Napěťový napájecí zdroj nebo-li zdroj konstantního napětí (CV) je elektrické zařízení, které poskytuje elektrické napájecí napětí pro funkci elektronických zařízení nebo elektrických obvodů. Jeho hlavní funkcí je dodávat konstantní elektrické napětí o určité hladině. V automobilu je centrálním zdrojem elektrické energie akumulátor spolu s alternátorem; oba systémy vzájemně spolupracují, aby zajistily napájení řídicí jednotky, osvětlení, autorádio, elektronické asistenty, klimatizaci a další komponenty.
Typy napěťových zdrojů a jejich vlastnosti
Lineární napájecí zdroje: Tento typ zdroje generuje napětí lineárně a vytváří relativně čistý signál. Spínané napájecí zdroje: Spínané zdroje používají elektronické spínací prvky, aby efektivně přeměňovaly napětí z jednoho úrovně na jiné. Jsou menší, lehčí a energeticky účinnější než lineární zdroje. Baterie: Baterie jsou přenosnými napěťovými zdroji, které uchovávají chemickou energii a přeměňují ji na elektrickou energii. Solární panely: Solární panely jsou zdrojem elektrického napětí, který využívá sluneční energii k produkci elektrického proudu. Generátory: Generátory jsou zařízení, která generují elektrické napětí mechanickým způsobem, například pomocí spalovacího motoru.
Alternátor jako hlavní zdroj napětí během jízdy
Alternátor je zařízení, které generuje elektrický proud pro všechny elektronické systémy automobilu. Alternátor funguje na základním principu přeměny pohybové energie rotačního pohybu na elektrickou energii v podobě střídavého proudu. Tento otáčivý pohyb tvoří základ pro generování napětí a proudu na principu elektromagnetické indukce. Vzniklý střídavý proud je prostřednictvím polovodičových usměrňovacích diod přeměněn na stejnosměrný proud. To ale pro samotnou funkci ještě nestačí. Při rozdílných otáčkách motoru dochází k výkyvům generovaného napětí, proto je nutné napětí regulovat.
Hlavní část alternátoru tvoří stator s většinou třífázovým vinutím a pohyblivý rotor neboli kotva alternátoru. Obě části jsou uschovány v hliníkové konstrukci, která je složena z předního a zadního víka. Na přední víko navazuje řemenice umožňující pomocí řemene náhon rotoru a často také ventilátoru. Alternátory, jakožto celé zařízení s usměrňovacími diodami a regulátorem napětí jsou napojeny přímo na autobaterii. Nabíjecí proud proto přímo prochází přes akumulátor k ostatním elektronickým zařízením automobilu.
Provozní napětí a diagnostika alternátoru
Alternátor by měl dodávat napětí v rozmezí od 13,8 do 14,4 V, případně u starších automobilů vyšší napětí okolo 14,6 V. Počátečním signálem špatného alternátoru je červeně svítící kontrolka dobíjení na palubní desce. A pokud kontrolka v hlášení rizika zklame, odhalí vadu alternátoru například slábnoucí svítivost světlometů. Poškozený alternátor totiž nedobíjí autobaterii, která v tomto režimu napájí elektronické součásti vozidla, a postupně se vybíjí. Při zjištění problémů nejdříve proveďte kontrolu správného zapojení alternátoru a jeho přeměření. Důkladně zkontrolujte ukostření a zjistěte, zda nejsou propojovací kabely poškozené.
Opakem nedobíjení je přebíjení, které s sebou rovněž nese negativní následky. Doprovodným jevem závady je přepětí způsobující spálení žárovek a případný pach kyseliny z autobaterie, která se přebíjí. Mezizávitový zkrat se projevuje hučením, které lze snadno zaměnit za zvuk vadných ložisek. Netypický zvuk ale způsobuje právě mezizávitový zkrat mezi fázemi statorového vinutí. Během zkratu přestane alternátor dobíjet a rozsvítí se červená kontrolka dobíjení. Pískání a také hučení indikuje buď vadná ložiska nebo poškozený či prokluzující klínový řemen, který přenáší krouticí moment na řemenici alternátoru. V případě vadného řemenu je řešením výměna řemene a jeho správné napnutí. V případě vadných ložisek je výměna složitá a nerentabilní.
