Каталог радиолюбительских схем

ТИРИСТОРНЫЕ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

А. Кузьминский, В. Ломановнч

Обычная батарейная система зажигания обладает серьезными недостатками. Наиболее существенные из них: малая мощность искры, быстрый износ контактов прерывателя, коммутирующих ток порядка 4 А в цепи первичной обмотки катушки зажигания, и большая потребляемая мощность (порядка 50 Вт).

Предлагаемые тиристорные системы зажигания позволяют в несколько раз уменьшить мощность, потребляемую от бортсети автомобиля, и в 20—30 раз снизить ток, протекающий через контакты прерывателя. Мощность искры при этом возрастает не менее чем в 5 раз и почти не зависит от состояния свечей и прерывателя.

Ниже приводится описание двух конструкций блоков электронного зажигания на тиристорах “БТЗ-1” и “БТЗ-2”. Они очень хорошо зарекомендовали себя во время длительной эксплуатации на автомобилях марки “Москвич”, “Волга” и “Запорожец”. Блоки тиристорного зажигания собраны из обычных деталей широкого применения.

Принципиальная схема “БТЗ-1” приведена на рис. 1. Кроме питания высоковольтным напряжением свечей зажигания, этот блок позволяет использовать в автомобиле различные маломощные бытовые приборы, рассчитанные на подключение к электросети с напряжением 220 В (электробритва, зубная щетка и пр.).

Так как стартер потребляет большой ток от аккумуляторной батареи, то в холодное время года напряжение батареи при запуске двигателя может снижаться до 6—7 В. Естественно, что в этот момент ухудшаются условия искрообразования и затрудняется пуск двигателя. Для поддержания необходимой мощности искры

в схему блока зажигания “БТЗ-2” (рис. 2) введено электромагнитное реле Р1, обмотка которого включается тем же выключателем, что и стартер. Контакты P1/1 и Р1/2 при срабатывании реле включают дополнительную повышающую обмотку (V) трансформатора Tp1. Таким образом удается поддерживать необходимую мощность искры даже при падении напряжения аккумуляторной батареи до 5—6 В. Низкочастотный фильтр Др1 и С1 в цепи питания служит для подавления радиопомех.

Оба блока электронного зажигания выполнены по конденсаторно-контактной схеме с коммутирующим тиристором. Для получения необходимой энергии искрообразования используется накопительный конденсатор С2 (СЗ), заряжающийся от высоковольтного преобразователя напряжения и разряжающийся через тиристор на первичную обмотку катушки зажигания. На вторичной обмотке катушки зажигания при этом индуцируется высокое напряжение, поступающее на свечи двигателя через распределитель. Преобразователи напряжения в обеих системах зажигания выполнены по схеме симметричного блокинг-генератора. Схема позволяет использовать для установки транзисторов 77 и Т2 общий неизолированный теплоотвод, соединенный с шасси (“общий минус”). При этом, помимо конструктивного упрощения узла преобразователя, значительно улучшается тепловой режим всего устройства и повышается надежность его работы.

Рассмотрим более подробно схему блока зажигания “БТЗ-1”, приведенную на рис. 1. Принцип работы двухтактных транзисторных генераторов с трансформаторной обратной связью достаточно хорошо известен. Транзисторы T1 и Т2 работают в ключевом режиме, коммутируя ток в первичной обмотке трансформатора Tp1. Во вторичной обмотке Tp1 при этом индуцируется высокое напряжение симметричной формы (близкой к прямоугольной). Ко вторичной обмотке Tpl подключен выпрямительный мост Д1—Д4, с которого снимается постоянное напряжение около 400 В, используемое для

зарядки конденсатора С2. Тиристор Д5 вначале закрыт. В момент замыкания контактов прерывателя, закорачивающего зажимы 3 и 7 устройства зажигания, конденсатор СЗ заряжается через диоды Д8—Д9 и резистор R7 почти до полного напряжения аккумуляторной батареи. Резистор R7 обеспечивает некоторую задержку времени заряда, устраняя воздействие “дребезга” контактов прерывателя в момент замыкания.

