Bilens elektriske anlegg 8210025228 [PDF]

Zitiervorschau

Tidens bilfagserie

Bilens elektriske anlegg

kI Nasjonalbiblioteket * Depotbiblioteket

i s

y H / '2_j

Tiden Norsk Forlag

Noen størrelser, enheter og forhold i SI-systemet Grunnstørrelser

lengd, veg masse tid elektrisk straum absolutt temperatur lysstyrke

/, 5

m t I T I

Grunnenheter

Dekadiske prefikser (eksempler i parentes)

meter kilogr am sekun d amper e kelvin cande la

M k m H

[m] [kg] [s] [A] [K] [cd]

mega 106 = 1000000 kilo 103 = 1000 milli 10-3 = 0,001 mikro 10-6 = 0,000001

radian herz

= 1000000 Pa) = 1000 W) =0,001 g) =0,000001 m)

Sammenheng mellom størrelser

Enhet

Størrelse

(1 MPa (IkW (1 mg (1 pm

[rad] [Hz] [m/s] [rad/s] [m/s2]

1 omdreining [r] = 2 rt rad

vinkel frekvens hastighet vinkelhastighet akselerasjon

a (alfa), cp (fi) /,v(ny) v

tyngdens akselerasjon densitet (massetetthet) kraft tyngde moment

g P (ro) F G M

[m/s2] [kg/m3] newton [N] 1 N - 1 kg • m/s2 [N] [Nm]

trykk friksjonskoeffisient viskositet (kinematisk) energi effekt

P 9 (my) v (ny) W P

pascal

[Pa]

lPa=lN/m2

joule watt

[m2/s] [J] [W]

1 cSt (centistoke) = 10~6m2/s U=lWs=lNm E=UIt lW=lNm/s P = F- v = M-cd = U-1

arbeid virkningsgrad temperatur strømtetthet elektrisk ladning elektrisk spenning

W

joule

[J]

IJ=lWs=lNm W=Fs

r| (eta) t S

Q u

[CC] [A/m2] coulomb [C] 1 C = 1 As volt [V] 1 V = 1 J/As

elektromotorisk kraft kapasitans resistans belysningstetthet lydtrykknivå

E C

volt farad

R E

ohm [Q] lux [lx] decibel [dB]

4> B (fi)

lumen tesla weber

lysstrøm magnetisk flukstetthet magnetisk fluks

co (omega) ct (r)

[V] [F]

[lm] [T] [Wb]

1 Hz= 1 periode/s

v =s/t co — 2 n ■ n\ n = omdreiningstall [r/s]

g — 9,81 m/s2 (—10 m/s2) p =m/V\ V er volum [m3] F=m-a G=mg M = F- r; r er momentarm [m] p = F/A\ Aer areal[m2]

n = w/ut/w/in-put/p,n T—273 + /

U=R I

1F=1C/V

1 Q — 1 V/A 1 lx = 1 lm/m2

£ = ([)/A

1T = 1 Vs/m2 1 Wb — 1 Vs

$ — BA

Originaltittel: Moottorialan perusoppi, Såhkolaitteet © 1983 Pekka Mikkolainen og Forlagsaktiebolaget Otava © Norsk utgave Tiden Norsk Forlag 1984

Det må ikke kopieres fra denne bok utover det som er tillatt etter bestemmelsene i «Lov om opphavsrett til åndsverk», «Lov om rett til fotografi» og «Avtale mellom staten og opphavsmannsorganisasjonene om opphavsrettslig beskyttet verk i undervisningsvirksomhet». Brudd på disse bestemmelsene vil bli anmeldt.

Godkjent av Kirke- og undervisningsdepartementet den 25. oktober 1983 for bruk i den videregående skolen, studieretning for håndverks- og industrifag.

Oversettelse: forlagsservice a.s, Kjell Ringstad. Bearbeiding/tilrettelegging: forlagsservice a.s.

Omslag: Tor Berglie

Sats: Alfabeta a.s, Halden Trykt i Finland av Forlagsaktiebolaget Otavas trykkeri Keuruu 1984 ISBN 82-10-02522-8

Forord Bilens elektriske anlegg inngår i Tidens bilfagserie, som i første omgang omfatter fem grunnbøker om bilteknikk.

De fire andre bøkene i serien behandler bremser, chassis - understell og karosseri, kraftoverføring og motorer. Tidens bilfagserie tar sikte på å dekke pensum for bilmekanikere. Denne boka inneholder det grunn­ leggende lærestoffet om bilens elektriske anlegg. Læreboka er lagt opp med tanke på undervisning i klasser eller grupper og studier på egen hånd. Boka er godkjent av Kirke og undervisningsde­ partementet for bruk i videregående skole, studie­ retning for håndverks- og industrifag.

Fagteorien i lærebøkene er supplert med et stort antall øvingsoppgaver som en kan velge blant alt etter det trinn i opplæringen en befinner seg på. En del av øvingsoppgavene er vel egnet som utgangs­ punkt for mer dyptgående studier. Det er menin­ gen at en skal finne fram til svarene på disse oppgavene gjennom diskusjoner i klassen eller gruppa og ved å studere verkstedhåndbøker og annen tilgjengelig faglitteratur. Veiledninger i praktisk arbeid er utviklet i tilknyt­ ning til teoridelene. De tar opp praktiske momen­ ter av generell karakter som en vil kjenne igjen fra ulike arbeidsplasser. Veiledningene supplerer verkstedhåndbøkene, men erstatter dem ikke.

Arbeidsmiljø og yrkesliv blir behandlet i egne avsnitt om «Liv og helse», som en finner både i fagteorien og i veiledningene i praktisk arbeid. Hensikten er å fremme ansvarsfølelsen hos den enkelte på arbeidsplassen og bidra til et bedre arbeidsmiljø i bedriftene.

Tidens bilfagserie bygger på et finsk læremiddelopplegg og er resultatet av et samarbeid mellom Otava forlag i Finland, Liber Låromedel i Sverige og Tiden Norsk Forlag. Oversettingen til norsk og bearbeidingen for norske forhold er utført av Kjell Ringstad, Forlagsservice a.s.

Innhold Grunnleggende elektrisitetslære .................. Elektriske systemer i kjøretøyer ..................

7 8

Statisk elektrisitet........................................... Elektriske ladninger. Coulombs lov ....

10 11

Potensial og spenning .............................. Kondensatorer. Kapasitans .................. Likestrøm og likestrømskretser ..................

12 14 16

Elektrisk strøm. Strømstyrke..................

16

Ohms lov. Resistans og resistivitet.......... Liv og helse - skader av elektrisk strøm

20 23

Seriekopling og parallellkopling .............. Joules lov. Elektrisk energi og elektrisk effekt........................................................... Magnetisme ................................................... Permanentmagneter.................................. Elektromagnetisme .................................. Elektromagneter .......................................

24

29 31 31 32 33

Elektromagnetisk kraftvirkning på elektriske ledere ....................................... Elektromagnetisk induksjon .................. Magnetisk energi og kraftvirkning.......... Halvledere....................................................... Diode...........................................................

35 36 40 41 42

Zenerdiode ............................................... Transistoren............................................... Tyristoren................................................... Termistoren ............................................... Hallgenerator ........................................... Øvingsoppgaver 1-51 ..............................

44 45 47 49 50 51

Elektriske måleinstrumenter. Målemetoder Måleinstrumenter og målemetoder.............. Dreiespoleinstrumentet .......................... Dreiemagnetinstrumentet ...................... Bimetallmåleren .......................................

53 54 54 59 60

Elektroniske måleinstrumenter .............. Oscilloskopet............................................... Øvingsoppgaver 52-56 ..........................

61 62 64

Strømforsyningssystemet.............................. Oversikt.......................................................

65 66

Batteriet (startbatteriet) .............................. Blyakkumulatorens konstruksjon .......... Utlading og lading ...................................

68 68 70

Kapasiteten til batteriet .......................... Andre batterityper ................................... Liv og helse - blyakkumulatorer ..........

72 74 74

Vekselstrømsgeneratoren.............................. Likeretting.................................................. Magnetisering .......................................... Kjøling ......................................................

75 78 80 81

Andre typer av vekselstrømsgeneratorer Ladingsregulatorer .................................. Overspenningsvern ..................................

83 85 88

Likestrømsgeneratoren.................................. Likeretting.................................................. Magnetisering .......................................... Kjøling ......................................................

89 89 90 90

Ladingskontroll ...................................... Øvingsoppgaver 57-97 ..........................

91 93

Startsystemet..................................................

Startmotorer.................................................. Konstruksjonen til startmotoren .......... Kraftoverføring og innkopling .............. Andre startmotorer.................................. Øvingsoppgaver 98-113..........................

95 96 96 98 104 105

Tenningssystemer..........................................

107

Tenningssystemer. Oversikt .................. 108 Tennpluggen.............................................. 109 Batteritenningssystemer ................................. 112 Tenningssystemer med coil og mekaniske

bryterkontakter (stifter) ............................. Tenningssystemer med kontaktstyrt transistortenning .........................................

117

Tenningssystemer med impulsstyrt transistortenning ........................................

118

112

Kondensatortenningssystem .................... 122 Liv og helse - transistorisert tenningssystem............................................. 123 Elektronisk styrte tenningssystemer .... 124 Tenningsregulering med tenningsbankeføler (tenningsbankgiver)............................. 126

Magnettenningssystemer................................. 128 Kontaktstyrt coil (spoletenningssystem) 128 Impulsstyrt kondensatorsystem.............. 130 Øvingsoppgaver 114-149 ......................... 131

Lyssystemet .................................................. Bestemmelser .......................................... Lystekniske begreper og enheter..............

Lyspærer .................................................. Hovedlyskastere ...................................... Andre lykter.............................................. Retningssignallys...................................... Øvingsoppgaver 150-163 ......................

133 134

Fasit til regneoppgaver...................................

193

135 136 138 142 143 145

Stikkordregister

195

Ledning er ...................................................... Ledningsmateriale. Utførelse.................. Dimensjonering ....................................... Ledningsknipper .......................................

147 148 148 150 152

Kretskort .................................................. Koplingsutstyr..........................................

153 154

Elektriske kopiere.......................................... Strømbrytere..............................................

155 155

Releer.......................................................... Sikkerhetsbrytere....................................... Øvingsoppgaver 164-177 ......................

158 161 162

Andre systemer.............................................. Elektronisk styrt brennstoffinnsproyting . . . . Styreenheten..............................................

163 164

Ledninger og koplingsutstyr..........................

Starthjelpesystemer for dieselmotorer.......... Luftforvarmingssystemer ...................... Styresystemer for luftforvarming .......... Liv og helse - Varsel! Startspray

..........

Givere og følere.............................................. Glødetrådfølere ....................................... Turtellere (turtallsmålere) ...................... Nivåsenkingsføler....................................... Signalhornet. Summeren.......................... Elektriske motorer ....................................... Turtallsregulering....................................... Elektrisk motor med permanentmagneti-

sering.......................................................... Radiostøydemping....................................... Støyårsaker .............................................. Støykilder.................................................. Metoder for støydemping ...................... Øvingsoppgaver 178-206 ......................

166 172

172 174 176 177 180 181 182 183 184 185

186 188 188 189 189 191

...........................................

Grunnleggende elektrisitetslære Dette kapitlet inneholder

Elektriske systemer i kjøretøyer Statisk elektrisitet

• Elektriske ladninger. Coulombs lov • Potensial og spenning • Kondensatorer. Kapasitans

Likestrøm og likestrømskretser • Elektrisk strøm. Strøm­ styrke • Ohms lov. Resistans og resistivitet • Liv og helse - skader av elektrisk strøm • Seriekopling og parallell­ kopling • Joules lov. Elektrisk energi og elektrisk effekt

Permanentmagneter Elektromagnetisme Elektromagneter Elektromagnetisk kraftvirkning på elektriske ledere • Elektromagnetisk induksjon • Magnetisk energi og kraftvirkning

Magnetisme

• • • •

Halvledere

• Diode • Zenerdiode • Transistoren • Tyristoren • Termistoren • Hallgenerator • Øvingsoppgaver 1-51

7

Elektriske systemer i kjøretøyer I et konvensjonelt kjøretøy blir energien tilført som kjemisk bundet energi. I motoren omformes den til mekanisk energi, ofte i form av moment og turtall på en roterende aksel. Den mekaniske energien (bevegelsesenergien) kan i neste omgang omformes til andre energiformer. Ved å la motoren drive en kompressor får vi pneumatisk energi (trykkluft). Dersom motoren driver en hydraulisk motor, får vi hydraulisk energi, og dersom den driver en generator, omformes bevegelsesenergien til elektrisk energi.

Elektrisk energi blir brukt i alle kjøretøyer og arbeidsmaskiner. Den er nødvendig for belysning og for sikkerhetssystemer, for eksempel i forbin­ delse med varselslys og andre varselsfunksjoner. Dessuten blir motoren som regel startet ved hjelp av fagret energi i en akkumulator (et startbatteri). Ledningene og komponentene tar forholdsvis liten plass, og de tåler temperaturvekslinger og vibra­ sjoner. Stadig flere funksjoner i kjøretøyet blir styrt elektrisk, blant annet ved hjelp av halvlederteknikk. Figurene viser de elektriske hovedkom­ ponentene i en personbil og i en arbeidsmaskin.

8

Det elektriske anlegget i kjøretøyer er delt i flere systemer. Hvert system består av elektriske grunn­ komponenter, som er koplet sammen på ulike måter avhengig av hva de skal brukes til.

Bilprodusenten beskriver det elektriske anlegget i kjøretøyet med for eksempel elektriske plansjer og kretsskjemaer, som er bygd opp av symboler. Symbolspråket er i høy grad internasjonalt. Nor­ ges Standardiseringsforbund gir ut standardblad med symboler.

De ulike systemene er

- strømforsyningssystemet - startsystemet - tenningssystemet - lyssystemet

- signal- og varselssystemet - andre elektriske systemer De ulike komponentene i kjøretøyer kan også inndeles etter sine elektriske egenskaper i spenningskilder, for eksempel generatorer og batteri, og elektriske forbrukere, for eksempel lamper og motorer. Forbindelsene mellom disse er ledningssystemet, som består av ledninger og elektriske koplingsenheter.

Elektrisk koplingsskjema

9

Statisk elektrisitet Grunnlaget for all elektrisitet er atomet med de såkalte elementærladning ene. Den minste elektriske ladningen som er kjent, finner vi i atomenes protoner og elektroner 1,6 x 10“19 amperesekunder [As]).

Alle grunnstoffer er bygd opp av atomer. Mer enn 100 grunnstoffer er kjent. De elektriske egenskape­ ne til et grunnstoff avhenger både av hvordan grunnstoffets atom er bygd opp, og hvordan atomene er ordnet i forhold til hverandre.

Fysikeren Niels Bohr presenterte i 1914 en atommodell som blant annet gjorde det mulig å forklare mange kjemiske og fysiske fenomener, for eksem­ pel den elektriske strømmen og strømmens virkninger.

Etter Bohrs atommodell er alle atomer bortsett fra hydrogenatomet bygd opp av tre slags elementær­ partikler. Kjernen til atomet består av protoner (+) og nøytroner. Protoner er positivt ladde partikler, nøytroner er elektrisk nøytrale. Omkring kjernen kretser elektroner i sfæriske skall på samme måte som jorda kretser i bane rundt sola. Elektronene er negativt ladde ( —). Hvert atom har like mange protoner som elektroner og er altså, sett utenfra, elektrisk nøytralt.

Hydrogenatomet (H) har ett proton og ett elektron. Atomtallet er 1.

Atomtallet angir hvor mange protoner (eller elek­ troner) det fins i atomet.

Jo flere ladninger et atom har, desto flere skall kretser elektronene i. I det innerste skallet er det plass til bare to elektroner, i det neste er det høyst åtte. Det tredje skallet er fylt når det inneholder 18 elektroner. De atomene som er interessante på grunn av sine elektriske egenskaper, har 18 elek­ troner også i det fjerde skallet. Når elektronene i den ytterste banen er for få til å fylle skallet, kalles de valenselektroner. Valenselektronene har avgjørende betydning for hvordan atomer av samme eller ulike slag blir bundet til hverandre.

Heliumatomet (He) har to protoner, to nøytroner og to elektroner. Atomtallet er 2.

Mellom de positive og de negative ladningene i et atom virker det store krefter. Disse kreftene er større mellom kjernen og elektronene nær kjernen enn mellom kjernen og elektronene i de ytre skallene. Fordi elektronene bare beveger seg i visse baner (med visse energinivåer), faller de ikke inn mot kjernen.Skallene kalles også energinivåer. Jo nærmere kjernen et elektron befinner seg, desto større energi må elektronet tilføres for å bli flyttet utover fra kjernen. Det innebærer også at valens­ elektroner har svakest binding til atomet. De kal­ les derfor også frie elektroner.

Oksygenatomet (0) har åtte protoner og åtte nøytroner i kjernen. Atomtallet er 8. De åtte elektronene fins i to skall. Det indre har to og det ytre har seks elektroner.

10

En del stoffer kan bli elektrisk ladde ved at atomene mister eller tar opp valenselektroner. Vi kommer daglig i kontakt med statisk elektrisitet (statisk = stillestående).

Syntetiske materialer i klær og sko blir elektrisk ladde av friksjonen mot for eksempel tepper og møbler. Den statiske elektrisiteten merker vi først ved en utladning, det vil si når vi kommer i kontakt med en gjenstand som kan lede elektroner. Utlad­ ningen er en ukontrollert strøm av elektroner, til oss dersom vi er positivt ladde, fra oss dersom vi er negativt ladde (jamfør tordenvær). Selv små elektriske utladninger av statisk elektrisi­ tet kan bli ganske energirike og medføre fare for eksplosjon og brann i miljøer der det fins lettflyktige brennbare væsker og lettantennelige gasser.

Elektriske ladninger. Coulombs lov En utladning kan bare finne sted dersom det er en kraft mellom frie elektriske ladninger. Vi snak­ ker om positive og negative elektriske ladninger. Elektroner er negative elektriske ladninger. Et stoff som har overskudd av elektroner, er derfor negativt ladd, mens et stoff som har mistet elektro­ ner, er positivt ladd. Det har da flere protoner i kjernen enn det er elektroner som kretser rundt den. Partikler med ulik ladning trekkes mot hverandre, mens partikler med lik ladning (samme polaritet) støter bort hverandre. Krafta mellom ladningene er avhengig av ladningenes størrelse og avstanden mellom dem.

f = k2i e2

F = kraft [N] k = konstant 2i, Q2 = ladninger [As] r = avstand [m]

Denne sammenhengen kalles Coulombs lov. Krafta mellom ladningene er større jo større ladningene er, og jo kortere avstanden mellom dem er. Enheten amperesekund kalles også coulomb C [1 C = 1 As], 11

Potensial og spenning For at elektroner skal flytte seg fra et punkt til et annet, må det være en potensialforskjell mellom punktene. Vannet i vannmagasinet beveger seg også bare dersom det kan flytte til et lavere nivå. Elektrisk potensialforskjell kalles spenning. Spen­ ningen har samme enhet som potensialet, det vil si newtonmeter per amperesekund [Nm/As]. Denne enheten har fått et eget navn, volt, som forkortes V [1 V = 1 Nm/As].

W - m ■ g ■ h [Nm] g = tyngdeakselerasjonen ( « 9,81 m/s2)

Når vi blir statisk ladde, har vi enten et overskudd eller et underskudd av elektroner. Hvis vi da kommer i nærheten av en vannkran, går det en strøm av elektroner mellom oss og krana. Dersom vi er positivt ladde, trekkes elektroner i vannet og metallet ut til overflata og samler seg i det punktet som ligger nærmest oss.

Et måltall med enheten volt (V) angir altså hvor stor potensialforskjell eller spenning det er mellom to punkter, for eksempel mellom polene på et batteri eller mellom uttakene på en elektrisk generator. Polariteten til en spenning betegnes med -I- og —. Det punktet som har mest positivt potensial, blir betegnet med +, og vi sier det har positiv polaritet. Det andre blir betegnet med —, og vi sier det har negativ polaritet. + og — sier ingenting om hvor stor potensialforskjellen er. Dersom to punkter i en krets har potensialene Ux = 12 V og U2 = 10 V, har punktet Ul = 12 V positiv polaritet (+) og det andre punktet negativ polaritet ( —). Spenningen mellom punktene er (12-10 V). Når et punkt er koplet til gods eller jord, sier vi det har potensialet l/ = 0.

Ladninger er lagre av energi på samme måte som et vannmagasin er energilager for et vannkraft­ verk. Den energien som kan utvinnes fra vannma­ gasinet, er avhengig av vannmassen (m) og vannets høyde h (stilling) over vannturbinen. Stillingsenergi kalles også potensiell energi.

Energien i en elektrisk ladning er bestemt av ladningens størrelse Q [As] og ladningens potensial U.

W= Q ■ U

W = energi [Nm; newtonmeter] Q = ladning [As; amperesekund] U = potensial

En annen interessant størrelse, ved siden av ener­ gien, er potensialet. Potensialet er energi per ladning, det vil si

Nm" As

12

Måling av potensialforskjeller og spenningsfall Potensialforskjeller kan måles med et voltmeter. Figuren viser en sluttet elektrisk krets som består av spenningskilde (batteri), ledninger og forbruke­ re. Med et voltmeter måler vi potensialforskjellene mellom gods (U = 0 V) og ulike punkter i kretsen. Målingene viser at spenningen faller mellom målepunktene. I eksempelet er spenningsfallet over lampa 11,95 V. Summen av alle spenningsfallene i en krets er lik den påsatte spenningen.

U='\2\l U, =11,99 V U2 = 11,97 V U3 = 11,96 V UA = 0,01 V U5 = 0,00 V

U -U, = 0,01 V j U,-U2 = 0,02\l U2-U3 = 0,01 V f 12 V (73-(74 = 11,95 V UA-U5 = 0,01 V )

Symboler 1 Batteri 2 Bryter (tilkoplet) 3 Sikring 4 Lyspære 5 Voltmeter 6 Godstilkopling

Spenningsfallet over lampa kan vi også måle direkte med voltmeteret. Vi kopler da voltmeteret parallelt med lampa (måleobjektet), som vist på figuren. Denne koplingsmåten kaller vi parallell­ kopling.

Sammendrag Elektrisk spenning U blir målt i volt [V; 1 V = 1 Nm/As; 1 mV = 10-3 V, 1 kV = 103 V], Det punktet som har mest positiv spenning, blir betegnet med +, og vi sier det har positiv polaritet. Det andre blir betegnet med —, og vi sier det har negativ polaritet. Potensialforskjeller og spenningsfall blir målt med et voltmeter. Voltmeteret kopler vi parallelt med det vi skal måle (måleobjektet eller målekretsen).

Øvingsoppgaver 1—9

2 Fordonsteknik Elsystem Båkmål

13

Kondensatorer. Kapasitans

Dersom vi kopler to metallskiver som ligger litt fra hverandre, til en elektrisk spenning, får begge skivene like store ladninger, men motsatt polaritet. De to skivene og det isolerende mellomlaget kalles en kondensator.

Kondensatoren har den egenskapen at den kan magasinere elektriske ladninger på de to platene. Kondensatorens evne til å holde på ladninger kaller vi kondensatorens kapasitans. Kapasitansen blir betegnet C. Kapasitansen er avhengig av blant annet arealet, A, hos hver av platene og av avstanden d mellom dem. Den er også avhengig av hvilket materiale platene er lagd av, og av hva en bruker som isolator mellom dem.

C~d 1 2 3 4 5 6

(~ = proporsjonal med)

For at arealet skal bli så stort som mulig, kan vi lage kondensatoren av tynne metallfolier som rulles sammen (se figuren).

Metallplater Tynn isolering Tynn isolering Metallfolie Kjerne Kondensator for tenningssystem

Kondensatorens evne til å magasinere ladninger kan vi beregne av formelen Q = CU^C = ^

Spenning og strøm ved lading av en kondensator

14

[As/V]

Enheten for kapasitans er farad [F, 1 F = 1 As/V]. Enheten farad er nokså stor. Kondensatorer er derfor ofte merket med måltall i mikrofarad. [//F; 1 /zF = 10~6F]

og nanofarad [nF; 1 nF = 10-9 F]

Kondensatorens ladningskurver kan se ut omtrent som på figuren nederst på forrige side. I en ladd kondensator er det lagret elektrisk energi. Kondensatorer blir brukt i mange systemer i en bil. Blant annet blir de brukt til å ta imot den elektriske energien som skal omformes når en bryter elektri­ ske kretser med spoler (s. 39). En kopler for eksempel en kondensator parallelt med stiftene i tenningsfordeleren (seinere kalt bare fordeleren).

Vi har også kondensatorer i såkalte pulsgeneratorer. De blir brukt blant annet for å styre intervallviskerne på en bil. Tida for hver opplading til­ svarer tida mellom viskebevegelsene.

Sammendrag Kondensatorens evne til å ta opp og lagre elektri­ ske ladninger kalles kapasitans og blir betegnet C. Kapasitansen blir målt i farad [F, 1 F = 1 As/V; 1 pF = 10~6 F, 1 nF = 1(T9 F].

Øvingsoppgaver 10-11

15

Likestrøm og likestrømskretser Elektrisk strøm. Strømstyrke Et batteri er et depot av elektroner. Mellom polene til batteriet er det en potensialforskjell (spenning). Dersom vi forbinder begge polene (+ og —) med et materiale som elektronene lett kan bevege seg i, vil de strømme gjennom forbindelsen fra batteriets minuspol til batteriets plusspol (og lade ut batteriet). Strømmende elektroner er elektrisk strøm.

Strømstyrken I er et mål på hvor hurtig elektrone­ ne strømmer. Det forteller hvor mange ladninger som passer et tverrsnitt av forbindelsen på et sekund.

/ =2

Q — ladning [As] t = tid [s] I = strømstyrke

As —=A s

Strømstyrken I har enheten ampere [A],

Før det ble kjent at elektrisk strøm var en strøm av elektroner, trodde de det var positive partikler som beveget seg. De antok at strømmen i en krets gikk fra punkter med positiv polaritet til punkter med negativ polaritet. Da de oppdaget at det var strømmen av negative elektroner som forårsaket de fenomenene som de studerte, ble det diskusjon om hva en skulle definere som strømretningen i en krets. Det ble enighet om å beholde den «gamle» strømretningen, det vil si fra positiv til negativ polaritet.

Elektrisk strøm gårfra punkter med positiv polaritet til punkter med negativ polaritet. Elektronstrømmen går altså mot strømretningen. Med strømretningen går det en vandring av positi­ ve «hull», det vil si punkter der det mangler et elektron.

Det vil i mange tilfeller bli lettere å forstå elektriske fenomener dersom en ser på elektrisk strøm som

*O 0-0 «

en flytting av hull. Et hull tilsvarer en positiv elementærladning og et elektron en negativ elementærladning.

16

Ledere Stoffer som elektronene lett kan ta seg fram i, kalles ledere.

Metaller er bygd opp av atomer med høyst tre valenselektroner i det ytterste skallet. Valenselektronene hopper stadig fra atom til atom i metallet, helt ukontrollert og i alle retninger. Dersom vi kopler en metallgjenstand til en elek­ trisk spenningskilde, likerettes flyttingen av elek­ tronene, og vi får en strøm av elektroner gjennom metallgjenstanden, det vil si en elektrisk strøm. Metaller er altså gode elektriske ledere. Mest brukt er kopper, som har ett enkelt valenselektron i det ytterste skallet (se figuren). En enda bedre leder er sølv. Sølv har atomtallet 47 og ett eneste valenselektron i det femte skallet. Valenselektronet ligger således lenger fra atom­ kjernen i sølv enn i kopper. Grunnstoffet kopper (Cu) har atomtallet 29, det vil si 29 protoner i kjernen og 29 elektroner fordelt på fire skall. Skallene har to, åtte, 18 og ett elektron regnet innenfra og utover.

Løsninger av syrer og salter er også gode elektriske ledere. Det henger sammen med at de ioniseres. Ioner er atomer eller atomgrupper som har mistet eller tatt opp elektroner ved at molekylene er blitt spaltet i vann. Atomene og atomgruppene blir på denne måten elektrisk ladde (ladningsbærere). Slike løsninger blir brukt som ledere ved for eksempel elektrolyse og i bilbatterier.

Isolatorer I isolatorer er alle elektroner bundet i atomet eller molekylet, vi har altså ingen frie elektroner. Isola­ torene kan derfor ikke lede elektrisk strøm. For eksempel glass, porselen og polymerer (gummi og plast) blir betraktet som isolatorer.

Halvledere

Halvledere kalles en gruppe stoffer som normalt er isolatorer. De mest brukte er silisium (Si) og germanium (Ge). Silisium og germanium har begge fire elektroner i det ytterste skallet. Når stoffene stivner, danner de krystaller, det vil si at atomene blir ordnet i et bestemt tredimensjonalt mønster (krystallgitter).

17

Silisium og germanium danner et krystallgitter der hvert atom har fire naboatomer, og der ett av valenselektronene fra hvert atom virker sammen. Bindingen kalles elektronparbinding. Krystallgitteret har da ingen frie elektroner, og det leder derfor ikke strøm. Bindingene i silisiumkrystaller

Ved å tilføre svært små mengder av et stoff som har fem elektroner i det ytterste skallet (antimon, Sb), får vi et krystallmønster med et elektron «til overs». Dette elektronet er et fritt elektron og oppfører seg som frie elektroner i ledere. Dersom vi tilfører små mengder antimon, blir antallet frie elektroner mye lavere enn i for eksempel en kopperleder. Det nye krystallmønsteret leder strøm, men ikke på samme måte som en leder. Denne prosessen blir kalt å dope krystallene. Når et krystall har frie negative ladninger, sier vi at det er N-dopet. Del av N-dopet silisiumkrystall

En kan også få underskudd på elektroner i krystal­ lene ved å tilføre små mengder av et stoff med tre elektroner i det ytterste skallet (indium, In). Under­ skuddet kalles hull og blir betraktet som en positiv ladning. Vi sier at krystallene er P-dopet. En strøm av elektroner gjennom krystallene innebærer at hullene flyttes slik at elektroner ytterst fyller ut og seinere forlater bindingene (s. 16).

Del av P-dopet silisiumkrystall

Under visse forutsetninger kan halvledere lede strøm, men de har ikke samme egenskaper som en leder. I halvlederkomponenter, som dioder og transistorer, koples N-dopete og P-dopete krystal­ ler sammen på ulike måter.

18

Likestrøm og vekselstrøm For at elektrisk strøm skal gå gjennom en leder, er det nødvendig at lederen danner en sluttet krets, og at det fins en spenningskilde, for eksempel et batteri, i kretsen.

Så lenge kretsen er sluttet og det fins en spenning, går det en elektrisk strøm gjennom kretsen.

Dersom kretsen blir brutt, er det fortsatt en spenning over polene på batteriet. Legg merke til symbolene for spenningskilde!

Åpen krets

I biler bruker vi likestrøm, det vil si at strømmen alltid går i samme retning i en krets. Årsaken er blant annet at startbatteriet bare kan lades med likestrøm.

f

Likestrøm og symboler

Dersom strømmen endrer retning, har vi vekselstrøm. Det elektriske anlegget i et hus arbei­ der med vekselstrøm. Vekselstrømmen endrer po­ laritet to ganger per periode [p]. Frekvensen er 50 perioder per sekund, det vil si 50 hertz [Hz; 1 Hz = 1 p/s].

Vekselstrøm og symboler

19

Måling av strømstyrke

Strømstyrken gjennom en elektrisk komponent har avgjørende betydning for hvordan komponen­ ten virker. Strømstyrken kan måles med et ampere­ meter. Amperemetre koples alltid i serie med en strømkrets. Seriekopling innebærer at hele strømmen i kretsen går gjennom amperemeteret.

Sammendrag Elektrisk strøm betegnes med 1 og blir målt i ampere [A; 1 mA = 10'3 A, 1 p\ = 10’6 A] Symbol for amperemeter

Elektrisk strøm kan bare gå gjennom en sluttet krets som har en spenningskilde. Elektrisk strømstyrke blir målt med amperemeter. Det blir koplet i serie med en krets.

Øvningsoppgaver 12-21

Ohms lov. Resistans og resistivitet Dersom en kopler inn ulike elektriske forbrukere mellom A og B på figuren og slutter kretsen, kan en på amperemeteret lese av størrelsen av strømmen I som går gjennom kretsen. En finner raskt at I får ulike måleverdier for ulike forbrukere. Prøv med en ledning og med en viklet spole. Dette henger sammen med at forbrukerne har en egenskap som hindrer strømmen gjennom dem.

Hindringen kalles resistans og blir betegnet R. Mellom spenning, strøm og resistans har vi følgende sammenheng (Ohms lov):

Krets med fast spenningskilde og amperemeter

U = RI

20

U = spenning [V] I = strømstyrke [A) R = resistans

Ohms lov gir etter omflytting V A

Det vil si at resistansen er spenningen dividert med strømmen. Enheten for resistans er volt per ampe­ re. Denne enheten har fått navnet ohm og blir betegnet med stor gresk omega [Q; 1 Q = 1 V/A, 1 kQ = 1 000 QJ.

Eksempel 1 Spenningen over en komponent er 12 V. og strømmen gjennom den er 4 mA. Hvor stor resistans har komponenten? U 12 V R = 7 = (WA = 3000fi = 3kn-

Eksempel 2 Hvor stor blir strømmen gjennom en spole med R = 400 Q og den påkoplete spenningen U — 6 V?

£ R 6V '=400fi = °’015A = 15mA

Gjennom forsøk kan en lett vise hvilke faktorer som påvirker resistansens størrelse. Mellom A og B koples fire ulike ledninger. (Gjør koplingenl)

1 Koppertråd, d = 0,25, / = 1 000 mm

2 Kromnikkel, d = 0,25, l — 1 000 mm 3 Kromnikkel, d — 0,25, l = 500 mm 4 Kromnikkel, d = 0,50, l = 1 000 mm

Strømstyrken gjennom hver ledning avleses for økende verdier på spenningen. Sett tallparene U og I i ett diagram (se figuren). Funksjonen er lineær så lenge temperaturen i ledningen er konstant. Forsøket viser at:

- resistansen øker med lengden på tråden (jamfør 2 og 3) - resistansen blir større jo mindre ledningstverrsnittet er (jamfør 2 og 4) - resistansen er avhengig av ledningsmaterialet (jamfør 1 og 2). U

21

Materialkonstanten kalles resistivitet. Den blir be­ tegnet p (gresk rho). Tabellen viser resistiviteten ved 20 °C til noen materialer. Materiale

Resistivitet 10'2 [Qmm2/m]

Sølv Kopper Aluminium Sink Jern Kromnikkel

1,625 1,724 2,7 6,25 « 10,5 100-110

Resistansen i en ledning kan betegnes med:

der

R = resistans [Q]

Eksempel 2 Hvor stor resistans har en 10 m lang kromnikkeltråd med diameteren d = 0,5 mm? Re­ sistiviteten til kromnikkel er p = 100-10“2 Qmm2/m

p — resistivitet [Q mm2/m]

l = ledningslengde [m]

A = ledningstverrsnitt [mm2] Legg merke til at enhetene avviker fra grunnenhe­ tene i SI-systemet.

Sølv og kopper er svært gode ledere. Kromnikkel er en legering som blir brukt i komponenter som skal ha høy resistans. Det endrer seg lite med temperaturen. I personbiler brukes vanligvis enledersystem. Det betyr at strømmen fra spenningskilden til forbrukerne går i en kopperledning. For å få sluttet kretsen lar vi strømmen gå gjennom forbrukerkomponentens hus (stål eller aluminium) og bilens gods (stålbjelker, stålplate e.l.) tilbake til spenningskilden. Stål og aluminium har høy resi­ stivitet sammenliknet med kopper, men til gjen­ gjeld er tilbakeledningens (godsets) areal så stort at resistansen i godset blir svært liten. (Rgods ~ 0 Q). Resistiviteten (spesifikk resistans, p) skal vi se nærmere på i de to neste eksemplene.

R = 100-10~2 Q mm m

2~1

10 [m]-4 ~ 7i-0,52 [mm2] ~

Resistiviteten er temperaturavhengig. I ledere øker resistansen med stigende temperatur. Dette må vi ofte ta hensyn til, for eksempel ved feilsøking. Når vi undersøker komponenter, bør vi ha normal driftstemperatur.

Ved svært lave temperaturer minker resistiviteten i visse materialer raskt, og ved temperaturer nær det absolutte nullpunkt (-273,16 °C) forsvinner den helt. Ledere med disse egenskapene kalles supraledere. Ikke alle metaller er supraledere, men det blir framstilt en rekke supraledende legeringer.

