Тиристорний Системи запалювання для автомобільних двигунів

А. Кузьмінський, В. Ломановнч

Звичайна батарейна система запалювання володіє серйозними недоліками. Найбільш суттєві з них: мала потужність іскри, швидкий знос контактів переривника, комутуючих струм близько 4 А в ланцюзі первинної обмотки котушки запалювання, і велика споживана потужність (близько 50 Вт).

Пропоновані тиристорні системи запалювання дозволяють у декілька разів зменшити потужність, споживану від бортсеті автомобіля, і в 20-30 разів знизити струм, що проходить через контакти переривника. Потужність іскри при цьому зростає не менш ніж у 5 разів і майже не залежить від стану свічок і переривника.

Нижче наводиться опис двох конструкцій блоків електронного запалювання на тиристорах "БТЗ-1" і "БТЗ-2". Вони дуже добре зарекомендували себе під час тривалої експлуатації на автомобілях марки "Москвич", "Волга" і "Запорожець". Блоки тиристорного запалювання зібрані зі звичайних деталей широкого застосування.

Принципова схема "БТЗ-1" наведено на рис. 1. Крім харчування високовольтною напругою свічок запалювання, цей блок дозволяє використовувати в автомобілі різні малопотужні побутові прилади, розраховані на підключення до електромережі з напругою 220 В (електробритва, зубна щітка та ін.)

Так як стартер споживає великий струм від акумуляторної батареї, то в холодну пору року напругу батареї при запуску двигуна може знижуватися до 6-7 В. Природно, що в цей момент погіршуються умови іскроутворення і ускладнюється пуск двигуна. Для підтримки необхідної потужності іскри

в схему блоку запалювання "БТЗ-2" (рис. 2) введено електромагнітне реле Р1, обмотка якого включається тим же вимикачем, що і стартер. Контакти P1 / 1 і Р1 / 2 при спрацьовуванні реле включають додаткову підвищує обмотку (V) трансформатора Tp1. Таким чином вдається підтримувати необхідну потужність іскри навіть при падінні напруги акумуляторної батареї до 5-6 В. Низькочастотний фільтр ДР1 і С1 в ланцюзі живлення служить для придушення радіоперешкод.

Обидва блоку електронного запалювання виконані за конденсаторної-контактної схемою з комутуючі тиристором. Для отримання необхідної енергії іскроутворення використовується накопичувальний конденсатор С2 (СЗ), заряджається від високовольтного перетворювача напруги та розряджати через Тиристор на первинну обмотку котушки запалювання. На вторинній обмотці котушки запалювання при цьому індукується висока напруга, що надходить на свічки двигуна через розподільник. Перетворювачі напруги в обох системах запалювання виконані за схемою симетричного блокінг-генератора. Схема дозволяє використовувати для установки транзисторів 77 і Т2 загальний неізольований тепловідвід, з'єднаний з шасі ("загальний мінус"). При цьому, крім конструктивного спрощення вузла перетворювача, значно поліпшується тепловий режим всього пристрої та підвищується надійність його роботи.

Розглянемо більш детально схему блоку запалювання "БТЗ-1", наведену на рис. 1. Принцип роботи двотактних транзисторних генераторів з трансформаторної зворотним зв'язком досить добре відомий. Транзистори T1 і Т2 працюють у ключовому режимі, коммутіруя струм у первинній обмотці трансформатора Tp1. У вторинній обмотці Tp1 при цьому індукується висока напруга симетричної форми (близькою до прямокутної). До вторинної обмотці Tpl підключений випрямляючий міст Д1-Д4, з якого знімається постійна напруга близько 400 В, що використовується для

зарядки конденсатора С2. Тиристор Д5 спочатку закритий. У момент замикання контактів переривника, закорачівающего затискачі 3 і 7 пристрої запалювання, конденсатор СЗ заряджається через діоди Д8-Д9 і резистор R7 майже до повної напруги акумуляторної батареї. Резистор R7 забезпечує деяку затримку часу заряду, усуваючи вплив "брязкоту" контактів переривника в момент замикання.

