Из чего состоит транзисторный коммутатор

Обновлено: 23.01.2025

Однако, механические (контактные) коммутаторы имели ряд существенных недостатков, которые по мере развития и совершенствования автомобильных двигателей проявлялись все отчетливее. Контакты имели склонность к подгоранию, требовали систематической чистки и регулировки зазора, и не могли «похвастать» стабильностью создаваемого импульса по величине и продолжительности.
Кроме того, они обладали заметной инертностью, как и все механические устройства, что ограничивало возможности высокооборотистых двигателей, а недостаточно продолжительная и мощная искра была камнем преткновения для увеличения степени сжатия.
Тем не менее, такие системы зажигания длительное время использовались в автомобилях, и только появление и совершенствование полупроводниковых приборов позволило конструкторам совершить своеобразную революцию в способе коммутации управляющих импульсов.

На первых порах от использования механических контактов прерывателя конструкторы не отказались, но решили проблему с их электрической нагрузкой, приводящей к подгоранию. Через контакты прерывателя пропускался слабый ток управления, который подавался на базу мощного транзистора, служащего усилителем сигнала, поступающего в первичную цепь катушки зажигания.
Так появились контактно-транзисторные системы зажигания, и первые полупроводниковые коммутаторы. Впоследствии конструкторы систем зажигания отказались от механических контактов, использовав для формирования маломощного импульса различные магнитоэлектрические датчики, а также датчики, работающие на эффекте Холла.
Усовершенствование этих устройств продолжается и в настоящее время, при этом современные коммутаторы автомобильных систем зажигания совершенно отличаются от своих механических и даже транзисторных «предков».

Применение полупроводниковых и микропроцессорных коммутаторов в контактно-транзисторных или бесконтактных системах зажигания позволяет получить следующие преимущества:

• уменьшается ток, протекающий по контактам прерывателя, вследствие чего они практически перестают подгорать (для контактно-транзисторной системы зажигания);
• увеличивается длительность подачи искры, что гарантирует эффективное воспламенение рабочей смеси в цилиндрах двигателя;
• появляется возможность существенного увеличения степени сжатия в цилиндрах двигателя, а также частоты вращения коленчатого вала без ущерба для надежности искрообразования.

В целом увеличивается надежность работы системы зажигания и снижается трудоемкость ее технического обслуживания.

Выпускаемые коммутаторы контактно-транзисторных и бесконтактных систем зажигания делятся на три группы:

• коммутаторы на дискретных полупроводниковых компонентах с использованием корпусных интегральных микросхем, установленных на печатных платах;
• коммутаторы, выполненные по толстопленочной технологии с применением стандартных бескорпусных и дискретных компонентов;
• коммутаторы, изготовленные по гибридной технологии с использованием специальной твердотельной микросхемы, на которой реализуются основные функциональные узлы коммутатора.

Коммутаторы для контактно-транзисторных систем зажигания

Коммутаторы контактно-транзисторных систем и коммутаторы с постоянной скважностью импульсов выходного тока для бесконтактных систем зажигания функционально просты и содержат небольшое количество полупроводниковых компонентов (как правило, не более четырех транзисторов). Они относятся к первой группе. Их основой служит литой алюминиевый корпус, имеющий ребристую наружную поверхность для улучшения теплоотдачи.
Внутри корпуса расположены все элементы коммутатора за исключением выходного транзистора, который монтируется на корпусе в специальном кармане.

Для многих типов транзисторов (например, n-p-n) необходима изоляция от корпуса коммутатора, поэтому они монтируются через специальную прокладку. Для снижения теплового сопротивления перехода между корпусом коммутатора и прокладкой наносят теплопроводные пасты, благодаря чему охлаждение выходного транзистора более интенсивно.
Для подключения коммутатора к бортовой сети автомобиля и к элементам системы зажигания используется клеммная колодка.

Коммутатор ТК102

На рис. 1 показан коммутатор ТК102, относящийся к первой группе, который предназначен для работы в контактно-транзисторной системе зажигания автомобилей с восьмицилиндровыми двигателями, но может быть использован для работы с любым классическим распределителем зажигания. В качестве нагрузки используется катушка Б114 (W₂/W₁ = 235; L1 = 3,7 мГн; R1 = 0,42 Ом).
Для ограничения первичного тока используется добавочное сопротивление СЭ107 (1,04 Ом). Коммутатор ТК102 имеет один мощный германиевый транзистор ГТ701А (VT1), стабилитрон Д817В (VD2) и диод Д7Ж (VD1), служащие для защиты от перенапряжения силового транзистора VT1.
Дроссель L1 и резистор R1 предназначены для ускорения процесса запирания транзистора VT1, конденсатор С1 первичного контура возбуждения катушки зажигания и конденсатор С2 служат для защиты компонентов схемы коммутатора от скачков напряжения в бортовой сети автомобиля.
В случае отказа коммутатора (например, при выходе из строя транзистора) можно перекинуть провода в стандартное положение, и двигатель продолжит работать, что позволит водителю добраться до места ремонта.

Коммутаторы для бесконтактных систем зажигания

Коммутаторы этого типа используются в системах зажигания, где для формирования импульса управления током первичной цепи катушки зажигания используются не механически управляемые контакты, а магнитоэлектрические датчики.

Электронные коммутаторы бесконтактных систем зажигания выполняют следующие функции:

• формирование выходного токового импульса необходимой амплитуды и продолжительности, подаваемого к первичной обмотке катушки (или катушек) зажигания для обеспечения заданного уровня высокого напряжения и энергии искры;
• обеспечение момента искрообразования в соответствии с заданным фронтом управляющего импульса, поступающего на вход коммутатора;
• стабилизация параметров выходного токового импульса при колебаниях напряжения бортовой сети автомобиля и воздействии внешних факторов.

