Chương 1 THIẾT BỊ ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG TRÊN Ô TÔ doc

Dòng điện trong dây dẫn Việc truyền các nguyên tử tự do này trong các nguyên tử kim loại sẽ tạo ra điện.. Khi đặt một điện áp vào cả 2 đầu của một dây dẫn kim loại, các điện tử chạy từ c

Chương 1

THIẾT BỊ ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG TRÊN

Ô TÔ

I CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN

1 Khái quát về điện

Các thiết bị điện được sử dụng trong nhiều hệ thống của ô tô và có các chức năng khác nhau

Hình 1 Các thiết bị điện

1.1 Các chức năng của điện

- Chức năng phát nhiệt

trở, như cái châm thuốc lá, cầu chì

- Chức năng phát sáng

Ánh sáng được phát ra khi điện đi qua một điện trở, như một bóng đèn phát sáng

- Chức năng từ tính

Một lực từ được tạo ra khi điện đi qua một dây dẫn hoặc cuộn dây, như cuộn dây đánh

lửa, máy phát điện, kim phun

Mọi chất đều có các nguyên tử, các nguyên tử gồm

có hạt nhân và các điện tử Một nguyên tử kim loại

có các điện tử tự do Các điện tử tự do là các điện tử

có thể chuyển động tự do từ các nguyên tử

Hình 2 Dòng điện trong dây dẫn

Việc truyền các nguyên tử tự do này trong các nguyên tử kim loại sẽ tạo ra điện Do đó điện chạy qua một mạch điện là sự di chuyển của các điện tử trong một dây dẫn Khi đặt một điện áp vào cả 2 đầu của một dây dẫn kim loại, các điện tử chạy từ cực âm đến cực dương Chiều chuyển động của dòng điện tử ngược chiều với chiều của dòng điện

1.2 Ba yếu tố của điện

Điện bao gồm ba yếu tố cơ bản:

Công suất được đo bằng Watt (W), và 1W là lượng công nhận được khi một điện áp là 1

V đặt vào một điện trở của phụ tải tạo ra dòng điện là 1A trong một giây

Công suất được tính theo công thức sau:

P = U.I

- P: Công suất, đơn vị : W

- I: Dòng điện, đơn vị : A

- U: Điện áp, đơn vị : V

Ví dụ:

Nếu đặt 5A của một dòng điện trong thời gian một giây, bằng một điện áp là 12V, thì thiết bị điện này thực hiện được công là 60W (5 x 12 = 60)

1.4 Dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều

Một dòng điện có chiều không thay đổi với một biên độ không thay đổi được gọi là dòng điện một chiều Mặt khác, một dòng điện thay đổi chiều và có biên độ thay đổi được gọi

là dòng điện xoay chiều

- Dòng điện xoay chiều (AC)

Đây là loại dòng điện đổi chiều theo các chu kỳ đều đặn Điện tại các ổ cắm trong nhà hoặc nguồn điện 3 pha công nghiệp được sử dụng trong các nhà máy là một số ví dụ

2 Điện trở

Điện trở sử dụng trên ô tô có nhiều dạng khác nhau Một điện trở khá thông dụng trong

kỹ thuật điện tử cũng như trong ô tô là điện trở than Điện trở than gồm hỗn hợp bột than

và các chất khác được pha trộn theo tỉ lệ khác nhau nên có trị số điện trở khác nhau Bênngoài điện trở được bọc bằng lớp cách điện Trị số của điện trở được ký hiệu bằng cácvòng màu

Hình dáng của điện trở than và các vòng màu như Hình 4.

Trong trường hợp đặc biệt, nếu không có vòng số 4 (loại điện trở có 3 vòng màu) thì sai

số là 20%

Cách đọc:

Đọc từ trái sang phải Vạch đầu tiên và vạch thứ hai biểu thị giá trị thực của điện trở, vạch thứ ba biểu thị thang nhân 10x (với x là giá trị tương ứng với giá trị của màu), vạch thứ tư là dung sai của điện trở

Lưu ý khi mua điện trở:

Người ta không thể chế tạo điện trở có đủ tất cả trị số từ nhỏ nhất đến lớn nhất mà chỉ chếtạo các điện trở có trị số theo tiêu chuẩn với vòng màu số một và vòng màu số hai có giá trị như sau:

Hình 4 Vạch màu của điện trở

(số thứ nhất)

