分壓電路在汽車電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳海芹

江蘇省連云港工貿(mào)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇省連云港市 222000

1 引言

現(xiàn)代社會人們對汽車功能的要求越來越高，不但要求著汽車駕駛的安全性，更追求駕駛過程中的舒適性與功能性，這也意味著傳統(tǒng)意義上的汽車結(jié)構(gòu)需要與時俱進(jìn)的革新，各類控制性能更好的元件應(yīng)在汽車系統(tǒng)中得到有效應(yīng)用。而人們常提到的汽車操縱感，則與汽車電氣控制系統(tǒng)的各部分元件應(yīng)用密切相關(guān)，不同類型的元件對電壓的要求都有所不同，技術(shù)人員以分壓電路的形式將各類元件連接到一起，通過調(diào)節(jié)電壓的方式讓其得到穩(wěn)定運(yùn)行，才能更好的保障汽車在駕駛途中的安全性。然而分壓電路的應(yīng)用分布于汽車電氣控制系統(tǒng)的各個方面，既有為三極管提供偏置電壓結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，也有輔助傳感器發(fā)射控制信號的應(yīng)用，要想研究分壓電路的應(yīng)用情況，就需要結(jié)合實例來分析分壓電路在不同結(jié)構(gòu)中的不同作用，可以幫助技術(shù)人員在復(fù)雜的汽車電路中找到一些具有共性的基本規(guī)律，有助于技術(shù)人員更好的學(xué)習(xí)并應(yīng)用汽車電子技術(shù)于實踐中。

2 分壓電路的主要構(gòu)成內(nèi)容

現(xiàn)代汽車控制系統(tǒng)中應(yīng)用的分壓電路在本質(zhì)上就是串聯(lián)電路，即每一個電阻元件按照固定的順序依次連接，構(gòu)成了一個完整的串聯(lián)電路，在這個電路中流通的電流是同一種，可以用基爾霍夫電壓定律可 以 表 示 為“U=U1+U2+U3+U4+……+Un”，因為“U=IR”，所以又可以表示 為“U=I×R1+I×R2+I×R3+I×R4+……+I×Rn”， 又 可 以 寫 為“U=I×（R1+R2+R3+R4+……Rn）”，而基本的串聯(lián)電路電阻公式為“R總=R1+R2+R3+R4+……Rn”， 即“U=I×R總”。由于串聯(lián)電路各個部分的電流是相同的，所以電路電流可以表示為“I=U÷R總”，而本串聯(lián)電路中每一個電阻元件的電壓都可以用以下公式來表示，如1號元件兩端的電壓可表示為“U1=I×R1=U/R總×R1”，同理，2號元件兩端的電壓可表示為“U2=I×R2=U/R總 ×R2”，3號 元件兩端的電壓可表示為“U3=I×R3=U/R總×R3”，4號元件兩端的電壓可表示為“U4=I×R4=U/R總 ×R4” ……n號 元件兩端的電壓可表示為“Un=I×Rn=U/R總×Rn”。從這些表達(dá)公式中可以看出，在以串聯(lián)電路形式構(gòu)成的分壓電路中，電路中每一個電阻元件兩端的電壓都會與該元件自身的電阻形成正比的關(guān)系，根據(jù)“I=U/R”公式可知，串聯(lián)電路電流不變時，電阻元件的電阻值越大，則其在串聯(lián)電路中的電壓分壓就會越大。如圖1所示，是分壓電路作為汽車控制系統(tǒng)中的分壓器使用時的使用模型，其中圖1中標(biāo)注的U0為電路中電阻R2分壓值，可以作為輸出信號使用。

