Автомобиль работающий с помощью тока

Как устроена электрическая установка автомобиля

Стандартная электрическая установка

Помимо основных цепей зарядки, пуска и зажигания, в электросистеме автомобиля есть цепи, отвечающие за работу освещения, датчиков, панели приборов, нагревательных элементов, магнитных замков, радиоприемника и т.д.

Все цепи замыкаются и размыкаются с помощью выключателей или реле, работающих на электромагнитах.

Электрический ток идет по одножильному кабелю от батареи к питаемым элементам и возвращается в батарею по металлическому корпусу. Корпус соединен с зажимом заземления батареи толстым кабелем.

Система связи с возвратом тока через землю

В отрицательной (-) системе связи с возвратом тока через землю ток течет от положительной (+) клеммы к управляемому компоненту. Компонент заземлен на корпус автомобиля, который, в свою очередь, подключен к отрицательной (-) клемме батареи.

Такой тип цепи называется системой связи с возвратом тока через землю, а все ее компоненты подключены к корпусу автомобиля (заземлены).

Сила тока измеряется в амперах (А), а энергия, которая тратится на передвижение тока по цепи, называется напряжением и измеряется в вольтах (В). Батареи современных машин рассчитаны на сеть с напряжением 12В. Емкость батареи измеряется в ампер-часах (А·ч). Батарея с емкостью 56 А·ч может генерировать ток силой в 1 ампер на протяжении 56 часов или ток силой 2 ампера на протяжении 28 часов.

Когда напряжение батареи падает, ток ослабевает, и в конечном итоге его не хватает для правильной работы компонентов цепи.

Ток, напряжение и сопротивление

Способность проводника препятствовать прохождению тока называется сопротивлением и измеряется в омах (Ом).

Тонкие проводники пропускают меньше тока, чем толстые, т.к. при уменьшении площади поперечного сечения снижается скорость движения электронов.

Тем не менее, компоненты, которые потребляют много тока, подключать тонкими проводами не рекомендуется. В противном случае провода перегреются, замкнутся и сгорят.

Все характеристики электрической цепи связаны между собой. Так, напряжение в 1В позволяет току силой 1А преодолеть сопротивление в 1Ом. Иными словами, А=В/Ом. Например, лампочка с сопротивлением в 3Ом, подключенная к сети с напряжением 12В, потребляет 4А.

Это означает, что лампочку необходимо подключать с использованием проводов, способных выдержать силу тока в 4А.

Зачастую энергопотребление (мощность) компонента обозначается в ваттах (Вт). Мощность можно найти, умножив амперы на вольты. В приведенном выше примере мощность лампочки составляет 48Вт.

Положительная и отрицательная полярность

Электрический ток течет в одном направлении от батареи, и некоторые компоненты цепи работают только при определенных условиях, связанных с направлением тока.

В этом случае говорят, что система обладает отрицательным заземлением. Эта информация пригодится при покупке приборов (например, радиоприемника). Если вы попытаетесь подключить приемник с неподходящей полярностью, он будет поврежден. Тем не менее, многие приемники оснащены внутренним переключателем, позволяющим изменить полярность перед установкой.

Короткие замыкания и предохранители

Короткие замыкания возникают при использовании проводов неподходящего размера, поломках и разрывах цепи. При замыкании ток игнорирует сопротивление компонента, может превысить допустимые значения, расплавить провода или вызвать возгорание.

Коробка предохранителей представляет собой набор компонентов, как показано на рисунке. Коробка изображена без крышки.

Для предотвращения замыканий вспомогательные цепи оборудованы предохранителями.

Для изготовления предохранителей выбирается кабель наименьшего диаметра, который может пропускать ток цепи без перегрева. Емкость предохранителя исчисляется в амперах.

При неожиданном всплеске тока предохранитель плавится, размыкая цепь.

Когда это происходит, необходимо проверить, что именно произошло с цепью (размыкание или короткое замыкание) и установить новый предохранитель (см. раздел «Проверка и замена предохранителей» или отрегулировать силу тока).

В обычном автомобиле очень много предохранителей, каждый из которых защищает небольшую группу компонентов. Это делается для того, чтобы один испортившийся предохранитель не нарушил работу всей системы. Некоторые предохранители находятся в коробке предохранителей, некоторые вмонтированы в электрическую цепь.

Последовательное и параллельное соединение

Как правило, электрическая цепь состоит из двух и более компонентов (например, осветительная цепь состоит из нескольких ламп). Способ соединения компонентов (параллельный или последовательный) играет огромную роль в работе с такой цепью.