Vòng số 2 (số thứ hai)

Vòng số 3 (số bội)

Vòng số 4 (sai số)

Bảng 2 Giá trị của các vạch màu

Đối với điện trở có 5 vòng màu, cách đọc tương tự như điện trở 4 vòng màu, chỉ khác là 3vòng màu đầu tiên chỉ 3 số, vòng 4 chỉ số bội, vòng 5 là sai số

Điện trở nhiệt:(Thermistor) Là loại điện trở nhiệt có trị số thay đổi theo nhiệt độ Nhiệt

trở thường dùng để ổn định nhiệt cho các tầng khuyếch đại công suất hay làm linh kiệncảm biến trong các hệ thống điều khiển tự động theo nhiệt độ

Hình 5 Nhiệt điện trở

Có hai loại nhiệt trở:

- Điện trở nhiệt có hệ số nhiệt điện trở âm là loại nhiệt điện trở khi nhận nhiệt độ cao hơnthì trị số điện trở giảm xuống và ngược lại

- Điện trở nhiệt có hệ số nhiệt điện trở dương là loại nhiệt điện trở khi nhận được nhiệt độcao hơn thì trị số điện trở tăng lên

Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt âm là một loại bán dẫn có điện trở thay đổi theo các biến đổi về nhiệt độ Nói khác đi, nhiệt điện trở có thể xác định nhiệt độ bằng cách dò điện trở

Hình 6 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Ví dụ về ứng dụng:

Trong các xe ô tô, các nhiệt điện trở được sử dụng trong cảm biến nhiệt độ nước và cảm biến nhiệt độ không khí nạp, v.v

Phần tử áp điện:

Điện trở của một phần tử áp điện sẽ thay đổi khi nó chịu áp suất hoặc lực căng

Hình 7 Phần tử áp điện Hình 8 Tụ điện

3 Tụ điện

Một tụ điện có các điện cực, gồm có 2 tấm kim loại hoặc các màng kim loại đối diện với nhau Chất cách điện (hoặc chất điện môi), có thể làm bằng các chất cách điện khác nhau,được đặt giữa các điện cực Trong sơ đồ này, không khí có tác dụng như chất cách điện Khi đặt điện áp vào cả 2 điện cực bằng cách nối các cực âm và dương của một ắc quy,các điện cực sẽ tích điện dương và âm Khi các điện cực của một tụ điện tích điện bị đoảnmạch, sẽ có một dòng điện tức thời chạy từ bản cực (+) đến bản cực (-) làm trung hòa tụđiện Vì vậy tụ điện này được phóng điện Ngoài chức năng tích điện mô tả trên đây, mộtđặc điểm đáng kể của một tụ điện là nó ngăn không cho dòng điện một chiều chạy qua

Một số mạch điện sử dụng chức năng tích điện của tụ điện như:

Mạch điều chỉnh đối với nguồn điện, một dòng điện dự phòng cho bộ vi xử lí, một mạch định thời sử dụng lượng thời gian cần thiết để nạp và phóng điện cho tụ điện, mạch dùng

tụ để ngăn dòng điện một chiều, các bộ lọc để trích hoặc loại bỏ các thành phần cụ thể của tần số Bằng cách dùng các đặc điểm này, các tụ điện được sử dụng trong các mạch

điện của ô tô cho nhiều mục đích, chẳng hạn như để loại trừ nhiễu hoặc thay thế cho nguồn điện hoặc một công tắc

Các đặc điểm tích điện của tụ điện

Khi đặt một điện áp của dòng điện một chiều vào tụ điện đã phóng điện hoàn toàn, dòngđiện sẽ bắt đầu chạy ở một tốc độ nhanh Sau khi tụ điện bắt đầu tích điện, dòng điện sẽgiảm xuống Cuối cùng, khi dung lượng tĩnh điện (khả năng tích điện của tụ điện) của tụđiện đã đạt được, dòng điện sẽ dừng chạy Điện áp của tụ điện ở thời điểm này bằng điện

