PRINCIPER
El & elektronik
D
FORDON · PRINCIPER/EL & ELEKTRONIK
e n här bok e n riktar sig till alla inom fordonsbranschen som behöver lära sig grunderna inom ellära och elektronik. Den ger en översikt av elsystemet i en vanlig mellanklassbil och en grundlig genomgång av de principer som el- och elektroniksystemen bygger på. Principerna förklaras med exempel på vanliga systemlösningar. Läromedlet tar även upp hur man läser och tolkar el-scheman. Serien Fordon där den här boken El & elektronik ingår, omfattar faktaböcker och webbtjänsten Fordon Plus. Webbtjänsten innehåller arbetsuppgifter i form av arbetsordrar som läraren delar ut till eleven. I arbetsordern finns kontrollfrågor, animeringar, praktiska moment, förslag på laborationer, självtester och mycket annat.
FORDON
PRINCIPER
El & elektronik
Best.nr 47-08489-0 Best.nr 47-08490-6 Tryck.nr 47-08489-0 Tryck.nr 47-08490-6
9 789147 084890
El & elektronik, cover.indd 1
FORDON
2010-08-04 20.01
ISBN 47-08489-0 © 2010 Sven Spiegelberg och Liber AB Projektledare: Sture Sahlström, Liber AB Bildredaktör: Sven Spiegelberg, Spiegelbergs förlagskonsult Grafisk form och produktion: Ove Andersson med firma Kautschuk Bildleverantörer: ASSO Produkter AB sid 28. Autoliv AB sid 26, 36. Autometric AB sid 29, 161. Bosch sid 8, 9, 10, 11, 14, 19, 20, 21, 22, 25, 26, 31, 34, 35, 37, 56, 67, 99, 101, 108. 109, 110, 115, 133, 187, 188, 189, 192, 194, 197, 202, 205, 207, 208, 214. CTEK SWEDEN AB sid 117, 199, 200. Delphi sid 122. ELFA AB sid 23, 30, 42, 43, 55, 56, 82, 85, 87, 88, 100, 109, 114, 204, 205, 213. Fluke Corporation sid 45, 46, 67. Ian Maasing sid 198. Infocar AB sid 12, 13, 16, 29. Multi Dynamic Systems of Sweden AB sid 114, 205. Sonax sid 79.
Spiegelberg Förlagskonsult sid 10, 12, 15, 17, 18, 20, 22, 23, 24, 30, 33, 39, 40, 41, 44, 47, 52, 53, 54, 57, 58, 60, 61, 60, 63, 64, 65, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 75, 78, 80, 81, 83, 86, 87, 89, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 99, 100, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 110, 111, 112, 113, 115, 119, 118, 119, 120, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 129, 130,131, 133, 134, 135, 136, 137, 143, 144, 145, 153, 193, 195, 197, 199, 203, 204, 206, 207, 208, 209, 210, 211, 212, 213, 214. Vetek Weighing AB sid 47. Volkswagen Group Sverige AB sid 82, 158, 159, 160, 161, 164, 167, 168, 174. Volvo Personvagnar AB sid 18, 24, 48, 51, 121, 126, 139, 147, 148, 149, 150, 152, 155, 156, 157, 161, 163, 165, 166, 169, 170, 171, 172, 173, 175, 176, 177, 178, 179, 180,181, 182, 183, 184, 190.
