Электричество – это один из видов энергии, широко применяемых на современных автомобилях и комбайнах. Электрическая энергия на современных автомобилях применяется для пуска двигателя (стартером), зажигания горючей смеси (карбюраторных двигателей), звуковой и световой сигнализации, освещения пути движения и кабины, питания контрольно-измерительных приборов и вспомогательного оборудования.
Приборы, вырабатывающие электрическую энергию, называются источниками электрического тока, а потребляющие ее, – потребителями.
Источники тока – генератор и аккумуляторная батарея.
Потребители тока – стартер, приборы сигнализации и освещения, контрольно-измерительные приборы.
Источники электрического тока преобразуют механическую и химическую энергию в электрическую. Потребители служат для превращения энергии электрического тока в другой вид энергии (механическую, световую, звуковую, тепловую).
Приборы электрооборудования соединены по однопроводной системе, при которой вторым проводом служат металлические части машин – их «масса». С «массой» машины соединен отрицательный полюс источников питания, а с системой проводки – положительный. Напряжение в системе электрооборудования 12 В.
Электрический ток.
Каждый атом представляет собой миниатюрную солнечную систему со своим солнцем – ядром, включающим протоны (положительно заряженные частицы) и нейтроны, а планетами этой системы являются электроны. Орбиты электронов расположены в разных плоскостях и занимают строго определенные места, носящие название оболочек (в виде концентрических сфер). Внешнюю оболочку часто называют валентной, имея в виду, что количество электронов на ней определяет валентность атома (вещества). Валентным числом называют количество недостающих до стабильного состояния электронов или же, наоборот, количество электронов, которое атом способен отдать другому атому, чтобы стать стабильным. Стабильным является атом, на внешней оболочке которого имеются восемь электронов. На внешней оболочке атомов большинства металлов находятся один, два или три электрона. Эти электроны легко отрываются от атома и, став свободными, образуют поток электронов. Направленное движение электронов по проводнику называют электрический током.
Движение электронов в одном направлении называется постоянным током. Ток возникает в замкнутом проводнике под действием электродвижущей силы (ЭДС). Обязательное условие получения электрического тока – наличие источника тока и замкнутой электрической цепи. Электрическую цепь обычно образуют источники тока, потребители и соединяющие их провода.
Материалы, создающие незначительное сопротивление прохождению по ним электрического тока, называют проводниками. Хорошо проводят электрический ток металлы, уголь, водные растворы щелочей и кислот. В качестве проводников, соединяющих приборы электрооборудования, используют медную или алюминиевую проволоки.
Материалы, которые практически не проводят электрический ток при нормальных условиях, называют непроводниками или изоляторами. К ним относят эбонит, резину, пластмассы, ткани и др. Такие изоляторы используют в качестве оболочки для токонесущих проводов и основания приборов электрооборудования.
Приборы электрооборудования на тракторах, автомобилях и комбайнах питаются постоянным током. В каждом источнике постоянного тока различают два полюса: положительный (+) и отрицательный (-). Условно считают, что во внешней цепи постоянный ток движется от положительного полюса к отрицательному.
Потребители и источники могут быть соединены между собой последовательно и параллельно. При последовательном соединении источников тока положительный полюс одного источника соединяют с отрицательным полюсом другого. При этом общее напряжение равно сумме напряжений всех источников тока.
Рис. 1. Способы электрических соединений:
а –последовательное соединение источников тока, б – параллельное соединение источников тока,
в – последовательное соединение потребителей тока, г – параллельное соединение потребителей тока.
Например, при напряжении одного свинцового аккумулятора 2 В для получения напряжения 12 В нужно соединить последовательно шесть аккумуляторов (рис. 1, а).
При параллельном соединении источников тока соединяют между собой одноименные полюса (рис. 1, б). В данном примере при таком соединении общее напряжение источников тока будет таким же, как у одного источника тока, а емкость увеличится в шесть раз.
