Коммутаторы системы зажигания
Назначение и принцип работы коммутатора системы зажигания
В системе зажигания автомобильных двигателей для получения тока высокого напряжения, вызывающего искрообразование на электродах свечей, используется принцип электромагнитной индукции – катушка зажигания, представляющая собой своеобразный трансформатор, способна преобразовать напряжение бортовой цепи автомобиля (12 В) в напряжение, достигающее несколько тысяч вольт. Для этого необходимо периодически подавать и отключать ток от первичной цепи катушки зажигания, в результате чего постоянный ток бортовой цепи становится переменным (циклически изменяющимся по величине от нуля до 12 В и наоборот). Первые системы зажигания двигателей использовали для этих целей устройства (прерыватели), смыкающие и размыкающие электрические контакты механическим способом. В принципе, эти устройства можно назвать родоначальниками современных коммутаторов автомобильных систем зажигания.
Однако, механические (контактные) коммутаторы имели ряд существенных недостатков, которые по мере развития и совершенствования автомобильных двигателей проявлялись все отчетливее. Контакты имели склонность к подгоранию, требовали систематической чистки и регулировки зазора, и не могли «похвастать» стабильностью создаваемого импульса по величине и продолжительности. Кроме того, они обладали заметной инертностью, как и все механические устройства, что ограничивало возможности высокооборотистых двигателей, а недостаточно продолжительная и мощная искра была камнем преткновения для увеличения степени сжатия. Тем не менее, такие системы зажигания длительное время использовались в автомобилях, и только появление и совершенствование полупроводниковых приборов позволило конструкторам совершить своеобразную революцию в способе коммутации управляющих импульсов.
На первых порах от использования механических контактов прерывателя конструкторы не отказались, но решили проблему с их электрической нагрузкой, приводящей к подгоранию. Через контакты прерывателя пропускался слабый ток управления, который подавался на базу мощного транзистора, служащего усилителем сигнала, поступающего в первичную цепь катушки зажигания. Так появились контактно-транзисторные системы зажигания, и первые полупроводниковые коммутаторы. Впоследствии конструкторы систем зажигания отказались от механических контактов, использовав для формирования маломощного импульса различные магнитоэлектрические датчики, а также датчики, работающие на эффекте Холла. Усовершенствование этих устройств продолжается и в настоящее время, при этом современные коммутаторы автомобильных систем зажигания совершенно отличаются от своих механических и даже транзисторных «предков».
Применение полупроводниковых и микропроцессорных коммутаторов в контактно-транзисторных или бесконтактных системах зажигания позволяет получить следующие преимущества:
- уменьшается ток, протекающий по контактам прерывателя, вследствие чего они практически перестают подгорать (для контактно-транзисторной системы зажигания);
- увеличивается длительность подачи искры, что гарантирует эффективное воспламенение рабочей смеси в цилиндрах двигателя;
- появляется возможность существенного увеличения степени сжатия в цилиндрах двигателя, а также частоты вращения коленчатого вала без ущерба для надежности искрообразования.
В целом увеличивается надежность работы системы зажигания и снижается трудоемкость ее технического обслуживания.
Выпускаемые коммутаторы контактно-транзисторных и бесконтактных систем зажигания делятся на три группы:
- коммутаторы на дискретных полупроводниковых компонентах с использованием корпусных интегральных микросхем, установленных на печатных платах;
- коммутаторы, выполненные по толстопленочной технологии с применением стандартных бескорпусных и дискретных компонентов;
- коммутаторы, изготовленные по гибридной технологии с использованием специальной твердотельной микросхемы, на которой реализуются основные функциональные узлы коммутатора.
Коммутаторы для контактно-транзисторных систем зажигания
Коммутаторы контактно-транзисторных систем и коммутаторы с постоянной скважностью импульсов выходного тока для бесконтактных систем зажигания функционально просты и содержат небольшое количество полупроводниковых компонентов (как правило, не более четырех транзисторов). Они относятся к первой группе. Их основой служит литой алюминиевый корпус, имеющий ребристую наружную поверхность для улучшения теплоотдачи. Внутри корпуса расположены все элементы коммутатора за исключением выходного транзистора, который монтируется на корпусе в специальном кармане.
