Устройство автомобилей

Система электроснабжения

Общие сведения об электроснабжении автомобиля

Все элементы электрооборудования автомобиля можно разделить на две группы: источники электрического напряжения (или система электроснабжения), и потребители электрической энергии.

Система электроснабжения предназначена для питания всех электропотребителей, выполняющих функции, необходимые для нормальной работы автомобиля. Основу автомобильных систем электроснабжения составляют портативные источники электроэнергии – аккумуляторы и генераторы.

Современный автомобиль оснащен различными устройствами, использующими для своей работы электрическую энергию. Такие устройства называются электропотребителями, которые в совокупности с источниками или накопителями энергии образуют систему электрооборудования автомобиля.

Применение электрических и электронных устройств для функционирования различных систем, приборов, элементов и механизмов автомобиля очень удобно с технической точки зрения, поскольку электроэнергию можно накопить, она легко передается на расстояние, ее легко получить преобразованием других видов энергии, и, что немаловажно – без какой-либо обработки использовать по назначению.

Проблемным остается лишь вопрос накопления электроэнергии впрок, поскольку современные накопители – аккумуляторы (аккумуляторные батареи) – обладают ограниченной емкостью, и не способны обеспечивать функционирование потребителей длительное время. По этой причине автомобили оборудуются электрическими машинами — генераторами, способными преобразовывать механическую энергию в электрическую, отбирая часть механической энергии у работающего двигателя. Полученная таким образом электроэнергия используется для функционирования потребителей при работающем двигателе, а также для пополнения и поддержания необходимого запаса в аккумуляторной батарее.

Основными потребителями электроэнергии в автомобиле являются система зажигания, микропроцессорная система управления впрыском и зажиганием, система пуска двигателя, системы освещения и сигнализации, контрольно-измерительные приборы и различное дополнительное оборудование и устройства. Количество электрооборудования на автомобилях с каждым годом увеличивается, поэтому разработчикам и конструкторам приходится постоянно трудиться над усовершенствованием системы электроснабжения.

Как правило, для питания приборов электрооборудования автомобилей используется электрический ток постоянного напряжения 12 или 24 В. В автомобилях используется параллельное подключение приборов, а поскольку основные элементы автомобиля изготовлены из металла, являющегося хорошим проводником тока, как правило, системы электрооборудования составляются по однопроводной схеме. Вторым проводом в этом случае является металлические детали автомобиля, т. е. его корпус или так называемая «масса».

Для описания работы электрооборудования используется электрическая принципиальная схема (рис. 1.1, а), которая дает полное представление о взаимодействии всех ее элементов и облегчает поиск неисправностей. Главные питающие цепи в принципиальной электрической схеме располагаются горизонтально, а потребители электроэнергии – между ними и «массой» автомобиля.

Схема соединений (рис. 1) показывает действительное расположение элементов электрооборудования на автомобиле и фактическое подключение их в бортовую сеть автомобиля с указанием выхода из пучка каждого провода, расположения переходных колодок, элементов защиты цепи и т. д.

Как правило, к «массе» автомобиля подсоединены отрицательные выводы электросети.

Источниками электроэнергии на автомобиле являются генератор и аккумуляторная батарея, которые включаются параллельно друг другу.

При работающем двигателе генератор является основным источником электроэнергии и обеспечивает электроснабжение потребителей и подзарядку аккумуляторной батареи. При неработающем двигателе функция источника электроэнергии переходит к аккумуляторной батарее, которая также должна обеспечивать надежный пуск двигателя.

Поскольку автомобильные генераторы работают в режимах переменных частот вращения и нагрузок, изменяющихся в широких пределах, для автоматического поддержания электрического напряжения на заданном уровне применяют различные регуляторы напряжения.

Управление питанием устройств автомобильной электроники

Maxim MAX16833 MAX16946 MAX16948 MAX20003

Masayuki Nakagawa, Maxim Integrated

Application Note 5346

В этой статье обсуждаются некоторые вопросы, связанные с требованиями к выбору и использованию микросхем для таких устройств автоэлектроники, как средства управления двигателем, информационно-развлекательные системы и кузовная электроника. Дано также краткое описание нескольких микросхем компании Maxim, идеально подходящих для силовых автомобильных приложений.