При розмиканні контактів переривника (затискачі 3-7 БТЗ) конденсатор СЗ розряджається через діод Д7, керуючий електрод тиристора Д5 і резистори R9-R10. При цьому на керуючий електрод тиристора Д5 надходить позитивний імпульс, який відкриває тиристорів. Накопичувальний конденсатор С2, заряджений до напруги близько 400 В, розряджається через Тиристор-Д5 та первинну обмотку котушки запалювання (затискачі 1 і 2 БТЗ). Одночасно відкрився Тиристор Д5 шунтується вихідну ланцюг перетворювача напруги, зриваючи генерацію.

Негативний імпульс, що поступає з первинної обмотки котушки запалювання через ланцюжок R8-Д6 після перемикання тиристора Д5, миттєво перезаряджати конденсатор СЗ. Внаслідок цього тривалість керуючого імпульсу, який відкриває Тиристор, не перевищує 2 мкс. Це забезпечує утворення однієї іскри і в той же час охороняє Тиристор від багаторазового перемикання. Після розряду конденсатора С2 Тиристор Д5 закривається, поновлюється генерація в перетворювачі і весь процес повторюється.

Для полегшення запуску перетворювача напруги на бази транзисторів 77 і Т2 задається невелике від'ємне зміщення з дільників напруги R1, R2 і R3, R4. З метою запобігання мимовільного перемикання тиристора Д5 під впливом перешкод, що виникають при роботі перетворювача напруги і деяких елементів електрообладнання автомобіля (генератор, реле-регулятор, покажчики поворотів і т. д.), в ланцюг управління тиристора введений фільтр С1 Д9. Крім того, додатково на керуючий електрод тиристора Д5 задається захисне від'ємне зміщення 0,5-0,7 В, знімається з ланцюжка R6 Д8.

Відмінність другого перетворювача напруги (рис. 2) від першого полягає в тому, що він має дві підвищують обмотки (I і V). За допомогою контактів електромагнітного реле R1 ці обмотки можуть включатися послідовно для збільшення напруги, що надходить на вхід випрямні мосту Д1-Д4 при утрудненому запуску двигуна. Другий випрямляючий міст, зібраний на діодах Д5-Д8, призначений для живлення додаткових малопотужних споживачів струму. Він може забезпечити потужність близько 20 Вт, при налряженіі 220-230 В. Зажим VI ("синхр.") Служить для підключення допоміжних приладів системи контролю і регулювання роботи двигуна (тахометричні стабілізатора напруги та ін.) Деталі й конструкція блоків запалювання. При виготовленні пристрої запалювання особливу увагу слід приділити трансформатора перетворювача напруги, від якого в основному залежить надійність роботи електронного блоку. Найкраще скористатися для виготовлення цього трансформатора тороїдальним сердечником зі сталі марки Е330-Е340 (ХВП) або зі сплаву 34НКМП або 79НМ (пермаллой). У першому випадку можна застосувати сердечник ОЛ25/40Х12.5 або подібний йому, але з дещо великим перетином. З пермалоєвих сердечників можна рекомендувати ОЛ25/40Х6.5 (2 шт.).

Можна також використовувати для виготовлення цього трансформатора сердечник зі звичайної трансформаторної сталі марки Е42 або Е43 (пластини Ш16, набір 16 мм). При підборі сердечника потрібно враховувати, що перетин його магнітопровода повинно бути не менше 2 см2. Каркас для котушки трансформатора роблять з електрокартон, висновки обмоток закріплюють на периметрі щічки каркаса. Для додання трансформатора підвищеної вологостійкості, котушку після намотування просочують електроізоляційним лаком або компаундом (наприклад, КП-10).

Намотувальні дані трансформатора Tp1, виконаного на Ш-подібному і тороїдальним сердечниках, наведені в таблиці.

Спочатку на котушку намотують підвищує обмотку I. Для міжшарового ізоляції можна використовувати кабельну папір. Тороїдальний сердечник перед укладанням підвищує обмотки ізолюють двома-трьома шарами Лакотканини або фторопласту. Потім намотують обмотки II, III і IV. Для поліпшення симетрії перетворювача та зменшення індуктивності розсіювання трансформатора базові та емітерний обмотки намотують в два проводи, маючи в своєму розпорядженні витки обмоток III і IV між витками обмотки II.