Для многих типов транзисторов (например, n-p-n) необходима изоляция от корпуса коммутатора, поэтому они монтируются через специальную прокладку. Для снижения теплового сопротивления перехода между корпусом коммутатора и прокладкой наносят теплопроводные пасты, благодаря чему охлаждение выходного транзистора более интенсивно. Для подключения коммутатора к бортовой сети автомобиля и к элементам системы зажигания используется клеммная колодка.
Коммутатор ТК102
На рис. 1 показан коммутатор ТК102, относящийся к первой группе, который предназначен для работы в контактно-транзисторной системе зажигания автомобилей с восьмицилиндровыми двигателями, но может быть использован для работы с любым классическим распределителем зажигания. В качестве нагрузки используется катушка Б114 (W2/W1 = 235; L1 = 3,7 мГн; R1 = 0,42 Ом). Для ограничения первичного тока используется добавочное сопротивление СЭ107 (1,04 Ом). Коммутатор ТК102 имеет один мощный германиевый транзистор ГТ701А (VT1), стабилитрон Д817В (VD2) и диод Д7Ж (VD1), служащие для защиты от перенапряжения силового транзистора VT1. Дроссель L1 и резистор R1 предназначены для ускорения процесса запирания транзистора VT1, конденсатор С1 первичного контура возбуждения катушки зажигания и конденсатор С2 служат для защиты компонентов схемы коммутатора от скачков напряжения в бортовой сети автомобиля. В случае отказа коммутатора (например, при выходе из строя транзистора) можно перекинуть провода в стандартное положение, и двигатель продолжит работать, что позволит водителю добраться до места ремонта.
Коммутаторы для бесконтактных систем зажигания
Коммутаторы этого типа используются в системах зажигания, где для формирования импульса управления током первичной цепи катушки зажигания используются не механически управляемые контакты, а магнитоэлектрические датчики.
Электронные коммутаторы бесконтактных систем зажигания выполняют следующие функции:
- формирование выходного токового импульса необходимой амплитуды и продолжительности, подаваемого к первичной обмотке катушки (или катушек) зажигания для обеспечения заданного уровня высокого напряжения и энергии искры;
- обеспечение момента искрообразования в соответствии с заданным фронтом управляющего импульса, поступающего на вход коммутатора;
- стабилизация параметров выходного токового импульса при колебаниях напряжения бортовой сети автомобиля и воздействии внешних факторов.
Различные коммутаторы могут выполнять и дополнительные функции:
- стабилизация питания и защита от импульсов перенапряжения в бортовой сети автомобиля в аномальных режимах микропереключателя, работающего на эффекте Холла;
- ограничение амплитуды импульса вторичного напряжения в аномальных режимах (например, в режиме открытой цепи);
- предотвращение протекания первичного тока через первичную обмотку катушки зажигания при включенном замке зажигания и неработающем двигателе.
На входные клеммы коммутатора поступают импульсы управления, формируемые бесконтактным датчиком углового положения коленчатого вала двигателя или электронным регулятором напряжения – коллектором. Выходом (нагрузкой) коммутатора является первичная обмотка катушки (или катушек) зажигания. В случае, когда коммутатор обслуживает две или несколько катушек, он выполняет функцию распределителя высоковольтных импульсов по цилиндрам двигателя.