При последовательном соединении потребителей ток проходит через каждый потребитель, а при параллельном – поступает к каждому потребителю отдельно (рис. 1, в, г). Количество электричества, которое проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени, называется силой тока. Сила тока измеряется амперами (А). Работа электрического тока, выполненная за единицу времени, называется мощностью. Мощность измеряется ваттами (Вт).
Электромагнитная индукция.
Из физики известно, что если пропустить электрический ток по проводнику, то вокруг него создается магнитное поле. Если токонесущий проводник свернуть в спираль и в него поместить сердечник из малоуглеродистой стали, обладающий хорошей магнитной проводимостью, то образуется электромагнит, имеющий все свойства природного магнита. Магнитное поле электромагнита можно усилить, увеличивая число витков спирали или силу тока Электромагниты широко применяют в приборах электрооборудования (стартеры, генераторы, звуковые сигналы, контрольно-измерительные и другие приборы).
Если токонесущий проводник поместить в магнитное поле магнита (или электромагнита), то в результате взаимодействия магнитных полей проводника и магнита проводник будет выталкиваться. В указанном случае электрическая энергия превращается в механическую. На этом явлении основана работа электродвигателей (рис. 2, а).
Рис. 2. Схема простейших электромашин:
а – электродвигателя, б – генератора;
1 – щетка, 2 – токосъемник, 3 – проводник, 4 – полюсы магнита, 5 – аккумуляторная батарея,
6 – приводной шкив.
Если замкнутым проводником пересекать магнитные силовые линии магнита, то в проводнике возникает электрический ток. Это явление электромагнитной индукции используют для превращения механической энергии в электрическую, например в генераторах (рис. 2, б). Когда проводники генератора в которых индуктируется ток, образуют одну обмотку, то вырабатывается однофазный ток. Если проводники образуют три одинаковые обмотки, расположенные под углом 120°, то будет индуктироваться трехфазный ток.
Полупроводниковые приборы.
Материалы, занимающие по проводимости промежуточное положение между проводниками и изоляторами, называют полупроводниками. Их удельное сопротивление изменяется в зависимости от температуры (в обратной пропорциональности) и наличия посторонних примесей. К полупроводникам относятся некоторые металлы, их сплавы и окислы.
Наибольшее распространение для изготовления полупроводниковых приборов получили германий и кремний. Удельное сопротивление германия, например, в 30 млн. раз больше, чем у меди, и в миллион миллионов раз меньше, чем у фарфора Германий – это хрупкий серибристо-серый металл. Из предмета химии известно, что германий четырехвалентный элемент, т. е на внешней оболочке его атома имеется четыре электрона. В абсолютно чистом германии при очень низких температурах все электроны участвуют в парноэлектрических связях с электронами соседних атомов, образуя, как все твердые тела кристаллическую решетку. В таких условиях германий является изолятором (диэлектриком). Аналогичное строение имеет кристалл кремния.
В полупроводниках обычно присутствуют примеси. Полупроводники, содержащие трехвалентные примеси, такие, как алюминий или индий, называют акцепторами или типа р (от слова positive – положительный), так как они принимают на себя электроны.
Под действием тепловой или световой энергии кинетическая энергия электронов увеличивается и многие из них разрывают свои связи с атомами и становятся свободными. При наличии электрического поля свободные электроны получают направленное движение и в полупроводнике появляется электрический ток.
Рис. 3. Полупроводниковые приборы:
а – диод, б – триод;
1 – схема устройства, 2 – условное изображение;
р u n- области полупроводника,
Б – база, Э – эмиттер, К – коллектор
Полупроводники обладают свойством образовывать на граничной поверхности между полупроводником и металлом запирающий слой, пропускающий ток только в одном направлении. Такой двухэлектродный прибор называют полупроводниковым диодом (рис. 3, а). Запирающий слой образуется между р- и n- областями полупроводника, где происходит основной рабочий процесс (так называемый р-n-переход). Область р образуется в результате диффузии металла в полупроводник.