Обмотка

Число витків

Провід

Примітка

сердечник Ш16Х16

сердечник ОЛ25/40Х12Б

I

1200

1700

ПЕЛШО0.18

II

35+35

50+50

ПЕВ-21, 0

Намотування ведеться в два дроти

III і IV

10+10

15+15

ПЕЛШО 0,31

—”—

Трансформатор Tp1 в схемі на рис. 2 виконаний на тороїдальним сердечнику типу ОЛ32/50 X 16. Основна підвищує обмотка I у нього містить 1200 витків дроту ПЕЛШО 0,25; додаткова підвищує обмотка V має 600 витків того ж проводу; емітерний обмотка II містить 33 + 33 витка проводу ПЕВ-2 1,0; базові обмотки III і IV мають по 10 витків дроту ПЕЛШО 0,41. Обмотки розташовуються в тому ж порядку, що і у Tp1 в схемі на рис. 1.

Якщо відсутні сердечники зазначених марок і типорозмірів, то неважко визначити придатність наявного сердечника для зазначених трансформаторів. Загальна потужність трансформатора, використовуваного в перетворювачі напруги, визначається його сумарним навантаженням. Вона, у свою чергу, рівна потужності, що витрачається на іскроутворення при максимальних обертах двигуна і максимальної потужності одного або декількох споживачів струму, які можуть підключатися до електронного блоку. Якщо ці споживачі струму під час руху автомобіля не використовуються, враховується лише одна із зазначених навантажень (максимальна).

Величина корисної потужності, витрачається на іскроутворення, залежить від числа циліндрів двигуна і швидкості обертання колінчастого валу.

Для чотиритактного двигуна частота іскроутворення дорівнює:

п – число оборотів колінчастого валу в хвилину; Nц – число циліндрів.

Далі визначаємо потужність, затрачену на одну іскру:

С – ємність накопичувального конденсатора (фарад)
U – напруга на накопичувальному конденсаторі. У нашому випадку при С = 1,0 мкФ до U = 400 В

Потужність, витрачається на іскроутворення при 6000 об / хв:

Приблизно така ж потужність витрачається при роботі електробритви (15-18 Вт). Оскільки звичайно електронний блок використовується для живлення однієї із зазначених навантажень, то очевидно, що максимальна потужність перетворювача може не перевищувати 18-20 Вт

У тому разі, коли величина індукції насичення (Вт), що є в наявності сердечника, невідома, вдаються до експериментального методу. На сердечник намотують базові та емітерний обмотки для включення в перетворювач. Їх сполучають один з одним і підключають до транзисторам T1 і Т2, як це показано на схемі на рис. 1. Намотування ведеться в два проводи; базові обмотки повинні мати по 10-15 витків дроту ПЕЛШО 0,25-0,31, емітерний – по 30-50 витків дроту ПЕЛ-2 1,0. Підключивши джерело живлення, визначають частоту генерації та струм, споживаний пристроєм. Для вимірювання частоти краще всього скористатися електронним осцилографом або частотоміром. У домашніх умовах можна наближено визна-

лити частоту генератора, порівнявши висоту звуку при прослуховуванні при роботі перетворювача з тоном музичного інструменту, наприклад, піаніно. Зазвичай частота генерації не перевищує 200-600 Гц (в залежності від сердечника). Форма генерованих коливань повинна бути по можливості близькою до прямокутної, струм, споживаний пристроєм, не повинен перевищувати 0,5-0,6 А при напрузі джерела живлення 12 В. Значення Вт визначають за формулою:

де f – частота, що виробляється перетворювачем, Гц;

Sст – перетин сердечника, см2;

КСТ – коефіцієнт заповнення сердечника сталлю;

Uе – значення змінної напруги на половині емітерний обмотки, В.

Для стрічкових тороїдальних сердечників величина КСТ знаходиться в межах 0,9 – 0,95. У сердечників, набраних зі звичайних Ш-образних пластин, КСТ = 0,75 -0,8.