Введение

Аналоговые микросхемы и микросхемы смешанных сигналов компании Maxim получили широкое признание на рынке автомобильной электроники. Это связано с тем, что во множестве технологий цифровых арифметических вычислений, используемых в навигационных устройствах, коммуникационных системах и датчиках, требуется высокоскоростная обработка больших объемов данных.

Для поддержания строгих стандартов качества, установленных для бортовой электроники автомобилей, Maxim повысила сертификационный уровень требований к системе менеджмента до автомобильного стандарта TS 16949, удовлетворяющего всем предписаниям AECQ-100 в части обеспечения надежности отдельного устройства, и, в то же время, регламентирующего порядок проведения индивидуальных тестов, запрашиваемых каждым пользователем. В этой статье дано описание нескольких продуктов, предназначенных для схем автомобильной электроники.

3-амперный понижающий DC/DC преобразователь с встроенным МОП транзистором

Возрастающая сложность и насыщенность низковольтными компонентами электронных устройств современных автомобилей требуют исключительно высокой эффективности силовых микросхем. Поскольку микросхемы управления питанием устанавливаются и в радиоустройствах, важно, чтобы рабочая частота переключения микросхемы была синхронизирована с частотой радиоустройства и не оказывала влияния на работу радио- и телевизионных приемников, GPS и других систем.

Полностью синхронный одноканальный понижающий преобразователь MAX20003 с управлением по выходному току в отсутствие нагрузки потребляет всего 15 мкА. При сбросе нагрузки микросхема способна выдерживать скачки напряжения до 45 В, полностью отвечая требованиям, предъявляемым к надежности бортовых устройств (Рисунок 1). Устройство рассчитано на входные напряжения от 3.5 В до 36 В, а выходное напряжение может устанавливаться в диапазоне от 1 В до 10 В.

В последнее время ужесточились требования к величине КПД при малых токах нагрузки, из которых вытекает необходимость обязательного снижения потерь переключения путем введения режима пропуска импульсов. Для снижения мощности, рассеиваемой при облегченных нагрузках, MAX20003 переключается в этот режим, а для питания внутренних цепей использует выходное напряжение. В результате КПД микросхемы достигает 83% даже в таких неоптимальных условиях, когда входное напряжение равно 14 В, выходное – 3.3 В, а ток нагрузки равен 10 мА.

Частота переключения MAX20003 может программироваться в диапазоне от 220 кГц до 2.2 МГц с помощью внешнего резистора, подключенного между выводом FOSC и землей. Работа на частоте 2.2 МГц позволяет вывести частоту переключения MAX20003 за пределы диапазонов ДВ и СВ, чтобы ослабить влияние электромагнитных излучений. MAX20003 выпускаются в 20-выводном корпусе TQFN размером 5 × 5 мм со вскрытым теплоотводящим основанием и требует совсем немного внешних компонентов.

LDO стабилизатор со встроенным усилителем датчика тока и переключателем для выносной антенны

Большинство электронных систем, таких как радиоприемники, телевизионные приемники и GPS, монтируется в автомобилях. Однако ряд устройств, преобразующих радиосигналы в электрические сигналы, а также антенны часто устанавливаются отдельно от основной системы. В таком случае необходимо следить за проблемами, возникающими как в бортовом оборудовании, так и в выносных устройствах, и иметь возможность предавать всю информацию главной системе.

Для поддержки выносных электронных устройств автомобиля была разработана микросхема MAX16946 (Рисунок 2). Принцип работы этого устройства состоит в том, что напряжение бортовой аккумуляторной батареи преобразуется системой линейного регулятора в любое напряжение от 3.3 В до 15 В. Потребляемый ток измеряется с помощью встроенного усилителя датчика тока и выводится в форме аналогового сигнала.

В случае обнаружения на выходе короткого замыкания, обрыва «земли», перегрузки по току, обрыва нагрузки или иных проблем, каждая из них обозначается установкой соответствующего флага. При окружающей температуре 85 °C устройство может отдавать в нагрузку ток 500 мА, а на случай его перегрева предусмотрено устройство защитного отключения.

Кроме того, для обеспечения совместимости с многоканальными источниками питания, выпускается двухканальная версия LDO стабилизатора – MAX16948. Эти микросхемы выполняют свои функции с помощью системы линейного регулирования, однако, в ожидании ужесточения требований к энергосбережению, Maxim прорабатывает возможность перехода на импульсные системы.