Första upplagan: 1 Repro: Resultat Grafisk Produktion Tryck: Graphycems, Spanien 2010 Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering utöver lärarens rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUS-avtal är förbjuden. BONUS-avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningsanordare, t ex kommuner/ universitet. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman/ rättsinnehavare. Liber AB, 113 98 Stockholm. Telefon: 08-690 92 00. www.liber.se Kundservice telefon: 08-690 93 30. Fax 08-690 93 01. E-post: kundservice.liber@liber.se
El&Elektronik SVEN ORG.indd 2
2010-07-28 15.31
Innehållsförteckning Författarpresentation Introduktion till system med styrenheter
Styrenheter (ECU Electronic Controle Unit)
Utveckling från mekanik till mekatronik
Styrning och reglering Sensorer Styrenheter Aktuatorer Datakommunikation EOBD och diagnosinstrument
Mekanisk reglering Elektronisk reglering Digital programstyrd reglering Logiska funktioner
Elsäkerhet
Farlig spänning
El- och Elhybridfordon Kapslingsklasser Kortslutning Gnistbildning och antändning
Systemöversikt
Förbrukare Kabelstammar BOB Break-out-box Säkringar
Start- och laddsystem Motorsystem Belysning Transmission Stabilitet och bromsar Säkerhetssystem Komfortsystem
Spänning och spänningsmätning
6 7 8
10 10 11 11 12 14
15
15 16 16 17
19
20 22 23 24 25
26 27 27 29 30
31 32 33 34 35 36 37
38 39
Lite atomteori Plus- och minuspol Spänning kan skapas på olika sätt
Systemspänningar Spänningsmätning
44
Elschema
48
Stomanslutning Spänningspotential Pulserande spänning PWM Multimetern visar RMS Växelspänning Omvandling från växelspänning till likspänning Omvandling från likspänning till växelspänning El- och elhybridbilar använder både lik- och växelspänning Sinuskurvan
Statisk spänning Kemisk skapad spänning Fotoelektrisk skapad spänning Mekaniskt skapad spänning
Grafisk multimeter och oscilloskop Anslutningar Välja mätområde
Symboler Olika ritsätt Kretsnummer Ledare Strömpilar Spänningspilar Funktionsorienterat ritsätt Kabelbeteckning
Toppspänning RMS-värde Frekvens Trefas
El&Elektronik SVEN ORG.indd 3
40 42 42 42 43 43 43
45 46 46
49 50 50 51 51 51 51 51 52 53 54 54 55 55 56 56 57 57 57 58 58
2010-07-28 15.31
Ström och strömmätning
Ström
59 60
Strömmätning
66
Växelström
70
Strömriktning Öppen och sluten krets Reläer
Anslutningar Välj mätområde Tångamperemeter
Dioder Framspänningsfall Backspänning Skyddsdioder Likriktning
Resistans och resistansmätning
Resistans
Resistansmätning Sensorer och variabla motstånd
Kablar Resistivitet Kontakter Övergångsresistans Kabelskor Fasta motstånd
Lampor LED (Light Emitting Diode) NTC- och PTC- motstånd
Ohms lag visar sammanhang
Ohms lag
Ekvationer Grundenheter Räkna ut spänningen Räkna ut strömmen Räkna ut resistansen Felsökning
Effekt och effektstyrning
61 62 63 67 68 69 71 72 72 73 73
76 77
78 79 81 81 82 82 83 85 87 88 90
91 92
93 94 94 95 96 96
98 99
Effekt och energi
Effektformeln
102
Effektmätning
104
Effektstyrning
107
Momentan (tillfällig) effekt
114
Watt Ampere timme Ah Kilowatt timme kWh
Räkna ut effekten Räkna ut strömmen Räkna ut spänningen
Förlusteffekter RMS
Pulsbreddsmodulering (PWM) Säkringar Elektroniska överbelastningsskydd Reläer Transistorer Givare med transistorutgång
Kondensatorn Momentana effekter i tändsystem Momentana effekter i spänningsmatning
Parallellkoppling och kabelstammar
Parallellkoppling
Strömgrening Kabelstammar och säkringscentraler Räkna ut grenströmmar Parallellkopplade resistanser Parallellkopplade spänningskällor
Seriekoppling och spänningsdelning
Seriekoppling
El&Elektronik SVEN ORG.indd 4
Spänningsdelning
101 101 101 102 102 103 105 106 107 108 109 110 111 113 114 115 116
118 119
120 121 123 124 125
127 128
130
2010-07-28 15.31
Givare Seriekopplade spänningskällor
Chassijord och kombinerade kretsar
Fel i chassijord
Kombinerade kretsar Signaljord Signaljord givare Signaljord databussar
Schemaläsning och dokumentation
Dokumentation
Funktion och Systembeskrivning Placering Felsökningsschema och guidad diagnos Kopplingsschemor Kretsnumrering Schemasymboler Kretsscheman Komponentbeteckning Kabelstammar Förgreningspunkter Kontaktstycke Eldistribution Stomanslutning Nätverksscheman Komponentplacering Förbindelsen mellan kretscheman Reservdelslistor
Batterier och laddsystem
133 136
137 138
141 144 144 144
146
147 147 152 152 153 154 160 162 164 168 169 171 174 177 179 181 182 185
