edw 2003 08 s62, Literatura techniczna, Czasopisma, Elektronika Dla Wszystkich, edw podf
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Podstawy
Samochodowe urządzenia zapłonowe
część 1
Postęp w elektronice motoryzacyjnej w ostat-
nich latach jest ogromny. Po wprowadzeniu
układów wtryskowych i mikroprocesorowych
układów zapłonowych, właściwie już nie ma
możliwości żadnych ulepszeń, a jedynie po-
zostaje obsługa świec i utrzymanie w czysto-
ści dostępnych elementów elektrycznych.
Problem zapłonu powraca przy restauracji
starszych pojazdów zabytkowych czy kulto-
wych, a także tych wyposażonych w gaźnik
i elektroniczny układ zapłonowy, tzw. I gene-
racji, czyli moduł elektroniczny sterowany
czujnikiem bezstykowym i regulatorem od-
środkowym. Pojazdów takich jest jeszcze
dużo i mimo że mają sporo lat, to często nie-
wielkie przebiegi, i opłaca się jeszcze przy
nich „pomajstrować”. Zupełny brak artyku-
łów o układach zapłonowych w „EdW” ra-
czej nie wynika z posiadania przez Czytelni-
ków samych nowoczesnych pojazdów, a z te-
go, że urządzenia zapłonowe traktowane są
jako coś nieznanego i trudnego. Tymczasem
są to dość proste układy elektroniczne w po-
równaniu z urządzeniami powszechnego
użytku czy urządzeniami konstruowanymi
przez amatorów. Pracują one na nieco innych
zasadach, a poznanie ich na pewno zachęci
wielu majsterkowiczów do zajęcia się bliżej
układem zapłonowym własnego pojazdu. Po-
prawa parametrów silnika, jego łatwiejszy
rozruch w zimie może sprawić wiele saty-
sfakcji przy stosunkowo niewielkich ko-
sztach. Poznanie „wnętrza” i diagnostyki
układów zapłonowych może uchronić przed
kupowaniem „w ciemno” modułów, cewek
zapłonowych itp., gdy tymczasem przyczyna
niesprawności jest zupełnie inna.
Najbardziej rozpowszechnionym ukła-
dem jest zapłon akumulatorowy często nazy-
wany klasycznym czy bateryjnym, wykorzy-
stujący energię zmagazynowaną w cewce za-
płonowej za pomocą akumulatora. Wynala-
zek ten ma już około 100 lat i właściwie ten
rodzaj przetwarzania energii stosowany jest
również w najnowszych samochodach, tyle
że cewką zapłonową steruje tranzystor po-
przez komputer pokładowy, a nie jak dawniej
– przerywacz z kondensatorem.
Kilkanaście lat temu swoje „pięć minut”
miały układy zapłonowe oparte na gromadze-
niu energii w kondensatorze, zwane tyrystoro-
wymi. Obecnie są one jeszcze stosowane tam,
gdzie nie ma akumulatora, np. kosiarki, pilar-
ki, motorowery. W samochodach nie są stoso-
wane ze względu na trudności w miniaturyza-
cji (budowa przetwornicy 12/400V) oraz bar-
dzo krótki czas wyładowania iskrowego, co
prowadzi do pogorszenia parametrów silnika.
Podstawowe różnice
w działaniu zapłonu
klasycznego
i elektronicznego
Szczegółowy opis działania zapłonu klasycz-
nego wraz z towarzyszącymi wzorami jest
wkażdej książce dotyczącej elektrotechniki
samochodowej i powtarzanie go tu nie ma
sensu. Wiadomo, że powstawanie siły elek-
tromotorycznej (SEM) samoindukcji polega
na gwałtownym przerwaniu prądu (Im) pły-
nącego przez uzwojenie pierwotne cewki za-
płonowej. SEM ta jest tym wyższa, im zanik
prądu jest szybszy. Popatrzmy na
rysunek 1b
.
W momencie A przerywacz włącza prąd
cewki zapłonowej, który nie ma od razu peł-
nej wartości, lecz rośnie według krzywej wy-
kładniczej i osiąga po dłuższym czasie ma-
ksimum wynikające z prawa Ohma, czyli np.
12V/3Ω=4A. Cewki przystosowane do tego
typu zapłonu mają właśnie rezystancję ok.
3Ω, dlatego prąd bezpieczny dla przerywa-
cza powinien wynosić około 4A.
Zamiast nawijać uzwojenie pierwotne
cienkim drutem uzyskując pożądaną rezy-
stancję, można wykonać uzwojenie grub-
szym drutem, uzyskując ok. 1,5Ω, a dodatko-
wo, poza cewką włączyć w szereg rezystor
ok. 1,5Ω. Cewka wtedy mniej się nagrzewa,
ale nieco komplikuje się układ połączeń.
