سیستم جرقه زنی الکترونیکی

سیستم های جرقه زنی الکترونیکی

• برسی اجمالی جرقه زنی الکترونیکی

امروزه تقریبا همه خودروهای بنزینی جدید سیستم جرقه زنی الکترونیکی دارند زیرا سیستم جرقه زنی معمولی سه عیب مهم دارد:

1-  پلاتین مورد استفاده در سیستم جرقه زنی معمولی پاره ای مشکلات مکانیکی ایجاد می کند که یکی از آنها عمر محدود است.

2-  جریان عبوری از مدار اولیه باید به 4 آمپر محدود شود وگرنه پلاتین آسیب می بیند یا دست کم عمر آن به شدت کاهش می یابد.

3-  مقررات زیست محیطی کنترل شدید آلاینده های خروجی از موتور را ایجاب می کند؛ در نتیجه تنظیم زمان جرقه زنی باید با دوام باشد.

با استفاده از یک ترانزیستور قدرت برای قطع و وصل کردن و یک مولد پالس برای ایجاد سیگنال زمانی می توان به آسانی بر این مشکل غلبه کرد. در سیستم های جرقه زنی الکترونیکی اولیه، برای ایجاد سیگنال از پلاتین معمولی استفاده می شد. این اقدامی در جهت صحیح بود، اما نمی توانست همه مشکلات مکانیکی از قبیل واجهش قطب پلاتین را بر طرف کند.

• سیستم های جرقه زنی با مکث ثابت

منظور از اصطلاح «مکث» یا «خواب» در سیستم جرقه زنی، مدت زمانی است که در طی آن جریان از مدار اولیه عبور می کند و به کوئل می رسد.در سیستم جرقه زنی معمولی منظور از «مکث» مدت زمانی بود که دهانه پلاتین بسته می ماند. اکنون این مفهوم را غالبا به صورت درصدی از یک چرخه پر و خالی شدن کوئل بیان می کنند. در حال حاضر سیستم های جرقه زنی الکترونیکی با مکث ثابت، تقریبا بدون استثنا، جای خود را به سیستم های جرقه زنی با انرژی ثابت داده اند که در بخش بعد آنها را شرح می دهیم.

سیستم جرقه زنی لوکاس OPUS، مثال خوبی از سیستم جرقه زنی با مکث ثابت است. در شکل زیر مجموعه مولد پالس همراه، با تقویت کننده و در شکل پایینی آن مدول تقویت کننده مجزا (برای قطع و وصل کردن) نشان داده شده است. چنانکه در شکل  مشاهده می شود.

چکش برق به شکل استوانه ای پلاستیکی است که در لبه آن، به ازای هر سیلندر موتور، یک میله فریتی (فریت نوعی سرامیک با خاصیت آهنربایی است) کار گذاشته اند. این چکش برق روی میل دلکو نصب می شود.

پیچک حسگر روی صفحه ثابت دلکو نصب می شود. پیچک حسگر از یک هسته فریتی به شکل حرف «E» و سیم پیچهای اولیه و ثانویه تشکیل شده که در قابی پلاستیکی قرار گرفته اند پیچک حسگر با استفاده از سه سیم به مدول تقویت کننده وصل می شود.

مدول تقویت کننده حاوی نوسان سازی است که برای برق دار کردن سیم پیچ اولیه پیچک حسگر از آن استفاده می شود؛ این مدول دارای مدار هموار ساز و طبقه قطع و وصل توان نیز هست. این جزئیات در شکل زیر نشان داده شده است.

طرز کار این سیستم به این ترتیب است که نوسان ساز یک سیگنال متناوب 470 کیلوهرتزی به سیم پیچ اولیه پیچک حسگر می فرستد. وقتی هیچ یک از میله های فریتی به پیچک حسگر نزدیک نباشند، ترانزیستور قدرت به جریان اولیه سیستم جرقه زنی اجازه عبور می دهد. وقتی دلکو می چرخد و یک میله فریتی از مقابل پیچک حسگر می گذرد، سیم پیچ ثانویه پیچک حسگر خروجی تولید می کند.