При размыкании контактов прерывателя (зажимы 3—7 БТЗ) конденсатор СЗ разряжается через диод Д7, управляющий электрод тиристора Д5 и резисторы R9— R10. При этом на управляющий электрод тиристора Д5 поступает положительный импульс, открывающий тиристор. Накопительный конденсатор С2, заряженный до напряжения около 400 В, разряжается через тиристор-Д5 и первичную обмотку катушки зажигания (зажимы 1 и 2 БТЗ). Одновременно открывшийся тиристор Д5 шунтирует выходную цепь преобразователя напряжения, срывая генерацию.

Отрицательный импульс, поступающий с первичной обмотки катушки зажигания через цепочку R8—Д6 после переключения тиристора Д5, мгновенно перезаряжает конденсатор СЗ. Вследствие этого длительность управляющего импульса, открывающего тиристор, не превышает 2 мкс. Это обеспечивает образование одной искры и в то же время предохраняет тиристор от многократного переключения. После разряда конденсатора С2 тиристор Д5 закрывается, возобновляется генерация в преобразователе и весь процесс повторяется.

Для облегчения запуска преобразователя напряжения на базы транзисторов 77 и Т2 задается небольшое отрицательное смещение с делителей напряжения R1, R2 и R3, R4. В целях предотвращения самопроизвольного переключения тиристора Д5 под воздействием помех, возникающих при работе преобразователя напряжения и некоторых элементов электрооборудования автомобиля (генератор, реле-регулятор, указатели поворотов и т. д.), в цепь управления тиристора введен фильтр С1 Д9. Кроме того, дополнительно на управляющий электрод тиристора Д5 задается защитное отрицательное смещение 0,5—0,7 В, снимаемое с цепочки R6 Д8.

Отличие второго преобразователя напряжения (рис. 2) от первого состоит в том, что он имеет две повышающих обмотки (I и V). С помощью контактов электромагнитного реле R1 эти обмотки могут включаться последовательно для увеличения напряжения, поступающего на вход выпрямительного моста Д1—Д4 при затрудненном запуске двигателя. Второй выпрямительный мост, собранный на диодах Д5—Д8, предназначен для питания дополнительных маломощных потребителей тока. Он может обеспечить мощность около 20 Вт, при налряжении 220—230 В. Зажим VI (“синхр.”) служит для подключения вспомогательных приборов системы контроля и регулирования работы двигателя (тахометрического стабилизатора напряжения и др.). Детали и конструкция блоков зажигания. При изготовлении устройства зажигания особое внимание следует уделить трансформатору преобразователя напряжения, от которого в основном зависит надежность работы электронного блока. Лучше всего воспользоваться для изготовления этого трансформатора тороидальным сердечником из стали марки Э330—Э340 (ХВП) или из сплава 34НКМП или 79НМ (пермаллой). В первом случае можно применить сердечник ОЛ25/40Х12.5 или подобный ему, но с несколько большим сечением. Из пермаллоевых сердечников можно рекомендовать ОЛ25/40Х6.5 (2 шт.).

Можно также использовать для изготовления этого трансформатора сердечник из обычной трансформаторной стали марки Э42 или Э43 (пластины Ш16, набор 16 мм). При подборе сердечника нужно учитывать, что сечение его магнитопровода должно быть не менее 2 см2. Каркас для катушки трансформатора делают из электрокартона, выводы обмоток закрепляют на периметре щечки каркаса. Для придания трансформатору повышенной влагостойкости, катушку после намотки пропитывают электроизоляционным лаком или компаундом (например, КП-10).

Намоточные данные трансформатора Tp1, выполненного на Ш-образном и тороидальном сердечниках, приведены в таблице.

