Схема контактного и контактно-транзисторного зажиганий

Исторически сложилось так, что для первых бензиновых моторов использовалась батарейная (аккумуляторная) система зажигания, основанная на эффекте самоиндукции. Самой первой была контактная, ставшей впоследствии классической, система. По мере совершенствования автомашины развивались и его отдельные компоненты, так появилась контактно транзисторная система зажигания. На примере сравнения этих двух систем можно проследить, как происходило развитие самого автомобиля.

О принципах работы классической системы зажигания

Надо сразу отметить, несмотря на простоту, изящество примененных технических решений. Схема подобной системы приведена на рисунке ниже:

Работа осуществляется следующим образом – при повороте ключа в замке через контакты прерывателя и обмотку (первичную) катушки, называемой еще бобиной, начинает протекать ток. Когда размыкаются контакты прерывателя, цепь разрывается, и в первичной обмотке бобины прекращается ток. Но благодаря эффекту самоиндукции в обмотке (вторичной) появляется напряжение. А так как число витков обеих обмоток существенно различается (во вторичной витков больше), величина вторичного напряжения может достигать десятков киловольт.

Это напряжение, через распределитель, поступает на нужную свечу, где возникает искра, которая и поджигает бензин в цилиндрах двигателя.

Все просто и красиво, и такая схема прекрасно работала на первых моторах.

Недостатки, которыми она обладает, начали проявляться, когда у бензинового двигателя стало:

• увеличиваться число цилиндров;
• повышаться число оборотов, развиваемых двигателем, двигатели стали высокооборотистыми;
• возможным увеличивать степень сжатия в цилиндрах;
• практиковаться использование обедненных смесей.

Кроме того, недостатком надо считать низкую надежность, в первую очередь обусловленную обгоранием контактов прерывателя, из-за чего порой переставала работать вся система зажигания. Естественно, никто с этим мириться не собирался, и появилась контактно транзисторная система зажигания.

Новый этап развития

Основным элементом, благодаря которому новая схема приобрела улучшенные характеристики, относительно прежней, классической, стал транзистор. Причем он явился причиной, что контактно-транзисторная система зажигания получила новый узел – коммутатор.

Отличительной особенностью, присущей транзистору, является то, что небольшой ток, поступающий на управление (в базу), позволяет управлять током гораздо большей величины, протекающим через прибор.

Контактно транзисторная система зажигания, несмотря на незначительные, на первый взгляд, изменения и сохранение принципа работы, приобрела новые свойства, недоступные классической системе. Но прежде чем оценивать достоинства и недостатки, которыми обладает контактно-транзисторная схема, необходимо коснуться отличий в работе.

Главное отличие от классического зажигания заключается в том, что прерыватель воздействует не на бобину, а на базу транзистора. В остальном контактно-транзисторная схема работает так же, как обычная система зажигания. При прерывании, в первичной обмотке бобины протекания тока, во вторичной наводится высоковольтное напряжение. Не касаясь деталей внутреннего устройства коммутатора и его подключения, можно отметить, что транзисторная схема зажигания даже в таком упрощенном виде обладает следующими достоинствами:

Контактно-транзисторное управление процессами, происходящими в катушке зажигания, обеспечивает возможность увеличить в первичной обмотке ток, вследствие чего:

1. можно повысить величину вторичного напряжения;
2. увеличить между электродами свечи зазор;
3. улучшить процесс искрообразования, сделать его более устойчивым, а также улучшить запуск двигателя при пониженной температуре;
4. повысить количество оборотов и увеличить мощность двигателя.

Однако подобная контактно-транзисторная схема требует использования катушки зажигания с отдельными обмотками (первичной и вторичной).

Повысилась надёжность: контактно-транзисторная система позволяет снизить нагрузку на контакты прерывателя, уменьшив значение проходящего через них тока, следствием чего является уменьшение подгорания контактов.

Однако не все так хорошо, как кажется с первого взгляда. Подобная контактно-транзисторная система зажигания имеет и свои недостатки. Вызваны они использованием прерывателя, т.е. система начинает работать и формировать искру, когда контактно разрывается цепь прохождения тока в обмотке бобины. Величина тока, поступающего в базу транзистора, существенно влияет на его работу, и уменьшение тока из-за качества контактов скажется на работе всей системы.

Значение контактно-транзисторной схемы в развитии автомобиля

В данном случае мы рассмотрели только два начальных этапа на пути развития системы зажигания автомобиля. В дальнейшем она претерпела гораздо более значительные изменения, но контактно-транзисторная схема была первой. Именно на ней были отработаны возможные варианты повышения ее эффективности, в частности, уход от классического, контактного зажигания, и намечены пути развития в сторону использования бесконтактных способов получения искры.

Контактно-транзисторная система зажигания оказалась первым шагом, в совершенствовании классического подхода к получению искры на бензиновом ДВС, и явилась закономерным этапом развития автомобиля в целом, и его отдельных узлов в частности.

