Juha-Pekka Koivisto Pekka Mikkolainen Jouko Rantala AUTOTEKNIIKKA 5 Autosähkötekniikan perusteet Sähkötekniikanperusteet Sähkökaaviot ja johdinjärjestelmät Valaistus ja korin sähkölaitteet Käynnistys- ja latauslaitteet Helsingissä Kustannusosakeyhtiö Otava
Opiskelijalle ja opettajalle Auto- ja kuljetusalan koulutuksen tehtävänä on yksityisen ja joukkoliikenteen sekä tavarankuljetusten ja muiden logististen palvelujen turvaaminen. Alalle tarvitaan autonkuljettajia, ajoneuvoasentajia, autokorinkorjaajia, pienkonekorjaajia, automaalareita, automyyjiä ja varaosamyyjiä sekä tavaroiden varastointia ja kuljetustoimintoja hoitavia henkilöitä. Koulutuksen tavoitteena on tuottaa valmiuksia, jotka sisältävät edellä mainituissa työammateissa tarvittavaa am mattisivistystä, jonka avulla opiskelijat pystyvät seuraamaan työelämässä tapahtuvia muutoksia ja toimimaan joustavasti muuttuvissa olosuhteissa. Tutkinnon suorit ta neilla on oltava laaja-alaiset valmiudet toimia kaikissa auto alan osaamista vaativissa tehtävissä ja tarvittaessa vaihtamaan työammattia. Autotekniikka 5 on laadittu huomioon ottaen voimassa olevat valtakunnalliset opetussuun ni telman perusteet, niiden keskeiset sisällöt ja tavoitteet. Oppikirjan sisältö on jaettu selkeisiin asiakokonaisuuksiin, jotka ovat sähkötekniikan perusteet, sähkökaaviot ja johdinjärjestelmät, valaistus ja korin sähkölaitteet sekä käynnistys- ja latauslaitteet. Ne ovat kaikkiin edellä mainittuihin työammatteihin johtavien koulutusohjelmien keskeisiä sisältöjä. Sähkötekniikan perusteet osan tavoitteena on, että opiskelija pystyy omaksumaan myöhemmin esiin tulevien moninaisten auton sähkölaitteiden toimintatavat sekä niiden turvallisen huollon ja korjaukset. Tämä on erityisen tärkeätä myös autotekniikan kehityksen mukanaan tuomien uusien sähkölaitteiden oikean käsittelyn varmistamiseksi. Tähän yhteyteen on myös otettu auton akkua koskevat perusasiat siihen liittyvien käsitteiden, rakenteiden, käsittelyn ja huollon osalta. Sähkökaaviot ja johdinjärjestelmät antavat perustan auton ja myös työkoneiden sähkölaitteita kaaviollisesti esittävien piirrosten oikeaan tulkitsemiseen. Tällöin käydään lävitse sähköteknisten piirustusten kuvausmenetelmät ja sähköteknisten laitteiden piirrosmerkit. Koska varsinkin meillä Suomessa vallitsevien vaativien sääolosuhteiden vuoksi kosteuden pääsy sähkölaitteisiin on ongelma, käydään läpi asianmukaiseen asentamiseen ja laitteiden keskinäiseen kytkemiseen sekä virtapiirien suojaukseen liittyvät asiat. Tämän jakson lopussa on tiivis katsaus autojen elektroniikan mukanaan tuomaan väylätekniikkaan. Valaistus ja korin sähkölaitteet osan tarkoitus on antaa yleiskuva auton valolaitteista ja niihin liittyvistä asennustöistä. Samoin käydään läpi melko yleisellä tasolla autossa olevia lisälaitteita sekä niiden huoltoa ja korjausta. Samalla korostetaan kunkin auton ajoneuvokohtaisten ohjeiden käytön merkitystä, koska eri automerkkien ja -mallien kyseiset laitteet ja niiden huolto voivat huomattavasti poiketa toisistaan. 5
SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET Käynnistys- ja latauslaitteet ovat jokaisen auton perussähkölaitteita. Tästä syystä niiden rakenteisiin, huoltoon ja korjauksiin tutustutaan mahdollisimman perusteellisesti kuitenkin rajoittuen vain laitteiden perusrakenteisiin. TEHTÄVÄT Kirja sisältää formatiivisia tehtäviä, joiden avulla opiskelija voi itsenäisesti arvioida oppimaansa ja kehittää itsearviointitaitoa. Opettaja voi aktivoida opiskelijoita muuttamalla tehtäviä opiskeluympäristöä vastaaviksi. Korjaamokäsikirjojen ja huolto-ohjekirjojen käytöllä voidaan myös täydentää ja syventää tehtäviin liittyviä asioita. Materiaalin käyttö Oppikirjan selkeästi ryhmitelty materiaali mahdollistaa erilaisten opetusmenetelmien käytön. Osa aineistosta voidaan opettaa kaikille yhteisesti luokkaopetuksena. Osa aineistosta voidaan sisällyttää opiskelijoille laa dit taviin henkilökohtaisiin opetussuunnitelmiin (HOPS). Kirja soveltuu myös eriyttävään sekä itseopiskeluun. Opiskelijan itsenäinen työskentely kehittää omatoimisuutta ja loogista ajattelukykyä. Oppikirjassa esitetyt koneet, laitteet, työohjeet ja materiaalit eivät voi olla merkki- tai tuotekohtaisia ja siksi on tärkeää, että asioita käsitellään laajemmin oppilaitoksen ja paikkakunnan erityisolosuhteet huomioon ottaen. Opiskelija voi oppitunnilla tehdä kirjaan omia täydentäviä ja ymmärtämistä helpottavia merkintöjä, joilla voi myöhemmässä työelämässä olla arvokasta käyttöä. Siksi oppikirja kannattaa säilyttää. Palaute Voidaksemme pitää oppikirjan ajan tasalla ja kehittää sitä auto- ja kuljetusalan vaatimuksia vastaavaksi, tar vitsemme kommentteja opettajilta, opiskelijoilta sekä muil ta kirjan käyttäjiltä. Ne voi lähettää kustantajalle edelleen toimitettavaksi kirjoittajille. Kiitämme jo etukäteen. Kesällä 2012 Juha-Pekka Koivisto, Pekka Mikkolainen, Jouko Rantala Kustannusosakeyhtiö Otava Aikuisopetuksen osasto Uudenmaankatu 10 00120 Helsinki Puh. (09) 19961 www.otava.fi 6
Sisällys Sähkötekniikan perusteet 1. Sähkön perusolemus... 17 1.1. Mitä sähkö on... 17 1.2. Atomiteoria... 17 1.3 Johteet ja eristeet... 17 2. Sähköstatiikka... 19 2.1. Staattiset sähkövaraukset... 19 2.2 Varausten väliset voimat... 19 2.3. Atomin varaus ja ioni... 20 3. Virtapiirit... 23 3.1. Virtapiirin perusosien piirrosmerkit... 23 3.2. Avoin ja suljettu virtapiiri... 24 3.3 Ulko- ja sisävirtapiiri... 24 4. Sähkösuureet... 24 4.1. Sähkövirta... 24 Sähkövirta suureena... 25 4.2. Jännite... 25 Jännite käsitteenä... 25 Jännite suureena... 26 4.3. Resistanssi... 26 Resistanssi käsitteenä... 26 Resistanssi suureena... 27 Resistiivisyys... 27 Vastukset... 27 5. Sähkölähteet... 29 5.1. Sähkölähdetyypit... 29 Sähköpari... 29 Akku... 29 Generaattori... 30 Lämpösähköpari... 31 Valokenno... 31 Pietsosähkö... 32 Hall-jännite... 33 Polttokenno... 34 5.2. Sähkölähteiden kytkennät... 35 Sarjakytkentä... 35 Rinnankytkentä... 35 Vastakytkentä... 35 7
