Конденсаторная система зажигания с импульсным накоплением энергии

Конденсаторная система зажигания с импульсным накоплением энер« гии обеспечивает получение стабилизирэваннего напряжения на первичной об­мотке катушки зажигания в пределах 360±5 В при изменении напряжения пи-гания от 6,5 до 15 В и температуры от — 40 до +70* С. Ток, потребляемый системой, зависит от частоты вращения вала двигателя и изменяется от 0,3 А при 600 об/мин до 1,9 А при 6000 об/мин четырехтактного четырехцилиндро-вого двигателя (частоты искревбразования соответственно 20 и 200 Гц). Дли­тельность искревого разряда 0,4 — 0,5 мс в зависимости от зазора в свече за­жигания. Энергия искрообразования, выделяемая в свече зажигания, не ме-аее 10 мДж.

Система отличается рядом новых схемотехнических решений, направлен-вых на устранение недостатков ранее разработанных систем.

Основным недостатком конденсаторных систем зажигания ранних разрабо­ток являлась их низкая помехоустойчивость. Машина с электронной системой зажигания вдруг начинала дергаться, например, при включении звукового сигнала, электродвигателя епрыскивателя стекол и т. п. Иногда двигатель уда­валось запустить лишь после выключения стартера, когда вал двигателя еще продолжал вращаться ао инерции, но электрическая цепь стартера уже раз­мыкалась. И наконец, наблюдались совершенно непонятные выхеды из строя транзисторов и других полупроводниковых элементов, находившихся в допу­стимых электрических режимах,

Причиной этих неприятностей были импульсные помехи, всегда имеющи­еся в бортовой электросети автомебиля. Источниками этих помех могут быть индуктивные и коммутационные элементы, электродвигатели, вибрационные приборы, а также регуяятер напряжения и генератор. От состояния этих при­боров, а также от состояния аккумулятора, электропроводки и контактных соединений зависит амплитуда помех, которая может превышать 100 В1 Дли­тельность помех обычно не превышает долей миллисекунды.

Импульсные помехи воздействуют на приборы электронных систем зажига­ния и могут вызывать нарушения их нормальной работы (сбои), например несвоевременное переключение триггеров, тиристоров и т. п., а также отказа элементов.

В описываемой системе указанный недостаток устранен. Все слаботочные цепи защищены RC-фильтрами, а измерительная цепь (цепь стабилизации) раз­вязана от источника питания с помощью тиристорного оптрона. Это позволило обеспечить работоспособность системы в условиях воздействия на нее по цепям питания импульсных помех с амплитудой до 120 В.

Новым в системе является также режим трехкратного искрообразования во время пуска двигателя стартером (не многократного, как, например, в систе­мах «Старт», «Искра-3», БЭСЗ-1 [5], а именно трехкратнеге).

Дело в том, что режим многократноге искровбразования, т. е. такой ре­жим, при котвром искрввбразование првделжается в течение всего времени, пока кютакты прерывателя разомкнуты, иногда не только ие облегчает, но, наоборот, затрудняет пуск двигателя, останавливая вращение его вала. Если зазвр в прерывателе велик или вал кулачка имеет люфт, в связи с чем гово­рить о каком-либо определенном зазоре вообще нельзя, те искрообразование в системе продолжается и тогда, когда ротор распределителя повернется на 45° или даже больше относительно момента начала размыкания контактов пре­рывателя. Вследствие этого искровой разряд возникает не только в основном, но и в следующем по ходу вращения ротора цилиндре, в котором в это время только что начался такт сжатия. При этом наблюдаются «обратные удары», останавливающие вращение вала двигателя.

Это создает серьезные эксплуатационные неудобства. Во-первых, выдвига­ется дополнительное требование об уменьшении зазора в прерывателе относи­тельно рекомендуемого заводом-изготовителем автомобиля, а во-вторых, си­стему нельзя применять на изношенных двигателях, где обычно люфт вала распределителя велик и где именно эта система особенно нужна.



Рис. 7. Электрическая схема конденсаторной системы зажигания с импульсным накоплением энергии:

а - с тиристорным оптроном, б — с заменой оптрона транзистором, в — с гер- маниевыми транзисторами в силовом ключе



В описываемой конструкции указанный недвстаток устранен. В режиме пу­ска стартером система обеспечивает три искры после каждого размыкания контактов прерывателя. Искрообразо1вание заканчивается задолго до того, как ротор повернется на 45°. Для облегчения же пуска двигателя, как показала практика, трехкратное искрообразование ничуть не хуже многократного.