áp đặt

Hình 9 Hoạt động phóng nạp của tụ điện

4 Công tắc, cầu chì và relay

4.1 Công tắc

Công tắc là một thiết bị đóng ngắt dòng điện do con người tác động Do yêu cầu về thẩm

mỹ và không gian lắp đặt nên kích thước công tắc ngày càng nhỏ gọn hơn Công tắc cũng

có nhiều loại khác nhau tùy thuộc vào công dụng của nó

- Công tắc xoay

Hình 10 Công tắc xoay

- Công tắc ấn, công tắc bập bênh

Hình 8 Công tắc ấn Hình 11 Công tắc bập bênh

- Công tắc cần, công tắc phát hiện nhiệt độ

Sơ đồ ở Hình 15 mô tả cơ chế làm việc của một relay Khi đóng công tắc, dòng điện chạygiữa các điểm 1 và 2, do đó từ hóa cuộn dây Lực từ của cuộn dây hút tiếp điểm di độnggiữa các điểm 3 và 4 Do đó, các điểm 3 và 4 đóng lại và để dòng điện chạy vào bóngđèn Vì vậy qua việc sử dụng một relay, công tắc và dây dẫn đến công tắc có thể có côngsuất thấp

Hình 17 Mạch điện điều khiển

Loại này thường đóng, và chỉ mở khi cuộn dây được cấp điện (C) trong sơ đồ này

- Loại 2 tiếp điểm:

Loại này chuyển mạch giữa hai tiếp điểm, tùy theo trạng thái của cuộn dây (D) trong sơ đồ này

(D) (B)

Như vậy, khi dây dẫn được dịch chuyển giữa các cực từ, dây dẫn sẽ đi qua và cắt từthông, sinh ra một dòng điện Vì vậy, nếu dịch chuyển dây dẫn song song với từ thông,

sẽ không sinh ra dòng điện

Hiện tượng sinh ra dòng điện này được gọi là cảm ứng điện từ, và dòng điện chạy qua dây dẫn được gọi là dòng cảm ứng

Hình 19 Cảm ứng điện từ Hình 20 Quy tắc bàn tay phải

Dòng cảm ứng này được tạo ra bởi sức điện động do kết quả của cảm ứng điện từ Do đó sức điện động này được gọi là sức điện động cảm ứng

Chiều dòng điện

Hình 18 cho thấy mối quan hệ giữa chiều của từ trường, chiều của dòng điện cảm ứng, vàchiều di chuyển của dây dẫn Mối quan hệ này được gọi là quy tắc bàn tay phải củaFleming

5.2 Nguyên lí về máy phát điện

Đại lượng và chiều của sức điện động cảm ứng được tạo ra bằng cách quay một cuộn dây

sẽ thay đổi theo vị trí của cuộn dây này

Trong sơ đồ (1) ở Hình 18, dòng điện chạy từ chổi than A đến bóng đèn Trong sơ đồ (2),nguồn điện của dòng ngưng lại Trong sơ đồ (3) dòng điện chạy từ chổi than B đến bóng đèn

Do đó dòng điện được tạo ra bởi thiết bị này là dòng điện xoay chiều Do đó thiết bị này được gọi là máy phát điện xoay chiều

Hình 21 Nguyên lý máy phát điện xoay chiều

5.3 Hiệu ứng tự cảm

Do đó, các thay đổi của từ thông sinh ra dòng điện hoặc đóng ngắt dòng điện qua cuộn dây này làm cho cuộn dây đó sinh ra sức điện động Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng tự cảm

Hiệu ứng cảm ứng tương hỗ

Hai cuộn dây được bố trí như trong sơ đồ Khi dòng điện chạy qua một cuộn dây (cuộndây sơ cấp) bị thay đổi, một sức điện động sẽ được tạo ra trong cuộn dây kia (cuộn dâythứ cấp) theo chiều ngăn không cho từ thông ở cuộn dây sơ cấp thay đổi Hiện tượng nàyđược gọi là hiệu ứng cảm ứng tương hỗ

Hình 23 Hiệu ứng cảm ứng tương hỗ

Một bô bin sử dụng hiệu ứng này Bô bin

có chứa cuộn dây đánh lửa của ô tô để tạo ra điện áp cao đặt vào bugi Khi duy trì một dòng điện không đổi qua cuộn dây sơ cấp thì không có sức điện động nào được tạo ra trên cuộn thứ cấp Khi dòng điện sơ cấp bị ngắt bằng cách xoay công tắc từ vị trí ON (mở) đến OFF (ngắt), từ thông được tạo ra bởi dòng điện sơ cấp ngắt đột ngột Do đó một sức điện động sẽ được tạo ra trong cuộn dây thứ cấp theo chiều sẽ ngăn từ thông không bị khử đi