Максимальна потужність, яка може бути знята з трансформатора, виконаного на даному сердечнику, визначається за допомогою наступної формули:

Величини I, Вт, Sст, КСТ нам уже відомі, а щільність струму в обмотках трансформатора (а) вибирають звичайно в межах 3-5 А/мм2.

nтР – коефіцієнт корисної дії трансформатора (для тороїдальних сердечників т) = 0,9, для сердечників типу ШЛ n = 0,85 і для Ш-образних сердечників зі звичайної трансформаторної сталі n = 0,75-0,8);

Sокна – перетин вікна сердечника в см2;

Кмеді – коефіцієнт заповнення вікна обмотками вибирають в межах 0,2 – 0,25.

Варто зазначити, що оптимальна частота для перетворювача з трансформатором, виконаному на звичайному сердечнику з трансформаторної сталі, не повинна перевищувати 200 – 250 Гц. В іншому випадку, теплові

втрати в осерді трансформатора різко зростають, так що нагрів його може перевищити допустиму величину. Зауважимо також, що при використанні сердечників з низькими електромагнітними параметрами збільшення частоти перетворювача призводить до спотворення форми генерується напруги і значного зниження к. п. д. перетворювача. Для сердечників типу ШЛ оптимальна частота перетворювача лежить в межах 250-300 Гц і для сердечників типу ОЛ – 600-700 Гц. Необхідно враховувати також, що зі збільшенням частоти перетворювача зростають втрати в напівпровідникових приладах і збільшується струм споживання перетворювача.

З метою підвищення надійності роботи пристрою бажано при розрахунку передбачити дворазовий запас по потужності у трансформатора перетворювача.

Після вибору сердечника визначають намотувальні дані трансформатора. Число витків половини Еміт-терном обмотки (які припадають на один транзистор) знаходимо з допомогою наступного виразу:

де Uе = Umax-Uке;

Uке – падіння напруги на відкритому транзисторі (напруга насичення) = 0,5 – 1 В. Якщо напруга акумуляторної батареї 12 В, Uц = 12 – 0,5 = 11,5 В. Інші параметри нам також відомі й можуть бути використані для розрахунку.

Далі визначаємо кількість витків в одному плечі базової обмотки:

Число витків підвищує обмотки знаходимо за допомогою формули:

Потім визначаємо діаметр проводу для всіх обмоток трансформатора перетворювача. Для цього спочатку знаходимо амплітудне значення струму колектора транзисторів Т1 і Т2.

де Pобщ = 20 Вт;

nпр (к. к. д. перетворювача) = 0,7;

Umax = 12В

.

Знаходимо діюче значення струму в обмотці емітерний Tp1:

Якщо взяти середній коефіцієнт підсилення по струму (ЗСТ) для транзисторів Т1 і Т2 рівним 10, то діюче значення струму у базовій обмотці можна визначити за допомогою наступного співвідношення:

Далі знаходимо діаметр проводу для емітерний та базової обмоток:

(Б – щільність струму в обмотках трансформатора 3 – 5 А/мм2). Потім, поставивши за вихідним напругою перетворювача (400 В) при номінальній потужності 20 Вт, визначаємо діюче значення струму в підвищує обмотці Tp1 в схемі рис. 1:

Таким же чином визначаємо діюче значення струму у додатковій підвищує обмотці Tpl в схемі рис. 2:

Далі знаходимо діаметр проводу для намотування підвищують обмоток:

Перед установкою транзисторів на тепловідвід потрібно переконатися у їх справності. Бажано підібрати транзистори з рівними (або по можливості близькими) величинами зворотних струмів колекторних переходів і коефіцієнтів посилення по струму (ЗСТ). Площина тепловідведення повинна бути ретельно відшліфована, щоб забезпечити надійне прилягання до поверхні транзисторів, які закріплюють на тепловідвід за допомогою чотирьох гвинтів з різьбленням МОЗ. Зауважимо, що в схемах на рис. 1 і 2 можна використовувати будь-які потужні транзистори (наприклад, П213-217, П210 та ін.) Слід лише враховувати допустима напруга між колектором і емітером транзистора і потужність розсіювання. Сумарна потужність розсіювання, що виділяється на транзисторах 77 і Т2, знаходиться в межах 15 – 22 Вт Поверхня пластинчастого охолоджувача (радіатора), що використовується для встановлення транзисторів T1 і Т2, повинна мати площу не менше 25 – 30 см2. При цьому гранична температура для транзисторів перетворювача не буде перевищувати 60 – 70 ° С.