圖1 分壓電路充當(dāng)分壓器的模型示意圖（參考）

3 分壓電路在現(xiàn)代汽車電氣系統(tǒng)中的具體應(yīng)用形式

3.1 分壓電路與偏執(zhí)電壓

1.分壓電路對于汽車充電系統(tǒng)的作用

現(xiàn)代汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)的充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括蓄電池部分、充電指示燈部分及電壓調(diào)節(jié)器等等，這些部分構(gòu)成了完整的現(xiàn)代汽車充電系統(tǒng)，需要滿足汽車日常的充電需求。當(dāng)前汽車的充電系統(tǒng)中多數(shù)使用交流發(fā)電機(jī)，這類發(fā)電機(jī)的實用優(yōu)勢比較明顯，其體積較小且結(jié)構(gòu)簡單，后續(xù)出現(xiàn)問題也易于維修，并且具有較長的使用壽命，即便是在汽車低速行駛時，也具有較好的充電效果，所以可以維持汽車的正常行駛，也成為多數(shù)現(xiàn)代汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)中為整車電氣設(shè)備提供電能及蓄電的主要裝置。從現(xiàn)代汽車充電系統(tǒng)中使用的交流發(fā)電機(jī)性能分析可知，其輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系是正比例的，也就是說當(dāng)交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升，其電壓值也會逐漸增大，但是現(xiàn)代汽車的日常行駛狀況會逐漸變化，充電系統(tǒng)中的交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會不斷發(fā)生變化，最低為700r/分鐘，最大為6000r/分鐘，變化值就處于這兩個數(shù)值之間，這種情況容易給交流發(fā)電機(jī)帶來一定的負(fù)荷壓力，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出的電壓值會不穩(wěn)定，那么汽車內(nèi)部的電器元件就容易因為電壓不穩(wěn)而受到損害。在這種情況下為保證汽車內(nèi)部系統(tǒng)中各項電子元件與電子設(shè)備能夠延長使用壽命并處于正常的工作狀態(tài)，設(shè)計師通常會在充電系統(tǒng)中安裝電壓調(diào)節(jié)器來穩(wěn)定電壓輸出。這類電壓調(diào)機(jī)器包括兩種形式，既有機(jī)械式的電壓調(diào)節(jié)器，隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的發(fā)展，也出現(xiàn)了電子式的電壓調(diào)節(jié)器，多數(shù)現(xiàn)代汽車充電系統(tǒng)中會安裝電子式的電壓調(diào)節(jié)器，因其精度較高且結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)而備受青睞，況且電子式電壓調(diào)機(jī)器不需要維修，尤其是在一些日系汽車上，這種電壓調(diào)節(jié)器的使用更為廣泛。

如圖2所示，為東風(fēng)某車型中的電子式電壓調(diào)節(jié)器使用模型，圖示中以R1和R2兩個部分串聯(lián)成分壓電路的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過分析可以看出，a為兩個電路串聯(lián)以后分壓線路的輸出端口，可以直接檢測到整體交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓值，并向系統(tǒng)的三極管提供基礎(chǔ)的偏置電壓。該電子式電壓調(diào)機(jī)器的運(yùn)行原理是，當(dāng)交流發(fā)動機(jī)處于較低的轉(zhuǎn)速狀態(tài)時，其輸出的電壓也會比調(diào)節(jié)電壓更低，此時a點(diǎn)作為輸出電壓的端口，分壓值就會較小，那么電子式調(diào)壓器就會進(jìn)行反向截止，導(dǎo)致V1端口的基本電壓處于截止?fàn)顟B(tài)，而電源處的電壓經(jīng)過電阻元件R3的作用，會在V2處進(jìn)行導(dǎo)通，那么交流發(fā)電機(jī)與勵磁線圈之間是相同的，可以對交流發(fā)電機(jī)的電壓起到調(diào)整作用。同理，在交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷提升以后，其輸出的電壓值也會高于調(diào)節(jié)的電壓值，此時a點(diǎn)處的分壓會反向擊穿V1處，并在V1處形成偏置電壓，那么V1會導(dǎo)通，V2處的電壓會因為V1處已經(jīng)導(dǎo)通而數(shù)值變低，直到V2處的電壓處于截止?fàn)顟B(tài)，則汽車充電系統(tǒng)內(nèi)的交流發(fā)電機(jī)與勵磁線圈處于斷電的狀態(tài)，那么發(fā)電機(jī)的輸出電壓就會處于調(diào)低電壓的狀態(tài)。

