|
СХЕМЫ---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 1-50---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 51-100---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 101-150---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 151-200
Блок электронного зажигания повышенной надежности.
А. СИНЕЛЬНИКОВ
В настоящее время широкое распространение получили тиристорные блоки электронного зажигания со стабилизированным вторичным напряжением. Такие блоки выпускаются промышленностью и продаются в автомагазинах («Искра-1», «Искра-2», «Искра-3», ПАЗ-2, ПАЗ-3 и др.). Схемы этих блоков в основном идентичны [1—4], отличие заключается лишь в конструкции и типах применяемых элементов.
Опыт эксплуатации большого количества таких блоков показал, что в ряде случаев на некоторых автомобилях необходимая устойчивость работы не обеспечивалась, иногда без каких-либо видимых причин наблюдались пропуски зажигания (сбои), вызывающие характерное «дергание» автомобиля во время движения. Иногда пропуски зажигания были во время пуска двигателя стартером, в то же время от рукоятки двигатель пускался, как говорится, с пол-оборота.
Строго говоря, напряжение в бортовой электросети автомобиля нельзя считать напряжением постоянного
тока, так как реально всегда имеются импульсные помехи, причем их амплитуда у различных автомобилей неодинакова и колеблется от 5 до 50 В! Помехи эти создаются в результате работы генератора, стартера, регулятора напряжения, звуковых сигналов, прерывателя указателей поворота, двигателя стеклоочистителя, включения и отключения различных потребителей (особенно при отключениях электромагнитных реле) и т. п.
Автором были сняты осциллограммы напряжения в бортовой электросети у нескольких автомобилей «Запорожец» во время работы стартера. У большинства исследуемых автомобилей амплитуда помехи не превышала 3—5 В, и блоки «Искра» работали нормально.
Однако у двух автомобилей амплитуда помехи составила 18—25 В, и двигатель вообще не удавалось пустить стартером. Во время работы стартера наблюдалось хаотичное искрообразование, даже при отключенном прерывателе.
Анализ показал, что причиной отказа блоков является наличие в них транзисторного триггера, который переключается под воздействием импульсных помех и снижает помехоустойчивость устройства. Кроме того, эмиттеры транзисторов триггера не имеют соединения с массой и «подвешены» к плюсовой шине питания [1—4], вследствие чего ввести в схему какой-либо эффективный фильтр нижних частот затруднительно.
Описываемый блок электронного зажигания свободен от указанных недостатков. Вместо транзисторного триггера применен тиристор, который устойчиво работает в условиях воздействия импульсных помех с амплитудой до 50 В.
Кроме того, при разработке схемы блока были учтены характерные отказы элементов, имевшие место в блоках «Искра-1» и «Искра-2» в процессе их длительной эксплуатации, в связи с чем произведены замены ряда элементов более надежными.
Блок предназначен для работы с четырехцилиндровыми четырехтактными двигателями и имеет следующие технические характеристики:
Напряжение питания, В......... от 6,5 до 15
Сила потребляемого тока, А....... не более 2,0
Частота вращения коленчатого вала, об/мин:
при напряжении питания 6,5 В .... не более 600
при напряжении питания 15 В .... не более 6000
Длительность искрового разряда в свече, мс .... 0,4—0,6
Температура окружающего воздуха, °С.... от —40 до+65
Принципиальная схема блока с цепями подключения на автомобиле приведена на рис. 1 и содержит следующие функциональные узлы: преобразователь напряжения, состоящий из силового транзисторного ключа на транзисторах Т4, Т5, Т6, трансформатора Tp1, выпрямительного диода Д9, накопительного конденсатора С3, схемы стабилизации на транзисторе Т3 и тиристора Д5; каскад антидребезга на транзисторах Т1, Т2, коммутирующий тиристор Д10; разрядные диоды Д12, Д13.
Рис 1. Принципиальная схема блока
Работает устройство следующим образом. Допустим, что контакты прерывателя В1 разомкнуты. Тогда после включения питания (t1 на рис. 2) выключателем зажигания В2 открывается транзистор Т1, его базовый ток протекает через резисторы R4, R5, диоды Д3, Д2, Д1 и резистор R2.
Рис. 2. Временные диаграммы работы системы зажигания при напряжении питания 15 В и частоте искрообразования 100 Гц
Одновременно конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R1. Переход коллектор — эмиттер открытого транзистора Т1 шунтирует базу транзистора Т2, вследствие чего последний закрывается. Тиристор Д5 в это время тоже закрыт (выключен), так как напряжение его переключения заведомо больше напряжения питания. Транзистор Т3 устройства стабилизации закрыт, и положительное напряжение на управляющем электроде тиристора Д5 отсутствует.