Utveckling av ackumulatorer och laddsystem
186 187
Blyackumulatorn
191
Specifikationer på blyackumulatorer
195
Test av blyackumulatorer
196
Laddning av blyackumulatorer
Motor och generatorer Permanentmagneter Elektrisk magnetism Spolen Motorprincipen Generatorprincipen
198 201 202 203 204 204 205 207
Mot-emk
Ackumulatortyper Nickel-kadmiumackumulator Nickel-metallhybridackumulator Litium-jonackumulatorackumulator Litium-polymerackumulator Laddning Konstruktion Den kemiska processen Sulfatering Frysrisk
Lagringskapacitet mäts i Ah och RC Startkapacitet och köldstartsström (CCA) CCA enligt DIN SAE – EN och IEC Självurladdning
Inre resistans och EMK Batteriprovare Syraprovare Vilospänning
Magnetism – motorer och generatorer
Växelströmsgeneratorn
Skyddsdioder
189 190 190 190 190 191 191 193 194 194 195 196 196 196 197 197 198 198
208 210 210
Givare Induktiva givare
211 212
Sakordsregister
215
Halleffektgivare Transformatorn Omsättningstal Tändspolar
El&Elektronik SVEN ORG.indd 5
212 213 214 214
2010-07-28 15.31
Spänning kan skapas på olika sätt Spänningen kan skapas på många olika sätt. Här är några exempel på hur den kan skapas. Statisk spänning När två material gnids mot varandra kan friktionen rycka loss elektroner. När du kammar dig eller drar en tröja av syntetmaterial över huvudet kan kammen eller tröjan samla på sig elektroner från ditt hår. Då uppstår en elektrisk spänning som kan göra att håret dras mot kammen eller tröjan. Statisk elektricitet kan skada elektronikkomponenter och bli som små åsknedslag inne i datorkretsar. Undvik att ta på elektronikkomponenter. Kemiskt skapad spänning I batterier skapas spänningen genom att kemiska ämnen med olika elektriska egenskaper kombineras. Det finns två typer av batterier, laddningsbara och sådana som förbrukar sin kemiskt lagrade energi och inte kan laddas. De uppladdningsbara batterierna kallas ackumulatorer. Bilbatteriet är en ackumulator men vi kommer att använda benämningen bilbatteri här i boken, eftersom det är ett vanligt språkbruk.
Exempel på laddningsbara ackumulatorer.
Exempel på batterier som förbrukar sin kemiska energi.
42
El&Elektronik SVEN ORG.indd 42
2010-07-28 15.34
Fotoelektriskt skapad spänning I solceller kan solens strålar omvandlas till elektrisk spänning.
Spänningen kan skapas fotoelektriskt i solceller.
Mekaniskt skapad spänning I ett fordon är det generatorn som skapar spänningen med hjälp av mekanisk kraft från motorn. Ett roterande magnetfält ger upphov till ett överskott av elektroner vid generatorns minuspol och ett underskott vid pluspolen.
Systemspänningar Alla elektriska komponenter konstrueras för att arbeta inom ett visst spänningsområde. Det är viktigt att endast ansluta en apparat till den spänning som den har konstruerats för. Varför det är så viktigt kommer du att förstå när vi har gått igenom begreppen ström, resistans och effekt. Under 1960-talet insåg fler och fler fordonstillverkare fördelen med att använda en standardiserad spänningsnivå på 12 volt i fordonen. Det gjorde det lättare att använda standarddetaljer i elsystemen. Idag används 12 volt som standardiserad systemspänning i de flesta personbilar. Tunga fordon och entreprenadmaskiner har oftast en systemspänning på 24 volt. Framöver kommer vi att få fordon med 42 volt systemspänning. Utvecklingen av elektriska styrservon och elektriska bromsar ställer nämligen större krav på effekt och då blir det nödvändigt med högre spänningar.
43
El&Elektronik SVEN ORG.indd 43
2010-07-28 15.34
Spänningsmätning De vanligaste instrumenten som används för att mäta spänning är digitala multimetrar. De kan mäta spänning, ström och resistans och i vissa fall har de även andra funktioner. När du mäter spänningen är det alltid nivån mellan två olika punkter. Är det mellan polerna på ett batteri är det lätt att se vilken spänning du mäter. Är det en spänning mellan två ställen i ett fordon behöver du mer kunskap för att förstå vad mätvärdet egentligen visar. Digitalvoltmeter
Vid spänningsmätning är det skillnaden i nivå mellan två punkter som du mäter.
Du behöver ställa in instrumentet för spänningsmätning, välja mätområde och de anslutningar som ska användas vid spänningsmätning. Det flesta multimetrar ser ganska lika ut, men vissa har automatisk inställning av mätområde. Du bör gå igenom instruktionsboken till just det instrument du använder.
