А;
- Ксенонова лампа 35 Вт: 2,5 А;
- Світлодіодні лампи (керовані ШІМ, а не через послідовний резистор): 0,6 – 1 А;
- Обігрів заднього скла: 10 – 15 А;
- Підігрів сидінь: 3 – 5 А на сидіння;
- Стандартна автомагнітола без бортового комп'ютера: ~5 А;
- Двигун склоочисника: 2 -5 А в залежності від потужності;
- Двигун внутрішнього вентилятора: 2 – 30 A залежно від швидкості;
- Електропідсилювач керма: 2 – 40 А в залежності від потужності.
Напруга: Напруга - це сила, яка змушує електрони рухатися. Напруга є мірою різниці сил між електронами в двох точках. Напруга вимірюється у вольтах, скорочено В. В автомобільній техніці ми працюємо з «номінальною напругою» 12 вольт. Це означає, що батарея та всі споживачі електроенергії базуються на 12 вольтах. Однак на практиці ми бачимо, що напруга ніколи не рівно 12 вольт, а завжди трохи нижче, але часто вище. Крім того, напруга з електричною тягою в рази вище. Споживачі в автомобілі споживають напругу. Візьмемо для прикладу обігрівач заднього скла: він використовує струм приблизно 10 ампер при напрузі 14 вольт. Потік стає Нієто витрачається та повертається до акумулятора. Напруга 14 вольт використовується для обігріву обігрівача заднього скла. На кінці (зі сторони землі) залишається 0 вольт.
Щоб отримати уявлення про можливі рівні напруги в легковому автомобілі, ось короткий перелік напруг, з якими ми можемо зіткнутися:
- Напруга акумулятора: 11 – 14,8 В (майже розряджений акумулятор до максимальної напруги зарядки генератора);
- Напруга відкриття п'єзоінжектора: короткочасно 60 – 200 вольт;
- Системна напруга транспортного засобу з електроприводом (гібрид або BEV): 200 – 800 вольт.
Опір: кожен електричний компонент має внутрішній опір. Це значення опору визначає силу струму. Чим вище опір, тим менше сила струму. Резистор має літеру R і одиницю Ом. Як одиницю ми використовуємо знак омега з грецького алфавіту: Ω. Ми можемо використовувати один в електричному ланцюзі додатковий опір додати для обмеження струму.
Коли відбувається коротке замикання, наприклад, коли плюсовий провід торкається кузова, виникає дуже низький опір. Струм негайно збільшується, поки не перегорить запобіжник, щоб запобігти пошкодженню. У наступному списку ми бачимо, який опір мають компоненти, які ми зустрічаємо в автомобільній техніці:
- Мідний дріт довжиною 2 метри і перерізом 1,25 мм²: 0,028 Ом;
- Лампа (лампочка 21 Вт): 1,25 Ом;
- Паливний інжектор бензинового двигуна (високоомний варіант): 16 Ом;
- Перетин реле контролю струму: ~ 60 Ом;
- Основна силова частина реле: < 0,1 Ом.
Опір компонента часто залежить від температури: наприклад, опір лампи, коли вона увімкнена, набагато вищий, ніж під час вимірювання, коли вона була холодною, у якій струм зменшується, коли вона стає теплішою.
Підсумовуючи: опір електричного компонента визначає силу струму. Малий опір означає, що буде текти великий струм. Напруга, що подається (часто близько 12 вольт), споживається електричним компонентом, що призводить до 0 вольт на стороні землі. Потужність не споживається, тому вона така ж висока як на плюсі, так і на землі.
Щоб краще зрозуміти поняття, іноді корисно поглянути на приклад бочки з водою. Бочка наповнюється водою і закривається знизу краном. Напруга і витрата води через кран, який пропускає певну кількість води, дають гарне уявлення про те, що відбувається з електрикою в споживачі з внутрішнім опором.
Напруга:
Коли бочка наповнюється водою, тиск води в крані зростає. Тиск води можна порівняти з поняттям напруги в електриці. Система повинна бути закрита, інакше вода стече і тиску води більше не буде.
Потік:
Коли ми відкриваємо кран, вода починає «текти» через кран. Потік води можна порівняти з поняттям струму в електриці.
Опір:
Кран регулює опір проходженню потоку води. При подальшому відкритті крана опір зменшується, а сила струму зростає.
Те саме стосується електроенергії. Чим більший опір в електричному колі, тим менший струм і навпаки. Опір не впливає на напругу.
