KURZUS: Járművillamosság és elektronika 1.

MODUL: I. modul

1. lecke: Alapfogalmak (villamos, mágneses), Félvezető eszközök alkalmazása gépjárművekben

| A lecke tanulásának a célja: Az eddig tanultak ismétlése a villamosság témakörében. A villamos és mágneses alapfogalmak, definíciók, félvezetők főbb tulajdonságainak megismerése. Alapkapcsolások, áramköri elemek tulajdonságainak megtanulása.
Szükségesen elsajátítandó: A definíciók ismerete villamosság témakörében, mértékegységekkel együtt. Egyes kémiai elemek tulajdonságai, paraméterei.
Oktatási segédlet: Endrődy-Nagy: Gépjármű villamos berendezések Tk. Bp. 1987. J 19-610 Schmidt-Rajki-Vincze: Járművillamosság Tk. Bp. 2002 Tom Denton: Automobile electrical and electronic systems, British Library 2012 4th edition Bosch műszaki útmutató füzetek, Maróti kiadó
Lecke elsajátításának időtartama: A lecke elsajátításához kb. 90 perc szükséges.
Alapfogalmak
Definíciók
Villamos áram: töltések rendezett irányú áramlása
Iránya: pozitívból negatívba mutat (technikai áramirány) negatívból pozitívba (elektronok valós irányú mozgása - fizikai áramirány)
Okozhatja: dörzs elektromosság, hő energia, galván- és indukciós elektromosság
Villamos áram hatásai (felhasználása járművekben):
Hőhatás (ablakfűtés) Elektromágneses (vezető körül mágneses tér) Vegyi (galvánelemek) Ívhatás (gyújtógyertya) Élettani (áramütés) Fény (izzólámpák)
Áramerősség: I (A) I=Q/t
Vezető keresztmetszetén egységnyi idő alatt átáramló töltésmennyiség 1 A az áram erőssége, ha vákuumban, két párhuzamos egyenes, végtelen hosszúságú, elhanyagolhatóan kicsiny kör keresztmetszetű, egymástól 1 m távolságban lévő vezető között méterenként 2x10-7 N erőt hoz létre.
Feszültség: U (V) U=W/Q
az elektromos töltésnek az A pontból a B pontba történő mozgatása során végzett munka (W) és az elektromosan töltött test töltésének (Q) a hányadosával meghatározott fizikai mennyiség. Egysége: J/C Elektromos potenciál: U(P) nevezzük A tér bármely pontjának (P), egy kitüntetett ponthoz (O) viszonyított feszültségét
Ellenállás: R (Ohm) R=U/I
Ohm-törvény: a vezetőn átfolyó áram erőssége egyenesen arányos a vezető két vége közti feszültséggel Fajlagos ellenállás: R= ρ l/A Vezetőképesség: G (Siemens)=1/R
Villamos munka: W=QU=ItU (J)
Villamos teljesítmény: P (Watt)=W/t=UI Kapacitás: C(F) C=Q/U (töltés befogadó képesség) a kondenzátorra vitt töltés (Q) és a kondenzátor fegyverzetei közötti feszültség (U) hányadosa. Egysége: C/V, röviden Farad.
Mágneses alapmennyiségek
Mágneses indukció: B (T) B=M/NIA
Mágneses fluxus: Φ (Weber)=BA
adott felületen áthaladó indukció vonalak száma
Mágneses térerő: H (A/m)
Magnetometer
1. ábra
Az 1. ábra mutatja a mágneses térerősség mérésére alkalmas magnetométert.
B=μ H= μ o μ r H , μ o =4 π 10 −7 Tm/A, μ: permeabilitás
μ r <<1 diamágneses anyag (fa, ezüst)
μ r >1 paramágneses anyag (Al, Pt, Mg, Ti, Cr, Mn, Mo, W)
μ r >>1 ferromágneses anyag (vas, nikkel, kobalt)
Egyenes tekercs (szolenoid) mágneses tere: az indukcióvonalak a tekercs belsejében párhuzamos egyenesek - azaz itt homogén a mágneses mező.
B=μ i N/l
A 2. ábra szemlélteti az egyenes tekercsek (szolenoid) mágneses erővonalait.