44
El&Elektronik SVEN ORG.indd 44
2010-07-28 15.35
Grafisk multimeter och oscilloskop Det har blivit vanligare på verkstäderna att använda multimetrar som kan rita en kurva av spänningen och visa hur den förändras under en viss tid. Instrumentet kallas då oscilloskop, scopemeter eller grafisk multimeter. Mycket av reglering och datakommunikation sker via korta spänningspulser som är svåra att mäta med en vanlig multimeter. Den lodräta axeln i diagrammet visar spänningens nivå. Den horisontella axeln visar under hur lång tid mätningen utförts. När du mäter på snabba förlopp är det viktigt att justera tiden så att du fångar pulsen på bilden.
U +
Spänning mäts på vertikala Y-axeln och tiden på den horisontella X-axeln.
Grafiska multimetrar och oscilloskop har avancerade funktioner för att åskådliggöra spänningen. Vissa kan även analysera datatrafiken på nätverken. Spänningens variation under en viss tid kan sparas för att senare analyseras.
45
El&Elektronik SVEN ORG.indd 45
2010-07-28 15.35
Anslutningar De flesta multimetrar har en anslutning som heter com. Det står för common eller på svenska gemensam. Comanslutningen används för både spänning-, resistans- och strömmätning. Den andra anslutningen som används för spänningsmätning brukar vara märkt V/Ω.
Det är vanligt med två olika uttag för strömmätning, ett för små strömmar och ett för stora strömmar. Vid strömmätning fungerar multimetern som ledare.
Com är en gemensam anslutning som används för alla mätområden.
OBS Kortslutningsrisk! Förväxla inte anslutningarna för ström- och spänningsmätning.
Uttaget för spänningsmätning används också för andra funktioner som att mäta elektriskt motstånd. Om du ska mäta höga spänningar är det viktigt att instrumentet är godkänt för det.
Välja mätområde Har instrumentet manuellt val av mätområde måste du först uppskatta hur hög spänningen är som du ska mäta. Är det batterispänningen vet du att den bör vara ungefär 12 volt. Välj ett mätområde som kan mäta en spänning som är något högre. På alla multimetrar finns en mätområdesväljare. Om instrumentet har en automatisk funktion som väljer mätområde är det viktigt att du gör en bedömning om instrumentet presenterar ett rimligt värde.
Multimeter med automatisk områdesväljare
Multimeter med manuell mätområdesväljare
46
El&Elektronik SVEN ORG.indd 46
2010-07-28 15.35
Väljer du mätområdet som går från 0 volt till 20 volt kan det med en fyrsiffrig display visa t.ex. 13.25 volt. Går spänningen över 20 volt brukar instrumentet visa en etta. Då måste du välja ett högre mätområde vilket kan vara 0 – 200 volt. Du förlorar då en decimal, så kan du välja ett lägre mätområde får du ett mer exakt mätvärde. Kontrollera mätvärdet och vrid ner till ett lägre mätområde om det går. Några vanliga mätområden ser du i tabellen nedan. • 0 – 200 mV (200 millivolt är lika med 0,2 volt) •0–2V • 0 – 20 V • 0 – 200 V • 0 – 1000 V
Att välja rätt mätområde kan liknas vid att välja rätt våg om du ska väga en fisk. Först måste du uppskatta vikten på fisken. Låt säga att du tror att den väger 6 kg. Tar du en fruktvåg som kan mäta upp till 3 kg, så kommer den att slå i botten och visa 3 kg. Väljer du istället en våg som är gjord för lastbilar så kommer du att få ett mycket litet utslag. Väljer du en våg där fiskens vikt ligger i övre delen av skalan kommer du att få en bra upplösning. I vårt exempel skulle en våg som kan mäta upp till 10 kg vara bäst. Då kommer du att kunna se om fisken väger 6,3 eller 6,9 kg.