Различные коммутаторы могут выполнять и дополнительные функции:

• стабилизация питания и защита от импульсов перенапряжения в бортовой сети автомобиля в аномальных режимах микропереключателя, работающего на эффекте Холла;
• ограничение амплитуды импульса вторичного напряжения в аномальных режимах (например, в режиме открытой цепи);
• предотвращение протекания первичного тока через первичную обмотку катушки зажигания при включенном замке зажигания и неработающем двигателе.

На входные клеммы коммутатора поступают импульсы управления, формируемые бесконтактным датчиком углового положения коленчатого вала двигателя или электронным регулятором напряжения – коллектором.
Выходом (нагрузкой) коммутатора является первичная обмотка катушки (или катушек) зажигания. В случае, когда коммутатор обслуживает две или несколько катушек, он выполняет функцию распределителя высоковольтных импульсов по цилиндрам двигателя.

Многочисленные коммутаторы бесконтактных систем зажигания можно разделить на две группы:

• коммутаторы с постоянной скважностью выходного первичного импульса тока (скважность – отношение периода следования импульсов к их длительности), не зависящей от частоты вращения коленчатого вала двигателя;
• коммутаторы с нормируемой скважностью выходного импульса тока.

Общим для обеих групп коммутаторов является наличие в выходной цепи мощного выходного транзистора, способного коммутировать токи амплитудой до 10 А в индуктивной нагрузке коллектора.

Коммутатор 13.3734

Примером коммутаторов для бесконтактных систем зажигания может служить коммутатор 13.3734, разработанный на базе первого серийного отечественного коммутатора ТК200 «Искра». Коммутатор предназначен для совместной работы с бесконтактным магнитоэлектрическим датчиком, катушкой зажигания Б116 и добавочным сопротивлением 14.379.

Коммутатор 13.3734 (рис. 2) содержит выходной резистор VT3 (КТ848А), каскад предварительного усиления на транзисторе VT2 (КТ630Б) и резисторе R7, формирователь сигнала датчика на транзисторе VT1 (КТ630Б) и элементах R1-R8, С1, VD1, VD2.

Между выходом и входом коммутатора имеется положительная обратная связь (R10, С7), обеспечивающая стабильную работу коммутатора на пусковых частотах вращения валика распределителя (20…30 об/мин). Цепь R3-С1 служит для уменьшения электрического смещения момента зажигания в зависимости от частоты вращения вала датчика.

Коммутатор содержит также элементы схемы (С2-С4, VD3, VD4, R8) и цепи защиты выходного транзистора (С5, С6, R9). Коммутатор выполнен на печатной плате, на которой смонтированы маломощные элементы схемы. Плата установлена в оребренный литой дюралюминиевый корпус, где размещены силовые элементы.

Коммутаторы с нормируемой скважностью импульсов выходного тока

Коммутатор 36.3734

Первый отечественный коммутатор 36.3734 с нормируемой скважностью импульсов выходного тока, применяемый на автомобиле ВАЗ-2108, выполнен также по дискретной технологии и предназначен для работы с бесконтактным датчиком, работающим на эффекте Холла.
В качестве нагрузки используется катушка зажигания 27.3705 (W₂/W₁ = 85; L1 = 3,8 мГн; R1 = 0,5 Ом).

В коммутаторе 36.3734 реализовано программное регулирование времени накопления энергии в первичной обмотке катушки зажигания, активное ограничение уровня первичного тока (8…9 А), ограничение амплитуды импульса первичного напряжения (350…380 В), безыскровое отключение первичного тока при остановленном двигателе (Т_откл = 1,53 с). Последнее предназначено для плавного запирания коммутационного транзистора для предотвращения искрообразования при остановке двигателя, когда катушка зажигания осталась под током.

В коммутаторе 36.3734 функциональные основные узлы выполнены на операционных усилителях DA1.1-DA1.4, которые являются компонентами микросхемы К1401УД1.
На базе усилителей DA12 и DA13 реализованы интегратор и компаратор (нормирование скважности импульсов) выходного тока. На усилителе DA1.1 собрана схема безыскрового отключения тока, на усилителе DA1.4 – компаратор ограничения амплитуды выходного тока. В качестве выходного транзистора применен транзистор Дарлингтона КТ848А.
Конструктивно коммутатор представляет собой печатную плату, на которой размещены радиокомпоненты схемы, за исключением выходного транзистора VT4, защитного диода VD7 и стабилитрона VD4 ограничителя напряжения питания, которые смонтированы на корпусе коммутатора.
Для подключения коммутатора к бесконтактному датчику Холла, к катушке зажигания и источнику питания используется съемно-контактный разъем.

Коммутатор 42.3734

Электрическая схема дискретного двухканального коммутатора 42.3734 разработана на основе электрической схемы коммутатора 36.3734. Основное различие заключается в наличии двух выходных каскадов (VT4, VT6 и VT5, VT7), управляющих работой выходных транзисторов VT8 и VT9. В свою очередь выходные каскады управления каналов коммутатора посредством ключевого каскада на транзисторе VT2 (КТ342А).
Схема коммутатора также снабжена устройством формирования сигнала для управления тахометром (VD14, VD15, R53, R54).

Коммутатор 42.3734 выполнен на двух печатных платах (рис. 3): плате управления А1, на которой размещена операционная часть коммутатора, и силовой плате А2 с элементами выходных каскадов и выходными транзисторами. Причем последние смонтированы на дополнительном теплоотводе. Платы установлены в корпусе одна над другой.

Достоинства и недостатки различных типов коммутаторов

К недостаткам коммутаторов первой группы можно отнести большие габаритные размеры и массу, а также при крупносерийном производстве низкую технологичность и недостаточную надежность в связи с большим числом радиокомпонентов.

Существенного снижения массогабаритных показателей можно добиться при изготовлении коммутаторов по толстопленочной технологии с применением стандартных бескорпусных компонентов. Однако такая технология является относительно дорогой и трудоемкой, поэтому не нашла широкого применения в промышленном крупносерийном производстве коммутаторов.