Вначале на катушку наматывают повышающую обмотку I. Для межслоевой изоляции можно использовать кабельную бумагу. Тороидальный сердечник перед укладкой повышающей обмотки изолируют двумя-тремя слоями лакоткани или фторопласта. Затем наматывают обмотки II, III и IV. Для улучшения симметрии преобразователя и уменьшения индуктивности рассеяния трансформатора базовые и эмиттерные обмотки наматывают в два провода, располагая витки обмоток III и IV между витками обмотки II.

Трансформатор Tp1 в схеме на рис. 2 выполнен на тороидальном сердечнике типа ОЛ32/50 X 16. Основная повышающая обмотка I у него содержит 1200 витков провода ПЭЛШО 0,25; дополнительная повышающая обмотка V имеет 600 витков того же провода; эмиттерная обмотка II содержит 33 + 33 витка провода ПЭВ-2 1,0; базовые обмотки III и IV имеют по 10 витков провода ПЭЛШО 0,41. Обмотки располагаются в том же порядке, что и у Tp1 в схеме на рис. 1.

Если отсутствуют сердечники указанных марок и типоразмеров, то несложно определить пригодность имеющегося сердечника для указанных трансформаторов. Общая мощность трансформатора, используемого в преобразователе напряжения, определяется его суммарной нагрузкой. Она, в свою очередь, равна мощности, затрачиваемой на искрообразование при максимальных оборотах двигателя и максимальной мощности одного или нескольких потребителей тока, которые могут подключаться к электронному блоку. Если эти потребители тока во время движения автомобиля не используются, учитывается лишь одна из указанных нагрузок (максимальная).

Величина полезной мощности, затрачиваемая на искрообразование, зависит от числа цилиндров двигателя и скорости вращения коленчатого вала.

Для четырехтактного двигателя частота искрообразования равна:

п — число оборотов коленчатого вала в минуту; Nц — число цилиндров.

Далее определяем мощность, затрачиваемую на одну искру:

С — емкость накопительного конденсатора (фарад)
U — напряжение на накопительном конденсаторе. В нашем случае при С = 1,0 мкФ к U = 400 В

Мощность, затрачиваемая на искрообразование при 6000 об/мин:

Примерно такая же мощность расходуется при работе электробритвы (15—18 Вт). Так как обычно электронный блок используется для питания одной из указанных нагрузок, то очевидно, что максимальная мощность преобразователя может не превышать 18—20 Вт.

В том случае, когда величина индукции насыщения (Вт), имеющегося в наличии сердечника, неизвестна, прибегают к экспериментальному методу. На сердечник наматывают базовые и эмиттерные обмотки для включения в преобразователь. Их соединяют друг с другом и подключают к транзисторам T1 и Т2, как это показано на схеме на рис. 1. Намотка ведется в два провода; базовые обмотки должны иметь по 10—15 витков провода ПЭЛШО 0,25—0,31, эмиттерные — по 30—50 витков провода ПЭЛ-2 1,0. Подключив источник питания, определяют частоту генерации и ток, потребляемый устройством. Для измерения частоты лучше всего воспользоваться электронным осциллографом или частотомером. В домашних условиях можно приближенно опреде-

лить частоту генератора, сравнив высоту звука прослушиваемого при работе преобразователя с тоном музыкального инструмента, например, пианино. Обычно частота генерации не превышает 200—600 Гц (в зависимости от сердечника). Форма генерируемых колебаний должна быть по возможности близкой к прямоугольной, ток, потребляемый устройством, не должен превышать 0,5—0,6 А при напряжении источника питания 12 В. Значение Вт определяют по формуле:

где f — частота, вырабатываемая преобразователем, Гц;

Sст — сечение сердечника, см2;

Кст — коэффициент заполнения сердечника сталью;

Uэ — значение переменного напряжения на половине эмиттерной обмотки, В.

Для ленточных тороидальных сердечников величина Кст находится в пределах 0,9 - 0,95. У сердечников, набранных из обычных Ш-образных пластин, Кст= 0,75 -0,8.