Eksempel 1 Hvor stor er resistansen i en spole som er viklet med 200 m koppertråd som har tverrsnittet A - 0,05 mm2? Pkopper = 1,724-10 2 Qmm2/m R = 1,724-10-2 Qmm2/m - ^°m 2 ~ 69 Q 0,05 mm2

Finn ut hvor supraledere blir brukt

22

LIV OG HELSE

Skader av elektrisk strøm

Ta av deg klokke og smykker når du arbeider med elektriske systemer!

Strøm fra en spenningskilde eller en strømførende leder gjennom metallsmykker som ligger mot huden, kan gi ytre brannska­ der som det er vanskelig å helbrede. Klokker

med batterier og elektroniske komponenter blir ødelagt hvis de blir utsatt for elektrisk strøm utenfra. Også i systemer med lave spenninger kan strømstyrken bli høy når resistansen er lav.

Motstander. Resistansmåling

Symboler for motstander. Fra venstre vanlig motstand, styrt motstand, motstand med flyttbart uttak

Komponenter der resistansen blir utnyttet i elek­ triske systemer, kalles motstander. Glødelampa er et eksempel. Faste og variable motstander kan brukes for eksempel i ladingsregulatoren og i nivågiveren i bensintanken. Variable motstander blir også brukt for å styre kondensatorens ladingstid. En motstand koplet sammen med en konden­ sator blir brukt for eksempel i radiostøydemping (RC-filter).

Resistansen i en komponent kan måles med et ohmmeter. Ohmmeteret har en egen spenningskilde (et batteri), og utslaget i ohm er avhengig av hvor stor strømstyrken i kretsen blir. Derfor må kom­ ponenten alltid koples vekk fra sin normale strømkilde ved målingen. Resistansen til en gjenstand kan vi også bestemme ved å måle spenning og strøm og så bruke Ohms lov. Sammendrag RC-krets (RC-filter)

Resistansen i en leder virker som et hinder for den elektriske strømmen gjennom lederen. Resistansen blir måleenheten ohm

betegnet

med

R

og

har

[Q; IQ = 1 V/A; 1 kQ = 103 Q, 1MQ = 106 Q]

Sammenhengen U = R I kalles Ohms lov. Resistansen i en leder er avhengig av lederens resistivitet p, lengden l og arealet (tverrsnittet) A.

Resistansen kan vi måle med et ohmmeter. Ved målingen skal kretsen være spenningsløs. 23

Seriekopling og parallellkopling Komponenter i et elektrisk system kan koples i serie (etter hverandre) eller parallelt med hveran­ dre. Seriekopling med motstander blir særlig brukt når en ønsker å regulere spenningen over en forbruker, for eksempel i en viftemotor som skal ha variabelt omdreiningstall.

Ved seriekopling flyter samme strøm gjennom alle komponentene. Summen av alle spenningsfall i en sluttet krets er lik den påkoplete spenningen. Denne setningen blir kalt Kirchhoffs andre lov (s. 13).

Figuren viser tre seriekoplete motstander R2 og R3

U = I’Rt + IR2 + I’R3 Vi flytter / over til det venstre leddet. — = Rr + R2 + R3. Etter Ohms lov er y- = R

R er her den totale resistansen i kretsen (resultantresistansen).

R — R1 + R2 + R3 ved seriekoplete motstander.

Ved seriekoplete motstander er resultantresistansen lik summen av resistansen til hver enkelt motstand.

Eksempel En krets inneholder tre seriekoplete motstander på 100, 200 og 300 ohm. Hvor stor blir strømstyrken dersom spenningskilden er 12 volt?

R = Rt + R2 + R3 = 100 + 200 + 300 Q

= 600 Q U 12 V ; = «=600Q = °’02A = 20mA

Parallellkopling innebærer at en kopler komponen­ tene parallelt med hverandre. Strømmen blir da fordelt på de ulike komponentene, mens spen­ ningsfallet blir like stort over hver ledningsgrein.

I hvert forgreningspunkt i et ledningsnett er summen av strømmene til punktet lik summen av strømmene fra punktet (Kirchhoffs første lov).

24

2

Nettet på figuren har tre parallellkoplete resistanser, Rlf R2 og R3. Da gjelder at

+ I2 + £

/ =

U =

~ ^2^2 = ^3^3

Av den nederste sammenhengen får vi

z =+ 'R,

!’3 =SL Ry

/ =_L 2 R2

Vi setter inn I {, I2 og 13 i den øverste ligningen. Z = —+ —

Rl

—

R3

^2

Vi skiller ut U og bruker Ohms lov

(R = u/I => 1/R = l/JJ\ Resultantresistansen R blir da 1_ 1 Ved parallellkopling av motstander er den inverse verdien av resultantresistansen lik summen av de inverse verdiene av delresistansene.

r

1

1

_ r7 + r7 + r7

for parallellkoplete motstander.

Legg merke til at resultantresistansen er mindre enn den minste av delresistansene i parallellkoplingen.

Eksempel 1 Bestem resultantresistansen for fire parallellkople­ te motstander på 2, 3, 6 og 12 ohm.

£_J_ 1 1 1 R~ R, + R2+.R,+ R^ j__l 111 £ R ~2 + 3+ 6 +12 Q

Vi finner fellesnevneren og får

1 _6 + 4 + 2 + 1 13 F 1 R ~ 12 "12

R=

3 Fordonsteknik Elsystem Båkmål

25

Q ~ o,92 Q

Eksempel 2 Bestem strømmene gjennom de tre glødelampene på kretsskjemaet i prosent av den inngående strømmen I. De oppgitte resistansene gjelder når

Vi forenkler skjemaet ved først å finne resultantresistansen for hver av de parallellkoplete lampene. Deretter summerer vi resistansene for de seriekoplete komponentene (motstand og lampe).

1 _2 + 1 K“ 4

1 1 1 R“4 + 2

Nå gjelder

/

I =

+ I2

°g

4\

22

167i = f 6 + G72 = 3“'^2

^or^orter °§ setter

Vi løser ut 12 (I2 = ^‘^2 inn i ligningen:

og

=>/,=!!/ ; 1^0,31/ 24 I2 er da — ■ I » 0,69 I

(Fra tidligere har vi at 72 = I — 7J 72 deler seg på de to parallellkoplete glødelampene i I3 og 74. På grunn av at resistansene ikke er like store, blir strømmene gjennom dem forskjellige. Vi har 72 — 7 3 + 74

og

2 473 = 274 => 73 — 4 74

2 6 T ^2 ~ 4^4 + 74 =>12 — 74 og 4 74 = -72

Av det følger at

2 73=^-72

Studer disse sammenhengene. Summen av resi­ stansene er 6 ohm. Gjennom 4 Q-resistansen går 2/6 av strømmen, og gjennom 2 Q-resistansen går 4/6 av strømmen. 24 , 12 er — I, som gir 2 35

2 24 6 35 1 73 « 0,23 7;

og

4 24 j 6 35

74 « 0,46 7

Strømmen gjennom de tre glødelampene blir hen­ holdsvis om lag 31,23 og 46% av inngående strøm 7.

26

Også kondensatorer kan parallellkoples eller seriekoples. Parallellkopling er vanligst.

Ved parallellkoplete kondensatorer er spenningen like stor over alle kondensatorene, mens ladninge­ ne fordeler seg etter kapasitansene. Q = Q\ + Q2 + Q3 gir Q = u-Cr + UC2 + UC3

Vi skiller ut U og får

men Q/U er den totale kapasitansen C (resultantkapasitansen), og Ved parallellkopling av kondensatorer er resultantkapasitansen lik summen av kondensatorenes kapasitanser.

C = Cr + C2 + C3 ved parallellkoplete kapasitanser.

Ved seriekoplete kondensatorer blir ladningen lik på hver av kondensatorene, mens spenningsfallene over dem er avhengig av kapasitansene. U = Ul + U2 + U3

gir

På grunn av at U/Q er 1/C, får vi

1 1 1 1 C “ Q + C2 + C3

Legg merke til at her gjelder, som for parallellkople­ te motstander, at resultantverdien er mindre enn hver av enkeltkomponentenes verdier. I det elektriske systemet i kjøretøyer forekommer både seriekopling, parallellkopling og kombina­ sjoner av disse koplingene. For å regulere omdreiningstallet til viftemotoren i varmeapparatet kan en kople inn en strømbryter med variabel motstand (reostat) i serie med vifte­ motoren.

Av koplingsskjemaet på figuren ser vi at spen­ ningsfallet over motoren ved et visst omdreiningstall blir bare 4 V dersom hele motstanden er koplet inn. Effekten til motoren minker, og en del elektrisk energi blir omformet til varme i motstan­ den. Denne varmen gir ikke nyttig arbeid. Vi har altså et energitap.

U = 1 2 V, / = 4A, Fl = 2,0 Q Un = /■ R Un =8 V t/M = (7-t/R=>(7M = 4V

27

Forbrukere som skal avgi nyttig effekt, for eksem­ pel lamper og radio, blir koplet parallelt med hverandre i forhold til spenningskilden. I en paral­ lellkopling får komponentene hele driftsspenningen. Kondensatorer blir vanligvis koplet parallelt med hverandre og med for eksempel motstander (RCkrets) og spoler (IC-krets).

Parallellkoplete forbrukere

Symboler 1 Motor 2 Signalhorn 3 Elektrisk bryter med manuell inn- og utkopling 4 Elektrisk bryter med manuell innkopling og automatisk utkopling

Sammendrag

I et forgreiningspunkt gjelder at summen av strømmene til punktet er lik summen av strømmene fra punktet (Kirchhoffs første lov).

I en sluttet krets er summen av spenningene til alle spenningskildene som inngår i kretsen, lik sum­ men av alle spenningsfall i kretsen (Kirchhoffs andre lov). Ved seriekoplete motstander er resultantresistansen R = R1 + R 2 + R3...

Ved parallellkoplete motstander er resultantresistan­ sen R gitt av formelen 1_ 1 1 1 R “ R7 + RT + R3 + ■’

Ved parallellkoplete kondensatorer er resultantkapasitansen C = C1 + C2 + C3 + ... Ved seriekoplete kondensatorer er resultantkapasistansen C gitt av formelen

Øvingsoppgaver 22-29

28

Joules lov. Elektrisk energi og elektrisk effekt Når elektroner beveger seg gjennom en leder, går en del av bevegelsesenergien over til varme.

Denne varmen blir utnyttet for eksempel i glødelamper. Glødetråden blir oppvarmet så mye at den sender ut lys.

Strømstyrken I i en leder angir hvor mange elektroner som passerer gjennom et tverrsnitt av lederen i ett sekund, det vil si I = Q/t. Spenningen er arbeid W per ladning, det vil si U = W/Q. Elektrisk energi kan vi da beregne av formelen: W = Ult U = spenning [V] I = strømstyrke [A] t = tid [s] W — energi [VAs] Denne sammenhengen blir kalt Joules lov. Enheten voltamperesekund (VAs) blir kalt wattsekund (Ws; 1 Ws = 1 VAs, 3 600 Vs = 1 Wh (wattime), 1 kWh = 103 Wh).

Energienheten wattsekund er det samme som en newtonmeter. Det bygger på definisjonen av spen­ ning:

1 V = 1 Nm/as

Elektrisk energi er W = U ■ I t,og sammenhengen mellom enhetene blir 1 Ws = 1 — • 1 A • 1 s, det vil si 1 Ws = 1 Nm. As

Energimengden en joule, 1 J, er også lik 1 newton­ meter. 1 J = 1 Nm, og av det følger at 1 Ws = 1 J = 1 Nm. Dersom vi bruker Ohms lov U — R • 1 på energiligningen, får vi

W = R ■ I2 ■ t

og

W=

U2-t R

Det er ofte av interesse å finne hvor mye energi per tidsenhet som blir omformet til nyttig energi (eller unyttig energi, tap).

29

Energi per tidsenhet kalles effekt og betegnes P (jamfør Tidens bilfagserie: Motorer).

Joules lov skrevet i effektform blir P = U ■ I

Måleenheten er watt [W, 1W = 1 VA, 1 kW = 103 W, 1 MW = 106 W],

Ved hjelp av Ohms lov kan effekten P også finnes av formelen P = RI2

Sammendrag Joules lov blir skrevet i energiform: W = Ult i effektform: P = U l Enheten for energi er wattsekund [Ws, 1 Ws = 1 VAs, 1 Ws = 1 J = 1 Nm 1 Wh (wattime) = 3 600 Ws, 1 kWh = 103 Wh = 3,6 • 106 Ws]

og

Effekt er energi per tidsenhet. Enheten for effekt er watt [W, 1 W = 1 VA, 1 W = 1 J/s= 1 Nm/s]

Eksempel Hvor stor energi blir forbrukt i løpet av en halv time i en halogenpære med effekt 70 W?

0,5 h = 30 • 60 s, W = P • t => W = 70 [W] ■ 1 800 [s] = 126000 Ws = 126 kWs

Formler for sammenhengen etter Ohms lov og Joules lov

Øvingsoppgaver 30-32

30

Magnetisme Allerede på 1200-tallet ble kompassnåler brukt. I våre dager brukes magneter i en rekke forbindel­ ser. Bilmekanikere kommer i kontakt med magne­ tisme og magnetismens virkninger i måleinstru­ menter, generatorer, startmotorer, coiler (tennspoler), releer osv. Det fins to typer av magneter, permanentmagneter og elektromagneter.

Magnetisme er et gammelt og velkjent fenomen. Den opprinnelige betydningen av ordet er evne til å trekke til seg metaller som jern og nikkel. Magnetiske mineraler er for eksempel magnetitt (en jernoksid) og jernsulfid. Magnetitt blir dannet blant annet når magma stivner. Flytende magma fins i det indre av jorda, og jorda er i seg selv en kjempemagnet med nordpol og sydpol.

Permanentmagneter Permanentmagneter beholder sine magnetiske egenskaper når de har blitt magnetisert. De blir vanligvis lagd av hardt stål, det vil si karbonstål og ulike stållegeringer med for eksempel aluminium, nikkel eller kobolt. Også magneter av sintret type forekommer. Ulike sammensetninger gir magneter med ulik styrke i forhold til massen.

Stavmagneten er den enkleste formen for permanentmagnet. Den har en nordpol og en sydpol på samme måten som kompassnåla. Hvis den er opphengt slik at den kan bevege seg fritt, stiller den seg inn etter jordas magnetfelt slik som kompassnåla, det vil si med sydpolen rettet mot jordas magnetiske nordpol. Omkring magneten kan en tenke seg et stort antall kraftlinjer. Dem kan vi påvise ved å strø jernfilspon på et papir over magneten. Hver spon blir en liten magnet som retter seg etter det magnetiske feltet.

Stavmagnet med magnetiske kraftlinjer

De magnetiske kraftlinjene går fra nordpolen til sydpolen. De er sluttete kurver som fortsetter gjen­ nom magneten. Kraftlinjene danner et magnetisk felt (en «magnetisk strøm»). Det magnetiske feltet er lettere å lede gjennom stål enn gjennom luft. Bestemte legeringer leder strømmen hundre tusen ganger bedre enn luft.

Ulike poler tiltrekker hverandre, mens like poler frastøter hverandre (jamfør kraft mellom ladnin­ ger). Hvordan magnetpoler virker inn på hverandre

31

Dersom vi plasserer en stålbit i nærheten av en magnet, trekkes den til magneten av magnetens polaritet. Dette kalles magnetisk kraftvirkning. Kraf­ ta mellom magneten og stålbiten blir størst dersom magneten er hesteskoformet. Stålbiten leder det magnetiske feltet. Dersom den er av hardt stål, blir den magnetisert og blir en permanentmagnet. Visse materialer, reint jern og framfor alt nikkellegeringer, leder det magnetiske feltet svært godt. Men de har bare små rester av magnetisme igjen når de blir fjernet fra det magnetiske feltet. Restmagnetisme blir kalt remanens. Magneten tiltrekker stål uansett egen polaritet

Elektromagnetisme Grunnlaget for elektromagnetismen er at elektrisk strøm gjennom en leder gir et magnetisk felt omkring lederen. Feltet sprer seg som ringer i vannet omkring lederen. Størrelsen på feltstyrken i et punkt utenfor lederen blir bestemt av strømstyrken og av avstanden til lederen. Feltstyr­ ken er altså konstant i bestemte avstander fra lederen (sylinderformete sjikt). Feltstyrken har også retning, som vi kan påvise ved for eksempel å føre en kompassnål rundt en hengende leder som det går strøm gjennom. Kompassnåla stiller seg med nordpolen i feltets retning. Denne retningen kaller vi positiv.

I bildet med magnetfelt markeres strømretningen og feltret­ ningen ved behov («inn i figuren» og «ut av figuren»).

Huskeregel: Dersom vi skrur inn en høyregjenget skrue i strømretningen gjennom lederen, angir vridningsretningen feltlinjenes retning.

Den såkalte skrueregelen

32

Elektromagneter Dersom vi legger flere ledere med samme strømstyrke ved siden av hverandre, vil magnetfel­ tene mellom lederne utligne hverandre. Rundt hele ledningsrekka virker de ulike ledernes magnetfelt sammen, og det blir dannet et resulterende felt som omslutter alle lederne. Jo flere ledere en har, desto sterkere blir dette magnetfeltet.

Ved å binde en ledning rundt for eksempel et plastrør får vi en spole. Når vi slipper strøm gjennom ledningen, blir det dannet et magnetfelt omkring vindingene, se figuren. Spolen fungerer som en magnet så lenge det flyter strøm gjennom vindingene. Spolen er en elektromagnet. Elektromagnetens nordpol og sydpol blir definert på samme måte som for en permanentmagnet (se figuren), men i en elektromagnet er polariteten helt avhengig av strømretningen.

Huskeregel: Dersom vi legger fingrene på høyre hånd over spolen i strømmens retning, peker tommelen mot nord. Dette er vist på figuren.

Elektromagneter har egenskaper som permanentmagneter, men i tillegg kan en styre og variere magnetfeltet til elektromagneter ved å variere strømmen.

Elektromagnetens styrke er bestemt av strømstyrken gjennom spolen, av antallet vindinger og av magnetfeltets ledeevne.

Stål leder magnetfeltet bedre enn luft. Dersom vi fører inn en stålkjerne i spolen slik at en del av magnetfeltet går gjennom stål, blir feltet forsterket. Vanligvis bruker en et materiale som blir nesten helt umagnetisk igjen når strømmen blir brutt. Bosch

Styrken til en elektromagnet kan ikke økes ube­ grenset. På et visst nivå får en magnetisk metning. Det magnetiske feltet gjennom spolen er da så sterkt at det ikke er «plass» til et tettere felt (tettere feltlinjer).

Styrken til elektromagneten

Når strømmen gjennom polen blir økt fra 0 til maksimumsverdi, svinger magnetnåla fra 0 til 1 på skalaen. Når en stålkjerne blir ført inn i spolen, fortsetter magnetnåla å svinge til 2 på skalaen

33

Den magnetiske flukstettheten B defineres som det antall flukslinjer som går gjennom en flate vinkel­ rett mot flukslinjene. B har samme retning som feltstyrken.

Flukstettheten B har enheten tesla [T; 1 T = 1 Vs/m2]. Magnetisk materiale med liten restmagnetisme (remanens) når metning ved 0,5-2 T. Den magnetiske fluksen (feltet) blir betegnet (p. Det betyr at (p = BA, der A er det arealet som alle flukslinjene passerer.

Fluksen (p har enheten weber [Wb; 1 Wb = 1 Vs, jamfør med 1 T],

Elektromagneter blir mye brukt i kjøretøyer. Det magnetiske feltet kan bli mange ganger sterkere enn feltet fra en permanentmagnet som tar like stor plass. Det elektromagnetiske feltet kan en dessuten slå av og på.

Et magnetisk felt forsøker å flytte en strømførende leder i feltet. Det virker en kraft på den strømførende lederen. Dette er prinsippet for alle elektriske motorer.

Motorprinsippet

Dersom en leder blir flyttet i et magnetisk felt, induseres (skapes) det en spenning i lederen. Dette prinsippet blir utnyttet i likestrømsgeneratoren.

Spenning blir også indusert dersom feltet flyttes eller forandres. Dette prinsippet utnyttes blant annet i vekselstrømsgeneratoren og i coilen på ottomotorens tenningssystem. Også elektromagneter gir magnetisk kraft. Den blir brukt for eksempel til å bryte og slutte manøvreringskretser (releer).

Øvingsoppgaver 33-38 Magnetisk kraftvirkning

34

Elektromagnetisk kraftvirkning på elektriske ledere

En strømførende leder i et magnetfelt blir påvirket av en kraft. Definisjonen av grunnenheten 1 A i SIsystemet bygger på dette. Figuren viser en rett leder i et magnetfelt. På den ene sida av lederen blir feltet forsterket ved at begge magnetfeltene virker sammen, på den andre sida svekkes det. Krafta F påvirker lederen vinkel­ rett på magnetfeltet og vinkelrett på strømmens retning. Krafta virker mot den sida der feltet er svekket. B Magnetfelt fra permanentmagnet eller elektromagnet F Elektromagnetisk kraft

Størrelsen på krafta er avhengig av flukstettheten, av strømstyrken gjennom lederen og av lengden på den delen av lederen som er i feltet. F = B x II B = flukstetthet [Vs/m2] I — strømstyrken i lederen [A] / = lederens lenge i feltet [m]

F = kraft

XT Vs A VAs N, —y-A-m =----- Nm = N m~ m m

x -tegnet (vektor, kryssprodukt) kan også oppfat­ tes som multiplikasjonstegn, men da må B og I stå vinkelrett på hverandre. F blir da vinkelrett både på B og I. Vi kaller dette den elektromagnetiske kraftloven.

Eksempel Hvor stor blir krafta på en 10 cm lang leder med strømstyrken 7 = 6 A vinkelrett på et magnetisk felt med flukstettheten B = 0,5 T? F = B Fl=>F= 0,5 [Vs/m2]-6 [A] 0,1 [m]

m

35

Elektromagnetisk induksjon Dersom vi flytter en leder i et magnetisk felt slik at lederen skjærer feltlinjene, blir det indusert (fram­ kalt) en spenning i lederen.

Vi kan vise at spenning blir indusert ved å slutte kretsen og vise at det flyter strøm gjennom lederen. Prøv selv med den oppstillingen som er vist på den øverste figuren. Indusert spenning har alltid slik polaritet at den forsøker å motvirke den forandringen som framkalte den. Dette er Lenz' lov, etter fysikeren Lenz, som forsket på fenomenet induksjon.

Den forandringen som framkalte induksjonen i vårt eksempel, var en bevegelse i det magnetiske feltet. Polariteten til spenningen skal være slik at bevegelsen blir motvirket. Det forutsetter at kret­ sen sluttes slik at spenningen gir en strøm. Strømretningen skal da være slik at den krafta som er skapt på den strømførende lederen i feltet, vil holde lederen på plass i feltet. Spenningens størrelse kan vi finne av

U=B x l x v B = flukstetthet [Vs/m2] l = lederens lengde i feltet [m] v = hastighet [m/s] U = indusert spenning [V] U - B x l x v

B,l og v skal være vinkelrette på hverandre.

Eksempel Hvor stor maksimal spenning blir det indusert i en 10 cm lang leder som roterer med periferihastigheten 7 m/s gjennom et magnetisk felt med maksimal fluktstetthet 0,5 T? (Dette kan svare til en halv slynge i en generator.)

U = B-l-v^

u = 0,5 [Vs/m2] • 0,1 [m] • 7 [m/s] = 0,35 V

36

3

I stedet for å flytte lederen kan en flytte det magnetiske feltet. Polariteten til spenningen blir den samme når lederen flyttes i den ene retningen (forrige figur), som når magnetfeltet flyttes i mot­ satt retning (se figuren). Krafta F forsøker å holde lederen fast på dens gamle plass i magnetfeltet.

Dersom vi lar en permanentmagnet rotere slik at feltlinjene og kraftlinjene skjærer en leder, blir det derfor også indusert en spenning. Polariteten til spenningen er slik at den krafta som den utøver på lederen, søker å holde fast lederen i feltet og få den til å følge med feltet når det roterer.

I denne lederen vil spenningen få vekslende polari­ tet. Når sydpolen befinner seg rett ut for lederen, må strømmen gå i motsatt retning for at krafta skal virke slik at den forsøker å holde igjen lederen i feltet. Det magnetiske feltet som påvirker lederen, veksler retning to ganger for hver omdreining av permanentmagneten. Det fører til at det magneti­ ske feltet som påvirker lederen, varierer med tida. 4 Fordonsteknik Elsystem Båkmål

37

Selvinduksjon

Når strømmen i en spole blir endret, forandres spolens magnetfelt. Dersom strømmen blir brutt, forsvinner magnetfeltet raskt. Når strømkretsen blir sluttet, blir det raskt bygd opp et magnetfelt omkring spolen. Fordi magnetfeltet varierer med tida, blir det indusert spenning i en leder i feltet. Det gjelder også den strømførende lederen som skaper feltet. Dette kalles selvinduksjon. Også selvinduksjon følger Lenz’ lov. Når kretsen blir sluttet, vil spolens magnetfelt bli bygd opp. Forandringen i magnetfeltet medfører at det blir indusert spenning i spolen. Polariteten til spenningen er slik at den forsøker å hindre forandringen, det vil si strømmen gjennom spolen. Det tar derfor en liten stund (deler av et sekund) før strømstyrken når sin toppverdi. Når strømkretsen blir brutt og magnetfeltet be­ gynner å forsvinne, blir det indusert en spenning som vil forsterke strømmen gjennom spolen. Det tar da en liten stund før strømstyrken er lik 0.

Symboler for induktansspole

A Vanlig symbol B Spole med ferromagnetisk kjerne (magnetisk myk kjerne)

Dette fenomenet kan vi studere ved hjelp av et oscilloskop (s. 62).

Induktans Motstanden i en leder eller en spole mot forandrin­ ger i magnetfeltet (eget eller påkoplet) kalles induktans. Induktans betegnes L og blir målt i henry [H; 1 H = 1 Vs/A). En leder har induktansen 1 H dersom en strømendring på 1 A per sekund i lederen induserer en spenning på 1 V. Induktansen til en spole er avhengig av ledningsmaterialet, av spolens geometriske oppbygning (for eksempel lengde og areal) og av antallet vindinger. I strømkretser med induktans blir det lagret energi i det elektriske feltet. Når strømmen over en spole blir brutt, skal den lagrete induktive energien omformes svært raskt. Den induserte spenningen stiger derfor kraftig akkurat i bryteøyeblikket (se figuren) og kan for eksempel i et 12 volts elektrisk anlegg gå opp til flere hundre volt.

38

ter (stifter). Transiente spenninger blir dempet dersom vi kopler en kondensator parallelt med kontaktene. Kondensatoren blir ladet og lagrer en del av energien under brytingen.

Hvor stor spenning som blir indusert i bryteøyeblikket, blir bestemt av spolens induk­ tans, av strømforandringen og av tida for forand­ ringen. I spoler med mange vindinger og stor strømstyrke kan spenningen bli svært høy når kretsen blir brutt.

T ransformatoren

At

Induksjon som kommer av forandringer i det magnetiske feltet, blir utnyttet i transformatoren. Coilen (tenningsspolen) i ottomotorens tenningssystem er i prinsippet en transformator. Den skaper den høye spenningen (10-20 kV) som er nødvendig for å få en tilfredsstillende gnist over gnistgapet på tennpluggen.

L = induktans [Vs/A] I = strømstyrke [A] t = tid [s] U = spenning [V]

Induserte spenningstopper kaller vi transiente spen­ ninger (transient = tilfeldig, forbigående). De er sjelden ønskelige, for de kan forstyrre funksjonen til elektriske komponenter eller skade dem. Vanli­ ge skader er brente kontaktflater i elektriske brytere, releer og tenningssystemets brytekontak-

En transformator er egentlig en vekselstrømskomponent. Den består av to viklinger med ulikt antall vindinger på en felles kjerne. Når spennin­ gen skal transformeres opp, blir lavspenningsviklingen (At) koplet til en spenningskilde Ux. Det magnetfeltet som strømmen gjennom lavspenningsviklingen skaper, omsluttes også av høyspenningsviklingen (7V2). En påkoplet vekselspenning gir en vekselstrøm gjennom lavspenningsviklingen. Også magnetfeltet skifter retning, og en vek­ selspenning blir indusert kontinuerlig i høyspenningsviklingen. Det gjelder at

og N2 er antall vindinger i viklingen.

I biler blir det brukt likestrøm, det vil si at strømstyrken hele tida går i samme retning og er konstant ved kontinuerlig drift. For at en spenning skal bli indusert i coilens høyspenningsvikling, må strømmen gjennom lavspenningsviklingen bli brutt i rett øyeblikk slik at en transformert spenningstopp tenner en gnist over elektrodene i tennpluggen. Lavspenningsviklingen er derfor seriekoplet med en avbryterkontakt, vanligvis kalt stifter. Lukkingen og åpningen blir styrt av ottomotoren selv (s. 141).

Prinsippet til en transformator

En batterilader inneholder også en transformator. I den er høyspenningsviklingen koplet til nettet og lavspenningsviklingen til batteriets poler gjennom en likeretterenhet (s. 78).

*) A er stor gresk delta og blir brukt for forandring A/ = forandring av 1 = forskjellen mellom I før og etter.

39

Magnetisk energi og kraftvirkning I et magnetisk felt er det lagret energi. Den kan brukes til å utføre et arbeid i en magnetisk krets. En magnetisk krets består for det meste av stål. Ved hjelp av en spole (eller en permanentmagnet!) blir det dannet en strøm gjennom kretsen. I kretsen er det ofte ett eller flere luftgap, og der kan strømmen utnyttes.

Magnetisk krets med strøm gjennom spolen og luftgap

I skilleflata mellom stål og luft opptrer en mekanisk kraft som er rettet vinkelrett mot skilleflata. Figuren viser en magnetisk krets som består av en hesteskoformet elektromagnet og et anker. Krafta F er rettet slik at den forsøker å minske luftgapet, det vil si slutte kretsen. Dette prinsippet blir brukt for eksempel i releer og i elektriske membranpumper.

E Elektromagnet A Anker

Øvingsoppgaver 39-41

40

Halvledere Det blir stadig vanligere å bruke elektroniske komponenter i det elektriske anlegget i biler. Dioden er en vanlig elektronisk komponent i det elektriske anlegget. Det samme er tilfellet med zenerdioder, transistorer, tyristorer og termistorer. Mekanisk kan dioden sammenlignes med en tilbakeslagsventil og transistoren med en hydraulisk styrt retningsventil i et hydraulisk system.

Halvlederkomponenter er som regel mekanisk ufølsomme, det vil si at de tåler ristinger, slag og vibrasjoner. Likevel bør de behandles varsomt.

Noen halvledere er følsomme for «elektrisk» be­ handling. Altfor høye spenninger og strømstyrker skader alltid komponenten. Skaden oppstår umid­ delbart. Det er derfor viktig at en arbeider på rett måte og bruker riktig utstyr når en feilsøker og gjør justeringer i et elektrisk anlegg med halvleder­ komponenter. Høye temperaturer påvirker elektronbindingene til krystallene og forstyrrer funksjonen. Derfor blir disse komponentene ofte montert på store varmeavledende kjøleflenser. De må holdes frie for støv, olje og veismuss. Ved loddearbeid må varmen fra loddebolten ledes vekk så den ikke forplanter seg til halvlederen. En kan bruke en tang som vist på figuren.

Spenningstopper, såkalte transiente spenninger (s. 39), kan skade halvledere. Transiente spennin­ ger forplanter seg gjennom hele ledningssystemet. Derfor skal hovedstrømmen i et kjøretøy aldri brytes mens generatoren lader, det vil si når motoren er i gang.

Ved elektrisk sveising på kjøretøyet bør det elek­ triske systemet koples vekk. Det skjer lettest ved at en løsner batteriledningene.

41

Diode

P

N

Dioden består av en P-dopet og en N-dopet del (s. 18). Dette kan vi symbolisere med et blokk­ skjema. Området mellom P-delen og N-delen blir kalt PN-overgang. P-delen har «hull», det vil si positive ladninger, og N-delen har frie elektroner (s. 16).

Blokkskjema for dioden

Symbol for halvlederdiode

Dersom dioden blir koplet til en spenning med positiv polaritet ved P-delen, vil de positive ladnin­ gene (hullene) vandre mot N-delen. De frie elektro­ nene i N-delen vandrer mot positiv polaritet. Det blir en elektronstrøm gjennom dioden og kretsen. Dioden leder.

Pilen på symbolet markerer denne strømretnin­ gen. Når spenningen over dioden har den polari­ teten som figuren viser, sier vi at den har en for­ spenning i framretningen eller er koplet i lederetningen.

Diode med forspenning i framretningen eller koplet i lederretningen

En diode kan også koples inn slik at den har forspenning i tilbakeretningen eller er koplet i sperreretningen. De frie elektronene i N-delen blir da dratt mot positiv polaritet, og de positive ladningene går mot negativ pol. Området i midten, PN-overgangen, blir tømt for ladningsbærere, og ingen elektrisk strøm kan gå gjennom kretsen. Dioden sperrer.

Diode med forspenning i tilbakeretningen eller koplet i sperreretningen

42

Funksjonen til dioden i et elektrisk system tilsva­ rer tilbakeslagsventilen i et hydraulisk system.

Framretningen blir markert på dioden med sym­ boler eller med A og K. A står for anode (+) og K for katode (—).

Merkinger på dioder

Resistansen til dioden kan vi studere på et kop­ lingsskjema av omtrent samme type som da vi studerte resistansen til ulike ledninger (s. 21). Her er det koplet inn ytterligere en motstand i kretsen for at spenningene over dioden ikke skal bli for store. Dioden blir innkoplet mellom A og B slik at den får forspenning i framretningen. Mens spenningen over dioden blir økt trinn for trinn (små trinn!), leser vi av strømstyrken. Det viser seg at det trengs en relativt høy spenning (0,4-0,6 V) for å få dioden til å lede. Den har altså høy resistans ved lav spenning. Ved høyere spenning (4-6 V) er resi­ stansen svært liten (tilnærmet 0).

Koplingsskjema til å studere diodens resistans. Legg merke til at voltmeteret er koplet med en såkalt ytre kopling. Den måler spenningsfallet over både diode og amperemeter. Ampere­ meteret måler strømmen gjennom dioden.

Dersom dioden blir koplet inn slik at den får forspenning i tilbakeretningen, leder den ingen strøm når spenningen er under 4-5 V. Resistansen er «uendelig» (oo). Dersom en øker spenningen for mye, leder dioden, men da er den skadd og ubrukelig.

43

De oppmålte tallparene (U, 7) kan vi føre inn i et diagram. Av forsøkene kan vi trekke denne kon­ klusjonen:

- Dioden leder strøm i framretningen, men ikke i tilbakeretningen ved samme verdier på spen­ ningen. - Spenningen er ikke lineært avhengig av strømmen, det vil si at resistansen ikke er «konstant» (jamfør s. 21). - Resistansen er avhengig av størrelsen og retnin­ gen på spenningen (R = /(l/)). Spenning-strømdiagram for en diode

Dioden blir blant annet brukt i vekselstrømsgene­ rator og måleinstrumenter.

Silisiumdioder for vekselstrømsgenerator (naturlig størrelse)

Zenerdiode Zenerdioden er bygd opp på samme måte som en vanlig diode, men den har høyere innhold av dopingstoffer i både P-delen og N-delen. Dermed har den flere hull og frie elektroner enn den vanlige dioden. Det gjør at zenerdiodens egenskaper avvi­ ker fra den vanlige diodens. Zenerdioden leder i tilbakeretningen (sperreretningen) når spenningen overstiger en bestemt verdi, som er bestemt av konstruksjonen.

p

Mekanisk kan en sammenligne zenerdioden med en mottrykksventil, der to parallellkoplete tilbakeslagsventiler leder i hver sin retning. Den ene åpner for lavt trykk, mens den andre åpner først når systemet har nådd et høyere trykk.

N

Zenerdiodens blokkskjema

Resistansen til zenerdioden kan vi studere med samme forsøksoppstilling som den vi brukte for dioden. Når den har forspenning i framretningen (koplet i lederetningen), leder den som er vanlig diode. 44

I tilbakeretningen (sperreretningen) sperrer den til spenningen når det såkalte zenerpunktet. Ved høyere spenning er resistansen nær null. Det skjer en markert overgang mellom uendelig resistans og nullresistans ved zenerpunktet. Dioden leder eller sperrer strømmen ved zenerspenningen. Dette gjen­ nombruddet i tilbakeretningen kan gjenta seg gang på gang uten at dioden blir skadd. Zenerdioder i biler har en zenerspenning på 6-12 volt. Zenerdioden blir brukt blant annet i elektriske spenningsregulatorer, i tenningssystemer og i brennstoffinnsprøytingssystemer for ottomotorer. Det er zenereffekten som blir utnyttet. Derfor blir dioden koplet med forspenning i tilbakeretningen (sperreretningen).

