Kiến thức cơ bản về hệ thống điện và điện tử trên ô tô

Công dụng: Điot được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn loại P và N tiếp xúc với nhau.. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động: Khi cho hai lớp bán dẫn P và N tiếp xúc với nhau, các hạt dẫn điện sẽ khu

CHUYÊN ĐỀ 1: KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN ÔTÔ 1.1 CÁC LINH KIỆN THƯỜNG DÙNG TRÊN ÔTÔ

1.1.1 Cầu chì

Cầu chì là thiết bị bảo vệ thông dụng nhất, được nối giữa nguồn điện và

phụ tải dùng để bảo vệ mạch điện khi dòng điện vượt quá giá trị định mức

Trên ôtô cầu chì thường được bố trí thành từng cụm (hộp cầu chì) Hộp

cầu chì thường được bố trí dưới nắp capô hoặc dưới bảng táplô điều khiển

Trên ôtô thường sử dụng 2 loại cầu chì: loại dẹt (Blade fuse) và loại hộp

4

a

3 1

2

b

Hình 1.2 Cấu tạo cầu chì; a Loại dẹt; b.Loại hộp

1 Phần tử nóng chảy; 2 Vỏ; 3 Dòng điện định mức; 4 Đầu nối

Giá trị dòng điện định mức của cầu chì được ghi trên vỏ cầu chì hoặc

được mã hoá bằng màu

Bảng 1.1: Dòng điện định mức của các loại cầu chì

Cầu chì loại dẹt (Blade fuse) Cầu chì loại hộp (Cartridge fuse)

Rơle thường được bố trí thành từng cụm Trên hầu hết các loại xe, các

rơle thường được bố trí dưới nắp capô hoặc dưới bảng táplô điều khiển,…

Rơle bao gồm cuộn dây 2 được quấn trên lõi thép 1, cặp tiếp điểm 3 (gồm tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh) Khi cuôn dây rơle được cấp dòng điện thì trên lõi thép sinh ra lực điện từ làm hút cần tiếp điểm và đóng tiếp điểm, cấp nguồn động lực cho hệ thống làm việc

Rơle dùng trên ôtô có nhiều hình dạng khác nhau: loại 3 chân, 4 chân,

5 chân

2

1 2

3 4

Hình 1.3 Cấu tạo cầu chì; a Từ nguồn; b Đến phụ tải;

1 Lõi thép; 2 Cuôn dây; 3 Tiếp điểm; 4 Công tắc điều khiển

Hình 1.4 Sơ đồ mạch các loại rơle trên ôtô

Hình 1.5 Sơ đồ chân các loại rơle điển hình trên ôtô

Khi rơle ngắt, trên cuộn dây rơle xuất hiện sức điện động tự cảm có thể lên đến 200V có chiều ngược lại, sức điện động này có thể làm hỏng thiết bị điều khiển (Transistor) hỏng Để dập tắt sức điện động ngược, bên trong cuộn dây rơle được nối song song Điot hoặc điện trở (có giá trị lớn)

Việc kiểm tra, chẩn đoán rơle có thể thực hiện bằng cách: quan sát, dùng đồng hồ đo, dùng nguồn điện

Hình 1.6 Sơ đồ mạch các loại rơle tích hợp Điot

Hình 1.7 Sơ đồ mạch điều khiển còi điện

1.1.3 Điot

1.1.3.1 Công dụng:

Điot được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn loại P và N tiếp xúc với nhau Điot chỉ cho dòng điện đi qua theo 1 chiều từ Anode sang Cathode Nó được coi như van một chiều trong mạch điện và được dùng rộng rãi trong các mạch chỉnh lưu, mạch ổn áp, mạch bảo vệ,

1.1.3.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động:

Khi cho hai lớp bán dẫn P và N tiếp xúc với nhau, các hạt dẫn điện sẽ khuếch tán quan lớp tiếp giáp, hình thành điện trường tiếp xúc Etx có chiều từ N sang P Điện trường này tạo nên sự chuyển động gia tốc của các hạt và ngăn cản

sự khuếch tán, tạo nên trạng thái cân bằng động Trạng thái cân bằng động này sẽ

bị phá vỡ nếu khi đặt vào hai lớp tiếp xúc một điện trường ngoài

Khi đặt vào Điot một nguồn điện ngoài Ung có chiều như hình 1.9, sẽ sinh

ra điện trường ngoài Eng có chiều cùng chiều với Etx (chiều từ N sang P) Khi đó, điện trường ngoài Eng xếp chồng với điện trường Etx tạo nên điện trường tổng làm cho các hạt dẫn bị dồn về phía hai đầu lớp bán dẫn, làm tăng bề rộng vùng nghèo điện tích Trong trường hợp này, Điot bị khoá (phân cực ngược)

