Основные сведения по электротехнике

Электричество - это один из видов энергии, широко применяемых на современных автомобилях и др. технике.

Рис. 4.1. Принципиальная схема электрооборудования автомобиля

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 (рис. 4.1).

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(легковые автомобили),24 В(тяжелые грузовые автомобили, устанавливаются 2 батареи по 12 В каждая).

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 электрическим 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 автомобилях 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. 4.2. 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. 4.2, а).

При параллельном соединении источников тока соединяют между собой одноименные полюса (рис. 2, 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. 4.2, 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.

Рис. 4.3. Схема простейших электромашин: а - электродвигателя, б - генератора; 1 - щетка, 2 - токосъемник, 3 - проводник, 4 - полюсы магнита, 5 - аккумуляторная батарея. 6 - приводной шкив.

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. 4.3, а).

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. 4.3, 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.

Рис. 4.4. Полупроводниковые приборы: а - диод, б - триод; 1 - схема устройства, 2 – условное изображение; р u n- области полупроводника, Б - база, Э - эмиттер, К – коллектор

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.

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.4.4а). 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. 4.4, 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. 4.5. 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. 4.5, 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. 4.5, 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).

4.2.Источники тока