Spenning-strømdiagram for zenerdiode Uz zenerspenning

Transistoren Transistoren er bygd opp av tre halvlederkrystaller. De kan plasseres i et mønster PNP eller NPN.

Transistorer kan vi betrakte som motkoplete dioder med felles N-del eller felles P-del. Det midterste laget er svært tynt og har et eget uttak.

Transistorer har tre uttak, E, B og C. E står for emitter (den som sender ut). C står for kollektor (den som samler, tar imot). B står for basis. PNP- og NPN- transistorer som motkoplete dioder

PNP- og NPN-transistorer fungerer på samme måte. Den eneste forskjellen er at strømmene flyter i motsatt retning, og at alle spenninger har motsatt polaritet. I transistorsymbolet har emitteren en pil. Hos PNP-typen peker den fra emitteruttaket, hos NPN-typen mot emitteruttaket (se figurene). Pilen angir strømmens retning gjennom transistoren. Emitteruttaket er alltid markert, for eksempel med farge eller symbol.

T ransistorsymboler

45

Måten transistoren fungerer på, kan en vise ved å kople den inn i en krets med en glødelampe som belastning. (Prøv!)

Kollektoren til transistoren blir koplet til plusspolen på spenningskilden gjennom glødelampa. Emitteren blir koplet til minuspolen. Transistoren vil nå fungere som en diode, forspent i tilbakeretningen, det vil si at PN-overgangen blir tømt for ladningsbærere. Transistoren sperrer.

Transistoren sperrer

Dersom en slutter den elektriske bryteren (S), får basen en positiv spenning i forhold til emitterens spenning. Diodedelen B-E blir forspent i framret­ ningen, og en strøm Ib går igjennom basisemitterkretsen. 0,1 -1,0% av ladningsbærerne går denne veien.

Strømmen av elektroner gjennom P-delen løser opp den polariseringen i PN-overgangen som har sperret for strømmen gjennom kollektor-emitterkretsen. Flertallet av elektronene fra emitteren, 99,0-99,9 %, går rett gjennom transistorens tykke midtsjikt, og en strøm Ic går samtidig gjennom kollektor-emitterkretsen. Fordi resistansen mel­ lom C og E er svært lav, skjer det største spennings­ fallet over belastningen, som her er en glødelampe som lyser med full styrke.

Transistoren leder

46

Denne koplingen (switchkopling) er vanlig i biler og andre kjøretøyer, og den kan sammenlignes med en elektromekanisk bryter (et reie). Transis­ toren arbeider elektronisk, har ingen bevegelige deler og er mye raskere enn et reie.

Sammenligning mellom transistor og manøvreringsrele

I biler brukes transistorer dessuten blant annet i ladingsregulatorer, tenningssystemer, innsprøytingssystemer, overspenningsbeskyttelse og pulsgeneratorer (blinkreleet). Transistorer blir også brukt som forsterkere i for eksempel bilradioer.

Mekanisk kan transistoren sammenlignes med en hydraulisk styrt retningsventil som åpner for full gjennomstrømning ved et visst styretrykk på ventilstempelet. Transistorer for ladingsregulator A Effekttransistor (naturlig størrelse) B Styretransistor (omlag 2 x)

Tyristoren Tyristoren er oppbygd av P- og N-dopete krystal­ ler i fire sjikt. Tyristoren har tre PN-overganger. På samme måte som transistoren har den tre uttak: A = anode, koplet til positiv spenning (jamfør dioden) Tyristorens blokkskjema

K = katode

S eller G = styring eller gate

Symbol for tyristor

47

Dersom tyristoren blir feilkoplet, det vil si dersom anoden blir koplet til negativ spenning, vil den sperre. Den fungerer da som to seriekoplete dioder i tilbakeretningen. For høy spenning i tilbakeret­ ningen skader tyristoren på samme måte som dioden.

Dersom tyristoren blir koplet inn i framretningen, leder de ytre PN-overgangene, men nå sperrer den midterste. Den midterste PN-overgangen blir brutt på samme måte som i transistoren. Den positive spenningen på S kalles styrespenning. Tyristorens resistans blir nå helt borte, og tyristo­ ren leder.

I praksis er det nødvendig med bare en kort spenningsimpuls for at tyristoren skal begynne å lede. Styrespenningen blir derfor ofte kalt tenningsspenning. For å få tyristoren til å sperre igjen må en bryte hovedstrømkretsen et øyeblikk.

Tyristoren leder

Tyristoren kan tåle strømstyrker i framretningen på flere hundre ampere og har derfor mange bruksområder. Oftest blir den brukt i reguleringsenheter for elektriske motorer, i sveisemaskiner og lysutstyr. I biler og andre kjøretøyer blir den ofte brukt som overspenningsvern i ladingsregulatoren og i elektronisk styrte tenningssystemer.

Tyristor

48

4

Termistoren Termistoren er en svært varmefølsom motstand. Den tilhører gruppen halvlederkomponenter, men inneholder ingen P- eller N-dopete krystaller.

Termistoren består av ulike metaller og metallforbindelser som er sintret sammen (smeltet sammen i overflata). Alt etter som resistansen i termistoren skal øke eller minke med stigende temperatur, kan en bruke for eksempel jernoksid, sink, titan og magnesium.

Symbol for termistor

En termistor hvor resistansen øker med stigende temperatur, er av typen PTC. PTC står for Positive Temperature Coefficient.

En termistor som får redusert resistans ved stigen­ de temperatur, er av typen NTC. NTC står for Negative Temperature Coefficient.

Termistor

1 NTC-motstand 2 Isolering 3 Tettingsmasse 4 Elektrisk tilkopling

Resistansen til en termistor endrer seg mye allerede ved små temperaturforandringer. Den kan derfor brukes som styreenhet eller giver, i biler for eksempel i elektroniske brennstoffinnsprøytingssystemer, ladingsregulatorer, nivåfølere og elek­ trisk styrte temperaturmålere.

Resistansens avhengighet av temperaturen for en NTCtermistor

Legg merke til at det er et logaritmisk forhold mellom resistans og temperatur!

5 Fordonsteknik Elsystem Båkmål

49

Hallgenerator I 1879 oppdaget amerikaneren E. Hall at et magnetfelt kan skape en tverrspenning over en metallplate som det går en elektrisk strøm gjen­ nom. Fenomenet kalles halleffekt.

Med nye halvledermaterialer og forbedret teknikk har halleffekten fått økt betydning i styrings- og reguleringsteknikken.

Halleffekten

Når en strøm I går gjennom et halvledersjikt og et magnetisk felt B passerer vinkelrett gjennom sjik­ tet, oppstår det en elektrisk spenning mellom ytterkantene på halvledersjiktet. Denne spennin­ gen blir kalt hallspenning UH. Verdien av UH er proporsjonal med strømmen og styrken til mag­ netfeltet. Magnetfeltet kan stamme fra en permanentmagnet eller fra en leder med elektrisk strøm.

Noen halvledermaterialer, for eksempel silisium (Si), gir så høy hallspenning at en kan ta ut en strøm, hallstrømmen (IH). Denne strømmen kan forsterkes og brukes til styring av ulike funksjoner. En slik komponent kalles en hallgenerator.

Hallgeneratoren kan brukes som impulsgiver i et transistortenningssystem og som giver i et tangamperemeter.

Blokkskjemaet viser en hall-IC-krets som inngår i et transistortenningssystem. Den integrerte kret­ sen får plass på en halvlederskive (en såkalt chip, som har et areal på om lag 1 mm2).

1 Hallgenerator 2 Temperaturkompensering 3 Forsterker 4 Signalomforming 5 Sluttrinn 6 Spenningsstabilisering 7 Til transistor

Øvingsoppgaver 44-51

50

17 Silisium (kisel) er vanligvis en isolator. Hvor­ for?

Øvingsoppgaver

18 Pa hvilken mate kan sihsiumkrystallene gjøres elektrisk ledende? Hva kaller vi resultatet?

1 a) Hvilke elementærpartikler fins det i atom­ ene? b) Hvilken eller hvilke av dem har elektrisk ladning? c) Hva kalles denne ladningen, og hvor stor er den?

19 Hvilke tre forutsetninger må være oppfylt for at det skal gå en elektrisk strøm gjennom en krets? 20 a) Hvordan definerer vi strømstyrke? b) Med hva og hvordan blir strømstyrken målt?

2 Hva er valenselektroner? 3 Hvordan forandres krafta mellom to ladnin­ ger dersom en fordobler avstanden mellom dem?

21 Hvor mange elektroner per sekund passerer et tverrsnitt av en leder når strømstyrken er 1 A?

4 Hvilke to faktorer bestemmer energien i en elektrisk ladning?

22 I en strømkrets med en glødelampe måler vi strømstyrken / til 2,6 A. Resistansen til lampa (varm) R = 9,1 Q. Hvor stort er spenningsfallet over lampa?

5 Hva mener vi med elektrisk potensial?

7 Hva mener vi med spenningsfall i en elektrisk krets?

23 I en sluttet krets med en spenningskilde på 12 volt er det en motstand med resistansen R = 1 kQ. Hvor stor blir strømstyrken i kretsen?

8 Studer figuren av den sluttete kretsen på s. 13. Strømbryteren åpnes. a) Hvilken verdi har spenningen U x nå? b) Hvilken verdi har spenningen U2? c) Hvor stort er spenningsfallet U { - C72?

24 Resistansen i lavspenningsviklingen i en coil er 2,1 Q. For å begrense spolens hvilestrøm til 4,5 A skal vi kople inn en motstand i serie med spolen. Systemspenningen er 12 V. Hvor stor resistans skal motstanden ha?

9 Hva bruker vi til å måle potensialforskjeller og spenningsfall, og hvordan gjør vi det?

25 En statorvikling består av 1 000 sammenflettete koppertråder. Hver tråd har diameteren d = 0,02 mm. a) Hvor stor er ledningens tverrsnitt? b) Hvor stor resistans har ledningen dersom den er 355 mm lang?

6 Redegjør for begrepet spenning.

10 Hva er kapasitans, og hvilken enhet måles den i? 11 Beskriv hvordan en enkel kondensator skal være bygd for at den skal ha stor kapasitans.

26 Strømmen gjennom en lyskrets må passere en batteritilkopling (R = 0,003 Q), en strøm­ bryter (R = 0,0175 Q), en dimbryter (R = 0,05 Q), tilkoplingen for lyspæra (R = 0,01 Q) og en 5 meter lang kopperledning med tverr­ snitt 2,5 mm2. Hvor stor blir den totale resistansen?

12 Hva er en elektrisk strøm? 13 Hvilken retning har strømmen i en sluttet krets? 14 Hvorfor er sølv en bedre leder enn kopper?

27 Vi skal lage en motstand av kromnikkeltråd. Diameteren d = 0,02 mm. Motstanden skal ha resistansen 4,3 Q. Hvor lang tråd må vi ha?

15 Hva innebærer «ionisering»?

16 «Forskningsoppgave». Hvorfor er plast en god isolator? 51

28 To parallellkoplete motstander på 5,4 Q og 4,6 Q er koplet i serie med en motstand på 3,516 Q. Hvor stor blir resultantresistansen (erstatningsresistansen)?

29 To parallellkoplete motstander på 18 Q og 9 Q blir seriekoplet med to andre motstander på 3 Q og 6 Q. Hvor stor er resultantresistansen? 30 Beregn den energien som blir forbrukt i en motstand med R = 8 Q når strømstyrken gjennom den er 3 A i 20 minutter.

31 Hva krever mest energi: a) å løfte 100 kg ti meter opp, b) å la en halogenlampe på 70 W lyse i 2,5 minutter?

41 a) Tegn figur og forklar «generatorprinsippet». Marker polariteten til den induserte spen­ ningen ved å slutte kretsen og markere strømretningen. b) Hvilke egenskaper ved indusert spenning hjelper deg til å bestemme strømretningen? 42 En likestrømsgenerator har følgende data: Rotorens diameter d = 70 mm Rotorviklingens lengde i det magnetiske feltet l = 2 • 100 mm. Antall vindinger n = 7 Magnetisk flukstetthet B = 1,01 T Hvor høy maksimal spenning blir indusert i rotorviklingen dersom generatorens omdreiningstall er 44 r/s?

43 Hvor høy spenning blir indusert i lavspenningsviklingen til en coil når strømstyrken minker fra 4 A til 0 A på 0,1 • 10“3 s (0,1 ms)? Spolens induktans L = 0,0075 Vs/A.

32 En lyspære har merkeeffekt 55 W. a) Beregn strømstyrken gjennom kretsen når spenningsfallet over lampa blir målt til U = 14,2 W. b) Beregn den energien som lyspæra bruker på to timer.

44 Vi sier at diodens P-del har «hull». Gjør rede for hva vi mener med det.

45 Hva mener vi med at en diode er koplet i framretningen?

33 a) Hvilke egenskaper har permanente magne­ ter og elektromagneter felles? b) Hvilke egenskaper er det bare elektromagnetene som har?

46 «Forskningsoppgave». Undersøk en diode fra en vekselstrømsgenerator og angi hvordan framretningen er merket.

34 Hva er remanens?

47 a) Beskriv forskjellen mellom funksjonen til en vanlig diode og en zenerdiode. b) Hva er årsaken til forskjellen?

35 Tegn en leder med strømretning fra venstre til høyre og angi magnetfeltet omkring lederen.

36 Hvordan bestemmer vi polene på en elektromagnet?

48 Tegn to enkle strømkretser med en NPNtransistor, henholdsvis en PNP-transistor, og en lyspære i emitter-kollektorkretsen. Tegn piler som viser strømretningen når transisto­ rene leder, og beskriv forskjellen mellom tran­ sistorene.

37 Hvilke faktorer bestemmer styrken til en elektromagnet?

38 Hvorfor bruker vi magnetisk mykt stål som kjerne i elektromagneter, for eksempel i en coil?

49 Beskriv med en tegning hvordan en tyristor skal koples for å lede.

39 Tegn en figur og forklar hvordan en strømførende leder blir påvirket i et magnetisk felt (motorprinsippet).

50 Hvordan blir resistansen påvirket i en NTCtransistor dersom vi kjøler den?

51 «Forskningsoppgave». På hvilken måte endres hallspenningen (UH) dersom strømstyrken gjennom halvledersjiktet blir fordoblet?

40 En 105 meter lang leder befinner seg i et magnetisk felt med flukstetthet B = 0,9 T. Strømmen gjennom lederen er 3,5 A. Beregn krafta på lederen.

52

Elektriske måleinstrumenter Målemetoder Dette kapitlet inneholder

Måleinstrumenter og målemetoder

Dreiespoleinstrumentet Dreiemagnetinstrumentet Bimetallmåleren Elektroniske måle­ instrumenter • Oscilloskopet • Øvingsoppgaver 52-56 • • • •

Måleinstrumenter og målemetoder Elektriske måleinstrumenter blir brukt ved feilsøking og justeringsarbeid på det elektriske systemet i kjøretøyer. Dessuten har vi fast instal­ lerte måleinstrumenter for overvåking av driften, for eksempel amperemeter og voltmeter for kon­ troll av generatorens funksjon, turtallsmåler, nivåmåler for brennstoff og olje, termometer og trykkmålere.

Elektriske måleinstrumenter kan være av visertypen, eller de kan være av digitaltypen, der måle verdien blir vist med sifre på et panel. Funk­ sjonen til elektriske måleinstrumenter kan bygge på elektromagnetisme (dreiespole- og dreiemagnetinstrumenter), på elektrisk oppvarming av en bimetallfjær (bimetallinstrumenter) eller på elektro­ niske kretser. Elektroniske instrumenter kan gi måleverdier analogt (med visere) eller digitalt (med sifre). Andre instrumenter er som regel av visertypen. Ingen av dem er særlig egnet til å vise raske forløp, for eksempel transiente spenninger eller spenningsforløpet over elektrodene til tennplug­ gen. Til slike målinger trenger vi et oscilloskop.

Dreiespoleinstrumentet Dreiespoleinstrumentet har høy målenøyaktighet og blir brukt nesten bare som feilsøkingsinstrument. Dreiespoleinstrumentet består av en spole som er bevegelig i feltet fra en permanentmagnet. Spolen er enten dreibar omkring en akse (se figu­ ren) eller opphengt i et bånd. I det første tilfellet holdes den i nullstilling av en spiralfjær, i det siste tilfellet av båndets torsjonsmoment (vridningsmoment).

Dreiespoleinstrument

Når det går strøm gjennom spolen, blir det dannet et magnetisk felt omkring den. Dette feltet blir påvirket av det permanente magnetfeltet. Viseren gjør utslag, og utslaget er alltid proporsjonalt med strømmen gjennom spolen. Ved fullt utslag er strømmen bare noen få milliampere.

Symbol for dreiespoleinstrument

54

Koplingsskjema for dreiespoleinstrument brukt som ampere­ meter

Dreiespoleinstrumentet som amperemeter. Strømmåling Et amperemeter blir brukt for å måle strømstyrken gjennom en krets eller en belastning. Når et dreie­ spoleinstrument blir brukt som amperemeter, koples det i serie med kretsen. Resistansen (den indre resistansen) til instrumentet skal være så liten som mulig, slik at den ikke påvirker strømstyrken gjennom kretsen (måleobjektet). Ved måling av små strømstyrker er instrumentets dreiespole kop­ let direkte til instrumentets uttak (pluss- og minustilkoplinger). Når en skal måle høye strømstyrker og derfor velger et annet måleområde, blir det koplet en shunt (sidekopling) inn i strømkretsen. Bare en liten del av strømmen går da gjennom spolen. Det meste blir ledet forbi spolen gjennom shunten. Dersom et instrument utstyres med flere shunter, kan det brukes for tilsvarende mange måleområder. De verdiene som blir angitt for måleområdene, forutsetter alltid fullt utslag. Der­ som vi ikke vet hvilke strømstyrker vi kan vente, bør vi begynne på det måleområdet som tillater høyest strømstyrke, og deretter gå nedover til vi finner et måleområde som gir utslag. For høy strømstyrke gjennom strømspolen kan ødelegge instrumentet. Vanligvis har måleinstrumentet en eller annen type vern som kopler ut instrumentet ved unormal målestrøm.

1 2

Shunt 0-40 A Shunt 0-1 000 A

T angamperemeter

Tangamperemeteret er en spesiell strømmåler. Fordelen med den er at en ikke behøver å bryte kretsen for å måle strømstyrken. Tangampereme­ teret har en delbar magnetkjerne, som ved må­ lingen går rundt lederen. Magnetfeltet til lederen påvirker tangamperemeterets felt, og med blant annet en hallgenerator (s. 50) blir feltforandringene omformet til måleverdier for strømstyrken i lede­ ren. Strømtanga kan koples til et dreiespoleinstru­ ment eller til et instrument med digital avlesing. Amperemeteret har tre måleområder, medregnet tilbakestrømsområdet, for kontroll av ladingsregulatorer til like­ strømsgeneratoren

5-0- 50 ampere 10-0- 100 ampere

for måling av ladingsstrøm og strømtilgang for forbrukere

100-0-1 000 ampere

for måling av startmotorstrøm og belastningsrpøve (kapasitetsprøve) av batterier

Hurtigtest av batteri og startmotor

Strømtanga blir brukt til strømmåling i hovedledningen mellom batteriet og startmotoren

55

Dreiespoleinstrumentet som voltmeter. Spenningsmåling

Dersom en lar strømstyrken representere en spen­ ning mellom to punkter i en elektrisk krets, kan dreiespoleinstrumentet fungere som voltmeter. Når vi måler et spenningsfall, blir voltmeteret koplet parallelt med måleobjektet. Det spenningsfallet som instrumentet skal måle, er U = I • R, men det som i virkeligheten blir målt, er 1/ = IR - R. Når dreiespoleinstrumentet blir brukt som voltmeter, har instrumentet stor resistans. Den strømstyrken som er nødvendig for fullt utslag, blir da lav, og instrumentet tar lite strøm fra den kretsen vi måler på. I et voltmeter skal resistansen være så stor som mulig.

Når instrumentet blir brukt for høyere spenninger (høyere måleområder), koples store resistanser i serie med spolen. Når instrumentet har flere måleområder, kan resistansen i instrumentet angis i ohm per volt (Q/V), for eksempel 1 kQ/V. I det måleområdet som er merket 10 V, er da resistansen 10 kQ, og i måleområdet 1 000 V er resistansen 1 MO.

Tenk deg om:

Hvor store er resistansene Rx, R2, R3 og R4 på figuren dersom voltmeteret er merket 1 kQ/V? Koplingsskjema for dreiespoleinstrument brukt som volt­ meter

Spenninger kan en måle med ytre eller indre voltmeterkopling. Resistansen til måleobjektet avgjør hvilken metode en bør velge.

Indre voltmeterkopling Amperemeteret måler strømmen gjennom måleobjektet og voltmeteret. Strømmen gjennom voltmeteret er svært liten dersom måleobjektets resistans er liten.

Ytre voltmeterkopling Voltmeteret måler spenningsfallet over måleobjektet (R) og amperemeteret. Spenningsfallet over amperemeteret er svært lite dersom måleobjektets resistans er stor.

56

Dreiespoleinstrumentet som ohmmeter. Resistansmåling

Dreiespoleinstrumentet kan også brukes som ohm­ meter, det vil si til å måle resistanser. Instrumentet har da en innebygd spenningskilde, som regel en stavcelle (et stavbatteri). Måleobjektet blir koplet inn i kretsen til ohmmeteret. Ved hjelp av innebyg­ de motstander får instrumentet flere måleområder.

Et ohmmeter må kalibreres (nullstilles) for hvert måleområde. Fullt viserutslag, det vil si maksimal strøm gjennom spolen, skal for hvert måleområde gi utslaget R — 0 Q. Nullstillingen ligger som regel helt til høyre på instrumentskalaen. Kalibreringen skjer ved at ledningene til instrumentet blir koplet sammen (R = 0) og viseren stilt på null med en variabel motstand. Koplingsskjema for dreiespoleinstrument brukt som ohm­ meter

Multimeteret (universalinstrumentet)

Dreiespoleinstrumentet blir oftest lagd som multimeter, det vil si slik at det får flere målefunksjoner. Vanligvis måler det spenning, strømstyrke og resistans. Ved hjelp av innebygde likerettere kan multimete­ ret brukes for både likespenning og vekselspenning. Figuren viser et innkoplingsskjema for dette universalinstrumentet (volt-ampere-ohmmeter).

SD

—46

Volt-ampere-ohmmeter

Koplingsskjema for et volt-ampere-ohmmeter

58

Dreiemagnetinstrumentet På dreiemagnetinstrumentet sitter viseren på en liten permanentmagnet, dreiemagneten. Den blir holdt i nullstilling av et svakt permanent magnet­ felt som blir dannet av en konstant strøm gjennom spolen, eller den blir holdt i nullstilling av en permanentmagnet. Dreiemagneten kan også være påvirket av en strømspole som får strøm fra en giver. Når en strøm går gjennom strømspolen, dannes det et magnetfelt, som trekker til seg den ene enden på dreiemagneten. Viseren gjør utslag i den ene eller andre retningen, avhengig av strømretningen gjennom spolen.

Dreiemagnetinstrumentets prinsippoppbygning

Dreiemagnetinstrumentet har lav målenøyaktighet og blir hovedsakelig brukt som indikatorinstrument på instrumentpaneler, for eksempel som ladingsindikator, brennstoffmåler og termo­ meter.

Symbol for dreiemagnetinstrument

Dreiemagnetinstrumentets funksjon /, Indikatorstrøm som bare kan ha én strømretning

Strømgiveren kan være for eksempel en reostat eller en termistor.

System for brennstoffmåling

System for temperaturmåling

Flottøren (1) påvirker en reostat (2) slik at den har større resistans jo mer brennstoff det er i tanken

Resistansen til termistoren er bestemt av temperaturen i væska. Resistansen avgjør hvor høy strømmen er i kretsen

59

Bimetallmåleren I bimetallmåleren blir viseren påvirket av en bimetallfjær (Tidens bilfagserie: Motorer). Om­ kring fjæra er det en elektrisk varmespiral. Når en strøm går gjennom spiralen, blir fjæra varmet og bøyd slik at viseren gjør utslag. Strømmen gjennom spiralen blir regulert av en reostat eller en termistor. Jo høyere strømstyrken er, desto varmere blir bimetallfjæra, og desto mer blir fjæra bøyd. Bimetallmåleren har lav målenøyaktighet og blir brukt på samme måten som dreiemagnetinstrumentet, hovedsakelig som indikator, for eksempel for kontroll av temperatur og brennstoffnivå (se figuren nedenfor).

Bimetallfjær med elektrisk varmespiral

Symbol for bimetallmåler

Brennstoffmålersystem for bimetallmåler

1 Batteri 2 Sikring 3 Spenningsregulator 4 Brennstoffmåler 5 Bimetallfjær med varmespiral 6 Brennstoffmålerens varselslampe 7 Flottør i brennstofftanken 8 Variabel motstand 9 Godstilkopling

60

5

Elektroniske måleinstrumenter Elektroniske måleinstrumenter for verkstedbruk blir stadig vanligere. De fins dels som universalinstrumenter for måling av for eksempel strøm, spenning, resistans, rotasjonsfrekvens og kamvinkel, dels som komponenter i spesialtestutstyr i for eksempel motortesteapparatur.

Instrumentene kan ha analog (med visere) eller digital vising. Instrumenter med analog vising har som regel flere måleområder for hver målefunksjon, for eksempel spenning 1 V, 10 V, 100 V og 1 kV, på samme måten som dreiespoleinstrumentene. Instrumenter med digital vising har bare ett måleområde, for eksempel 0,1-100 volt. Moderne elektroniske instrumenter har en inne­ bygd minidatamaskin (multiprosessor chip) for

Elektroniske måleinstrumenter bruker en på sam­ me måte som en bruker for eksempel dreiespolein­ strumentet for tilsvarende formål.

A Tangamperemeter B Temperaturgiver

Digitalmultimeter med tilbehør

6 Fordonsteknik Elsystem Båkmål

målingen og dessuten et antall kretser med for eksempel spenningsdelere og strømshunter. Elektroniske instrumenter kan måle svært små spenningsfall og spenningsimpulser. De har lavt strømforbruk og påvirker derfor ikke funksjonen til den kretsen en måler på. Med digitale instru­ menter er faren for feilavlesning liten fordi måleverdiene blir vist med virkelige tall. Derimot kan målenøyaktigheten være problematisk, for iallfall den siste desimalen i måleverdien vil som regel ikke «stå stille». Dersom en vil studere en forandring (øking eller minking) av en måleverdi, er et viserinstrument bedre.

61

Oscilloskopet Hoveddelene i oscilloskopet er katodestrålerøret, forsterkerne, svipgeneratorene og triggkretsene.

Strømkrets med spole og parallellkoplet oscilloskop for spenningsmåling

Oscilloskopets oppbygning

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Katodestrålerør Elektronkanon Skjerm y-plater x-plater y-forsterker x-forsterker Svipgenerator Triggekretser Inngang x-inngang

1

Symbol for oscilloskop

Fra elektronkanonens katode emitteres (sendes) det en hurtig strøm av elektroner mot skjermen på katodestrålerøret (jamfør TV-apparatet). Når elektronene treffer skjermen, ser vi dem som lysende punkter fordi bevegelsesenergien til elek­ tronene blir omformet til lys i belegget på skjer­ men. Elektronstrømmen (elektronstrålen) kan be­ traktes som en homogen og svært myk leder. Dersom vi kopler spenning over forbindelsesplatene (x-platene eller y-platene), avviker elektronstrålen fra den rette veien mot bildeskjermen.

Fordi vi ofte vil måle små spenninger med oscillo­ skopet (spenninger i mV), er instrumentet utstyrt med forsterkere, som kan heve spenningen til fullt utslag på skjermen (6 og 7 på figuren).

En elektrisk spenning eller et signal som vi vil studere, blir koplet til inngangen (10) og altså lagt over y-platene. For å få en tidsakse kopler vi inn en sagtannformet spenning, svipspenning (av engelsk: sweep = feie), over x-platene. Sviphastigheten og bredden kan stilles inn med forskjellige ratt på instrumentet. Med triggekretser kan svipspenningen stilles inn slik at den alltid starter ved en viss spenning over y-platene. Da vil bildet på skjermen stå stille ved gjentatte spenningsforløp i y-retningen. 62

Utslaget (på skjermens rutenett) kan en måle, og ved hjelp av instrumentets måleområder kan en beregne de spennings- og tidsverdier en søker.

Figuren til venstre viser spenningen over tenningssystemets høyspenningskrets. Med forskjellig eks­ trautstyr kan oscilloskopet brukes for eksempel til å teste likerettere i generatorer og til å lokalisere vibrasjoner i motorer.

1 2 3 4

Tenningsspenning Gnistspenning Gnistens brenntid, om lag 1 400 //s Tid mellom to tenningsimpulser

Øvingsoppgaver 52-56

Øvingsoppgaver 52 a) Hvorfor må vi aldri kople et amperemeter parallelt med en krets? b) Hva er det som gjør at voltmeteret kan koples parallelt? 53 Et amperemeter beregnet på å måle likestrøm kan ikke brukes til å måle vekselstrøm. Hvor­ for? 54 I en strømkrets med spenningskilde 12 V går det en strømstyrke på 0,2 mA. Bør voltmeteret koples med ytre eller med indre voltmeterkopling når vi skal måle spenningsfallet over kretsens motstand? Hvorfor?

55 Hvorfor skal vi aldri kople ohmmeteret til et måleobjekt med påkoplet spenning?

56 Du er interessert i å studere hvordan strømmen blir forandret i en krets når du slutter en bryter i en ledning. Hvilken type måleinstrument velger du, og hvorfor?

Strømforsyningssystemet Dette kapitlet inneholder

• Oversikt Batteriet (startbatteriet)

V ekselstr ømsgener atoren

Likestrømsgeneratoren

• Blyakkummulatorens konstruksjon • Utlading og lading • Kapasiteten til batteriet • Andre batterityper • Liv og helse - blyakkumulatorer

• Likeretting • Magnetisering • Kjøling • Andre typer av vekselstrømsgeneratorer • Ladingsregulator • Overspenningsvern

• Likeretting • Magnetisering • Kjøling • Ladingskontroll • Øvingsoppgaver 57-97

Oversikt omforme, og hvor hurtig den kan gjøre det. Effekten må være stor nok til å forsyne de elekt­ riske forbrukerne i systemet og til å lade start­ batteriet.

De viktigste komponentene i strømforsyningssystemet til et kjøretøy er startbatteriet og genera­ toren.

Startbatteriet er energidepotet til kjøretøyet. Det blir hovedsakelig brukt når vi starter motoren, men det skal også fungere som spenningskilde når motoren ikke er i gang, for eksempel til parkeringslyset. I startbatteriet blir energien lagret som kjemisk energi.

Funksjonen til generatoren bygger på induksjon (s. 36). I kjøretøyer finner vi to typer av generato­ rer, vekselstrømsgeneratorer og likestrømsgeneratorer. Vekselstrømsgeneratorer er vanligst. Det er bare konstruksjonsdetaljer som skiller disse typene. I begge blir det indusert en vekselspenning. I generatoren blir spenningen likerettet, og fra tilkoplingen tar en ut likespenning.

Generatoren omformer en del av bevegelsesener­ gien i motoren til elektrisk energi. Effekten til generatoren er et mål på hvor mye energi den kan

I likestrømsgeneratoren er det flere releer (automa­ tiske brytere), ett reie som kopler til og fra ladingskretsen, og dessuten enten et kombinert spennings- og strømrele eller to atskilte releer som regulerer spenning og strøm.

/

Strømmen som funksjon av omdreiningstallet i en likestrømsgenerator (A) og en vekselstrømsgenerator (B) med om lag samme maksimumseffekt

Likeretterdioder og eventuelt også sperredioder i vekselstrømsgeneratoren hindrer strømmen i å gå fra batteri til generator. Stålet i generatoren er slik dimensjonert at det blir magnetisk mettet før generatorstrømmen blir så høy at det er fare for skade på viklingene. Magnetiseringsstrømmen blir regulert med en spenningsregulator.

66

Vekselstrømsgeneratoren har mindre dimensjoner enn en likestrømsgenerator med samme effekt. Den begynner å avgi effekt ved lavere omdreiningstall enn likestrømsgeneratoren, og den tåler høyere maksimalturtall. Konstruksjonen er enkle­ re, og den krever derfor mindre vedlikehold. Vekselstrømsgeneratoren avgir effekt uavhengig av rotasjonsretningen.

En av oppgavene til generatoren er å lade batteriet. Batteriet må derimot ikke lades ut gjennom gene­ ratoren. Ved ladingen må strøm og spenning begrenses slik at generatorviklinger og batteri ikke blir skadd. Vekselstrømsgeneratoren har mange fordeler og er den vaiiligste i kjøretøyer. I framtida vil den erstatte likestrømsgeneratoren.

Øvingsoppgaver 56-57

Batteriet (startbatteriet) Blyakkumulatorens konstruksjon og blir tatt ut som elektrisk energi. Denne proses­ sen kan gjentas mange ganger. Levetida for et batteri er vanligvis flere år.

Startbatteriet i biler og andre motorkjøretøyer består av en blyakkumulator for elektrisk energi. Akkumulator betyr her energisamler. En bruker grunnstoffet bly, Pb, i akkumulatoren.

Et normalt batteri består av en beholder av plast eller hardgummi, som er inndelt i celler. Merkespenningen for en celle er om lag 2 V. Antallet celler varierer med batteriets merkespenning. I et 6-volts batteri er det tre celler, i et 12-volts seks.

I akkumulatoren omformes elektrisk energi til kjemisk bundet energi. Når det er nødvendig med elektrisk energi igjen, for eksempel for å drive startmotoren, omformes den kjemiske energien

Batteriets oppbygning

1 2 3 4 5 6 7

Positiv plate Negativ plate Plateforbindelse Støtte for platene Separator Slamkammer Påfyllings- og ventilasjonsplugg

8 9 10 11 12 13

Nivåmerke for elektrolytt Skillevegg Celleforbindelse Batteripol Batterikasse Lokk

68

Hver celle er bygd opp av et antall plater, som er lagd av en bly-antimonlegering og utformet som et gitter. I gitterverket er den aktive massen (blyet) bakt inn. Den positive plata i cella består av blydioksid (PbO2) og har brun farge. Den negative plata er bakt inn med metallisk blysvamp, Pb, og er grå. Mellom de aktive platene er det et porøst, ikke-ledende materiale. Disse mellomleggene blir kalt separatorer (separere = atskille). Separatorene skal tillate ionevandring mellom de aktive platene, men hindre kortslutning. Separatorene blir ofte lagd av plast.

Plategitter

Platene danner platesett. Negative og positive plater er hver for seg forbundet parallelt med hverandre i cella. Platene er omgitt av en elektrolytt. I blyakkumulatoren består elektrolytten av svovelsyre (H2SO4) som er spedd ut med rent (demineralisert) vann (H2O). Når batteriet er fulladd, det vil si at det ikke kan lagre mer energi, er elektrolyttens densitet ved + 20°Cp = l,28kg/dm3. Cellene i batteriet er koplet i serie. Det betyr at de positive platene i en celle er koplet til de negative platene i cella ved siden av. Koplingene blir kalt polbroer.

1 2 3 4 5

Batteripol Plateforbindelse Positiv plate Separator Negativ plate

Antallet plater i hver celle kan være forskjellig i forskjellige batterier selv om batteriene har samme utvendige mål. I personbilbatterier er antallet 7 til 17 plater. Et normalbatteri har som regel 11 plater i hver celle. Antall plater betyr mest for startegenskapene til batteriet i sterk kulde.

69

Utlad ing og lading

I en fulladd celle består den positive plata av PbO2 og den negative av Pb. Elektrolytten er H2SO4 med en densitet p — 1,28 kg/dm3. Denne densite­ ten tilsvarer omtrent 37 % svovelsyre og 63 % vann.

Fulladd celle

Kopler vi en belastning, for eksempel en startmotor, over batteriets poler, blir det dannet en elektronstrøm fra batteriets minuspol til plusspolen gjennom den ytre kretsen. Inne i batteriet består ladningsbærerne av positive og negative ioner (et ion er et atom eller en gruppe atomer som fungerer som ladningsbærere). lonevandringen resulterer i at oksygenioner fra den positive plata blir forbundet med hydrogenioner i elektrolytten og danner vann, H2O.

Noen oksygenrester er igjen, og derfor er densite­ ten i en utladd celle om lag 1,12 kg/dm3 (jamfør densiteten til vann, 1,00 kg/dm3). lonevandring under utlading A Elektronstrømmens vandring B Elektroner C Belastning

70

Fra elektrolytten vandrer SO4-ioner til både den positive og den negative plata.