Lastbilsvåg
Matvaruvåg 0-10 kg
Fruktvåg 0-3 kg
47
El&Elektronik SVEN ORG.indd 47
2010-07-28 15.35
Elscheman När kretsarna blir lite mer komplicerade så kan vi inte avbilda styrenheter, kablar och förbrukare så som de ser ut. Vi måste använda symboler för att det ska bli överskådligt. Det har utvecklats olika standarder för hur symboler och elscheman ska utformas. Om du t.ex. jobbar med tyska bilar och byter till att arbeta med japanska, kan du behöva lära in Belysning enGrupp del 35 nya symboler och ritsätt. Bromsljus V70 30+ 15/31 1
1
11A/2
11A/1 2
4/56
RD-BK
RD-BU
2
C5:2
C5:1
1
F28
CEM
2
C2:66
3/9
C1:49
4/93
RD-WH
KVM
1
C2:54 VT-WH 2
CAN
C5:14
VT-WH
C1:50 C2:34 YE-GY
LIN
CAN
74/602 BK
2
2
10/19 C2:38
4
GY-BN
GY-BN
C2:59
BK-OG
10/18
POS
TURN
TAIL/STOP
C2:3
C1:3
10/44
BK-BU
C2:4
REV
C1:4 10/43
GND
BK-OG
10/50
BK-OG
C1:4
STOP
FOG
FOG
C1:3
GND
GND
10/51
C2:4
REV
STOP
TURN
POS
TAIL/STOP
C2:3
10/17
GND
BK-OG
GY-BN
GY-BN
VT-BN
BK
3
VT-BN
74/602
73/5089 73/6002
BK-OG
73/6001
73/5033
7
31/47
TP39128012 V70(08-), XC70(08-) & S80(07-) 2009
Grupp 35 Belysning, bromsljus Volvo V70
31/48
G028939
73/5105
BK-BU
BK-OG
BK-OG
74/602
95
För att du ska kunna följa elscheman i ett fordon måste du utveckla din förståelse för hur man läser den här typen av dokumentation. Att läsa kopplingsscheman kräver träning och att du tar reda på hur just den aktuella bilens tillverkare har byggt upp sina scheman. Vi kommer att fördjupa oss i det längre fram i kapitlet ”Scheman och dokumentation”. Vi börjar med att titta på de enkla scheman vi kommer att använda för att förklara grunderna i elläran. 48
El&Elektronik SVEN ORG.indd 48
2010-07-28 15.35
Symboler För att komma igång med elläran behöver du kunna ett par symboler som vi använder i exemplen. Utrustning
Utrustning
Batteri
Lampa
Strömställare
Motstånd
Motor
Lysdiod
Styrenhet
Chassianslutning (Jord)
Säkring
Värmeslinga
Amperemmeter
Voltmeter
49
El&Elektronik SVEN ORG.indd 49
2010-07-28 15.35
Olika ritsätt Den krets som visas på bilden beskriver vi här med tre olika scheman. De visar alla samma krets, men de är utformade lite olika. Liknande skillnader finner du mellan de olika tillverkarnas scheman.
Kretsnummer Enigt DIN-standard så numreras olika kretsar i schemat för att det ska vara lätt att känna igen dem. I ett av scheman ovan ser du att det står 30 och 31. Det betyder att ledningarna märkt 30 är direktkopplade till batteriets pluspol och de som är märkta 31 är kopplade till batteriets minuspol. Ser du beteckningen 15 så betyder det att den ledaren har spänning när tändningslåset är tillslaget. Fler exempel på kretsnumreringar finner du i schemakapitlet.
50
El&Elektronik SVEN ORG.indd 50
2010-07-28 15.35
Ledare Ledare ritas som ett streck som förbinder symboler för spänningskällor och förbrukare. Ledare som korsar varandra i schemat har ingen kontakt om de inte korsar varandra i en punkt. I scheman som beskriver kretsar i fordon står det ibland en förkortning för en färg vid ledaren. Det gör det lättare att t.ex leta upp en blå/vit kabel i fordonet. Det är bra att lära sig de olika förkortningarna både på engelska och tyska. De flesta scheman översätts inte från originalspråket. Du finner en lista på förkortningar i tillverkarens beskrivning av dokumentationen.