Устройство диода простое. Обычно в пластинку германия вплавляют каплю индия, а в пластинку кремния – каплю алюминия Прямым направлением тока будет направление, например, от алюминиевого электрода к пластинке полупроводника из кремния. Диоды применяют в качестве выпрямителей переменного тока.
Для стабилизации напряжения, т. е. поддержания его в определенных пределах, применяют стабилитроны, или пробойные диоды. Их рабочий режим осуществляется при пробое перехода обратным током.
Полупроводниковый прибор с двумя р-n-переходами (рис. 3, б), называемый триодом, или транзистором, состоит из полупроводниковой пластинки – базы и двух направленных капель (или слоев), образующих две зоны проводимости.
Пластина полупроводника в триоде называется базой (Б) или основанием. Слой (капля), к которому подводится напряжение, называется эмиттером (Э), а другой, с которого снимается напряжение, называется коллектором (К). Проводимостью транзистора управляют током, подводимым к базе, которая выполняется очень тонкой толщиной 10- 12 мкм.
В транзисторе различают базовый ток, идущий с эмиттера на базу, и коллекторный, идущий с эмиттера на коллектор. Базовый ток называют током управления, а коллекторный – основным током. Если базового тока нет, сопротивление триода достигает наибольшего значения (нескольких тысяч ОМ), и основной ток через триод в этом случае не проходит, т. е. транзистор заперт. Если ток пропущен через переход эмиттер – база, то потечет «ток базы». При этом электроны, проникнувшие в область базы из эмиттера, проскочат к переходу база – коллектор вследствие диффузии (так как толщина слоя базы меньше, чем диффузионная длина пробега электронов), где под влиянием электрического поля они будут втянуты в коллектор. Этот ток образует «ток коллектора». Транзистор в этом состоянии называется «открытым». Причем небольшой «ток базы» вызывает значительный «ток коллектора». Вследствие этого транзистор обладает усилительными свойствами.
Рис. 4. Схема работы транзистора
а – транзистор открыт, б – транзистор закрыт;
Т – транзистор, Б- база, К – коллектор, Г – гальванометр, Э – эмиттер,
R1 – переменный резистор, R2 – постоянный резистор.
Транзисторы применяют для усиления и прерывания тока, в цепи.
Рассмотрим простую схему работы транзистора прямой проводимости структурного типа р-п-р. Если движок переменного резистора R1 находится в верхнем (рис. 4, а) положении, то потенциал базы транзистора равен потенциалу коллектора В этом случае транзистор открыт и через него проходит максимально возможный ток.
Ток проходит по цепи, обозначенной на схеме голубым цветом: положительный зажим источника тока, Э-К-переход транзистора, гальванометр, резистор R2, отрицательный зажим источника тока.
Если движок переменного резистора находится в нижнем положении (рис. 4, б), то потенциал базы транзистора равен потенциалу эмиттера При этом транзистор закрыт и через него может проходить минимальный ток. Перемещая движок переменного резистора R1 от среднего положения, управляем значением тока (вверх – увеличиваем, вниз – уменьшаем).
Источниками электрического тока в автомобиле являются аккумуляторная батарея (попростому – аккумулятор) и генератор.
Аккумуляторная батарея (рис. 3.1) обеспечивает снабжение электрическим током его потребителей при неработающем двигателе, а также при его работе на небольших оборотах.
Для ее размещения в моторном отсеке предназначена специальная металлическая полка, на которой она стационарно устанавливается.
Аккумуляторная батарея
Рис. 3.1. Аккумуляторная батарея:
1 – положительная пластина; 2 – сепаратор; 3 – отрицательная пластина; 4 – корпус батареи; 5 – крышка секции батареи; 6 – пробка наливного отверстия; 7 – положительная выводная клемма; 8 – соединительный мостик; 9 – межэлементная перегородка; 10 – опорные пластины
Как и любая батарея, аккумулятор имеет «плюс» и «минус» на соответствующих полюсах. Минусовой полюс соединен с кузовом автомобиля и обеспечивает, как говорят водители, «выход на массу». Плюсовой полюс соединен с элек- трической цепью автомобиля, по которой ток передается потребителям с помощью системы проводов.