Например, лампы в фарах обладают некоторым уровнем сопротивления, и для нормального свечения им необходимо потреблять ток определенной силы.

Если бы в автомобиле с двумя фарами, лампы были соединены последовательно, ток попадал бы в одну из них только после второй.

Иными словами, ток преодолевал бы сопротивление дважды, его сила уменьшилась бы вполовину, а лампы горели бы тускло.

При параллельном соединении ток проходит сквозь обе лампы одновременно.

Некоторые компоненты должны быть подключены последовательно. Например, при различных уровнях топлива датчик топливного бака обладает различным сопротивлением и посылает эти данные прибору для контроля.

Эти компоненты необходимо соединять последовательно, чтобы изменяющееся сопротивление датчика влияло на положение указателя на приборе.

Вспомогательные цепи

Стартерный мотор соединен с батареей отдельным толстым кабелем. Цепь зажигания посылает высоковольтные импульсы на свечи, а цепь зарядки включает в себя генератор, который заряжает батарею. Все остальные цепи называются вспомогательными (побочными).

Многие из них связаны с ключом зажигания и могут работать только в том случае, если ключ повернут.

В результате при выключении зажигания все цепи размыкаются и не разряжают батарею.

Тем не менее, боковые и задние фонари, которые часто работают даже у припаркованных автомобилей, работают независимо от зажигания.

При использовании дополнительных аксессуаров (например, обогревателя для заднего стекла, который потребляет много энергии), необходимо подключать их к цепи зажигания.

Кабели и печатные схемы

Приборы отсоединяются от печатных схем путем скручивания скоб.

Размер кабеля определяет максимальную силу тока, которую он может пропустить без повреждений.

Каждый автомобиль пронизан сложной сетью кабелей. Каждый кабель имеет свой цвет, уникальный в рамках одного автомобиля, т.е. единой цветовой разметки не существует.

В некоторых руководствах и справочниках содержатся сложные монтажные схемы с условными обозначениями, однако многим проще понять назначение кабеля по цвету.

Кабели, которые тянутся в одном и том же направлении, скрепляются пластиковой или тканной обмоткой, чтобы их можно было компактнее укладывать.

Такой пучок кабелей тянется через весь корпус автомобиля, а отдельные провода ответвляются от него по необходимости.

Современные автомобили вмещают в себя огромное количество проводов. В настоящее время производители все чаще заменяют пучки кабелей печатными схемами, которые располагаются на приборной панели.

В общем случае печатная схема представляет собой лист пластика с медными дорожками, к которым подключаются компоненты цепи.

Современные автомобили оснащены гибкими печатными схемами, т.е. медные дорожки печатаются на резине или гибком пластике. Такая схема полностью заменяет всю систему кабелей.

Источник

Почему автомобильные генераторы вырабатывают переменный ток?

Вот почему автомобили используют генераторы переменного тока, хотя все устройства на борту работают от постоянного электричества

Задумывались ли вы когда-нибудь о том, что питает все системы вашего автомобиля ? За счет чего заводится мотор, горят лампочки на приборной панели, движутся стрелки и работают бортовые компьютеры? Откуда берется электричество на борту? Конечно, их вырабатывает генератор и аккумулирует химический накопитель энергии многоразового действия – электрический аккумулятор. Это знают все. Скорее всего, вы также в курсе, что аккумуляторная батарея вырабатывает постоянный ток, который используется в любом автомобиле для запитывания приборов. Однако во всей этой стройной теории, проверенной практикой, присутствует одно странное звено, не желающее поддаваться логике, – генератор вырабатывает ток переменный, тогда как все механизмы на борту машины потребляют ток постоянный. Это не кажется вам странным? Почему так происходит?

На самом деле это интересный вопрос, потому что в этой истории на первый взгляд нет никакого смысла. Если все потребители электричества в вашем автомобиле работают на 12 вольтах постоянного тока, почему автопроизводители больше не используют генераторы, которые производят постоянный ток? Ведь раньше так и делали. Почему необходимо сперва сгенерировать переменный ток, а затем преобразовывать его в постоянное электричество?

Задавшись такого рода вопросами, мы начали докапываться до истины. Ведь есть же в этом какая-то тайная причина. И вот что мы выяснили.

Во-первых, давайте проясним, что мы подразумеваем под переменным и постоянным током. Автомобили используют постоянный ток, или прямой ток, как его еще называют. В названии скрыта суть феномена. Это тип электричества, который производится батареями, он течет в одном постоянном направлении. Этот же тип электричества производился генераторами, которые ставились на первые автомобили с начала 1900-х годов до 60-х годов прошлого века. На старушках ГАЗ М-20 «Победа» и ГАЗ-69 ставились именно генераторы постоянного тока.