bl = blå br = brun ge = gul gn = grön og = orange rt = röd sw = svart
Strömpilar När vi vill visa åt vilket håll en ström rör sig genom en ledning, kommer vi att sätta en strömpil på ledaren och skriva in Grupp 35 Belysning strömstyrkan. Strömpilar används bara i scheman när du ska Positions-/Parkeringsljus, Bakljus (Bi-Xenon®) S80 lära dig ellära. De ritas inte ut i de professionella scheman 30+ som finns till fordonen. 15/31 1
1
11A/1
1
11A/2 2
4/56
C5:1
RD-BK
RD-BK
RD-BU
2
C5:2
CEM
5/1 Spänningspilar 11B/23 DIM C1:2 mellan två punkter och spänningNär vi vill visa spänning 2 C1:6 ens riktning, så kommer vi att rita en spänningspil bredvid ledarna. De ritas inte heller ut i de professionella scheman som finns till fordonen. Det förväntas att du själv har den kunskapen. CAN
Funktionsorienterat ritsätt Styrenheterna kan ha över 80 anslutningar och därför ritas ett funktionsorienterat ritsätt. Det innebär att 74/411 12de ofta med 3/111 bara de anslutningar som hör till en viss funktion ritas ut LSM tillsammans med de komponenter som berörs. Bilden visar 1 RD-BK den stora centrala styrenheten i enRHD Volvo S80. Men det är C3:52 5 6 GN-VT RHD BK BK bara ledarna till parkeringsljuset som ritats ut. 73/4017 LHD BK LIN
BK-OG
C1:40
Kabelbeteckning BK-VT Ledarna får10 oftast en kabelbeteckning för att det ska gå att 10 10/1 10/2 leta upp dem i kontaktblock och följa dem till ett annat M M schemablad. I exemplet från Volvo S80 betecknas de t.ex C1:40. Varje tillverkare har sitt system för att märka kablar 1 1 ochGN-OG det beskrivs i verkstadsinformationen. Vi återkommer till det i kapitlet ”Schema och dokumentation”. GY-RD 10/11
LIN
C2:52
C2:50
C2:24
YE-VT
TURN
74/601
1
POS
HIGH
LOW
TURN
POS
HIGH
LOW
73/3035
YE-BK
VT-GN
BK
10/3
2
10/18 TURN STOP
10/17
5 FOG
REV
POS
REV
5 POS
FOG
STOP TURN
3/35
51 10/45
3
10/44
3
10/51
GND
10/52
GND
BK
1
73/4016
10/12
C1:50
C1:10
73/3033
CAN
C1:49
El&Elektronik SVEN ORG.indd 51
2010-07-28 15.35
Stomanslutning Genom att ansluta minuspolen till chassit så behöver man inte dra fram två ledningar till lampor och andra förbrukare. Stomanslutning kallas också jordpunkt eller chassijord. Begreppet har lånats från elinstallationer i fastigheter och industrier. Där beskriver begreppet jord markens spänningsnivå, som ska vara noll volt. I fordonen är chassit kopplat till batteriets minuspol och det får beteckningen noll volt.
En del fordonstillverkare, framför allt engelska, valde tidigare att ansluta pluspolen till chassit. Så se upp om du ska arbeta med en veteranbil.
Schemasymbolen för stomanslutning
När man ansluter minuspolen till chassit får chassit samma spänning som minuspolen. Man har bestämt att minuspolen är referens och att den har spänningen noll volt. Vi kan likna det med en vattenyta.
52
El&Elektronik SVEN ORG.indd 52
2010-07-28 15.35
Spänningspotential När du felsöker ett elsystem kan även små skillnader i spänning avslöja fel. Om du börjar med att mäta spänningen vid batteriet, så vet du vilken spänning som batteriet förser andra komponenter i fordonet med. När du sedan mäter vid t.ex. strålkastare eller baklysen kommer spänningen troligen att vara något lägre. Skillnaderna i spänning kallas potentialskillnader. När du kan din ellära och förstår skillnaden mellan spänning, ström och resistans, så kommer du att kunna avgöra om skillnaden är normal eller om den tyder på ett fel.
Spänningen mäts ofta mellan chassit och en komponent. Mäter du 12,6 volt vid batteriet och 12,1 vid en strålkastare är det 0,5 volts potentialskillnad mellan dem. När du lärt dig mer om el kan du avgöra om det är normalt eller tyder på ett fel.
53
El&Elektronik SVEN ORG.indd 53
2010-07-28 15.35
Pulserande spänning PWM På många ställen i fordon slår styrenheterna av och på spänningen för att kontrollera effekten i t.ex. en lampa eller elmotor. När kupébelysningen sakta släcks, sker det genom att styrenheten slår av och på spänningen och att avbrotten blir längre och längre. På- och avslagen sker så snabbt att vi inte ser det. Det kan se ut som om spänningen sakta sjunker, men i själva verket är den lika hög, men inte tillslagen hela tiden. PWM står för Puls Width Modulation som betyder pulsbredsmodulering. U +
Diagrammet visar hur spänningen förändras när kupébelysningen långsamt släcks. Den gröna linjen visar hur mätvärdet på multimetern kommer att sjunka från 12 volt till noll volt.