Inside The Alternator, Alternator Working Principle and Circuit Diagram
Autobaterie: úlohy, typy a parametry
V případě, kdy alternátor nefunguje správně, a nedodává elektrickou energii, slouží jako zdroj elektrické energie autobaterie. Při zvyšujícím se množství elektronických součástek kapacita baterie vystačí pouze na několik hodin. S bateriemi se setkáte na každém kroku - od miniaturních jednorázových knoflíkových v kalkulačce a teploměru přes nabíjecí baterie do mobilních telefonů až po akumulátorové baterie v autech a lodích.
Nabíjecí baterie jsou koncipovány tak, aby chemické děje na elektrodách byly vratné. Odborně se těmto sekundárním článkům říká akumulátory. Nejběžnějším typem byly donedávna akumulátory nikl-kadmiové, nikl-metal hydridové a olověné (autobaterie). Každý článek, ať primární či sekundární, vytváří napětí řádově desetiny až jednotky voltu. Vyššího napětí dosáhneme jejich zapojením do série.
Kapacita, napětí a vnitřní odpor
Kapacita zdroje (článku, akumulátoru) je náboj Q = It, který dokáže zdroj přečerpat během jednoho vybití. Jednotkou kapacity zdroje je ampérhodina (Ah), případně miliampérhodina (mAh). Z kapacity v Ah lze snadno vypočítat elektrickou energii, kterou může do připojeného obvodu dodat plně nabitý zdroj. Platí E = U · It = UQ čili stačí kapacitu vynásobit napětím zdroje a získáme energii. Životnost jednorázové baterie končí jejím vybitím.
Napětí se odvíjí primárně od konstrukce zdroje - z jakého materiálu jsou elektrody a elektrolyt. Napětí během používání kolísá v závislosti na míře nabití a na odebíraném proudu. Předpokládejme nejprve, že zdroj není zapojen do obvodu (neodebíráme proud). Napětí mezi póly tohoto nezatíženého zdroje se nazývá elektromotorické napětí Ue. Při zkoumání souvislosti mezi napětím a proudem zjišťujeme, že napětí mezi póly zdroje klesá tím víc, čím větší proud zdrojem teče, a že tento pokles je pro nepříliš velké proudy lineární. Obecně platí, že u zdrojů s velkým vnitřním odporem svorkové napětí při zatížení výrazně klesá, jsou to měkké zdroje (např. plochá baterie, fotovoltaický článek, knoflíková baterie do hodinek). Naopak tvrdé zdroje mají malý vnitřní odpor, a tím pádem jejich svorkové napětí se při zatížení mění jen velmi málo (např. Li-ion akumulátor v mobilu).
Jak zdroj vytváří napětí: základní mechanismy
Stejnosměrné zdroje mají jednu svorku trvale kladnou (kladný pól, nedostatek elektronů) a druhou trvale zápornou (přebytek elektronů). Napětí mezi svorkami nemění polaritu. Polarita svorek střídavého zdroje se mění - po určitou dobu je + na jedné svorce, pak se situace obrátí. Takový zdroj vytváří proměnlivé napětí, jehož znaménko se střídavě mění.
Elektrochemické zdroje - typicky články a akumulátory - k tomu využívají energii chemických látek. Vytvářejí vždy stejnosměrné napětí. Funkování elektrochemických zdrojů, nazývaných též galvanické články, využívá zdokonalený princip historicky prvního článku, který sestavil Alessandro Volta v roce 1800. K vytvoření článku totiž stačí dva různé kovy a elektrolyt (= kapalina obsahující ionty).
Zdroj8.10a - Vynálezce prvního elektrického zdroje Alessandro Volta na někdejší desetitisícilirové bankovce - Italové jsou na něj patřičně hrdí. Zdroj8.10b - Takto vypadal původní Voltův zdroj - jedná se o baterii článků zapojených do série, elektrody byly odděleny plátnem namočeným v kyselině. Zdroj8.10c - Z běžných materiálů si můžete postavit vlastní zdroj. Zajisté uhodnete, co se stane, když do elektrolytu ponoříme dva stejné kovy - ano, oba se nabijí stejně, takže napětí mezi nimi bude nulové. Musíme tudíž vzít dva různé kovy.
Elektromagnetické a termoelektrické zdroje
Zdroje elektromagnetické - například dynamo a alternátor - jsou založeny na jevu zvaném elektromagnetická indukce. V posledních deseti letech do popředí vystupují zdroje fotovoltaické - typicky fotovoltaické panely solární elektrárny, ale i miniaturní článek na kalkulačce -, které vytvářejí stejnosměrné napětí díky vnitřnímu fotoelektrickému jevu. Dočtete se o nich více v 25.