Áramjárta vezetőre ható erő: ha áram folyik egy mágneses mezőbe helyezett vezetőben, és az nem párhuzamos az indukcióvonalakkal, akkor a mágneses mező erőt fejt ki a vezetőre.
F=liB, másképpen F=QvB
Jobb kéz szabály: (i: hüvelyk-ujj, B: mutatóujj, F: középsőujj)
A 3. ábra szemlélteti a jobb kéz szabály egyes ujjainak jelentését.
Egyenes tekercs mágneses tere
2. ábra
Jobb kéz szabály magyarázatához
3. ábra
Időben változó mágneses mező
Mozgási indukció: ha egy vezető az indukcióvonalakat metszve mozog mágneses mezőben, akkor a végei közt feszültség (ha pedig a vezető egy zárt kör, akkor egyúttal elektromos áram) jön létre. Ezt a feszültséget illetve áramot indukált feszültségnek és áramnak nevezzük.
Faraday törvény:
U i n d =B⋅l⋅v U i n d =B⋅l⋅ s t =B⋅ A t = Φ t
Lenz-szabály: az indukált áram iránya mindig olyan, hogy annak mágneses mezeje akadályozza az indukáló folyamatot.
Önindukciós együttható: induktivitás (tekercsre)
U i n d =−N⋅ Δ Φ t U i n d =−L⋅ Δ I t
A hiszterézisgörbe által bezárt terület arányos a vasanyag átmágnesezéséhez szükséges energiával. A váltakozó irányú gerjesztéssel elvesző energia, a hiszterézisveszteség, hővé alakul át.
Mágneses térerő és induktivitás
4. ábra
A 4. ábra mutatja a hiszterézis veszteségeket.
Hall effektus
UH=RHBI/h
Gyújtásvezérlés Indukció, áram és teljesítmény mérés, Érintés-mentes vizsgálat
Az 5. ábrán látható a Hall szenzor elvi fizikai felépítése.
Hall szenzor fizikai felépítése
5. ábra
Tranziens jelenségek
Be és kikapcsoláskor
T=L/R és WL=Li2/2
Imax=U/R
RL kör kapcsolási rajza
6. ábra
A 6. ábra egy RL kör legegyszerűbb kapcsolási rajzát mutatja.
RL kör feszültség változása az idő függvényében
7. ábra
A 7. ábra az RL kör feszültség változását mutatja.
Tekercset kondenzátorral helyettesítve:
WC=CU2/2
Üres kondi rövidzárnak tekinthető. Áramot korlátozni kell ilyenkor.
T=RC
Ki és bekapcsolásnál nagy ugrások lehetnek.
RC kör kapcsolási rajza
8. ábra
A 8. ábra mutatja az RC kör kapcsolási rajzát.
Míg a 9. ábra a periódusos táblázatot ábrázolja.
Félvezetők
4 vegyértékű elemek (Si, Ge). Szén is az, egykristálya a gyémánt. Dotálással "szennyezzük":
Periódusos táblázat
9. ábra.
Dióda
Villamos visszacsapó szelep. P-n átmenetben a szabad elektronok a p rétegbe diffundálnak, míg a lyukak az n réteget pozitív töltésűvé teszik. Záró irányú feszültséget rákapcsolva a potenciálgát nő. Nyitó irányban (p-re pozitív, n-re negatív) potenciálgát csökken.
Diódák fajtái:
Egyenirányító diódák (Graetz híd) Jel (kapcsoló) diódák Teljesítmény diódák Feszültség stabilizálás (Zéner)
Dióda karakterisztika
10. ábra
A 11. ábra a diódák jelölését mutatja, míg a 12. ábra a Graetz-hidas egyenirányító kapcsolást ábrázolja az ellenálláson átfolyó áramával együtt.
Dióda jelölése
11. ábra
Graetz kapcsolás és áram karakterisztikája
12. ábra
Tranzisztorok
Három rétegből és két átmenetből áll.
N-p-n, ill. p-n-p
Három kivezetése (bázis, emitter, kollektor) van.