Максимальная мощность, которая может быть снята с трансформатора, выполненного на данном сердечнике, определяется с помощью следующей формулы:

Величины I, Вт, Sст, Кст нам уже известны, а плотность тока в обмотках трансформатора (а) выбирают обычно в пределах 3-5 А/мм2.

nтР — коэффициент полезного действия трансформатора (для тороидальных сердечников т) = 0,9, для сердечников типа ШЛ n = 0,85 и для Ш-образных сердечников из обычной трансформаторной стали n = 0,75-0,8);

Sокна — сечение окна сердечника в см2;

Кмеди — коэффициент заполнения окна обмотками выбирают в пределах 0,2 - 0,25.

Следует указать, что оптимальная частота для преобразователя с трансформатором, выполненном на обычном сердечнике из трансформаторной стали, не должна превышать 200 - 250 Гц. В противном случае, тепловые

потери в сердечнике трансформатора резко возрастают, так что нагрев его может превысить допустимую величину. Заметим также, что при использовании сердечников с низкими электромагнитными параметрами увеличение частоты преобразователя приводит к искажению формы генерируемого напряжения и значительному снижению к. п. д. преобразователя. Для сердечников типа ШЛ оптимальная частота преобразователя лежит в пределах 250-300 Гц и для сердечников типа ОЛ — 600-700 Гц. Необходимо учитывать также, что с увеличением частоты преобразователя возрастают потери в полупроводниковых приборах и увеличивается ток потребления преобразователя.

В целях повышения надежности работы устройства желательно при расчете предусмотреть двухкратный запас по мощности у трансформатора преобразователя.

После выбора сердечника определяют намоточные данные трансформатора. Число витков половины эмит-терной обмотки (приходящихся на один транзистор) находим с помощью следующего выражения:

где Uэ =Umax —Uкэ;

Uкэ — падение напряжения на открытом транзисторе (напряжение насыщения) = 0,5 — 1 В. Если напряжение аккумуляторной батареи 12 В, Uц = 12 — 0,5=11,5 В. Остальные параметры нам также известны и могут быть использованы для расчета.

Далее определяем число витков в одном плече базовой обмотки:

Число витков повышающей обмотки находим с помощью выражения:

Затем определяем диаметр провода для всех обмоток трансформатора преобразователя. Для этого вначале находим амплитудное значение тока коллектора транзисторов Т1 и Т2.

где Pобщ = 20 Вт ;

nпр (к. п. д. преобразователя) = 0,7;

Umax=12В

Находим действующее значение тока в эмиттерной обмотке Tp1:

Если принять средний коэффициент усиления по току (Вст) для транзисторов Т1 и Т2 равным 10, то действующее значение тока в базовой обмотке можно определить с помощью следующего соотношения:

Далее находим диаметр провода для эмиттерной и базовой обмоток:

(б — плотность тока в обмотках трансформатора 3— 5 А/мм2). Затем, задавшись выходным напряжением преобразователя (400 В) при номинальной мощности 20 Вт, определяем действующее значение тока в повышающей обмотке Tp1 в схеме рис. 1:

Таким же образом определяем действующее значение тока в дополнительной повышающей обмотке Tpl в схеме рис. 2:

Далее находим диаметр провода для намотки повышающих обмоток:

Перед установкой транзисторов на теплоотводе нужно убедиться в их исправности. Желательно подобрать транзисторы с равными (или по возможности близкими) величинами обратных токов коллекторных переходов и коэффициентов усиления по току (Вст). Плоскость теплоотвода должна быть тщательно отшлифована, чтобы обеспечить надежное прилегание к поверхности транзисторов, которые закрепляют на теплоотводе с помощью четырех винтов с резьбой МЗ. Заметим, что в схемах на рис. 1 и 2 можно использовать любые мощные транзисторы (например, П213—217, П210 и пр.). Следует только учитывать допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора и мощность рассеяния. Суммарная мощность рассеяния, выделяющаяся на транзисторах 77 и Т2, находится в пределах 15 - 22 Вт. Поверхность пластинчатого охладителя (радиатора), используемого для установки транзисторов T1 и Т2, должна иметь площадь не менее 25 - 30 см2. При этом предельная температура для транзисторов преобразователя не будет превышать 60 - 70° С.