Komplikacji można unik-
nąć włączając w doprowa-
dzenie napięcia przewód
rezystancyjny, jak to jest
we fiacie 126p. Indukcyj-
ność cewki pozostanie bez
zmian, bo zależy od liczby
zwojów. Szybkość narasta-
nia prądu zależy właśnie
głównie od indukcyjności
cewki i czym jest ona więk-
sza, tym osiągnięcie prądu
Im trwa dłużej. Powróćmy
jednak do przebiegu prądu
w cewce. W momencie
Bprąd zostaje przerwany
przez podniesienie mło-
teczka przerywacza pod
działaniem krzywki na osi
aparatu zapłonowego. Jeśli
na zaciskach przerywacza
nie będzie dołączony kon-
densator zapłonowy (naj-
częściej 0,25µF), to prze-
bieg będzie taki jak na ry-
sunku 1b – krzywa 1. Zanik
prądu jest dość powolny,
ma kształt pierzasty i trwa
ok. 0,3ms dla typowej cewki 9,4mH/3,3Ω.
Na zewnątrz widać silne iskrzenie styków
przerywacza i maksymalną iskrę na uzwoje-
niu wtórnym o długości 3-4mm. Dołączmy
teraz kondensator zapłonowy Cp i popatrzmy
na przebieg z rysunek 1b – krzywa 2. Prze-
bieg do momentu B będzie taki sam jak po-
przednio, ale od momentu B zaczynają się
„piękne” oscylacje w postaci malejącej „har-
monijki”, trwającej do 1ms. Na zewnątrz nie
widać już prawie iskrzenia styków przerywa-
cza, a na iskierniku utworzonym z drutu od
gniazda wysokiego napięcia do plusa zasia-
nia (lub drugiego końca uzwojenia pierwot-
nego cewki) przeskakuje iskra o długości do
ok. 15mm. Jednak przy powolnym kręceniu
wałka aparatu zapłonowego iskra jest mniej-
sza, a iskrzenie przerywane większe. Powol-
niejsze rozwieranie styków wywołuje wła-
śnie iskrzenie, powolniejszy zanik prądu Im
a
mniejsze napięcie na uzwojeniu wtórnym.
Dodatkowo poszczególne przebiegi począt-
kowe są różnej wysokości. Wspomniana
„harmonijka”, czyli oscylacyjny zanik prądu
Im jest związany z wymianą energii między
Rys. 1 Schemat klasycznego układu
do pomiarów wyładowania
iskrowego
62
Elektronika dla Wszystkich
Podstawy
kondensatorem a cewką zapłonową. Kąt,
o jaki obraca się wałek aparatu zapłonowego
(lub wału korbowego – WK) między mo-
mentami A i B nazywa się kątem zwarcia
i oznaczony jest βz, a wyraża dokładnie kąt
zwarcia styków przerywacza.
Kąt βz ustalany jest przez konstruktorów
kompromisowo między czasem narastania
prądu przy dużych obrotach (związanym z in-
dukcyjnością cewki zapłonowej) a czasem
przerwy Im, gdzie musi się zmieścić wyłado-
wanie iskrowe, trwające ok. 1,5ms, a także
stratami cieplnymi (zależnymi też od liczby
cylindrów). Aby możliwa była obserwacja
prądu Im za pomocą oscyloskopu, należy
między obudowę aparatu zapłonowego a mi-
nus zasilania włączyć rezystor pomiarowy Rp
o wartości ok. 0,1Ω, jak na
rysunku 1a
.
Oczywiste jest, że takiego pomiaru nie należy
wykonywać w samochodzie, tylko na stole,
napędzając aparat zapłonowy np. za pomocą
wiertarki z regulacją (lub autotransformato-
rem) sprzęgniętej gumowym wężykiem.
Teraz przełączamy oscyloskop na więk-
szy zakres, tak aby zmieścił się przebieg
o wartości ±300V. Przełączamy też zacisk
pomiarowy na przewód przerywacza połą-
czony z cewką zapłonową i obejrzymy wyła-
dowanie iskrowe po stronie pierwotnej. Re-
zystor pomiarowy Rp można już usunąć,
chociaż jego obecność nie przeszkadza.
UWAGA! Podczas tego pomiaru nie dotyka-
my do punktów obwodu łączącego przery-
wacz z cewką zapłonową, bowiem występu-
je tu napięcie impulsowe ok. ±300V, co gro-
zi nieprzyjemnym porażeniem, a dotyczy
także tego miejsca w samochodzie przy pra-
cującym silniku. Uzyskamy przebieg iden-
tyczny lub podobny jak na rys. 1b, krzywa 3.