圖2 東風(fēng)某車型充電系統(tǒng)電子電壓調(diào)節(jié)器的原理示意圖（參考）

2.分壓電路對于汽車晶體管點(diǎn)火系統(tǒng)的作用

現(xiàn)代汽車的晶體管點(diǎn)火系統(tǒng)中也有對分壓電路的應(yīng)用，如圖3所示，是豐田某車型在采用磁感式電子點(diǎn)火裝置時，所使用的基本結(jié)構(gòu)，從圖示中可以明顯的看出，R6與R7兩個元件與三極管元件直接串聯(lián)，并組成了相對完整的分壓電路，在三極管元件導(dǎo)通電流時，a點(diǎn)所承受的分壓就是R7點(diǎn)兩端電壓提供的偏執(zhí)電壓，會直接輸送給V5處實現(xiàn)V5處的電壓導(dǎo)通，如果情況相反則剛好使V5處截止。這一電路結(jié)構(gòu)的工作原理也比較簡單，即線路中的信號線圈發(fā)出交流電變壓信號時，輸出的電壓會提升P點(diǎn)處的電壓，并且其數(shù)值會持續(xù)增高，始終大于V2處的導(dǎo)通電壓，正因為V2處電壓導(dǎo)通，而V3的電位會相對降低直至截止，三極管元件的電位因此升高直至導(dǎo)通，由a點(diǎn)獲得一定的分壓值，并持續(xù)控制V5處的導(dǎo)通。電路中的點(diǎn)火線圈的初級繞組在初步通電以后，線圈會儲存一定的電磁能，用于電子點(diǎn)火裝置的應(yīng)用。如果情況相反，則該線路中的信號圈電壓持續(xù)降低，線路中P點(diǎn)處的電位要比V2處的導(dǎo)通電壓更低，所以V5處于截止?fàn)顟B(tài)，線路中線圈的初級繞組也處于斷電的狀態(tài)，此時點(diǎn)火線圈會對已經(jīng)儲存的電磁能進(jìn)行釋放，在高壓狀態(tài)下就會促使火花塞跳火，以此完成磁感式電子點(diǎn)火工作。

圖3 豐田某車型磁感式電子點(diǎn)火裝置中分壓電路的應(yīng)用示意圖（參考）

3.2 分壓電路與傳感器

1.分壓電路對于環(huán)境溫度與水溫的作用

分壓電路在汽車傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)為控制信號的作用，多數(shù)汽車的環(huán)境及水溫傳感器會與汽車空調(diào)之間形成連接，均可以采用負(fù)溫度系數(shù)所表示的熱敏電阻，用于監(jiān)控汽車內(nèi)部的溫度并維持其環(huán)境溫度的舒適度。但是汽車系統(tǒng)中普遍使用的空調(diào)ECU只能對數(shù)字類信號進(jìn)行處理，而不能在電子元件電阻變化的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行處理，反而是通過電子元件電阻變化以后，將數(shù)值傳輸?shù)絺鞲衅髦?，將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為能夠與溫度表達(dá)一致的數(shù)字信號后，可以進(jìn)行處理，再以信號的形式返還給處理系統(tǒng)，而這些過程都是在分壓電路過程中實現(xiàn)傳遞的。其基本的傳輸過程如下，汽車的環(huán)境傳感器及水溫傳感器會分別于空調(diào)ECU連接，構(gòu)成了以串聯(lián)電路為主要形式的分壓電路進(jìn)行工作，分壓端包括不同功能所需要的Va、Vb及Vc等等端口，經(jīng)過整體串聯(lián)系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換電路處理以后，會改變?yōu)閿?shù)字形式的信號，核心設(shè)備空調(diào)ECU將數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算，得出了相應(yīng)的控制信號，即可以完成對車內(nèi)溫度、風(fēng)速的調(diào)控，并為車內(nèi)外循環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用提供基礎(chǔ)條件。