En ny kjemisk binding oppstår, blysulfat (PbSO4). Blysulfat har små krystaller som lett blir delt under ladingen seinere.

Utladd celle

Dersom utladingen blir drevet for langt eller skjer under høy temperatur, blir blysulfat dannet med store krystaller. Det skjer også dersom batteriet står utladd i lengre tid. Store blysulfatkrystaller blir ikke brutt ned ved lading, og batteriet blir da ubrukelig.

Når en generator eller en batterilader blir koplet inn over et batteri, blir det satt i gang et omvendt kjemisk forløp. De positive polene i ladingsaggregatet er koplet til batteriets plusspol, såkalt motkopling. lonevandringen pågår til celleplatene har gått tilbake til opprinnelig tilstand og elektrolyttens densitet har økt til normalverdi. Dersom en fort­ setter ladingen videre, skjer det bare en nedbry­ ting av elektrolytten, som delvis dunster bort. Også platene blir brutt ned, og levetida til batteriet blir forkortet. lonevandring ved lading

A Elektronstrømmens retning B Elektroner

71

Kapasiteten til batteriet Kapasiteten K til batteriet er et mål på hvor mye elektrisk energi det kan lagre. Den blir angitt i amperetimer (Ah). Et 12-volts normalbatteri har en kapasitet på om lag 70 Ah. Kapasiteten kommer blant annet an på hvor høy utladingsstrømmen er, og derfor fins det normer for fastsetting av kapasitetsverdien. I europeiske land blir 20-timerskapasiteten (X20) brukt. Batteriet blir ladd ut med en bestemt konstant strøm i løpet av 20 timer til en sluttspenning på 1,75 V/celle. Et 70 Ah-batteri skal kunne belastes med 3,5 A i 20 timer ved en driftstemperatur på +25 °C.

Uttakbar kapasitet fra batteriet Kapasiteten er avhengig av blant annet belastningsstrømmen

Kapasiteten til batteriet avhenger i høy grad av temperaturen. Det er vanlig å regne med om lag 1 % minsking for hver °C under + 25 °C. Ved — 15 °C, som er ganske normal vintertemperatur i store deler av Skandinavia, er kapasiteten bare om lag 65%.

Batteriets kapasitet synker med lavere temperatur

p [kg/dm3]

[°C]

1,28 1,24 1,20 1,16 1,12

-67 -45 -27 -16 -10

Også frysepunktet til elektrolytten blir forandret med ladingstilstanden. Det er ingen fare for at et fulladd batteri skal fryse og sprenges i stykker (se tabellen).

Elektrolyttens frysepunkt

72

6

Seriekopling og parallellkopling av spenningskilder

I et batteri er cellene koplet i serie. Ved seriekopling av cellene blir spenningen over batteripolene lik summen av spenningen i alle cellene. Samme strøm går gjennom alle cellene ved lading og utlading.

U = Ur 4- U2 + ...

Dersom vi seriekopler to 12-volts batterier, får vi et 24-volts batteri. Fordi den samme strømmen går gjennom begge batteriene, får 24-voltsbatteriet like stor kapasitet som ett av 12-voltsbatteriene. K = Kx = K2 = ...

Parallellkopling blir brukt når en midlertidig eller permanent trenger høyere kapasitet. Alle spen­ ningskilder i en parallellkopling må ha samme spenning (jamfør starthjelp). U = U. = U2 = .... K = K. + K2 + ...

Motkopling blir brukt ved lading. En spenningskil­ de med høyere spenning lader da en spenningskil­ de med lavere spenning. Ladingen fortsetter til begge kildene har lik spenning, eller til den lavere spenningskilden er toppladd. 7 Fordonsteknik Elsystem Båkmål

73

Andre batterityper Legeringsemnet antimon, som blir brukt i batteriplatene, øker vannavdunstingen fra batteriet. For å minske behovet for ettersyn og vannpåfylling bruker en små mengder antimon i noen batterimodeller. Vedlikeholdsfrie batterier har plategitter av en blykalsiumlegering.

Disse batteriene er det ikke nødvendig å etterfylle med vann, og noen batterimerker mangler helt påfyllingslokk for vann.

Blyakkumulatorer for drift av maskiner og kjøretøyer er bygd opp på en litt annen måte enn startbatterier. De har blant annet tjukkere celleplater. En kan derfor ikke ta ut like høye strømstyrker fra akkumulatoren som fra et startbatteri. Elektrokjemisk er funksjonen den samme. Med tanke på framdriften av kjøretøyer pågår det en intens forskning for å få fram nye typer av ladbare batterier som har lav vekt og lite plassbe­ hov, men høy kapasitet.

) LIV OG____________________________________ HELSE

Blyakkumulatorer

Håndtering av blybatterier kan medføre helseog ulykkesfarer. Bly er et giftig metall. Faren for blyforgiftning

kan en se bort fra ved normalt vedlikeholdsar­ beid på blyakkumulatorer. Men det skader likevel ikke å være forsiktig. Vask alltid hen­ dene med såpe og vann etter at du har arbeidet med batterier. Under lading og kraftig utlading avgir batteriet oksygen (O2) og hydrogengass (H2). Disse gass­ ene danner en høyeksplosiv gassblanding, knall­ gass, i cellene. En gnist kan være nok til å tenne gassen og føre til at batteriet eksploderer. Syra er sterkt etsende og kan gi skader. En gnist oppstår lett når en løsner batteritilkoplingene.

Skru alltid av eventuelle belastninger før du løser batteritilkoplingenel Bryt alltid ladingsstrømmen før du løser ledningene på batteriladeren fra batterietl Bruk alltid visir av plast for å beskytte øynene og ansiktet ved arbeid med batterier! Syresprut på huden og i øynene skal straks skylles bort. Bruk mye vann og om mulig såpe. På batteriladingsplassen på verkstedet skal det alltid være utstyr så en kan skylle øynene. Kontakt lege ved øyenskader og etsesår.

Øvingsoppgaver 58-66

74

V ekselstrømsgener atoren En enkel vekselstrømsgenerator kan bestå av en statorvikling (stator = stillestående del av maski­ nen eller generatoren) og en roterende permanentmagnet. Når magnetfeltet passerer statorviklin-

gen, blir det indusert spenning i den. Den induserte spenningen er størst når magnetfeltet er sterkest. Polariteten blir endret hver gang magnetfeltet endrer retning.

Så lenge magnetfeltet påvirker statorviklingen, blir det indu­ sert en spenning. Når magnetfeltet endrer retning, veksler polariteten til den induserte spenningen.

Et kurvediagram viser størrelsen av spenningen og polariteten i forhold til ulike rotorstillinger. Kur­ ven er sinusformet som på figuren. Spenningen når to toppverdier og veksler polaritet to ganger i løpet av en rotasjon (360°). Dette forløpet kalles en periode (p). Antall perioder per sekund kaller vi vekselstrømmens frekvens. Frekvensen blir uttrykt i hertz (Hz), 1 Hz = 1 p/s.

Den induserte spenningen når magneten roterer én omdrei­ ning

75

De tre viklingene i statoren i trefasekopling

A Stjernekopling eller Y-kopling

Y-koplet statorvikling

B Triangelkopling eller A-kopling

Generatorer for praktisk bruk har tre statorviklinger. De tre statorviklingene er forskjøvet rundt statoren. Alt etter hvordan de er koplet sammen til trefasekopling, skiller vi mellom stjernekopling (Ykopling) og triangelkopling (A-kopling). Begge koplingsmåtene forekommer, men Y-kopling er mest vanlig på bilgeneratorer.

Fordi statorviklingene U, V og W er forskjøvet 120°, vil deres felles spenningskurve ha seks spenningstopper (positive og negative) under en rotoromdreining, med 60° mellomrom.

I den vanligste vekslstrømsgeneratoren er rotoren en mangepolet elektromagnet. Rotoren har en magnetiseringsvikling mellom to klopolhalvdeler, som vist på figuren. Viklingen får strøm gjennom elektriske «børster», som ligger an mot sleperinger på akselen til rotoren.

Delene i klopolrotoren

1 2 3

Klopolhalvdel Magnetiseringsvikling Rotoraksel

76

Klørne til den ene halvdelen danner seks nordpo­ ler, og klørne til den andre halvdelen danner seks sydpoler. Ved at tolv poler passerer hver fase, får spenningen 3 • 12 = 36 topper (positive og negati­ ve) under en rotoromdreining.

Magnetfeltet i en topolet klopolrotor

Hver av de tre statorviklingene kan deles i flere spoler rundt statoren. Den felles spenningskurven får da enda flere spenningstopper per omdreining.

Spenningskurver ved mangepolet rotor og stator sammenlig­ net med topolet rotor (streket kurve)

Likeretting Startbatteriet til bilen må lades med likestrøm. Generatoren har utstyr for likeretting av den genererte vekselstrømmen.

Dersom plussida og minussida av en stator blir utstyrt med hver sin diode, får vi en såkalt helbølgelikeretting. Vi utnytter da både den positive og den negative spenningsdelen («bølgen») av en periode. Ved halvbølgelikeretting utnytter vi bare den ene bølgen, det vil si halve perioden. De seks diodene kalles også effektdioder, og hele utstyret blir kalt trefaset brokopling.

1 Statorvikling 2 Magnetiseringsvikling 3 Sleperinger 4 Elektriske børster 5 Effektdioder 6 Magnetiseringsdioder

Prinsippskisse av en vekselstrømsgenerator

Diodene ved det positive uttaket på generatoren er PN-dioder. De har katoden koplet til ytterdekselet. Diodene ved det negative uttaket er NP-dioder. De har anoden koplet til ytterdekselet. Vi skal nå se nærmere på hvordan strømmen fra de ulike fasene U, V og W blir likerettet i en generator med topolet rotor.

På et bestemt tidspunkt har spenningen over fase U sin positive toppverdi. Diode nummer 5 blir da forspent i framretningen og slipper fram strøm, mens diode 2 blir forspent i tilbakeretningen og sperrer. Fase U: Positiv toppverdi Fase V: Negativ 1 /2 toppverdi Fase W: Negativ 1 /2 toppverdi

Strømmen går fra plusspolen på diodebrokoplingen til batteriets plusspol og gjennom batteriet til minuspolen på diodebrokoplingen.

At strømmen går i den retningen, henger sammen med at spenningen er høyere ved diodebrokoplin­ gen enn ved batteriet (l/B). Strømmen fortsetter å gå til batteriet så lenge det er spenningsforskjell. Koplingsmåten plusspol til plusspol blir kalt motkopling. 78

Strømmen kan ikke gå i motsatt retning (inn i generatoren) fordi de tre effektdiodene 4, 5 og 6 er forspent i tilbakeretningen og sperrer.

Strømmen går inn i den negative polen på diodebrokoplingen, der den blir delt opp og ledet videre gjennom diodene 1 og 3. De er begge forspent i framretningen og leder. Etter at strømmen har passert diodene, går den gjennom fasene V og W til 0-punktet. Strømkretsen for den positive perioden til fase U er sluttet.

Fase U: Negativ 1 /2 toppverdi FaseV: Positiv toppverdi Fase W: Negativ 1 /2 toppverdi

Fase U: Negativ 1 /2 toppverdi Fase V: Negativ 1 /2 toppverdi Fase W: Positiv toppverdi

Når fase W 120 seinere når sin toppverdi, gjentas forløpet, men med andre dioder i virksomhet. Figurene viser strømmens vei når V når toppver­ dien, og når W når toppverdien etter ytterligere 120°. Strømstyrken gjennom de ulike fasene foran­ drer seg sinusformet så lenge rotoren roterer. I hver av de tre statorviklingene U, V og W kan strømmen endre retning, men utenfor diodebrokoplingen er den alltid likerettet. En omdreining

Et kurvediagram over strømmen gjennom batte­ riet viser at den negative spenningen i hver periode skaper positiv strøm. Den likestrømmen vi tar ut av generatoren, er ikke «flat» som den vi får ut av et batteri, men har små bølgeformete variasjoner. Vi taler om en svakt pulserende likestrøm. Med mange poler på rotor og stator blir pulsfrekvensen høy. Den påvirker ikke funksjonen til andre elektriske komponenter. Strømmen gjennom batteriet under en omdreining, øverst for topolet rotor og nederst for rotor og stator med mange poler

79

Magnetisering Rotorens magnetiseringsvikling får strøm fra ge­ neratoren gjennom elektriske børster, som ligger an mot sleperinger på rotorakselen. Generatoren er altså selvmagnitiserende. Magnetiseringsstrømmen blir oftest tatt ut fra fasene U, V og W gjennom særskilte dioder. Disse diodene behøver ikke å tåle mer enn om lag 4 A og er derfor mindre enn effektdiodene.

Strømmen fra magnetiseringsdiodene går gjen­ nom en ladingsregulator, gjennom rotorviklingen og videre gjennom minusdioden og statorfasen til 0-punktet.

1 2 3

Magnetiseringsvikling i rotoren Magnetiseringsdioder Regulator

Formagnetisering. Ladingskontrollampe

I generatorens magnetiseringskrets fins det for hver fase to seriekoplete dioder, en magnetiseringsdiode og en effektdiode. For at diodene skal begynne å lede strøm, må det være en spenning over dem på om lag 2 • 0,65 V = 1,3 V (jamfør s. 43). Fordi diodene leder, er generatoren selvmagnetiserende. I stålkjernen til generatoren er det en viss rema­ nens (s. 32), men det magnetfeltet som remanensen skaper, er ikke stort nok til å indusere tilstrekkelig høy spenning når generatoren blir satt i gang. Generatoren må derfor formagnetiseres.

Figuren viser et eksempel på hvordan dette kan ordnes. Fra plusspolen til batteriet tar en ut en strøm som går gjennom en elektrisk bryter (tenningslås eller lignende), gjennom en ladings­ kontrollampe, ladingsregulatoren og magnetiseringsviklingen tilbake til batteriets minuspol.

80

For at magnetiseringsstrømmen skal bli høy nok, og for at lampa ikke skal gløde når generatoren lader med full spenning, må lampa ha en viss effekt. Dersom lampa går i stykker, kan magnetiserings­ strømmen sikres ved en passende motstand som er koplet parallelt med lampa. Når generatoren står stille, og så lenge spenningen ved D + er lavere enn ved plusspolen til batteriet, lyser lampa. Så snart spenningen til generatoren når opp til batterispenningen, oppstår motspenning til lampa, og den slokner.

Lampa kontrollerer altså også at ladingsspenningen er nådd. Den viser derimot ikke om batteriet virkelig lades.

Kjøling Vekselstrømsgeneratoren har små dimensjoner i forhold til effekten. Fordi den inneholder halvledere som er følsomme for varme, må den være utstyrt med effektiv kjøling.

Utformingen av luftskovlene til kjølevifta bestem­ mer rotasjonsretningen til generatoren. Normalt må ikke generatoren kjøres uten kjølevifte. Gene­ ratorer som arbeider i støvete eller skittent miljø, er som regel helt innkapslet og har til og med filter for kjølelufta.

Som regel har generatoren en vifte, som styrer en luftstrøm gjennom generatoren eller forbi kjøleflenser på utsida av generatoren.

A

B

Vifter for innvendig luftstrøm

Vifte for utvendig luftstrøm

A Vifte for en rotasjonsretning (høyreretning) B Vifte for begge rotasjonsretningene

81

Halvlederkomponentene i generatoren er svært varmefølsomme. De sitter derfor montert på spe­ sielle varmeavledende plater som har stort areal, eller ved inntaket av kjøleluftstrømmen.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Diode Kjøleplate Slepering Sleperingslager Elektriske børster Statorvikling Statorhus Klopolrotor Drivlager Vifte

Andre typer av vekselstrømsgeneratorer De prinsippene som er beskrevet for vekselstrømsgeneratorer, gjelder for de fleste gene­ ratorer med normale effekter.

For store effekter og når det er ønskelig med en generator som krever svært lite vedlikehold, kan

Gjennomskåret enkel polgenerator (fire magneter) 1 Rotor, enkelpol 2 Stator 3 Magnetiseringsvikling 4 Statorvikling 5 Sleperinger 6 Elektriske børster 7 Diode 8 Kjøleplate 9 Støydempingskondensator 10 Elektrisk uttak, stikkontakt 11 Luftinntak 12 Vifte 13 Sleperingskapsel 14 Smørekopp 15 Smørefettkanal

83

en velge en av de typene som er vist nedenfor. Legg merke til at den ene mangler sleperinger og elektriske børster, og at lagrene kan smøres under drift. Levetida til en generator med denne kon­ struksjonen er i prinsippet bestemt av levetida til kulelagrene.

7

Gjennomskåret klopolgenerator

1 Stator til hovedgenerator 2 Statorvikling 3 Rotor 4 Magnetiseringsvikling 5 Likeretterdiode 6 Kjøleplate 7 Magnetiseringsgenerator 8 Stator 9 Statorvikling 10 Rotor 11 Ladingsregulator 12 Tilkoplingsskruer 13 Støydempingskondensator 14 Luftinntak 1 5 Vifte

Generatorer for små effekter kan ha en stillestående magnetiseringsvikling i sentrum av generatoren. Statorviklingen har samme kon­ struksjon som den vi har beskrevet tidligere. Rundt den stillestående magnetpolen roterer en klopolrotor. Magnetfeltet må passere to luftspalter. Derfor blir effekten noe lavere enn hos den vanlige klopolrotoren. For å kompensere for dette kan en benytte noe høyere magnetiseringsstrøm.

Øvingsoppgaver 67-79

84

7

Ladingsregulatorer Generatorens magnetiseringsstrøm blir regulert av en ladingsregulator. Den kan være en elektro­ magnetisk kontaktregulator (et reie) eller en elek­ tronisk regulator der transistorer har overtatt funksjonen til releet.

Elektromagnetisk kontaktregulator Figuren viser en vanlig spenningsregulator. Koplingsskjemaet nedenfor inneholder også genera­ tor, ladingskontrollampe og startbatteri.

Relespolen er koplet parallelt over generatorens poler (D+ og D —) og har altså generatorens spenning. Så lenge spenningen er lavere enn reguleringsspenningen, er releets kontaktpar 1 sluttet, og generatoren får full magnetiseringsstrøm.

Reguleringskontaktene blir holdt lukket ved hjelp av en fjær. Reguleringsspenningen kan en justere ved å forandre fjærkrafta.

Kontaktregulator med to reguleringstrinn (tokontaktregulator)

1 Elektromagnet 2 Anker 3 Reguleringskontakter

Når spenningen stiger over reguleringsspennin­ gen, blir strømmen gjennom relespolen og dermed den elektromagnetiske krafta så stor at fjærkrafta blir overvunnet, og kontaktene åpner. Magnetiseringsstrømmen fra generatoren må nå ta veien over reguleringsmotstanden (5). Strømstyrken blir mindre, og dermed også spen­ ningen til generatoren. Fjærkrafta slutter relekontaktene igjen, magnetiseringsstrømmen og generatorspenningen øker, og forløpet gjentas.

„

Ved høye omdreiningstall på generatoren er regu­ leringsmotstanden (S) ikke nok til å begrense magnetiseringsstrømmen. Releet arbeider da med kontaktpar 2. Når disse kontaktene blir koplet sammen, blir polene D+ og D- forbundet. Magnetiseringsviklingen blir kortsluttet og strømløs.

Når kontaktpar 2 blir åpnet, får viklingen igjen en redusert strøm gjennom reguleringsmotstanden.

1 Vekselstrømsgenerator 2 Batteri 3 Regulator 4 Reguleringskontakter 1 og 2 5 Reguleringsmotstand 6 Utjamningsmotstand

8 Fordonsteknik Elsystem Båkmål

85

Avl

Kontaktregulatorens arbeidsforløp er vist i diagramform på figuren. Releet arbeider med så høy frekvens at spenningsvariasjoner over generato­ rens poler er uten betydning.

[A]

Rotorviklingens selvinduksjon (s. 38) påvirker også strømkurvens utseende. At

Magnetiseringsstrømmen /M ved lave (til venstre) og høye (til høyre) omdreiningstall A t. Magnetiseringskretsens lukketid

I kaldt vær og ved begynnelsen av hver oppladingsperiode trenger startbatteriet høyere ladingsspenning. Regulatorankerets returfjær er som re­ gel lagd av bimetall. Fjærkrafta, og dermed reguleringsspenningen, blir derfor direkte avhengig av lufttemperaturen. Utjamningsmotstanden (6) lig­ ger i serie med relespolen og har som oppgave å kompensere resistansøkningen i relespolen når denne blir varm. Ladingsspenningen blir lavere når alle komponenter som er med i systemet, har fått normal arbeidstemperatur, og i varmt vær. T ransistorregulatoren

Transistorregulatoren har mange fordeler sam­ menlignet med kontaktregulatoren, og den vil i framtida trolig erstatte den. - Den har ingen bevegelige mekaniske deler som kan bli slitt. - Den har ingen kontaktflater som kan bli skadd, og kan derfor bryte høyere strømstyrker. - Den arbeider med mye høyere reguleringsfrekvens og med større nøyaktighet. - Den er billig å produsere og krever ingen kostnader til vedlikehold. - Den har lite format og er lett å tilpasse til ulike typer av generatorer.

Transistorregulator i naturlig størrelse (uten vernedeksel) 1 2 3 4

Elektriske børster Børsteholder Kontaktfjær Kretskort med elektriske komponenter

I transistorregulatoren er relekontaktene erstattet av en effekttransistor. Den er dimensjonert for høye strømstyrker (10 ampere). Til å styre denne transistoren kan regulatoren inneholde en eller flere mindre transistorer, ordnet i trinn etter hverandre. En zenerdiode føler spenningen i gene­ ratoren og er styring for første styretransistor.

For å beskytte effekttransistoren mot induktive spenninger fra rotorviklingen har den en diode, en såkalt beskyttelsesdiode (slokkediode). Temperaturkompenseringen skjer ved en termistor, som føler temperaturen i omgivelsene. Videre innehol­ der regulatoren motstander og kondensatorer lor ulike formål, for eksempel for radiostøydemping.

86

Vi skal beskrive den grunnleggende virkemåten til transistorregulatorer. Forskjellige fabrikkmerker kan ha forskjellig utseende og være litt forskjellig oppbygd. Likevel arbeider de alle etter samme prinsipp.

Når spenningen til generatoren er lavere enn reguleringsspenningen, går det en strøm fra D + gjennom spenningsdelerens motstander RI og R2 til D —. Basis i transistor TI får gjennom R3 samme spenning som emitteren. TI sperrer. Basis i transistor T2 har lavere spenning enn emitteren. T2 leder, og rotoren får full magnetiseringsstrøm. Med økende omdreiningstall øker spenningen til generatoren og dermed også spenningsfallet over RI og R2. Parallelt over RI sitter en zenerdiode ZD koplet i tilbakeretningen. Når spenningsfallet over RI har nådd zenerdio­ dens gjennombruddsspenning (zenerpunktet), le­ der dioden.

M ZD Ti T2 D R1,R2 RT C

Strømmen gjennom R3 fører til at basis til TI får lavere spenning enn emitteren. TI leder, og spen­ ningen på basis til transistor T2 blir like høy som på emitteren. Dermed sperrer T2, og magnetiseringsstrømmen blir helt brutt.

Magnetiseringsvikling Styrediode (Zenerdiode) Styretransistor PNP Effekttransistor PNP Beskyttelsesdiode Spenningsdeler Termistor Kondensator

Generatorspenningen synker hurtig. Det gir min­ dre spenningsfall over zenerdioden ZD, som sper­ rer. TI og T2 går igjen tilbake til utgangsstillingen, det vil si at TI sperrer og T2 leder. Forløpet gjentar seg. Fordi transistorregulatoren ikke har noen mekanisk trege deler, blir reguleringsfrekvensen svært høy.

ZD sperrer T1 sperrer T2 leder Magnetkrets sluttet Generatorspenning øker

Hver gang transistor T2 bryter magnetiserings­ strømmen, oppstår det en indusert spenning i ro­ torens spole (egeninduksjon). Denne transiente spenningen blir ledet gjennom dioden D. Dioden beskytter på denne måten T2 mot skader.

Termistoren RT er av NTC-type og ligger parallelt med R2 i spenningsdeleren. Når resistansen til termistoren blir endret, påvirker det fordelingen av spenningsfallene i spenningsdeleren. Generatoren vil derfor arbeide med høyere spenning i kaldt vær nå startbatteriet trenger høyere ladingsspenning. ZD leder T1 leder T2 sperrer Magnetkretsen er brutt Generatorspenningen minker

Kondensatoren (C) «sletter ut» de små spennings­ variasjonene som oppstår i generatoren.

Det er som regel ikke mulig å justere regulatorens innstilling. De komponentene som hører til syste­ met, er innbakt i en plast som beskytter mot skader.

87

Overspenningsvern For å beskytte halvledere i generatoren - og spesielt ladingsregulatoren - mot transiente spen­ ninger, kan generatoren være utstyrt med over­ spenningsvern. I ladesystem for høye effekter er som regel vernet bygd inn i ladingsregulatoren. Figuren viser et koplingsskjema for et overspen­ ningsvern. Det er koplet inn mellom D + og D — på generatoren. Dersom spenningsfallet mellom koplingspunktene av en eller annen grunn over­ skrider reguleringsspenningen med om lag 3-5 V, reagerer overspenningsvernet. Zenerdioden (ZD) åpner. Det fører til at transistoren T leder. Generator Ladingsregulator Overspenningsvern Tenningslåsl

1 2 3 4

ZD Th G T Ds

Zenerdiode Tyristor Tyristorens styreelektrode Transistor Beskyttelsesdiode

Kollektoren til T er koplet til tyristorens styrekanal G, og kollektorstrømmen tenner tyristoren (Th). Tyristoren blir ledende og forbinder tilkop­ lingene D+ og D —. Generatoren får da ingen magnetiseringsstrøm, og ladingen opphører straks. Tyristoren fortsetter å lede også etter at tenningsstrømmen har opphørt. For å slokke tyristoren må en derfor stoppe motoren og bryte strømkretsen til ladingskontrollampa.

En enklere og billigere måte å beskytte kjøretøyets elektriske anlegg mot overspenninger på er å kople inn en eller flere zenerdioder mellom generatorens B+ og D —. Zenerdiodene koples i tilbakeretningen, det vil si at katoden koples til B + . ZD Zenerdiode

Dersom spenningsfallet over ladingskretsen til generatoren overskrider zenerspenningen, blir ge­ neratoren straks kortsluttet, og ladingen opphører. Når en kommer under zenerspennin­ gen, sperrer dioden igjen.

Metoden kan brukes på generatorer med middels effekt (opptil om lag 1 kW).

/z

G

Strøm i tilbakeretningen etter at zenerspenningen er nådd Generator

Øvingsoppgaver 80-85

88

Likestrømsgeneratoren Også i likestrømsgeneratoren blir det dannet elek­ trisk strøm ved elektromagnetisk induksjon.

Magnetiseringsviklingen i likestrømsgeneratoren er montert i statoren (5), og ladingsstrømmen blir tatt ut fra rotorviklingene (2). Rotorviklingene ligger i langsgående spor i rotoren (1). Hver vikling er forbundet med et segment i kommutatoren (3) på rotorakselen (kommutator = strømlikeretter). Ladingsstrømmen blir tatt ut gjennom kraftige elektriske børster (4), som inneholder grafitt. De er koplet til generatorens uttak. Vanligvis har motorkjøretøyer enledersystem. Den ene børsten er da koplet til generatorens jord eller gods. Likestrømsgenerator 1 Rotor (anker) 2 Rotorvikling (ankervikling) 3 Kommutator 4 Elektriske børster 5 Stator med polsko 6 Magnetiseringsvikling

Likeretting Her vises en enkel likestrømsgenerator hvor roto­ ren (ankeret) består av bare en leder. Hver ende av rotoren er koplet til hver sin halvdel av kommuta­ toren (likeretteren). Denne koplingen gjør at spen­ ningen og strømmen som blir indusert, får samme retning.

I rotoren til likestrømsgeneratoren blir det indu­ sert en vekselspenning, som får toppverdi hver gang lederne i viklingene skjærer magnetfeltet ved nord- eller sydpolen. Fordi endene på viklingssløyfa er koplet til hvert sitt segment i kommutatoren, går strømmen i en ytre krets alltid i samme retning. Fordi den induserte spenningen har sinusform, får også strømmen sinusform. Det blir dannet en pulserende likestrøm med en frek­ vens som varierer med generatorens omdreiningstall.

UJ

89

Magnetisering Magnetiseringsviklingen består av to seriekoplete spoler, som blir klemt fast i statoren med polsko som kan tas løs. Magnetiseringsviklingen er koplet parallelt med rotorviklingen over generatorens børster.

DF 9

Den remanensen som fins i statoren til generato­ ren, er vanligvis stor nok til at generatoren selv kan indusere spenning for magnetiseringsstrøm når den blir satt i gang. Formagnetisering er normalt ikke nødvendig, bortsett fra når generatoren har vært tatt fra hverandre.

Polariteten til rotoruttaket blir bestemt av hvor­ dan kjøretøyets batteri er koplet. Både positiv og negativ polaritet forekommer. Inne i generatoren kan den ene enden på magnetiseringsviklingen koples enten til den jordtilkoplete børsten eller til rotoruttaket. Figuren viser begge koplingsmåtene. De benevnes vanligvis A-kopling og B-kopling. B

A- og B-kopling av likestrømsgenerator A Magnetiseringsviklingen koplet til rotoruttaket B Magnetiseringsviklingen koplet til godstilkoplete børster M Magnetiseringsvikling

Kjøling I likestrømsgeneratorer oppstår det varme, dels på grunn av friksjonen i lagre og elektriske børster, dels på grunn av energitapet i stator- og rotorviklinger. Likestrømsgeneratoren blir kjølt med luft som strømmer gjennom generatorens indre. Reimskiva er kombinert med en vifte som styrer luftstrøm­ men.

1 2 3 4

Rotor Kommutator Polsko Magnetiseringsvikling

5 6 7 8

Elektrisk børste Børstefjær Reimskive med kjølevifte Kulelager

90

Ladingskontroll Spenningen i generatoren er avhengig av omdreiningstallet til rotoren og av magnetiseringsstrømmens størrelse. Spenningen blir regulert med en kontaktregulator, som i prinsippet har sam­ me konstruksjon som i vekselstrømsgeneratoren (s. 85).

For å beskytte generatoren mot overbelastning blir det brukt en strømregulator. Den kan enten være separat eller bygd sammen med spenningsregulatoren. Strømregulatoren (2) er en kontaktregulator med et kontaktpar. Den kopler til og fra en motstand i magnetiseringskretsen. Den blir påvirket av en relespole som føler generatorens hovedstrøm, det vil si at spolen er koplet i serie med rotorviklingen.

Relekontaktene til strømregulatoren og spenningsregulatoren er koplet i serie med hverandre. De kan derfor ikke arbeide samtidig. Magnetiseringsstrømmen begrenses enten av strømregulatoren eller av spenningsregulatoren. Ved lave omdreiningstall er generatorspenningen lavere enn spenningen på batteriet, og da må generatoren koples bort fra batteriet. Det samme er tilfellet når generatoren står stille eller av en eller annen grunn ikke leverer effekt. Tilkopling og frakopling skjer med et tilbakestrømsrele (en vippe).

Kombinert spennings- og strømregulator

Rød - Ladingskrets, rotorstrøm BlåMagnetiseringskrets Svart- Spenningsreguleringskrets 1 Spenningsregulator 2 Strømregulator 3 Tilbakestrømsrele 4 Spenningsspole 5 Strømspole 6 Reguleringsmotstander 7 Ladingskontrollampe 8 Tenningslås eller tilsvarende

Tilbakestrømsreleet har en spenningsspole (4), som er parallellkoplet med generatoren. Når spen­ ningen fra generatoren har nådd høyere verdi enn batterispenningen, kopler relekontaktene inn ge­ neratoren. Releet har også en strømspole (5), som er seriekoplet med rotorviklingen. Gjennom den går generatorens ladingsstrøm. Når generatoren lader, virker magnetfeltet fra begge spolene sam­ men og holder relekontaktene sluttet. Når omdreiningstallet til generatoren er så lavt at batterispenningen er høyere enn generatorspen­ ningen, går det en strøm fra batteriet gjennom strømspolen (5) til generatoren. Fordi strømret­ ningen i strømspolen er snudd, virker magnetfeltet fra de to spolene mot hverandre, og relekontak­ tene åpner.

Tenk deg om: Hva hender dersom tilbakestrømsreleet ikke kopler ifra?

91

Ladingskontrollampa Mellom regulatorens uttak D + og batteriets plusspol kan det være koplet inn en ladingskontrollampe. Den er koplet til kjøretøyets tenningslås og lyser når vi vrir om tenningsnøkkelen.

Lampa lyser så lenge generatorspenningen er lavere enn batterispenningen. Når generatorspen­ ningen har nådd samme verdi som spenningen til batteriet, slokner lampa. Lampa viser da bare at spenningen ved D + er like stor eller noe høyere enn spenningen ved B +. En kan ikke sikkert vite om batteriet blir ladd. Dersom en vil ha bedre kontroll av ladingsstrømmen, kan en montere inn et enkelt amperemeter mellom batteriet og forbru­ kerne.

Tenk deg om: Hvordan kan kontrollampa lyse når den er koplet mellom batteriets plusspol og genera­ torens D + ?

Øvingsoppgaver 86-97

Øvingsoppgaver 57 a) Hvilke hovedkomponenter er med strømforsyningssystemet? b) Hvilke oppgaver har de i kjøretøyet?

i

70 Hvilken oppgave har vekselstrømsgenerator?

børstene

i

en

71 Hvilken oppgave har vekselstrømsgenerator?

diodene

i

en

72 Beskriv forskjellene i elektrisk funksjon mel­ lom effektdioder av PN-type og NP-type.

58 Hvor blir energi omformet i strømforsynings­ systemet, og hvilke energiformer er det som blir omdannet?

59 Hvilken oppgave har slamsamleren under batteriplatene? 60 Elektrolytten i et blybatteri er en kjemisk forbindelse. Hva består den av?

61 Densiteten til elektrolytten henger sammen med ladingstilstanden i battericellene. Hvilken densitet har elektrolytten a) i en fulladd celle? b) i en utladd celle? 62 Beskriv hva som hender i battericella a) ved lading b) ved utlading 63 Hva skal du gjøre dersom du har vært så uheldig å søle elektrolytt på klærne?

64 Hvordan angir vi kapasiteten til et batteri? 65 Diagrammet på s. 72 viser uttakbar kapasitet fra et batteri som er merket 12 volt 60 Ah. Hvor stor kapasitet kan vi ta ut dersom batteriet blir belastet med konstant strøm I = 15 A?

73 Studer figuren over spenningens polaritet og strømmens retning i de ulike fasene (s. 78). Tegn en egen figur som beskriver hva som hender 60° seinere. 74 Hvorfor avgir vekselstrømsgeneratoren pulse­ rende likestrøm? 75 Er det mulig å regulere vekselstrømsgeneratorens ladingsstrøm ved å endre strømstyrken i rotorviklingen? 76 Hva kan hende om en vekselstrømsgenerator blir koplet inn med omvendt polaritet? 77 «Forskningsoppgave». Finn ut om det er noen annen måte å kople til generatorens magnetiseringskrets på enn den som er vist på figuren på s. 80. Tegn et koplingsskjema og sammen­ lign de ulike koplingsmåtene. a) Er det samme antall effektdioder i begge generatortypene? b) Er det magnetiseringsdioder i begge ek­ semplene? c) Gjør rede for forskjellene i funksjon med hensyn til magnetiseringen.

78 Hvordan blir formagnetiseringsstrømmen påvirket dersom ladingskontrollampa har for lav effekt?

79 Angi en årsak til at ladingskontrollampa glø­ der til tross for at den har riktig effekt og gene­ ratoren er feilfri.

66 Beskriv forskjellene mellom parallellkopling og seriekopling av batterier eller battericeller.

67 Hva er forutsetningen for at induksjon skal oppstå?

80 Den elektromagnetiske kontaktregulatoren har en fjær som holder regulatorkontaktene sluttet. På hvilken måte blir reguleringsspenningen forandret dersom vi spenner fjæra?

68 I hvilken del av vekselstrømsgeneratoren blir den spenningen indusert som gir ladingsstrøm?

81 Gjør rede for hvorfor det ikke går strøm gjennom magnetiseringsviklingen når kontaktpar 2 i den elektromagnetiske kontaktre­ gulatoren blir koplet til.

69 Hvordan kan vi enklest avgjøre om en genera­ tor har Y-koplet eller trekantkoplet (A-deltakoplet) stator? 93

82 Hvordan innvirker rotorviklingens induserte motspenning på magnetiseringsstrømmen?

94 Hvorfor må generatoren i et kjøretøy ha en eller annen form for regulering?

83 «Forskningsoppgave». Hvorfor arbeider en transistorregulator med høyere frekvens enn en kontaktregulator?