6. Ohmin laki... 38 6.1. Ohmin lain käyttö virtapiirilaskuissa... 38 6.2. Oikosulku ja sen vaarat... 38 7. Muut virtapiireihin liittyvät suureet ja lainalaisuudet... 40 7.1. Sähkötyö... 40 Sähkötyö käsitteenä... 40 Sähkötyö suureena... 40 7.2. Sähköteho... 40 Sähköteho käsitteenä... 40 Sähköteho suureena... 41 7.3. Sähkövirta haarautuvassa virtapiirissä... 41 7.4. Jännitehäviö... 41 7.5. Sähkölähteen napajännite... 43 7.6. Lähdejännite... 43 7.7. Virtapiirin kokonaisjännitehäviö... 43 8. Vastusten kytkennät... 44 8.1. Vastusten sarjakytkentä... 44 Resistanssi... 44 Sähkövirta... 44 8.2. Rinnankytkentä... 44 Resistanssi... 44 Sähkövirta... 45 Jännite... 45 8.3. Sekakytkentä... 45 Resistanssi... 45 Virta I ja jännite U... 45 9. Magnetismin perusteet... 48 9.1. Yleistä... 48 Magneetti... 48 Magneettinavat... 48 9.2. Magneettikenttä ja magneettivuo... 48 Magneettikentän voimakkuus... 49 Magneettivuo... 49 Magneettivuon tiheys... 49 9.3. Erilaiset aineet magneettikentässä... 50 Diamagneettiset aineet... 50 Paramagneettiset aineet... 50 Ferromagneettiset aineet... 50 9.4. Sähkövirran synnyttämä magnetismi... 51 9.5. Magneettikenttien vaikutus toisiinsa... 51 9.6. Solenoidi... 52 Ampeerikierrosluku... 53 9.7. Sähkömagneettien rakenteet ja piirrosmerkit.. 53 9.8. Sähkömoottorin periaate... 53 8
Virrallinen johdin magneettikentässä... 53 Sähkömoottorin perusrakenne... 53 9.9. Sähkökoneiden magnetointi... 54 Kestomagnetoidut sähkökoneet... 54 Sähkömagnetoidut sähkökoneet... 54 9.10. Rautasydämien magnetoitiminen... 56 Molekyylimagneetit... 56 Magneettinen kyllästyminen, hystereesi ja jäännösmagnetismi... 56 Kestomagneetit... 57 Anturisovelluksia autossa... 57 10. Induktio... 60 10.1. Jännitteen indusoituminen johtimiin... 60 10.2. Jännitteen suunta... 60 10.3. Generaattorin toimintaperiaate... 61 10.4. Jännitevaihtelun tasaus... 61 10.5. Tasa- ja vaihtosähkö... 62 Tasasähkö... 62 Vaihtosähkö... 62 10.6. Pyörrevirrat... 62 10.7. Itseinduktio... 63 10.8. Keskinäisinduktio... 63 11. Vastukset... 66 11.1. Yleistä... 66 11.2. Kiinteät kalvovastukset... 66 11.3. Säädettävät kalvovastukset... 67 11.4. Hiilipakkavastus... 67 11.5. Vastusten merkitseminen... 67 11.6. Lankavastukset... 68 11.7. Vastusten piirrosmerkinnät... 68 12. Kondensaattori... 69 12.1. Rakenne ja toimintaperiaate... 69 Rullakondensaattori... 69 Elektrolyyttikondensaattorit... 70 Tantaalikondensaattorit... 70 Säätö- ja virityskondensaattorit... 70 Muut kondensaattorit... 70 12.2. Sähkömäärä, kapasitanssi ja permittivisyys... 71 Sähkömäärä... 71 Kapasitanssi... 72 Permittivisyys... 72 Levykondensaattorinmitoitus... 73 9