Устройство автомобилей

Контактно-транзисторная система зажигания

Наиболее слабым звеном контактной (батарейной) системы зажигания являются контакты прерывателя. Ток высокого напряжения, проходя через контакты, приводит к их интенсивному износу, подгоранию, эрозии, в результате чего нарушается регулировка зазора и, как следствие, угол опережения зажигания, продолжительность и мощность искры.
Все это сказывается на надежности, долговечности системы зажигания и трудоемкости ее обслуживания.

Развитие электронной техники привело к созданию мощных полупроводниковых приборов, способных выполнять функции механических ключей, разрывающих электрическую цепь посредством управляющего тока небольшой величины, т. е. электронных реле. Такие реле, выполненные на транзисторах, пришли на смену механическим контактам, а батарейную систему зажигания сменила контактно-транзисторная.
В контактно-транзисторной системе зажигания механические контакты служат лишь для разрыва цепи, в которой протекает небольшой по величине ток, управляющий полупроводниковыми переходами транзистора, а транзистор, выполняя функцию реле, подает ток в первичную обмотку катушки зажигания. Благодаря этому удалось существенно повысить срок службы контактов и стабильность работы системы.

Работа контактно-транзисторной системы зажигания

Контактно-транзисторная система зажигания состоит, в основном, из тех же элементов, что и классическая батарейная, и отличается от неё наличием транзистора, резисторов и отсутствием конденсатора, ранее шунтировавшего контакты прерывателя.

Работает эта система зажигания следующим образом (рис. 1).
Когда контакты прерывателя Пр разомкнуты, транзистор V закрыт, и ток в первичной обмотке катушки зажигания отсутствует.
При замыкании контактов транзистор V открывается и через первичную обмотку катушки зажигания начинает протекать ток, нарастающий от нуля до некоторого значения, определяемого параметрами первичной цепи и временем, в течение которого контакты замкнуты. В сердечнике катушки накапливается электромагнитная энергия.

При размыкании контактов прерывателя транзистор V закрывается, и ток в первичной обмотке w₁ катушки зажигания резко уменьшается. В этом случае во вторичной обмотке возникает высокое напряжение w₂, которое поступает на контакт распределителя и переносится к соответствующей свече зажигания. Резистор R2 служит для ограничения тока базы транзистора, а резистор R1 обеспечивает запирание транзистора, когда контакты прерывателя разомкнуты.

Особенностью такой системы зажигания является то, что в ней контакты прерывателя коммутируют только незначительный ток базы транзистора, в тоже время ток через первичные обмотки катушки зажигания коммутирует транзистор.
При этом вторичное напряжение в катушке зажигания может быть повышено, поскольку увеличение тока разрыва уже не ограничено электроэрозионной стойкостью контактов прерывателя, а зависит только от параметров транзистора.

Однако следует иметь в виду, что преимущества транзисторной системы зажигания могут быть реализованы лишь при применении специальной катушки зажигания, которая должна иметь первичную обмотку с низким омическим сопротивлением, малой индуктивностью и большим коэффициентом трансформации. В этом случае необходимые энергия искрообразования и вторичное напряжение достигаются соответствующим увеличением тока разрыва и коэффициентом трансформации.

К недостаткам транзисторных систем зажигания следует отнести большую потребляемую мощность. Это связано с необходимостью увеличения тока разрыва. Кроме того, мощные транзисторы, используемые в таких системах, требуют эффективного охлаждения во время работы, а электронные блоки систем зажигания обязательно должны иметь средства защиты от импульсных помех напряжением более 100 В.

Еще один недостаток транзисторной системы зажигания заключается в ее относительной сложности, обусловленной применением полупроводниковых приборов. Классическая контактная система зажигания состоит всего из нескольких элементов, которые даже специалист невысокой квалификации может легко проверить без специальных измерительных приборов и оборудования.
Состояние контактов прерывателя можно проверить просто визуально. Замена контактов не вызывает трудности, а зная характерные признаки неисправности катушки зажигания или распределителя можно устранить и проблемы, связанные с их отказом.
Для ремонта же или проверки электронного блока требуется специальное оборудование и персонал соответствующей квалификации.

Тем не менее, очевидные достоинства и простота их реализации предопределили широкое использование индуктивных систем зажигания на автомобильных двигателях.
Последние достижения в области создания транзисторных систем зажигания, т.е. использования высоковольтных транзисторов Дарлингтона, применение принципа нормирования времени накопления энергии, позволили практически устранить такие недостатки индуктивных систем, как большая зависимость вторичного напряжения от шунтирующего сопротивления на изоляторе свечи и от частоты вращения коленчатого вала.