Наилучшими показателями с точки зрения трудоемкости и технологичности производства, а также надежности обладают коммутаторы третьей группы, которые содержат специальную микросхему, где размещаются основные функциональные узлы: схема нормирования скважности с адаптацией по уровню выходного тока, схема безыскрового отключения тока, устройство ограничения тока и др. По гибридной толстопленочной технологии выполняется силовая часть схемы коммутатора с элементами защиты от импульсных перегрузок по цепи питания. Примером использования этой технологии может служить коммутатор 0.227.100.103 фирмы «Бош» (Германия), схема которого приведена на рис. 4.

В схему входят следующие элементы: бескорпусной выходной транзистор VT1; специализированная микросхема DA1 (МА 7355) с миниатюрными навесными конденсаторами С2-С5, выполняющая основные функции коммутатора; корпусные диод VD1, стабилитрон VD2, миниатюрный конденсатор С1 и толстопленочные резисторы R3, R4, выполняющие функции защиты от импульсных перенапряжений в бортовой сети и перепутывания полярности аккумуляторной батареи.

Также имеются толстопленочные резисторы, служащие для изменения и подстройки требуемых уровней первичного тока (R6, R7, R10) и первичного напряжения (R8, R9). Цепь защиты выходного транзистора выполнена на дискретных элементах С7 и R11.

Налажен выпуск аналогичных коммутаторов, выполненных в виде большой гибридной интегральной схемы (БГИС), представляющей собой толстопленочную микросборку операционной части и микросборку силовой части коммутатора, смонтированные на медном основании СА из полимерного материала. Причем корпус выполнен заодно с семиштырьковым разъемом. Корпус герметизируется приклеиваемой крышкой. Подложками толстопленочных сборок служит алюмооксидная керамика (Al₂O₃).
Внешний вид одноканального и двухканального коммутаторов показан на рис. 5.

По мере развития цифровой и микропроцессорной техники и разработки комплексных систем управления двигателем транзисторный коммутатор, сохраняя свое функциональное назначение, в конструктивном плане может не иметь очертания самостоятельного изделия, объединяясь в единую конструкцию с цифровым контроллером. Следующим шагом на пути интеграции электронного блока является передача функции нормирования скважности импульса выходного тока в схему контроллера. В этом случае модуль коммутатора реализует функции распределения высоковольтных импульсов, ограничения тока и первичного напряжения, выдачи сигнала обратной связи об уровне тока в катушке зажигания.

Контроллеры

Выпускаются контроллеры серии МС2715.03 для легковых автомобилей ВАЗ-21083 и МС2713.01 для грузовых автомобилей ЗИЛ-4314, предназначенные для управления углом опережения зажигания по оптимальной характеристике регулирования на основе информации от датчиков начала отсчета, частоты вращения коленчатого вала двигателя, разрежения в задроссельном пространстве карбюратора (или впускном трубопроводе инжекторного двигателя) и температуры охлаждающей жидкости.

Контроллеры осуществляют также управление электроклапаном экономайзера принудительного холостого хода (ЭПХХ). Контроллер МС2715.03 для легковых автомобилей с четырехтактным четырехцилиндровым двигателем вырабатывает сигнал «Выбор канала» для обеспечения функции статического распределения энергии по цилиндрам двигателя.

Структурная схема контроллера приведена на рис. 6. На выводы контроллера поступают сигналы датчика начала отсчета (НО), датчика угловых импульсов (УИ), датчика частоты вращения коленчатого вала (КВ), датчика разрежения (Р), датчика температуры охлаждающей жидкости (Т_охл).

После обработки сигналов датчиков в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) информация о параметрах двигателя в виде цифровых кодов поступает в процессор, который производит вычисление частоты вращения коленчатого вала двигателя, разрежения, температуры, углового положения коленчатого вала двигателя и на основании этих данных вычисляет угол опережения зажигания в соответствии с картой углов опережения зажигания двигателя, которая хранится в памяти процессора.
Синхронизация работы контроллера с работой двигателя и формирование сигнала «Выбор канала» производится посредством импульсов датчика НО. Выходные сигналы процессора управляют работой формирователей импульса зажигания (ФИЗ) и выбора канала усилителя ЭПХХ. Сигналы ФИЗ и ВК непосредственно управляют работой двухканального коммутатора.

Транзистор - это трехэлектродный прибор, изменяющий сопротивление от нескольких сот омов (транзистор закрыт) до нескольких долей ома (транзистор открыт).

Имея малое сопротивление во включенном состоянии и очень большое сопротивление в выключенном состоянии, транзистор вполне удовлетворяет требованиям предъявляемым к переключающим элементам. В контактно-транзисторной системе зажигания транзистор работает в режиме переключения (режим ключа).

Устройство контактно транзисторной системы ЗИЛ-130

Схема устройства контактно-транзисторной системы зажигания двигателя ЗИЛ-130 (стрелками указана цепь высокого напряжения) :

а – расположение выводов на транзисторном коммутаторе ; б – общая схема системы зажигания ; 1 – транзисторный коммутатор ТК 102 ; 2 - резисторы ; 3 – блок защиты транзистора ; 4 – первичная обмотка ; 5 – катушка зажигания ; 6 – вторичная обмотка ; 7 – свечи зажигания ; 8 - крышка ; 9 – ротор с электродом ; 10 – распределитель зажигания ; 11 – подвижный контакт ; 12 – неподвижный контакт ; 13 – кулачок прерывателя ; 14 – добавочные резисторы СЭ 117 ; 15 – выключатель добавочного резистора ; 16 - АКБ ; 17 – выключатель зажигания ; 18 - стабилитрон ; 19 - диод ; 20 – импульсный трансформатор ; 21 – германиевый транзистор ; К, Б, Э – электроды транзистора (коллектор, база, эмиттер).

Контактно транзисторная система ЗИЛ-130 состоит из транзисторного коммутатора1, катушки зажигания 5, свечей зажигания 7, распределителя 10, добавочных резисторов 14, выключателя 15 добавочного резистора, АКБ 16 и выключателя зажигания 17.