Бесконтактный коммутатор трехфазных цепей
)Заявлено 18.07 21) 2048051/24 03 К 17/5 присоединением заявки М23) Приоритетвсударстмвьй амвтО СССР пв далем иаобрееал в еткрьлвй) БЕСКОНТАКТНЫЙ КОММУТАТОР ТРЕХФАЗНЪ ЦЕПЕЙ ации. Цель овышение наде обретения строиства Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствамслужащим для включения и выключения электроустановок питающихся переменным током.В качестве исполнительного органа бесконтактных коммутаторов широко используются тиристоры.Известны устройства для управления не имеющие гальванической связи с управляющими электродами тиристоров, в которых для управления тиристорами используются остроконечные импульсы с частотойпревышающей частоту коммутируемого напряжения 11, Недостатком этой схемы является то, что в них не всегда совпадает импульс управления с началом полупериода коммутируемого напряжения (тиристоры могут работать с отсечкой), и необходим дополнительный источник питания для генератора импульсов.Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является коммутатор содержащий исполнитель ный орган,представляюший собой симметричный тиристор, два трансформатора и блок управления на встречно включенных диодах и транзисторе 2.Недостатком этого устройства является то, ,то обмотки трансформаторов шунтируют тнристор, Это приводит к тому, что ток холостого хода трансформаторов протекает через нагрузку и поэтому напряжение с нагрузки снимается не полностью, т.е. снижается надежность коммуПоставленная цель достигается тем, что в бесконтактном коммутаторе трехфазных цепей, содержащем исполнительный орган, два трансформатора, блок управления на встречно включенных диодах и транзисторе и диодно резисторные цепочки, исполнительный орган выполнен на встречно параллельно включенных тиристорах и диодах, трансформаторы выполнены трехфазными, причем первичные обмошествляться малол 1 ошныл .игнацом иос 1 ъ янного тока или путем замыкания л 1 аломощного контакта.Коммутатор может быть использованв трехфазных мощных и маломощных цспях при любой схеме включения нагрузки.Настоящее изобретение выгодно отлиличается от известных устройств прост- той и надежностью в работе, не требуетдополните 11 ьного источника питания, полволяет использовать маломошный сигналуправления, не имеет гальванической связи цепи управления с коммутируемойцепью15 формула изобретения Бесконтактный коммутатор трехфазныхцепей, содержащий исполнительный орган,2 О два трансформатора, блок управления навстречно включенных диодах и транзисторе и диодно резисторные цепочки, О тл и ч в ю ш и й с я тем, что, с цельюповышения надежности исполнительный25орган выполнен на встречно параллельновключенных тиристорах и диодах, трансформаторы выполнены трехфазными, причем первичные обмотки одного трехфазного трансформатора соединены в треу 30гольник и подсоединены ко входу коммутатора, вторичные обмотки соединены взвезду и подключены к началам первичных эбмоток другого трехфазнэгэ трзнсфэрматэра,концы кэтэрых пэдключены к общим тэчкамвстречно включенных диодов упрввляюшего блока, конец вторичной обмотки фазыА второго трехфазного трансформаторасоединен через диодно-резисторную цепочку с управляющим электродом тиристора фазы С исполнительного органа,аналогичным образом конец вторичнойобмотки фазы В соединен с управляющимэлектродом тиристора фазы А, конец вторичной обмотки фазы С соединен с управляющим электродом тиристора фазы В,а начала этих обмоток соединены с выходом коммутатора.Источники информации, принятые во50внимание при экспертизе1. Патент фРГ Ъ 1230848,кл, 21 б 36/18, 1964,2. Дзюбин И. И. Тиристогы в электрических схемах. М., Энергия, 1972,с. 40, рис. 24. 3 678667ки одного трехфазного трансформатора соединены в треугольник и подсоединены квходу коммутатора, вторичные обмоткисоединены в звезду и подключены к началам первичных обмоток другого трехфазного трансформатора, концы которых подключены к общим точкам встречно включенных диодов упрввляюшего блока, конецвторичной обмотки фазы А второго трехфазного трансформатора соединен черездиодно-резисторную цепочку с управлявшим электродом тиристора фазы С исполнительного органа, аналогичным образомконец вторичной обмотки фазы В соединен с управляющим электродом тиристорвфазы А, конец вторичной обмотки фазы Ссоединен с управляющим электродом ти-ристора фазы В, а начала этих обмотоксоединены с выходом коммутатора.На чертеже приведена электрическаясхема коммутатора.