Другой вид электричества – переменный ток – назван так из-за того, что он периодически обращает течение по направлению, а также изменяется по величине, сохраняя свое направление в электрической цепи неизменным. Доступ к этому типу электричества можно получить в любой розетке обычной квартиры по всему миру. Мы используем его для питания электроприборов в частных домах, зданиях, огни больших городов также дают свет благодаря переменному току, потому что его легче передавать на большие расстояния.

Большая часть электроники, в том числе почти вся в вашем автомобиле, использует постоянный ток, преобразуя переменный ток в постоянный для выполнения полезной работы. В бытовых приборах установлены так называемые блоки питания, в которых происходит конвертация одного вида энергии в другой. Побочным результатом работы преобразования является немного тепла на выходе. Чем сложнее бытовая утварь, к примеру компьютер или Smart TV, тем сложнее цепочка преобразований. В некоторых случаях переменный ток частично не изменяется, а лишь корректируется его частота. Поэтому очень важно при замене вышедшего из строя блока питания заменять его на оригинальный, требуемого типа. Иначе технике наступит очень быстрый конец.

Но что-то мы отошли от главных вопросов, поставленных на повестку дня сегодня.

Итак, зачем в автомобилях вырабатывать «неправильный» вид электричества?

В общем, ответ очень прост: таков принцип работы генератора переменного тока. Наиболее высокий КПД при переводе механической энергии вращения двигателя в электрическую энергию происходит именно по такому принципу. Но есть нюансы.

Кратко принцип работы автомобильного генератора таков:

При включении зажигания на обмотку возбуждения подается напряжение через блок щеток и контактные кольца.

Инициируется появление магнитного поля.

Магнитное поле воздействует на обмотки статора, что приводит к появлению электрического переменного тока.

Далее переменный ток отправляется на выпрямительный блок, где происходит его преобразование в постоянный ток.

Завершающая стадия «готовки» правильного тока – регулятор напряжения.

После всего процесса часть электричества запитывает электропотребители, часть идет на подзарядку аккумулятора, некоторая часть уходит обратно на щетки альтернатора (так когда-то называли генератор переменного тока) для самовозбуждения генератора.

Выше был описан принцип работы современного генератора переменного тока, но так было не всегда. Ранние автомобили с двигателями внутреннего сгорания использовали магнето – простейшее приспособление для преобразования механической энергии в электрическую (переменного тока). Внешне, да и внутренне, эти машинки были даже схожи с более поздними генераторами, но использовались на очень простых автомобильных электрических системах без батарей. Все было просто и безотказно. Не зря некоторые сохранившиеся до наших времен 90-летние автомобили заводятся до сих пор.

Индукторы (второе название магнето) впервые были разработаны человеком с неподражаемым именем – Ипполит Пикси.

На данный момент мы с вами выяснили, что тип вырабатываемого генераторами тока зависит от продуктивности перевода механической энергии в электрическую, но также немаловажную роль во всей этой истории сыграло снижение массы и габаритов устройства по сравнению с аналогичными по мощности устройствами-производителями постоянного тока. Разница в весе и габаритах оказалась почти в три раза! Но есть еще один секрет, почему автомобильные генераторы сегодня вырабатывают переменный ток. Вкратце это более передовой эволюционный путь развития генераторов постоянного тока, которых, признаться честно, по сути, и не существовало в чистом виде.

Историческая справка:

Более того, генераторы постоянного тока на самом деле также производили переменный ток, когда якорь (подвижная часть) вращался внутри статора (внешний «корпус», который имеет постоянное магнитное поле). Разве что частота тока была иной и «сгладить» ее в постоянный ток можно было проще – при помощи коммутатора.

Коммутатором тогда называлось механическое приспособление с вращающимся цилиндром, поделенным на сегменты с щетками для создания электрического контакта.

Система работала, но была неидеальна. В ней было множество механических частей, контактные щетки быстро изнашивались, и общая надежность системы была так себе. Тем не менее это был лучший способ получить постоянный ток, который был нужен вам для зарядки аккумулятора и системы запуска автомобиля.

Так было до конца 1950-х годов, когда начала появляться твердотельная электроника, ставшая решением проблемы преобразования переменного тока в постоянный посредством кремниевых диодных выпрямителей.

Эти выпрямители тока (иногда называемые диодным мостом) показали себя с гораздо лучшей стороны в качестве преобразователей переменного тока в постоянный, что, в свою очередь, позволило использовать более простые, а значит, более надежные генераторы переменного тока в автомобилях.