2.分壓電路對于汽車電控燃油噴射系統(tǒng)的作用

如圖4所示，是本田某車型水溫傳感器與燃油系統(tǒng)進(jìn)氣溫度傳感器的線路圖，與汽車空調(diào)系統(tǒng)ECU直接連接，此車型燃油系統(tǒng)中的水溫傳感器與進(jìn)氣溫度傳感器采用的都是負(fù)溫度系數(shù)的電阻元件，屬于熱敏電阻，根據(jù)圖示可知，各部分的電阻都與ECU形成了分壓電路，經(jīng)過Va與Vb兩個端點(diǎn)將信號輸送至A/D轉(zhuǎn)換電路中，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以后，該系統(tǒng)會根據(jù)信號的指示形成相應(yīng)形式的噴油脈沖，即可完成對燃油系統(tǒng)噴油嘴動作的良好控制。除此之外，燃油系統(tǒng)中氣節(jié)門的位置傳感器也需要怠速調(diào)整電阻，與燃油系統(tǒng)中的EFI控制單元直接相連，串聯(lián)成分壓電路的結(jié)構(gòu)。汽車所使用的節(jié)氣門位置傳感器通常是根據(jù)可變電阻的數(shù)值變化來進(jìn)行調(diào)整的，作為電壓端子的應(yīng)用元件，也成為怠速信號端子用于傳遞信號，其與節(jié)氣門連接處的電阻組成了傳感器輸出端子，此時a與b點(diǎn)都處于該串聯(lián)分壓電路結(jié)構(gòu)的中間位置，并且b點(diǎn)的節(jié)氣門開度為原有開度的2/3。縱觀節(jié)氣門位置傳感器的分壓電路并沒有非常明顯的分壓電路特征，但從其功能性方面來看，可以將其簡化為分壓電路的形式，也滿足分壓電路的串聯(lián)電路結(jié)構(gòu)要求，所以仍將其歸納于分壓電路的應(yīng)用。也就是說，在汽車燃油系統(tǒng)的氣門發(fā)生開度變化時，相應(yīng)位置處的電阻元件也可以作為傳感器電阻的分界點(diǎn)使用，形成不同部位的電壓分壓電路，燃油系統(tǒng)節(jié)氣門所輸出的信號就是分壓電路的具體分壓值，在轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以后，汽車的ECU系統(tǒng)會正常運(yùn)行并控制燃油系統(tǒng)的噴油器脈沖操作，當(dāng)節(jié)氣門增加開度，該電路的分壓值也在逐漸增大，和整體的電阻關(guān)系為線性關(guān)系，仍然符合分壓電路的各項特征。

圖4 本田某車型水溫傳感器與進(jìn)氣溫度傳感器線路示意圖（參考）

4 結(jié)束語

現(xiàn)代汽車的電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜，各個功能的應(yīng)用都需要相應(yīng)的內(nèi)部控制系統(tǒng)予以調(diào)節(jié)，所以現(xiàn)代汽車在構(gòu)造過程中應(yīng)用的電子元件較多，也需要相應(yīng)的電阻元件予以調(diào)節(jié)電壓，用于適應(yīng)汽車在行駛過程中電壓不斷變化的環(huán)境，維持汽車各項功能的穩(wěn)定。分壓電路作為現(xiàn)代汽車電氣控制系統(tǒng)中比較基礎(chǔ)的串聯(lián)電路形式，是以各類電阻元件的使用為主要形式的調(diào)壓模式，在汽車系統(tǒng)的供壓及傳感等方面均有應(yīng)用，無論是維持發(fā)動機(jī)的電壓穩(wěn)定，還是在汽車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，都體現(xiàn)出非常重要的作用。