Аккумуляторная батарея состоит из шести отдельных аккумуляторов, которые находятся в одном корпусе и последовательно соединены между собой в единую электрическую сеть. В каждом аккумуляторе протекают электрохимические процессы, в результате которых получается ток напряжением 2 В.
В общей сложности на полюсах аккумуляторной батареи образуется постоянный ток напряжением 12 В.
Аккумуляторная батарея имеет маркировку установленного образца. Например, маркировку 6СТ-60А нужно понимать следующим образом:
- 6 – количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее (для всех легковых автомобилей эта цифра неизменна);
- СТ – тип аккумуляторной батареи (в данном случае – стартерная, позволяющая запускать двигатель с помощью мощного потребителя электроэнергии (стартера));
- 60 – емкость аккумуляторной батареи, которая измеряется в ампер-часах (в рассматриваемом примере – 60 А⋅ч);
- А – обозначение материала, из которого изготовлен корпус аккумуляторной батареи (в рассматриваемом примере – полипропилен).
Чем больше мощности требуется для запуска двигателя, тем большей емкостью должна обладать аккумуляторная батарея. Для стандартных «Жигулей» использовались батареи емкостью 55 А⋅ч. А вот для запуска дизельных двигателей такого аккумулятора может не хватить – им необходимо хотя бы 60-65 А⋅ч.
ПРИМЕЧАНИЕ
Средний срок службы новой аккумуляторной батареи при стандартных условиях эксплуатации – 2-3 года. Обычный гарантийный срок производителя – 12 месяцев.
Генератор – это источник электрического тока, обеспечивающий им всех потребителей при работе двигателя на высоких и средних оборотах (рис. 3.2). Кроме того, функцией генератора является подзарядка аккумуляторной батареи (при работающем двигателе). Без генератора аккумулятор очень быстро разрядится.
В электрическую цепь автомобиля генератор подключается параллельно аккумуляторной батарее (рис. 3.3). Следовательно, снабжать потребителей электрическим током и заряжать аккумулятор он будет только тогда, когда вырабатываемое им напряжение будет больше напряжения, выдаваемого аккумулятором.
Это происходит тогда, когда мотор автомобиля работает на оборотах выше холостых: напряжение электрического тока, который производится генератором, напрямую зависит от скорости вращения ротора генератора, имеющего привод от двигателя.
Генератор
Рис. 3.2. Генератор
Принципиальная электрическая схема генератора
Рис. 3.3. Принципиальная электрическая схема генератора:
1 – диоды выпрямительных блоков; 2 – обмотки статоров; 3 – обмотка возбуждения ротора; 4 – вывод клеммы; 5 – конденсатор; 6 – интегральный регулятор; 7 – вывод к клемме «Ш»
Иногда напряжение вырабатываемого генератором электрического тока может быть больше чем необходимо. Для предотвращения такой ситуации в автомобиле используется специальный прибор – регулятор напряжения. Он функционирует в паре с генератором, ограничивая напряжение производимого им тока в районе 13,6-14,2 В. Регулятор напряжения может быть вмонтирован в генератор или располагаться в моторном отсеке отдельно. На панели приборов любого автомобиля обязательно имеется красная лампочка заряда аккумуляторной батареи. Она всегда загорается при включении зажигания и гаснет после запуска двигателя.
Если же при работающем двигателе лампочка не погасла, это свидетельствует о проблемах в системе электропитания.
На любом автомобиле огромное значение имеет степень обеспечения потребителей электрическим током. Его использование определяется как принципом действия двигателя внутреннего сгорания, так и необходимостью обеспечения комфортности и условий перевозки пассажиров и груза.
ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ.