95 Hvilken strømkrets i en generator er det som blir påvirket av regulatoren?

84 I koplingsskjemaet over transistorregulatoren (s. 87) er det en diode (D) som kortslutter de transiente spenningene fra rotorviklingen. Hva ville ha skjedd med disse spenningene dersom de ikke var blitt kortsluttet av diode­ ne?

96 Hvilken oppgave har spenningsregulatoren i en generator? 97 Hvilke fordeler har vekselstrømsgeneratoren sammenlignet med likestrømsgeneratoren?

85 Hvorfor må en både stoppe motoren og bryte strømkretsen til ladingskontrollampa for å gjenopprette overspenningsvernet? 86 Hvilken type av spenning blir indusert i likestrømsgeneratorens rotorviklinger?

87 Hva kaller vi den delen i likestrømsgenerato ­ ren som likeretter strømmen? 88 Hvorfor trenger ikke likestrømsgeneratoren formagnetisering?

89 Tegn symbolene for a) en A-koplet generator b) en B-koplet generator c) Hvilken polaritet får magnetiseringsviklingens uttak (DF) i forhold til generatorens D + ved de forskjellige koplingsmåtene? 90 a) Hvilken oppgave har de elektriske børstene i en likestrømsgenerator? b) Hvordan er de og magnetiseringsviklingene koplet til hverandre? 91 a) Hvilken oppgave har strømregulatoren i en likestrømsgenerator? b) Hvorfor trenger ikke vekselstrømsgenera­ toren noen spesiell strømregulator?

92 Hvorfor må likestrømsgeneratoren utstyres med tilbakestrømsrele, og hvorfor behøver ikke vekselstrømsgeneratoren noe reie? 93 Ladingskontrollampa bør, som navnet sier, vise om ladingssystemet fungerer normalt. Forklar hvorfor en ikke med sikkerhet kan vite om startbatteriet blir ladd selv om genera­ toren er feilfri og lampa blir slokket. 94

Startsystemet Dette kapitlet inneholder

Startmotorer

* Konstruksjonen til startmotoren • Kraftoverføring og innkopling • Andre startmotorer • Øvingsoppgaver 98-113

Startmotorer De forbrenningsmotorene som blir brukt i motorkjøretøyer, trenger hjelp for å starte. Små motorer kan vi starte manuelt med en sveiv eller en snor. For større motorer trengs starteffekter på 08-7 kW. Da strekker ikke de menneskelige kreftene til, og vi må bruke en startmotor.

Når en forbrenningsmotor er kald, må startmotoren utvikle et høyt moment (40-50 Nm) for å overvinne motorens indre friksjon. Dessuten må forbrenningsmotorens omdreiningstall under startperioden være så høyt at en får høyt nok kompresjonstrykk og dermed høy nok temperatur til å antenne brennstoff-luftblandingen. Ved dieseldrift skal dessuten blandingen antennes av bare kompresjonsvarmen.

Startmotorer er likestrømsmotorer (seriemotorer) som kan utvikle store moment og høye effekter til tross for små dimensjoner. De er ganske billige og enkle i konstruksjonen og har stor driftssikkerhet. Startmotoren blir drevet med elektrisk energi fra startbatteriet.

I startmotoren skal batteriets relativt lave spen­ ning utvikle høy effekt. Startmotoren må derfor arbeide med høy strømstyrke (Joules lov s. 29). Høy strømstyrke krever lav resistans. Ledningene mellom batteriet og startmotoren og lederne i startmotoren har derfor stort tverrsnitt og er så korte som mulig. Startkretsens hovedstrøm blir koplet til ved hjelp av et reie med kraftige kontak­ ter.

Konstruksjonen til startmotoren Repeter gjerne s. 35 og 38 først.

En likestrømsmotor har en stator med to eller fire magnetpoler og polsko. Magnetiseringsviklingene har noen få omdreininger av grov koppertråd.

Rotoren består av platelameller på en aksel. I rotorens langsgående spor ligger trådslynger av grov koppertråd. For at viklingen skal ha så lav resistans som mulig, består hver slynge av bare én omdreining, og trådens tverrsnitt kan være rektan­ gulært.

Endene på rotorviklingen er fastsveiset i kommutatorsegmentet. Mot kommutatoren sleper krafti­ ge børster, som overfører strøm til rotorens viklin­ gen For at resistansen skal bli så lav som mulig, inneholder børstene store mengder kopper. Prinsippskisse av en likestrømsmotor

1 2 3 4

Stator med magnetiseringsvikling Rotorvikling (ankervikling) Kommutator Elektrisk børste

96

8

Rotorens oppbygning 1 2 3 4 5

Rotorplate Rotorkjerne Rotoraksel Rotorvikling Kommutator

For at motoren skal rotere og utvikle så stort moment som mulig, må strømmen i rotorslyngene alltid gå i samme retning ved en bestemt magnet­ pol, se figuren. Det er kommutatoren som gjør dette mulig. Strømmens retning blir brutt når lederne beveger seg parallelt med statorens mag­ netfelt.

Ved å utstyre statoren med fire poler får vi høyere moment tross liten diameter på rotoren.

1 2 3 4

Polsko Rotorkjerne Rotorvikling Luftgap

Momentet er jo avhengig av lengden på momentarmen og av krafta på armen.

M — F r- n

F = kraft [N] r — momentarm [m] n — antall moment som virker sammen

Dersom rotoren har mange slynger, blir momentimpulsene utjamnet under en omdreining (se figuren).

Rotorviklingen og magnetiseringsviklingen er seriekoplet, derav navnet seriemotor. Det betyr at strømstyrken er lik i begge viklingene, og moto­ rens magnetfelt er direkte proporsjonalt med strømstyrken.

Disse tre kurvene viser momentet fra hver rotorslynge. /V7t er det resulterende momentet.

9 Fordonsteknik Elsystem Båkmål

97

Likestrømsmotoren og likestrømsgeneratoren har store likheter. Når motoren roterer, vil den derfor også fungere som generator.

I de roterende rotorviklingene blir en spenning indusert med motsatt retning av batterispenningen. Dette gjør at startmotorstrømmen ved serie­ kopling blir lavere med økt omdreiningstall. Der­ med blir motorens effekt også lavere. Startmotorstrømmen er størst ved helt bremset rotor og lavt omdreiningstall. [A]

Effekten, momentet og omdreiningstallet til startmotoren, og spenningsfallet over startmotoren som funksjon av strøm­ styrken gjennom motoren

Under den første delen av startperioden blir strømstyrken svært høy, 500-1000 A. Omdrei­ ningstallet til motoren er lavt, og bare en liten del av den tilførte effekten blir omformet til mekanisk effekt. Vi har altså lav virkningsgrad. Størstedelen av effekten, 0,8-7 kW, blir i middelstore startmotorer omformet til varme. For at isolasjonen på motorviklingene ikke skal bli skadd, må en startmotor bare belastes i korte perioder. Korte start­ perioder, 5-10 sekunder, har også sin bakgrunn i at startbatteriet trenger hvilepauser.

Øvingsoppgaver 98-104

Kraftoverføring og innkopling Momentet til startmotoren blir overført til forbrenningsmotorens svinghjul med en tannhjulsveksel. Utvekslingen kan variere mellom i = 8:1 og i = 20:1. Innkoplingen av startdrevet skjer vanligvis med startmotorens manøvreringsstrøm. I middels store startmotorer (P = 0,3-3,5 kW) blir startdrevet dratt i inngrep med en elektromagnet og en hevarm.

I større motorer (P > 2,0 kW) forskyves hele rotoren eller den delen av rotoren der drevet sitter. Større motorer har også en friksjonskopling mel­ lom rotor og startdrev. Drevet frikoples automa­ tisk ved overbelastning. Det forhindrer at startmo­ toren blir skadd.

98

Innkopling med forskyvbart drev I denne konstruksjonen er startdrevet utstyrt med et frihjul. Når drevet føres i inngrep og startmoto­ ren utvikler et moment, klemmes rullene ut mot ytterringen, og koplingen sperrer. Når forbrenningsmotoren starter, roterer startdrevet hurtigere enn rotorakselen. Rullene blir frigjort, og koplin­ gen overfører ikke noe moment. Startmotoren blir på denne måten beskyttet mot for høyt omdreiningstall.

1 2 3 4 5 6 7

Startdrev Drevhylse Ytterring Rulle Fjær Avsmalnende uttak Sperreretning

Manøvreringsmagneten har til oppgave å føre inn startdrevet og holde det i inngrep. Den påvirker dessuten kontaktene i startreleet for startmotorens hovedstrømkrets.

Manøvreringsmagneten har en spole med to viklinger, innkoplingsviklingen og holdeviklingen. Innkoplingsviklingen er koplet i serie med start­ motorens magnetiseringsvikling og rotorvikling. Holdeviklingen ligger parallelt med disse. Innkop­ lingsviklingen har grov tråd og lav resistans, mens holdeviklingen har tynnere og lengre tråd og dermed høyere resistans. Gjennomskjæring av startmotor med forskyvbart drev og manøvreringsmagnet

1 Rotor (anker) 2 Magnetiseringsvikling 3 Polsko 4 Kommutator 5 Elektrisk børste 6 Børstefjær 7 Drev 8 Frihjul 9 Ytterring 10 Gjengeformete splmes 11 Stoppring 12 Bremseskive 13 Manøvreringsmagnet 14 Koplingshevarm 15 Innkoplingsfjær 16 Innkoplingsvikling 17 Holdevikling 18 Bevegelig relekontakt 19 Kontakt 20 Tilkopling

Når startkontakten blir sluttet, går det en strøm gjennom alle viklingene. Innkoplingsviklingen og holdeviklingen virker sammen. Den elektromag­ netiske krafta blir da stor nok til at hevarmen kan føre startdrevet i inngrep. Den strømmen som går gjennom startmotoren, er ganske lav, men stor nok til at rotoren blir dreid rundt. Når drevet går i inngrep, bremses det opp. Rotoraksel og drev er forbundet med gjengeformete splines (langsgående spor og bommer). Rotoren kan derfor fortsette å rotere, og gjengen presser drevet enda mer i inngrep. 1 2 3

Innkoplingsvikling Holdevikling Feltvikling (magnetvikling)

Manøvreringsmagneten har på samme tid nådd den indre stillingen, og gjennom relekontakten har den sluttet hovedstrømkretsen. Samtidig kortsluttes innkoplingsviklingen og blir strømløs. Holdeviklingens magnetkraft er stor nok til å holde drev og reie i arbeidsstilling. Startmotoren får nå full strøm, og det blir overført maksimalt moment til kjøretøyets motor.

Tennene på startdrevet og startkransen er avfaset for å lette inngrepet. Likevel hender det at tann støter mot tann. I denne stillingen presser koplingshevarmen sammen innkoplingsfjæra, rele­ kontakten slutter, og rotoren roterer. Når tennene på tannhjulet kommer rett ut for tannluka, presser fjærkrafta drevet inn.

Tanninngrepet er hindret

100

Når manøvreringsstrømmen blir brutt, blir drevet ført tilbake av tilbakeføringsfjæra i manøvreringsmagneten. Rotoren i motoren har stor masse og kan derfor fortsette å rotere ganske lenge etter at manøvreringsstrømmen er brutt. For at føreren raskt skal kunne foreta en eventuell omstart, må rotorens rotasjon bremses.

Innbremsing av rotoren

A 1 2 3 4 5 6 7

Fristilling B. Bremsing Bremseskive Koplingsarm Innkoplingsfjær Rotoraksel Drev Frihjul Stoppring

Det skjer som regel med en eller annen type av fjærbelastete friksjonsskiver mellom rotoraksel og statorgavl. Figuren viser en metode der startdrevets bremseskive blir presset mot en skive i statorens fremre gavl.

Innkopiing med forskyvbar rotor (anker) Figuren viser en startmotor med forskyvbar rotor og friksjonskopling mellom startdrev og rotor­ aksel. Den er beregnet på middels store forbrenningsmotorer. I hvilestilling er det mulig å forskyve rotoren mot høyre i forhold til statoren (se figuren). Kommutatorens lengde er omtrent det dobbelte av børstebredden. Motoren har tre viklinger i stato­ ren, statorhjelpevikling, holdevikling og magnetiseringsvikling.

Startmotor med forskyvbar rotor (anker) i hvilestilling 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Statorhus Polsko Magnetiseringsvikling Rotor (Anker) Kommutator Elektriske børster Børsteholdere Børstefjær Drev Lamellkopling Startrele Relekontakt Kontaktsperre Utløsingsskive Tilbakeføringsfjær Tilkopling

Startreleets oppgave er å styre innkoplingen av viklingenes strømkretser. Det skjer i to trinn.

Når startekontakten blir slått inn, sluttes første trinn på relekontakten. Starthjelpeviklingen og holdeviklingen virker sammen, og deres felles magnetfelt trekker rotoren aksialt inn i statoren. Starthjelpeviklingen er koplet i serie med rotoren. Den har relativt mange vindinger, og strømstyrken blir derfor nokså lav.

1 Startkontakt 2 Startrele 3 Relekontakt, leddet 4 Kontaktsperre 5 Utløsingsskive 6 Holdevikling

7 8 9 10 11 12

Starthjelpevikling Magnetiseringsvikling Startdrev Rotor Polsko Tilbakeføringsfjær

Rotoren dreier sakte rundt, samtidig som den beveger seg aksialt og startdrevet får myk inntanning i svinghjulets starterkrans (jamfør startmotor med forskyvbart drev).

Når rotoren har beveget seg om lag den halve aksiale strekningen, 12-15 mm, påvirker den sperren for relekontaktens andre trinn. Relekon­ takten slutter strømkretsen til magnetiseringsviklingen, motoren får full magnetiseringsstrøm, og rotoren kan utvikle maksimalt moment. Hjelpeviklingen blir kortsluttet og blir strømløs i denne stillingen.

Holdeviklingens magnetfelt holder rotoren i ar­ beidsstilling til manøvreringsstrømmen blir brutt. Når manøvreringsstrømkretsen blir brutt, trekker tilbakeføringsfjæra rotoren tilbake og holder den i hvilestilling. Rotasjonen blir bremset opp av en «generatoreffekt», det vil si at en indusert spen­ ning gir strøm gjennom rotoren, holdeviklingen og hjelpeviklingen. Lamellkoplingens stopplamell medvirker også til innbremsingen.

102

Lamellkoplingen

I middels store og store startmotorer overføres rotorens moment til startdrevet av en flerskivet lamellkopling. Koplingen er justerbar og slurer dersom innstilt maksimalmoment blir overskre­ det. Den beskytter dermed startmotoren mot overbelastning. Koplingen blir også frigjort når svinghjulet driver startdrevet (etter at forbrenningsmotoren har star­ tet). På den måten blir startmotoren beskyttet mot for høyt omdreiningstall.

1 2 3 4 5 6

Drev Lagerdeksel Gjengeformete splines Rotoraksel Lamellnav Koplingslameller

7 8 9 10 11

Stopplameller Stoppring Trykkring Skivefjær Drivflens

Ved begynnelsen av startforløpet blir momentet bare overført gjennom de to lamellskivene lengst til venstre (se figuren). Dersom tann treffer tann, slurer koplingen derfor lett, og drevet blir vridd sakte og mykt i inngrep.

Startdrevet driver lamellnavet med gjengeformete splines. Når drevet har kommet i inngrep og over­ fører moment, «gjenges» lamellnavet aksialt mot høyre i figuren, og koplingslamellene blir presset sammen. Hele momentet til motoren blir overført til startdrevet. Presskrafta på lamellene blir bestemt av skivefjærene, som påvirker kanten på trykkringen langs hele periferien. Legg merke til klaringen (s) mellom lamellnavet og skivefjæra.

103

Dersom det overførte momentet overskrider en bestemt verdi, presser lamellnavet skiveQærene fra trykkringen. Presskrafta på lamellene opphører, og koplingen slurer.

Koplingen slurer

1

Kontaktpunkt

Når forbrenningsmotoren har startet, driver den startdrevet. Lamellnavet «gjenges» da aksialt mot venstre, presskrafta på lamellene opphører, og koplingen slurer.

Starten avsluttet

Andre startmotorer Foruten de konstruksjonene som vi har tatt for oss, fins det motorer for større effekter (4-7 kW), der bare startdrevet med lamellkoplingsdelene blir forskjøvet. Disse motorene er ellers bygd etter de samme konstruksjonsprinsippene. Startforløpet skjer i to trinn og blir styrt av startreleet på samme måte som for motorer med forskyvbar rotor.

Øvingsoppgaver 105-113

104

110 Når drevet er koplet helt inn, kortsluttes hjelpeviklingen. Hvor skjer dette?

Øvingsoppgaver

111 98 Til hvilken energiform blir elektrisk energi omformet fra startbatteriet i startmotoren? 99 Med Joules lov kan en beregne den effekten som en fastbremset startmotor forbruker. Spenningsfallet over motoren er målt til 9,7 V og strømstyrken til 455 A. a) Hvor høy er effekten? b) Hva hender med den elektriske energien som blir ført til startmotoren?

100 «Forskningsoppgave». Hvorfor består roto­ ren av platelameller og ikke av en massiv stålkjerne? 101

Hvordan er magnetiseringsviklingene og ro­ torviklingene i startmotoren koplet til hver­ andre?

102 Hvorfor får en større moment med fire poler i statoren enn med to? Tegn figur. 103 Hvordan påvirker rotorstrømmen motorens magnetfelt i en seriemotor?

104 Hvorfor blir seriemotorer brukt som start­ motorer?

105 Hvilke prinsipper kjenner du for innføringen av startmotordrevet mot starterkransen på svinghjulet? 106 Hvilken oppgave har frihjulet i startdrevet hos startmotorer med forskyvbart startdrev? 107 En del startmotorer er utstyrt med en manøvreringsmagnet som manøvrerer start­ drevet. Denne manøvreringsmagneten har to viklinger. a) Hva kalles de? b) Hvordan er de koplet? c) Hvilke oppgaver har de ulike viklingene? 108 I større startmotorer er det en lamellkopling mellom rotor og startdrev. Hvilken oppgave har denne koplingen? 109 Hva hender dersom kontaktsperren ikke løser ut relekontakten?

105

Hvorfor må det være en liten klaring mellom lamellnavet og skivefjærene når koplingen trekker?

112 «Forskningsoppgave». I en del startmotorer er rotorakselen og startdrevet forbundet med langsgående, rette splines. Den gjennomskårne startmotoren på s. 99 har gjengeformete splines. Kan dette være noen fordel, og i tilfelle hvordan? 113 «Forskningsoppgave». Studer diagrammet på s. 98. a) Hvor stort moment utvikler motoren når strømstyrken er 1000 A? b) Hvorfor er effekten så lav ved samme strømstyrke? c) Hvilket omdreiningstall har motoren når effekten er maksimal?

T enningssystemer Dette kapitlet inneholder

• Tenningssystemer. Oversikt • Tennpluggen Batteritenningssystemer

• Tenningssystemer med coil og mekaniske bryterkontakter(stifter) • Tenningssystemer med kontaktstyrt transistortenning • Tenningssystemer med impulsstyrt transistortenning • Kondensatortenningssystem

• Liv og helse - transistorisert tenningssystem • Elektronisk styrte tennings­ systemer • Tenningsregulering med tenningsbankeføler (tenningsbankgiver)

Magnettenningssystemer • Kontaktstyrt coil (spoletenningssystem) • Impulsstyrt kondensatorsystem • Øvingsoppgaver 114-149

Tenningssystemer. Oversikt I ottomotorer (firetakts og totakts bensinmotorer) antennes den komprimerte brennstoff-luftblandingen av en elektrisk gnist mellom elektrodene på en tennplugg. Strenge avgassbestemmelser, krav til god brennstofføkonomi, nye motorkonstruksjoner og for­ brukernes krav om driftssikre biler har ført til en rask utvikling av tenningssystemet siden begyn­ nelsen av 1970-tallet.

Ulike typer av tenningssystemer Tenningssystemene kan deles inn i - spolesystemer, der den elektriske energiomformingen og lagringen og spenningstransformeringen skjer i en induksjonsspole, coilen (tenningsspolen) - kondensatorsystemer, der den elektriske energien blir lagret i en kondensator og spenningen trans­ formert opp i en tenningstransformator

Avhengig av hvilken metode en bruker for å styre tenningsimpulsene, inndeles spolesystemer og kondensatorsystemer i - mekaniske systemer med bryterkontakter - elektroniske systemer, som omfatter kontaktstyrte og pulsstyrte transistorsystemer med spole, og kontaktstyrte og pulsstyrte kondensatorsyste­ mer. I pulsstyrte systemer får en styrespenningen fra induktive givere eller hallgivere De mekaniske og elektroniske systemene kan, av­ hengig av hvordan strømmatingen er ordnet, grupperes i

- batteritenningssystemer og - magnettenningssystemer

Batteritenningssystem

9

I kjøretøyer brukes batteritenningssystemer med separat coil (tenningsspole). Nødvendig elektrisk energi blir tatt fra startbatteriet og generatoren. Systemspenningen i kjøretøyet er som regel 12 V, men etter opptransformeringen i coilen får vi en tenningsspenning på 5-20 kV mellom elektrodene på tennpluggen.

I motorer for ulike redskaper, for eksempel gress­ klippere, motorsager og fjellbor, benytter en magnettenningssystemer. Der induseres tenningsenergien direkte i tenningsspolens vikling ved hjelp av et roterende magnetfelt. Tenningsutstyret er ofte bygd inn bak svinghjulet i motoren.

Tennpluggen Tennpluggen er det siste leddet i tenningssystemet. Samtidig er det tennpluggen som blir utsatt for de største påkjenningene. Den må tåle trykk opp til 5 MPa, temperaturvariasjoner mellom +20 °C og + 2 500 °C og elektriske spenninger på 10-25 kV.

Elektrodene (8 og 9) og isolatoren (3) er de viktigste delene i tennpluggen.

Tennpluggens deler og konstruksjon

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Isolatortopp med spor Tilkoplingsskrue Isolator Stukings- og varmekrympingssone Elektrisk ledende og varmeavledende spesialmasse Fastsittende tennpluggpakning Presisjonsgjenge med styring Midtelektrode Sideelektrode Luftgap til vern av isoleringen Isolatorfot Ventilasjonsrom mellom sokkel og isolatorfot Indre pakning Sokkel Ring Tilkoplingsmutter

Isolatoren er lagd av aluminiumoksid med tilset­ tinger av keramisk materiale. Den blir formet ved pressing, deretter slipt og til slutt brent ved høy temperatur. Utvendig er den glassert. Vanligvis er den utstyrt med ringspor, som forlenger avstanden mellom tilkoplingsmutter og sokkel. Dermed min­ ker faren for krypstrømmer og spenningsoverslag vesentlig.

Gnistgapet er mellomrommet mellom elektrodene.

Varmefordelingen i isolatoren Temperaturen i omgivelsene

10 Fordonsteknik Elsystem Båkmål

Isolatoren skal hindre spen ningsoverslag og gjennom slag

Elektrodene er lagd av en nikkellegering. Materia­ let skal være korrosjonsbestandig, slik at elektro­ dene beholder sin skarpkantete form så lenge som mulig. Dersom elektrodene har denne formen, trengs det ikke så stor spenning for å få gnistoverslag. 109

Figurene viser eksempler på hvordan en kan vurdere om en tennplugg har hatt rett driftstemperatur. Det gjør en ved å studere den delen av tennpluggen som har vært i forbrenningsrommet.

Elektrisk ledende belegg på de delene av isolatoren som befinner seg i forbrenningsrommet, kan forårsake tenningsforstyrrelse. Blant annet av den­ ne grunn må tennpluggen ha passende driftstemperatur, såkalt selvrensingstemperatur.

Normal. Isolatorfoten grågul eller brun. Motoren i god stand. Rett varmetall på tennpluggen

Sot og oljebelegg. For mye olje i forbrenningsrommet, på totaktsmotorer for mye olje i brennstoffet, utslitte sylindrer og stempelringer

Sotet. Fløyelslignende be­ legg. For feit blanding, un­ derskudd på luft, elektrodeavstanden for stor, for høyt varmetall

Overopphetet. Smelteperler på isolatorfoten, nedbrente elektroder, belegg av blyforbindelser.

Blandingen for mager, tenn­ pluggen utett eller ikke fasttrukket, utette ventiler, for lavt varmetall på tennplug­ gen

Varmeavledningsevnen kan en påvirke når en for­ mer tennpluggens isolatorfot. Hos en kald plugg blir varmen avledet raskere enn hos en varm.

Varmeavledningen fra tennpluggen 100% er den opptatte varmemengden fra forbrennings­ rommet 20% opptas av den innsugde brennstoff-luftblandingen

Varmeavledningen fra kald (til venstre) og varm (til høyre) tennplugg

80% er den bortførte varmemengden fra tennpluggen

110

Varmetallet til tennpluggen angir pluggens evne til å avlede varme. Det fins ingen enhetlige regler for hvordan varmetallet skal angis. Hver fabrikk har sitt eget system. Foruten varmetallet inneholder merknaden på tennpluggsokkelen opplysninger om gjengetype, diameter og lengde. Andre data er elektrodeform og eventuelle avvik fra standardutførelsen. I katalogmaterialet fra den enkelte fab­ rikanten finner en nærmere opplysninger om dette. Der er det også tabeller som anbefaler passende tennplugger til de ulike motorene.

Tenningsgnisten Den brennstoff-luftblandingen som fins omkring og mellom tennpluggens elektroder, har svært dårlig elektrisk ledningsevne.

Ved at spenningen over elektrodene blir økt til 1011 kV, skjer det en ionisering av gassblandingen mellom elektrodene. Ioner er atomgrupper (mole­ kyler) som har tatt opp eller avgitt elektroner og derfor fungerer som ladningsbærere.

A

De positive ionene trekker til seg elektroner fra brennstoff-luftblandingen og danner en «bro» som fremmer elektronstrømmen mellom elektrodene på tennpluggen. For seinere å vedlikeholde ten­ ningsgnisten kreves det en spenning på 2-4 kV. Tenningsgnisten varer 0,5-1,5 ms (millisekund) og har en energi på om lag 0,1 mJ.

B

Fordi tennpluggens midtelektrode har høyere driftstemperatur enn sideelektroden, er det lettere for elektronene å forlate midtelektroden og strømme til sideelektroden enn omvendt. Høyspenningskretsen i tenningssystemet har der­ for positiv kopling til jord, uansett hvordan systemet ellers er koplet.

Øvingsoppgaver 114-119

111

Batteritenningssystemer Tenningssystemer med coil og mekaniske bryterkontakter (stifter)

3 Coil 4 Lavspenningsvikling 5 Høyspenningsvikling 6 Fordeler 7 Avbryterkontakter (stifter) 8 Fordelerarm 9 Kondensator 10 Tennplugg

Den elektriske energien blir omformet i coilens lavspenningsvikling (L) til magnetisk energi når bryterkontaktene er sluttet. På grunn av coilens induktans tar det en stund før en når full strømstyrke (kurve I).

Coilens lavspennings- og høyspenningskrets

A B C D L H

Batteri Avbrytere (stifter) Kondensator Tenningsgnist Lavspenningsvikling Høyspenningsvikling

Når lavspenningskretsen blir brutt, induseres det en spenning i begge viklingene. Den induserte energien i lavspenningsviklingen blir tatt opp av en kondensator (C), som er koplet parallelt med bryter­ kontaktene. Viklingen og kondensatoren danner en LC-svingningskrets, og energien pendler mel­ lom viklingen og kondensatoren i kretsen (kurve II) til den er helt omformet til varme i komponente­ ne. Dersom kondensatoren ikke fantes, ville energien forsvinne i form av en gnist mellom bryterkontak­ tene (stiftene), som fort ville brenne opp. 112

Bryting uten gnistdannelse gjør også at magnetfel­ tet i spolen forsvinner raskt. Jo fortere magnetfeltet forsvinner, desto høyere spenning blir det indusert i høyspenningsviklingen (jamfør s. 39). Fordi høyspenningsviklingen (H) har mer enn 100 ganger så mange vindinger som lavspenningsvik­ lingen, blir det indusert en svært høy spenning i høyspenningsviklingen. Hvor stor den blir, avhen­ ger blant annet av forholdene i motorens forbrenningsrom. Energien i høyspenningsviklingen blir forbrukt i tenningsgnisten. Den dempete svingningen som oppstår etter at tenningsgnisten har sloknet (kurve III), er rester fra LC-kretsen. Fra tenningslås

Spenning og strøm i lav- og høyspenningskretsen /l Strøm i lavspenningsviklingen

UL Lavspenningsviklingens spenning UB Batterispenning UH Høyspenningsviklingens spenning B

Uy B 1 2 3 4

Tenningsspenning Avbryterstillinger Tenningsavstand Tenningsimpuls Gnisttid Brennspenning

1 Fordelerlokk 2 Fordelerarm 3 Avbryterplate 4 Kamhjul 5 Sentrifugalregulator 6 Vakuumregulator 7 Kondensator 8 Fordelerhus

Når en bruker startmotoren, og spesielt i kaldt vær, kan startbatteriets spenning bli så lav at coilen ikke greier å indusere høy nok spenning, og vi får ingen tenning. En del coiler er derfor konstruert for en arbeidsspenning på 9-10 V, og de blir utstyrt med en seriemotstand (forkoplingsmotstand) som skaper et spenningsfall på 2-3 V. Gjennom en elektrisk bryter i startmotoren kortsluttes seriemotstanden ved start når motoren har lavt omdreiningstall, og spolen får full arbeids­ spenning. Fordeling av tenningsenergien

Dersom motoren har felles coil (tenningsspole) for flere motorsylindrer, må tenningsstrømmen ledes til de ulike tennpluggene i tur og orden. Fordelin­ gen skjer i fordelerens lokk. Ledningen fra coilen er koplet til fordelerlokket i sentrum av lokket. Fra dette uttaket ledes strømmen gjennom rotoren (fordelerarmen) over et gnistgap til uttaket for tennpluggledningene. Rotoren sitter på fordelerakselen. I firetakts ottomotorer gjør fordelerakselen én omdreining mens motorens veivaksel gjør to. Rotoren kan være drevet av veivakslen gjennom en utveksling i — 2:1 (snekkeveksel) eller av kamakselen 0 = 1:1).

113

Dersom en firetakts firesylindret ottomotor rote­ rer med 100 r/s, skal tenningssystemet levere 200 gnister i sekundet. Det tilsvarer en gnist hvert 0,005 s. Dersom lukkevinkelen er 60° (66 %), må magnetfeltet bygges opp på — •0,005 s « 0,0033 s. Brytermekanismen (avbrytermekanismen) Rød sektor angir lukkevinkelen

Motorfabrikantene forsøker derfor å oppnå så stor lukkevinkel som mulig og dermed så stor lagret energi som mulig.

a Liten lukkevinkel = Stor stiftavstand (5) b Stor lukkevinkel = Liten stiftavstand (s) 1 Avbryterkontakter (stifter) 2 Avbryterarm 3 Kamfølger 4 Kamhjul

Stor lukkevinkel gir liten kontaktavstand, og omvendt gir liten lukkevinkel stor kontaktav­ stand. For å sikre at kretsen blir brutt effektivt, må lukkevinkelen derfor ikke være altfor stor.

Brytermekanismen (avbrytermekanismen)

I alle kontaktstyrte tenningssystemer skjer slutting og bryting av lavspenningskretsen (eller styrekretsen i elektroniske systemer) ved hjelp av mekaniske bryterkontakter.

Tenningsregulering Brennstoff-luftblandingen forbrenner på om lag 0,002 s. For at forbrenningstrykket skal oppnå høyeste verdi like etter stempelets øvre vendepunkt (ØV), må tenningen skje litt før øvre vendepunkt.

På den bevegelige rotorarmen er det en kamfølger av elektrisk isolerende materiale. Den blir påvirket av kamhjulet, som er montert på den øvre delen av fordelerakselen. Antall kamre er like stort som motorens sylindertall. I firetaktsmotoren roterer fordelerakselen med halve motoromdreiningstallet, og en får da en slutting og en bryting for hver sylinder annenhver motoromdreining.

Den perioden da bryterkontaktene er stengt, kaller vi lukkevinkel eller kamvinkel, og den perioden da de er åpne, blir kalt åpningsvinkel. Lukkevinkelen er mest interessant, for det er under denne perioden magnetfeltet i coilens lavspenningsvikling blir bygd opp. Lukkevinkelen blir angitt i grader eller prosent. 100 % er summen av lukkevinkelen og åpningsvinkelen.

En normal forbrenning starter ved tennpluggens gnistgap og sprer seg som en hurtig flammefront gjennom hele gassblandingen. Dersom tenningen utløses for tidlig, kan en ukontrollert tenning starte på andre svært varme steder i forbrennings­ rommet. Ukontrollert forbrenning gir rask trykkøkning i forbrenningsrommet og høres som en metallisk hamrende lyd med høy frekvens. En kaller dette for tenningsbank eller banking. Tenningsbank kan føre til skader på stempler, lagre og tennplugger.

Tenningsbank kan også komme av at brennstoffet har for lavt oktantall, at tennpluggen har feil varmetall, eller at det er forurensninger, for eksem­ pel sot, i forbrenningsrommet.

114

Som regel gir motoren størst effekt dersom tennin­ gen skjer umiddelbart under bankegrensen. Det mest passende tidspunktet for tenning er bestemt av motorens konstruksjon, brennstoffets egenska­ per og motorens omdreiningstall og belastning. Tenningstidspunktet blir angitt med tenningsvinkelen, som er vinkelen mellom veivakselens stilling ved tenningstidspunktet og stempelets øvre vende­ punkt. Vinkelen blir angitt i grader.

Tenningsvinkelen i forhold til motoromdreiningstallet 1 Grunninnstilling — Reguleringskurve ved full last — Bankegrense

Regulering av tenningsvinkelen skjer med sentrifugalregulator og vakuumregulator. Sentrifugalregulatoren styrer tenningen i forhold til motorens omdreiningstall. Vakuumregulatoren styrer ten­ ningen i forhold til motorens belastning og blir påvirket av trykket i motorens innsugingsrør. De to regulatorene arbeider hver for seg og helt uavhengig av hverandre.

I sentrifugalregulatoren er kamhjulet montert på den øvre delen av fordelerakselen, slik at det kan dreies noe i forhold til fordelerakselen. Sentrifugalregulatoren inneholder sentrifugalvekter. Stillingen til sentrifugalvektene påvirker kamhjulets stilling i forhold til fordelerakselen. Når vektene blir ført utover av sentrifugalkreftene, vrir de kamhjulet med rotasjonsretningen. Kammene på kamhjulet møter da kamfølgeren tidligere, og tenningen skjer tidligere. Jo høyere omdreinings­ tall motoren har, desto mer blir sentrifugalvekte­ ne ført utover, og desto tidligere skjer tenningen, innenfor visse grenser. Regulatorfjærer motvirker sentrifugalkrafta og forsøker å føre kamhjulet tilbake til grunnstillingen. Massen til vektene og krafta til fjærene er spesielt utprøvd for hver motortype.

Sentrifugalregulator

1 Kamhjul (sekssylindret motor) 2 Sentrifugalvekt 3 Regulatorfjær

115

En enkeltvirken.de vakuumregulator har et vakuumkammer med en membran. Membranen blir påvirket av trykket i motorens innsugingsrør like før gasspjeldet. Den andre sida av membranen har alltid atmosfæretrykk. En trykkjjær holder mem­ branen i grunnstilling. Trykket i vakuumkammeret er avhengig av gasspjeldets stilling og av motorbelastningen. Ved tomgang stenger gasspjel­ det tilkoplingskanalen i forgasseren, og membra­ nen inntar grunnstilling. Når motoren arbeider lett med omtrent halvåpent gasspjeld, blir trykket lavest i vakuumkammeret. Membranen inntar da maksimumsstilling. Beve­ gelsen blir overført gjennom en trekkstang til den dreibare bryterplata. Fordi bryterkontaktene er fast montert på bryterplata, blir de vridd i forhold til kamhjulet mot kamhjulets rotasjonsretning. Tenningen inntrer tidligere enn grunntenningsvinkelen ved lett belastning og halvåpent gasspjeld.

Enkeltvirkende vakuumregulator 1 2 3 4 5 6

Vakuumkammer Membran Trykkfjær Trekkstang Dreibar avbryterplate Tilkopling fra forgasseren

Enkelte motorer har regulatorer med dobbelte vakuumkamre, det vil si at de har to membraner og to trykkfjærer. Det ene vakuumkammeret er koplet til forgasseren ved gasspjeldet slik som i den enkeltvirkende vakuumregulatoren og fungerer på samme måte. Det andre vakuumkammeret er koplet til innsugingsrøret etter gasspjeldet. Ved dette tilkoplingspunktet er trykket lavt ved tomgang og motorbremsing. Bryterplata blir dreid i samme retning som kamhjulet roterer. Tenningen inntref­ fer seinere enn grunntenningsvinkelen. Med denne konstruksjonen får vi forbedret forbrenning og renere avgasser.