Một bô bin sẽ cho phép dòng điện chạy vào cuộn sơ cấp, và khi dòng điện này bị ngắt, điện áp cao được tạo ra trên cuộn thứ cấp thông qua hiệu ứng tự cảm tương

hỗ

Sức điện động tự cảm được tạo ra bởi thiết bị này sẽ thay đổi theo các điều kiện sau đây:

- Thay đổi tốc độ của từ thông:

Một thay đổi xuất hiện trong một thời gian ngắn sẽ tạo ra một sức điện động lớn hơn

- Lượng từ thông:

Lượng từ thông thay đổi càng lớn, sức điện động càng lớn

- Số vòng dây của cuộn dây thứ cấp: Với cùng mức thay đổi về từ thông, số vòng dây càng lớn thì sức điện động càng lớn

Do đó để sinh ra một điện áp thứ cấp cao, dòng điện chạy vào cuộn sơ cấp phải càng lớncàng tốt, và sau đó dòng điện này cần được ngắt đột ngột

Khi cần đo một đại lượng nào đó: điện trở, điện áp xoay chiều, một chiều, phải chọn thang đo thích hợp để đảm bảo giá trị đo chính xác và tránh hư hỏng cho đồng hồ.

6.2 Đo điện áp của dòng điện xoay chiều

Đặt công tắc chọn chức năng vào phạm vi đo điện áp của dòng điện một chiều Đặt đầu

đo âm, màu đen vào mát, đầu đo dương, màu đỏ vào khu vực được thử, và đọc giá trị đo

6.4 Đo điện trở

Mục đích:

Để đo điện trở của một biến trở, thông mạch của một mạch điện, đoản mạch (0 ), mạch

hở (∞)

Phương pháp đo:

Đặt công tắc chọn chức năng vào vị trí đo điện trở/thông mạch (Nếu màn hình thể hiện “

“ vào thời điểm này, đồng hồ đo đang ở chế độ thử thông mạch Do đó bấm công tắcchọn chế độ để chuyển đồng hồ đo vào chế độ kiểm tra điện trở) Sau đó đặt đầu thử vàomỗi đầu của một điện trở hoặc một cuộn dây để đo điện trở Phải bảo đảm rằng không đặtđiện áp vào điện trở ở thời điểm này Không thể đo được diode trong phạm vi này, vìđiện áp được sử dụng của diode thấp

Hình 27 Đo điện trở Hình 28 Đo diode

6.5 Kiểm tra thông mạch

Mục đích:

Để kiểm tra thông mạch của một mạch điện

Phương pháp đo:

Đặt công tắc chọn chức năng vào phạm vi đo thông mạch (Bảo đảm rằng màn hình hiện

“ ” vào thời điểm này Nếu không như vậy, bấm công tắc chọn chế độ để chuyển đồng hồnày sang chế độ đo thông mạch) Nối các đầu thử vào mạch điện cần thử Chuông báo sẽ kêu lên nếu mạch điện thông mạch

Nếu diode có thông mạch ở cả 2 chiều, thì nó đã bị đoản mạch Nếu nó không thông mạch cả 2 chiều, thì nó bị hở mạch

6.7 Đo cường độ của dòng điện một chiều

II CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ

Các điện tử cực kỳ nhỏ, là các hạt tích điện âm chuyển động quanh một hạt nhân Các proton trong hạt nhân này tích điện dương Điện tử học là khoa học hoặc công nghệ đề cập đến các chức năng của điện tử, cũng như việc phát triển và ứng dụng của các bộ phận, các mạch, và các thiết bị liên quan đến công nghệ này (Các transistor, diode, IC (các mạch tích hợp) và các bộ vi xử lý là một số ví dụ về các ứng dụng) Các IC và các bộ

vi xử lý gồm các transistor và các diode Các thiết bị điện tử này đã thay thế nhiều thiết bị

cơ khí trong quá khứ Các thiết bị điện tử được thiết kế có nhiều chức năng hơn và nhỏ gọn hơn các thiết bị cơ khí