Hình 1.8 Sơ đồ ký hiệu và cấu tạo của Điot

E tx

Hình 1.10 thể hiện sơ đồ mạch khi phân cực ngược cho Điot, lúc này đèn

Như vậy, tiếp giáp P-N chỉ cho dòng chảy qua một chiều nhất định

Etx

Eng

Ung

Hình 1.9 Sơ đồ ký hiệu và cấu tạo của Điot

Hình 1.10 Sơ đồ mạch khi phân cực ngược cho Điot

Hình 1.12 thể hiện sơ đồ mạch khi phân cực thuận cho Điot, lúc này đèn

sẽ sáng (Lamp on)

1.1.3.3 Đặc tuyến Vôn – Ampe của Điot:

Đặc tuyến Điot biễu thị mối quan hệ giữa dòng điện qua Điot và điện áp đặt trên hai cực A và K của nó (Hình 1.13) Trên đặc tuyến V-A của Điôt có 3 vùng rõ rệt:

Vùng (1): Điot được phân cực thuận, với đặc trưng: dòng điện lớn (mA), điện áp nhỏ, điện trở nhỏ Khi đạt giá trị uAK ≥ u0 thì Điot phân cực (u0 = 0.7V: đối với bán dẫn loại Si; u0 = 0.3V: đối với bán dẫn loại Ge)

Vùng (2): Điot phân cực ngược (khoá), với đặc trưng: điện trở lớn

Vùng (3): Vùng đánh thủng tiếp giáp P-N, với đặc trưng: dòng điện ngược tăng mạnh, điện trở nhỏ, điện áp gần như không đổi và đạt giá trị uđt

Etx

Eng

Ung

Hình 1.11 Sơ đồ ký hiệu và cấu tạo của Điot

Hình 1.12 Sơ đồ ký hiệu và cấu tạo của Điot

1.1.3.4 Phân loại:

¾ Theo vật liệu chế tạo: Điot có 2 loại: Si và Ge

¾ Theo tần số làm việc giới hạn: Điot tần số cao và Điot tần số thấp

¾ Theo công suất: Điot công suất thấp (IAK <300mA), Điot công suất cao

¾ Theo nguyên lý hoạt động và phạm vi ứng dụng:

Hình 1.13 Đặc tuyến V-A của Điot bán dẫn (1): Vùng Điot phân cực thuận; (2): Vùng Điot phân cực ngược;

Hình 1.14 Ký hiệu các loại Điot

a Điot chỉnh lưu; b Điot biến dung; c Điot quang; Điot Zener

- Điot chỉnh lưu: dùng để chỉnh lưu nguồn điện xoay chiều thành nguồn một chiều

- Điot ổn định điện áp (Zener): hoạt động theo cơ chế phân cực ngược Khi phân cực thuận thì Điot Zener hoạt động như Điot chỉnh lưu nhưng khi phân cực ngược thì Điot Zener sẽ giữ cố định điện áp bằng giá trị điện áp trên Zener

- Điot quang (photo Diode): bao gồm: điot phát quang (Light Emitting Diode_LED): khi được phân cực thuận Điot sẽ phát sáng và Điot cảm quang

(photo Diode): khi chiếu ánh sáng vào thì Điot sẽ dẫn

- Điot biến dung (Varicap Diode): thường dùng trong kỹ thuật giao động để ổn định hay điều chỉnh tần số

Hình 1.17 Ký hiệu và hình dạng thực tế của Điot cảm quang

1.1.3.5 Ứng dụng:

a Ứng dụng Điot chỉnh lưu

- Chỉnh lưu nửa chu kỳ:

- Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ

- Chỉnh lưu cầu ba pha

b Ổn định điện áp (Điot Zener):

Hình 1.21 Sơ đồ mạch hệ thống cung cấp trên ôtô (chỉnh lưu cầu ba

e Ứng dụng vệ thiết bị điều khiển

A/C ECU

Hình 1.24 Sơ đồ mạch điều khiển quạt A/C (Điot bảo vệ Transistor)