Составной транзистор Дарлингтона был изобретен в 1953 году инженером Сидни Дарлингтоном (Sidney Darlington). Транзистор Дарлингтона является каскадным соединением двух (реже трех или более) биполярных транзисторов, включённых таким образом, что нагрузкой в эмиттерной цепи предыдущего каскада является переход база-эмиттер транзистора последующего каскада (то есть эмиттер предыдущего транзистора соединяется с базой последующего), при этом транзисторы соединяются коллекторами. Такое соединение позволило улучшить электрические характеристики соединяемых по схеме Дарлингтона транзисторов.

Благодаря перечисленным новшествам, тиристорные системы зажигания с емкостным накопителями потеряли часть преимуществ перед индуктивными системами зажигания, и практически не используются на автомобильных двигателях.

Транзисторная система зажигания: первый шаг к бесконтактным схемам

В предыдущей статье подробно рассказано о классической схеме системы зажигания, так называемой контактной. Идеальной её не назовешь, главной болезнью её является подгорание и быстрый износ контактов прерывателя. Она побудила инженеров продолжить разработки новых конструкций и новым шагом стала контактно транзисторная система зажигания.

Проблемы контактных систем и способы их решения

Освежим в памяти принцип работы классической схемы зажигания, чтобы понять, что в ней ненадёжно.

При повороте ключа в замке на катушку зажигания подаётся низкое напряжение сначала от аккумулятора, а потом и от бортовой сети.

Для того чтобы в силу вступили законы физики, и во вторичной обмотке катушки появилось высокое напряжение, достаточное для образования искры, прерыватель разрывает низковольтную цепь.

В это же время распределитель подключает контакты с высоким напряжением, идущие к нужной свече.

На первый взгляд всё просто и ломаться тут особо нечему. Но реальность сложнее – постоянное размыкание и замыкание контактных групп, коммутирующих катушку, приводит к их подгоранию из-за появляющегося в эти моменты импульса тока, а также износу.

Это и является главной проблемой классической схемы. Помимо этого, развитие самих моторов: увеличение их мощности, количества цилиндров и оборотов, сделало её применение очень сложным, а порой и невозможным.

Контактно транзисторная система зажигания. Что придумали инженеры?

Контактно транзисторная система зажигания, о которой мы сегодня говорим, лишена одного из основных недостатков своего предшественника – подгорания контактов прерывателя.

Решена эта проблема была радикально – нет больших токов на контактах, нет обгорания.

Для этого в цепи схемы появился новый узел, так называемый коммутатор, основу которого составляет полупроводниковый транзистор.

Он позволяет управлять большими токами при помощи малых. Для этого транзистор имеет три контакта – база, эмиттер, коллектор. Прикладывая к первым двум небольшой управляющий ток, можно управлять цепью коллектор эмиттер, где значение тока может быть в десятки раз больше.

Данное свойство и позволило избежать подгорания контактов.

Как устроена система с транзистором?

С теоретической частью мы закончили, теперь давайте еще раз пробежимся по чертежам выше и более детально посмотрим на устройство контактно транзисторной системы зажигания.

В принципе, как вы уже поняли, кардинальных отличий от более ранней контактной схемы не очень много. Основными составными частями являются:

От классической схемы отличается только наличием коммутатора.

Данный узел представляет собой блок, внутри которого, помимо силового транзистора находится ещё ряд элементов, защищающих его от бросков обратного тока, и прочие дополнительные детали.

Главное предназначение данного узла – управление током, проходящим через низковольтную обмотку катушки зажигания.

Прерыватель в этом случае управляет током базы транзистора, который в свою очередь подключает и отключает катушку зажигания, где токи гораздо выше и опаснее для механических контактов. В остальном алгоритм работы такой же, как и в простой контактной системе.

Плюсы и минусы

Неужели контактно транзисторная система зажигания отличается от классической схемы только отсутствием подгорающих контактов? И ради этого стоило городить огород с коммутатором?

На самом деле есть у этой системы и другие преимущества, а именно:

• появилась возможность увеличить ток первичной обмотки катушки зажигания, а значит и во вторичной он увеличится, и как следствие, станет больше напряжение на свечах;
• большее напряжение позволит увеличить зазор между контактами свечи, а это сделает её долговечней;
• данная система зажигания позволяет повысить обороты мотора и его мощность;
• работа мотора становиться устойчивее, благодаря улучшенному искрообразованию.

В целом контактно транзисторная система зажигания имеет хороший ресурс, долговечна и довольно надёжна, хотя и она не лишена недостатков.

К примеру, зависимость тока низковольтной обмотки катушки от тока базы транзистора, который, в свою очередь, может меняться в зависимости от состояния контактов прерывателя.

Ну что ж, коллеги-автолюбители, в заключение можно сделать вывод, что схема, ставшая героем этой статьи, является шагом вперёд по сравнению со старыми классическими вариантами, но и она далека от того, чтобы именоваться совершенной.

По большому счёту, контактно транзисторная система зажигания принцип работы которой мы попытались объяснить мало чем отличается от простой контактной. То ли дело бесконтактные технологии зажигания, и о них мы поговорим в следующей статье, не пропустите!