Коммутатор состоит из исполнительного органа на тиристорах 1, 2, 3 и диодах 4, 5, 6, двух трансформаторов 7 и8, блока управления на транзисторе 9,диодах 10-15, и резисторах 16, 17,Коммутатор работает следующим образом.Коммутируемое трехфазное нвпряженйе подается на вход коммутатора и одно.временно подается нв первичные обмоткитрехфазного трансформатора 7, включенные в треугольник. Вторичные обмоткитрансформатора 7 соединены в звезду.С вторичных обмоток трансформатора7 напряжение подается на первичные Обмотки трехфазного трансформатора 8, которые могут соединяться в звезду черездиоды 10-15 и транзистор 9, если оноткрыт.С вторичных обмоток трансформатора8 напряжение через диоды 18-20 и резисторы 21-23 подается на управляюшиеэлектроды тиристоров 1, 2, 3.Таким образом управление тиристорами осуществляется положительной нолуволной синусоиды, Опережаюшей фазу линейного напряжения на тиристоре на60 эл. градусов, что обеспечивает подачунапряжения на нагрузку коммутатора безотсечки. Источником напряжения управления тиристорвми является трехфазное напряжение, подаваемое на вход коммутатора. Запуск схемы правления может Осу678667 Составитель О. Парфеновабов Техред Н, Бабурка Корректор М. Пожо актор Д лн ц ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная,Заказ 4581/48ЦЦИИПИпо де113035,Тираж 1060 ПодписноеГосударственного комитета СССРм изобретений и открытийМосква, Ж, Раушская наб., д, 4/
Смотреть
Контроллеры
Выпускаются контроллеры серии МС2715.03 для легковых автомобилей ВАЗ-21083 и МС2713.01 для грузовых автомобилей ЗИЛ-4314, предназначенные для управления углом опережения зажигания по оптимальной характеристике регулирования на основе информации от датчиков начала отсчета, частоты вращения коленчатого вала двигателя, разрежения в задроссельном пространстве карбюратора (или впускном трубопроводе инжекторного двигателя) и температуры охлаждающей жидкости.
Контроллеры осуществляют также управление электроклапаном экономайзера принудительного холостого хода (ЭПХХ). Контроллер МС2715.03 для легковых автомобилей с четырехтактным четырехцилиндровым двигателем вырабатывает сигнал «Выбор канала» для обеспечения функции статического распределения энергии по цилиндрам двигателя.
Структурная схема контроллера приведена на рис. 6. На выводы контроллера поступают сигналы датчика начала отсчета (НО), датчика угловых импульсов (УИ), датчика частоты вращения коленчатого вала (КВ), датчика разрежения (Р), датчика температуры охлаждающей жидкости (Тохл).
После обработки сигналов датчиков в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) информация о параметрах двигателя в виде цифровых кодов поступает в процессор, который производит вычисление частоты вращения коленчатого вала двигателя, разрежения, температуры, углового положения коленчатого вала двигателя и на основании этих данных вычисляет угол опережения зажигания в соответствии с картой углов опережения зажигания двигателя, которая хранится в памяти процессора. Синхронизация работы контроллера с работой двигателя и формирование сигнала «Выбор канала» производится посредством импульсов датчика НО. Выходные сигналы процессора управляют работой формирователей импульса зажигания (ФИЗ) и выбора канала усилителя ЭПХХ. Сигналы ФИЗ и ВК непосредственно управляют работой двухканального коммутатора.
Характерной особенностью автомобиля можно считать его быстрое моральное старение, но долгую жизнь. Самое современное сегодня авто, как минимум через два года будет уже уступать другим, более новым, с улучшенными характеристиками, машинам. Но и сейчас на дорогах встречаются автомобили прошлого века. Поэтому не просто интересно, но порой и необходимо, знать хотя бы в общих чертах, что собой представляют подобные транспортные средства, их устройство, особенности, в том числе и такую вещь, как простой коммутатор зажигания, значительно изменивший возможности машины.
Что собой представляет и каков принцип работы коммутатора зажигания
Ещё на самых первых автомобилях для поджигания горючей смеси использовались системы батарейного зажигания, функциональная схема которой приведена на рисунке
Указанный рисунок позволяет понять, что ее работа основана на принципе самоиндукции. При разрыве цепи протекания тока в обмотке бобины 3, во вторичной наводится высоковольтная ЭДС, вызывающая появление искры на контактах свечи 2. Разрыв цепи вызывается размыканием контактов прерывателя 6.