Драйвер светодиодов высокой яркости с встроенным высоковольтным усилителем датчика тока

В последние годы увеличивается количество автомобилей, оборудованных фарами на основе светодиодов высокой интенсивности. Это закономерно, поскольку светодиоды отличаются от галогенных и ксеноновых ламп большей эффективностью, увеличенным ресурсом и безупречной эстетикой дизайна. Однако для используемых в автоэлектронике светодиодных ламп необходима сложная аналоговая технология управления, способная поддерживать интенсивность их излучения на неизменном уровне в очень широком диапазоне напряжений аккумуляторной батареи.

Драйвер высокоинтенсивных светодиодов MAX16833 работает в режиме стабилизации тока нагрузки и содержит токочувствительный усилитель (Рисунок 3). Ключевой МОП транзистор управляется усилителем датчика тока, что при соединении светодиодов в последовательную цепочку позволяет поддерживать интенсивность их излучения на постоянном уровне. Кроме того, для диммирования светодиодов предусмотрено управление коэффициентом заполнения импульсов, а дополнительный выход позволяет альтернативно управлять внешним MOSFET вместо использования встроенного МОП транзистора.

MAX16833 поддерживает три технологии преобразования: повышающую, SEPIC и повышающе-понижающую. Когда количество светодиодов в последовательной цепочке велико, и падение напряжения на них превышает максимальное значение входного напряжения, возможен только повышающий режим работы. Если падение напряжения на светодиодах находится в пределах между максимальным и минимальным значениями входного напряжения, и повышающее преобразование не обеспечивает нормальное управление светодиодами, может использоваться SEPIC или повышающе-понижающий режим.

Заключение

Maxim постоянно расширяет ассортимент новых продуктов, предназначенных для специфических областей применения в информационно-развлекательных системах, бортовых средствах безопасности, а также в устройствах управления. В этом руководстве дано описание некоторых устройств, созданных компанией Maxim для приложений бортовой электроники автомобилей. Мы ведем также разработку новых продуктов, таких как интерфейсы, мониторы заряда аккумуляторов и радиочастотные усилители.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Как читать автомобильные электрические схемы

Выход из строя электронных компонентов современного автомобиля может приводить к его полному обездвиживанию. Хорошо, если это случилось у вашего дома или работы, но если такое случается на трассе или на природе — такая поломка может обойтись вам крайне дорого: как в плане денег, так и в плане потерянного времени и даже (надеюсь до такого не дойдет) здоровья!

Почему полезно разбираться в автоэлектрике

Даже если у вас не технический склад ума или ваш доход позволяет вам не задумываться о таких мирских мелочах — замена обычного сгоревшего предохранителя в долгом пути позволит вам значительно облегчить жизнь. Я уж не говорю о тех случаях, когда сервисмэны, не желая разбираться в проблеме вашего автомобиля, призывают вас менять все датчики подряд, тратя на эту «карусель» значительные суммы денег (что кстати иногда не гарантирует положительного результата). По-этому, я предлагаю вам не сдаваться раньше времени и попробовать самостоятельно диагностировать поломку вашего автомобиля, а для этого было бы неплохо иметь под рукой электрические схемы, и самое главное — уметь их читать и понимать.

Электросхемы? — разберется даже школьник!

Встретив впервые принципиальную электрическую схему автомобиля, я понял, что принципы ее построения и обозначение на ней элементов — стандартизированы, и те элементы, которые присутствуют во всех автомобилях — обозначаются одинаково, независимо от производителя автомобиля. Достаточно один раз разобраться, как читать такие электросхемы, и вы с легкостью сможете понимать, что на ней изображено, даже если вы впервые видите конкретную схему от конкретного автомобиля и даже ни разу не лазили к нему под капот.

Графические обозначения элементов схемы могут слегка отличаться, к тому же бывают черно-белые варианты исполнения и цветные. Но буквенное обозначение везде одинаково. Помимо принципиальных электрических схем полезно иметь схемы, на которых обозначено физическое расположение (в пространстве) на кузове различных жгутов, разъемов и точек заземления — это поможет вам быстро отыскать их. Итак, давайте взглянем на примеры таких схем, а потом приступим к описанию их элементов.