Multimetern visar RMS När vi mäter en PWM-reglerad spänning, så beräknar multimetern ett medelvärde. Det kallas RMS (root mean square) eller på svenska, kvadratiskt medelvärde. Det är praktiskt att låta voltmetern räkna ut ett medelvärde som motsvarar en likspänning. Det underlättar när man ska beräkna strömmar och effekter. Det kan vara svårt för multimetern att räkna ut ett korrekt RMS-värde om kurvformen är komplicerad och mätvärdet kan skilja sig åt mellan olika multimetrar. U + 12 V
6V RMS
Om spänningen är 12 volt men bara påslagen 50 % av tiden kommer multimetern att visa 6 volt.
54
El&Elektronik SVEN ORG.indd 54
2010-07-28 15.35
Växelspänning Spänningen från ett batteri är konstant och sjunker bara långsamt när batteriet laddas ur. Den typen av spänning kallar vi likspänning eftersom den har samma polaritet och spänningsnivå hela tiden. Växelspänning däremot byter polaritet och ändrar spänningsnivå hela tiden. Spänningen vi har i vägguttagen är en växelspänning och den byter plats på plus och minus 50 gånger per sekund. Det gör att vi inte behöver tänka på vad som är pluspol och minuspol när vi sätter en kontakt i väggen. Spänningsnivån är i ständig förändring mellan noll volt och ett toppvärde. En stor fördel med växelspänningen är att det är lätt att ändra spänningens storlek med hjälp av en transformator. Transformatorn är en effektiv och billig apparat som kan ändra växelspänning från t.ex. 230 volt till 12 volt.
De största kraftledningarna i Sverige använder 400 000 volt växelspänning för att överföra elenergin. Spänningen transformeras ner i flera steg till 230 volt i våra vägguttag. Tack vare att det är växelspänning kan transformatorer enkelt sänka eller höja spänningen.
Två olika typer av transformatorer
Omvandling från växelspänning till likspänning Det är lätt att omvandla växelspänning till likspänning. Anordningen som används kallas likriktare. De laddare som används till telefoner, kameror och annan utrustning innehåller en transformator som ändrar spänningen, och en likriktare som gör om från växelspänning till likspänning.
55
El&Elektronik SVEN ORG.indd 55
2010-07-28 15.36
Omvandling från likspänning till växelspänning Med en spänningsomvandlare (inverter) kan man göra om 12 volt eller 24 volt likspänning till 230 volt växelspänning. Spänningsomvandlare används i husvagnar, lastbilar och båtar, för att det ska gå att driva vanliga eldrivna handverktyg, datorer och hushållsapparater från ett bilbatteri. Det är mer komplicerat att göra om likspänning till växelspänning. Därför blir utrustningen dyr.
Spänningsomvandlare kallas också Inverter.
El- och elhybridbilar använder både lik- och växelspänning I äldre fordon är det bara generatorn som arbetar med växelspänning. Men den växelspänningen omformas till likspänning med en likriktare redan inne i generatorn. Batterierna måste nämligen laddas med likspänning. Växelspänning har alltså tidigare varit relativt ovanlig i fordon. I el- och elhybridfordon använder vissa tillverkare likspänning och andra växelspänning för att driva elmotorer. Det är enklare att bygga slitstarka generatorer och elmotorer för växelspänning än för likspänning. Det är också lättare att styra effekten i kretsar med växelspänning. Batterier som lagrar energin i el- och elhybridfordon arbetar däremot med likspänning. Därför krävs en växelriktare som gör om likspänningen i batterierna till växelspänning om motorerna ska drivas med växelspänning. I el- och elhybridfordon sitter det en avancerad kraftelektronikenhet som styr omvandlingen och distributionen av elkraft.
Så här kan kraftelektronikenheten se ut.
56
El&Elektronik SVEN ORG.indd 56
2010-07-28 15.36
Sinuskurvan Växelspänningen i väggkontakten motsvarar en likspänning på 230 volt. Men i själva verket förändrar den sig hela tiden mellan 0 och 325 volt. Förändringen följer en sinuskurva, vilken innebär att den förändras lika mycket hela tiden. Multimetern kommer att beräkna ett RMS-värde som motsvarar 230 volt likspänning.