В системе предусмотрено удобное переключение на классическую и обрат­но песредством разъема-заглушки.

Электрическая принципиальная схема приведена на рис. 7. Система состоит из электронного блока ЭБ и разъемов Х2, ХЗ устрвйства переключения с электронного зажигания на обычное, а также штатных эле­ментов — катушки зажигания КЗ, выключателя зажигания ВЗ, выключателя стартера ВСт, аккумулятора GB и прерывателя Пр. Электронный блок имеет следующие основные узлы:

преобразователь напряжения бортсети в высокое напряжение заряда на­копительного конденсатора, содержащий силовой транзисторный ключ на транзисторах V29, V30, V32 и диодах V24, V25, V26, тиристор V22, трансфор­матер Т1, выпрямитель V33, накопительный конденсатор С14 и устройство ста­билизации на оптроне V23;

коммутатор на тиристоре V37 и трансформаторе Т2, подключающий заря­женный накопительный конденсатор С14 к первичной обмотке wl катушки за­жигания КЗ в момент размыкания контактов прерывателя;

разрядные диоды V35, V36, обеспечивающие полное использование энер­гии накопительного конденсатора для искрообразования; каскад антидребезга на транзисторах V20, V21;

каскад трехкратного искрообразования при пуске двигателя, состоящий из двух триггеров на транзисторах VI, V5 и V6, V9 и четырех транзисторных ключей — V10, Vll, V13, V14.

Система работает следующим образом.

Допустим, что контакты прерывателя Пр и выключателя ВСт разомкну­ты (каскад трехкратного искрообразования выключен). Тогда после включения питания выключателем зажигания ВЗ открывается транзистор V20 (t±, рис. 8), базовый ток которого протекает через резисторы R43, R42, диоды VI9, VI8, V17 и резисторы R23, R22. Конденсатор С5 заряжается почти до полного на­пряжения питания. Открытый транзистор V20 шунтирует базу транзистора V21, вследствие чего последний закрыт. Тиристор V22 в это время выключен, так как выключен тиристор оптрона V23.

Силовой транзисторный ключ открывается током, протекающим через ре­зисторы R46 — R49, обмотку wl трансформатора Т2, резистор R25 и диоды V26, V25, V24. Ток коллектора транзистора V29 протекает через переход ба­за — эмиттер транзистора V30, который открывается, открывая в свою оче­редь транзистор V32. Через первичную обмотку wl трансформатора Т1 и ре­зистор R32 протекает линейно-нарастающий ток. По мере увеличения этого то­ка увеличивается падение напряжения на резисторе R32 и ток через светодиод оптрона V23. При токе через светодиод 10 — 20 мА тиристор оптрона переклю­чается и подключает управляющий электрод тиристора V22 через обмотку дросселя L1, диод V31 и резисторы R46 — JR49 к плюсу источника питания.





Рис. 8. Временные диаграммы работы конденсаторной систе­мы зажигания с им­пульсным накопле­нием энергии

Тиристор V22 переключается (Т2 на рис. 8) и шунтирует базу транзистора V29. При этом ток анода тиристора V22 сначала протекает через диод V31, а затем через обмотку wl трансформатора Т2. В магнитном поле трансформа­тора Т2 накапливается энергия, которая в дальнейшем используется для уп­равления коммутирующим тиристором V37. Транзисторы V29, V30, V32 за­крываются, и ток в первичной обмотке wl трансформатора Т1 прекращается. Энергия, накопленная в магнитном поле трансформатора Т1, создает в его обмотках импульсы напряжения. Положительный импульс с конца обмотки w3 проходит через диод V33 и заряжает накопительный конденсатор С14 до напряжения 350 — 360 В (Т3, рис. 3).

После замыкания контактов прерывателя (ti, рис. 8) базовая цепь транзи­стора V20 шунтируется через диод V16. Однако транзистор V20 еще некоторое время остается открытым, пока не разрядится конденсатор С5. В момент Т» транзистор V20 закрывается, а транзистор V21 открывается, выключая тири­стор V22. Однако ток через обмотку wl трансформатора Т2 не прекращается. Теперь он протекает через транзистор V21.

Задержка открывания транзистора V21 примерно на 0,4 мс после замыка­ния контактов прерывателя необходима для устранения влияния дребезга кон­тактов прерывателя на работу системы. На рис. 8 дребезг контактов показан в виде одного короткого импульса, следующего сразу же после замыкания кон­тактов (в действительности таких импульсов бывает несколько).

