자동차 메카트로닉스-1

3. 전자 일반

 자동차에 전자기술을 채용하기 시작한 것으로 배기가스에 대한 규체와 연료의 경제성에 대해서 대응하기 위해 보다 정밀한 엔진의 제어가 필요했기 때문이며 디지털 전자회로의 가격이 비교적 낮아진 것도 자동차에 전자기술을 응용할 수 있게 된 계기가 되었다.

1) 반도체

 반도체는 전기적으로 도체와 부도체의 중간적인 성질을 갖는 물질을 의미한다. 순수한 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)과 같은 4가의 원자로 된 진성 반도체에 3가 또는 5가의 물질을 첨가시켜 불순물 반도체의 형태로 사용한다.

(1) P형 반도체

 P형 반도체는 진성 반도체에 3가의 원소(붕소(B), 인듐(In), 갈륨(Ga))를 혼합한 것으로 가전자가 4개인 실리콘에 가전자가 3개인 원소를 첨가하면 주위의 실리콘 원자와 전자를 공유하며 결합되는데 3가 원소는 1개의 실리콘 원자와는 전자를 공유하지 못한다. 이와 같이 전자가 없는 부분을 정공이라 하는데 이 상태에서 전압을 가하게 되면 주위의 전자가 전공 자리를 채우면서 다시 그 전자의 자리에 정공이 형성되므로 정공이 이동하는 것처럼 되며 이러한 정공의 이동으로 전류가 흐르게 된다. 전기적인 전도는 정공에 의하여 이루어지므로 정공은 양(+)의 특성을 갖고 있기 때문에 P형 반도체라 한다. 

(2) N형 반도체

 N형 반도체는 진성 반도체에 5가의 원소(비소(As), 인(P), 안티몬(Sb))를 혼합한 것으로 가전자가 4개인 실리콘에 가전자가 5개인 원소를 처마하면 5가 원소는 1개의 자유전자가 생성되어 전기의 전도에 기여하게 된다. 전류의 이동은 자유전자에 의해서 이루어지므로 자유전자는 음(-)의 특성을 갖고 있기 때문에 N형 반도체라 한다. 전자의 이동속도는 정공보다 약 4배 이상 빠르다.

2) 반도체 소자

(1) 일반 정류용 다이오드

 PN접합 반도체로서 한 방향으로만 전류를 흐르게 하는 특성을 가지고 있으며 교류를 직류로 변환하는 정류회로에 사용된다.

- 반파 정류 : 하나의 장현 파 교류가 입력될 경우 다이오드를 1개만 사용해서 회로를 구성하면 교류 (+) 부분만 출력되고 (-) 부분은 소멸된다

- 전파 정류 : 4개의 다이오드를 브릿지 접속하여 정류회로를 구성하면 입력되는 정현파 교류는 (+), (-)를 모두 한 방향(+)으로 출력한다.

(2) 트랜지스터 

 P형 반도체와 N형 반도체 3개를 조합하여 구성되며, PNP형과 NPN형이 있다. 작은 신호전류로 큰 전류를 단속하는 스위칭 회로나 작은 전기신호를 큰 신호를 증폭하는 증폭 회로 등에 사용된다.

(3) 제너 다이오드

 다이오드의 불순물 농도가 높은 PN접합 반도체로, 역방향 전압을 증가시키면 어느 전압에서 급격히 전류가 증가하는 특성을 나타내는 것으로 정류 작용을 가지고 있지만 역방향에 있어서도 전압으로 전류를 흐르게 하는 특성을 이용해서 파형 회로나 정전압 회로 등에 사용된다.

(4) 포토 다이오드

 역방향의 전압을 가한 상태에서 PN접합면에 빛을 받으면 전류가 흐르는 특성을 이용하는 소자로서 전류의 세기는 빛의 양에 비례하여 증가한다. 자동차에서는 주위의 밝기에 따라 실내의 조명을 조절하는 장치나 기관의 크랭크 각을 검출하는 크랭크 갓도 센서(CAS) 등에 사용된다. 

(5) 발광 다이오드

 LED라고도 불리며 PN접합 다이오드에 순방향 전압을 가했을 경우 빛을 발생시키는 소자이다. 자동차에서는 디지털 미터의 표시장치, 파일럿램프, 포토 다이오드와의 조합으로 크랭크 각도의 검출에도 응용되고 있다.

