1 DIEN VA DIEN TU TREN OTO

THIẾT BỊ ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG TRÊN Ô TÔ I. CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN 1. Khái quát về điện Các thiết bị điện được sử dụng trong nhiều hệ thống của ô tô và có các chức năng khác nhau. 1.1 Các chức năng của điện Hình 1. Các thiết bị điện Chức năng phát nhiệt Nhiệt được tạo ra khi điện đi qua một điện trở, như cái châm thuốc lá, cầu chì. Chức năng phát sáng Ánh sáng được phát ra khi điện đi qua một điện trở, như một bóng đèn phát sáng. Chức năng từ tính Một lực từ được tạo ra khi điện đi qua một dây dẫn hoặc cuộn dây, như cuộn dây đánh lửa, máy phát điện, kim phun. Mọi chất đều có các nguyên tử, các nguyên tử gồm có hạt nhân và các điện tử. Một nguyên tử kim loại có các điện tử tự do. Các điện tử tự do là các điện tử có thể chuyển động tự do từ các nguyên tử. Việc truyền các nguyên tử tự do này trong các nguyên tử kim loại sẽ tạo ra điện. Do đó điện chạy qua một mạch điện là sự di chuyển của các điện tử trong một dây dẫn. Khi đặt một điện áp vào cả 2 đầu của một dây dẫn kim loại, các điện tử chạy từ cực âm đến cực dương. Chiều chuyển động của dòng điện tử ngược chiều với chiều của dòng điện. 1.2 Ba yếu tố của điện U R I  Điện bao gồm ba yếu tố cơ bản: Dòng điện Đây là dòng chảy qua một mạch điện. Đơn vị : A (Ampe) Điện áp Đây là lực điện động làm dòng điện chạy qua một mạch điện. Điện áp càng cao thì lượng dòng điện càng lớn sẽ chảy qua mạch điện này. Đơn vị : V (Vôn) Điện trở Đây là phần đối lập với dòng điệ

THIẾT BỊ ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ

SỬ DỤNG TRÊN Ô TÔ

TP Hồ Chí Minh, 04 năm 2009

I CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN

1 Khái quát về điện

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

1.1 Các chức năng của điện

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

1.2 Ba yếu tố của điện

R

U

I Điện bao gồm ba yếu tố cơ bản:

Hình 2 Dòng điện trong dây dẫn

1.3 Công suất

Công suất điện được thể hiện bằng lượng công do một thiết bị điện thực hiện trong một giây

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

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

Công suất được tính theo công thức sau:

1.4 Dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều

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

- Dòng điện một chiều (DC)

Đây là loại dòng điện chạy theo chiều không thay đổi, từ cực dương đến cực âm, như trong ắc quy của ô tô hoặc pin khô

- Dòng điện xoay chiều (AC)

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

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

Trong trường hợp đặc biệt, nếu không có vòng số 4 (loại điện trở có 3 vòng màu) thì sai số là 20%

Cách đọc:

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

Lưu ý khi mua điện trở:

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

có giá trị như sau:

Bảng 2 Giá trị của các vạch màu

Đối với điện trở có 5 vòng màu, cách đọc tương tự như điện trở 4 vòng màu, chỉ khác

là 3 vòng màu đầu tiên chỉ 3 số, vòng 4 chỉ số bội, vòng 5 là sai số

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

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

Hình 5 Nhiệt điện trở

Có hai loại nhiệt trở:

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

- Điện trở nhiệt có hệ số nhiệt điện trở dương là loại nhiệt điện trở khi nhận được nhiệt

độ cao hơn thì trị số điện trở tăng lên

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

Hình 6 Cảm biến nhiệt độ

Ví dụ về ứng dụng:

Trong các xe ô tô, các nhiệt điện trở được sử dụng trong cảm biến nhiệt độ nước và

cảm biến nhiệt độ không khí nạp, v.v

Phần tử áp điện:

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

Phần tử từ trở:

Điện trở của một phần tử từ trở sẽ thay đổi khi từ trường đặt vào nó

Vì các thay đổi về điện trở trong các phần tử này nhỏ, các IC (các mạch tích hợp) được khuyếch đại Sau đó điện trở này được biến đổi thành xung hoặc các tín hiệu tương tự

để sử dụng chúng như các tín hiệu cảm biến

Hình 7 Phần tử áp điện

3 Tụ điện

Một tụ điện có các điện cực, gồm có 2 tấm kim loại hoặc các màng kim loại đối diện với nhau Chất cách điện (hoặc chất điện môi), có thể làm bằng các chất cách điện khác nhau, được đặt giữa các điện cực Trong sơ đồ này, không khí có tác dụng như chất cách điện