در این هنگام، از طریق طبقات هموار سازی و قطع و وصل، برق کوئل قطع و جرقه تولید می شود. در شکل زیر تغییرات میدان مغناطیسی در مجموعه پیچک حسگر نشان داده شده است. این سیستم در زمان خود بسیار خوب بود، اما دوره مکث ثابت هنوز هم به این معنا بود که در دورهای بسیار بالای موتور، دوره برق رسانی به کوئل فقط به اندازه ای است که جرقه ای با توان کم تولید شود. توجه کنید که در این سیستم با افزایش دور موتور زاویه یا درصد مکث ثابت می ماند ولی زمان عملا کاهش می یافت.

• سیستم های انرژی ثابت

در سیستم جرقه زنی الکترونیکی انرژی ثابت، با بالا رفتن دور موتور باید زمان مکث افزایش یابد. البته این سیستم در صورتی کارامد خواهد بود که بتوان در مدتی بسیار کوتاه (زمان حداکثر مکث در بیشترین دور موتور) میدان مغناطیسی مناسب را در موئل ایجاد کرد. به همین سبب در این سیستم از کوئل هایی استفاده می شود که مقاومت بسیار کم و القائیدگی کمی داشته باشند. معمولا مقاومت کوئل مورد استفاده کمتر از یک اهم است. ثابت بودن انرژی سیستم به این معناست که انرژی رسیده به شمع، تحت همه شرایط کاری، ثابت می ماند.

برای اشتعال مخلوط هوا-سوخت ساکن، با نسبت استوکیومتری، فقط 0.3 میلی ژول انرژی لازم است. هرگاه مخلوط فقیر یا غنی باشد (نسبت استوکیومتری در آن برقرار نباشد) و به شدت متلاطم باشد، انرژی لازم به حدود سه تا چهار میلی ژول (0.003 تا 0.004 ژول) می رسد. به همین سبب استفاده از سیستم جرقه زنی با انرژی ثابت در همه خودروهای جدید تقریبا الزامی است تا بتوانند خود را با معیارهای زیست محیطی و عملگردی مطابقت دهند. در شکل زیر نمودار بلوکی سیستم جرقه زنی انرژی ثابت نشان داده شده است.

در سیستم جرقه زنی انرژی ثابت، به سبب بالا بودن مقدار انرژی، نمی توان بیش از مدت معینی به کوئل برق داد. وقتی موتور روشن است مشکل پدید نمی آید زیرا متغیر بودن زاویه مکث یا مدار محدود کننده جریان مانع داغ کردن کوئل می شود. اما در مواقعی که سوئیچ باز است اما موتور روشن نیست باید به صورتی از کوئل حفاظت کرد. بدین منظور از کلید قطع جریان اولیه کوئل استفاده می شود که در بخش دیگری آن را شرح می دهیم.

• مولد پالس اثر هالی

بسیاری از سازندگان از دلکو اثر هالی استقبال کرده اند.در شکل زیر یک دلکو اثر هال نشان داده شده است.

وقتی میل دلکو می چرخد، پره دلکو متصل شده به زیر چکش برق متناوبا تراشه اثر هالی را می پوشاند و نمی پوشاند. تعداد پره ها با تعداد سیلندر های موتور متناظر است. در سیستم های با زاویه مکث ثابت، زمان مکث را پهنای پره ها تعیین می کند. این پره ها سبب می شوند که تراشه اثر هال متناوبا به میدان مغناطیسی وارد و از آن خارج شود. نتیجه این عمل تولید موجی خروجی به صورت تقریبا مربعی است که می توان با استفاده از آن مدارهای الکترونیکی دیگر را قطع و وصل کرد. سه ترمینال روی دلکو را به صورت «-0+» نشانه گذاری کرده اند؛ ترمینالهای «+» و «-» به سیستم برق می رسانند و ترمینال «0» سیگنال خروجی را می دهد. معمولا خروجی حسگر اثر هالی، مطابق شکل زیر،بین صفر و حدود هفت ولت تغییر می کند.

