elektriska och elektroniska...
TRANSCRIPT
© Copyright 2007 Börje Norlin
1
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Föreläsning 4 & 5
© Copyright 2007 Börje Norlin
2
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Kondensatorn • För att lagra elektrisk laddning
• Användning – Att skydda brytarspetsarna (laddas upp istället för att gnistan bildas) – I datorminnen och bildsensorer (laddning = information) – I filter (ger fasförskjutning / frekvensberoende) – I likriktare (”mini”-batteri som jämnar ut spänningen)
© Copyright 2007 Börje Norlin
3
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Kondensatorer och kapacitans • Plattor med isolerande
material emellan, sk dielektrikum.
• Kapacitans C = Q / U – Där Q laddning (Q mäts i
Coloumb C) och U spänning (mäts i volt V) Kapacitansen C mäts i Farad F
• Geometriskt gäller C = εrε0A/d där ε0=8.85·10-12 F/m εr=1 för luft
© Copyright 2007 Börje Norlin
4
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Kapacitans • Kondensatorn är spänningströg
– Oladdad kondensator leder ström ”obehindrat”. – Laddningen lagras i form av ett elektriskt fält som ger en spänning för
att motverka strömmen.
• Uppladdning av kondensator – När brytaren slås till så börjar ström flyta ”mot” kondensatorn – Elektroner ”trängs” på nedre plattan, på övre finns ”hål” – Spänningen över kondensatorn ökar, kondensatorn ”laddas upp”.
© Copyright 2007 Börje Norlin
5
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Uppladdning av kondensator
V12V
C16.8uF
A BT
G
XSC1
R1
4.7kohm
J1
Key = Space
• Kondensatorn laddas upp
– När brytaren slås till övre läget
• Kondensatorn laddas ur
– När brytaren slås i nedre läget
• Oscilloskopet mäter – Spänningen över
kondensatorn och spänningen efter brytaren
© Copyright 2007 Börje Norlin
6
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Uppladdningskurva • Spänningen 2 V slås till • Kondensatorn börjar att
laddas upp • Uppladdningen följer
ekvationen
• E: batterispänningen t: tiden, R: resistans, C: kapacitansen
– På miniräknare kan ex ibland heta INV ln, eftersom det är motsatsen till naturlig logaritm ln
( ) ( )RCtC eEtU −−⋅= 1
© Copyright 2007 Börje Norlin
7
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Urladdningskurva • Kondensatorn kopplas
till jord • Kondensatorn börjar att
laddas ur • Urladdningen följer
ekvationen
• E: batterispänningen t: tiden, R: resistans, C: kapacitansen
( ) RCtC eEtU −⋅=
© Copyright 2007 Börje Norlin
8
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Beräkning av tidskonstant • Kondensatorn har INGEN egen tidskonstant
– Uppladdningstiden beror på BÅDE kondensatorn och resistorn
• Tidskonstanten • Ex τ = RC = 4.7⋅E3 ⋅ 6.8⋅E-6 = 32 ms • När t = τ blir exponenten i uppl.ekv. -t/RC = -τ/τ = -1 • I ekvationen UC = 2 ⋅ (1-e-1) = 2 ⋅ 0.63 = 1.26 V • MAN KAN MÄTA TIDSKONSTANTEN τ
– Mät tiden tills spänningen når 63 % av batteriets spänning
CR ⋅=τ
© Copyright 2007 Börje Norlin
9
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Mätning av tidskonstant • Tidkonstant
– Mät tiden till 63 %
• Lättare mätning
– Mät tiden till 10 % och 90 %
32 ms
63 %
%)63(t=τ
2,2%)10(%)90( tt −
=τ
10 % 90 %
© Copyright 2007 Börje Norlin
10
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Induktion i spole ”urladdning”
V12V
A BT
G
XSC1
R1
4.7kohm
J1
Key = Space
L1150H
• Ström & magnetfält – Brytaren i övre läget
• Spolen skapar spänning
– För att bevara strömmen och magnetfältet
– När brytaren slås i nedre läget
• Oscilloskopet mäter – Spänningen över spolen
och spänningen efter brytaren
© Copyright 2007 Börje Norlin
11
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Urladdningskurva • Spolen kopplas till jord • Spolen ”behåller”
strömmen genom att ”bums” ändra sin spänningen
• Spänningsfallet över resistorn behålls
© Copyright 2007 Börje Norlin
12
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Induktion utan att jorda
• Avbrott – resistor mot jord • Spolen måste ge betydligt
mycket mer spänning • Kan överbrygga brott i kretsen
– I tändstiftet och i fördelardosan
V12V
A BT
G
XSC1
R1
4.7kohm
J1
Key = Space
L1150H
R2100kohm
© Copyright 2007 Börje Norlin
13
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Växelström - komponenter • Växelström beskrivs enklast i komplex form
– Kräver kännedom om komplex analys – Grund för signalteori
• Lösningsmetoder – Visardiagram – jω-metoden – Komplex effekt – Anpassning
Kapacitans (kondensator) Farad (F)
C Z
Impendans komplex impendans i ohm (Ω)
L
Induktans (spole) Henry (H)
u1(t) u2(t)
M
Transformator
© Copyright 2007 Börje Norlin
14
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Generator och Transformator • Generator
– Ett rörligt magnetfält genererar spänning i en spole
• Motor – Motsatsen till en generator
• Transformator – Två spolar med olika antal lindningsvarv
ändrar spänningen på växelspänning
230V 50Hz
24V 50Hz
© Copyright 2007 Börje Norlin
15
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Batteriladdare Battery charger: (a) external appearance; (b) internal construction.