Катушка зажигания Б114 – маслонаполненная, выполнена по трансформаторной схеме, т.е. ее первичная и вторичная обмотки не соединены между собой и между ними существует только магнитная связь. Первичная обмотка катушки зажигания имеет два вывода, расположенные на карболитовой крышке. Один вывод обозначен буквой К, другой не имеет обозначения. Один вывод вторичной обмотки присоединен к корпусу, а другой соединен с проводом высокого напряжения, укрепленным в центральном отверстии крышки катушки зажигания. При установке катушки зажигания ее надежно соединяют с массой так, чтобы не было зазоров.

Добавочные резисторы СЭ 107 , выполненные в виде двух спиралей, установлены в отдельном кожухе и имеют три вывода : ВК-Б, ВК и К. Спирали изготовлены из константановой проволоки, сопротивление которой при нагреве не изменяется, и в первичной обмотке катушки зажигания поддерживается постоянное напряжение.

Транзисторный коммутатор ТК 102 состоит из транзистора 21, импульсного трансформатора 20 и блока 3 защиты транзистора. В блок защиты входят резисторы 2, диод 19, стабилитрон 18 и конденсатор.

Все приборы коммутатора размещены в алюминиевом корпусе, имеющем ребра для лучшего отвода теплоты. У транзисторного коммутатора есть четыре вывода, обозначенные М, К, Р, и один без обозначения. Вывод М надежно соединяют с массой автомобиля многожильным неизолированным проводом, вывод К с концом первичной обмотки катушки зажигания, вывод без обозначения – со вторым концом первичной обмотки катушки зажигания, Р с подвижным контактом прерывателя.

Как работает контактно-транзисторная система зажигания?

Если выключатель зажигания 17 включен, а контакты прерывателя разомкнуты, то транзистор 21 заперт, так как нет тока в его цепи управления, т.е. в переходе эмиттер – база. Ток не проходит и между эмиттером и коллектором на массу, так как сопротивление этого перехода очень большое. При замыкании контактов прерывателя в цепи управления транзистора (эмиттер-база) проходит ток, в результате транзистор открывается. Сила тока управления невелика около (0,8 А) и уменьшается до 0,3 А с увеличением частоты вращения кулачка прерывателя. В контактно-транзисторной системе зажигания имеются две цепи низкого напряжения : цепь управления транзистора и цепь рабочего тока.

Цепь управления транзистора : положительный вывод АКБ 16 – выключатель зажигания 17 – выводы ВК-Б и К добавочных резисторов 14 – первичная обмотка 4 катушки зажигания 5 – вывод транзисторного коммутатора 1 – электроды перехода эмиттер – база транзистора 21 – первичная обмотка импульсного трансформатора 20 – вывод Р – контакты 11 и 12 прерывателя – масса – отрицательный вывод АКБ. При прохождении тока управления транзистора через переход эмиттер-база значительно уменьшается сопротивление эмиттер-коллектор, и транзистор открывается, включая цепь рабочего тока (7-8 А).

Цепь рабочего тока низкого напряжения

Положительный вывод АКБ 16 – выключатель зажигания 17 – выводы ВК-Б и К добавочных резисторов 14 – первичная обмотка 4 катушки зажигания 5 – вывод транзисторного коммутатора 1 – электроды перехода эмиттер-коллектор транзистора 21 – вывод М – масса – отрицательный вывод АКБ. При размыкании контактов прерывателя прекращается ток в цепи управления транзистора и значительно возрастает его сопротивление. Транзистор закрывается, выключая цепь рабочего тока низкого напряжения. Магнитный поток изменяющегося поля пересекает витки катушки зажигания, индуктируя во вторичной обмотке ЭДС, в результате чего возникает высокое напряжение (около 30000 В), а в первичной обмотке ЭДС самоиндукции (около 80-100 В).

Цепь высокого напряжения

Вторичная обмотка 6 катушки зажигания 5 ротор 9 распределителя 10 – свечи зажигания 7 ( в соответствии с порядком работы двигателя) – масса – вторичная обмотка 6 катушки зажигания 5.

Импульсный трансформатор необходим для быстрого запирания транзистора. При размыкании контактов прерывателя во вторичной обмотке импульсного трансформатора индуктируется ЭДС самоиндукции, направление которой противоположно направлению рабочего тока на переходе база-эмиттер. Благодаря этому быстро исчезает магнитное поле и ток в первичной обмотке 4 катушки зажигания 5. Диод 19 и стабилитрон 18 в прямом направлении – мимо первичной обмотки катушки зажигания.

Необходимо помнить, что контакты прерывателя пропускают и прерывают только силу тока управления транзистора 0,3-0,8 А. Если на них попало масло, образовалась масляная пленка или слой окиси, то ток управления транзистора не сможет пройти через контакты. Поэтому контакты прерывателя промывают бензином и следят за тем, чтобы они всегда были чистыми.

Коммутаторы в системе зажигания автомобилей используются уже очень давно. Первые из них, буквально, состояли из двух проводов и батареи напряжения. Сегодня, это высокотехнологический узел одной из главных систем автомобильного устройства. Переоценить значение его работы крайне сложно, ведь благодаря эволюции именно этого устройства, удалось достигнуть максимальных показателей сжигания воздухо-горючих смесей.

Работа контактно-транзисторной системы зажигания

Другими словами, применение современного коммутатора системы зажигания, позволяет использовать на автомобилях бензин низкооктановых марок, и увеличивает отдачу двигателя на невысоких оборотах.

Что такое коммутатор системы зажигания

Если говорить просто, то под коммутатором системы зажигания, подразумевается несложная электрическая схема, которая стоит на пути электрического заряда между катушкой зажигания и свечой, которая воспламеняет смесь воздуха и бензина в котлах. В чем смысл, назначение и принцип работы этого устройства системы зажигания? Отвечая на этот вопрос, стоит понимать, что существует два типа прерывающих устройств:

Устройство Шокли часто называют тем, что его работа требует, чтобы отрицательно заряженные электроны и их положительно заряженные аналоги сосуществовали ненадолго в присутствии друг друга. Эти три были в конечном итоге присуждены за физическое изобретение. Изготовление их надежно и с равномерными рабочими характеристиками оказалось сложной проблемой, в основном из-за трудно управляемых изменений в точечных контактах металл-полупроводник. Шокли предвидел эти трудности в процессе зарождения транзитного транзистора, который, по его мнению, будет намного легче производить.