Всі випрямні діоди перед установкою в схему блоків запалювання обов'язково перевіряють. При підключенні діодів Д1-Д4 і Д10 до джерела постійної напруги 600 В струм витоку не повинен перевищувати 10 мкА. Для перевірки діодів Д5-Д8 в схемі на рис. 2 іспитове напруга може бути знижено до 400 В.

Тиристори Д5 і Д11 бажано перевірити на напругу і струм перемикання. Для цього збирають схеми, наведені на рис. 3, а і б. Потім поступово збільшуючи напруга джерела живлення (наприклад, з допомогою автотрансформатора ЛАТР-1 або ЛАТР-2), перевіряють вказані параметри тиристорів. Показання вольтметра В1 (рис. 3, а) в момент переключення тиристора Д5, стрибком впадуть до нуля, а міліамперметр А1 при цьому відзначить різке збільшення струму. Зауважимо, що тиристори з напругою перемикання нижче 500 В в пристроях запалювання застосовувати не слід. Точно також не рекомендується використовувати в схемах на рис. 1 і 2 тиристори із струмом витоку більше 1 мА (рис. 3,6). Такі тиристори під час роботи будуть сильно перегріватися і швидко вийдуть з ладу. При перевірці тиристорів потрібно врахувати, що у деяких з них (наприклад, у тиристорів типу КУ202Н) напруга перемикання може досягати 700 В, а струм витоку при робочій напрузі 400-450 В не перевищує кількох десятків мкА.

Всі постійні резистори, що використовуються в схемах на рис. 1 і 2, типу МЛТ-0, 5 і МЛТ-2. У схемі на рис. 1 конденсатор С1 – електролітичний, типу К.50-6, С2 – типу МБГО на номінальну напругу 400 В, СЗ – металопаперові, МБМ. У схемі на рис. 2 конденсатор С1 – електролітичний типу К50-6, С2 – три паралельно включених конденсатора типу К50-6 100,0 X25 В, СЗ – МБГО на номінальну напругу 600 В, С4 – металопаперові, МБМ.

Дросель ДР1 (рис. 2) виконаний на сердечнику КД-ТД-4 (ШЛ 16X20). Обмотка його містить 120 витків дроту ПЕВ-2 1,0. Електромагнітне реле Р1 (рис. 2) типу РЕЗ-9 (паспорт № РС4.524.203).

Підставою блоку запалювання, виконаного за схемою на рис. 1, служить дюралюмінієва пластина розміром 160X70X6 мм. Транзистори 77 і Т2 укріплені

на дюралюмінієвий пластині розміром 70 X 45 X 6 мм. Її встановлюють на відстані 50 мм від краю пластини-основи і закріплюють у вертикальному положенні за допомогою двох гвинтів з різьбленням М4. На верхній торцевій частині цієї пластини закріплюють трьома гвинтами з різьбленням МОЗ вільний від деталей край верхньої плати колончатого модуля, що об'єднує майже всі дрібні деталі схемні блоку запалювання (виключаючи трансформатор Tp1, накопичувальний конденсатор С2, транзистори T1 і Т2 і Тиристор Д5). Всі деталі, що підлягають монтажу в модулі, розташовують у зазначеному на рис. 4 порядку між верхньою і нижньою платами модуля, встановленими на відстані 35 мм один від одного. Схема з'єднувальних перемичок на платах модуля наведена на рис. 5, а і б. Відзначимо, що якість монтажу і надійність усіх пайок в модулі повинні бути бездоганними, так як інакше він швидко вийде з ладу під час роботи на автомобілі. Плати модуля можуть бути виконані способом друкованого монтажу з фольгованого склотекстоліти або гетинаксу. Проте практика показала, що значно більш надійними в експлуатації виявилися об'ємні модулі з навісними деталями, встановленими на монтажних пелюстках або пістонів. Для монтажу найкраще використовувати мідний посріблений провід діаметром 0,5-0,75 мм.