В то же время не любой источник электрической энергии можно установить на автомобиле. Он должен быть компактным, достаточно мощным и иметь длительный срок эксплуатации. На автомобиле используется электрическая энергия постоянного тока, как наиболее оптимальная с точки зрения ее хранения и выработки. Однако постоянный ток имеет особенность, которая заключается в том, что полярность подсоединения потребителей к источникам постоянна.
Поэтому вся система электрооборудования автомобиля разведена только плюсовым проводом, а роль минусового провода выполняет кузов автомобиля. Это определяет ограничения на применение электродуговых сварочных агрегатов при проведении ремонтных кузовных и некоторых других работ. Возможно использование сварочных агрегатов полуавтоматического типа при обязательном отключении потребителей от источников тока.
К источникам электроэнергии относятся аккумуляторная батарея (АБ) и генератор постоянного тока (ГПТ).
Аккумуляторная батарея представляет собой коробку, которую можно снять и поставить. При этом необходимо учитывать посадочные размеры установочного гнезда. Она предназначена для хранения электрической энергии постоянного тока обеспечения ею потребителей при неработающем двигателе и как аварийная, при выходе из строя генератора. Она разделена на банки, внутри которых размещены специальные пластины, взаимодействие которых с электролитом, залитым в банку, обеспечивает появление и хранение электрического тока. Электролит – это серная кислота, разведенная дистиллированной водой до плотности 1,25 – 1,27 г/ см3.
Выведенные по краям АБ клеммы с обозначениями на них (+) или (-), дают возможность подключить к ним потребителей, не путая полярности. Аккумуляторные батареи маркируются следующим образом, например: 6СТ55П.
- 6 – количество банок
- СТ – батарея стартерного типа, с пусковым током более 200 А.
- 55 – номинальная емкость в А/ч.
- П – вид исполнения корпуса (пластмассовый).
Разряжать батарею более, чем на 50% нельзя, это приведет к необратимым процессам внутри нее. В процессе эксплуатации батарею необходимо подзаряжать (заряжать). При движении длительное (более 2 часов) время это происходит от работающего генератора. В стационарных условиях батарею можно зарядить с помощью специального зарядного устройства. Кроме того, при активном разряде и заряде батареи в электролите выкипает дистиллированная вода, которую необходимо доливать.
Генератор представляет собой электрическую машину, которая приводится в движение – вращение его ротора – от двигателя. Он предназначен для выработки электрической энергии постоянного тока при работе двигателя и обеспечения этой энергией всех потребителей. Это основной вид выработки и потребления электроэнергии. При превышении выработанной электроэнергии над потреблением избыток направляется на подзарядку АБ.
К ним относятся:
- Внешние световые приборы (ВСП)
- Система зажигания
- Система пуска двигателя
- Контрольно-измерительные приборы и освещение салона, багажника и капота.
- Стеклоочистители и стеклоомыватели.
- Дополнительные электрические устройства.
Внешние световые приборы
К ним относятся:
Габаритные огни – спереди белого цвета, сзади красного цвета, немигающие.
Освещение заднего номерного знака – белого цвета, сзади, включается вместе с включением габаритных огней.
Фары ближнего и дальнего света. Цвет белый. Включаются поочередно (сначала ближний, затем дальний), только после включения габаритных огней. Могут мыть отдельными, объединенными в одну блок-фару, а также быть совмещенными в одной лампе, с разными нитями освещения.
Световые указатели поворота. Оранжевого цвета, мигающие, расположены спереди, сзади и по бокам. Могут выполнять дополнительную функцию – аварийная сигнализация, когда мигают одновременно все шесть световых указателей поворота.
Фонари сигналов торможения – сзади, два, немигающих, красного цвета.
Фонари заднего хода – сзади, один или два белого цвета, немигающие.
Дополнительно могут на некоторых автомобилях могут быть установлены противотуманные фары – спереди две, белого цвета, немигающие. Задний противотуманный фонарь, один, красного цвета, немигающий.