13. Sähkösuureiden mitoitus... 76 13.1. Virran ja jännitteen mittaus... 76 13.2. Resistanssin mittaus ja mittalaitteet... 77 13.3. Mittareiden käsittely... 77 13.4. Mitta-alueen valinta... 78 Esimerkki yleismittarin näytöstä, valintakytkimistä ja mittajohtimien liitännöistä... 79 14. Puolijohteiden perusteet... 82 14.1. Itseisjohtavuus... 82 14.2. Häiriöjohtavuust... 83 14.3. Pn-liitos... 83 14.4. Ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta säätyvät vastukset... 84 PTC-vastukset... 85 LDR-vastukset... 85 VDR-vastukset... 85 Piirrosmerkit... 85 14.5. Diodi... 86 Diodin rakenne... 86 Diodin toiminta... 86 Diodin piirrosmerkit... 87 Tasasuuntausdiodin soveltamisalueita... 87 Zenerdiodin toiminta ja piirrosmerkit... 88 Zenerdiodin soveltamisalueita... 89 Valodiodin toiminta ja piirrosmerkki... 89 Fotodiodit... 89 Hohtodiodit eli ledit... 89 Valodiodin soveltamisalueita... 90 14.6. Tasasuuntaus... 91 Yksivaiheinen puoliaaltotasasuuntaus... 91 Yksivaiheinen kokoaaltotasasuuntaus... 91 Kolmivaiheinen kokoaaltotasasuuntaus... 92 14.7. Transistori... 93 Transistorin rakenne... 93 Npn-transistorin toiminta ja piirrosmerkki... 93 Pnp-transistorin toiminta ja piirrosmerkki... 94 Transistorin soveltamisalueita... 94 14.8. Tyristori... 95 Tyristorin rakenne... 95 Tyristorin toiminta ja piirrosmerkki... 95 Tyristorin soveltamisalueita... 96 Puolijohdetekniikkaa antureissa... 96 10
15. Lyijyakku auton sähköjärjestelmän osana.. 101 15.1. Yleistä... 101 15.2. Akulle käynnistyksessä asetettavat vaatimukset... 101 Kapasiteetiltaan riittävä... 101 Varaustila korkea... 101 Käynnistysteho suuri... 101 15.3. Akku ja generaattori sähköntuottajina... 101 15.4. Akun rakenne... 103 Akkulevyt... 103 Akun navat... 104 Elektrolyytti... 104 15.5. Akun toiminta... 104 Kaasun rekombinoituminen huoltovapaassa akussa... 105 15.6. Akkuteknisiä käsitteitä... 106 Akun kapasiteetti... 106 Varakapasiteetti... 106 Kennojännite... 106 Napajännite... 106 Kylmäkäynnistysvirta... 107 15.7. Työturvallisuusohjeet... 107 Oikosulun ja räjähdyksen vaara irrotuksessa ja kiinnityksessä... 107 Akun nostaminen ja kuljetus... 108 15.8. Akkuviat ja niiden syyt... 109 Itsepurkautuminen... 109 Jäätyminen... 110 Sulfatoituminen... 110 Akkujen säilytys... 110 15.9. Akun silmämääräinen tarkastus ja kunnostus.. 110 Akkuteline ja akun kiinnitys... 110 Kaapeleiden ja napojen kiinnitys sekä johtimien kunto... 111 Akkukotelon vauriot ja taipumat... 111 Ulkopuolinen puhtaus ja suojaus... 112 Nestemäärän tarkastusus... 112 15.10. Akun varaustilan mittaus... 112 Varaustilan tarkistus ilmaisimesta... 113 15.11. Akun kunnon määrittäminen... 114 Kuormituskoe... 114 Digitaaliset akun testauslaitteet... 115 15.12. Akun varaaminen... 115 15.13. Käynnistysavun antaminen... 116 Avunanto pikavaraajalla... 114 Käynnistysapu toisella akulla... 117 15.14. Sijaisvirtalähteen käyttö akun irrotuksen ja irtiolon aikana... 118 11