Не касаясь достоинств или недостатков, следует отметить, что такая схема работала на автомобиле долгое время. И только появление новой элементной базы, дало толчок дальнейшему развитию подобного устройства, сохранив первоначальный принцип его работы.
Бесконтактный коммутатор тока
Выполняет те же функции, что и реле ТШ-5.
Схема БКТ включает два силовых диода VD1 и VD2, разделительные диоды VD3 и VD4 в цепях управления тиристоров, резисторы R1 и R2, подключенные параллельно входам тиристоров, и нелинейное сопротивление (Варистор) R3.
Диод VD1 и тиристор VS1 соединены встречно и параллельно. Они образуют несимметричный ключ переменного тока. Диод VD2 и тиристор VS2 образуют аналогичный ключ.
Оба ключа соединены последовательно друг с другом и имеют среднюю точку (вывод 33).
Выводом БКТ являются выводы 11(12) и 71(72).
Резисторы R1 и R2 стабилизируют работу схемы при изменении температуры окружающей среды и отклонении токов управления тиристоров.
Варистор R3 используется для защиты диодов от пробоя при воздействии импульсных помех большей амплитуды.
При разомкнутой цепи управления (выводы 33 и 53) тиристоры VS1 и VS2 заперты. Переменный ток между выводами 11 и 71 не приходит, т.к. тиристоры включены встречно.
При замыкании цепи управления контактом реле Т (выв.33,53) и положительной и отрицательной полуволн переменного тока поочередно открываются тиристоры VS1 и VS2, и переменный ток начинает проходить через них.
Если мгновенная положительная полярность от тр-ра Т приложена к выводу 11, то возникает цепь управления.
Тиристорам VS2: нижний вывод тр-ра Т, вывод 53, диод VD4, выводы 51 и 52, управляющий диод тиристора VS2, катод VS2, выводы 71 и 72, нагрузка (ДТ), реактор L, верхний вывод обмотки тр-ра Т.
При достижении током управления величины тока отпирания тиристор VS2 открывается и совместно с диодом VD1 пропускает ток нагрузки по цепи: обмотка тр-ра Т, вывод 11, диод VD1, тиристор VS2,выводы 71 и 72, нагрузка, реактор L, верхний вывод тр-ра Т.
При отрицательной полуволне переменного тока создается аналогичная цепь для управления тиристором VS1 (T-L –нагрузка, 71(72)-VD2-33/53-VD3-31/32-VS1-11/12-T), он открывается вместе с диодом VD2 образует через нагрузку рабочую цепь для отрицательной полуволны переменного тока. Таким образом, пока замкнута цепь управления (33/53), тиристоры, поочередно открываются, пропуская переменный ток через дроссель-тр-р(ДТ).
После размыкания контакта Т цепи управления тиристорами размыкаются, при прохождении тока нагрузки через «0» тиристоры закрываются и остаются запертыми до следующего замыкания цепи управления контактом реле Т.
Бесконтактное параметрическое реле.
Принцип его действия основан на свойстве возбуждения колебаний в контуре путем периодического изменения его параметров (L или C). Чаще используют бесконтактное параметрическое реле, в которых под воздействием входного сигнала изменяется индуктивность.
Индуктивность контура (обмотки W3) изменяется при протекании тока по обмоткам возбуждения W1 и W2, которые включены встречно для исключения прямой трансформации тока на выходную обмотку W3. При возбуждении тока частотой f индуктивность параметрического контура изменяется дважды за период (от положительного и отрицательного полуволн) т.е. с частотой 2f, в контуре возбуждаются колебания также с частотой 2f. Параметрические возбуждения нарастают лавинообразно (скачкообразно) при достижении входным сигналом определенного значения. Если входной сигнал снизить до некоторого уровня, то колебания прекращаются. Это свойство и позволяет использовать такую схему в качестве параметрического реле.