Первым зарубежным автопроизводителем, который развил эту идею и вывел ее на рынок легковых автомобилей, был Chrysler, имевший опыт работы с выпрямителями и электронными регуляторами напряжения благодаря исследовательской работе, спонсируемой Министерством обороны США. В Википедии отмечается, что американская разработка «…повторяла разработку авторов из СССР», первая конструкция генератора переменного тока была представлена в Советском Союзе за шесть лет до этого. Единственным, но важным улучшением американцев стало применение кремниевых выпрямительных диодов вместо селеновых.

В СССР же, хоть и опоздали на 7 лет с введением в серию генераторов переменного тока на легковые автомобили, опередили весь мир в самой разработке новых типов генераторов. Еще в 1955 году на Горьковском автозаводе было выпущено 2.000 машин с альтернаторами вместо магнето.

«Одними из ведущих разработчиков, благодаря которым в СССР и на европейском континенте появилась первая серийная конструкция генераторов переменного тока, были Ю. А. Купеев (НИИ автоприборов) и В. И. Василевский (КЗАТЭ г. Самара)», – говорится на страницах Википедии.

Итог. Почему генераторы на авто вырабатывают переменный ток?

Ну, а мы завершаем наш рассказ. Первым легковым автомобилем, в базовой комплектации которого устанавливался генератор новой конструкции, стал Plymouth 1960 года выпуска. Некоторыми из наиболее очевидных преимуществ генератора было то, что на низкой скорости или на холостом ходу он по-прежнему производил достаточно тока, чтобы заряжать аккумулятор, что большинство генераторов того времени были не в состоянии сделать.

Оказалось, что альтернаторы, после того как был налажен массовый выпуск, производить дешевле, чем генераторы старой конструкции, они надежнее, выносливее и производят больше электричества на разных скоростях вращения коленчатого вала. Они сделали настолько большой шаг вперед, что все их плюсы запросто перекрывали единственный минус – они не могли производить постоянный ток. Позиция закрепилась после того, как инженерами был разработан дешевый и надежный твердотельный выпрямитель.

Источник

Электрика автомобиля: краткое обучение для автолюбителя

Электрический ток

Современный автомобиль не может работать без электричества. При помощи электрического тока происходит зажигание рабочей
смеси в бензиновых двигателях, пуск двигателя стартером, приводятся в действие световая и звуковая сигнализация, контрольно-измерительные
приборы, освещение и дополнительное оборудование. Кроме того, тенденции мирового автомобилестроения в последнее время направлены на все более
широкое применение электрической тяги в автомобилях (гибридные силовые установки, топливные элементы и электромобили).

Для получения электрической энергии на автомобиле устанавливают источники электрического тока- генератор и аккумуляторную батарею.
Аккумулятор используется для пуска двигателя и для питания электроприборов при неработающем двигателе. Генератор питает электрооборудование автомобиля при работающем двигателе, и, кроме того, подзаряжает аккумуляторную батарею. Генератор превращает механическую энергию от вращения коленвала в электрическую, а аккумулятор- химическую энергию в электрическую.

Генератор и аккумулятор относятся к источникам электрического тока, все остальные электроприборы автомобиля являются его потребителями. Источники и потребители электрического тока соединяются между собой с помощью проводников, в качестве которых, как правило, служит медный провод. Провод обязательно должен находиться в изоляции во избежание замыкания с другими проводниками и, как следствие, перегорания электроприборов.

Все материалы по электропроводности делятся на проводники и непроводники (изоляторы). Не вдаваясь в дебри физики, просто отметим, что в проводниках
находится большое количество свободных электронов, которые хаотично движутся. При приложении электрического напряжения к проводнику свободные электроны начинают двигаться в одном направлении, создавая электрический ток. В изоляторах же свободных электронов практически нет, поэтому и ток создавать нечем. К проводникам относится большинство металлов, уголь, водные растворы щелочей и кислот. К изоляторам- резина, пластмассы, стекло и т.п.

Если источник тока, провода и потребители соединить между собой в замкнутый контур, то мы получим электрическую цепь, по которой потечет электрический ток. Характерной особенностью электрической цепи на автомобиле является то, что одним из проводов служит масса (металлические части кузова автомобиля), а другим проводом служат изолированные провода. Поэтому такая электрическая цепь называется однопроводной.