Силовой транзисторный ключ открывается током базы транзистора Т4, протекающим через резисторы R8, R9, R10, R14 и диоды Д6, Д7. Ток коллектора этого транзистора, протекая через переход база — эмиттер транзистора Т5, открывает его, а затем — транзистор Т6. Через обмотку трансформатора Tp1 и резистор R22 начинает протекать линейно-нарастающий ток. Падение напряжения на резисторе R22 увеличивается, и когда оно достигнет определенной величины, зависящей от соотношения сопротивлений резисторов R15, R16, R20, терморезисторов R17, R18 и напряжения отпирания транзистора Т3, последний открывается и подключает управляющий электрод тиристора Д5 через резистор R12 к плюсовой шине питания. Тиристор Д5 переключается (t2 на рис. 2) и шунтирует ток базы транзистора Т4. Силовой транзисторный ключ размыкается, транзисторы Т4, Т5, Т6 закрываются, и ток в первичной обмотке I трансформатора Tp1 прекращается.
Энергия, накопленная в магнитном поле трансформатора, создает в его обмотках импульсы напряжения. Положительный импульс с конца обмотки II (начала обмоток на схеме рис. 1 обозначены точками) проходит через диод Д9 и заряжает накопительный конденсатор С3 до напряжения примерно 350 В (t3 на рис. 2).
После замыкания контактов прерывателя (t4 на рис. 2) транзисторы T1 и Т2 остаются открытыми, пока не разрядится конденсатор С1. Ток разряда конденсатора С1 протекает при этом через диод Д4, резисторы R3, R2 и переход база — эмиттер транзистора T1. В момент t5 транзистор T1 закрывается, а транзистор Т2 — открывается. Переход коллектор — эмиттер открытого транзистора Т2 шунтирует тиристор Д5 и последний выключается (t5 на рис. 2).
Некоторая задержка (примерно 0,4 мс) отпирания транзистора Т2 после замыкания контактов прерывателя необходима для устранения влияния дребезга контактов после их замыкания. На рис. 2 дребезг контактов показан в виде одного короткого импульса, следующего сразу же после замыкания контактов. Как видно из рисунка, этот импульс на состояние транзисторов T1, Т2 не влияет, тиристор Д5 поэтому остается включенным, и паразитный импульс к управляющему электроду коммутирующего тиристора Д10 не проходит.
Однако если бы каскада антидребезга не было и контакты прерывателя были подключены непосредственно к аноду тиристора Д5, последний выключился бы в момент замыкания контактов, и первый же импульс дребезга открывал силовой транзисторный ключ. Искра в свече появилась бы не в момент t6, как надо, а в момент t4, и нормальная работа системы нарушилась бы.
В момент размыкания контактов прерывателя (t6 на рис. 2) транзистор T1 открывается, а транзистор Т2 закрывается. Силовой транзисторный ключ открывается, и обмотка I трансформатора Tp1 подключается к источнику питания. Во вторичной обмотке II возникают импульсы напряжения. Положительный импульс с начала обмотки II через конденсатор С4 и диод Д11 поступает на управляющий электрод коммутирующего тиристора Д10, вследствие чего последний переключается и подключает первичную обмотку I катушки зажигания К3 к заряженному до напряжения 350 В накопительному конденсатору С3. Напряжение на вторичной обмотке II катушки зажигания в течение нескольких микросекунд достигает напряжения пробоя искрового промежутка свечи зажигания (8—10 кВ), и между электродами свечи зажигается искровой разряд (t1 на рис. 3).
Рис 3. Временные диаграммы работы системы зажигания во время
искрообразования, при напряжении питания Е=12 В
Индуктивность первичной обмотки катушки зажигания и накопительный конденсатор С3, соединенные между собой через переключившийся тиристор, образуют колебательный контур, в котором возникают затухающие электрические колебания.
Как видно из рис. 3, ток в контуре отстает от напряжения на первичной обмотке катушки зажигания на 90°. Через четверть периода (примерно через 60 мкс) напряжение на первичной обмотке катушки зажигания становится равным нулю (t2 на рис. 3) и затем меняет свой знак, тиристор выключается и колебательный контур «разрушается». Однако благодаря наличию диодов Д12, Д13 ток в первичной обмотке катушки зажигания продолжает протекать в первоначальном направлении, и разряд во вторичной цепи продолжается до тех пор, пока почти вся энергия, запасенная в магнитном поле катушки зажигания, не будет израсходована (t3 на рис. 3).
В результате возникает разряд более высокой энергии и температуры, чем в обычных конденсаторных системах зажигания, длительность разряда увеличивается почти в 3 раза. Это обстоятельство положительно влияет на работу двигателя, уменьшая токсичность отработавших газов и облегчая пуск горячего двигателя.