Przed momentem A oscyloskop wskaże
napięcie zasilania, czyli ok. 12V. W A zosta-
ją zwarte styki przerywacza i napięcie aż do
momentu B będzie prawie równe zeru (poza
niewielkim napięciem na stykach przerywa-
cza, rzędu 0,1...0,2V). W momencie B (rys.
1b) następuje zanik prądu w postaci oscyla-
cyjnej jak pokazuje krzywa 2 i wytworzona
SEM samoindukcji będzie miała podobny
przebieg o wartości początkowej od
+300V do -300V, czyli dynamika wyniesie aż
ok. 600V. Ta część początkowa wyładowania
iskrowego nazywa się fazą pojemnościową
i trwa ok. 25µs. Oscylacje są coraz słabsze
i osiągają minimum w momencie C, ale po-
ziom względem masy (- zasilania) wynosi ok.
30V. Nietrudno obliczyć, że po stronie wtór-
nej wyniesie to 30V razy przekładnia cewki,
czyli ok. 2400V. Jest to faza indukcyjna wyła-
dowania iskrowego i trwa ok. 1,5ms, ale mo-
że się zmieniać w zależności od wartości prą-
du Im, indukcyjności i sprawności cewki,
a także od wielości przerwy iskrowej (w silni-
ku przerwy na świecy). Oczywiste jest, że
zwiększenie Im wydłuża wyładowanie,
zwiększenie przerwy skraca czas wyładowa-
nia, cewka sprawniejsza (zamknięty obwód
magnetyczny) – wyładowanie dłuższe. Od
momentu C do D obserwujemy zanikający
przebieg oscylacyjny na poziomie napięcia
zasilania; ponieważ przerywacz jest otwarty,
to oscyloskop mierzy praktycznie +Uz.
W momencie A styki przerywacza zamykają
się i cykl się powtarza. Przebieg po stronie
wtórnej jest podobny, lecz napięcia fazy po-
jemnościowej i indukcyjnej są tyle razy więk-
sze, ile wynosi przekładnia cewki. Jeśli prze-
kładnia wynosi 70, to będzie to 21000V fazy
pojemnościowej i ok. 2100V fazy indukcyj-
nej, ale cewka ma jeszcze straty i tyle może
nie być. Po stronie wtórnej obserwuje się je-
szcze niewielki impuls ujemny o wartości do
2kV w momencie A, czyli zwarcia przerywa-
cza, ale nie ma on wpływu na pracę silnika,
bo ma za małą wartość do przebicia przerwy
iskrowej.
Zmontujmy teraz prosty układ elektro-
niczny w postaci „pająka” według schematu
z
rysunku 2a
. Elementem kluczującym prąd
Im będzie teraz tranzystor mocy wysokiego
napięcia (WN), darlington np. typu
BU323(A), BUX37, BU921(Z), natomiast
przerywacz będzie tylko elementem sterują-
cym (w samochodzie jest jednocześnie ele-
mentem synchronizującym). Jeśli nie posia-
damy takiego tranzystora, bo nie jest to ele-
ment powszechnego użytku i nie jest łatwy
do nabycia, to zmontujmy układ według
ry-
sunku 2b
. Tranzystory typu BU208, BU326,
BU508, KT838 są wszechobecne w każdym
sklepie z drobnicą elektroniczną. W układzie
z rys. 2a rezystor sterujący R3 przewodzi
prąd cały czas, jeśli przewodzi T1, to przez
niego, a jeśli T1 będzie zatkany, to przez złą-
cze BE T2. A ponieważ monolityczny dar-
lington ma duże wzmocnienie (rzędu 200-
700 przy Im=4A), to rezystor R3 może mieć
dość dużą wartość, rzędu 200-470Ω i moc do
przyjęcia. Tranzystory mocy z rys. 2b mają
małe wzmocnienie rzędu 4-8 przy Im=4A,
więc musi być rezystor R103 o niewielkiej
rezystancji, a ponieważ w podanym układzie
przewodzi on prąd tylko wtedy, gdy zwarte
są styki przerywacza, to moc ogólna będzie
znacznie mniejsza od tej, gdyby był włączo-
ny cały czas. Jeśli tranzystory mocy będą
w obudowach TO3, to niepotrzebne będą ra-
diatory, natomiast jeśli w TO218 lub TO220,
to można je zamontować na kawałku blachy
aluminiowej o grubości 1-2mm i powierzch-
ni 15-20 cm
2
. Jeśli mamy do dyspozycji tran-
zystor darlingtona BU921 lub BU931 z liter-
ką Z, to zbędna będzie dioda D2, ponieważ
mają one wysokonapięciową diodę Zenera
w strukturze własnej.