В момент размыкания контактвв прерывателя (Тв на рис. 8) транзистор V20 открывается, а транзистор V21 закрывается. Ток в обмотке wl трансфор­матора Т2 резко уменьшается, протекая теперь через резистор R25, диоды V26, V25, V24 и переход база — эмиттер транзистора V29. Во вторичной обмотке w2 трансформатора Т2 возникает положительный импульс, который поступает на управляющий электрод коммутирующего тиристора V37. Последний пере­ключается и подключает первичную обмотку wl катушки зажигания КЗ к заряженному до напряжения 350 — 360 В накопительному конденсатору С14. На­пряжение на вторичной обмотке w2 катушки зажигания в течение нескольких микросекунд достигает напряжения пробоя искрового промежутка свечи за­жигания (8 — 10 кВ), и между электродами свечи возникает искровой разряд (ti, рис. 9).



Первичная обмотка wl катушки зажигания и накопительный конденсатор С14, соединенные между собой через переключившийся тиристор V37, образу­ют колебательный контур, в котором возникают затухающие колебания. Ток в этом 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 (h, рис. 9) и затем меняет свой знак. Тиристор V37 выключается, разрывая колебательный контур.



Рис. 9. Временные диа­граммы работы конден­саторной системы зажи­гания с импульсным на­коплением энергии в мо­мент искрообразования

Однако ток в первичной обмотке катушки зажигания продолжает проте­кать в первоначальном направлении через диоды V35, V36, и искровой разряд во вторичной цепи продолжается до тех пор, пока почти вся энергия, за­пасенная в магнитном поле катушки зажигания, не будет израсходована (t3, рис. 9). Благодаря диодам V35, V36 длительность искрового разряда увеличи­вается почти в 3 раза, что существенно увеличивает его энергию. Это обстоя­тельство положительно влияет на работу двигателя, уменьшая токсичность отработавших газов и облегчая пуск горячего двигателя.

Одновременно с возникновением искры в свече зажигания при размыкании контактов прерывателя (t$, рис. 8) через первичную обмотку wl трансформа­тора Т1 снова начинает протекать линейно нарастающий ток, и, когда он до­стигает заданного значения (Т7, рис. 8), силовой транзисторный ключ размы­кается и накопительный конденсатор С14 снова заряжается до напряжения 350 — 360 В, т. е. повторяются процессы, имевшие место после включения пи­тания.

При включении выключателя РСт плюс источника питания через низкоча­стотный фильтр R20, С4 и резистор R17 поступает к базе транзистора V13, который открывается, и система начинает работать в режиме трехкратного ис-крообразования. В момент первого размыкания контактов прерывателя поло­жительный импульс «сброса», сформированный дифференцирующей цепью С6, R38, через резистор R36 и диоды V3, V8 открывает левые по схеме транзи­сторы обоих триггеров (VI, V6), устанавливая их в строго определенные со­стояния, которые условно назовем первыми. Транзисторы VI, V6 при этом открыты, a V5, V9 закрыты. Транзистор V10 открыт по цепи R14, R13, а тран­зистор VI1 закрыт.



Как и при работе в режиме однократного искрообразования, искра в свече возникает при размыкании контактов прерывателя (tu рис. 10), и одно­временно в обмотке wl трансформатора Т1 начинает протекать линейно-нара­стающий ток. В момент Т2

ток, достигнув заданного значения, прекращается и происходит заряд накопительного конденсатора С14. Однако в отличие от ре­жима однократного искрообразования теперь в работу вступает транзистор V14, ток через который в режиме однократного искрообразования не протекал, так как был закрыт транзистор V13, включенный в его эмиттерную цепь.

В момент разрыва тока в обмотке wl (t2, рис. 10) положительный импульс напряжения длительностью примерно 1 мс с конца обмотки w2 через рези­стор R16 поступает на базу транзистора V14 и открывает его. В момент Т3, совпадающий с окончанием заряда накопительного конденсатора, импульс ис­чезает и транзистор V14 закрывается. Поскольку транзистор V14 через диод VI5 подключен к той же точке схемы, к которой через диод V16 подключен прерыватель, запирание транзистора V14 эквивалентно размыканию контактов прерывателя, и, следовательно, в этот момент (1з, рис. 10) в свече зажигания возникает вторая искра.