Sähkökaaviot ja johdinjärjestelmät 1. Sähkökaaviot... 122 1.1. Yleiset sähkötekniikan piirrosmerkit... 122 1.2. Auton sähkölaitteiden peruskomponenttien piirrosmerkit... 123 1.3. Kytkentäkaavion lukemisen ja piirtämisen perusteet... 125 1.4. Kytkentäkaavioesimerkkejä... 126 DIN-normin mukaisesti laadittu kaavio... 126 DIN-normista poikkeava kaavio 1... 129 DIN-normista poikkeava kaavio 2... 131 Nauhakytkentäkaavio... 132 1.5. Auton sähkölaitteiden päävirtapiirejä kytkentäkaavioesityksinä... 139 Latausvirtapiiri... 139 Käynnistysvirtapiiri... 139 Valaistusvirtapiiri... 140 Sytytysvirtapiiri... 142 2. Auton sähköjohtimet ja niihin liittyvät tarvikkeet... 147 2.1. Johtimien poikkipinta-alat... 147 Johtimen valinta siinä kulkevan kuormitusvirran mukaan... 147 2.2. Johtimien liitostavat... 149 Tinaliitos... 149 Ruuviliitos... 150 Juotettava kaapelikenkä... 150 Puristettavat johdinpäätteet... 151 Jatko-, maadoitus- ja haaroitusliittimet... 154 2.3. Liitosten ja johtimien suojaaminen... 155 Kosketus- ja hankaussuojaus... 155 Kutistesuojatut liitokset... 156 Tiivistesuojatut liitinrasiat ja liittimet... 157 2.4. Liitosten teko ja korjaus... 157 Tinaliitoksen teko... 157 Ruuviliitoksen teko... 159 Puristusliitoksen teko... 160 Liittimien asennusvinkkejä... 162 Puristusliitoksen tarkastus... 162 Kutistesuojatun puristusjatkoksen teko... 162 Liittimen irrotus... 163 2.5. Johdinsarjat... 164 3. Virtapiirien ylikuormitussuojaus... 166 3.1. Oikosulku... 166 3.2. Oikosulkuvirta... 166 3.3. Sähkövirran lämpövaikutus... 166 3.4. Sulakkeet... 167 Rikkoutuneen sulakkeen löytäminen... 169 3.5. Sulakerasiat... 170 12
4. Kytkimet ja kytkentäreleet... 172 4.1. Kytkimet... 172 4.2. Kytkentäreleet... 174 5. Väyläjärjestelmät... 181 5.1. Fyysinen eli rakenteellinen toteutus... 182 5.2. Tiedon kulku... 182 5.3. Ajoneuvoväylät... 183 5.4 Väyläjärjestelmien yhdistäminen... 183 5.5 Ohjausyksikkö väylässä... 183 5.6 Väyläjohtimet... 184 5.7 Loogiset tilat ja niiden jännitetasot... 185 5.8 Väylän haltuunotto... 185 5.9 Väylän vianhaku... 185 Valaistus ja korin sähkölaitteet 1. Valaistuslaitteet... 189 1.1. Valojen tehtävät... 189 1.2. Valolaitteiden hyväksyminen... 189 1.3. Ajovalot... 190 Kauko- ja lähivalot... 190 Ajovalojen sähkökytkennät... 192 Valo-optiikka... 195 Sumuvalot... 202 Peruutusvalo... 203 1.4. Ulkoiset viestintävalot... 206 Etuvalot eli seisontavalot... 206 Kahdentaminen... 206 Takavalot... 207 Tunnuskilven valo... 207 Äärivalot... 208 Sivuvalot... 208 Etu-, taka-, tunnuskilven- ääri- ja sivuvalojen kytkentä... 210 Takasumuvalot... 210 Suuntavalot... 211 Jarruvalot... 213 Jarrujen varoitusvalot... 214 Huomiovalot eli päiväajovalot... 215 1.5. Valojen toiminnan ohjaus tietoväyläyksiköiden avulla... 217 1.6. Heijastimet... 218 Takaheijastimet... 218 Kolmionmuotoiset takaheijastimet... 218 Etuheijastimet... 218 Sivuheijastimet... 219 13