1. Коммутаторы механического прерывания. Такими электрическими узлами оснащались практически все машины Советского союза, вплоть, до 1988 года. На то время это были практичные, но крайне ненадежные контактные выключатели. Принцип их работы основывался на законах самоиндукции, и приводился в действие механическим прерывателем. Последний, размыкал первичную цепь низкого напряжения, вследствие чего во вторичных цепях трансформатора возникал электромагнитный импульс, который преобразовывался в электрическую искру, и передавался на свечу зажигания. Для того чтобы обезопасить контакты коммутатора системы зажигания в цепь включался конденсатор.
2. Коммутаторы бесконтактного действия, или как их еще называют, транзисторные. Принципиально их схема работы аналогична предшественникам, отличается сам механизм исполнения работы. Так, в отличие от контактных выключателей, бесконтактники осуществляют прерывание тока в электрических цепях за счет входного транзистора, который служит шлюзом для потока электроэнергии. На самых последних моделях автомобилей устанавливаются коммутаторы, которые полностью контролируются электроникой.

При этом последние, явно выигрывают у первых, и с большим преимуществом.

И это то, что вам нужно для логических приложений. Из-за его более высокой температуры плавления и большей реакционной способности кремний был гораздо труднее работать с германием, но он предлагал большие перспективы для повышения производительности, особенно при переключении приложений. Гермиевые транзисторы создают герметичные переключатели; существенные токи утечки могут протекать, когда эти устройства предположительно находятся в выключенном состоянии. У кремниевых транзисторов гораздо меньше утечек.

Внутри диффузионной печи примесные атомы легче проникают в поверхность кремния или германия; их глубина проникновения регулируется изменением плотности, температуры и давления газа, а также временем обработки. Впервые диоды и транзисторы, создаваемые этими процессами диффузионной имплантации, функционировали на частотах выше 100 мегагерц.

Так, например, при использовании транзисторного коммутатора для бесконтактной системы зажигания:

• уменьшается ток, который проходит по контактам прерывателя, вследствие чего они перестают обгорать и залипать;
• далее, увеличивается длительность подачи искры, что автоматически гарантирует лучшее воспламенение, и более эффективное выгорание горючих смесей;
• в случае если по каким-то причинам вышел из строя транзистор, всегда можно перекинуть провода в стандартное положение, и автомобиль продолжит работать.

Транзисторные коммутаторы

В реальной контактно-транзисторной системе зажигания вместо транзистора 2 (см. рис. 3.10) применяется транзисторный комму­татор,

в котором, кроме транзистора, имеется ряд элементов, слу­жащих для защиты транзистора от перенапряжений и улучшения условий его переключения. Основной функцией транзисторного коммутатора является своевременное замыкание и размыкание пер­вичной цепи катушки зажигания.

Одним из таких коммутаторов является коммутатор ТК102 (рис.3.11). Система зажигания с этим коммутатором работает ана­логично рассмотренной ранее. Отличия вызваны наличием дополни­тельных элементов для управления транзистором. Импульсный трансформатор ИТ обеспечивает ускорение закрывания транзистора. Резистор R

служит для формирования запирающего импуль­са. Диод
VD1
препятствует прохождению через стабилитрон тока от аккумуляторной батареи. Стабилитрон
VD2
ограничивает на­пряжение, предотвращая пробой транзистора. Конденсатор С1 сни­жает потери мощности в транзисторе в период его запирания и, следовательно, уменьшает нагрев транзистора. Добавочный резис­тор выполнен из двух секций
R1
и
R2.
Секция
R2
постоянно вклю­чена в цепь первичной обмотки катушки зажигания. Секция
R1
при пуске закорачивается. Это необходимо из-за снижения напряжения аккумуляторной батареи при питании стартера

Рис. 3.11. Принципиальная схема контактно-транзисторной системы зажигания с транзисторным коммутатором ТК102

Контроллеры

Для управления углом опережения зажигания в зависимости от ря­да параметров двигателя (углового положения и частоты вращения ко­ленчатого вала, разрежения в околодроссельном пространстве кар­бюратора, температуры охлаждающей жидкости и др.), для управления электроклапаном экономайзера принудительного холостого хода (ЭПХХ), для управления накоплением энергии в катушке зажигания используются специальные электронные устройства — контроллеры.

На вход контроллеров подается информация с датчиков начала отсчета, частоты вращения, разрежения в околодросселъном пространстве и тем­пературы охлаждающей жидкости. Конструктивно контроллер может быть выполнен автономно или в едином блоке с транзисторным комму­татором. Перспективное направление развития контроллеров связано с применением микропроцессоров и микроЭВМ. Эти устройства спо­собны быстро анализировать большой объем информации и, следо­вательно, эффективно управлять не только системой зажигания, но и другими системами, влияющими на работу автомобиля в целом.

3.4.2. Системы зажигания с накоплением энергии в емкости (тиристорные системы зажигания)

Системы зажигания с накоплением энергии в емкости делятся на системы зажигания с импульсным накоплением энергии и системы зажигания с непрерывным накоплением энергии.

Система зажигания с импульсным накоплением энергии

пред­ставлена на рис. 3.12. На выходе преобразователя постоянного на­пряжения в импульсное напряжение (ПН) формируется импульсное напряжение с амплитудой 200-300 В. Оно подается через диод
VD1
на накопительный конденсатор С1. Система работает в циклическом режиме. Рабочий цикл можно разбить на три этапа.