Одновременно с возникновением искры в свече зажигания в момент размыкания контактов прерывателя (t6 на рис. 2) через обмотку трансформатора Tp1 снова начинает протекать линейно нарастающий ток, и когда он достигнет заданного значения (t7 на рис. 2), силовой транзисторный ключ размыкается, а накопительный конденсатор С3 снова заряжается до напряжения 350 В, т. е. повторяются процессы, имевшие место в первоначальный момент после включения питания.
Если пренебречь потерями и считать, что вся энергия
запасенная в магнитном поле трансформатора
Tp1, в момент размыкания контактов прерывателя преобразуется в энергию электрического поля накопительного конденсатора
то значение напряжения заряда накопительного конденсатора Uc можно определить по формуле:
Как видно из этой формулы, напряжение заряда накопительного конденсатора от напряжения питания не зависит и при постоянных значениях L и С определяется только силой тока iр.
Примененное в блоке устройство стабилизации на транзисторе Т3, резисторах R15, R16, R18 и терморезисторах R17, R18 обеспечивает высокое постоянство тока ip при изменениях напряжения питания и температуры.
С повышением (понижением) температуры напряжение отпирания транзистора Т3 уменьшается (увеличивается), что компенсируется уменьшением (увеличением) сопротивлений терморезисторов R17, R18. В результате сила тока ip остается практически постоянной. При изменениях же напряжения питания напряжение отпирания транзистора Т3 вообще не меняется.
Назначение некоторых элементов схемы. В цепь базы транзистора T1 включены последовательно три диода Д1, Д2, Д3, хотя принципиально можно было ограничиться одним, исключающим разряд конденсатора С1 через замкнутые контакты прерывателя, что обеспечивает нормальную работу каскада антидребезга. В данном случае диоды Д1, Д2, Д3 являются дополнительным источником напряжения, обеспечивающим закрытие транзистора Т1 при замкнутых контактах прерывателя. Дело в том, что при плохом электрическом соединении массы двигателя с кузовом автомобиля во время работы стартера между кузовом и двигателем появляется паразитная разность потенциалов (до 1,5—2 В), которая прикладывается плюсом к клемме блока «Пр» через контакты прерывателя. Влияние этой разности потенциалов нейтрализует напряжение на трех последовательно соединенных диодах, примерно равное 2,3 В.
Резистор R3 ограничивает импульс тока через диоды Д1, Д2, Д3, Д4 в момент замыкания контактов прерывателя. До замыкания контактов диоды Д1, Д2, Д3 открыты и через них протекает прямой ток. Закрыться мгновенно они не могут и в первый момент после замыкания представляют собой проводник. Поэтому по цепи С1Д4R3Д1Д2Д3 в момент замыкания контактов будет протекать ток, сила которого ограничена лишь сопротивлением резистора R3 (прямой для диода Д4 и обратный для диодов Д1, Д2, Д3).
Диоды Д6, Д7 создают четкую коммутацию тока между силовым транзисторным ключом и тиристором Д5: падение напряжения в переключившемся тиристоре может составить 2 В, поэтому без диодов Д6, Д7 транзистор Т4 оставался бы открытым, несмотря на переключение тиристора.
Резистор R14 ограничивает ток базы транзистора Т4.
Диод Д8 обеспечивает активное запирание транзистора Т6.
Как видно из схемы, в описываемом блоке, так же как в блоке «Искра-3», применены последовательно включенные разрядные диоды Д12, Д13. В блоках «Искра-1» и ПАЗ, где был лишь один диод, наиболее частые отказы происходили именно по причине пробоя этого диода. Анализ показал, что при больших частотах вращения коленчатого вала двигателя (при больших частотах искрообразования), каждый новый цикл искрообразования начинается раньше, чем прекращается ток через разрядный диод, который протекает и после окончания искрообразования (см. рис. 3). Он обусловлен оставшейся неизрасходованной во время искрообразования энергией катушки зажигания.
Следовательно, к открытому диоду, внутреннее сопротивление которого в это время мало, в момент переключения тиристора прикладывается обратное напряжение 350 В. Диод не может мгновенно закрыться, и в течение нескольких микросекунд через него протекает ток, сила которого ограничена лишь сопротивлением резистора R23 (2 Ом) и внутренними сопротивлениями открытого диода и переключившегося тиристора. Измерения показали, что амплитуда импульса тока при этом может достигать 80 А! Величина ее зависит от индивидуальных свойств разрядного диода, и в первую очередь от его быстродействия, или от времени установления обратного сопротивления.
Последовательное включение двух, диодов ускоряет процесс затухания тока в контуре, образованном первичной обмоткой катушки зажигания и разрядными диодами, и указанное выше явление не наступает даже при максимальной частоте искрообразования.
Резисторы R27, R28 выравнивают обратные напряжения на диодах Д12, Д13.
Резистор R23 устраняет выброс напряжения в момент выключения тиристора Д10.