Hình 1.25 Sơ đồ mạch điều khiển đèn dùng Điot cảm quang

Photo diode

1.1.3.6 Kiểm tra, chẩn đoán:

Việc kiểm tra và chẩn đoán Điot bằng cách dùng đồng hồ điện, được tiến hành như sau:

- Ở thang đo điện trở Rx1 ta tiến hành đặt hai que đo vào hai đầu Điot, sau đó đảo đầu hai que đo

- Nếu quan sát thấy kim đồng hồ một lần lên hết, một lần không lên thì Điot hoạt động tốt

- Nếu quan sát thấy kim đồng hồ một lần lên hết, một lần lên 1/3 vạch thì Điot bị rò rỉ

- Nếu quan sát thấy kim đồng hồ hai lần đều lên hết thì Điot bị thủng

- Nếu quan sát thấy kim đồng hồ hai lần không lên hết thì Điot bị đứt

Hình 1.26 Hình dạng một số loại Điot

a Điot chỉnh lưu; b Điot Zener; c Điot quang

Hình 1.27 Kiểm tra Điot bằng đồng hồ kim

1.1.4 Transistor (BJT)

1.1.4.1 Công dụng:

Transistor được cấu tạo từ ba lớp bán dẫn ghép với nhau, dùng để khuếch đại tín hiệu Transistor là linh kiện rất phổ biến và hầu như có mặt trong tất cả các mạch điện tử

1.1.4.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt:

Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai lớp tiếp giáp P-N Nếu ghép theo thứ tự PNP ta có Transistor thuận, ngược lại nếu ghép theo thứ tự NPN ta có Transistor nghịch Về phương diện cấu tạo thì Transistor tương đương với hai Điot nối ngược chiều nhau

Ba lớp bán dẫn được bối với ba cực:

- Cực giữa, ký hiệu B (Base) là cực gốc: được nối với lớp bán dẫn mỏng nhất và mật độ hạt dẫn thấp nhất

- Cực E (Emitter) là cực phát: được nối với lớp bán dẫn có mật độ hạt dẫn lớn nhất

Hình 1.28 Cấu tạo, sơ đồ tương đương và ký hiệu của Transistor loại NPN

Hình 1.29 Cấu tạo, sơ đồ tương đương và ký hiệu của Transistor loại PNP

- Cực C (Collector) là cực góp: được nối với lớp bán dẫn có mật độ hạt dẫn trung bình

Để Transistor hoạt động thì phải đặt điện áp một chiều vào các cực của nó, gọi là phân cực cho Transistor Khi cấp nguồn UBE và UCE như trên hình 1.30 thì lớp tiếp giáp JE phân cực thuận và JC phân cực ngược

Đối với Transistor loại NPN, do lớp tiếp giáp JE phân cực thuận nên tạo ra điện trường gia tốc các electron từ miền E phun qua lớp tiếp giáp JE tạo thành dòng IE, một phần nhỏ các electron đi vào cực miền B tạo thành dòng IB phần còn lại các electron tiếp tục chuyển động sang lớp tiếp giáp JC, tại đây các electron tiếp tục được gia tốc bởi điện trường (do JC phân cực ngược) và chuyển động qua miền C, tạo thành dòng IC

Tương tự, đối với Transistor loại PNP, do lớp tiếp giáp JE phân cực thuận (hình 1.31) nên tạo ra điện trường gia tốc lỗ trống từ miền E phun qua lớp tiếp giáp JE tạo thành dòng IE, một phần nhỏ các lỗ trống đi vào cực miền B tạo thành dòng IB phần còn lại các lỗ trống tiếp tục chuyển động sang lớp tiếp giáp

Hình 1.30 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của Transistor loại NPN

JC, tại đây các lỗ trống tiếp tục được gia tốc bởi điện trường (do JC phân cực ngược) và chuyển động qua miền C, tạo thành dòng IC

Quan hệ dòng điện qua các cực của Transistor:

β có giá trị khoảng vài chục đến vài trăm

Như vậy, Transistor như là một khoá điện tử, trong đó B là cực điều khiển Để điều khiển phân cực cho Transistor thì:

- Transistor loại PNP: UEB ≥ 0.7V: đối với vật liệu bán dẫn Si và

UEB ≥ 0.3V: đối với vật liệu bán dẫn Ge

- Transistor loại NPN: UBE ≥ 0.7V: đối với vật liệu bán dẫn Si và

UBE ≥ 0.3V: đối với vật liệu bán dẫn Ge

Hình 1.31 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của Transistor loại NPN