Между полюсами (выводами) любого источника тока существует электрическое напряжение (обозначается U), измеряемое в вольтах. Сила электрического тока (обозначается I) измеряется в амперах. Всякий проводник и потребитель создает сопротивление электрическому току (обозначается R), которое измеряется в омах. Между этими тремя величинами существует зависимость, которую выражает знаменитый закон Ома: I = U / R. Работа электрического тока, выполненная за 1 секунду, называется мощностью. Мощность измеряется в ваттах и обозначается P. Мощность можно рассчитать по формуле P = U * I. Электрический ток, проходящий через проводник, нагревает его. Количество выделяемого при этом тепла зависит от силы тока, сопротивления и времени прохождения тока.

На автомобилях приборы электрооборудования питаются постоянным током. Постоянным называется ток, который движется в проводнике только
в одном направлении, в отличие от переменного тока, который движется в проводнике попеременно то в одном, то в другом направлении.
В каждом источнике постоянного тока различают два полюса: положительный (+) и отрицательный (-). Условно считают, что постоянный ток в цепи движется
от положительного полюса к отрицательному. На автомобилях отрицательный полюс источника тока соединяют с массой (если, конечно, кузов металлический).

Потребители или источники тока могут быть соединены между собой последовательно или параллельно. При последовательном соединении отрицательный полюс одного источника тока соединяют с положительным полюсом другого. В результате такого соединения общее напряжение будет равно сумме напряжений всех источников тока. При параллельном соединении источников тока соединяют между собой одноименные полюса- положительные с положительными, отрицательные с отрицательными. При таком соединении общее напряжение будет таким же, как у одного источника тока, а сила тока увеличится во столько раз, сколько источников тока соединены между собой.

При последовательном соединении потребителей весь ток проходит через каждый потребитель. Если выйдет из строя один из потребителей, обесточивается вся цепь. При параллельном соединении ток, разветвляясь, поступает к каждому потребителю отдельно. В этом случае выход из строя любого потребителя не влияет на работоспособность остальных.

Магнетизм и электромагнетизм

Все знают, что такое магнит. Также все замечали, что магниты притягивают к себе стальные предметы не только при непосредственном соприкосновении, но
и на расстоянии, что свидетельствует о наличии вокруг них магнитного поля. Каждый магнит имеет два полюса, которые условно называют северным (N) и южным (S). При сближении одноименных полюсов двух магнитов они отталкиваются, а при сближении разноименных полюсов- притягиваются.

Магнитное поле, созданное вокруг магнитов, состоит из магнитных силовых линий, направленных от северного полюса к южному. С удалением от магнита величина магнитного поля уменьшается.

Если через проводник пропустить электрический ток, то вокруг него создается кольцевое магнитное поле без выраженных полюсов. Если же проводник свернуть в виде спирали, то при прохождении по нему тока магнитное поле образует на концах спирали полюса- северный и южный. Если в середину такой катушки поместить стальной сердечник, то образуется электромагнит, имеющий все свойства обычного магнита (очень наглядно это показано в мультфильме “Ивашка из дворца пионеров”, где главный герой с помощью электромагнита расправляется с Кащеем Бессмертным).

Магнитное поле электромагнита можно увеличивать или уменьшать, изменяя силу тока или количество витков катушки. С увеличением силы тока или количества витков электромагнита увеличивается его магнитное поле.

Если проводник с током поместить в магнитное поле магнита (электромагнита), то в результате взаимодействия магнитных полей проводника и магнита проводник будет выталкиваться, т.е. электрическая энергия будет превращаться в механическую. На этом явлении основана работа электродвигателей.

Для превращения механической энергии в электрическую используют явление электромагнитной индукции. Если замкнутый проводник вращать в магнитном поле, то в проводнике возникает электрический ток. Величина тока зависит от длины проводника, скорости пересечения,плотности магнитного поля и угла, под которым пересекаются магнитные силовые линии. На этом явлении основана работа генератора.

Вы, конечно же обратили внимание, что картинки практически одинаковы? Не удивляйтесь, это свидетельство обратимости электрических машин. Обратимость электрических машин — одинаковое устройство преобразователей электрической энергии в механическую и механической в электрическую. Таким образом, электрические машины взаимозаменяемы: любой электродвигатель может использоваться в качестве генератора и наоборот. Приоритетная функция электрической машины определяет её конструктивные особенности, вследствие которых обратимость становится неравномерной. Говоря по-русски, электрогенератор будет работать лучше, чем используемый в качестве генератора соответствующий по размерам электродвигатель, и наоборот.

Обозначения на электрических схемах

Обозначения на схемах электрооборудования автомобиля, как правило, интуитивно понятны. Но, для общего развития, не мешает знать и некоторые специфические условные обозначения.

Источник