Po sprawdzeniu połączeń uruchamiamy
układ i mierzymy oscyloskopem przebiegi
prądowe na rezystorze Rp, a napięciowe na
kolektorze tranzystora mocy. Od momentu
Az
rysunku 2c
prąd przebiega tak samo jak
wukładzie klasycznym, natomiast w momen-
cie B krzywa 1 urywa się i dokładnie od tego
miejsca zaczyna się linia zerowa. Moment za-
niku prądu Im jest bardzo szybki i na ekranie
zupełnie niewidoczny. Czasem pojawiają się
różne „śmieci” i oscylacje, je-
śli tranzystor mocy poprze-
dzony jest wtórnikiem emite-
rowym, szczególnie z cewką
4226. Przełączamy teraz
oscyloskop na taki zakres,
aby zmieściły się przebiegi
o amplitudzie 300-400V i do-
łączamy oscyloskop do masy
i kolektora tranzystora mocy.
Faza pojemnościowa jest
o ok. 10% wyższa od tej
zukładu klasycznego, ale
półfala ujemna jest niska
w wyniku istnienia diody
wstecznej na złączu K-E tran-
zystora mocy. Oscylacje
przejściowe są bardzo słabe
(rys. 2c), a faza indukcyjna
Rys. 2 Schemat układu stykowo-tran-
zystorowego do pomiaru wyłado-
wania iskrowego
Elektronika dla Wszystkich
63
Podstawy
prawie gładka, w formie „siodełka” i o ok.
15% dłuższa niż wukładzie klasycznym. Na-
wet przy najwolniejszym obracaniu aparatu
zapłonowego przebiegi są idealnie równe
i nie ma spadku napięcia wysokiego jak
wukładzie klasycznym. Przerywacz też nic
nie iskrzy, bo przerywa niewielki prąd bezin-
dukcyjny niewymagający kondensatora, ale
niewielki prąd jest jednak potrzebny do sa-
mooczyszczania styków, i stąd obecność re-
zystora R1 o niewielkiej rezystancji i sporej
mocy. Przeglądając schematy modułów pro-
fesjonalnych, często spotyka się na złączu K-
E tranzystora mocy kondensator 220nF. Włą-
czamy jeszcze na chwilę cały układ i obej-
rzyjmy przebiegi prądu i napięcia wyjścio-
wego po dołączeniu tego kondensatora. Co
się okazało? Przebiegi są identyczne jak
w klasycznym układzie, jedynie obcięte są
ujemne półfale przez diodę wsteczną D2.
Przebiegi są oscylacyjne, krótsza fala induk-
cyjna, niższa faza pojemnościowa. Wniosek
jest oczywisty: kondensator natychmiast usu-
nąć i „wrzucić kamyczek do ogródka” kon-
struktorom tych modułów. Osobiście wyko-
nałem kilkaset różnych urządzeń zapłono-
wych, nigdy nie montowałem kondensato-
rów na złączu K-E tranzystora mocy i nie za-
uważyłem nigdy awarii tranzystora z tej
przyczyny (od tego są wysokonapięciowe
diody Zenera). Mimo że tranzystor mocy
„kradnie” ok. 1V napięcia zasilania, to i tak
wszystkie parametry są lepsze niż w klasycz-
nym układzie zapłonowym. Układy pokaza-
ne na rys. 2a i 2b mogą być wykonane na
płytkach i zainstalowane w samochodzie
przy współpracy z cewką wysokorezystan-
cyjną, czyli ok. 3,2Ω, stosowaną powszech-
nie w układach klasycznych, oczywiście po
usunięciu rezystora Rp i połączeniu emitera
tranzystora mocy z masą. Praktycznie, mon-
tując taki układ w samochodzie, uzyskamy
poprawę rozruchu w niskich temperaturach,
mniejsze zużycie przerywacza i większą
równomierność pracy silnika. Zwiększenia
energii wyładowania jednak nie uzyskamy,
jeśli będzie nadal cewka z układu klasyczne-
go. Znaczną poprawę parametrów silnika
uzyskamy dopiero instalując układ zapłono-
wy z cewką niskorezystancyjną, umożliwia-
jącą uzyskanie większego prądu Im, ale
o tym dalej. Teraz wypada zająć się kątem
wyprzedzenia zapłonu αz, a doborem kąta
zwarcia zajmiemy się przy projektowaniu
przesłony do optoelektronicznego czujnika
bezstykowego.