Hình 29 Các thiết bị điện tử Hình 30 Điện trở của vật liệu

1 Chất bán dẫn

Chất bán dẫn là một loại vật liệu có điện trở cao hơn điện trở của các dây dẫn tốt nhưđồng hoặc sắt, nhưng thấp hơn điện trở của các chất cách điện như cao su hoặc thuỷ tinh.Hai loại vật liệu bán dẫn được sử dụng phổ biến nhất là Germani (Ge) và Silic (Si).Tuynhiên trong trạng thái tinh khiết của chúng, các chất này không thích hợp với việc sửdụng thực tế của các chất bán dẫn.Vì lý do này chúng phải được pha với chất phụ gia, đó

là một lượng nhỏ của các tạp chất phải thêm vào để nâng cao công dụng thực tế củachúng

Các đặc tính của chất bán dẫn:

- Khi nhiệt độ của nó tăng lên, điện trở của nó giảm xuống

- Tính dẫn điện của nó tăng lên khi được trộn với các chất khác

- Điện trở của nó thay đổi khi có tác dụng của ánh sáng, từ tính hoặc các ứng suất

cơ học

- Nó phát sáng khi đặt điện áp vào, v.v

Có thể chia các chất bán dẫn thành hai loại: Loại N và loại P

Hình 32 Hoạt động của diode

- Các chất bán dẫn loại P: Mặt khác, một chất bán dẫn loại p gồm

có một chất nền là silic (Si) hoặc germani (Ge) đã được pha trộn với gali (Ga) hoặc Indi (In) để tạo ra "các lỗ", có thể coi là các điện tử "khuyết" và vì các tích điện dương chạy theo chiều ngược với các điện tử tự do Chữ "p" của chất bán dẫn loại P có nghĩa là

"dương"

2 Diode

Các diode bán dẫn bao gồm chất bán dẫn loại N và loại P nối với nhau

Một số loại diode:

- Diode chỉnh lưu thường

- Diode Zener

- LED (diode phát sáng)

- Photo Diode

Hình 23 cho thấy dòng điện chạy qua một diode như thế nào

- Khi cực dương (+) của ắc quy được nối với phía P và cực âm (-) nối với phía N, các lỗdương của chất bán dẫn loại P và cực dương của ắc quy đẩy lẫn nhau Và các điện tử tự

do của chất bán dẫn loại N và cực âm của ắcquy đẩy lẫn nhau, vì vậy đẩy chúng về khuvực nối p-n Do đó các điện tử tự do và các lỗ dương này hút lẫn nhau, như vậy làm chodòng điện chạy qua khu vực nối p-n

- Khi đảo ngược các cực ở ắcquy, các lỗ dương của chất bán dẫn loại p và cực âm củaắcquy hút lẫn nhau, và các điện tử tự do của chất bán dẫn loại n và cực dương của ắc quyhút lẫn nhau, vì thế kéo xa khỏi khu vực nối p-n Kết quả là, một lớp không chứa các điện

tử tự do hoặc các lỗ dương được tạo nên ở khu vực nối p-n, vì vậy ngăn chặn dòng điệnchạy qua

2.1 Diode thường

Diode thường làm cho dòng điện chỉ chạy theo một chiều: từ phía p sang phía n Cần có một điện áp tối thiểu để dòng điện chạy từ phía p sang phía n

- Diode silic (A) : khoảng 0,7V

- Diode germani (B) : khoảng 0,3V

Hình 33 Diode thường

Dòng điện này sẽ không chạy nếu một điện áp được đặt vào chiều ngược lại (từ phía

N sang phía P) Mặc dù một dòng điện cực nhỏ chạy thực tế, gọi là dòng điện rò ngược chiều, nó được xử lý như không chạy vì nó không tác động đến hoạt động của mạch thực.Tuy nhiên nếu điện áp rò ngược chiều này được tăng lên đầy đủ, cường độ của dòng điện cho phép đi qua bởi diode sẽ tăng lên đột ngột Hiện tượng này được gọi là đánh thủng diode, và điện áp này được gọi là điện áp đánh thủng

Chức năng chỉnh lưu:

- Điện áp chỉnh lưu bán kỳ:

Điện áp từ máy phát AC được đặt vào một diode

Vì điện áp được ở đoạn (a), (b) được đặt vào diode theo chiều thuận, dòng điện sẽ chạy qua diode này Tuy nhiên, điện áp được đọan (b), (c) được đặt vào diode này theo chiều ngược, nên dòng điện không được phép đi qua diode này Vì chỉ có một nửa dòng điện domáy phát sinh ra được phép đi qua diode này