Коэффициент возврата его
где Uвх. и Uвх.ср.-соответствует напряжению срабатывания и отпускания(прекращения генерации бесконтактного реле).
Реле работает под воздействием тока, поступающего на вход РЦ. В этом отношении оно аналогично контактному путевому реле.
Недостатки: ограничены рабочий диапазон(из-за перенасыщения сердечника), возможность работы в режиме трансформатора при замыкании одной из входных обмоток, что недопустимо.
Элемент релейного действия на туннельном диоде.
ВАХ туннельного диода имеет три области.
Область А соответствует протеканию туннельного тока. Область B-это область отрицательного сопротивления.
При увеличении напряжения U>Umax уменьшается число электронов, способных совершать туннельный переход, и ток резко убывает. При U=Umin туннельный ток исчезает. В области С возрастает обычный диффузионный ток диода.
Схема реле на туннельном диоде имеет 2 устойчивых состояния, определяемых точками 1 и 2 нагрузочной характеристики.
В исходном состоянии (iвх=0) туннельный диод открыт (точка 1), и по нагрузке протекает ток I1 (реле включено). При подаче на вход схемы импульса положительной полярности возрастает напряжение на диоде до значения Umax, и диод закрывается. Ток в нагрузке скачком уменьшается до I2(точка2).
Реле выключается. Для включения диода на вход схемы подается импульс отрицательной полярности. Это вызывает уменьшение напряжения на диоде до Umin, и ток в нагрузке скачком увеличивается до значения I1 (точка1).
Достоинство туннельных диодов- высокая рабочая частота (десятки MГц), поскольку туннельный переход электронов происходит практически мгновенно за время = секунды.
Недостаток туннельных диодов- отсутствие входного электрода, что вызывает трудности при соединении в схемах диодов друг с другом. Поэтому часто используют транзисторно-диодные релейные элементы
В них туннельный диод служит для запоминания информации, а транзистор для усиления сигналов.
Каким может быть коммутатор системы зажигания
Приведенная выше схема коммутатора – лишь один из вариантов, как может быть реализовано устройство зажигания. Это выполняется с использованием:
- транзисторов;
- тиристоров:
- гибридных элементов;
- бесконтактных датчиков.
Транзисторная схема коммутатора рассмотрена выше, тиристорная схема использует накопление энергии в конденсаторе, а не в электромагнитном поле катушки зажигания. В ходе работы тиристорной системы, при поступлении управляющих сигналов, схема подключает заряженный конденсатор к обмоткам катушки, через которую он и разряжается, вызывая появление искры. Не касаясь достоинств и недостатков, которыми обладает та или иная схема, достаточно сказать, что любое подобное устройство обеспечивает значительное улучшение всех параметров системы зажигания, а коммутатор со временем вытеснил обычное батарейное зажигание.
Однако необходимо отметить и ещё один этап развития системы, и коммутатора в частности. Использование электронных компонентов и введение в конструкцию автомобиля коммутатора, позволило со временем отказаться от контактного прерывателя напряжения и заменить его бесконтактным датчиком. Такая система, в отечественных автомобилях, впервые была применена в машинах ВАЗ, в частности ВАЗ 2108. Подобный принцип работы, когда коммутатор получает сигналы от специального узла, на ВАЗ 2108 реализован с использованием датчика Холла.
При рассмотрении вариантов, каким может быть устройство коммутатора, нельзя обойти вниманием развитие самой системы зажигания. Основной принцип, который реализуется при ее построении – повышение надежности и эффективности работы всей системы. Достигается это применением микропроцессорных систем, использующих показания многочисленных датчиков. Для работы с такими системами требуется, как минимум, двухканальный коммутатор, а в последнее время и отдельная катушка, и коммутатор на каждую свечу. Такой подход – двухканальный коммутатор (в дальнейшем и многоканальный) позволяет обеспечить:
- более мощную искру;
- исключение потерь в трамблере;
- стабильный холостой ход;
- улучшенный пуск при пониженной температуре;
- снижение расхода топлива.
Стоит отметить, что двухканальный коммутатор позволяет избавиться от бегунка.