zywa się kątem wyprzedzenia zapłonu
i oznacza się + αz. W praktyce regulatorem
zwiększającym + αz jest mechanizm od-
środkowy zamontowany na osi aparatu za-
płonowego, rzadziej wału korbowego. Czas
spalania mieszanki nie jest stały i zależy od
wielu czynników, tj. od temperatury silnika
i otoczenia, wilgotności powietrza, kształtu
komory spalania, stopnia sprężenia, ale naj-
bardziej (po prędkości obrotowej) od zagę-
szczenia mieszanki w cylindrze, czyli od
stopnia otwarcia przepustnicy (potocznie
mówi się - od obciążenia silnika). Aby otrzy-
mać silnik „elastyczny”, należy zamontować
dodatkowy regulator, który opóźniałby
Kąt wyprzedzenia zapło-
nu
Aby silnik pracował prawidłowo, wyładowa-
nie iskrowe musi nastąpić w odpowiednim
momencie. Czas spalania mieszanki (ts) po-
cząwszy od przeskoku iskry do osiągnięcia
maksymalnego ciśnienia w cylindrze (MC)
wynosi kilka ms. Maksymalne ciśnienie po-
winno występować w ok. 15
o
OWK (obrotu
wału korbowego) po zwrocie zewnętrznym
(ZZ
rysunek 3a
). Nietrudno obliczyć, że aby
utrzymać MC w stałym punkcie, należy mo-
ment zapłonu przyspieszać wraz ze wzrostem
prędkości obrotowej silnika (ts1, ts2, ts3
ry-
sunek 3b
). Kąt zawarty między punktem za-
płonu mieszanki a zwrotem zewnętrznym na-
Wykaz elementów uniwersalnego
modułu zapłonowego (patrz rysunek 4)
R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
Ω
/2W
R2,R206 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22k
Ω
R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5,6k
Ω
R4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30k
Ω
R5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10k
Ω
R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1k
Ω
R7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .330
Ω
/1W
R8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .620
Ω
R9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
Ω
R10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,15
Ω
drutowy (dobierany)
R101,R201 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470
Ω
R102,R202 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47k
Ω
R103,R203 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2,2k
Ω
R104,R204 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100
Ω
/0,5W
R205 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2,7k
Ω
R206 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22k
Ω
C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
µ
F/16V tantal
C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22nF/100V MKSE020
C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470nF...1
µ
F/250V MKSE020
C4,C101,C201 . . . . . . . . . . . . . . .100nF/100V MKSE020
C202 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47nF/100V MKSE020
T1-T4,T201 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC337/25...40
T5 . . . . . . . . . . . .BU931ZP, BU323(A,P), BUX37 (
β≥
200)
US1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .NE555
D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4148
D2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4002...7 lub BA157...9
D3 . . . .1 x 5KE 350-400 lub 2 x BZX (BZV) 85C200, lub 2
x BZYP01C 180-200
D101,D201 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5V1 0,4W-1W
D102,D202 . . . . .8V2 1W-1,3W, np. BZX85C lub BZV85C
TS1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .transoptor szczelinowy
Rys. 3 Wyjaśnienie zasady wyprze-
dzenia zapłonu
Rys. 4 Schemat uniwersalnego mo-
dułu zapłonowego
64
Elektronika dla Wszystkich
Podstawy
kąt + αz jednocześnie ze zwiększeniem
otwarcia przepustnicy. W aparatach klasycz-
nych rolę tę pełni regulator podciśnieniowy,
wykorzystujący różnicę siły ssania przy róż-
nych otwarciach przepustnicy w otworze
umieszczonym w kolektorze dolotowym tuż
przed zamkniętą przepustnicą. Znacznie gor-
sza jest sytuacja w dawniejszych silnikach
dwusuwowych, gdzie dla uproszczenia za-
stosowano stały kąt + αz. Nietrudno się do-
myślić, że jedynym ratunkiem dla takiego
silnika jest układ ze zmiennym punktem za-
płonu regulowanym samoczynnie za pomo-
cą elektroniki. Obecnie jeżdżę na takim
urządzeniu zamontowanym we fiacie
126p i jeśli będzie zainteresowanie Czytelni-
ków, proszę pisać do Redakcji EdW, to chęt-
nie udostępnię opis takiego urządzenia, jak
również innych z elektronicznymi regulato-
rami + αz.
2) 0,7V:0,12Ω=5,8A jest to wartość zale-
cana do cewek niskorezystancyjnych, jak
4226 i BAE800DK.