استفاده از دلکو های اثر هالی بسیار رایج شده است زیرا سیگنال دقیقی تولید می کنند و اعتماد پذیری بلند مدت دارند. این نوع دلکو را می توان در هر دو سیستم جرقه زنی با مکث ثابت و با انرژی ثابت به کار برد. با استفاده از ولت سنج DC یا کاوشگر منطقی می توان کار ملد پالس اثر هالی را وارسی کرد. برای آزمون این مولد پالس نباید از اهم سنج به تراشه اثر هال صدمه بزند.

• مولد پالس القایی

در مولد پالس القایی از اصل القایش مغناطیسی برای تولید سیگنالی از نوع نشان داده شده در شکل زیر استفاده می شود.

این نوع مولدها به صورت های مختلف ساخته می شوند اما همه آنها یک سیم پیچ و یک آهنربای دائمی دارند. در دلکو نشان داده شده در شکل 9 سیم روی پیچک حسگر پیچیده شده است و با چرخش القاکن (رلوکتور)، به سبب وجود دندانه های القاکن، شار مغناطیسی تغییر می کند. تعداد دندانه های القاکن با تعداد سیلندرهای موتور برابر است. پهنای شکاف بین القاکن و پیچک حسگر اهمیت دارد و سازندگان تنظیم آن را توصیه کرده اند.

• انواع دیگر مولد پالس

گذشته از به کار گیری پلاتین به منزله راه انداز، تنها روش دیگری که در مقیاس معقول به کار گرفته شده استفاده از مولد پالس نوری است. در مولد پالس نوری از یک باریکه متموکز نور، حاصل از دیود نور گسیل، و یک ترانزیستور نوری استفاده می شود. یک پره گردان باریکه نور را قطع می کرد و بنابراین یک خروجی قطع و وصل کن، به صورت موج مربعی، تولید می شد. بیشتری کاربرد این سیستم به عنوان لوازم یدکی بود و به جای پلاتین معمولی نصب می شد. در شکل 10 اساس کار یک مولد پالس نوری نشان داده شده است.

• کنترل زاویه مکث ( حلقه- باز)

در شکل 11 مدار مدول جرقه زنی ترانزیستوری بوش که روی موتور های 6 سیلندر نصب می شود نشان داده شده است. مولد پالس به کار رفته در این مدول از نوع القایی است. برای درک نحوه کنترل زاویه مکث، تشریح کل مدار ضرورت دارد.

بخش A مدار پایدار کننده ولتاژ است و مانع آسیب دیدن اجزای مدار می شود. این بخش استفاده از ولتاژ های معینی را برای پر و خالی کردن خازن ها روا می دارد  ولتاژ متناوبی که از مولد پالس القایی می آید باید به شکل پالسهای موج مربعی درآید تا اثر درستی بر جعبه راه انداز بگذارد. تغییر شکل این پالس ها به وسیله یک کلید الکترونیکی به نام راه انداز اشمیت انجام می شود. این مدار را مدار شکل دهنده پالس می نامند زیرا نقش آن در جعبه راه انداز همین است.

اجزای بخش B مدار قسمتی از مدار شکل دهنده پالس را تشکیل می دهند. D₄ یک دیود سیلسیمی است که به سبب قطبیتی که دارد فقط به پالس های منفی ولتاژ کنترل متناوب اجازه می دهد که به بیس ترانزیستور T₁ برسند. مولد پالس القایی فقط در فاز منفی ولتاژ کنترل متناوب زیر بار می رود و علت آن انرژی خروجی است. از طرف دیگر مولد پالس در فاز مثبت زیر بار نمی رود. بنابراین دامنه ولتاژ منفی از دامنه مثبت کوچکتر است.