1.7. Valaistusteknistä sanastoa... 222 Valo... 222 Lamppu, valonlähde... 222 Valovoima... 222 Valovirta... 222 Valaistusvoimakkuus... 223 Luminanssi... 223 Häikäisy... 223 1.8. Lamput ja lampunpitimet... 223 Hehkulamppu... 223 Halogeenilamppu... 224 Kaasupurkauslamppu... 225 LED-lamppu... 225 Muut kuin ajovalolamput... 226 1.9. Valojen vianetsintä, korjaus ja asennus... 229 Varotoimet ennen vianetsinta-, korjaus- ja asennustöitä... 229 Valovikoja... 229 Lamppujen vaihto... 230 Vianetsintä... 231 Jännitemittarin käyttö vianetsinnässä... 233 Vianetsintäharjoitus... 233 Valaisimen avaaminen... 234 Ajovalojen suuntaus... 234 1.10. Vetokoukun ja perävaunun sähkökytkennät... 239 Vetokoukun pistorasian asennus... 240 2. Korin sähkölaitteet... 242 2.1. Tuulilasin ja ajovalojen pyyhkimet ja pesulaitteet... 242 Pyyhkimien toiminta... 242 Lasinpesimien toiminta... 243 Lasinpyyhkimien ja -pesimien huolto... 244 Ajovalonpuhdistuslaitteiden toiminta... 244 2.2. Äänimerkinantolaite... 246 Äänimerkinantolaitteen korjaus... 246 2.3. Lämmitys-, tuuletus- ja ilmastointilaitteet... 247 Lämmitys- ja tuuletuspuhaltimet... 247 Ilmastointilaitteet... 247 2.4. Istuinlämmittimet... 260 2.5. Lasin- ja peilinlämmittimet... 261 2.6. Mittaristo ja muut informaatiolaitteet... 262 Nopeusmittari... 263 Matkamittari... 264 Polttonestemittari... 264 Lämpömittari... 265 Kosketusnäyttö... 265 2.7. Vakionopeussäädin... 266 Rakenne ja toiminta... 266 Vianetsintä... 267 14
2.8. Keskuslukitus... 267 Rakenne ja toiminta... 267 Vianetsintä... 267 2.9. Sähkötoimiset lasinnostimet... 269 Rakenne ja toiminta... 269 2.10. Törmäysturvajärjestelmät... 274 Aktiivinen ja passiivinen turvallisuus... 274 Turvatyynyjärjestelmä... 274 Turvatyynyjärjestelmän toiminta-aika... 276 Turvatyynyjärjestelmän pääosat... 277 Pyrotekniset turvavyönkiristimet... 283 Sivuturvatyynyt... 284 Järjestelmän diagnoosi... 286 Turvamääräykset... 286 Menettely kolarin jälkeen... 288 2.11. Luvattoman käytön esto... 291 Elektroninen ajonestojärjestelmä... 291 Järjestelmän komponentit... 292 Murtohälytinjärjestelmät... 298 Käynnistys- ja latauslaitteet 1. Käynnistyslaitteet... 311 1.1. Polttomoottorin käynnistäminen... 311 Käynnistyslaitteelle asetettavat vaatimukset... 311 Käynnistyslaitetyypit... 311 Käynnistimen oikea käyttö... 312 1.2. Sähkökäynnistimet... 312 Työntökiertokäynnistin... 312 Työntökäynnistin... 320 1.3. Käynnistimen kunnostus... 326 Vian määritys... 326 Käynnistimen kunnostus... 331 Käynnistimen tarkastus koepenkissä... 339 2. Latauslaitteet... 342 2.1. Auton sähkölaitteiden tehontarve... 342 2.2. Latausvirtapiiri auton sähköjärjestelmän osana... 343 Latauslaitteiden tehtävät... 343 Latausjärjestelmän osat ja peruskytkentä... 343 Käynnistimen tarkastus koepenkissä... 339 2.3. Generaattorin rakenne ja toiminta... 344 Toimintaperiaate... 344 Staattori... 346 Roottori... 347 Kolmivaihesähkön tasasuuntaus... 348 Magnetointi ja jännitteen säätö... 351 Automaattinen virranrajoitus... 358 Jäähdytys... 359 15
16 2.4. Generaattorin hyötysuhde... 359 2.5. Generaattorin asentaminen moottoriin... 360 2.6. Vianmääritys ja huolto... 364 Huollontarve... 364 Miten huollontarve ilmenee... 364 Varotoimet huoltotöissä... 366 Vianmääritys autossa... 366 Generaattorin kunnostus... 372 Generaattorin testaus koepenkissä... 380