Prawidłowe i nieprawidłowe przebiegi
prądu Im podane są na
rysunku 5
. Jeśli rezy-
stor wykonujemy sami, to tylko z materiału
dającego się lutować (np. nowe srebro), na-
wijając drut φ0,6-0,7 z materiału oporowego
na rezystorze starego typu lub jako powietrz-
ny na drucie lub gwoździu φ4mm. Dokładny
prąd Im można wtedy ustawić przez zlutowa-
nie sąsiednich zwojów rezystora. Gdy krzy-
wa aparatu rozłączy styki przerywacza, przez
rezystor R1 i R3 zostaje wysterowany tranzy-
stor T1, który przechodzi w nasycenie bloku-
jąc tranzystor mocy, a tym samym powodu-
jąc zanik prądu Im i oczywiście w tym mo-
mencie następuje wyładowanie iskrowe
o przebiegu poprzednio opisanym. Ponowne
zwarcie przerywacza powoduje przepływ
prądu cewki i cykl się powtarza. Już od
pierwszego impulsu napięciowego na wej-
ściu w punkcie B (przerywacz otwarty) przez
rezystor R2 i diodę D1 ładuje się kondensa-
tor C1 do napięcia około 4,5V, wprowadzając
tranzystor T2 w stan nasycenia i blokując
tranzystor T3. Tranzy-
stor T3 nie przewodzi
i nie ma wpływu na pra-
cę tranzystora mocy.
Gdy jednak nie wyłączy-
my napięcia zasilania
modułu, a przerywacz
pozostaje zwarty, to
w punkcie B nie ma na-
pięcia doładowującego
kondensator C1, a wtedy
rozładowuje się on po-
woli przez rezystor R4
izłącze B-E tranzystora
T2 aż do momentu, gdy
T2 przestanie przewo-
dzić. Wówczas przez re-
zystor R5 zostaje wyste-
rowany tranzystor T3,
który przechodzi w na-
sycenie i blokuje tranzy-
stor mocy. Kondensator
C2 i rezystor R6 nie do-
puszczają do wyładowa-
nia iskrowego w mo-
mencie blokowania tran-
zystora mocy. Rezystor
R4 ustala czas zadziała-
nia automatyki, czyli sa-
mowyłączenia prądu Im,
na prawie 3 sekundy. Je-
śli chcemy, aby samo-
wyłączenie nastąpiło po
nieco dłuższym czasie –
rezystor należy zwięk-
szyć. Na rezystorze po-
miarowym R10 w czasie
przepływu prądu Im wy-
stępuje napięcie około
0,7V i przy znacznym prądzie rzędu 5,5A
oraz kącie zwarcia 50% (45
o
) dla silnika
czterocylindrowego wydzieli się znaczna
moc. Obliczmy: 0,7Vx5,5Ax50% = 2W. Dla
silnika dwucylindrowego (fiat 126p) z cewką
4240, 4,5A i βz=60
o
będzie to ok. 1W. Taka
moc wystąpi przy małych obrotach, ponie-
waż linia narastania prądu jest wtedy prawie
pionowa. Dwukrotne zmniejszenie mocy
strat na rezystorze pomiarowym można uzy-
skać montując ogranicznik według schematu
z
rysunku 6
. Na rezystorze R10 będzie tylko
połowa napięcia, czyli 0,35V, a resztę napię-
cia brakującego do otwarcia tranzystora
ograniczającego trzeba wziąć z napięcia zasi-
lania. Dioda Schottky’ego wypełnia lukę na-
pięciową i dodatkowo kompensuje złącze B-
E tranzystora T4. Rezystor R9 zwiększa sku-
teczność regulacji prądu Im rezystorem R11,
ale jeśli mamy jeszcze diodę germanową
ostrzową, to można ją zamontować zamiast
diody D4 i rezystora R9. Dioda germanowa
ma bardziej stromą charakterystykę napię-
ciową i rezystor R9 jest zbędny. Rezystor
R10 o wartości 0,06-0,08Ω można uzyskać
albo z drutu oporowego, albo z połączenia
Uniwersalne proste
urządzenie zapłonowe
Skoro już wiemy jak powstaje iskra zapłono-
wa, a mamy jakiś starszy pojazd wyposażo-
ny w klasyczny układ zapłonowy, to najwyż-
szy czas zbudować jakieś nieskomplikowa-
ne, ale dobre urządzenie zapłonowe. Z zało-
żenia powinno być nadal sterowane przery-
waczem (ale tylko chwilowo), z możliwo-
ścią zamontowania czujnika bezstykowego,
najlepiej transoptora, dostosowane do pracy
z cewką klasyczną, ale z możliwością zas-
tosowania niskorezystancyjnej (w celu
zwiększenia energii wyładowania), a także
wyposażone w automatykę samowyłączania
prądu Im przy niewyłączonej stacyjce oraz
zbudowane z łatwo dostępnych elementów.