Рис. 3.12. Система зажигания с импульсным накоплением энергии в емкости

Этот этап начинается в момент размыкания контактов прерывателя (по сигналу с регулятора момента зажигания). При этом одновременно начинаются два процесса: процесс накопления энергии в ПН и процесс искрообразования. Образование искры происходит, потому что по сигналу с устройства управления открывается тиристор
VS1
и через него на свечу зажигания подается вы­сокое напряжение с накопительного конденсатора С1. Энергия, на­ капливаемая в ПН, измеряется измерительным устройством. Информация о количестве этой энергии подается с измерительного устройства на устройство управления. Когда в ПН накапливается достаточное количество энергии, устройство управления подает сиг­нал на ПН, по которому начинается второй этап рабочего цикла.

На этом этапе энергия, накопленная в ПН, сбрасывается в накопительный конденсатор (импульсное накопление энергии).

На этом этапе происходит хранение энергии в накопительном конденсаторе С1. Для предотвращения утечки энергии в цепь питания конденсатора включен диод VD1.

Следует отметить, что в многоискровых системах зажигания по сигналу с регулятора момента зажигания реализуется сначала не­сколько двухэтапных циклов (оптимально — два цикла), состоящих только из первого и второго этапов, а затем один полный, трехэтапный, цикл. Система зажигания с непрерывным накоплением энергии

пред­ставлена на рис.3.13. Данная система работает следующим образом. Преобразователь напряжения преобразует напряжение аккумуля­торной батареи 12 В в высокое напряжение 300-400 В. В нако­пительном конденсаторе С1 накапливается энергия искрообразова­ния. При замыкании контактов прерывателя (или по соответст­вующему сигналу с регулятора момента зажигания) устройство уп­равления формирует сигнал, по которому электронный коммутатор подключает накопительный конденсатор к выходу ПН, где имеется высокое напряжение 300-400 В. Конденсатор заряжается до этого напряжения. В момент размыкания контактов прерывателя уст­ройство управления формирует сигнал, по которому электронный коммутатор подключает накопительный конденсатор к первичной обмотке катушки зажигания. В контуре, образованном конденса­тором
d
и первичной обмоткой катушки зажигания, возникают за­тухающие синусоидальные колебания. Амплитуда напряжения пер­вой полуволны этих колебаний близка к напряжению заряда накопительного конденсатора. При этом во вторичной обмотке катушки за­жигания индуцируется высокое напряжение, достигающее 20-30 кВ.

Рис. 3.13. Система зажигания с непрерывным накоплением энергии в емкости

Системы зажигания с накоплением в емкости имеют перед систе­мами зажигания с накоплением в индуктивности ряд преимуществ: 1) меньшее потребление энергии при хранении энергии в накопите­ле; 2) более крутое нарастание вторичного напряжения, а значит, меньшее рассеяние из-за утечки тока во вторичной цепи.

Основными недостатками систем зажигания с накоплением в ем­кости являются: 1) небольшая длительность искры; 2) наведение мощных радиопомех. Первый недостаток устраняется использовани­ем дополнительных источников энергии для поддержания искры (аккумуляторная батарея, автомобильный генератор, дополнитель­ные накопительные конденсаторы). Второй недостаток частично устраняется сокращением длины проводов во вторичной цепи, при­менением помехоподавительных резисторов, экранированием.

Похожие статьи:

Ремонт и замена коммутатора

Рано или поздно, как и любой механизм, коммутаторы системы зажигания тоже выходят из строя. И здесь совершенно неважно, какой именно прерыватель был установлен на автомобиле — ремонту эти узлы, как правило, не подлежат. Конечно, если у вас есть определенные навыки в электронике и радиотехнике, то перепаять вышедшую из строя деталь коммутатора будет совсем несложно.

Этот слой предложил транзисторным производителям перспективный способ защитить кремний под дополнительными примесями после завершения процесса диффузии и установления желаемых электрических свойств. Для этого им пришлось преодолеть проблему электронов поверхностного состояния, которые в противном случае заблокировали бы проникновение внешних электрических полей в полупроводник. Им удалось провести тщательную очистку поверхности кремния и выращивание на нем очень чистого слоя диоксида кремния.

Этот подход в конечном итоге оказался идеальным для использования в интегральных схемах из-за его простоты производства и очень низкой рассеиваемой мощности во время работы в режиме ожидания. Добавление этих примесных элементов называется допированием. Атомы элементов из группы 15, такие как или, вносят электрон, который не имеет естественного места покоя в кристаллической решетке. Таким образом, эти избыточные электроны свободно связаны и относительно свободны в движении, действуя как носители заряда, которые могут проводить электрический ток.

Но, как показывает практика, гораздо меньше мороки, купить новый прерыватель, и установить его. Дело в том, что перепаянные выключатели крайне ненадежны, и могут подвести в самое неподходящее время.

Поэтому простой совет:

• Ремонт коммутатора системы зажигания — это не вариант, покупайте новый!

Ниже несколько советов, где и какие коммутаторы лучше покупать. За основу возьмем ситуацию, когда нужен бесконтактный выключатель.

Атомы элементов из группы 13, такие как или, вызывают дефицит электронов при добавлении в качестве примесей, эффективно создают «дырки» в решетке. Эти положительно заряженные квантовомеханические объекты также довольно свободно перемещаются и проводят электричество.

Под действием а электроны и дырки движутся в противоположных направлениях. Правильно контролируя примеси в двух веществах, на их поверхности может образовываться канал с высокой проводимостью, способствующий протеканию через него электронов. То, что сделало этот драматический взрыв возможной сложностью схемы, — это стабильно уменьшающийся размер транзисторов на протяжении десятилетий. На заре 21-го века эти функции приблизились к 1 микрону, что позволило изготовить гигабитные чипы памяти и микропроцессоры, работающие на гигагерцовых частотах.

Блок питания и пара проводов — вот и всё, что представляет собой автомобильный коммутатор зажигания. Но с другой стороны, это довольно сложный и ответственный узел. Сегодня он продолжает эволюционировать, показывая всё лучший и лучший коэффициент выжигания горючей смеси. При этом передовые устройства способны эффективно работать и на АИ-93, повышая отдачу движка на низких оборотах.