Пример принципиальной электрической схемы автомобиля

На принципиальной схеме не указано физическое взаимное расположение элементов, а лишь показано, как эти элементы связаны друг с другом. Важно понимать, что если два элемента на такой схеме изображены рядом друг с другом — на самом кузове они могут быть совершенно в разных местах.

Схематическое расположение электрических компонентов на кузове

Такая схема несет другой тип информации: трассировка кабельных кос и приблизительное расположение разъемов на кузове.

Трехмерная точная схема расположения электрических компонентов автомобиля

Встречаются и такие схемы, на которых уже точно показано, как и куда проходят кабельные трассы в кузове автомобиля, а также точки заземления.

Стандартные элементы принципиальной схемы автомобиля

Приступим же, наконец, к рассмотрению элементов схемы и научимся ее читать.

Стандартные цепи питания и соединение элементов

Цепи питания — элементы схемы передающие ток, изображаются линиями: в верхней части схемы изображены цепи с положительным потенциалом («плюс» аккумулятора), а внизу — с нулевым, т.е. земля (или «минус» аккумулятора).

Цепь 30 — идет от плюсовой клеммы аккумулятора, 15 — от аккумулятора через замок зажигания — «Зажигание 1» Цепь под номером 31 — заземление

Некоторые провода также имеют цифровое обозначение в месте подключения к устройству, это цифровое обозначение позволяет не прослеживая цепь определить откуда он идет. Эти обозначение объединены в стандарте DIN 72552 (часто используемые значения):

Для удобства, соединения между элементами на цветных схемах изображены разными цветами, соответствующими цветам проводов, а на некоторых схемах также указывается сечение провода. На черно-белых схемах цвета соединений обозначаются буквами:

Иногда можно встретить пустую окружность в узле — это означает, что данное соединение зависит от комплектации автомобиля, линии при этом, как правило, подписаны.

Обозначение разъемов на электросхеме — коннекторы

Провода в автомобильной электропроводке соединяются несколькими способами, и один из них — разъемы (Connector). Обозначаются разъемы буквой «С» и порядковым номером. На рисунке слева вы видите схематическое изображение соединений участков провода через разъемы. Вообще, правильнее говорить не «пин №2», а «терминал №2», если встретите в схеме такое понятие, то теперь будете знать, что это порядковый номер соединения (контакта) в разъеме.

Ну а на этом рисунке видно, как нумеруются контакты в разъемах и как правильно их считать, чтобы узнать где какой пин. Контакты нумеруются со стороны «мамы» с верхнего угла слева на право построчно. Со стороны «папы», соответственно, зеркально.

Кстати, на многих форумах автомобильные разъемы почему-то называют «фишками», в гугле по поводу такой «этимологии» никакой информации нет. Если вы знаете или догадываетесь, откуда пошло такое название, пишите в комментариях, не стесняйтесь.

Соединение проводов в автомобиле — соединительные колодки (Splice)

Помимо разъемов (Connectors) провода в автомобиле соединяются при помощи пакета перемычек или соединительных колодок ( в электросхемах на английском — Splice). Обозначаются соединительные колодки, как вы видите на рисунке, буквой «S» и порядковым номером, например: S202, S301.

В некоторых электросхемах есть отдельное описание каждой колодки и расписано назначение проводов, подводимых к ней. Главная отличительная особенность колодки (Splice) от разъема (Connector) в том, что соединяется группа проводов: есть один входящий провод и группа исходящих потребителей, как правило, это шины питания.

Обозначение предохранителей на электросхемах

Еще один элемент электрической схемы, передающий энергию — предохранитель. Предохранители в автомобиле имеют два обозначения: Ef — предохранитель в моторном отсеке (engine fuse) и F (fuse) — предохранитель в салоне автомобиля. Как и во всех других случаях, после обозначения идет порядковый номер предохранителя и номинал тока ( в Амперах), на который он рассчитан. Все предохранители расположены рядом — в блоках предохранителей и реле.

Обозначение автомобильных реле: распиновка, контакты

Автомобильное реле имеет обычно 4 или 5 контактов, которые имеют стандартную нумерацию (но бывают и случаи, когда нумерация не совпадает). Два контакта при этом являются управляющими: 85 и 86, а остальные коммутируют контакты, по которым проходят значительные токи. Реле, как и предохранители, располагаются, в основном, в блоках под капотом и в салоне, но бывают случаи навесного монтажа реле в любом непредсказуемом месте, особенно при самостоятельной установке кем-либо.