Hình 8 Tụ điện

Khi đặt điện áp vào cả 2 điện cực bằng cách nối các cực âm và dương của một ắc quy, các điện cực sẽ tích điện dương và âm Khi các điện cực của một tụ điện tích điện bị đoản mạch, sẽ có một dòng điện tức thời chạy từ bản cực (+) đến bản cực (-) làm trung hòa tụ điện Vì vậy tụ điện này được phóng điện Ngoài chức năng tích điện mô tả trên đây, một đặc điểm đáng kể của một tụ điện là nó ngăn không cho dòng điện một chiều chạy qua

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

Mạch điều chỉnh đối với nguồn điện, một dòng điện dự phòng cho bộ vi xử lí, một mạch định thời sử dụng lượng thời gian cần thiết để nạp và phóng điện cho tụ điện, mạch dùng tụ để ngăn dòng điện một chiều, các bộ lọc để trích hoặc loại bỏ các thành phần cụ thể của tần số Bằng cách dùng các đặc điểm này, các tụ điện được sử dụng trong các mạch điện của ô tô cho nhiều mục đích, chẳng hạn như để loại trừ nhiễu hoặc thay thế cho nguồn điện hoặc một công tắc

Các đặc điểm tích điện của tụ điện

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

Hình 9 Hoạt động phóng nạp của tụ điện

4 Công tắc, cầu chì và relay

4.1 Công tắc

Công tắc là một thiết bị đóng ngắt dòng điện do con người tác động Do yêu cầu về thẩm mỹ và không gian lắp đặt nên kích thước công tắc ngày càng nhỏ gọn hơn Công tắc cũng có nhiều loại khác nhau tùy thuộc vào công dụng của nó

- Công tắc xoay

Hình 10 Công tắc xoay

- Công tắc ấn, công tắc bập bênh

Hình 8 Công tắc ấn Hình 11 Công tắc bập bênh

- Công tắc cần, công tắc phát hiện nhiệt độ

Sơ đồ ở Hình 15 mô tả cơ chế làm việc của một relay Khi đóng công tắc, dòng điện chạy giữa các điểm 1 và 2, do đó từ hóa cuộn dây Lực từ của cuộn dây hút tiếp điểm

di động giữa các điểm 3 và 4 Do đó, các điểm 3 và 4 đóng lại và để dòng điện chạy vào bóng đèn Vì vậy qua việc sử dụng một relay, công tắc và dây dẫn đến công tắc có thể có công suất thấp

Hình 17 Mạch điện điều khiển

- Loại 2 tiếp điểm:

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

trong sơ đồ này

Một dây dẫn có thể chuyển động tự do được đặt giữa các cực N và S của một nam

châm được thể hiện trong Hình 17 Sau đó, mắc một điện kế vào dây dẫn để thành

một mạch kín Khi dịch chuyển dây dẫn này giữa các cực từ như thể hiện trong sơ đồ,

kim chỉ của điện kế sẽ xoay đi

(B)

(D)

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

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

đó sức điện động này được gọi là sức điện động cảm ứng

Chiều dòng điện

Hình 18 cho thấy mối quan hệ giữa chiều của từ trường, chiều của dòng điện cảm ứng,

và chiều di chuyển của dây dẫn Mối quan hệ này được gọi là quy tắc bàn tay phải của Fleming

5.2 Nguyên lí về máy phát điện

Hình 21 Nguyên lý máy phát điện xoay chiều

Đại lượng và chiều của sức điện động cảm ứng được tạo ra bằng cách quay một cuộn dây sẽ thay đổi theo vị trí của cuộn dây này

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

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

5.3 Hiệu ứng tự cảm

Hình 22 Hiệu ứng tự cảm

Khi đóng hoặc mở công tắc trong sơ đồ (1), từ thông trong cuộn dây sẽ thay đổi Khi

đó một sức điện động được sinh ra trong cuộn dây Để tạo ra các điều kiện giống như vậy mà không làm cho dòng điện chạy qua cuộn dây này, ta dịch chuyển một nam châm ra vào một cuộn dây như thể hiện trong sơ đồ (2)

Chuyển động của một nam châm ra và vào một cuộn dây sẽ tạo ra sức điện động trong cuộn dây đó Sức điện động này được tạo ra bất kể là có dòng điện chạy trong cuộn dây hay không

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

Hiệu ứng cảm ứng tương hỗ

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

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

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

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

Hình 23 Hiệu ứng cảm ứng tương hỗ

- Thay đổi tốc độ của từ thông:

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

- Lượng từ thông:

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

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

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

Hình 25 Đo điện áp xoay chiều Hình 26 Đo điện áp dòng một chiều

6.3 Đo điện áp của dòng một chiều

đầu thử vào mỗi đầu của một điện trở hoặc một cuộn dây để đo điện trở Phải bảo đảm rằng không đặt điện áp vào điện trở ở thời điểm này Không thể đo được diode trong phạm vi này, vì điện áp được sử dụng của diode thấp