1.1.4.3 Đặc tính của Transistor

Transistor có ba chế độ làm việc: chế độ khuếch đại, chế độ dẫn bão hoà

và chế độ ngắt Trong các ứng dụng trên ôtô thường dùng Transistor ở chế độ

dẫn bão hoà và chế độ ngắt

1.1.4.4 Phân loại Transistor

¾ Theo vật liệu lớp bán dẫn: Transistor PNP (thuận) và NPN (nghịch)

¾ Theo công suất: Transistor công suất thấp và transistor công suất cao

¾ Theo chức năng làm việc: Transistor khuếch đại và Transistor chuyển mạch (dẫn bão hoà/ngắt)

¾ Theo cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Transistor lưỡng cực (BJT:

Bipolar Junction Transistor) và Transistor trường (FET: Field - Effect Transistor)

1.1.4.5 Ứng dụng :

Trên ôtô Transistor được sử dụng rất phổ biến trong tấc cả các mạch: mạch điều khiển động cơ quạt điều hoà, mạch điều chỉnh điện áp ( tiết chế bán dẫn), mạch điều khiển đánh lửa, bên trong bộ điều khiển ECU đều có Transistor

để điều khiển cơ cấu chấp hành,…

Hình 1.32 Đặc tính của Transistor

(1): Vùng làm việc khuếch đại; (2): vùng dẫn bão hoà; (3): vùng ngắt

1~100Ω Variable resistor

Base

Emitter

Motor

Hình 1.33 Sơ đồ mạch điều khiển tốc độ quạt điều hoà

From ignition key switch

Pin No 23 Ground G11

Hình 1.34 Sơ đồ mạch điều khiển đánh lửa

1.1.4.5 Chẩn đoán và kiểm tra:

Hiện nay trên thị trường có nhiều loại Transistor do nhiều hãng sản xuất nhưng thông dụng nhất là các Transistor của Nhật, Mỹ và Trung Quốc sản xuất

- Transistor do Nhật sản xuất thường bắt đầu bằng các chữ cái: A, B, C, D,…Ví dụ: A654, B733, C828, D1555,…Trong đó A, B ký hiệu cho Transistor thuận PNP; các Transistor nghịch NPN ký hiệu C, D Các transistor công suất nhỏ ký hiệu: A, C; Các transistor công suất lớn ký hiệu: B, D Thứ tự chân của

Transistor: từ trái sang phải: ECB với Transistor công suất nhỏ; BCE với Transistor công suất lớn

Hình 1.35 Sơ đồ ECU điều khiển các cơ cấu chấp hành

Hình 1.36 Hình dạng một số loại Transistor

a Transistor BJT công suất nhỏ; b Transistor BJT công suất lớn;

c Transistor trường (MOSFET)

- Transistor do Mỹ sản xuất thường bắt đầu bằng 2N,…Ví dụ: 2N2222,

2N3055, 2N4073,…Thứ tự chân của transistor: từ trái sang phải: EBC

- Transistor do Trung Quốc sản xuất: bắt đầu bằng số 3, tiếp theo là hai chữ cái Chữ cái thứ nhất cho biết loại Transistor: A, B là Transistor thuận PNP;

C, D là Transistor nghịch NPN Ví dụ: 3CP25, 3AP20, Thứ tự chân của transistor: từ trái sang phải: CBE

Để xác định các chân của Transistor có thể sử dụng một trong các biện pháp sau:

- Nhớ nguyên tắc thứ tự chân như trên

- Dựa vào sổ tay tra cứu

- Tra cứu trên mạng internet

- Nếu đo từ B sang C và từ B sang E (theo chiều thuận) và đảo vị trí hai que đo (đo theo chiều ngược) kim đều lên ⇒ Transistor bị chập hay bị rò

- Nếu đo chiều thuận từ B sang C hoặc từ B sang E theo chiều thuận mà kim không lên ⇒ Transistor bị đứt BE hoặc BC

- Nếu đo từ E sang C mà kim lên ⇒ Transistor bị chập CE

1.1.5 Mạch tích hợp (IC - Integrated Circuit)

IC là một vi mạch gồm nhiều phần tử như: điện trở, tụ điện, Điot, Transistor,… được tích hợp tại các bề mặt của một chất nền mỏng của vật liệu bán dẫn và được bao bọc trong khối bằng nhựa hoặc gốm Mạch tích hợp được

sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện tử, đặc biệt là trong các vi mạch trên ôtô