Условные обозначения автомобильных датчиков на схемах

1. Датчик холостого хода (ДХХ)
2. Электронный блок управления (ЭБУ) двигателем
3. Датчик температуры охлаждающей жидкости
4. Датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ)
5. Датчик абсолютного давления воздуха во впускном коллекторе (ДАД)
6. Датчик давления в системе кондиционирования
7. Датчик температуры воздуха во впускном коллекторе

На схеме выше представлены далеко не все датчики, которые могут быть в автомобиле. Условное обозначение датчиков также может отличаться, но все они обычно подписаны, как и все другие элементы, преобразующие энергию в электрической сети автомобиля.

Условные обозначение сложных элементов на автомобильных схемах — примеры схем

Теперь рассмотрим, как на электрической схеме обозначены более сложные и не стандартные элементы, такие как: стартер, катушка зажигания и другие и приведем несколько примеров схем, на которых они изображены. В различных схемах изображение таких элементов может меняться, но элементы всегда подписаны и интуитивно понятно нарисованы, по-этому, ниже будут приведены только некоторые из них, иначе эта статья растянется надолго.

1. Аккумуляторная батарея (АКБ)
2. Замок зажинагия
3. Комбинация приборов
4. Выключатель
5. Стартер
6. Генератор

Если вы помните школьный курс физики, то найдете на схеме, представленной выше, уже знакомые обозначения, например: электромотор, диод, ключ, элемент питания, лампа накаливания. Эти, знакомые почти каждому, условные обозначения помогают понять смысл и назначение приборов в бортсети автомобиля, преобразующих электроэнергию.

1. Катушка зажигания
2. Электронный блок управления двигателем (ЭБУ)
3. Датчик положения коленчатого вала

На этой схеме уже появляется такой более сложный элемент схемы как — блок управления или контроллер. Каждый элемент сети автомобиля, имеющий микросхемы или транзисторные ключи в своем составе, помечается значком с изображением транзистора. Обращаю ваше внимание на то, что в данном примере выше, изображены далеко не все выводы ЭБУ — только те, которые нужны именно на этой схеме. На схемах ниже вы так же встретите изображение ЭБУ.

1. Блок управления двигателем (ЭБУ)
2. Октан-корректор
3. Электромотор (в данном случае — бензонасос)
4. Датчик концентрации кислорода

На этой схеме еще раз изображен ЭБУ, но уже с другими выводами, кстати, по нарисованным ключам на ЭБУ можно понять, какую функцию в данном случае выполняет контроллер: замыкает данные линии на землю, то есть запитывает элементы, подключенные к этим проводам и плюсовой клемме АКБ.

1. Электромагнитный клапан рециркуляции отработавших газов
2. Двухходовой клапан
3. Гравитационный клапан
4. Комбинация приборов
5. Электронный блок управления двигателем
6. Датчик скорости

На данном примере схемы мы встречаемся с изображением клапанов, прошу обратить внимание, что у двухходового клапана контакты пронумерованы, в отличие от остальных. На изображении датчика скорости изображен транзистор, значит в элементе присутствует полупроводниковый элемент.

1. Переключатель наружного освещения
2. Переключатель указателей поворота
3. Переключатель корректора фар
4. Корректор левой фары
5. Левая фара автомобиля
6. Корректор правой фары
7. Правая фара автомобиля

На данной схеме изображены элементы управления освещением автомобиля. У таких сложных переключателей как замок зажигания или переключатель наружного освещения имеется набор контактов, между которыми в различных положениях переключателя коммутируется ток. На схеме прекрасно видно, в каком режиме переключателя какие контакты соединяются.

Автоэлектрика? Проще простого!

Итак, мы рассмотрели с вами самые распространенные элементы электрических схем автомобилей, посмотрели как они изображаются на схемах и какие ключевые особенности при этом присутствуют. Искренне надеюсь, что эта статья научила вас чему-нибудь или даже выручила вас в сложной ситуации с поломкой автомобиля. Если у вас появились вопросы, было бы здорово, если вы их напишете в комментариях под этой статьей. Всем огромной удачи на дорогах и увидимся в следующих статьях об автоэлектрике!