Что такое коммутатор зажигания в автомобиле

В автомобилях данные устройства применяются давно. Только раньше это были довольно примитивные устройства. Сегодня, пережив конструктивную модернизацию, приборы стали высокотехнологичны и представляют одну из главных артерий системы зажигания.

Для чего нужен, где находится и как выглядит

Как и было сказано, коммутатор нужен для езды на бензине низко октановых марок. Стоит такое горючее значительно дешевле премиум-сортов. При этом отдача мотора по-прежнему остаётся на высоком уровне за счёт лучшего воспламенения смеси воздуха и топлива. Таким образом, коммутатор — это устройство, содействующее появлению в блоке зажигания продуктивной искры. Его можно считать микрокомпьютером, стимулирующим преобразователь. Естественно, коммутатор должен опираться на какие-то данные. В нашем случае, это сигналы датчика синхронизации.

На машинах с ГБО коммутатор выполняет ещё одну задачу: он тестирует компоненты зажигания, регулируя УОЗ автопилотом в ходе переключения на метан.

Устройство и принцип работы

Первые коммутаторы были крайне примитивны. Простая схема из транзисторов регулировалась при помощи электрического импульса. В таком виде устройство просуществовало недолго. Наступила эра высоких технологий, благодаря которой стали применяться более эффективные инновационные решения.

На машинах, собираемых в РФ, стимулятор искры был впервые использован на автомобиле Ваз-2108. Устройство относилось к серии 36.3734 тоже родного производства. В дальнейшем стали применяться более модернизированные коммутаторы с различным исполнением конструктивно-технической схемы. Однако комбинированная или составная сборочная технология всегда оставалась для российских микросхем неизменной. И плюс её в том, что она ремонтопригодна, в отличие от тех же зарубежных аналогов.

Сегодня коммутатор — это совокупность нескольких элементов: свечи, транзисторы, датчики. Он может использоваться в гибридном или тиристорном зажигании. Электрические импульсы управляются автоматически, что даёт целый ряд практических преимуществ:

• отсутствие перебоев на максимальных скоростях;
• повышение надёжности работы блока;
• возможность увеличения объёма цилиндров мотора.

А когда внедрили элемент Холла, и коммутатор начал управлять сразу несколькими преобразователями, преимущества только увеличились. Настолько, что на каждой отдельной свече стали использовать тандем «катушка+коммутатор». Вот чего конкретно удалось достичь:

• более сильной и надёжной стала искра в системе зажигания;
• исчезли потери мощности в трамблёре;
• улучшился холостой ход;
• снизился расход горючего;
• стабилизировался пуск на холодный двигатель.

Принцип работы коммутатора можно представить себе так. Сначала система контролирует положение коленвала двигателя. Затем индуктивным датчиком Холла, входящим в конструкцию распределителя, снимаются показания с положения поршней в цилиндрах. Он же и подаёт на коммутатор импульс. Сигнал усиливается до 12 вольт и поступает на катушку. За счёт этого уменьшается сила тока, и повышается напряжение.

Нынче для эффективного воспламенения горючего в автомобилях ВАЗ 2109, 2110, 2114 «Самара», а также ЗАЗ-1102 применяются электронные коммутаторы. Серия этих устройств 3734 выпускается под артикулами 3620-, 36- и 78. Задачи ключа здесь выполняет производительный мосфит, а величиной тока управляет совокупная электросхема.

Схема подключения

Получается, что роль коммутации — просто усиливать импульс до требуемого значения. Так и есть, ведь недаром конструкторы сравнивают описываемый элемент с полевыми транзисторами Дарлингтона. Только в коммутаторе главную функцию выполняет индуктивный датчик с тремя выводами. Когда в зону датчика входит металлическая пластина, начинается генерация тока. Далее напряжение подаётся на вход коммутатора. Здесь импульс только увеличивается и идёт дальше на преобразователь.

Коммутаторная схема зажигания достаточно проста. Сложность вызывает её установка. Она должна быть проведена максимально грамотно, иначе никакого толка не будет. Важный нюанс касается также подбора транзисторов. Они должны проверяться через специальную измерительную аппаратуру, так как даже у одинаковых на первый взгляд полупроводников характеристики сильно отличаются.

Ниже, в качестве примера, приведена схема 4-портового коммутатора 76.3734 типа КЭТ, используемого на автомобилях Ваз:

• предназначен для БСЗ;
• состоит из контроллёра L497 или его аналога КР1055ХП2;
• возможно подключение к тахометру, расположенному на торпеде;
• классическое подключение — через двухкаскадный усилительный блок.

Теперь по его выводам:

• 1 (выход), с него снимается усиленный импульс — соединяется с главным выводом катушки;
• 2 (контакт) — соединяется с отрицательной клеммой АКБ;
• 3 (масса) — интегрируется внутри блоком с контактом 2;
• 4 — принимает питание от аккумулятора;
• 5 — выводит постоянное питание, всегда под напряжением 12 В.

Примечательно, что между 4 и 5 используется стабилизатор напряжения, так как здесь всегда имеется сопротивление.

Подробнее схема подключения коммутатора на Ваз 2108 приведена на фото.

Существующие разновидности коммутаторов

Различают два основных типа устройств: AC CDI и DC CDI. Первые коммутаторы небольшие и простые, в их схеме используется высоковольтный генератор. Вторые более распространены, снабжены четырьмя контактными группами с минусом и плюсом, а также отдельными выходами на катушку и датчик Холла. Но последние функционируют только при наличии высокого напряжения, подведённого с внешнего источника.

Коммутаторы также принято классифицировать, согласно функциональным особенностям:

• традиционные или стоковые устройства, строго соответствующие параметрам автомобиля — как правило, ставятся ещё с завода;
• спортивные — имеют возможность увеличения верхнего предела количества оборотов ДВС, однако такая разновидность является уделом опытных специалистов и имеет риски аварий;
• с возможностью регулировки фаз УОЗ — отличный вариант, когда требуется выровнять крутящий момент силовой установки, улучшить разгонные характеристики и стабилизировать работу мотора на разных оборотах.