Система зажигания
Рабочая смесь в цилиндрах карбюраторного двигателя воспламеняется электрической искрой, которая проскакивает между электродами свечи зажигания. Воздушный промежуток между электродами свечи имеет боль-шое электрическое сопротивле-ние, поэтому между ними необходимо создать высокое напряжение, чтобы вызвать искровой разряд. Искровые разряды должны появляться при определенном положении поршней и клапанов в цилиндрах и чередоваться в соответствии с установленным по-рядком работы двигателя.
Эти требования обеспечиваются системой зажигания, состоящей из источников тока (аккумуляторная батарея и генератор), катушки зажигания, прерывателя-распределителя, конденсатора, свечей зажигания (по количеству цилиндров), выклю-чателя (замка) зажигания (имеет четыре положения), проводов высокого и низкого напряжения.
Замок зажигания, который имеет четыре положения: выключено, стоянка, зажигание, стартер. В замок зажигания вставляется ключ зажигания.
С помощью этого ключа зажигания можно выбрать режим использования автомобиля следующим образом.
В положении «выключено» ключ можно вынуть и вставить. Противоугонное (механическое) устройство включено. Автомобиль завести нельзя. Потребители электрической энергии по укороченной схеме, обеспечивающей потребности водителя при стоянке автомобиля, подсоединены к аккумуляторной батарее.
В положении «стоянка» на некоторых автомобилях ключ можно вынуть и вставить, а на некоторых это невозможно. Противоугонное (механическое) устройство выключено. Автомобиль завести нельзя. Потребители электрической энергии по укороченной схеме, обеспечивающей потребности водителя при стоянке автомобиля, подсоединены к аккумуляторной батарее.
В положении «зажигание» ключ вынуть нельзя. Это основное положение ключа, в котором он находится все время, пока работает двигатель. Автомобиль завести можно. Все потребители электрической энергии подсоединены, при неработающем двигателе к аккумуляторной батарее, а после пуска двигателя к генератору.
Положение «стартер» подпружинено так, чтобы после пуска двигателя ключ возвращался в положение «зажигание». После пуска отпущенный ключ возвращается в положение «зажигание», где находится все время, пока двигатель работает. Возврат ключа обязателен, так как скорость вращения стартера значительно меньше, чем скорость вращения маховика после пуска двигателя. Если маховик и стартер останутся в зацеплении, это может привести к выходу из строя стартера.
Поворот ключа на небольшой угол вызывает вращение стартера и пуск двигателя. Для того чтобы остановить двигатель ключ необходимо повернуть в положение «стоянка» или «выключено».
Система пуска двигателя
Она обеспечивает пуск двигателя с помощью стартера, приводящего во вращение маховик КШМ при обязательной подаче электрической энергии на катушку зажигания и далее по цепи.
Если система пуска двигателя не обеспечивает его пуск по причинам, связанным с разряженностью АБ, двигатель можно запустить резервным способом. Таких способов может быть несколько:
- При помощи другой АБ
- При помощи нескольких лиц, толкающих автомобиль
- При помощи буксирующего автомобиля
- На спуске с толчка.
Контрольно-измерительные приборы
К ним могут быть отнесены КИП, устанавливаемые в стандартном исполнении:
- Спидометр
- Указатель уровня топлива
- Указатель температуры охлаждающей жидкости
- Указатель давления масла
- Указатель заряженности аккумуляторной батареи
- Лампа (лампы в виде стрелок) сигнализирующая о включении световых указателей поворота (мигает)
- Лампа, сигнализирующая о включении габаритных огней (ближнего света)
- Лампа, сигнализирующая о включении дальнего света
- Лампа, сигнализирующая о включении стояночного тормоза (мигает) и неисправности тормозной системы (горит).
Дополнительные электрические устройства
К ним можно отнести:
- Звуковой сигнал
- Освещение панели приборов управления
- Радиоприемник, магнитола и т.п.
- Электростеклопакет
- Выдвижные антенны и т.д.