Dobbeltvirkende vakuumregulator 1 2 3 4 5 6 7 8

Vakuumkammer for «tidlig» tenning Fjær til 1 Tilkopling Vakuum med ringformet membran for «seinere» tenning Fjær til 4 Tilkopling Trekkstang Dreibar avbryterplate

116

25'

Tidspunktet for tenningen blir påvirket av både sentrifugalregulatoren (kurve A) og vakuumregulatoren (kurve B), som i dette tilfellet er enkeltvirkende. Kurvene viser vridningen i grader i forhold til kamhjulets grunninnstilling og mot kamhjulets rotasjonsretning. Ved fordeleromdreiningstallet n = 2 000 r/min og undertrykket 150 mm Hg blir kamhjulet vridd 2 + 12,5 grader mot tidligere tenning.

Øvingsoppgaver 120-132

Tenningsreguleringskurver for B19A (Volvo).

De strekete linjene viser kurvenes toleranseområder

Tenningssystemer med kontaktstyrt transistortenning Figuren nedenfor viser et prinsippskjema for et tenningssystem der lavspenningskretsens strøm blir styrt av en transistorenhet. I transistorenheten er det en styretransistor (TJ og en effekttransistor (T2).

Batteri Tenningslås Seriemotstand Startbryter Coil Transistorkrets Avbryterkontakt Fordeler til firesylindret motor Tennplugg

Komponentskjema for et tenningsanlegg med kontaktstyrt transistortenning. Lavspenningskretsen er rød. (Tilkoplingsmarkeringene med sifre er hentet fra IEC 117. De er interna­ sjonalt utbredt.)

Bryterkontaktene i tenningsfordeleren blir belasstet bare av basisstrømmen Is i styretransistoren (TJ. For at kontaktene skal holde seg fri for belegg, trengs det en strømstyrke på om lag 0,5 A. Den blir bestemt av motstanden Ro. Fordi styrekretsen ikke inneholder noen induktans, trenger en ingen kondensator over stiftene.

117

I elektroniske tenningssystemer bruker en såkalte høyeffektcoiler. En spesiell konstruksjon av blant annet coilens jernkjerne gjør at de kan lagre mer enn 100 mJ energi.

Effekttransistoren (T2) forårsaker et spenningsfall på 1,0-1,5 V i lavspenningskretsen. Dette kan det kompenseres for med lav resistans i coilens lav­ spenningsvikling. Effekttransistoren (T2) kan styre dobbelt så høye strømmer som en mekanisk bryter, om lag 5 -10 A. Lavspenningsviklingen kan derfor ha færre vindinger enn en standardcoil. Coilens induktans blir med få vindinger svært lav, og magnetfeltet kan bygges opp hurtigere. Høyeffektcoiler kan levere 400-500 gnister per sekund, standardcoiler bare 200-300. Høyspenningens avhengighet av motoromdreiningstallet n Øverst antall gnister/min a Høyspenningen over en standardcoil. Coilen kan avgi maksimalt 12 000 gnister/min b Høyspenningen over en høyeffektcoil. Coilen kan avgi over 19 000 gnister/min

På grunn av den lave resistansen i coilen må en ha en seriemotstand på om lag 1,0 ohm som strømbegrenser. Motstanden blir kortsluttet ved start, og det blir da en kraftig tenningsgnist selv om batterispenningen er lavere.

Uz Normal tenningsspenning A U. Spenningsreserve

Rødt felt: spolenes arbeidsområde uten feiltenning

Ellers svarer konstruksjonen til det en finner i et mekanisk system.

Tenningssystemer med impulsstyrt transistortenning Ved å erstatte de mekaniske bryterkontaktene med en induksjonsgiver eller hallgiver, kan en oppnå mange fordeler: - færre deler som blir slitt, og dermed lavere vedlikeholdskostnader - større presisjon for tenningstidspunktet gir jamnere gang på motoren og bedre brennstofføkonomi

- ingen hoppende kontakter og feiltenning ved høye omdreiningstall. Slike feil kan forekomme i andre systemer på grunn av tregheten til de mekaniske kontaktene - ved elektronisk styring av lukkevinkelen til for eksempel motorens omdreiningstall kan en all­ tid holde lavspenningsstrømmen konstant. På den måten får en sikrere tenning i alle turtallsområdene for motoren 118

Induksjonsgiveren Induksjonsgiveren består av en permanentmagnet og en stator, som har vikling og like mange poler som motoren har sylindrer. På fordelerakselen sitter en rotor av magnetisk mykt stål. Den har som regel like mange poler som statoren. Når rotorens poler passerer statorpolene, blir det på samme måte som i en vekselstrømsgenerator indusert en bølgeformet vekselspenning i statorens vikling. Spenningen kan variere mellom 0,5 V og 100 V avhengig av motoromdreiningstallet. Spenningstoppen er svært kortvarig.

Polaritetsvekslingen fra positiv til negativ halvbølge, tz, er styrepuls for en transistorkrets som styrer lavspenningskretsen.

Induktiv pulsgiver for firesylindret motor

A Grafisk symbol B Prinsippfigur 1 Permanentmagnet 2 Statorpol med spole 3 Luftspalte 4 Rotor av mykt stål C Spenning-tidsdiagram fra impulsgiveren t. Tenningstidspunkt

5

4 Induktiv pulsgiver og tenningsfordelerfor åttesylindret motor

1 Permanentmagnet 2 Statorpol 3 Spole 4 Rotor 5 Rotor (fordelerarm) 6 Fordelerlokk 7 Fordelerhus med tenningsregulator

119

Hallgivere

Hallgiveren består av en hallgenerator (s. 50) med IC-krets, en permanentmagnet med ledeplater og en spalterotor som roterer i en luftspalte mellom permanentmagneten og den integrerte hallkretsen. Spalterotoren roterer med fordelerakselen. Med spalterotorens skjermer og åpningene mellom dem blir magnetfeltet gjennom den integrerte hallkret­ sen vekselvis ledet vekk og åpnet. Antallet skjer­ mer er det samme som motorens sylindertall. Bredden på skjermene tilsvarer lukkevinkelen for bryterkontakter.

Hallgiversystem 1 Rotor (fordelerarm) 2 Spalterotor 3 Grunnplate 4 Skruehull 5 Hall-IC 6 Magnet 7 Giverledning

Når en av rotorens skjermer forlater luftspalten mellom magneten og hallkretsen, kan magnetfeltet passere gjennom halvledersjiktet i hallgeneratoren. Den spenningen, UH, som oppstår i hallgeneratoren, er styrepuls for transistorkretsen.

Når skjermen er utenfor luftspalten, gjennomstrømmes hallkretsen av magnetfeltet

Transistorkretsen

1 2 3 4 5

Transistorkretsen for impulsstyrte tenningssystemer avviker noe fra den som blir brukt i kontaktstyrte systemer. Det henger framfor alt sammen med at den styreimpulsen eller det styresignalet som giveren sender ut, må omformes slik at det kan styre transistorkretsens sluttrinn eller effekttrinn.

Luftspalte Hall-IC Magnet Grunnplate Ledeplate

120

10

Nedenfor forklarer vi hvordan et styrelegeme i prinsippet er bygd opp. Ulike produsenter kan ha

1 Induktiv pulsgiver 2 Transistorlegeme

forskjellige detaljløsninger.

3 Coil tz Tenningstidspunkt

Figuren viser i forenklet form hvordan signalene, spenning - tid - forløp, blir omformet på veien fra pulsgiveren til tennpluggen. Kurvediagrammene er tatt opp med oscilloskop. Den induktive pulsgiveren danner en bølgeformet, sinuslignende spenning (A). I transistorkretsens første trinn (2a) omformes sinusspenningen til en såkalt firkantbølge (B). Den har en markert over­ gang mellom O-stilling og maksimal spenning.

I impulsformertrinnet (2b) skjer en styring av lukke­ vinkelen i forhold til motorens omdreiningstall. Vinkelen øker med stigende omdreiningstall. På den måten er oppbyggingen av coilens magnetfelt sikret også ved høye omdreiningstall.

Legg merke til at forandringen av lukkevinkelen ikke påvirker tenningstidspunktet!

I drivtrinnet (2c) blir signalene forsterket slik at de får tilstrekkelig høy spenning til å kunne styre effekttransistoren i sluttrinnet (2d). Spenning-tid-diagrammene (C og D) for begge viklingene på coilen kjenner vi igjen fra tidligere kapitler.

Systemer med hallgivere trenger i prinsippet ikke noe signalomformertrinn (2a). Hallkretsgiverens utsignal har allerede firkantbølgeform. Andre funksjoner i transistorkretsen er like for de to styresystemene. Noen impulsstyrte transistorkretser kan ha elektronisk styrt strømbegrensning, og da har ikke coilen noen seriemotstand. Dersom det er montert inn en seriemotstand, blir den kortsluttet ved start på vanlig måte.

Tenningsregulering Regulering av tenningsvinkelen skjer med sentrifugalregulator eller vakuumregulator eller begge deler, etter samme prinsipp som ved kontaktstyrte tenningssystemer.

Relativ lukkevinkel (%) i forhold til motoromdreiningstallet Øverst antall gnister pr. minutt

n0 Tomgangsområde I Mellomturtallsområde II Område for høyt turtall

Øvingsoppgaver 133-139

11 Fordonsteknik Elsystem Båkmål

121

Kondensatortenningssystem I kondensatortenningssystemet blir tenningsenergien lagret i det elektriske feltet til en kondensator (jamfør s. 14).

Impulsstyrt kondensatortenningssystem

1 Batteri 2 Tenningslås 3 Kondensatorkrets 4 Tenningstransformator 5 Induktiv giver 6 Tenningsfordeler

Tenningstransformatoren har mye lavere resistans og induktans enn en coil. Energiutladingen skjer derfor raskere. Brennetida til tenningsgnisten blir om lag en tidel (0,1-0,2 ms) av brennetida ved coiltenning.

Kondensatorkretsens ladingsdel (3a) har en elek­ tronisk spenningsomformer. Den avgir likespenning og lader opp en kondensator (C) til en spenning på om lag 400 V.

Tenningssystemet kan være styrt med mekaniske bryterkontakter eller med impulsgivere. Signalene blir omformet og forsterket slik at de kan tenne tyristoren (Th).

For vanlige bruksmotorer er kort brennetid en ulempe fordi det kan gi feiltenning ved lave omdreiningstall. Kondensatortenningssystemer blir for det meste brukt i motorer med høye omdreiningstall.

Når tyristoren leder, blir den lagrete energien i kondensatoren utladd gjennom tenningstransformatorens lavspenningsvikling, L. Tenningstransformatorens høyspenningsvikling, H, har mange vindinger av tynn koppertråd. Strømgjennomgangen gjennom lavspenningsvik­ lingen induserer en spenning på mer enn 25 kV i høyspenningsviklingen.

122

LIV OG____________________________________ HELSE

Transistorisert tenningssystem De transistoriserte tenningssystemene arbeider med svært høye spenninger. Achtung! Caution! Attention! Attenzione! Varning! Fare!

Leistungsgesteigertes Zundersystem. Gefarliche Hoch- und Niederspannung.

High-energy ignition system. Dangerous primary and secondary voltages.

Systéme d allumage haute puissance. Tensions primaire et secondaire dangereuses.

Sistema d'accensione a potenza maggiorata alta e bassa tensione. Pericolosa! Tåndsystem med hogt tåndeffektfarlig spanning i låg - og hogspånningskrets!

Når høyspenningskretsen er åpen, det vil si når ingen tennplugg er koplet inn, kan spenninge­ ne gå opp mot 100 kV. Ved normal drift er spenningen 20-40 kV. På den måten har disse tenningssystemene effekter som gjør at det kan være livsfarlig å berøre komponenter eller tilkoplinger.

Dette gjelder både lavspenningsdelen og høyspenningsdelen. Følg derfor bilfabrikantens veiledning når du gjør inngrep i tenningssystemet eller undersøker det.

Tenningssystem med høy tenningseffekt. Farlig spenning i både lavspennings- og høyspenningskretsen!

Øvingsoppgaver 140-141

Elektronisk styrte tenningssystemer Et eksempel på elektronisk styrt tenningssystem er Motronic. Dette systemet har også elektronisk styrt brennstoffinnsprøyting. Elektronisk brennstoffinnsprøyting blir behandlet i kapitlet Andre systemer (s. 164).

Kjernen i systemet er styrelegemets mikrodatama­ skin. Den har et lager der alle driftsforhold for motoren er lagret. Et innmatet arbeidsprogram styrer signalstrømmen fra lageret og de signalene som kommer fra de ulike giverne gjennom mikro­ prosessoren. A B C D

Minne Mikroprosessor Inn- og utmatingskrets Signalbearbeiding

Nummereringar, se figuren på neste side Blokkskjema for Motronic

Grunnlaget for arbeidsprogrammet til de ulike motorene er et såkalt forstillingsfelt. Det er kon­ struert i laboratoriet ved hjelp av simulerte kjøreprogrammer. Koordinatene for belastning, omdreiningstall og tenningsvinkel danner en tredi­ mensjonal tenningsreguleringskurve. I programmet blir det matet inn 200-300 skjæringspunkter. Datamaskinen kan også ta hensyn til inn-signaler som ligger mellom skjæringspunktene.

Forstillingsfelt

1 Belastning 2 Omdreiningstall 3 Tenningsvinkel

Virkelige måleverdier og innmatete retningsverdier blir jamført og bearbeidet i datamaskinen. Resulterende verdier går ut som styreimpulser til effektsluttrinnene. Disse impulsene påvirker ten­ ningen og brennstoffinnsprøytingen.

124

Motronicsystemets oppbygning 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Brennstofftank Brennstoffpumpe Brennstoff ilter Fordelingsrør Trykkregulator Luftmåler Temperaturgivere for luft Luftspjeldkontakt Motortemperaturgivere

10 11 12 13 14 15 16 17 18

Styrekrets Posisjonsgivere Turtallsgivere Svinghjul Batteri Starttenningslås Hoved reie Pumperele Høyspenningsfordeler

Tenningstidspunktet i fullastområdet blir tilpasset maksimalt dreiemoment, unntatt i de områdene der en må ta hensyn til tenningsbankegrensene. I dellastområdet er tenningstidspunktet innstilt for minst mulig brennstofforbruk, men det blir tatt hensyn til grenseverdiene for avgassrensing.

Tenningsvinkelen tilpasses motorens omdreinings­ tall og belastning. Vinkelen blir styrt av induk­ tive givere for omdreiningstall og markering av

19 Tennplugg 20 Coil 21 Innsprøytingsventil 22 Kaldstartventil 23 Termotidgiver 24 Tilskuddsluftventil (tilsettingsluftsleide) 25 Blandeskrue for tomgang 26 Innstillingsskrue for tomgangsturtall 27 Luftspjeld

tenningsstilling (11, 12). Belastningen på motoren kan vi bedømme etter den luftmengden den suger inn. Luftmålerens (6) ut-signal, sammen med luftspjeldkontaktens (8) stilling, tilpasser ten­ ningsvinkelen til belastningen. Tenningsfordelerens (18) eneste oppgave blir å fordele tenningsspenningen til tennpluggene i sylindrene. Fordeleren kan med fordel koples direkte til motorens kamaksel uten effektkrevende tannhjuls veksel.

Øvingsoppgave 142

125

Tenningsregulering med tenningsbankeføler (tenningsbankgiver) I arbeidsprogrammene til de datastyrte tennings­ systemene blir tenningsvinkelen styrt til en stilling som ligger så nær motorens bankegrense som mulig. Årsaken er at motorens termiske virknings­ grad og effekt er høyest dersom forbrenningen skjer like under denne grensen.

Ved å bruke en piezoelektrisk giver som er montert på motorblokka, kan en styre tenningsvinkelen med et teknisk enklere system og med samme gode resultat. Tenningssystemet har en vanlig mekanisk tenningsfordeler med impulsgivere. Tenningsreguleringen skjer fortrinnsvis ved hjelp av sentrifugalregulator eller vakuumregulator, eller begge deler.

Blokkskjema for tenningssystem med bankeføler (bankgiver)

1 Tenningsfordeler med mekanisk tenningsregulering 2 Transistorkrets for tenning 3 Bankeføler (bankgiver) 4 Styrekrets for tenningsvinkel og ladetrykk 5 Styrepuls til ladetrykk

Mellom impulsgiveren og transistorkretsen for tenning ligger en spesiell styrekrets. Denne styrekretsen får signaler dels fra tenningsfordelerens impulsgivere, dels fra en bankgiver (bankeføler), som er montert på et passende sted på motorblokka. Bankgiveren reagerer på den unormale trykkøkingen i motorens forbrenningsrom som er årsak til tenningsbank. Giverens (følerens) utsignal blir be­ arbeidet i styrekretsen. Styrekretsen forsinker tenningsimpulsen 3-4 veivakselgrader. Bankingen opphører og tenningsimpulsen vender tilbake til den stillingen som er bestemt av den mekaniske tenningsregulatoren. Oppstår det ny banking, gjentas prosessen. 126

Oscilloskopbilde fra forbrenning, til venstre uten banking, til høyre med banking. Den øvre kurven viser sylindertrykk, den nedre viser giverens utsignal

Med dette utstyret kan grunntenningsinnstillingen til motoren ligge svært nær bankegrensen. Men dermed vil en for eksempel ved hurtig akselerasjon få kraftig banking. Dersom den får fortsette, blir det lett skade på lagre og stempler. Når tenningssystemet er utstyrt med bankeregulator, arbeider motoren med fullt kontrollert forbrenning under hele akselerasjonsperioden. Styrekretsen kan også styre ladingstrykket på overladde motorer.

Piezoelektrisk giver

Dersom for eksempel et kvartskrystall blir utsatt for mekanisk trykk, blir flatene på krystallet elektrisk ladd. Fenomenet kalles piezoelektrisitet. Størrelsen av ladningen er proporsjonal med det mekaniske trykket. Med elektroniske forsterkere kan en bruke de relativt lave spenningene mellom flatenes ladninger til å styre for eksempel tenningsvinkelen.

Piezoelektriske givere blir vanligvis brukt der en skal måle raske trykkforandringer. Dersom givere for eksempel blir montert på et trykkrør til en dieselmotor, kan trykkvariasjonene i røret gi styresignaler til turtallsmåleren.

Piezoelektrisk giver 1 2 3 4

Piezokeramisk hullskive Skive av seismisk materiale Festeskrue Elektrisk tilkopling

Øvingsoppgave 143

127

Magnettenningssystemer Et system med magnettenning kan være kontakt­ styrt eller impulsstyrt. I kjøretøyer er det bygd sammen med en svinghjulsgenerator som leverer elektrisk energi til lyssystemet og til eventuell batterilading. I tenningssystemene for gressklippe­ re, motorsager og lignende trenger en ingen gene­ rator. Koplingsskjemaet viser tenningssystemet for en motorsykkel. Det har to generatorviklinger (5) med henholdsvis 40 og 18 W effekt. Likeretteren (6) er en halvbølgelikeretter, men helbølgelikerettere er også vanlige.

Magnettenningsgenerator med utvendig montert coil (tenningsspole)

1 2 3 4 5 6

Svinghjulsmagnet Roterende permanentmagnet Tenningsvikling Tenningsspole Generatorvikling Likerettere

Kontaktstyrt coil (spoletenningssystem)

Magnettenningsgeneratoren består av et roteren­ de svinghjul med flere permanente magneter. Ut­ styret gjør også tjeneste som motorsvinghjul og er forbundet med veivakselen med en konisk kileforbindelse. Magnetene i svinghjulet omslutter en stillestående plate. I den er det montert bryterkontakter, kon­ densator og som regel en tenningsspole. Men tenningsspolen kan være montert utenfor magnet­ tenningsgeneratoren. På platene sitter det også en generatorspole. Magnettenningsgenerator 1 Svinghjul 2 Permanentmagnet 3 Kamhjul

4 Tenningsspole 5 Generatorspole 6 Kondensator

Bryterkontaktene blir påvirket av et kamhjul på navet til svinghjulet. 128

Funksjonen til tenningsmagneten

1 Tenningsspolens lavspenningsvikling 2 Tenningsspolens høyspenningsvikling 3 Stålkjerne

Under den fortsatte dreiningen på svinghjulet beholder begge feltene sin retning og vokser i styrke til polskoen som er merket S, kommer inn over kjernen til tenningsspolen.

Når svinghjulet har vridd seg til denne stillingen, har vi maksimalt magnetfelt fra permanentmagnetene gjennom tenningsspolens kjerne. Under oppbyggingen av feltet er spenningen blitt indusert i lavspenningsviklingen. Avbryterkontaktene er sluttet, og strømmen gjennom lavspennings­ viklingen gir et magnetisk felt som virker sammen med feltet fra permanentmagnetene. Feltet, den induserte spenningen og strømmen øker kontinuerlig.

I denne stillingen har strømmen, gjennom lavspenningsvik­ lingen, nådd sin høyeste verdi.

Lavspenningskretsen blir brutt når kamhjulet åpner avbryterkontaktene.

Når svinghjulet fortsetter å rotere, gjentas forløpet med én tenningsimpuls for hver omdreining. Legg merke til at tenningsstrømmen bytter retning ved hver bryting.

Det induserte magnetfeltet forsvinner, og feltet fra perma­ nentmagnetene kan endre retning. Ved denne hurtige ned­ brytingen av den lagrete mekaniske energien induseres det en spenning i høyspenningsviklingen. Spenningen gir en gnist mellom elektrodene på tennpluggen.

Tenningsspenningen henger sammen med tenningsmagnetens omdreiningstall og varierer mel­ lom 10 og 20 kV. For å stoppe motoren kortslutter en lavspenningsviklingen med en elektrisk bryter. På koplingsskjemaet (s. 128) til motorsykkelen er viklingen til jord koplet når tenningslåsen er i stillingen Off.

129

Impulsstyrt kondensatorsystem

Svinghjulstenningsmagnet med tyristorstyring

1 Svinghjul 2 Tenningstransformator 3 Kondensator

4 Ladingsvikling 5 Tyristor

Motorer i for eksempel motorsager, hekksakser og jordboremaskiner har som regel impulsstyrte kondensatorsystemer. Disse tenningssystemene har små dimensjoner, er enkle i sin oppbygning, krever ikke vedlikehold og er svært driftssikre. Svinghjulet (1) har fire magneter. En av dem har mye høyere magnetisk flukstetthet enn de andre. På basisplata sitter en spole (2) med lavspenningsvikling og høyspenningsvikling, en stor konden­ sator (3) og en ladingsvikling (4). Spolen fungerer

både som generator for styrestrømmen til tyristo­ ren og som tenningstransformator. Tenningsenergien blir lagret i kondensatoren.

Utenfor tenningsmagneten sitter en styrekrets (tyristorkrets). Plasseringen er bestemt av behovet for varmeavledning.

Når den kraftigste magneten (M) passerer ladingsviklingen, blir det indusert en spenning på om lag 400 V. Den lader opp kondensatoren gjennom (DJ. Dioden sperrer i tilbakeretningen, og tyristo­ ren (Th) er ikke aktivert. Det gjør at kondensato­ ren (C) beholder ladningen. Når magneten (M) passerer tenningstransformatoren (2), blir det indusert en spenning i lavspen­ ningsviklingen. Denne spenningen har slik polari­ tet at dioden (D2) til styrekretsen blir forspent i framretningen og leder. Strømmen gjennom dio­ den tjener som styreimpuls for tyristoren og akti­ verer denne.

Energien til kondensatoren kan nå gjennom tyris­ toren lades ut gjennom lavspenningsviklingen. I høyspenningsviklingen blir da tenningsspenningen indusert. Den blir ledet over tennpluggelektrodene.

Øvingsoppgaver 144-149

Med høyere omdreiningstall kommer gjennombruddsspenningen over dioden (D2) tidligere, og tyristoren blir aktivert tidligere. En får på denne måten uten mekanisk utstyr økt tenningsvinkel og tidligere tenning i forhold til turtallsøkningen.

130

Øvingsoppgaver

114 Hvilken prinsipiell forskjell er det mellom et spolesystem og et kondensatorsystem? 115 Hva må til for at det skal oppstå en gnist i en tennplugg? 116 Hva hender med en tennplugg som er dratt til for løst?

117 For at tennpluggen i en ottomotor skal fungere tilfredsstillende, bør driftstemperaturen til tennpluggen holdes innenfor visse grenser. a) Hva kalles det temperaturområdet som er passende for vanlig drift? b) Hva hender dersom driftstemperaturen til tennpluggen er for lav eller for høy? 118 Hvordan påvirker avstanden mellom elek­ trodene på tennpluggen spenningsfallet over gnistgapet?

119 Forklar hvorfor høyspenningskretsen til tenningssystemet har positiv jordtilkopling.

126 «Forskningsoppgave». Undersøk lukkevinkelen (kamvinkelen) for noen firesylindrete motorer. a) Beregn gjennomsnittsverdien på vinkelen i grader og i prosent. b) Hvor stor er spredningen, det vil si for­ skjellen mellom den laveste og den høyeste verdien? c) Kan det resultatet du har kommet fram til, ha noen praktisk betydning for deg som bilmekaniker? Legg merke til at en alltid skal bruke fabrikantens innstillingsverdi dersom en kjenner den! 127 En firesylindret firetaktsmotor gjør 3 500 r/min (58 r/s). Hvor mange tenningsgnister forlater da coilen per sekund?

128 Hvorfor må en ofte stille inn på en viss fortenning for at en motor skal få best effekt?

129 Hvordan blir dreiemomentet til motoren dersom fortenningen skjer noen grader seine­ re enn det som er anbefalt i fabrikantens spesifikasjoner? 130 Hvor stort er det trykket som påvirker membranen i en vakuumregulator? 131

120 Beskriv hva som hender når lavspenningskretsen til tenningssystemet er sluttet. 121

Angi nøyaktig hvilken stilling bryteren (stif­ tene) står i når den høye spenningen blir indusert i tenningsspolen (coilen) og ten­ ningsgnisten oppstår?

122 «Forskningsoppgave». Hvilke faktorer i til­ legg til viklingsforholdet i coilen er det som påvirker størrelsen av tenningsspenningen?

123 Hvilken oppgave har den kondensatoren som er parallellkoplet med bryterkontaktene (stiftene)? 124 Tenningsfordeleren har som regel tre funk­ sjoner. Hvilke?

125 a) Hva menes med lukkevinkelen? b) Er det noe samband mellom lukkevinkel og kontaktavstand? I så fall hvilket? 131

Studer diagrammet som viser tenningsreguleringskurvene for B19A-motoren (s. 117). Hvor stor tenningsvinkel får en når fordele­ ren roterer 750 r/min og undertrykket er 250 mm Hg?

132 «Forskningsoppgave». Studer tenningsreguleringskurven A på s. 118. Normalt skal tenningen skje ved om lag 6° og 1 000 r/min. Hvilken komponent i sentrifugalregulatoren er ute av funksjon dersom tenningen skjer ved 10° og 1 000 r/min? 133 Studer diagrammet på s. 117. Hvor høyt omdreiningstall kan en med sikkerhet oppnå dersom tenningssystemet har en standardcoil?

134 «Forskningsoppgave». Studer komponentskjemaet på s. 117. Hvilken oppgave har startbryteren (4), hvor i det elektriske syste­ met sitter den, og hvordan blir den manøv­ rert?

135 «Forskningsoppgave». Sammenlign kontaktstyrte og transistorstyrte spoletenningssystemer med hensyn til - eventuelle tekniske fordeler og ulemper - eventuelle økonomiske fordeler og ulem­ per for bileieren - behov for kunnskaper hos servicepersona­ let - behov for testeutstyr på servicestedet 136 Studer spenning-tid-diagrammet for induksjonsgiveren (s. 119). Hvor høy er spenningen til giveren når tenningen skjer?

137 Hvilken stilling inntar spalterotoren i for­ hold til luftspalten mellom magneten og den integrerte hallkretsen når tenningen inntref­ fer? 138 Hvilken komponent i hallgiveren er det som bestemmer lukkevinkelen (kamvinkelen)? Kan vinkelen justeres?

139 «Forskningsoppgave.» Studer diagrammet over relativ lukkevinkel på s. 121. I et kon­ taktstyrt tenningssystem påvirker en ten­ ningstidspunktet dersom en endrer kamvin­ kelen. Hvorfor skjer ikke det samme i det transistorstyrte systemet som vi har beskre­ vet?

144 »Forskningsoppgave». I avsnittet om tenningsmagnetens funksjon ble det fortalt hvordan den lagrete magnetiske energien blir omformet til elektrisk energi. Det skjer når lavspenningskretsen blir brutt. Hvilken annen faktor er med og påskynder forløpet? 145 Hvilken polaritet har midtelektroden i tenn­ pluggen til et magnettenningssystem med bryterkontakter og tenningsspole?

146 I det kondensatorsystemet som er beskrevet foran, er det en diode Dt. Hvilken funksjon har denne dioden? 147 Hvilken oppgave har tenningstransformatoren?

148 «Forskningsoppgave». Hvilken polaritet har tennpluggens midtelektrode i et kondensa­ tortenningssystem?

149 Hva er den viktigste forskjellen mellom et batteritenningssystem og et magnettennings­ system?

140 Hvordan oppstår den høyspente strømmen i et kondensatortenningssystem?

141 Forklar hvorfor et transistorisert tenningssy­ stem må behandles med særlig stor forsiktig­ het. 142 Studer forstillingsfeltet på s. 124. Sammen­ lign dette med tenningsforstillingskurvene for en mekanisk tenningsfordeler med sentri­ fugal- og vakuumregulering. a) Er det noen likhet mellom disse systemene når det gjelder de resultatene en får (ten­ ningsvinkelen)? b) Hvilke fordeler og ulemper har de to systemene? 143 Hvilke komponenter er det som bestemmer tenningsvinkelen i et tenningssystem med bankgiver?

ii

Lyssystemet Dette kapitlet inneholder

• Bestemmelser • Lystekniske begreper og enheter • Lyspærer • Hovedlyskastere • Andre lykter • Retningssignallys • Øvingsoppgaver 150-163

12 Fordonsteknik Elsystem Båkmål

Bestemmelser I alle land er det lover og bestemmelser som regulerer hvordan kjøretøyer skal være kon­ struert. I Norge finner vi blant annet detaljerte bestemmelser om hvordan lys- og lysutstyr i kjøretøyer skal være konstruert, og hvordan det skal fungere.

Utdrag fra kjøretøyforskriftene (Bestemmelser om kjøretøy):

«§ 17. Lys, lyssignal og refleks 1 Bil skal ha: a) Minst to lykter foran som gir hvitt eller gult fjernlys b To lykter foran som gir hvitt eller gult nærlys c) To lykter foran som gir hvitt parkeringslys

d) Minst to lykter foran som gir hvitt markeringslys, når bilen har en bredde på 2,30 m eller mer e) Minst to lykter foran, minst to bak og minst en på hver side som gir oransje, blinkende retningssignallys f) Minst to lykter foran, minst to bak og eventuelt minst en på hver side som gir oransje, blinkende nødsignallys g) Minst to lykter bak som gir rødt baklys h) Minst to lykter bak som gir rødt stoppsignallys, og som tennes straks driftsbremsen betjenes i) Minst to røde refleksanordninger bak j) Lykt(er) bak som gir hvitt lys for kjennemerke»

Lykter og lyskastere skal være utstyrt med interna­ sjonal godkjenningsmerking. Figurene viser eks­ empler på merking av lyskastere. Merkingen sitter på glasset eller reflektoren.

Godkjenningsmerker for lyskastere HC

HR

HCR

Halogenlyskastere skal ha bokstaven H foran bokstavene i kvadratet.

2439 Godkjenning av lyskastere. Internasjonalt godkjente lyskas­ tere som er godkjent for bruk i Norge, skal være merket med E i en sirkel. Sifferet i sirkelen betegner det landet som har meddelt godkjenning. Sifferet under sirkelen er godkjenningsnummeret.

Over sirkelen skal det være et kvadrat med innskrevne bokstaver:

SC

SR

SCR

Lyskastere av typen «Sealed-Beam» skal ha bokstaven S foran bokstavene i kvadratet.

C = Lyskasteren er godkjent bare for nærlys.

□ 2345

R = Lyskasteren er godkjent bare for fjernlys.

CR

Lyskastere som har mindre diameter enn 160 mm, og som ikke oppfyller bestemte krav, skal i stedet for den kvadratiske merkingen ha bokstaven M i en trekant. Slike lyskastere kan bare brukes på traktorer og motorredskap.

CR = Lyskasteren er godkjent for både nærlys og fjernlys.

134

Lystekniske begreper og enheter Lysstyrken I er en av grunnenhetene i SI-systemet. Den har måleenheten candela (cd). Den er definert ved det lyset som metallet platina sender ut ved størkningstemperatur (jamfør SI-grunnenheter).

Lysstrømmen (f) er et mål på det som mennesket oppfatter som lysinntrykk. Måleenheten er lumen (lm).

Med en lysstyrke på 1 cd på en avstand av 1 m har en flate på 1 m2 en lysstrøm på 1 lumen

Belysningstettheten Eangir lysstrømmen per areal­ enhet. E — (J)/A for en jamt belyst flate. Måleenheten er lumen per kvadratmeter. Den blir kalt lux [lx; 1 lx = 1 lm/mI2]. Belysningstettheten blir målt i lux og er omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden

I bestemmelser om kjøretøy finner vi at for eksem­ pel fjernlyskastere skal ha en belysningstetthet på minst 32 lux på 25 meters avstand fra lyktene. Belysningstettheten blir målt med et luxmeter.

Lyspærer I alt lysutstyr inngår lyspærer. Prinsippet for lyspæra er vanligvis at det går en så høy strøm gjennom en glødetråd at den får en temperatur på 1 200-1 500 °C. Glødetråden sender da ut elektro­ magnetisk stråling. En del av strålingen oppfatter vi som lys, en del som varme. Synlig lys har bølgelengder mellom 3 600 og 7 600 ångstrøm (1 Å = 10'10 m = 0,1 nm (nanometer)). Varmestrålingen med lengre bølgelengder kalles infrastråling, og stråling med kortere bølgelengder kalles ultrastråling.

P 45 t 12 V 55/50 W

4 ------BA 15 s 12 V 35 W

P 43 t-38 12 V 75/70 W

Lyspærer blir lagd i mange varianter og størrelser. Figurene viser et utvalg av de vanligste. 1-4 er beregnet for hovedlyskastere, 5-8 for tilleggslys og 9-12 for kontrollys.

BA 15 s 12 V 21 W

SV 8 12 V 10 W

BA 15 s 12 V 5 W

9 BA 7 s 12 V 2 W

Lyspærer for biler er standardisert. Form og utførelse framgår av betegnelsen på metallsokkelen. I tillegg til denne betegnelsen blir driftsspenning og effektforbruk angitt, for eksempel 12 V og 35 W.

W 2x4,6 d glassockel 12 V 1 W

12 X 246 glassockel 12 V 1,2 W

1 -4 pærer for hovedlyskastere 5-8 beregnet for for eksempel ekstralys 9-12 beregnet for for eksempel parklys, skiltlys og baklys (bremselys) 9-12 beregnet for innvendig lys og instrumentlys

BA BAY P PK S W

Bajonettfatning Bajonettfatning med ulike stifthøyder Prefokus Prefokus med kabeltilkopling Spoleformet Kileformet, wedge

Sokkeldiameter i mm

Antall sokkelkontakter s = single, én kontakt d = double, to kontakter

Sokkelbetegnelser

Mer detaljerte opplysninger finner vi i katalogene fra lyspærefabrikantene. 136

Driftsspenning - lysstyrke - levetid

Driftsspenningen påvirker i høy grad lysstyrken og levetida til lyspæra. For høy spenning gir høy lysstyrke, men kort levetid. Lav spenning gir den motsatte virkningen.