Все выпрямительные диоды перед установкой в схему блоков зажигания обязательно проверяют. При подключении диодов Д1—Д4 и Д10 к источнику постоянного напряжения 600 В ток утечки не должен превышать 10 мкА. Для проверки диодов Д5—Д8 в схеме на рис. 2 испытательное напряжение может быть снижено до 400 В.

Тиристоры Д5 и Д11 желательно проверить на напряжение и ток переключения. Для этого собирают схемы, приведенные на рис. 3,а и б. Затем постепенно увеличивая напряжение источника питания (например, с помощью автотрансформатора ЛАТР-1 или ЛАТР-2), проверяют указанные параметры тиристоров. Показания вольтметра В1 (рис. 3,а) в момент переключения тиристора Д5, скачком упадут до нуля, а миллиамперметр А1 при этом отметит резкое увеличение тока. Заметим, что тиристоры с напряжением переключения ниже 500 В в устройствах зажигания применять не следует. Точно также не рекомендуется использовать в схемах на рис. 1 и 2 тиристоры с током утечки более 1 мА (рис. 3,6). Такие тиристоры во время работы будут сильно перегреваться и быстро выйдут из строя. При проверке тиристоров нужно учесть, что у некоторых из них (например, у тиристоров типа КУ202Н) напряжение переключения может достигать 700 В, а ток утечки при рабочем напряжении 400—450 В не превышает нескольких десятков мкА.

Все постоянные резисторы, используемые в схемах на рис. 1 и 2, типа МЛТ-0,5 и МЛТ-2. В схеме на рис. 1 конденсатор С1 — электролитический, типа К.50-6, С2 — типа МБГО на номинальное напряжение 400 В, СЗ — металлобумажный, МБМ. В схеме на рис. 2 конденсатор С1 — электролитический типа К50-6, С2 — три параллельно включенных конденсатора типа К50-6 100,0X25 В, СЗ — МБГО на номинальное напряжение 600 В, С4 — металлобумажный, МБМ.

Дроссель Др1 (рис. 2) выполнен на сердечнике КД-ТД-4 (ШЛ 16X20). Обмотка его содержит 120 витков провода ПЭВ-2 1,0. Электромагнитное реле Р1 (рис. 2) типа РЭС-9 (паспорт № РС4.524.203).

Основанием блока зажигания, выполненного по схеме на рис. 1, служит дюралюминиевая пластина размером 160X70X6 мм. Транзисторы 77 и Т2 укреплены

на дюралюминиевой пластине размером 70 X 45 X 6 мм. Ее устанавливают на расстоянии 50 мм от края пластины-основания и закрепляют в вертикальном положении с помощью двух винтов с резьбой М4. На верхней торцевой части этой пластины закрепляют тремя винтами с резьбой МЗ свободный от деталей край верхней платы колончатого модуля, объединяющего почти все мелкие схемные детали блока зажигания (исключая трансформатор Tp1, накопительный конденсатор С2, транзисторы T1 и Т2 и тиристор Д5). Все детали, подлежащие монтажу в модуле, располагают в указанном на рис. 4 порядке между верхней и нижней платами модуля, установленными на расстоянии 35 мм друг от друга. Схема соединительных перемычек на платах модуля приведена на рис. 5,а и б. Отметим, что качество монтажа и надежность всех паек в модуле должны быть безупречными, так как иначе он быстро выйдет из строя при работе на автомобиле. Платы модуля могут быть выполнены способом печатного монтажа из фольгированного стеклотекстолита или гетинакса. Однако практика показала, что значительно более надежными в эксплуатации оказались объемные модули с навесными деталями, установленными на монтажных лепестках или пистонах. Для монтажа лучше всего использовать медный посеребренный провод диаметром 0,5—0,75 мм.