Положительный импульс, появляющийся на коллекторе транзистора V14 при его запирании, поступает через резистор R7 на счетный вход триггера на транзисторах VI, V5, который переходит во второе устойчивое состояние: тран­зистор V5 открывается, а VI закрывается. Состояние триггера на транзисторах V6, V9, а также транзисторов V10, VII не изменяется. Транзистор V10 оста­ется открытым, а VII — закрытым.



Рис. 10. Временные диаграммы работы конденсаторной системы зажигания С импульсным накоплением энергии в режиме трехкратного искрообразования

Так же как и при размыкании контактов прерывателя, при закрывании транзистора V14 в момент Т3 в обмотке wl трансформатора Т1 начинает про­текать линейно-нарастающий ток, после чего описанные процессы повторяются. В момент Т4 транзистор V14 открывается, а в момент t5 снова закрывает­ся. В свече зажигания возникает третья искра. На счетный вход триггера на транзисторах VI, V5 опять поступает положительный импульс (второй), и триггер переходит снова в первое устойчивое состояние: транзистор VI открывается, a V5 закрывается. Положительный импульс с коллектора транзистора-V5 дифференцируется цепью C3R11 и через диод V7 поступает на базу тран­зистора V9. Триггер на транзисторах V6, V9 переходит во второе устойчивое состояние: транзистор V9 открывается, a V6 закрывается. При этом транзи­стор V10 закрывается, а транзистор VII открывается. Открытый транзистор VII шунтирует цепь базы транзистора V14, и он остается запертым независи­мо от сигнала, поступающего с обмотки w2 трансформатора Т1. Режим трех­кратного искрообразования прекращается.



Остановимся на назначении некоторых элементов схемы. Цепи R20C4, R37C7, R41C8, R43C9, R45C10, R47R49C12 образуют фильтры низких частот, защищающие элементы блока от импульсных помех в бортовой электросети.

Диоды V15, V16 осуществляют развязку прерывателя от выходного клю­ча каскада трехкратного искрообразования — транзистора V14, что необходи­мо для нормальной работы счетной схемы каскада. Диод V12 защищает базу транзистора V14 от напряжения отрицательной полярности, возникающего в обмотке w2 трансформатора Т1 в момент включения силввого транзисторного ключа.

Дроссель L1 и конденсатор С13 обеспечивают уменьшение скорости нара­стания напряжения на аноде тиристора оптрона V23 до нормы технических условий — . 3 — 4 В/мкс. При большей скорости тиристор оптрона может пере­ключаться самопроизвольно, без подачи входного сигнала.

Терморезисторы R27, R28 обеспечивают компенсацию температурных ха­рактеристик оптрона V23 и других элементов схемы с целью стабилизации на­пряжения заряда накопительного конденсатора С14 при изменениях темпера­туры окружающей среды.

Стабилитрон V27 ограничивает на уровне 22 В амплитуду положительно­го импульса в обмотке wl трансформатора Т2, возникающего в момент закры­вания транзистора V21, предотвращая выход этого транзистора из строя. Диод V28 исключает протекание прямого тока через стабилитрон.

Диод V31 обеспечивает надежное включение тиристора V22, нейтрализуя влияние индуктивности обмотки wl трансформатора Т2, и ограничивает воз­никающий при этом отрицательный импульс на уровне 0,6 — 0,7 В.

В цепь базы транзистора V20 включены последовательно три диода VI7 — V19, хотя принципиально можно было бы ограничиться и одним, исключаю­щим разряд конденсатора С5 через замкнутые контакты прерывателя. Дело в том, что при плохом электрическом контакте массы двигателя с массой ку­зова, что обычно бывает на старых автомобилях, а также в случае применения самодельных разъединителей массы, во время работы стартера между кузо­вом и двигателем появляется паразитная разность потенциалов, достигающая иногда 2 В, которая прикладывается плюсом к выводу блока Пр через зам­кнутые контакты прерывателя. В случае отсутствия диодов V17 — V19 транзи­стор V20 будет открыт и при замкнутых контактах прерывателя, что равно­сильно отказу системы зажигания. Двигатель запустить стартером было бы нельзя. Падение напряжения в диодах V17 — V19, равное примерно 2,3 В, ней­трализует эту разность потенциалов.



Диоды V24 — V26 обеспечивают надежную коммутацию тока силввого тран­зисторного ключа. Падение напряжения на включенном тиристоре V22 может составить 2 В, поэтому без этих диодов транзистор V29 мог бы остаться от­крытым и после включения тиристора V22.