Pro úplnost dodejme, že napětí vzniká i pouhou nerovnováhou teplot - termoelektrický jev se využívá k měření teploty v termočláncích. Vzniklé napětí je malé, řádově 10 µV na jeden °C. Pro nepříliš velký teplotní rozdíl Δt můžeme termoelektrické napětí zapsat vztahem U = α · Δt, kde α ≈ 10−5 V/°C.
Praktické rady pro kutily a majitele vozidel
Než budete v automobilu cokoli přepojovat, musíte si být jistí, jestli máte alternátor a ostatní potřebné informace o vozidle; pokud ne, nic v autě neprepojujte. Rada: Pokud se chystáte opravovat karoserii či rám auta svařováním elektrickým obloukem, vždy alternátor odpojte. Zvýšenou pozornost a především dodržování pravidel vyžaduje pak manipulace s alternátorem a jeho měření.
Pro uživatele, kteří chtějí například postavit vlastní imobilizér, je důležité vědět, kde v elektrickém okruhu je vodič, na kterém je napětí (12 V nebo 5 V) až po nastartování, tedy během chodu motoru. Každopádně je potřeba, aby to bylo spolehlivé (např. aby napětí nekolísalo během jízdy apod.). Nejcasteji se odpojuje palivove cerpadlo; já měl na mysli imobilizer, tzn. důmyslnější zařízení - odpojení nějakého (i více okruhů najednou) okruhu který je ukryt pod palubovkou (tj. samozřejmě žádný imobilizer ti neochrání auto, když pro něj přijede někdo schopný odpojit imobilizer za jízdy). Kamaradovi jsem vyráběl něco na principu tajného vypínače, ale řešil jsem to magnetickým kontaktem za plastama, na klíčích nosil přívěsek s magnetem. Blbě se hledá tajný vypínač schovaný pod plastem. Po sepnutí se přitáhlo relé a drželo do vypnutí klíčů.
Bezpečnost a omezení
Samozřejmě žádný jednoduchý mechanický nebo elektronický trik automobilu plně neochrání proti odtažení; zkušenější člověk může přehodit tahla nebo provést jiné zásahy. Dokonce se někdy uvádí, že někomu ukradli auto i když měl vypnuté čerpadlo - možná jde o povídačku, ale rizika existují. Pokud nevíš jestli máš vůbec alternátor, ani jiný další informace o autě, tak raději v autě nic neprepojuj.
Tabulka: srovnání zdrojů napětí (stručně)
| Typ zdroje | Princip | Výhody | Nevýhody |
|---|---|---|---|
| Alternátor | Elektromagnetická indukce + usměrnění | Dodává energii při chodu motoru, vysoký výkon | Citlivý na mechanické vady, potřeba regulace napětí |
| Autobaterie (olověná) | Elektrochemické reakce | Umožňuje start a napájení bez chodu motoru | Omezená kapacita, ztráta při vybíjení, hmotnost |
| Spínaný zdroj | Elektronické spínání | Malé rozměry, účinnost | Rušení, složitost |
| Lineární zdroj | Lineární regulace | Čistý výstup | Velké rozměry, nízká účinnost |
| Fotovoltaika | Fotoelektrický jev | Obnovitelný zdroj | Závislost na slunci, nízké napětí/ výkon |
Časté závady a jejich příznaky
- Pomalé vybíjení baterie a rozsvícená kontrolka dobíjení - pravděpodobné nedobíjení alternátoru nebo špatné ukostření.
- Přepětí, pálení žárovek a pach kyseliny - přebíjení, vadný regulátor napětí.
- Hučení nebo pískání - mezizávitový zkrat statoru nebo vadná ložiska/klínový řemen.
- Výrazný pokles svorkového napětí při zátěži - vysoký vnitřní odpor baterie (měkký zdroj).
Jak měřit a ověřit funkci
Nejprve zkontrolujte napětí na baterii při vypnutém motoru (elektromotorické napětí Ue). Poté změřte napětí při běžícím motoru - mělo by být v rozmezí ~13,8-14,4 V. Přitom proveďte vizuální kontrolu kabelů, kostření a řemene alternátoru. Při podezření na mezizávitový zkrat poslouchejte netypické zvuky z alternátoru a ověřte stav ložisek a řemene.
tags: #zdroj #elektrickeho #napeti #v #automobilu