Hình 27 Đo điện trở Hình 28 Đo diode

6.5 Kiểm tra thông mạch

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

6.7 Đo cường độ của dòng điện một chiều

II CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ

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

bộ vi xử lý gồm các transistor và các diode Các thiết bị điện tử này đã thay thế nhiều thiết bị cơ khí trong quá khứ Các thiết bị điện tử được thiết kế có nhiều chức năng hơn

và nhỏ gọn hơn các thiết bị cơ khí

Các đặc tính của chất bán dẫn:

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

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

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

cơ học

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

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

Hình 31 Chất bán dẫn loại N và loại P

- Các chất bán dẫn loại N: Một chất bán dẫn loại N gồm có một chất nền là silic (Si)

hoặc germani (Ge), đã được pha trộn với một lượng nhỏ asen (As) hoặc phốtpho (P) để cung cấp cho nó nhiều điện tử tự do, có thể chuyển động dễ dàng qua silic hoặc

germani để tạo ra dòng điện Chữ "n" của chất bán dẫn loại n có nghĩa là "âm"

Hình 32 Hoạt động của diode

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

silic (Si) hoặc germani (Ge) đã được pha trộn với gali (Ga) hoặc Indi (In) để tạo ra

"các lỗ", có thể coi là các điện tử "khuyết" và vì các tích điện dương chạy theo chiều ngược với các điện tử tự do Chữ "p" của chất bán dẫn loại P có nghĩa là "dương"

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

- Khi cực dương (+) của ắc quy được nối với phía P và cực âm (-) nối với phía N, các

lỗ dương của chất bán dẫn loại P và cực dương của ắc quy đẩy lẫn nhau Và các điện

tử tự do của chất bán dẫn loại N và cực âm của ắcquy đẩy lẫn nhau, vì vậy đẩy chúng

về khu vực nối p-n Do đó các điện tử tự do và các lỗ dương này hút lẫn nhau, như vậy làm cho dòng điện chạy qua khu vực nối p-n

- Khi đảo ngược các cực ở ắcquy, các lỗ dương của chất bán dẫn loại p và cực âm của ắcquy hút lẫn nhau, và các điện tử tự do của chất bán dẫn loại n và cực dương của ắc quy hút lẫn nhau, vì thế kéo xa khỏi khu vực nối p-n Kết quả là, một lớp không chứa các điện tử tự do hoặc các lỗ dương được tạo nên ở khu vực nối p-n, vì vậy ngăn chặn dòng điện chạy qua

2.1 Diode thường

Diode thường làm cho dòng điện chỉ chạy theo một chiều: từ phía p sang phía n Cần

có một điện áp tối thiểu để dòng điện chạy từ phía p sang phía n

- Diode silic (A) : khoảng 0,7V

- Diode germani (B) : khoảng 0,3V

Hình 33 Diode thường

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

là đánh thủng diode, và điện áp này được gọi là điện áp đánh thủng

Chức năng chỉnh lưu:

- Điện áp chỉnh lưu bán kỳ:

Điện áp từ máy phát AC được đặt vào một diode

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

Hình 34 Hoạt động chỉnh lưu

- Chỉnh lưu toàn kỳ:

Khi cực A của máy phát là dương, cực B là âm, và dòng điện chạy như thể hiện ở sơ

đồ trên của hình minh họa (2) Khi sự phân cực của các đầu này ngược lại, dòng điện chạy như thể hiện ở sơ đồ dưới của hình minh họa (2) Điều này có nghĩa là dòng điện

ra luôn luôn chỉ chạy về một chiều qua điện trở R

Hình 37 Hoạt động của diode Zenner

Dòng điện chạy theo chiều thuận từ phía p sang phía n qua một diode Zener như một diode thường Một dòng điện chạy theo chiều ngược lại khi điện áp đặt vào hai đầu Zenner lớn hơn điện áp hoạt động của nó Điều này được gọi là điện áp Zener,

nó giữ nguyên không thay đổi trong thực tế, bất kể cường độ của dòng điện như thế nào Một diode Zener có thể ấn định với các điện áp hoạt động khác nhau tuỳ theo

sự áp dụng hoặc mục đích của nó

2.2.3 Ví dụ về ứng dụng

Các diode Zener được sử dụng cho các mục đích khác nhau, quan trọng nhất là được

sử dụng trong bộ tiết chế cho máy phát điện xoay chiều Điện áp ra được điều chỉnh thường xuyên, bằng cách gắn diode Zener vào một mạch điện

Hình 38 Ứng dụng của diode Zenner

2.3 LED (Diode phát sáng)

2.3.1 Mô tả

LED là một diode liên kết p-n cũng giống như diode thường Nó phát sáng khi một dòng điện đi qua theo một chiều thuận, các LED có thể phát sáng với các màu khác