Закріпивши об'ємний модуль на радіаторі транзисторів T1 і Т2, поруч з ним на пластині-підставі встановлюють трансформатор Tp1. З іншого боку модуля мають у своєму розпорядженні накопичувальний конденсатор С2 і Тиристор Д5, який закріплюють на підставі за допомогою невеликого мідного або латунного косинця, що виконує також роль додаткового тепловідводу для тиристора. Корпус тиристора ізолюють за допомогою двох слюдяних шайб завтовшки 0,05-0,1 мм і прохідний фторопластовою втулки, одягненою на кріпильний гвинт.

Блок запалювання, виконаний за схемою рис. 1, поміщають в захисний металевий кожух розміром 155X80X75 мм. Його можна виготовити з листового дюралюмінію товщиною 1,5-2,0 мм або сталевого листа товщиною 1,0 мм. Для кращої герметизації рекомендується прокласти гумову окантовку між основою і кожухом блоку.

Правильно зібраний блок запалювання, особливо при ретельній перевірці всіх встановлюються в схему деталей, зазвичай у додатковій наладці не потребує. Якщо пристрій запалювання переходить в режим безперервного генерації і не управляється контактами переривника, то або в ньому застосований Тиристор з низькою напругою перемикання, або пробитий діод Д9. Іноді це явище може спостерігатися через недостатню ємності конденсатора С1 і несправності діода Д6. Якщо транзистори T1 і Т2 свідомо справні, а генерації все-таки немає, то для виявлення причини несправності перетворювача напруги відключають спочатку від підвищувальної обмотки трансформатора Tpl конденсатор С2, потім Тиристор Д5 і випрямляючий міст Д1-Д4 і замінюють несправні деталі. У тих випадках, коли робота перетворювача супроводжується хрипким або шиплячим звуком, перевіряють справність діодів Д1-Д4 і транзисторів T1-Т2. Причиною несправності накопичувального конденсатора С2 може з'явитися замикання одного з висновків на корпус або пробою між обкладинками конденсатора. У разі несправності тиристора Д5 перш за все потрібно переконатися в цілості слюдяних шайб і прохідний втулки, ізолюючих корпус тиристора від кріпильного кутника. Якщо ізоляція не пошкоджена і сам Тиристор справний, а генерації все ж таки немає навіть при відключенні підвищує обмотки Tpl від всіх перерахованих деталей, то причину несправності слід шукати в самому трансформаторі перетворювача напруги (неправильне включення, обрив або межвітковие замикання в обмотках).

Відсутність новоутворення при розмиканні контактів переривника вказує на те, що ланцюг управління тиристором розімкнути (наприклад, при пошкодженні діода Д9).

При перевірці пристрої запалювання поза автомобіля слід обов'язково поєднати корпус котушки запалювання з корпусом електронного блоку, оскільки в іншому випадку може статися пробій котушки і пошкодження деталей електронного блоку.

При монтажі блоку запалювання на автомобілі його встановлюють під капотом якомога далі від випускного колектора двигуна і закріплюють за допомогою чотирьох гвинтів з різьбленням М5 або М6. Температура в місці установки блоку не повинна перевищувати + 70 ° С, інакше надійність роботи пристрою запалювання знижується через сильний перегріву напівпровідникових приладів.

Для підключення пристрою запалювання до бортсеті автомобіля краще всього скористатися яким-небудь підходящим штепсельних роз'ємом (наприклад, типу РШАБПБ-14), як це показано на рис. 6. При цьому

забезпечується швидкий перехід від одного виду запалювання до іншого. Для цього достатньо змінити положення вилки в гнізді роз'єму на 180 °, як це показано на рис. 6 ("ОЗ" – звичайне запалювання, "ТЗ" – тиристорні запалювання). Крім того, вилка може служити "ключем" протиугінного пристрою – якщо вийняти її з гнізда, то обидві системи запалювання виявляться відключеними. Не знаючи схеми "ключа", запустити двигун буде важко, тому що крім зазначених на рис. 6, можливо безліч інших варіантів розташування перемичок у вилці.

У разі використання блоку запалювання на автомобілях з 6-вольтової акумуляторною батареєю необхідно крім перерахунку намотувальних даних трансформатора перетворювача напруги також скорегувати величину опору резисторів R1-R2 і R3-R4 (подільники напруги в ланцюгах баз транзисторів Т1-Т2).

ВРЛ