(6) 서미스터

 반도체의 부온도 특성을 이용한 소자로 온도 변화에 대해 전기저항이 현저하게 변하는 특성을 가지고 있다. 자동차에서는 엔진의 공기 온도 센서, 수온센서 등에 사용된다.

(7) 사이리스터

 다층 PN접합 소자의 총칭이고, 기본적으로 P형과 N형 반도체 4개를 접합한 형태로 되어 있다. 게이트 단자에 미소한 전기 신호를 주면 애노드와 캐소드 사이에 수 A ~ 수백 A의 전류를 단속시킬 수 있다. 자동차 분야에서는 SCR이라는 단방향 소자이다. SCR은 전류에 대한 ON, OFF 동장이 매우 빠름 내전압이 높기 때문에 트랜지스터의 스위칭 동장 대용으로 활용되고 CDI 장치에 활용되어 2차 고전압을 유도하는 역할을 한다.

(8) 논리회로

 컴퓨터가 입력정보를 출력으로 변환하는 정보처리를 위한 기본적인 전기회로를 말한다. 컴퓨터는 여러 가지 논리회로를 이용하여 데이터의 해독 기억, 명령, 연산 등의 동작을 수행한다.

 

4. 제어과학

1) ECU 및 검출기

 SI 엔진에서 EGI(Electronic Gasoline Injection) 시스템으로부터 시작하여 주행 및 차체의 상태를 검출하는 다양한 검출기와 제어장치로 구성되어 점차적으로 전자제어 기능이 발달하고 있다.

(1) ECU (Electronic Control Unit)의 기능

 ECU는 엔진 회전수, 냉각수 온도, 흡기 온도, 감속기 작용하는 기화기 부압, 배기가스 중의 산소 농도, 전기 부하 스로틀 밸브 개도 등을 전기적인 신호를 받아서 ECU에 수록된 내용과 비교하여, 엔진의 상황을 판단한다. 또한 판단된 내용에 따라 각 솔레노이드 밸브 또는 액추에이터를 작동시키며, 감지한 엔진 상황에 가장 적절한 조치를 취한다. ECU에는 시동을 정지시켜도 항상 전원이 공급되며, 시동 정지 상태 이전의 시동 상태를 기억하여 다음 가동 시 작용된다.

(2) ECU에 정보를 공급하는 검출 부분

A. O2 검출기

 산소 검출기는 배 비관에 장착되어 있고, 고체 전해질의 산소농도 전지의 원리를 응용한 것으로 이것의 출력 전압은 이론 공연지 부근에서 급격히 변화하는 특성을 가지고 있다. 

 산소 검출기는 이 특성을 이용하여 배기가스 중의 산소농도를 검출해서 ECU에 출력 전압으로 신호를 보낸다.

 배기가스 중의 O2 양에 따라 0~1.0V의 기전력을 발생하는데 이론 혼합비 부근보다 희박한 혼합비인 경우에는 출력 전압(0~1.0V)이 낮고, 농후한 혼합비인 경우에는 높게(0.6~0.9V) 나타난다. 이 기전력의 신호를 ECU에서는 1/100초에 1회씩 받아들여 공연비를 유지한다.

B. WTS(Water Temperature Sensor)

 WTS는 흡기관 아랫부분의 냉각수 통로에 설치되어 냉각수 온도를 검출하는 일정의 저항기이다. 엔진 냉각수 온도에 따라 전압으로 변환하여 ECU로 적절한 혼합기 조절과 2차 공기 공급의 기초 신호로 이용된다.

C. TPS(Throttle Position Sensor)

 TPS는 기화기 스로틀 밸브의 열림 각도를 측정하는 가변 저항기로서 스로틀 밸브의 열림 정도를 검출하여 전압으로 변환해서 ECU에 보내며, 이 정보에 의해서 적절한 혼합비 조절과 2차 공기 공급을 제어한다.

D. 진공 스위치

 진공 스위치는 기화기의 스로틀 밸브 바로 밑의 부압에 의해 On-Off 되는 스위치로, 스로틀 밸브의 개도, 즈 감속되는 것을 감지하여 ECU에 신호를 보내며 이 신호에 의해 감속 시 SCS(Slow Cut Solenoid) 작동과 2차 공기 공급이 이루어진다.

E. RPM (tachometer)

 기관 회전수는 속도계에 의하여 감지하도록 구성되며 크랭크축 1회전에 1개의 신호가 카운트되도록 한 후 ECU에서 제어 작동되도록 하였다