Закрепив объемный модуль на радиаторе транзисторов T1 и Т2, рядом с ним на пластине-основании устанавливают трансформатор Tp1. С другой стороны модуля располагают накопительный конденсатор С2 и тиристор Д5, который закрепляют на основании с помощью небольшого медного или латунного угольника, выполняющего также роль дополнительного теплоотвода для тиристора. Корпус тиристора изолируют с помощью двух слюдяных шайб толщиной 0,05—0,1 мм и проходной фторопластовой втулки, надетой на крепежный винт.

Блок зажигания, выполненный по схеме рис. 1, помещают в защитный металлический кожух размером 155X80X75 мм. Его можно изготовить из листового дюралюминия толщиной 1,5—2,0 мм или стального листа толщиной 1,0 мм. Для лучшей герметизации рекомендуется проложить резиновую окантовку между основанием и кожухом блока.

Правильно собранный блок зажигания, особенно при тщательной проверке всех устанавливаемых в схему деталей, обычно в дополнительной наладке не нуждается. Если устройство зажигания переходит в режим непрерывной генерации и не управляется контактами прерывателя, то либо в нем применен тиристор с низким напряжением переключения, либо пробит диод Д9. Иногда это явление может наблюдаться из-за недостаточной емкости конденсатора С1 и неисправности диода Д6. Если транзисторы T1 и Т2 заведомо исправны, а генерации все же нет, то для выявления причины неисправности преобразователя напряжения отключают вначале от повышающей обмотки трансформатора Tpl конденсатор С2, затем тиристор Д5 и выпрямительный мост Д1—Д4 и заменяют неисправные детали. В тех случаях, когда работа преобразователя сопровождается хриплым или шипящим звуком, проверяют исправность диодов Д1—Д4 и транзисторов T1—Т2. Причиной неисправности накопительного конденсатора С2 может явиться замыкание одного из выводов на корпус или пробой между обкладками конденсатора. В случае неисправности тиристора Д5 прежде всего нужно убедиться в целости слюдяных шайб и проходной втулки, изолирующих корпус тиристора от крепежного угольника. Если изоляция не повреждена и сам тиристор исправен, а генерации все же нет даже при отключении повышающей обмотки Tpl от всех перечисленных деталей, то причину неисправности следует искать в самом трансформаторе преобразователя напряжения (неправильное включение, обрыв или межвитковые замыкания в обмотках).

Отсутствие новообразования при размыкании контактов прерывателя указывает на то, что цепь управления тиристором разомкнута (например, при повреждении диода Д9).

При проверке устройства зажигания вне автомобиля следует обязательно соединить корпус катушки зажигания с корпусом электронного блока, так как в противном случае может произойти пробой катушки и повреждение деталей электронного блока.

При монтаже блока зажигания на автомобиле его устанавливают под капотом по возможности дальше от выпускного коллектора двигателя и закрепляют с помощью четырех винтов с резьбой М5 или М6. Температура в месте установки блока не должна превышать + 70° С, иначе надежность работы устройства зажигания снижается из-за сильного перегрева полупроводниковых приборов.

Для подключения устройства зажигания к бортсети автомобиля лучше всего воспользоваться каким-либо подходящим штепсельным разъемом (например, типа РШАБПБ-14), как это показано на рис. 6. При этом

обеспечивается быстрый переход от одного вида зажигания к другому. Для этого достаточно изменить положение вилки в гнезде разъема на 180°, как это показано на рис. 6 (“ОЗ” — обычное зажигание, “ТЗ” — тиристорное зажигание). Кроме того, вилка может служить “ключом” противоугонного устройства — если вынуть ее из гнезда, то обе системы зажигания окажутся отключенными. Не зная схемы “ключа”, запустить двигатель будет затруднительно, так как помимо указанных на рис. 6, возможно множество других вариантов расположения перемычек в вилке.

В случае использования блока зажигания на автомобилях с 6-вольтовой аккумуляторной батареей необходимо помимо пересчета намоточных данных трансформатора преобразователя напряжения также скорректировать величину сопротивления резисторов R1—R2 и R3—R4 (делители напряжения в цепях баз транзисторов Т1—Т2).

ВРЛ