Copyright ©2003 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458
All rights reserved.
© Copyright 2007 Börje Norlin
16
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Kretsschema för batteriladdare Electrical schematic for the battery charger of FIGURE 2.30.
Copyright ©2003 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458
All rights reserved.
© Copyright 2007 Börje Norlin
17
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Switchat nätaggregat Likspänning
U1
Oscillator
Växelspänning U1
Transformator
Växelspänning U2
Likriktare
Likspänning U2
Fördelar: • Likriktning och glättning vid högre spänningar = mindre kondensatorer • Transformatorerna kan göras mindre • Regleringen görs med reaktiva komponenter (L, C) vilket ger lägre förluster
© Copyright 2007 Börje Norlin
18
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Sinusvåg över kondensator • Strömmen är fasförskjuten
90° före spänningen • Inför reaktans XC = 1/ωC • ω är frekvensen i rad/s • ω = 2⋅π⋅f
© Copyright 2007 Börje Norlin
19
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Sinusvåg över kondensator • Med reaktansen kan Ohms lag användas
• Enheten för reaktans är ohm
• Reaktansen kan serie- och parallellkopplas precis som resistans
CXuiˆˆ =
ΩAV
VAss
111
===
−Cω
© Copyright 2007 Börje Norlin
20
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Ersättningskapacitans
NT
NT
CCCC
XXXX
ωωωω1111
21
21
+⋅⋅⋅++=
=+⋅⋅⋅++=
NT
NT
CCCCXXXXωωωω +⋅⋅⋅++=
=+⋅⋅⋅++=
21
21
1111
NT CCCC1111
21+⋅⋅⋅++= NT CCCC +⋅⋅⋅++= 21
Tvärt om jämfört med resistorer
© Copyright 2007 Börje Norlin
21
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Sinusvåg över spole • Strömmen är fasförskjuten
90° efter spänningen • Inför reaktans XL = ωL
© Copyright 2007 Börje Norlin
22
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Ersättningsinduktans
NT LLLLL +⋅⋅⋅+++= 321NT LLLLL11111
321+⋅⋅⋅+++=
NT
NT
LLLLXXXXωωωω +⋅⋅⋅++==+⋅⋅⋅++=
21
21
NT
NT
LLLL
XXXX
ωωωω1111
1111
21
21
+⋅⋅⋅++=
=+⋅⋅⋅++=
Samma sak som för resistorer
© Copyright 2007 Börje Norlin
23
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Visardiagram • Om man tar projektionen på y-axeln
av en roterande visare får man en sinusformad signal.
• Lägger man till ytterligare en visare som roterar före eller efter den andra får man en sinussignal som är fasförskjuten i förhållande till den första signalen.
© Copyright 2007 Börje Norlin
24
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Visare på enhetscirkeln Definitionen av sinus
xyxy
=
==
ϕ
ϕϕ
tan
cossin
( ) ϕπϕπϕπϕπarctan2-arctan använd För
-för definieratär Tangens=><<
x
y
1
1
ϕ vektorns lutning
horisontell koordinat
vertikal koordinat
© Copyright 2007 Börje Norlin
25
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Visardiagram • Sinusformade strömmar
och spänningar kan rep-resenteras av roterande visare. Rotationen tillför ingen information utan det viktiga är övriga fasvinklar i förhållande till en referensfas.
Länk till 3-fas visardiagram
© Copyright 2007 Börje Norlin
26
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Impendans • Impendansen (visarform) beskriver både reaktansen
och fasförskjutningen. Z = X∠ϕ • För våra tre huvudkomponenter får vi:
R
û
î
°∠=⋅=
0
ˆˆRIU
iRu
î
û
î
û
C L
iC
iXu C ˆ1ˆˆω
==
iXiLu L ˆˆˆ ==ω°−∠= 901 I
CU
ω °∠= 90LIU ω
© Copyright 2007 Börje Norlin
27
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Serieresonans • Generellt för seriekoppling av R, L och C
• Vid resonans är XL och XC lika men motriktade, de tar ut varandra
– All spänning över resistorn
• I verkliga kretsar finns alltid L och C med, OFRIVILLIGT!
© Copyright 2007 Börje Norlin
28
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Spänning över resistorn i RCL-kretsen
© Copyright 2007 Börje Norlin
29
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Effekt i RCL-kretsen
Den reaktiva effekten pendlar mellan spolen och kondensatorn
Aktiv effekt utvecklas däremot i resistorn
© Copyright 2007 Börje Norlin
30
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Resistansens frekvensberoende
© Copyright 2007 Börje Norlin
31
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Spolens frekvensberoende
© Copyright 2007 Börje Norlin
32
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Kondensatorns frekvensberoende
© Copyright 2007 Börje Norlin
33
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
RCL-kretsens frekvensberoende
© Copyright 2007 Börje Norlin
34
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Strömmens frekvensberoende
© Copyright 2007 Börje Norlin
35
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter
Hur R påverkar serieresonans- kretsen
Hur L/C påverkar serieresonans- kretsen