Конденсаторы С5, С6 уменьшают амплитуды импульсных помех, поступающих по цепи питания.
Конструкция и детали. Конструкция блока электронного зажигания может быть самой разнообразной, однако она должна обеспечивать хорошую брызгозащищенность изделия. Мощные транзисторы Т5, Т6 и тиристор Д10 устанавливаются непосредственно на корпусе блока, который служит для них радиатором охлаждения. В связи с этим корпус должен быть изготовлен из алюминиевого сплава. Диоды Д8, Д12 и Д13 также необходимо расположить на корпусе блока, электрически изолировав их от корпуса тонкими лавсановыми, фторопластовыми или слюдяными прокладками. Остальные элементы размещаются на печатной плате или плате из текстолита (гетинакса) с контактными лепестками. При размещении деталей следует иметь в виду, что резисторы R4, R5, R8, R9, R10, R22, R26 и трансформатор Tp1 при работе блока греются и их не следует располагать рядом с транзисторами и терморезисторами R17, R18. Кроме того, необходимо, чтобы эмиттер транзистора Т3 и резисторы R17, R18, R20 соединялись одним индивидуальным проводом, а он, в свою очередь, должен быть подключен непосредственно к резистору R22. То же самое касается резистора R16 и конденсаторов С5, С6. Первый должен быть соединен с резистором R22, а конденсаторы — с клеммой «+» и массой, как это показано на принципиальной схеме рис. 1.
Все резисторы, кроме R22 и R23,— МЛТ. Резистор R22 изготавливается в виде спирали из манганинового провода диаметром 1,0 мм. Резистор R23 наматывается на корпусе резистора МЛТ — 0,5 с сопротивлением не менее 20 Ом манганиновым проводом марки ПЭШОМ диаметром 0,25 мм.
Трансформатор Tp1 имеет сердечник Ш16x24 из стали Э330 или Э44 с немагнитным зазором 0,25 мм.
Данные обмоток приведены в табл. 1.
Таблица 1
Трансформатор должен быть хорошо стянут. Немагнитный зазор устанавливается с помощью прессшпана или бумаги соответствующей толщины.
Конденсаторы С1, С2, С4, С6 —МБМ, рабочее напряжение 160 В. Накопительный конденсатор С3 — МБГЧ на напряжение 500 В. Конденсатор С5 — электролитический К50-3, на 50 В.
Коммутирующий тиристор Д10 (КУ202Н) перед установкой в блок должен быть проверен по току утечки. Пригодны лишь те экземпляры, у которых сила тока утечки при напряжении 400 В не превышает 150 мкА.
В табл. 2 приведена возможная замена транзисторов, тиристоров и диодов.
Таблица 2
В случае замены тиристора Д5 на КУ101Г резистор R14 из схемы исключается (замыкается), вместо резисторов R8, R9, R10 ставится один резистор МЛТ-2 — 200 Ом, а номинал резистора R7 — МЛТ-0,125—2,7 кОм.
Налаживание и установка на автомобиле. Если блок собран правильно из заведомо исправных деталей, то налаживание его заключается лишь в регулировке напряжения на накопительном конденсаторе, которое должно находиться в пределах 350—360 В. Регулировка ведется подбором резистора R22: уменьшение его сопротивления вызывает увеличение напряжения на конденсаторе.
Проверку и регулировку блока осуществляют с подключенной катушкой зажигания. Вместо контактов прерывателя можно использовать контакты какого-либо поляризованного реле, например РП4, обмотку которого подсоединяют к звуковому генератору или к сети переменного тока 127 или 220 В, 50 Гц. В последнем случае— через понижающий трансформатор или гасящий резистор. Напряжение на накопительном конденсаторе нельзя измерить обычным вольтметром — надо пользоваться измерительным осциллографом (С1-19, С1-49 и др.) или же специальным импульсным вольтметром. Подробней об этом можно прочитать в [1].
На автомобиле блок устанавливается в подкапотном пространстве и подключается по схеме рис. 1. При этом конденсатор С на клемме прерывателя может остаться, так как на работу блока он не влияет. Корпус блока необходимо соединить отдельным проводом сечением не менее 0,75 мм2 с корпусом распределителя. Сечение провода от клеммы «+» также должно быть не менее 0,75 мм2.
ЛИТЕРАТУРА
1. Синельников А. X. Электроника в автомобиле. М.: Энергия, 1976, с. 127.
2. Синельников А. X. Чем различаются блоки. За рулем, 1977, № 10, с. 17.
3. Синельников А. X., Немцев В. Ф. Электронное зажигание.—За рулем, 1973, № 1, с. 14—18.
4. Синельников А. X., Немцев В. Ф. Еще раз об электронном зажигании.— За рулем, 1974, № 4, с. 10—12.
|