A Spenningens innvirkning på lysstyrken. Spenningsfall er katastrofalt for lysutbyttet fra en lyskaster på en bil. Allerede 5% spenningsfall (15% er vanlig) gir 20% dårligere lysutbytte. B Spenningens innvirkning på levetiden til lyspæra

Glødetråden er av wolfram. Ved den høye arbeids­ temperaturen i lyspæra fordamper overflatesjiktet til glødetråden. Det kan en se som sot på innsida av glasset. Glassbeholderen er lufttom eller fylt med gass. Lamper med høy effekt (for hovedlyskastere) er vanligvis fylt med gass. Gassen reduserer for­ dampingen av wolfram fra glødetråden, og lampa kan derfor ha høyere arbeidsspenning uten at levetida blir altfor kort. Halogenlyspærer er fylt med en gassblanding av jod og brom. Halogen betyr saltdanner. Halogener er en samlebetegnelse på fluor, klor, brom og jod. Disse fire ikke-metallene kan forbinde seg direkte med metaller til salter. Halogenlyspærer er merket med H. Glassbeholderen i halogenlyspæra er mye mindre enn i andre pæretyper og er gjerne lagd av kvarts. Små dimensjoner og høy arbeidsspenning gir lampa svært høy driftstemperatur, over +2 500 °C. Ved denne temperaturen forbinder de fordampete wolframmolekylene seg med halogengassmolekylene. Når forbindelsen kommer i kontakt med den varme glødetråden, blir wolframmolekylene ført tilbake til tråden igjen. De frigjorte halogenmolekylene tar opp nye wolframmolekyler, og prosessen blir gjentatt. Halo­ genlyspærer har derfor lang levetid og gir høy lyseffekt. Fordi innsida av lyspæreglasset holder seg rent, avtar ikke lysstyrken.

Hovedlyskasterpære H-type 1 Sokkel med data og godkjenningsmerking 2 Glasskolbe 3 Glødetråder 4 Kvartsinnsats 5 Sokkelkrage 6 Kontakttunger 7 Sokkelhylse

Øvingsoppgaver 150-156

137

Hovedlyskastere De viktigste delene i lyskasteren er reflektoren og glasset. Sammen danner de en optisk enhet som har til oppgave å samle, reflektere og fordele lyset på passende måte over veibanen. Glasset og reflektoren kan være atskilt, men vanligvis er de satt sammen til en såkalt lyskaster­ innsats. Enkelte amerikanske biler har innsatser der også glødetråden er bygd inn. Systemet blir kalt Sealed Beam.

1 2 3 4 5 6

Den innvendige flata på reflektoren er absolutt jamn og har et høyblankt belegg av aluminiumoksid, som ofte er belagt med et tynt kvartssjikt.

Frontgrill Lyskasterinnsats Festeplate Lyspære Holder Tetting

Reflektoren har parabolsk form. Sender vi parallel­ le lysstråler inn mot en elliptisk paraboloide (begerformet flate), blir alle lysstrålene brutt mot et felles punkt på den optiske aksen. Dette punktet kalles brennpunkt eller fokus. Parabolsk reflektor

A Brennpunkt B Brennvidde C Optisk aksel

Plasserer vi glødetråden til en lyspære i brenn­ punktet, vil på tilsvarende måte alt lys reflekteres som parallelle stråler rett framover.

Avstanden fra brennpunktet til bunnen av paraboloiden blir kalt brennvidden. Av figurene ser vi hvordan brennvidden og reflektorens diameter innvirker på fordelingen av lyset.

A Stor brennvidde og liten lysåpning gir et samlet lysknippe med begrenset rekkevidde.

1 2 3

Lysstrøm som er samlet opp av reflektoren Fordeling av lysstyrken Spredningsvinkel

138

B Samme brennvidde som A, men stor lysåpning gir lengre rekkevidde

C Samme lysåpning som på B, men med stor romvinkel (djup reflektor) og liten brennvidde gir bedre optisk virkningsgrad. Spredningsvinkelen blir større.

Ved å utstyre lyspæra med to glødetråder får vi fjernlys- og nærlysfunksjonen. Nærlystråden ligger litt foran brennpunktet, og lysstrålene blir avskjer­ met nedover. Alt lys blir da reflektert øverst i reflektoren og rettet på skrå nedover (se figuren).

Nærlys

Når lysstrålene passerer glasset, blir de brutt i mange retninger. Hvordan lysbrytingen skjer, er bestemt av de riflene eller prismene som er på innsida av glasset.

Lysbryting

139

Ifølge bestemmelser om kjøretøyer skal hovedlyskasterne på biler ha asymmetrisk nærlys for høyrekjøring. Asymmetrisk betyr ulikeformet. Lyset skal spres lengre framover og mer på høyre side av kjørebanen enn på venstre. Det skyldes en spe­ siell krumming på reflektoren under nærlystråden og en spesiell utforming av lyskasterglasset.

O Optisk akse

0,5 lx

Lysets spredning på veibanen ved asymmetrisk, avblendet lys, nærlys

Lyktepussere

Mange nye biler er utstyrt med lyktepussere eller annet utstyr som holder lyskasterne rene. Rengjøringsutstyret skal kunne brukes under kjøring og manøvreres fra førerplassen. Utstyr for rengjøring av lyskasterne fins i to utgaver: - høytrykksspylere, som spyler vann over lyskas­ terne - spylere kombinert med viskere (viskerarmer, som regel med gummiblad)

Som regel er systemet koplet sammen med rengjøringssystemet på frontruta og koplet til samme bryter. Viserarmene og spylepumpa blir drevet av små elektriske motorer. Noen bilmodel­ ler er utstyrt med såkalt intervallbrytere, det vil si at viskerarmene gjør kortere eller lengre opphold mellom viskerslagene. Pulsgeneratorer som styrer dette, og motorer som driver systemet, er nærmere beskrevet på side 186 (Monostabile vipper, s. 159). 140

Figurene viser et system med kombinerte viskerarmer og spylere.

^3

Elektrisk skjema for lyktespylere og lyktepussere 1

Strømbryter Stilling 1 - vinduspusser, lav hastighet Stilling 2-vinduspusser, høy hastighet, og lyktepussere Stilling 3 - pusserne og spylepumpa går kontinuerlig Med bryteren trykt helt inn går spylepumpa også i stilling 0,1 og 2.

141

2 3 4 5

Motor for vinduspussere Reie for motor til lyktepussere Motor for lyktepussere Motor for spylepumpe

Øvingsoppgaver 157-161

Andre lykter Vi har felles regler for fargen på lyset når det gjelder annen belysning på biler, traktorer, motorredskaper og tilhengere. Framover og til sidene er det ikke tillatt å ha rødt lys på kjøretøyet.

Bakover må kjøretøyet ikke ha hvitt lys når en kjører framover. Bare ved rygging er det tillatt å ha hvitt lys innkoplet bakover. Alle kjøretøyer skal være utstyrt med to baklys som viser rødt lys bakover. Biler og tilhengere skal ha to lykter bak som gir rødt stoppsignallys når kjøretøyet blir bremset. Til å lyse opp nummerskil­ tet bak skal det være en baklykt som gir hvitt lys. Den må ikke lyse bakover.

Biler og tilhengere skal ha retningssignallys. Retningssignallysene kan være utformet på ulike måter. Et generelt krav er at de skal vise blinkende oransje lys foran, på siden og bakover.

Stopplys, baklys og retningssignallys kan bygges sammen til såkalte kombinasjonslykter (se figu­ ren). Kombinasjonslykt, bak 1 Stopplys 2 Baklys 3 Retningssignallys

142

Retningssignallys De lyktene som blir brukt som retningssignallys, skal gi et blinkende oransje lys. Blinkfrekvensen for retningssignallysene skal være 90 + 30 blink per minutt. De samme lyktene kan benyttes som nødsignallys på stillestående kjøretøyer, for eksempel når bilen utgjør en fare for andre trafikanter ved motor­ stopp eller annet havari. Alle lyktene skal da blinke samtidig eller parvis foran og bak. De slås på med en egen bryter, som er koplet sammen med en kontrollampe eller et lydsignal. For styring av blinkpulsene benyttes et blinkrele, det vil si en elektrisk pulsgiver. Pulsgiverne kan bygge på termoelektromagnetiske eller elektronis­ ke prinsipper. Enkelt blinkanlegg uten nødsignallys

1 2 3 4

Blinkrele Retningslysbryter Lykt for retningssignallys Kontrollampe

Termo-elektromagnetisk blinkrele

Figuren viser koplingsskjemaet for et termoelektromagnetisk blinkrele. Når bryteren settes i stilling L (left) eller R (right), går det en strøm via kontaktklemme 49 gjennom ankeret, varmetråden og magnetspolen over bry­ teren til lyktene. Strømmen er for lav til at lyktene kan lyse, men tilstrekkelig til at varmetråden blir varmet opp. Varmetråden holder ankeret i hvilestilling. Når den blir varmet opp, blir den forlenget, og magnetkrafta er da stor nok til å påvirke ankeret. Den elektriske bryteren vil sluttes, og lyktene lyser med full styrke. Strømmen gjennom spolen øker, og kontrollankeret slutter kontrollkretsen. På instrumentpanelet blir en kontrolllampe tent samtidig som det høres en tikkende lyd fra blinkreleet. Kontrollsignalene er både visuelle og akustiske.

Termo-elektromagnetisk blinkrele

Når kontaktene blir sluttet, kortsluttes varmetråden. Den blir kjølt av og trekker derfor ankeret tilbake, så alle lykter og lamper slokner. Forløpet blir gjentatt som en stadig blinking.

1 Anker og elektrisk bryter for blinklys 2 Varmetråd 3 Magnetspole 4 Anker og elektrisk bryter for kontrollampe

Blinkfrekvensen avhenger av belastningen (antall pærer på hver side). Dersom belastningen blir for stor eller for liten, fungerer ikke blinkreleet med riktig frekvens. Denne type blinkrele kan derfor bare benyttes for vising av kjøreretning, ikke for nødlys. 143

Elektronisk blinkrele Det elektroniske blinkreleet blir styrt av en astabil transistorvippe.

Astabil betyr at vippa ikke er stabil i noen stilling, men stadig veksler stilling så lenge den er koplet til en spenningskilde. Jamfør monostabil vippe (tidsrele). Figuren viser prinsippet for en astabil vippe. I praksis er vippa bygd opp av en stor integrert krets (IC-krets) på om lag 1,5 x 1,5 mm.

Vippa har to identiske RC-kretser, Rt og C1? og R2 og C2. Vippa er dermed symmetrisk, det vil si at transistorene har like lange perioder da de leder og sperrer. Blinkrele med astabil transistorvippe og reie NPN-transistorer /?1Z R 2 like store motstander c„c2 like store kondensatorer relespole med R = R3 seriemotstand n3 elektrisk bryter, brytende S, bryter for retningsviser s2

L,t2

Hver gang T2 leder, trekker den releet (Rs) til og bryter kretsen til blinklyktene. Når T2 sperrer og slipper releet, blir lyktene tent. Den ytre belastningen, antallet blinklys, blir styrt av relebryteren SP Belastningen påvirker ikke vippa. Blinkfrekvensen avhenger av RC-kretsens tidskonstant t, t — R ■ C. Elektroniske blinkreleer kan både vise kjøreret­ ningen og lage nødlys.

Blinkanlegg for retningssignallys og nødsignallys (varsel­ blinker). Skjemaet viser kjøreretning til høyre (R) 1 2 3 4 5 5a 6

Blinkrele, pulsgenerator Bryter for kjøreretning Blinklys (retningssignallys) Kontrollampe Strømbryter, varselblinker Indikator, varselblinker Tenningslås

Øvingsoppgaver 162-163

144

Øvingsoppgaver 150 Hvilken effekt har lyskasterpærene dersom spenningen er 24 V og strømmen 6,2 A?

151

Med hvilken enhet måler vi lysstyrken?

152 Etter bestemmelsene om kjøretøyer skal en bil ha minst to lykter foran som gir hvitt eller gult fjernlys. Lyset fra hver av lyktene skal ha en slik styrke at det 25 meter fra lyktene gir en belysning på 32 lux eller mer. Hvor mye bør et luxmeter vise dersom en skal oppfylle minimumskravet og foretar målingen hen­ holdsvis 10 meter og 100 meter fra lyskaste­ ren?

153 En lyspære er merket BAY 15 d 12 V 18/5 W. Fortell hva dette betyr.

154 Hvilke fordeler har halogenlyspærer framfor andre lyspærer? 155 Hvilke konsekvenser medfører et spennings­ fall i en lyskrets? 156 Hvordan blir levetida til lyspæra påvirket av spenningsfall?

157 Hvordan påvirker reflektorens diameter og dybde spredningen av lyset? 158 Hvilke oppgaver har riflene i lykteglasset?

159 Hva menes med asymmetrisk nærlys? 160 Hvor er glødetråden i Qernlyset plassert i reflektoren? 161

Gjør nærmere rede for hvorfor nærlystråden må ligge utenfor brennpunktet i reflektoren.

162 «Forskningsoppgave». Et blinklysanlegg har termoelektromagnetisk blinkrele som er merket 12V2xl8W. Blinkreleet er beregnet for to lyspærer på 18 W hver (én lyspære på hver side). Gjør rede for hvordan blinkreleet vil fungere dersom en kopler til enda en lyspære på 18 W, for eksempel på en tilhenger. 13 Fordonsteknik Elsystem Båkmål

145

163 Studer figuren over retningssignallys og nødsignallys på s. 144. Hvordan blir kontrollampa (4) koplet til gods (jordyi

Ledninger og koplingsutstyr Dette kapitlet inneholder

Ledninger

• Ledningsmateriale. Utførelse • Dimensjonering • Ledningsknipper • Kretskort

Elektriske kopiere

• Strømbrytere • Releer • Sikkerhetsbrytere • Øvingsoppgaver 164-177

Ledninger

Ledningsmateriale. Utførelse Kopper er det vanligste ledningsmaterialet for elektriske ledninger i kjøretøyer. Kopperet har lav resistivitet, det vil si god elektrisk ledningsevne, og høy mekanisk fasthet, og det er en god varmeleder.

PVC er farveløst, men lett å farge ved produksjo­ nen. Forskjelligfarget isolering på ledninger gjør det lettere å identifisere ulike ledninger i et ledningsknippe.

Til ledninger i for eksempel generatorer, relespoler og coiler blir det brukt massiv (entrådet) kopperleder. Til andre ledninger bruker en mangetrådete ledere. Mange tynne tråder gjør at lederen blir smidig og sterk mot utmatting. Utmatting, som fører til forandringer i materialets krystallstruktur, kommer av vibrasjoner og ristinger. En leder med tverrsnitt 2,5 mm2 kan bestå av 45-50 tråder.

En entrådet leder blir vanligvis isolert med emaljelakk. Emaljelakkerte ledninger må være festet slik at de ikke kan bevege seg.

PVC (polyvinylklorid) er det vanligste isoleringsmaterialet for elektriske ledninger. PVC er en god isolator, som også er motstands­ dyktig mot mekaniske påkjenninger. PVC-materialet beholder sine egenskaper i lang tid. Fordi PVC inneholder klor, vil den ikke forbrenne, men ved forkulling danner PVC saltsyreholdige gas­ ser som blant annet bidrar til rustdannelse på stål.

Typebetegnelser for ledninger Svenskproduserte ledninger har typebetegnelser etter Svensk Standard. Vi har ingen Norsk Standard for dette. Vi bruker derfor betegnelsene til produsentene av autokabel. Se tabellen.

1 x 1,5 betyr en leder med tverrsnitt 1,5 mm2. Tilsvarende innebærer betegnelsen 5 x 1,5 en led­ ning med fem ledere som hver har tverrsnittet 1,5 __ 2 mm. AuPFK

AuPF

o© AuPFP

Elektriske ledninger i biler skal være isolert. Det betyr også at isoleringen må ha en viss strekkbruddgrense (for eksempel 12,5 N/mm2) og bruddforlengelse (for eksempel 125 %), avhengig av hva ledningen skal brukes til.

148

Autokabel. Norske bokstavbetegnelser Betegnelse

Type

Oppbygning

Bruksområde

AuPF

Koplingsledning

Mangetrådet, glødet, blank kopperlisse isolert med PVC

Instrumenter og lysutstyr

AuPFP

Koplingsledning

To ledere av mangetrådet, blank, glødet kopperlisse lagt parallelt i en PVCisolasjon. Isolasjonen har sliss på begge sider for å lette splitting og avisolering. En av lederne har opphøyd merkerand i isolasjonen

Instrumenter og lysutstyr

AuPFK

Koplingsledning

Mangetrådet blank, glødet kopperlisse isolert med myk PVC. Tolederne er lagt parallelt i felles PVC rørkappe, oval utførelse

AuT

Tenningskabel

Mangetrådet, fortinnet kopperlisse isolert med to lag PVC. Ett lag er varmebestandig

AuPM

Startkabel

Mangetrådet, blank, glødet kopperleder isolert med kraftig PVC-kappe

AuPFK

Multikabel

Mangetrådet, blank, glødet kopperlisse isolert med myk PVC i forskjellige far­ ger. Tre eller flere isolerte ledere snodd sammen og ompresset sort kappe

Instrumenter og lysutstyr

Høyspenningskabel til forbrenningsmotorer

Batteri og startkabel for alle typer forbrenningsmotorer

Forbindelse mellom trekkvogn og tilhenger og til andre formål hvor det er bruk for kabel med flere ledere

Dimensjonering Dimensjonen på ledningen blir valgt etter den effekt den skal overføre, og de mekaniske påkjenninger den blir utsatt for. For å lette valget av ledningstverrsnitt kan en bruke et passende nomogram med anbefalt maksimalt spenningsfall og strømtetthet. For høy strømtetthet gjør at lednin­ gen blir for varm. Spenningsfallet blir angitt i prosent av systemspenningen og strømtettheten i A/mm2. For eksempel bør spenningsfallet i ledninger som er med i generatorens ladingskrets, være høyst 2,5 %, i andre ledninger høyst 5 %.

Når en regner ut lengden på ledningene, må en ta hensyn til om kjøretøyet har enleder- eller toledersystem. I et enledersystem blir karosseriet i bilen brukt som tilbakeledning. Resistansen til karosse­ riet er så liten at vi kan se bort fra den, så vi behøver ikke ta tilbakeledningsstrekningen med i beregningene. I et toledersystem går det to isolerte ledninger mellom spenningskilden og forbruker­ ne. Begge må derfor tas med når vi regner ut ledningslengden. Når vi leser av i nomogrammet, får vi to verdier for passende ledningstverrsnitt. For praktisk bruk velger vi alltid den høyeste verdien.

For startmotorledninger og andre komponenter med kortvarig belastning bør strømtettheten være høyst 20 A/mm2, i andre ledninger høyst 5 A/mm2.

24 V 12 V 6 V Strøm-

Ledningstverrsnitt i mm2

styrke

Effekt i w att

Oppvarming

iA

Spenningsfall

-120

■50

-100 -200

-35

-40

-80 -160

- 25

-30

-60 -120

■20

-40 -80

•15

-30

-60

•35 ■25

•10

-20

-40

-16

■8 ■7

-16 -14 )12

-32 -28 -24

-5

-10

-20

■4

-8

-16

-3

-6

-12

-2

-4

-8

-1.5 -3

-6

-1

-4

1200-

200-

- 1800- 900-

150-

2880- 1440- 720-

120-

2400- 1200- 600-

100-

1920- 960- 4801680- 840- 4201440- 720- 3601200- 600- 300-

807060-

-16

50-

-10

960- 480- 240840- 420- 210720- 360- 180-

403530 d

-6.0

600- 300-

150-

25-

480- 240- 120432- 216- 108-

2018-

360- 180-

90-

15;

72240- 120( \ 60 216- 108- 54192- 96- 4842168- 84144- 72- 36-

12-

•95 ■ 'U

■50

-4.0

-10

-6.0

-2.5 -2.5

-1.5

1QZ

-1 0

9876-

-1.5

-1.0

60-

30-

5-

96-

48-

24-

4-

72-

36-

18-

3-

120-

Ledningslengde i meter

•60

-50

288- 144-

6 V 12 V 24 V

-2

-0.75 -1.5 -3

-0.5 -1

Nomogram for beregning av ledningstverrsnitt (standardiserte tverrsnitt)

150

-2

Eksempel på bruk av nomogrammet

En lysholder skal monteres framme på et arbeids­ redskap. Holderen består av to lyskastere på 60 watt, til sammen 120 watt. Motstanden i lyspærene R = 1,2 ohm ved driftstemperatur. For å sikre tilfredsstillende funksjon blir det brukt toledersystem, noe som gir en ledningslengde på 2-6 m = 12 m. Systemspenningen er 12 volt. Nomogrammet viser (rød linje) at når det er tatt hensyn til oppvarmingen, skal ledningstverrsnittet være mellom 1,5 og 2,5 mm2. Når det er tatt hensyn til spenningsfallet, skal tverrsnittet være 2,5-4 mm2. For praktisk bruk bør en velge den verdien som har minst oppvarming og lavest spenningsfall (4,0 mm2).

Spenningsfallet i ledningene påvirker den virkelige effekten til lyspæra og dermed lysstrømmen 0. Jo mindre tverrsnitt ledningene har, desto større blir effekttapene.

Eksempel Kopper har resistiviteten p = 0,0172 Q • mm2/m.

Ledn.tverrsnitt A

[mm2] 2,5

R (pærer) R/m R (12 m ledning)

rø rø [Q]

4,0

6,0

1,2 1,2 1,2 0,0069 0,0043 0,0029 0,0828 0,0516 0,0348 1,2828 1,2516 1,2348

I = U/Rt U (ledning) U (pærer) U (pærer)

[A] [V] [V] [%]

9,35 0,774 11,22 93

P (teoretisk) P (pærer) P (pærer AP (minsking) P (ledningstap)

[W] [W] [%] [W] [W]

120 105 87 15 7

9,58 0,494 11,50 95 120 110 91 10 4,7

9,71 0,338 11,66 97

120 113 94 7 _3_____ Lysstrømmen som funksjon av spenningen i prosent av merkespenningen. Forsøk viser at 3% spenningstap gir om lag 10% mindre lysstrøm

Eksemplet viser at en 12 m lang ledning med 1 A = 6,0 mm2 gir 3 % spenningstap og æ 90 % lysstrøm 2 A = 4,0 mm2 gir 5 % spenningstap og æ 81 % lysstrøm 3 A = 2,5 mm2 gir 7% spenningstap og æ 72% lysstrøm

151

Ledningsknipper Vernestrømpe

Dersom flere ledninger har samme utstrekning, for eksempel fra sikringsboksen til instrumentpanelet, er de ofte samlet i et ledningsknippe og utstyrt med en vernestrømpe av PVC.

Ledningsknippe med vernestrømpe av PVC

Vernestrømpa kan være av typen krympestrømpe, som ved nyproduksjon eller reparasjon blir varmet opp med varmluft slik at den krymper. Ledningsknippet blir da tynnere. De enkelte ledningene blir bedre festet, og faren for slitasje på ledningene blir mindre. Enkelte ledninger eller ledningsknipper blir festet til kjøretøyet med ulike typer av klemmer eller buntforbindelser. 152

Merking For at vi skal kunne identifisere ledningene, må de være merket. En måte å gjøre det på er å male isolasjonsfargen, både på koplingsskjemaet til kjøretøyet og på tverrsnittet av ledningene ved de ulike koplingspunktene. Ledningene kan også utstyres med merkeringer av myk PVC. Ringene har påtrykte sifre, bokstaver og symboler som kan kombineres på ulike måter. Også selvklebende merkestrimler blir brukt.

Merking med merkeringer 1 2

Monteringsenhet Ledning

Kretskort Elektriske komponenter i instrumentpanelet til bilen blir ofte koplet sammen med ledninger som er trykt på kretskort.

Et kretskort består av en tynn skive av glassfiberplast som er laminert (overdratt) med kopperfolie på begge sider. Ledningsmønsteret er etset i kopperlaminatet, og de elektriske komponentene eller kontaktene til dem er tinnloddet til koppersjiktet. Elektriske samlesentraler på kretskort forekom­ mer i mer kompliserte elektriske anlegg, især i busser, lastebiler og skogbruksmaskiner. I elek­ triske samlesentraler sitter relesokler, koplingsstykker og sikringer ordnet i grupper. Det elektris­ ke anlegget blir på den måten oversiktlig, og ved­ likeholdet og feilsøkingen blir enklere.

Elektrisk sentral på kretskort

153

Koplingsutstyr For å skjøte, forgreine eller kople sammen lednin­ ger til kontaktklemmer bruker vi faste eller delbare koplinger. Med faste koplinger mener vi vanligvis loddete tilkoplinger. Metoden blir brukt i de tilfellene der ledningen aldri eller ytterst sjelden må løses, for eksempel i forbindelsen mellom genera­ torens stator og likeretterdiodene.

Til delbare koplinger bruker en ulike typer av kabelsko, koplingsklemmer, koplingsbokser og stikkontakter med støpsel. Figuren viser et utvalg. Når en skal kontaktpresse kabelsko og skjøtehylser, må en bruke spesialverktøy.

A B C D E F G H I K L M N

Flatstifthylse (isolert) Flatstifthylse (uisolert) Forgreining, flatstift Forgreiningskontakt (uisolert) Gaffelkabelsko (isolert) Rundstifthylse og rundstift Ringkabelsko for lodding Endekabelskofortenningskabel Kabelsko for tennplugg Skjøtekontakt for flatstifthylser Skjøtekontakt, fempolet for fastskruing av ledningen Skjøteboks Stikkplugg med stikkontakt (for eksempel for tilkopling av tilhenger)

Ved valg av koplingsutstyr må en ta hensyn til den effekten som skal overføres, slik at det ikke oppstår unødige tap. Koplingsutstyret må også tilpasses eventuelle mekaniske belastninger som vibrasjo­ ner og strekk.

Øvingsoppgaver 164-170

154

Elektriske kopiere Komponenter som blir brukt til å bryte eller slutte elektriske kretser, kalles elektriske kopiere.

Elektriske kopiere som blir brukt til å manøvrere eller styre en funksjon, for eksempel lys, kalles strømbrytere. Elektriske kopiere som er slik utført at de automatisk bryter en krets ved elektrisk overbelastning, kalles sikkerhetsbrytere.

Strømbrytere Strømbrytere fins i en mengde ulike varianter, alt etter den mekaniske funksjonen de har i bilen. Den elektriske funksjonen til strømbryteren framgår av koplingsskjemaet. Vær oppmerksom på at bryte­ ren alltid blir tegnet i avslått stilling. Av skjemasymbolene ser vi også hvordan strømbryteren blir manøvrert. Nedenfor viser vi noen eksempler.

Manuell påvirkning ved avtakbart manøvreringsutstyr, for eksempel nøkkel (tenningslås)

|---------------- Manuell påvirkning (generelt symbol)

------------ Zl— Automatisk tilbakegang til stilling i N pilens retning

Manuell påvirkning ved trykking

--------------- Manuell påvirkning ved trekking

Forblir i manøvrert stilling

_J— — — — Manuell påvirkning ved vridning

155

Figurene nedenfor viser eksempler på strøm­ brytere.

Enpolet strømbryter med to stillinger (til og fra, sluttende og brytende funksjon)

Enpolet trykkstrømbryter (startkontakt) med én stilling (til, sluttende funksjon)

Enpolet strømbryter (dørkontakt) med én stilling (fra, bryten­ de funksjon)

Enpolet treveisbryter (startbryter) med fire stillinger 0 = av

1 = på

2 - start

R = radio

Legg merke til at kontaktklemme 75 er spenningsførende både i stilling 1 og R. Klemme 15 har spenning i stilling 1 og 2.

Luft- eller oljetrykkskontakt (med sluttende kontakter) i tokammersystem A B 1 2 3 4 5 6 7

Enpolet trykkstyrt (A) strømbryter (bremselyskontakt) med én stilling (til, sluttende funksjon)

Trykkløs åpen krets Trykkbelastet sluttet krets Isolator Kontaktkammer Hus Trykkammer Trykkfjær Trykkplate Membran (med trykkbolt)

156

13

Grensestillingsbrytere

I arbeidsredskaper, for eksempel skogbruksmaskiner og jordbruksmaskiner, bruker en mekaniske og induktive grensestillingsbrytere for å overvåke bevegelsen til maskindeler. De mekaniske grensestillingsbryterne har en elek­ trisk bryter, som kan bryte eller slutte den elektris­ ke kretsen. Dersom bryterne skal styre høye effek­ ter, arbeider de vanligvis sammen med elektro­ magnetiske releer.

Mekanisk grensestillingsbryter med symbol

1 -2 Brytende 4-3 Sluttende

De induktive grensestillingsbryterne er enpolete. De er som regel koplet til releer som har samme funksjon som mekaniske grensestillingsbrytere.

Dersom 1 og 4 (eller 2 og 3) blir koplet sammen, får vi en enpolet vekslende elektrisk bryter

Når en maskindel, for eksempel en kranbom på en skogbruksmaskin, beveger seg mot en ytterstilling, virker den på grensestillingsbryterens hevarm eller magnetfelt, og den mekaniske eller induktive styrepulsen virker igjen på en elektrisk bryter. Den bryter eller slutter den elektriske kretsen til den hydrauliske eller trykkluftsdrevne ventilen som styrer maskindelens bevegelse, og bevegelsen blir stoppet. Grensestillingsbryteren kan også styre releer, som i neste omgang styrer andre elektriske funksjoner. Ved at vi kopler sammen releene etter et visst system, kan flere arbeidsoperasjoner etter hveran­ dre bli styrt automatisk etter en startimpuls. Slik kan for eksempel en del skogbruksmaskiner auto­ matisk utføre kvisting, frammating, måling og kapping av hele treet etter at maskinføreren har lagt treet inn i maskinen. 14 Fordonsteknik Elsystem Båkmål

157

Releer Et mekanisk reie er en elektromagnetisk styrt bryter. Releet har en magnetspole med stålkjerne. Magnetkrafta påvirker et anker (s. 40), som gjør tjeneste som elektrisk bryter. Den elektriske bryte­ ren kan ha sluttende, brytende eller vekslende funksjon. Med lav styrestrøm kan releet styre høye effekter. På samme måte som andre elektriske brytere tegner vi alltid releet i avslått, spenningsløs tilstand på koplingsskjemaet.

Reie 1 Relestamme med magnetkjerne 2 Motstand eller diode 3 Magnetspole 4 Fast relekontakt 5 Bevegelig relekontakt (anker)

Reie med vekslende funksjon Manøvreringssymbolet viser at relekontakten forblir i innstilt stilling

Relespolens styrestrøm er lav, fra om lag 0,08 A (for mindre releer) opp til om lag 1,0 A. Styrestrømbryterens elektriske belastning blir derfor lav, og ledningene kan være tynne, A = 0,75 mm2.

Releets brytestrøm er derimot høy. For releer som blir brukt i lyskretser, til kopling av mindre motorer og arbeidsprosesser osv., er den 10-80 A. I startmotorreleer kan strømstyrken gå opp til om lag 500 A i løpet av noen få sekunder. Relekontaktene må ha stort areal for å få lav strømtetthet. De blir lagd av en sølvlegering som har god lednings­ evne og varmeavledningsevne.

For at funksjonen ikke skal bli forstyrret av de transiente spenningene som oppstår når styrestrømmen blir brutt, kan releet ha en diode eller en motstand som er montert parallelt over spolen. Reie med slokkemotstand eller slokkediode

158

Reie med holdekrets Flerpolete releer i automatiserte arbeidsmaskiner, for eksempel skogsbruksmaskiner, kan være ut­ styrt med holdekrets. Releet blir styrt med en spenningsimpuls og ligger i manøvreringsstilling til holdekretsen blir brutt.

Styrestrømbryterne kan være grensestillingsbrytere. Figuren viser et reie med holdekrets. Når styrestrømbryteren S2 blir sluttet, trekker releet til, og holdeviklingen blir koplet til jord ved uttak 9. Releet forblir aktivert inntil en bryter holdekretsen med S3.

De andre bryterne bryter eller slutter strømmen eller veksler mellom de to funksjonene. Trepolet vekslende reie med holdekrets S, hovedstrømbryter på plussiden 52 manøvreringsstrømbryter 53 hovedstrømbryter på minussiden 1 -9 kontaktklemmer

Eksempel: 1-4 bryter og 2-7 slutter, eller 1-4-5 veksler og 2-6 bryter.

Tidsrele

Forsinkelsesreleer (tidsreleer) blir brukt når en vil at koplingen skal skje en stund etter at releet har fått en styreimpuls. Det kan være ønskelig at lyset inne i bilen slokker for eksempel 10 sekunder etter at døra er lukket. Figuren viser prinsippet for et forsinkelsesrele med en monostabil transistorvippe. At vippa er monostabil, betyr at den har en stabil stilling. Hvor lenge belastningen skal få strøm etter at vippa er aktivert, avhenger av RC-kretsens veFdier (den såkalte tidskonstanten t = R ■ C) Forsinkelsesrele (tidsrele) for nærlys

Tenning

Slokking

St sluttes

St brytes

C lades opp I, leder T2 leder S2 slutter B lyser

C lades ut over R (forsinkelse) T, sperrer etter en stund T2 sperrer S2 bryter B slokner

Dersom C blir holdt konstant, vil utladingstida variere med størrelsen på R. Høyere resistans gir lengre utladingstid, og om­ vendt.

Symbol for tidsrele

159

Elektroniske releer

Det fins også elektroniske releer. De har to «switchkoplete» transistorer (s. 47) i to trinn, styretransistor og effekttransistor. Fordi transistorer er varmefølsomme, kan de ikke benyttes til å styre høye effekter. Figuren viser et elektronisk reie (2) som blir styrt av en magnetventil (3). Releet får sin styreimpuls fra en induktiv turtallsgiver (1).

Giversignalene er svake, men sterke nok til å påvirke styretransistoren for releet. Gjennom effekttransistoren i releet får magnetventilen sin styrestrøm.

Magnetventil for rangegirsperre

1 2 3

Induktiv turtallsgiver Elektronisk reie Magnetventil

Sikkerhetsbrytere I serie med elektriske forbrukere kan det være koplet inn sikkerhetsbryter. Den bryter kretsen dersom strømstyrken av en eller annen grunn blir for høy, for eksempel ved overbelastning eller ved skader.

Sikringen kan være en smeltesikring eller en termisk utløser, termosikring. Smeltesikringen har en metalltråd som smelter ved overbelastning. Smel­ tesikringen må erstattes med en ny.

På sikringen er det angitt hvor stor strømstyrke sikringen tåler under lengre belastning. Videre skiller en mellom hurtige og trege sikringer. Hurtige sikringer bryter kretsen allerede ved lite avvik fra den strømmen som sikringen er konstruert for. De blir brukt for å beskytte spesielt følsomme kompo­ nenter.

1 Smeltesikring 2 Termosikring med manuell tilbakeføring

Termosikringen er en sikring som bryter strømkretsen ved overbelastning. Den kan koples inn igjen når den har kjølnet. Termosikringer utløser mye langsommere enn smeltesikringer og bør ikke brukes for følsomme komponenter. Sikringer kan ha ulike utførelser, men det er gjennomført en viss standardisering. I biler som er lagd i Europa, brukes tysk standard. Bildene viser for eksempel bilsikringer etter den tyske industrinormen DIN 72581.

For at det skal være lett å bytte sikringer, er de som regel samlet i sikringsbokser, der det gjerne står hva slags funksjon de har.

Sikringer med tilbehør

A Runde sikringer 1 8 A (hvit) 2 25 A (blå) 3 25 A (hvit) B Sikringsboks

C Stikksikring 1 3 A (fiolett) 2 10 A (rød) D Sikringsblekk E

Øvingsoppgaver 171-177

Sikringsboks for sikringsblekk

161

Øvingsoppgaver

164 Hvorfor er ledere (ledninger) i biler bygd opp av mange tråder?

176 Hvilken oppgave har en sikring i en elektrisk krets?

165 Hva er det vanligste isoleringsmaterialet for elektriske ledninger?

177 «Forskningsoppgave». Undersøk runde sikringer, stikksikringer, sikringsblekk og tilhø­ rende sikringsbokser. Sammenlign fare for kontaktfeil, kontaktflatenes areal og sik­ ringsboksens konstruksjon for de ulike sikringstyper. Gjør rede for det du finner ut.

166 I en materialkatalog består betegnelsen AuFP 1 x 1,5 for en ledning. Beskriv lednin­ gen. 167 Hvor stort spenningsfall kan en ifølge anbe­ falte normer tillate mellom generatoren og batteriet dersom ladingsspenningen er 14,4 V? 168 Hvilke faktorer må en kjenne til for å kunne velge rett tverrsnitt på en leder? 169 I moderne biler blir det ofte brukt kretskort til visse deler. Hvilke? 170 «Forskningsoppgave». Du skal lage en led­ ning mellom starttenningslåsen og manøv­ reringsmagneten til startmotoren. Den over­ førte effekten er 200 W og 12 V. Til til­ koplingene kan en bruke ringkabelsko for lodding, ringkabelsko for kontaktpressing eller flatstifthylse for kontaktpressing. Hva velger du, og hvorfor?

171 Elektriske brytere kan manøvreres manuelt eller for eksempel elektromagnetisk. Hva er forskjellen?

172 «Forskningsoppgave». Studer kataloger over bilutstyr, og finn den maksimale koplingseffekten for noen strømbrytere.