Dựa vào mật độ các phần tử tích hợp bên trong, mạch tích hợp được chia làm các loại:

- Mạch tích hợp cỡ nhỏ (SSI): chứa ít hơn 100 phần tử

- Mạch tích hợp cỡ trung bình (MSI): từ 100 - 1000 phần tử

- Mạch tích hợp cỡ lớn (LSI): từ 1000 – 100.000 phần tử

- Mạch tích hợp cỡ rất lớn (VLSI): chứa từ 100.000 phần tử trở lên

Theo cấu trúc và ứng dụng, mạch tích hợp được chia làm:

- Mạch tương tự: dùng để xử lý các tín hiệu tương tự Tín hiệu tương tự là tín hiệu liên tục theo thời gian Đặc điểm của mạch tương tự là tín hiệu đầu ra tỷ

Hình 1.38 Mạch tích hợp (IC)

lệ tuyến tính với tín hiệu đầu vào Các mạch tương tự thông dụng như: mạch

khuếch đại, mạch dao động

- Mạch số: dùng để xử lý các tín hiệu số hay xung số Các mạch số thông

dụng như: mạch logic cơ bản mạch Flip-Flop, mạch đếm,… ứng dụng nhiều

trong đo lường và xử lý thông tin

+ Tín hiệu số: là tín hiệu thay đổi theo mức, biên độ của nó chỉ có hai giá

trị là mức cao (5V, 12V) và mức thấp (0V) Thời gian chuyển đổi từ mức biên độ

thấp lên cao hay từ cao xuống thấp được xem rất ngắn và được xem tức thời

Hình 1.41 minh họa về mạch số: Khi công tắc (switch) đóng thì Transistor

dẫn Uce = 0 (đầu ra mức tín hiệu thấp) Khi công tắc (switch) ngắt thi Transistor

khoá Uce = 12V (đầu ra mức tín hiệu thấp)

Hình 1.41 Sơ đồ mạch số

Các IC số chứa nhiều phần tử khác nhau, được tạo thành từ các mạch logic Các mạch logic này có khả năng xử lý hai hay nhiều các tín hiệu, bao gồm các mạch: AND, OR, XOR, NOT, NAND, NOR

- Cổng logic AND: đầu ra của cổng AND bằng “1” khi tất cả các tín hiệu đầu vào có mức tín hiệu “1” Khi có một tín hiệu đầu vào có mức logic “0” thì đầu ra của cổng AND bằng “0”

Ví dụ: đèn phanh sáng lên khi công tắc máy được mở và công tắc phanh được tác động

Mạch tương đương Mạch thực tế Ký hiệu Quan hệ vào/ra

- Cổng logic OR: đầu ra của cổng OR bằng “1” ít nhất một tín hiệu đầu vào

có mức tín hiệu “1” Khi tất cả các tín hiệu vào bằng “0” thì đầu ra bằng “0”

Mạch tương đương Mạch thực tế Ký hiệu Quan hệ vào/ra

- Cổng logic NAND: là mạch tổ hợp giữa cổng AND và NOT Đầu ra chỉ

bằng “0” khi tất cả các tín hiệu đầu vào có mức tín hiệu “1”

Đầu vào Đầu ra

- Cổng logic NOR: là mạch tổ hợp giữa cổng OR và NOT Đầu ra chỉ bằng

“1” khi tất cả các tín hiệu đầu vào có mức tín hiệu “0”

Đầu vào Đầu ra

1.1.6 Bộ điều khiển (máy tính)

Bộ điều khiển là một vi mạch tổ hợp cỡ lớn dùng để nhận biết tín hiệu,

tính toán, lưu trữ thông tin, quyết định chức năng hoạt động và gửi các tín hiệu

điều khiển thích hợp đến các cơ cấu chấp hành

Trên ôtô có thể một hoặc nhiều bộ điều khiển Bộ phận chủ yếu của nó là

bộ vi xử lý (Microprocessor) hay còn gọi là CPU, CPU lựa chọn các lệnh và xử

lý số liệu từ bộ nhớ ROM và RAM chứa các chương trình và dữ liệu ngõ vào ra

(I/O) điều khiển nhanh số liệu từ các cảm biến và chuyển các dữ liệu đã xử lý

đến điều khiển các cơ cấu chấp hành