Стабилитрон V34 ограничивает амплитуду паразитного импульса, возни­кающего в обмотке wl трансформатора Т1 в момент запирания транзистора V32. Этот импульс появляется вследствие того, что время закрывания транзи­стора V32 типа КТ818Г (около 0,05 мкс) значительно меньше, чем постоянная времени трансформатора Т1 (примерно 0,3 мкс). Поэтому в течение интерва­ла времени, равного примерно 0,25 мкс, накопительный конденсатор С14 как бы еще не подключен и амплитуда импульса ограничивается лишь паразитной емкостью обметки wl и может достичь ПО — 120 В. Еетественно, что если не принять специальных мер защиты, транзисторы силового ключа могут выйти из строя.

Следует отметить, что в случае применения транзистора V32 с меньшим быстродействием, например П210Ш, паразитный импульс не возникает и ста­билитрон V34 не нужен. Однако германиевые транзисторы имеют меньшую ра» бочую температуру, что снижает надежность блока.

Применение двух последовательно включенных разрядных диодов V35, V3§ объясняется малым быстродействием имеющихся мощных диодов. Несмотря на то что диод КД202 рассчитан на напряжение 600 В, при установке лишь од­ного диода наблюдаются частые выходы его из строя. Анализ показал, что при больших частотах вращения вала двигателя (при больших частотах искро-образования) каждый новый цикл искрообразования начинается раньше, чем прекращается ток через разрядный диод, который протекает некоторое время и после окончания искрообразования (см. рис. 9). Он обусловлен оставшейся неизрасходованной в искровом разряде энергией катушки зажигания. При этом к открытому диоду, внутреннее сопротивление которого в это время мало, в цемент включения тиристора V37 прикладывается обратное напряжение 350 — 360 В.

Диод не может мгновенно закрыться, и в течение нескольких микросекунд через него протекает ток, значение которого ограничено лишь сопротивлением резистора R50 (2 Ом) и внутренними сопротивлениями открытого диода в включившегося тиристора. Измерения показали, что амплитуда импульса то­ка может достигать при этом 80 AI Ее значение 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 то» ка в контуре, образованном первичной обмоткой катушки зажигания и раз­рядными диодами, и указанное выше явление не наступает даже при макси­мальной частоте искрообразования. Резисторы R34, R35 выравнивают об­ратные напряжения на диодах. Резистор R50 устраняет выброс напряжения на диодах V35, V36 в момент включения тиристора V37.

Конструкция и детали. Конструкция электронного блока может быть до­статочно произвольной, однако при конструировании необходимо руководст­воваться следующими соображениями.

Во-первых, конструкция должна быть брызгозащищенной, так как блок устанавливается в моторном отсеке и попадание воды на него не исключено.

Во-вторых, корпус блока должен быть изготовлен из алюминиевого спла­ва, имеющего хорошую теплопроводность. Это обеспечит хороший теплоотвод от нагревающихся элементов, которые должны быть установлены непосредст­венно на корпусе. К таким элементам относятся транзисторы V30, V32, тири­стор V37, диоды V33, V36, V36, стабилитрон V34. Тиристор V22 может быть установлен как на корпусе, так и на печатной плате. Элементы, не имеющие электрического соединения с корпусом, изолируют при установке с помощью тонких слюдяных или лавсановых прокладок. Остальные элементы размещаю» на печатной плате или плате из текстолита (гетинакса) с контактными лепе­стками. При размещении деталей следует иметь в виду, что резисторы R42, R43, R46, R47, R48, R49 и трансформатор Т1 при работе блока нагреваются, и их не следует располагать рядом с полупроводниковыми элементами и термо­резисторами R27, R28. Кроме того, необходимо, чтобы цепь светодиода оптро-на V23 была непосредственно соединена с резистором R32, как это показано на схема рис. 7.

В качестве примера конструктивного исполнения блока рассмотрим рис. 11.

Блок собрав в корпусе из алюминиевого сплава Д1Т, изготовленном фре­зерованием, Непосредственно ва корпусе размещены транзисторы V30, V32, тиристор V37, диоды V33, V35, V36 и конденсатор С15, выводн которого присоединяются непосредственно к корпусу блока и штырю разъема XI. Ос­тальные детали размещены на печатной плате и двух текстолитовых платах с контактными лепестками. Манганиновый резистор R32 припаян к контактным лепесткам, расположенным на изоляционных втулках на специальных прили­вах корпуса. Сверху и снизу корпус закрывается крышками с резиновыми про­кладками по периметру. Крышки стягиваются между собой винтом.





Рис. 11. Электронный блок конденсаторной системы-зажигания с импульсным накоплением энергии


Содержание раздела

---