173 Hvilken funksjon har et enkelt reie? 174 Redegjør for hvorfor en som regel styrer hovedlyskasterne til bilen med releer. 175 Gjennom en relekontakt skal vi overføre en effekt (P) på 110 W ved 12 V spenning. Relekontaktens diameter er 4 mm. Hvor stor er strømtettheten (A/mm2)? 162

Andre systemer Dette kapitlet inneholder

Elektronisk styrt brennstoffinnsprøyting Starthjelpesystemer for dieselmotorer

• Styreenhet • Luftforvarmingssystemer • Styresystemer for luftforvarming • Liv og helse - varsel, startspray

Givere og følere

• • • •

Elektriske motorer

• Turtallsregulering • Elektrisk motor med permanentmagnetisering

Radiostøydemping

• • • •

Glødetrådfølere Turtellere (turtallsmålere) Nivåsenkingsføler Signalhornet. Summeren

Støyårsaker Støykilder Metoder for støydemping Øvingsoppgaver 178-206

Elektronisk styrt brennstoffinnsprøyting Ved å styre brennstoffinnsprøytingen i en motor elektronisk får en bedre kontroll over brennstoffluftblandingen og forbrenningsforløpet enn med forgassere. Tenningsinnstillingen kan ligge nær­ mere bankegrensen (s. 115), og motorens kompresjonsforhold kan økes. Motoren vil arbeide med rett blanding av brennstoff og luft over praktisk talt hele omdreiningsområdet (turtallsområdet). Brennstofforbruket er lavest når 15 kg luft blir blandet med 1 kg brennstoff. Det teoretisk eksakte, såkalte støkiometriske forholdet er 14,7:1. Luftforholdet A (lambda) er et mål på hvordan brennstoff-luftblandingen i en motor avviker fra 14,7:1. . _ tilført luftmengde teoretisk luftbehov

z= 1

teoretisk riktig blanding

z< 1

luftunderskudd, feit blanding, gir økt effekt, men høyere innhold av karbonoksid (CO) og hydrokarboner (CxHy) i avgassene. Luftunderskuddet øker brennstofforbru­ ket.

z> 1

luftoverskudd, mager blanding gir lavere effekt og kan innenfor visse grenser gi lavere brennstofforbruk. Innholdet av skadelige, nitrøse (NO J gasser i avgassene øker.

z > 1,2 blanding som ikke er tenningsvillig.

Et elektronisk styrt brennstoffsystem har flere givere som omformer motorens driftsforhold til elektriske signaler. Signalene går til en styrekrets, der de blir bearbeidet og sammenlignet med lagrete verdier. Etter bearbeidingen avgir styrekretsen impulser som styrer åpningstidene til innsprøytingsventilene.

164

Elektronisk brennstoffsystem for ottomotor 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Brennstofftank Brennstoffpumpe Brennstoff ilter Fordelingsrør Trykkregulator Styrekrets Innsprøytingsventil Kaldstartventil Innstillingsskrue for tomgang Luftspjeldkontakt Spjeldskive

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Luftmåler Relekombinasjon Lambdaføler Motortemperaturgiver Termotidsgiver Tenningsfordeler Tilskuddsluftventil Innstillingsskrue for tomgangsblanding Batteri Starttenningslås

Brennstoffpumpa (2) presser brennstoffet gjennom filteret (3) til fordelingsrøret (4) og videre til innsprøytingsventilen (7) og kaldstartventilen (8). Trykkregulatoren (5) holder hele tida brennstofftrykket 250-350 kPa høyere enn lufttrykket i motorens innsugingsrør. Fordelingsrøret har rela­ tivt stort volum. Det fungerer som brennstoffakkumulator, og i det store volumet utjamnes små trykkvariasjoner. Fra trykkregulatoren går overskuddbrennstoffet tilbake til brennstofftanken. Pumpa er utstyrt med en trykkbegrensningsventil som åpner for tilbakestrømning dersom trykket overstiger en bestemt verdi. 165

Brennstoffpumpe og innsprøytingsventiler

Brennstoffpumpa er en elektrisk rotorpumpe. Pumpe og elektrisk motor blir gjennomstrømmet av brennstoffet, som dermed smører og kjøler motoren.

Innsprøytingsventilens åpningstid blir bestemt av signaler fra styreenheten. Åpningstida er om lag 1,0-2,0 ms.

For hver motorsylinder er det en innsprøytingsventil. Den blir styrt elektromagnetisk. Når magnetviklingene får strøm fra styreenheten, blir spredernåla løftet fra setet, og brennstoffet blir sprøy­ tet inn i innsugingsrøret like foran motorens innsugingsventil.

Innsprøytingsventil

Brennstoffpumpe 1 Sugeside 2 Trykkbegrenser 3 Rullepumpe 4 Rotor 5 Tilbakeslagsventil 6 Trykkside

1 Filter 2 Magnetvikling 3 Anker 4 Spredernål 5 Elektrisk tilkopling

Styreenheten Måleverdier En måler den totale luftmengden som motoren suger inn i løpet av innsugingstakta. Måleverdiene styrer grunninnstillingen av brennstoffmengden, den såkalte brennstoffgrunnmengden.

Luftforholdet kan så etterjusteres etter måleverdiene og tilpasses motorens driftsforhold, for eksempel kaldstart og varmkjøring, akselera­ sjon og motorbremsing. A 1 2 3 4

Måleverdier fra givere for luftmengde og lufttemperatur motorbelastning motoromdreiningstall motortemperatur

B Styrekrets 5 Innprogrammerte grunnverdier 6 Systemspenning

Styresystemet

C 7 8 9

166

Reguleringsverdier som styrer innsprøytet brennstoff mengde tilskuddsluftmengde ekstra brennstoff for start

Luftmengdemålere 2

1

Luftmengdemåleren (s. 165, 12) har en måleskive, som blir påvirket av den lufta som strømmer inn. Jo mer luft motoren suger inn, desto mer åpnes skiva. På akselen til måleskiva sitter en porsjonsmåler (regulerbar spenningsdeler). Åpningsvinkelen til skiva bestemmer signalspen­ ningen til styreenheten.

For at trykksvingningene i motorens innsugingsrør ikke skal påvirke bevegelsen til måleskiva, er den utstyrt med en dempeskive (1). Trykksving­ ningene påvirker begge skivene like mye, og mo­ mentene utligner hverandre. Luftmengdemåleren sett fra luftsida

1 2 3 4 5

Det hersker et logaritmisk forhold (se diagrammet s. 49) mellom vinkelen til måleskiva og den innsugde luftmengden. Det innebærer at følsomheten til måleren er størst ved små luftmengder. På denne måten tilpasses brennstoff-luftblandingen nøye i det følsomme laveffektområdet.

Dempeskive Dempekammer By-pass (forbikopling) Måleskive Innstillingsskrue fortomgangsblanding (by-pass)

For tomgangsblandingen er det en sidekanal. Gjennomstrømningsarealet i den kan varieres med en innstillingsskrue (5; s. 165, 19).

9

Turtallsmåling

8

Styreenheten får informasjon om motorens turtall og om innsprøytingstidspunktene gjennom spenningsimpulser fra lavspenningsuttaket til bryterkontaktene i fordeleren (s. 165, 17).

Luftmengdemålerens tilkoplingsdel 6 7 8 9 10 11 12

Tannkrans for fjærspenning Returfjær Potensiometerbane Keramikkplate med motstand og ledningstrinn Kontaktbøyle Slepekontakt Pumpekontakt

Styreenheten får like mange spenningsimpulser per sekund som det er tenngnister per sekund. Signalene blir bearbeidet i styrekretsen, og det gir styrespenning til de parallellkoplete innsprøytingsventilene. Under en veivakselomdreining sprøyter alle innsprøytingsventilene én gang, uav­ hengig av stillingen til innsugingsventilen. Hver innsprøyting inneholder på den måten bare halv­ parten av den brennstoffmengden som er nødven­ dig for motorens arbeidstakt. Med to innsprøytinger per arbeidsperiode oppnår vi blant annet at brennstoffet blir fordelt jamnere i innsugingsrøret enn om hele innsprøytingsmengden ble tilført samtidig. 167

Kaldstart

Ved kaldstart blir en del av brennstoffet konden­ sert i motorens innsugingskanal. For å kompense­ re for dette må ekstra brennstoff sprøytes inn både under og straks etter starten. Den ekstra brennstofftilførselen blir regulert av kaldstartventilen (s. 165, 8) og den seriekoplete termotidsgiveren (s. 165, 16).

Kaldstartventilen er en elektromagnetisk styrt innsprøytingsventil. Når den er åpen, kan brenn­ stoffet strømme inn i motorens innsugingsrør.

Kaldstartventil 1 Brennstoffinnløp 2 Elektrisk tilkopling 3 Anker 4 Magnetvikling 5 Rotasjonsspreder

Termotidsgiveren regulerer åpningstida for kald­ startventilen i forhold til blant annet motortemperaturen. Giveren har en bimetallfjær som åpner og stenger en elektrisk bryter. Bimetallet blir oppvarmet av motortemperaturen eller av en egen motstand. Under kaldstart ved om lag —20 °C blir kretsen brutt etter om lag åtte sekunder. En unngår dermed at motoren blir «sur», det vil si får for feit blanding. Ved høyere temperatur i omgivelsene til giveren blir kretsen brutt hurtigere, og ved start av driftsvarm motor er kaldstartventilen stengt.

Termotidsgiver 1 Elektrisk tilkopling 2 Hus 3 Bimetallfjær 4 Varmevikling 5 Elektrisk bryter

14

Varmkjøring

Så lenge en del av brennstoffet blir kondensert på de kalde delene i motoren, for eksempel på sylin­ derveggene, må brennstoff-luftblandingen være noe feitere enn ellers.

I løpet av den første delen av varmkjøringsperioden skjer en tidsavhengig ekstra tilførsel av brenn­ stoff (i om lag 25-30 sekunder). Deretter skjer en temperaturavhengig ekstratilførsel av brennstoff (se figuren).

Forløpet av brennstofftilskuddet ved varmkjøring (tilskuddsfaktoren som funksjon av tiden) a b

Mest avhengig av tiden Mest avhengig av motortemperaturen

Styrelegemet får opplysninger om motortempera­ turen fra temperaturgiveren (s. 165, 15). Giveren har en NTC-motstand (NTC = Negative Temperature Coefficient). Den er svært følsom innenfor lavtemperaturområdet og stryper derfor den eks­ tra tilførselen av brennstoff ganske raskt.

Temperaturgiveren blir montert slik at den er omgitt av motorens kjølevæskestrøm eller kjøleluftstrøm.

Temperaturgivere 1 Elektrisk tilkopling 2 Hus 3 NTC-motstand

15 Fordonsteknik Elsystem Båkmål

Tilskuddsluftventil Under varmkjøring må motoren arbeide med forhøyet tomgangsomdreiningstall for å overvinne motorfriksjonen.

Motoren får derfor ekstra luft gjennom tilskuddsluftventilen (tilsettingsluftsleiden) (s. 165, 18), som ligger parallelt med luftspjeldet.

Tilskuddsluftventil 1 Skive 2 Bimetallfjær 3 Elektrisk varmespiral 4 Elektrisk tilkopling

Tilskuddsluftventilen har en bimetallfjær som påvirker en ventilskive i luftkanalen. Bimetallfjæra blir oppvarmet av en elektrisk varmespiral eller av motortemperaturen. Når motoren er varm, er sleiden helt stengt.

Luftspjeldkontakt

En luftspjeldkontakt gir styrekretsen informasjon om belastningsområdet (s. 165, 10). Luftspjeldkontakten er montert på innsugingsrøret og blir påvirket av akselen til luftspjeldet.

Ytterstillingene til luftspjeldet, helt stengt og helt åpent, tilsvarer tomgang og full belastning. I begge ytterstillingene sluttes kontakter.

I mellomområdet er begge kontaktene brutt.

Når tomgangskretsen er sluttet, blir brennstoffgrunnmengden liten, og eventuell ekstra tilførsel av brennstoff skjer som ved varmkjøring.

I området mellom tomgang og full belastning er brennstoffgrunnmengden noe større. Når fullastkretsen blir sluttet, får motoren en noe feitere blanding for å kunne utvikle høyest mulig effekt.

Ved motorbremsing virker signalene fra luftspjeld­ kontakten og turtallsgiveren sammen. Dersom tomgangskretsen er sluttet og motoromdreiningstallet ligger over det innprogrammerte omdrei­ ningstall for tomgang, blir innsprøytingsventilene stengt.

Luftspjeldkontakt

1 Fullastkontakt 2 Kontaktstyreskive 3 Luftspjeldaksel 4 Tomgangskontakt

Dersom luftspjeldet blir åpnet raskt, vil skiva til luftmåleren en kort stund svinge forbi den stillin­ gen som tilsvarer helt åpent luftspjeld. Denne svingingen gir en ekstra tilførsel av drivstoff for akselerasjon og en jamn overgang til det nye belastningsområdet. 170

Lufttemperaturtilpassing Temperaturgiveren for innløpslufta sitter i luftmengdemåleren. Kald luft har høyere densitet og krever mer brennstoff for å gi en ideell brennstoff-luftblanding. Brennstoffmengden blir tilpas­ set etter signal fra giveren.

Lambda-regulering

En del elektroniske innsprøytingssystemer for brennstoff har lukket reguleringskrets. Det vil i prinsippet si at en måler oksygeninnholdet i avgassene ved hjelp av en giver, som kalles lambdasonde.

Luftforholdet Å = 1 er en retningsverdi. Avvik fra retningsverdien påvirker sammensetningen av av­ gassene og dermed lambdasondens signal til styrekretsen. Styrekretsen korrigerer den innsprøytete brennstoffmengden slik at z blir lik 1.

Giveren har et målelegeme av spesiell keramikk, hvor flatene er overtrukket med et tynt lag platina. Platinasjiktet slipper gjennom gass og fungerer som elektroder. Det keramiske materialet innehol­ der visse metalloksider og blir elektrisk ledende ved høye temperaturer.

Lambdaføler (lambdasonde) 1 Anode 5 Holder (-) 2 Katode 6 Luftinntak 3 Keramikklegeme 7 Kontaktklemme ( + ) 4 Beskyttelsesrør 8 Veggen til avgassrøret

Sonden kan sammenlignes med en elektronisk celle der cellespenningen er avhengig av oksygen­ innholdet omkring elektrodene. Elektrolytten i cella tilsvarer sondens keramiske masse.

Anoden (1) står i forbindelse med lufta ute. Den har et oksygeninnhold på om lag 21 %. Katoden (2) er omgitt av de varme avgassene. Oksygeninnholdet i gassene skal ha en bestemt verdi dersom forbrenningen er riktig og z = 1. Giveren reagerer allerede ved svært små avvik fra det optimale oksygeninnholdet i avgassene. Den reagerer med relativt store forandringer i signalene til styrekretsen (se figuren).

Giverens signalspenning som funksjon av luftforholdet (arbeidstemperatur om lag 800 °C) A Feit blanding, luftunderskudd B Mager blanding, luftoverskudd U x Signalspenning x Luftforholdet U, Signalspenning ved 2 = 1

Øvingsoppgaver 178-187

171

Starthjelpesystemer for dieselmotorer

Luftforvarmingssystemer For at en kald dieselmotor skal starte, må den innsugde lufta forvarmes. Det kan skje enten når den passerer innsugingsrøret, eller inne i forkammeret.

Forvarming i innsugingsrør

Forvarming i forkammer

1 2 3

1 Startkrets 2 Turbokompressor

Glødeplugg Innsprøytingsdyse Forkammer

Forvarmingssystemet består av en glødeplugg for hver sylinder eller av et startelement i innsugingsrøret og komponenter for styring av systemet. Både glødeplugg og startelement er kraftige mot­ stander, som ved høy strømstyrke blir varmet opp til gløding, om lag 600-700 °C.

Forvarmingsutstyret er koplet til startnøkkelen. Innkopling og innkoplingstid kan styres manuelt eller av temperaturen på kjolevæska. Forvarmingssystem med

-

glødetrådplugg: alternativ A glødestavplugg: alternativ B

1 2 3 4 5 6 7

Batterifrakopler Sta rtstrøm bryter Glødeplugg Seriemotstand Kontrollmotstand på instrumentpanelet Glødeplugg Kontrollampe

På instrumentbordet er det en kontrollampe for gløding.

172

Glødetrådplugg Glødetrådpluggene har en kort, synlig glødetråd som stikker inn i forkammeret. Pluggene er topolete, og de er koplet i serie. Avhengig av typen er spenningsfallet over hver glødeplugg 0,9-1,7 V. Foran pluggen og i serie med den finner vi en motstand, der spenningsfallet avhenger av antallet glødetrådplugger (alternativ A i koplingsskjemaet). I en bil med systemspenning 12 V og firesylindret motor må seriemotstanden skape et spenningsfall på minst 5,2 V (4-1,7 V + 5,2 V = 12 V).

Glødestavplugger I glødestavpluggen er glødetråden lukket inne i et rom som er fylt med et elektrisk isolerende pulver av magnesiumoksid. Ved innkopling blir hele staven glødende. Glødetråden er lengre og har høyere resistans enn glødetrådpluggen. Gløde­ stavpluggen blir derfor koplet parallelt, og spen­ ningsfallet over hver plugg er lik systemspenningen i kjøretøyet (alternativ B i koplingsskjemaet, s. 172). Glødetiden for en glødestavplugg er 40-60 s.

mn

Glødestavpluggen fins også i en utgave der gløde­ tråden er lagd av en spesiallegering. Dersom en bruker denne pluggtypen, blir glødetida redusert til om lag 15-20 s.

Flammeglødeplugger

Flammeglødepluggen blir montert i motorens innsugingsrør. Pluggen er koplet til brennstoffsystemet. Ved start blir glødetråden varmet opp til om lag 100 C, samtidig som litt diesel blir sprøytet på den. Dieselen brenner og varmer opp den lufta som strømmer inn.

AGB

173

Startelementer Elektriske startelementer består av kraftige mot­ stander av kromnikkelbånd. Elementene blir mon­ tert i innsugingsrøret til motoren slik at innsugingslufta strømmer rundt dem.

Avhengig av systemspenningen blir ett eller flere elementer seriekoplet. Den totale effekten går opp til om lag 3,0-3,5 kW.

Styresystemer for luftforvarming Figurene viser et system for styring av forvarmingen til en mindre dieselmotor med glødestavplugg. Styresystemet for et startelement er i hovedsak konstruert på samme måte.

A B C D E F G H I K

Temperaturgiver Brennstoffventil (magnetventil) Instrument (kontrollamper) Startlås Glødeplugg Reie for glødeplugg Blokkeringsrele Styrekrets Sikringsboks Skjøt

= Systemspenning = Spenning lavere enn systemspenning

Forvarmingssystem til mindre dieselmotorer

174

Gjennom en temperaturgiver (A) registrerer sty­ rekretsen (H) temperaturen til kjolevæska og regu­ lerer innkoplingstida etter temperaturen. Resi­ stansen i temperaturgiveren er mindre jo varmere kjolevæska er (NTC-motstand). Forvarmingssystemet (glødepluggen) blir alltid koplet inn i 10-25 s når startnøkkelen vris i kjørestilling.

Dersom kjølevæsketemperaturen er under +50 °C, blir innkoplingstida forlenget, og kontrollampa blir tent. Lampa lyser i om lag 45 s ved — 20 °C, i om lag 25 s ved 0 °C og i om lag 15 s ved +20 °C. Etter at kontrollampa har sloknet, kan en starte motoren. Samtidig er glødepluggen koplet inn i 10-25 s til.

Forvarming, startnøkkel i kjørestilling Kjølevæsketemperatur under + 50 °C

Når startmotoren er koplet inn, går det strøm til tilkopling 50 på styrekretsen. Dermed er styrekret­ sen og glødepluggen koplet inn så lenge startmoto­ ren arbeider. Innsugingslufta blir varmet opp.

Innkoplet startmotor

175

Når motoren har startet og startnøkkelen blir sluppet tilbake til kjørestilling, går det ingen strøm til tilkopling 50 på styrekretsen. Styrekretsen og glødepluggen blir koplet vekk. I systemet er det også et reie (G), som blokkerer forvarmingsutstyret så lenge motoren er i gang. Blokkeringsreleet er tilkoplet godset gjennom ge­ neratoren (D + ). Så snart generatoren begynner å lade, blir tilkoplingen til godset brutt, og releet slår ifra. Dersom glødepluggene er koplet inn for lenge, blir de så varme at de smelter, og motorskade blir resultatet.

Motoren har startet

LIV OG HELSE

Varsel! Startspray

Startspray inneholder teknisk eter og må be­ handles med forsiktighet. Startspray som blir sprøytet inn i luftinntaket, kan bli antent av et varmt startelement ogforårsake eksplosjon.

Dersom en må starte kjøretøyet og en tror at startelementet er ute av funksjon, kan en bruke startspray, men da må en først gjøre elementet strømløst. Samtidig bør en forsikre seg om at røret ikke er varmt, ved å kjenne med hånden på røret der elementslyngen er bygd inn.

Øvingsoppgaver 188-191

Givere og følere

Det fins mange instrumenter og indikatorer som kan brukes når føreren skal overvåke og kontrolle­ re ulike funksjoner i kjøretøyer eller arbeidsred­ skaper. Figuren nedenfor viser et eksempel på instrumentering i en lastebil.

14

15

13

12

Instrumentpanelet skal ha så få visende instrumen­ ter som mulig, for de krever stadig oppmerksom­ het. Et lyd- eller lyssignal som varsler når det oppstår feil, er lettere å oppdage.

16

18

11

6

Instrumentpanel i en lastebil

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Kjøreskriver Turteller Manometer, luft Termometer Brennstoffmåler Kontrollampe, retningssignallys trekkvogn Kontrollampe, retningssignallys tilhenger Varslingslampe, oljetrykk motor Kontrollampe, fjernlys Varslingslampe, lading Varslingslampe, driftsbrems

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Varslingslampe, parkeringsbrems Varslingslampe, kjolevæske Kontrollampe, differensialsperre bakhjul Kontrollampe, differensialsperre aksler Varslingslampe, temperatur momentomformer Kontrollampe, boggiløft Kontrollampe, overgir Kontrollampe, luftfilter Kontrollampe, forvarming Kontrollampe, parkeringslys Kontrollampe, oljetrykk girkasse

177

7

21

Instrumenter og varslingslamper blir styrt av givere og kontrollfølere som er montert på kompo­ nenter der funksjonen eller tilstanden skal overvåkes.

En giver er en enhet som fortløpende gir styrespenninger til et kontrollinstrument. Styrespenningen varierer med måleverdien (jamfør s. 171). Givere blir brukt for eksempel ved turtallsmåling og ved temperatur- og brennstoffnivåmåling (s. 59). Tryk­ ket blir målt med et manometer.

Eksempel på symboler for givere

A Innstyrt turtall n (r/s) Utstyrt spenning U B Innstyrt hydraulikkvæskenivå Utstyrt spenning U

En kontrollføler har en elektrisk bryter, som kopler til eller fra en styre- eller signalkrets når en viss verdi blir overskredet eller underskredet. En kontrollføler varsler når oljetrykket i motoren underskrider en viss verdi. Kontrollfølere kan også monteres slik at de stopper driften dersom en forstyrrelse inntreffer (vanlig for eksempel i stasjo­ nære motorer). Eksempel på symboler for kontrollføler A Nivåkontrollføler, sluttende funksjon B Trykkontrollføler, sluttende funksjon

Figuren viser eksempler på hvordan en varslingssummer og varslingslamper i en lastebil blir styrt av ulike kontrollfølere. Dersom en overvåket funksjon ikke er normal, begynner summeren å lyde, samtidig som varslingslampene blir tent.

Koplingsskjema, summerinnkopling

1 Varslingslampe, luftfilter 3 Varslingslampe, driftsbrems 7 Varslingslampe, oljetrykk motor

9 Varslingslampe, kjolevæske

2 4, 5, 6 8

f 10 1)?

179 I hvilken motordel skjer brennstoffinnsprøytingen dersom motoren er utstyrt med elektronisk styrt brennstoffinnsprøyting for ottomotorer? 180 Nevn noen deler i et elektronisk styrt brennstoffsystem som gir styrekretsen de informa­ sjoner den behøver for at motoren skal få riktig brennstoffmengde ved alle driftsfor­ hold. 181

Hvorfor blir ikke brennstoffet i brennstoffpumpa antent av gnistene mellom børster og kommutator?

182 Gjør greie for oppgaven til luftmengdemåleren og fortell hvordan den fungerer.

189 «Forskningsoppgave». Finn fram til noen mo­ torer som har flammeglødeplugg. Gjør greie for hvordan flammeglødepluggene blir kop­ let inn under startforløpet. 190 Hvorfor må en absolutt ikke bruke startspray i en dieselmotor som har startelement bygd inn i luftinntaket?

191

På s. 174-176 har vi beskrevet et styresystem for luftforvarming. Hvor lenge er glødepluggen koplet inn når en starter moto­ ren, dersom kjolevæska er +20 °C?

192 Nevn noen følere (varslere) som en kan finne i en moderne personbil.

193 Hvordan kan en på et elektrisk skjema se om symbolene representerer en giver eller en føler (varsler)? 194 Hva kan det være for fordeler med standar­ diserte symboler på instrumentbordets varslingslamper?

183 «Forskningsoppgave». Åpningsvinkelen til måleskiva og den innsugde luftmengden står i et logaritmisk forhold til hverandre. a) Hva vil «logaritmisk forhold» si? b) Hvilken effekt har dette forholdet i luftmengdemåleren?

195 Hvorfor bør kontrollamper ha automatisk funksjonskontroll?

184 På hvilken måte forandres brennstoff-luftblandingen ved tomgang dersom innstillingsskruen blir åpnet?

197 «Forskningsoppgave». Undersøk om det fins andre typer av turtellere til kjøretøyer enn den vi har beskrevet, og fortell hvordan de fungerer.

185 Hvilket system i en forgasser er det som svarer til a) kaldstartventilen? b) tilskuddsluftventilen (tilsettingsluftsleiden)?

186 «Forskningsoppgave». Beskriv styringsforløpet ved rask åpning av luftspjeldet (akselera­ sjon). 187 Hvordan forandres lambdasondens signal­ spenning når motoren arbeider med for feit blanding?

191

196 «Forskningsoppgave». Gjør greie for hvorfor temperaturen i termistoren (nivåføleren) øker når den befinner seg over væskenivået.

198 En tank for hydraulikkvæske har nivåsenkingsvarsler. På hvilken måte kan den tilpas­ ses en ny hydraulisk pumpe med større maksimalstrøm? 199 «Forskningsoppgave». Er det noen farer eller ulemper forbundet med at maskinens motor blir stoppet automatisk når nivåsenkingsvarsleren blir koplet til?

200 «Forskningsoppgave». a) Finn fram til grensene for det frekvensområdet der det menneskelige øret er følsomt for lyd. b) Studer noen bilrekvisitakataloger, og undersøk om de signalhornene som er til salgs, arbeider på et passende frekvensom­ råde. c) Hvilke andre faktorer enn frekvensen er det som avgjør om lyden fra et signalhorn er lett å oppfatte? Hvilke av faktorene har størst betydning?

201 Hva er det som bestemmer maksimalturtallet til en seriemotor som går uten belastning? 202 Hvilke faktorer er det som påvirker tomgangsturtallet i en serie-parallellkoplet mo­ tor?

203 Hvorfor stopper vinduspussermotorene så raskt når bremseviklingen eller rotorviklingen blir kortsluttet med strømbryteren (SJ i stilling 0? (Se kretsskjema for vinduspussermotor.) 204 Nevn noen bilradiostøykilder som en kan trenge å støydempe.

205 Hva er hovedhensikten med å primærstøydempe tenningssystemet i en ottomotor? 206 «Forskningsoppgave». Finn ut hvordan en leder bort den elektrostatiske energien som ofte kan være lagret på bildekkene.

16

Fasit til regneoppgavene 21

æ 6,25 • 1018, dvs. 6,25 trillioner

22 U * 23,7 V 23 I = 0,012 A (12 mA) 24 R » 0,566 Q

25 R x 0,000195 Q (0,195 mQ) 26 R % 0,070 Q 27 R æ 0,8 m 28 R x 6,0 Q 29 R = 8 Q

30 W = 86,4 kWs

32 a) I

3,9 A

b) P

396 kWs (0,11 kWh)

40 F % 0,473 N 42 U ~ 13,7 V (lengden til lederen i feltet er n ■ l; 1 omdr. = rotorens omkrets = n-d)

43 U = 300 V 64 K % 39 Ah

99 a) P = 4414 W (% 4,41 kW) 127

æ 117 gnister/s

131

10° forandring

150 P = 150 W 152 50 m => 8 lx 150 m => ^0,9 lx 167 U = 0,3 - 0,4 V 175 Strømtettheten « 0,7 A/mm2

17 Fordonsteknik Elsystem Båkmål

193

Sakregister

Stikkordregister

dreiemagnetinstrument 59 dreiespoleinstrument 54

akkumulator 68 A-kopling 90 amperemeter 20, 55 analog vising 54, 61 anode 47 astabil transistorvippe 144 asymmetrisk nærlys 140 atomtall 10 autokabel 149 avbrytarmekanisme 114 avledning (av støyenergi) 190 avskjerming (av støy) 190

effektdiode 78 egenstøy 188 elektriske kopiere 155 elektriske systemer 8 elektrisk strøm 16 elektrolytt 69 elektromagneter 33 elektromagnetisk kontakt­ regulator 85 elektromagnetisk kraftlov 35 elektron 10 elektronisk reie 160 elementærladning 10 emitter 45 enkel polgenerator 83 enledersystem 22

bajonettfatning 136 baklys 142 bankeføler 126 bankegrense 115 bankgiver 126 basis (i transistor) 45 batteri (startbatteri) 68 batterilading 71 belysningstetthet 135 bimetallmåler 60 B-kopling 90 blinkanlegg 143 blinkrele 143, 144 blydioksid 69 blysulfat 71 blysvamp 69 bremsevikling 185 brennpunkt 138 brennstoffgrunnmengde 166 brennstoffmåling 59, 60 brennstoffpumpe 166 brennvidde 138 brokopling 78 brytere 155 brytermekanisme 114

coil 112, 117, 121, 125, 128 Coulombs lov 11 delbar kopling 154 A-kopling (deltakopling) 76 demineralisert vann 69 dempemotstand 189 demping (av støy) 189 digital vising 54, 61 diode 42 diodebrokopling 78, 79

fast kopling 154 firkantbølge 121 fjernlys 139 flammeglødeplugg 173 flatstifthylse 154 fokus 138 fordeler 113 formagnetisering 80 forsinkelsesrele 159 forskyvbart drev 99 forspenning (hos diode) 42 forspenning (hos zenerdiode) 44 forvarmingssystem 172 frekvens 75 frie elektroner 10 følere 178

gate (styring i tyristor) 47 generator 66, 75, 89 generatorprinsippet 34, 75 givere 178 glødestavplugg 173 glødetrådføler 180 glødetrådplugg 173 gnistgap 109 grensestillingsbryter 157 halleffekt 50 hallgenerator 50 hallgiver 118, 120 hall-lC-krets 50, 120 halogenlyspærer 137

196

halvledere 17, 41 helbølgelikeretting 78 H-lyspære 137 holdevikling 99 hovedlyskaster 138 høyeffektcoil 118 IC-krets 28 impulsgiver 181 induksjon 36 induksjonsgiver 119 induktans 38 induktiv turtallsgiver 160 innkoplingsvikling 99 innsprøytingsventil 166 instrumentpanel 177 intervallrele 186 ionisering 17 isolator 109 isolatorer (ikke-ledere) 17 isolering (ledninger) 148, 149

Joules lov 29

kabelbetegnelser 149 kabelsko 154 kaldstartventil 168 kamvinkel 114 kapasitans 14 kapasitet (batteri) 72 katode 47 Kirchhoffs lover 24, 28 klopolgenerator 84 klopolrotor 76 knallgass 74 kollektor 45 kombinasjonslykt 142 kommutator 89 kompoundmotor 184, 185 kondensator 14 koplingsutstyr 154 kraft mellom ladninger 11 kretskort 153 krympestrømpe 152 lading (batteri) 70, 71 ladingskontrollampe 80, 92 ladingsregulator 85, 86 lambdaregulering 171 lambdasonde 171 lamellkopling 103 ledere 17 ledningsdimensjonering 150

ledningsisolering 148 ledningsknipper 152 ledningsmateriale 148 lekkasjevarsler 182 Lenz’ lov 36 likeretting 78, 89 likestrøm 19 likestrømsgenerator 89 likestrømsmotor 96, 184 luftforholdet 164 luftforvarming 172 luftmengdemåler 167 luftspjeldkontakt 170 lukkevinkel 114 lyktepusser 140 lyskastere 134 lyskasterinnsats 138 lysstrøm 135 lysstyrke 135 lysutbytte 137

magnetfeltbryter 182 magnetiseringsdiode 78, 80 magnetisk felt 31, 34 magnetisk fluks 34 magnetisk kraftvirkning 32, 34, 40 magnetisk krets 40 magnetisk metning 33 magnettenningsgenerator 128 manøvreringsmagnet 99 merking av ledninger 153 midtelektrode 109 minuspol 16 monostabil transistorvippe 159 motkopling 71, 73 motorprinsippet 34 motstander 23 motstandstenningsledning 189 multimeter 58, 61 N-doping 18 negativ ladning 11 nivåføler 179 nivåsenkingsføler 182 nomogram (for ledninger) 150 NTC-termistor 49 nærlys 139 nødsignallys 144 nøytron 10

ohmmeter 23, 57

Ohms lov 20 oscilloskop 62 overspenningsvern 88 parabolsk reflektor 138 parallellkopling 13, 24, 27, 73 parallellmotor 184 P-doping 18 permanentmagneter 31 piezoelektrisk giver 127 platesett (batteri) 69 plusspol 16 polaritet 12 polsko 96 positiv kopling til jord 111 positiv ladning 11 potensial 12 potensialforskjell 12 prefokus 136 primærstøydemping 188 proton 10 PTC-termistor 49 pulsgenerator 144, 186 pulsgiver 119, 143 radiostøydemping 188 RC-krets 23 reflektor 138 releer 158 elektroniske 160 med holdekrets 159 remanens 32 reostat 27, 185 resistans 20 resistansmåling 23, 57 resistivitet 22 retningssignallys 142, 143 rotorpumpe 166 rundstifthylse 154

Sealed Beam 138 selvinduksjon 38 selvmagnetisering 80 selvrensingstemperatur 110 sentrifugalregulator 115 separator (i batteri) 68, 69 seriekopling 24, 27, 73 seriemotor 96, 97, 184 serie-parallellmotor 184, 185 shunt 55 shuntmotor 184 signalhorn 183 sikkerhetsbryter 155, 161 197

sikringer 161 sinuskurve 75 skjøteboks 154 skjøtekontakt 154 slokkemotstand 158 smeltesikring 161 spalterotor 120 spenning 12 spenningsfall 13 spenningsmåling 56 spenningsregulator 91 startbatteri 66, 68 startdrev 98 startelement 174 starthjelpesystem 172 startspray 176 statisk elektrisitet 10, 11 stator 75 stikkontakt 154 stikksikring 161 stjernekopling 76 stopplys 142 strømbrytere 155 strømmåling 55 strømregulator 91 styrespenning 48 styring (i tyristor) 47 støkiometrisk forhold 164 summer 183 summerinnkopling 179 supraledere 22 switch-kopling 47

tangamperemeter 55, 61 temperaturgiver 169 temperaturmåling 59 tenningsbankeføler 126 tenningsbankgiver 126 tenningsfordeler 113 tenningsgnist 111 tenningsmagnet 129 tenningsreguleringskurve 117, 124 tenningsspenning 48 tenningstransformator 122, 130 tenningsvinkel 115 tennplugg 109 tennpluggelektroder 109 tennspole, se coil termistor 49 termosikring 161 termotidsgiver 168

tidsrele 159 tilbakestrømsrele 91 tilskuddsluftventil 170 tohastighetsmotor 185 transformator 39 transient spenning 39 transistor 45 transistorenhet (krets) 117, 120 transistorregulator 86 transistorvippe 144, 159 trefaset brokopling 78 triangelkopling 76 trykkføler 179, 180 turteller (turtallsmåler) 181 turtallsregulering 185 tyristor 47 universalinstrument 58 utlading (batteri) 70 utladning 11

vakuumregulator 116 valenselektroner 10 varmeavledning (tennplugg) 110 varselblinker 144 varslingssummer 183 vekselstrøm 19 vekselstrømsgenerator 75, 83, 84 vernestrømpe 152 voltmeter 13, 56

wedge 136 Y-kopling 76 zenerdiode 44 zenerspenning 45

åpningsvinkel 114