Schemat modułu zapłonowego przedstaw-
iony jest na
rysunku 4a
. Jest to stopień
sterujący, stopień mocy z ogranicznikiem
prądu i automatyką, przeznaczony do
sterowania przerywaczem, ale jeśli ktoś ma
zamiar wykonać układ bezstykowy, teraz
czy w przyszłości, to płytkę lepiej od razu
zaprojektować na pełną wersję. Układ działa
następująco:
Po zwarciu styków przerywacza napięcie
w punkcie B ma wartość prawie zerową,
tranzystor T1 zostaje zablokowany i nie prze-
wodzi, wówczas przez rezystor R7 zostaje
wysterowany tranzystor mocy i płynie prąd
cewki o wartości zależnej od rezystancji
cewki, jeśli jest klasyczne, lub wartości
rezystora R10, jeśli zastosowana jest cewka
niskorezystancyjna, tzw. „elektroniczna”.
Tranzystor T4 pracuje jako ogranicznik Im.
Gdy napięcie na rezystorze osiągnie wartość
ok. 0,7V, zaczyna przewodzić tranzystor T4
ograniczając wysterowanie tranzystora mocy
i nie dopuszczając do dalszego wzrostu
prądu. Prąd ten łatwo obliczyć dzieląc 0,7V
przez wartość rezystora R10, np.:
1) 0,7V:0,15Ω=4,6A jest to wartość zale-
cana do cewek 4240 lub 101
Rys. 5 Przebiegi prądu Im w różnych sytuacjach
Rys. 6 Ogranicznik prądu z małymi stratami oraz skom-
pensowany temperaturowo (częściowo - korzystnie)
Elektronika dla Wszystkich
65
Podstawy
dwóch rezystorów np. 0,12Ω. Najlepszym
i najprostszym rozwiązaniem jest zastosowa-
nie monolitycznego darlingtona wysokiego
napięcia o maksymalnym prądzie kolektora
10-15A i napięciu K-E rzędu 400-500V.
Tranzystorów takich jest bardzo duży wybór,
ale w katalogu. W popularnych sklepach na
ogół nie ma, ale w większych czasem można
znaleźć najczęściej stosowane jak:
BU323(A,P), BU931(ZP), BUX37. Jeśli nie
uda się zdobyć wymienionych tranzystorów,
to pozostaje złożenie układu Darlingtona
z dwóch pojedynczych tranzystorów 400-
500V/8-15A z
rysunku 7a
. Diody zabez-
pieczające D3 pełnią jednocześnie funkcję
diody wstecznej i muszą mieć moc powyżej
1W. Czasem udaje się kupić specjalne: typu
1.5 KE400 o mocy ok. 3W, ale wystarczą
BZYP01C 180-200 lub BZX (BZV)85C 200,
2 szt. Może się też komuś nie spodobał brak
zapasu napięcia K-E tranzystora mocy w sto-
sunku do napięcia diody Zenera. Katalogowe
napięcie np. 400V praktycznie jest większe
1,5-2 razy np. tranzystor BU326A wytrzy-
muje 700-900V, gdy w katalogu jest 400V.
Łatwo dostępne, a więc dyżurne tranzystory
wysokiego napięcia typu BU508, BU326,
BU208 lub ich japońskie zamienniki z serii
25C... i 25D... mają na ogół małe wzmocnie-
nie w granicach 5-10. Nieco lepsze β mają
uniwersalne, np. BUT54, BUX80(81) w gra-
nicach 10-14. Składając układ Darlingtona,
należy wybrać te o największym wzmocnie-
niu przy prądzie 4A. Podczas pomiaru lepiej
nie włączać w obwód cewki zapłonowej
(przepięcia), a rezystor ok. 1Ω.
Podawane często w katalogach h
FE
na ogół
nie zgadza się z rzeczywistością, bo jest mia-
rodajne przy małych prądach kolektora, rzędu
0,5-1A. Do współpracy z cewką niskorezy-
stancyjną można wykorzystać dostępne tran-
zystory o małym wzmocnieniu, montując po-
trójny układ Darlingtona, jak na
rysunku 7b
.
Aby skutecznie usunąć oscylacje pasożytni-
cze, trzeba też przekonstruować nieco ogra-
nicznik prądu Im. Ta wersja ogranicznika mo-
że być zastosowania do wszystkich układów
elektronicznych. Nie polecam natomiast mon-
towania wtórnika emiterowego do sterowania
tranzystora mocy: czy to darlingtona monoli-
tycznego czy składanego. Pozornie taki układ
pracuje poprawnie, są nawet mniejsze straty
sterowania tranzystora końcowego, ale bardzo
trudno pozbyć się różnych „śmieci”, jakie wy-
stępują zamiast niewidocznej linii zaniku prą-
du, oraz różnych oscylacji pasożytniczych.