Безусловно, коммутаторы принято делить и по основным разновидностям.

Электронные

Данный тип коммутатора ещё называют микропроцессорным с транзитными ключами. Он используется для управления напряжением преобразователя и снижает нагрузки на соединения, тем самым повышая мощность тока.

Преимущества электронной системы:

• возможность лучшего наполнения цилиндров ДВС;
• эффективная отдача мотора на всех оборотах.

Гибридные

В этих системах дополнительно используется механическая часть — кулачковый трамблёр. Электронику представляет сам коммутатор и катушка. Узел очень надёжен, экономичен и удобен. К примеру тем, что при выходе из строя свитча, можно переключаться на старый преобразователь с бегунком.

Бесконтактные

Группа с транзисторами, широко применяемая с начала восьмидесятых годов. Она вытеснила допотопные классические контактные системы. Считалась в своё время наиболее эффективной, так как показатели её работы были намного выше, чем у остальных коммутаторов.

Двухканальные

Та же бесконтактная система, но значительно модернизированная. К примеру, обычная БСЗ имеет те же недостатки КСЗ — потерю энергии искры, нестабильность холостых оборотов, ограничение на регулировку УОЗ, высокую чувствительность к загрязнениям и влажности. Двухканальная система или ДБСЗ избавляет систему зажигания от этих минусов, обеспечивая ещё более высокую энергию искры за счёт использования дополнительных катушек. Также здесь не применяются проблемные подвижные элементы — бегунок и уголёк, а крышка выполняет лишь функции защитного элемента. Поэтому она и не подвержена выгоранию.

Интересно, что двухканальное зажигание применялось и раньше. Это было реализовано на экспортных Ваз-21083. Однако коммутаторы данного типа, называемые еще двухконтурными, не получили широкого распространения из-за низкого качества тогдашней электроники.

Ещё один нюанс, касающийся коммутаторов. У них могут быть разные выходы. Те, у которых стоит по умолчанию цифра «1», крайне опасны для катушек зажигания в тот момент, когда испытывают неисправности. Но плюс таких устройств в том, что с ними можно интегрировать стандартные преобразователи для контактного зажигания.

Для вторых типов коммутаторов, в которых по умолчанию используется выход «0», обычные катушки совершенно не подходят. Они сильно нагреются, либо искра не будет нормально подаваться. К такому коммутатору относится, например, модель для БЦЗ 131.3734.

Признаки неисправности коммутатора

Потеря системой зажигания искры — один из главных симптомов отсутствия исправности коммутатора. Естественно, это сопровождается трудным запуском двигателя, перебоями в его работе. Однако специалисты предупреждают — торопиться с заменой элемента не стоит, ведь подобные признаки присущи также и при других неполадках. К примеру, это же происходит при обрыве ремня ГРМ, повреждении трамблёра или катушки зажигания, слабых контактах соединений проводки и т. д.

Одним словом, проверять коммутатор нужно грамотно. Но как это сделать без квалификации, ведь устройство имеет сложную конструкцию. Есть несколько практичных способов. Первый, это не заморачиваться и установить новый коммутатор. Если проблема исчезнет, значит, всё отлично. Второй способ подразумевает использование контрольной лампы на 12 вольт и стандартного набора ключей.

Далее по инструкции:

• обесточить аккумулятор;
• снять управляющий провод «К» с катушки зажигания — он часто бывает выкрашен в коричневый или красный цвет и проложен к главному зажиму коммутатора;
• на его место установить один конец контрольной лампы, второй — соединить с проводом «К»;
• подсоединить внешнее питание 12 вольт — аккумулятор;
• запустить двигатель.

Если лампа начнёт мигать — коммутатор исправен. Обратная ситуация, когда индикатор не подаёт никаких рабочих признаков, укажет на проблемы с устройством. Вряд ли оно полностью испортилось, тогда двигатель не завёлся бы с первого раза.

Признаки неисправности коммутатора точнее можно увидеть на профессиональном оборудовании — специальном стенде. Это даёт возможность не только определить факт работоспособности устройства, но и рассчитать длительность импульсов. Кроме того, специалисты отдельно измеряют напряжение на выходе датчика Холла — норма не более 0,4 В. Также замыкается первый и второй выводы коммутатора при включённом зажигании, чтобы протестировать наличие искры.

Инструкция по ремонту и замене

Стоит отметить, что на современные российские коммутаторы подходят выходные ключевые транзисторы не только штатного производства, а в частности КТ890А, КТ898А1, но и зарубежный аналог BU931. Реализован он может быть, как без корпуса, так и в конструктивном исполнении ТО-220 или ТО-3.

Что касается управляющей схемы, то в коммутаторы серии 78.3734 подходят:

• 4-канальный усилитель типа К1401УД2Б;
• отечественная микросхема Р1055ХП1;
• зарубежная L497B SGS-TOMSON.

Перед тем, как приступать к замене коммутатора или его составляющих, рекомендуется протестировать целостность проводки и соединений системы зажигания. Особое внимание уделить генератору. Также не лишним будет проверка напряжения от бортовой сети на датчик Холла.

Подробнее по неисправностям и способам их ремонта ниже в таблице.

Стоимость

Подробнее в таблице.

И напоследок помните, что при замене мощного ключевого транзистора важно обращать внимание на качество фиксации детали к корпусу коммутатора. Многие новички допускают здесь ошибки или наносят недостаточно теплопроводящей пасты. В результате устройство не удаётся отремонтировать.

Читайте также:

  
• Как подключить генератор к коммутатору
  
• Подключение wifi камеры к nvr
  
• Код ошибки 3254 на роутере huawei
  
• Как настроить блютуз в машине лада кросс
  
• Как расширить зону покрытия wifi с помощью второго роутера keenetic