Bipoláris vagy térvezérelt, Erősítése β=50-200=IE/IB, Erősítés növelhető (Darlington kapcsolással), Járműben általában kapcsoló üzemben használjuk (gyors, nagy záró irányú és kicsi nyitó irányú ellenállás)
A 13. ábra egy lehetséges tranzisztor réteg sorrendet és a jelölését mutatja.
Tranzisztorok jelölése
13. ábra
Tirisztorok
Négy félvezető rétegből áll (pl. n-p-n-p). A 14. ábrán látható egy jellemző tirisztoros kapcsolás, jelölésével. A 15. ábra a tirisztor karakterisztikát mutatja nyitó és záró irányban.
Három pn átmenetet tartalmaz, három elektródája van (anód (p1), katód(n2), vezérlőelektród-gate (p2)).
Ha a katód pozitív az anódhoz képest a tirisztor nem vezet áramot. Ha az anód pozitív a katódhoz képest a tirisztor mindaddig nem vezet áramot, amíg a vezérlőelektródra megfelelő nagyságú vezérlőáramot nem kapcsolnak. A vezérlőáram hatására a tirisztor, feszültségesése igen kicsivé válik és a rajta átfolyó áram nagyságát a külső áramkör paraméterei határozzák meg.
A tirisztor áramát csak úgy lehet megszüntetni, hogy a rajta átfolyó áramot a külső áramkör paramétereinek megfelelő megváltoztatásával (pl. a feszültség csökkentésével) a tirisztorra jellemző tartóáramnál kisebb értékre csökkentik.
P2-re nyitó feszültséget kapcsolva, a tirisztor begyújt. Kikapcsolni Iv csökkentésével lehet. Kis vezérlő feszültséggel és lecsökkentett vezérlő árammal jól szabályozható a tirisztor.
Tirisztort működtető kapcsolás és jelölése
14. ábra
Tirisztor karakterisztikája
Tirisztor karakterisztikája
15. ábra
Triac
Két tirisztor közös gate-tel vezérelve adja a triac áramköri elemet. Mindkét irányban (záró és nyitó) szabályozható, emiatt is elterjedt. A 16. ábra a triac jelölését mutatja, míg a 17. ábra az áram-feszültség karkterisztikáját nyitó és záró irányban is.
Triac jelölése, félvezető rétegei
16. ábra
Triac áram- feszültség karakterisztikája
17. ábra

| Önellenőrző kérdések
1. kérdés: Az ellenállás melyik tényezőtől függ fordítottan?
| hossz
| vezetési ellenállás
| keresztmetszet
| idő
2. Melyik válasz igaz a feszültség definíciójára?
| U=IR
| U=W/Q
| U=UP-U0
3. Mi a mágneses indukció mértékegysége?
| Weber
| Farad
| Ohm
| Tesla
4. Mi a mágneses fluxus mértékegysége?
| Farad
| Tesla
| Ohm
| Weber
5. Mi az ellenállás mértékegysége?
| Ohm
| Tesla
| Farad
| Amper
6. Melyik anyag(ok) diamágneses?
| fa
| ezüst
| vas
| nikkel
| alumínium
7. Melyik anyagok paramágnesesek?
| fa
| wolfram
| alumínium
| ezüst
| vas
8. Mágneses térben mozgó vezető végpontjain indukálódó feszültség mivel arányos?
| mágneses permeabilitása
| villamos teljesítmény
| mágneses indukció
| elmozdulás sebessége
| vezető hossza
9. A Hall feszültség (UH) melyik tényezőtől függ fordítottan?
| mágneses indukció
| Hall szenzor vastagsága
| vezetőn átfolyó áramerősség
| Hall szenzor ellenállása
10. Mire kell figyelni RC áramkör bekapcsolásánál?
| az áram korlátozására
| feszültség meglétére
| ellenállás csökkentésére
| egyik előző válasz sem
11. Mivel tudunk félvezetőt p típusúvá "dotálni"?
| Indium
| Gallium
| Arzén
| Foszfor
| Antimon
12. Mivel tudunk félvezetőt n típusúvá "dotálni"?
| Arzén
| Foszfor
| Gallium
| Indium
13. Hány félvezető rétegből áll egy tirisztor?
| 4
| 3
| 2
| 1