U +
–
När du tittar i verkstadsinformationen som beskriver el- och elhybridfordon kan du träffa på en del begrepp som definierar olika delar av en sinuskurva. I exemplen här kommer vi att utgå från den spänning som vi har i vägguttagen. I fordon kommer du att stöta på andra spänningar, men de följer samma definitioner: • Toppspänning • Topp- till bottenspänning • RMS-värde • Frekvens • Periodtid
Toppspänning Tittar vi på en sinuskurva så kommer spänningen att stiga från noll volt till en toppspänning (1), för att sedan åter sjunka till noll. Under nästa del av kurvan kommer spänningen åter att stiga till en toppspänning (3), men då med motsatt polaritet.
U + 1
–
2 3
RMS
Skillnaden i spänning mellan de två toppspänningarna kallas för topp- till bottenspänning (2). I en vanlig väggkontakt är topp- till bottenspänningen 650 volt. RMS-värde När du mäter en växelspänning med en multimeter kommer den att beräkna ett RMS-värde som motsvarar en likspänning. I väggkontakten är toppspänningen cirka 325 volt och topp- till bottenspänningen 650 volt. Det motsvarar en likspänning på 230 volt RMS och det är vad multimetern kommer att visa.
57
El&Elektronik SVEN ORG.indd 57
2010-07-28 15.36
Frekvens Det kan ibland vara viktigt att veta hur många gånger per sekund spänningen byter polaritet. Det styr t.ex. varvtalet på U vissa växelströmsmotorer. Spänningen i vägguttaget fullbordar det man kallar en period 50 gånger per sekund. Antalet perioder per sekund benämns frekvens och uttrycks i storheten hertz som förkortas Hz. Tiden det tar för spänningen att fullborda en period kallas periodtid.
Periodtid
Du kanske känner igen uttrycket Hz från datorer, där man mäter hastigheten på processorn i megahertz, vilket förkortas MHz. En processor i en persondator kan stega fram programmet 2 miljoner gånger per sekund vilket skrivs 2 MHz. Trefas I verkstaden brukar det finnas ett eller flera trefasuttag. De används för att driva energikrävande utrustningar som kompressorer och större svetsaggregat. I de uttagen finns tre stycken ledare med varsin växelspänning. De tre kurvformerna ligger förskjutna i förhållande till varandra så att de inte uppnår toppspänningen samtidigt.
frekvensen =
1 periodtiden
periodtiden =
1 frekvensen
Uttag trefas
Trefastekniken ger en mängd möjligheter men är ganska komplicerad att beskriva i detalj, och det går utanför ambitionerna i den här boken. I vanliga fordon används trefastekniken i generatorn. Men spänningen omvandlas till likspänning redan innan den lämnar generatorn. Vissa el- och elhybridfordon bygger på trefasteknik. Ska du jobba med den typen av fordon kommer du att behöva fördjupa dina kunskaper i trefas.
58
El&Elektronik SVEN ORG.indd 58
2010-07-28 15.36
Ström och strömmätning Om det ska kunna utföras ett arbete i en elektrisk krets, måste det flyta en ström genom den. Det förutsätter att vi har en spänning som kan driva fram strömmen och en sluten krets. Vad en sluten krets innebär kommer vi att lägga stor vikt vid i det här kapitlet. Startmotorn börjar t.ex. inte rotera förrän vi har en sluten krets som det kan flyta ström genom. När vi talar om elektrisk ström menar vi elektroner som rör sig från en plats till en annan.
59
El&Elektronik SVEN ORG.indd 59
2010-07-28 15.36
PRINCIPER
El & elektronik
D
FORDON · PRINCIPER/EL & ELEKTRONIK
e n här bok e n riktar sig till alla inom fordonsbranschen som behöver lära sig grunderna inom ellära och elektronik. Den ger en översikt av elsystemet i en vanlig mellanklassbil och en grundlig genomgång av de principer som el- och elektroniksystemen bygger på. Principerna förklaras med exempel på vanliga systemlösningar. Läromedlet tar även upp hur man läser och tolkar el-scheman. Serien Fordon där den här boken El & elektronik ingår, omfattar faktaböcker och webbtjänsten Fordon Plus. Webbtjänsten innehåller arbetsuppgifter i form av arbetsordrar som läraren delar ut till eleven. I arbetsordern finns kontrollfrågor, animeringar, praktiska moment, förslag på laborationer, självtester och mycket annat.
FORDON
PRINCIPER
El & elektronik
Best.nr 47-08489-0 Best.nr 47-08490-6 Tryck.nr 47-08489-0 Tryck.nr 47-08490-6
9 789147 084890
El & elektronik, cover.indd 1
FORDON
2010-08-04 20.01