Szczególnie „wredna” pod tym względem jest
cewka „4226” i trochę „101”. Zdecydowanie
czyściejszy impuls wyjściowy Im jest przy za-
stosowaniu 3-stopniowego darlingtona.
Wzmocnienie ogólne darlingtona składanego
jest iloczynem wzmocnienia poszczególnych
tranzystorów, a dobór rezystora sterującego
R7 podany jest w
tabeli 1
. Przy montażu tran-
zystorów wchodzących w układ Darlingtona
trzeba pamiętać o tym, że egzemplarze mniej-
szej mocy, w mniejszych obudowach lub izo-
lowane należy przyjąć jako sterujące. Jako
tranzystory małej mocy
w zasadzie mogą być wyko-
rzystane dowolne o β>200,
ale BC337 lub 338 z grupy
25 lub 40 są najlepsze, bo
mają małe napięcie nasyce-
nia, są szybsze w pracy im-
pulsowej i odporniejsze na
drobne przepięcia. Jeśli tran-
zystor mocy jest składany
z dwóch pojedynczych tran-
zystorów i rezystora R7
o wartości 100-150Ω, to
tranzystory T1 i T3 należy wybrać owięk-
szym wzmocnieniu tj. ≥300 (z grupy 40) w ce-
lu zapewnienia małego napięcia nasycenia
tych tranzystorów i pewnego kluczowania
tranzystora mocy. Aby otrzymać układ ze ste-
rowaniem bezstykowym, trzeba jeszcze dobu-
dować człon wzmacniający słaby i powolny
impuls z czujnika. Może to być
wzmacniacz operacyjny lub kom-
parator o napięciu wyjściowym
w stanie niskim bliskim 0, np.
LM393, LM358, ale wymaga to
użycia sporej liczby elementów.
Znacznie prostsze jest zastosowa-
nie „wszechmogącej” kostki
NE555 (może być wersja CMOS
555) lub nawet tylko jednego tran-
zystora małej mocy z dodatnim po-
jemnościowym sprzężeniem
zwrotnym z kolektora tranzystora
sterującego T1 (rys. 4a, b). Dioda
Zenera 5V1 na wejściu układu 555
jest dobrana tak, aby zmniejszyć
amplitudę sygnału z czujnika,
a tym samym zwiększyć szybkość
przełączania komparatora 555, co
owocuje zmniejszeniem opóźnie-
Tabela 1
Dobór rezystora sterującego w zależ-
ności od współczynnika wzmocnienia
prądowego
β
zastosowanych tranzy-
storów mocy
Tabela 2
Rozszerzone parametry cewek zapło-
nowych spotykanych najczęściej
na rynku krajowym
WL - energia wyładowania iskrowego
WL I- energia wyładowania iskrowe-
go po stronie pierwotnej = 0,5
xLxIm
2
[mI, mH, A]
WL II- energia wyładowania iskrowe-
go po stronie wtórnej = 0,5
xLxIm
2
x
η
[mI, mH, A]
nia sygnału czujnika przez elementy modułu.
Wukładzie z pojedynczym tranzystorem war-
tość ta nie ma znaczenia, bo w punkcie S albo
jest U
CEsat
fototranzystora czujnika, albo U
B-
E
tranzystora T201. Zmontowany ze sprawdzo-
nych elementów moduł nie wymaga specjalne-
go strojenia, ale jeśli po zwarciu zacisków wej-
ściowych BiCprąd odbiega od założonej war-
tości podanej w
tabeli 2
dla danego typu cewki
zapłonowej, należy dobrać rezystor R10. Więk-
sza wartość powoduje zmniejszenie prądu Im.
Jeśli budujemy układ z ogranicznikiem według
rysunku 6,
to prąd Im ustawić rezystorem na-
stawnym jako R11, a po zmierzeniu wlutować
najbliższy rezystor stały. Nie należy przesadzać
z dokładnością, wystarczy z szeregu 5%. Jeśli
mamy zmontowany też układ przyspieszający
do czujnika bezstykowego, to przepływ prądu
Im kluczujemy przez zwieranie punktu S do
masy. Odczyt prądu będzie ograniczony cza-
sem zadziałania automatyki, i jeśli chcemy „za-
trzymać” Im dłużej, to zwieramy bazę tranzy-
stora T3 do masy, ale nie za długo, bo nagrze-
wa się tranzystor mocy. Jeśli uruchamiamy
układ bezstykowy, to usuwamy rezystor R1.
Rys. 7 Tranzystor Darlingtona złożony
z tranzystorów pojedynczych W.N.
Stefan Roguski
66
Elektronika dla Wszystkich
[ Pobierz całość w formacie PDF ]