به محض آنکه ولتاژ کنترل متناوب حاصل از مقادیر منفی از مقدار آستانه ای در ورودی مدار شکل دهنده پالس بیشتر می شود، ترانزیستور T₁ قطع می شود و به جریان اجازه عبور نمی دهد. خروجی مدار شکل دهنده پالس B، برای مدتی فاقد جریان است(ضد مکث؟). این حالت برقرار می ماند تا اینکه ولتاژ کنترل متناوب، که این بار حاصل مقادیر مثبت است، از ولتاژ آستانه ای کمتر شود. در این هنگام ترانزیستور T₁قطع می شود. بیس ترانزیستور T₂ به وسیله مقاومت R₅ مثبت می شود و ترانزیستور T₂ وصل می شود. این تناوب – T₁ وصل/ T₂ قطع یا T₁ قطع / T₂ وصل – مخصوص راه انداز اشمیت است و مدار این عمل را پیوسته تکرار می کند.

دو دیود D₂ و D₃ که به صورت متوالی بسته شده اند تغییرات دما را جبران می کنند. کار دیود D₁ حفاظت در برابر معکوس شدن قطب هاست.

به کمک بخش C جعبه راه انداز می توان انرژی ذخیره شده در کوئل را به صورت بهینه مصرف کرد. در نتیجه، تحت هر نوع شرایط کاری موتور، .لتاژ کافی برای جرقه زنی شمع ها می رسد.

کنترل گر زاویه مکث زمان شروع دوره مکث را مشخص می کند. آغاز دوره کث( وقتی ترانزیستور T₃ وصل می شود) با آغاز یک پالس جریان مستطیلی مصادف است که برای راه اندازی ترانزیستورT₄مرحله محرک سیستم است. این ترانزیستور، به نوبه خود، مرحله خروجی را فعال می کند. در بخش C از یک مدار تنظیمی زمانی RC (که در آن خازن و مقاومت به کار رفته) ، برای ایجاد مکث متغیر به کار می رود. این مدار، به وسیله چند مقاومت، خازن ها را به صورت متناوب پر و خالی می کند. این مدار را مدار کنترل حلقه – باز می نامند زیرا ترکیب مقاومتها و خازن ها رابطه زمانی ثابتی را به صورت تابعی از دور موتور ایجاد می کند.

مدار RC از خازن C₅ و مقاومت های R₉ و R₁₁ تشکیل می شود. وقتی ترانزیستور T₂ قطع می شود خازن C₅ از طریق مقاومت R₉ و بیس امیتر ترانزیستور T₃ پر می شود. وقتی دور موتور پایین است، خازن به اندازه ای فرصت دارد که تا حدود 12 ولت پر شود. در طی این مدت ترانزیستور T₃ وصل می شود و کوئل نیز از طریق ترانزیستور های T₄ ،T₅ و T₆ به کار می افتد. در لحظه جرقه زدن ترانزیستور T₂ وصل می شود و در این هنگام خازن C₅ از طریق R₁₁ و T₂ تخلیه  می شود. در طول مدتی که خازن C₅ تخلیه می شود ترانزیستور T₃ قطع می ماند. همین زمان تخلیه است که آغاز دوره مکث بعدی را به تاخیر می اندازد (زمان تخلیه به میزان پر بودن خازن C₅ بستگی دارد). سرانجام زمانی فرا می رسد که خازن C₅ از طریق مقاومت R₁₁ و ترانزیستور T₂ در جهت عکس شروع به پر شدن می کند و وقتی ولتاژ آن به حدود 0.7 ولت می رسد، ترانزیستور T₃ دوباره وصل می شود. ترانزیستور T₃ وصل می ماند تا وقتی که ترانزیستور T₂ دوباره قطع شود. با افزایش دور موتور فرصت پر شدن خازن C₅ کاهش می یابد و این بدان معنی است که ولتاژ نهایی خازن C₅، پس از پر شدن، کمتر خواهد بود و بنابراین سریعتر تخلیه خواهد شد. در نتیجه ترانزیستور T₃ زود تر وصل می شود و دوره مکث طولانی تر خواهد بود.

جریان خروجی از این ترانزیستور محرک، طبقه خروجی توان (زوج دارلینگتون) را تحریک می کند. در این مدار دارلینگتون، جریانی که به بیس ترانزیستور T₅ می رسد تقویت می شود و جریان بسیار بالاتری به بیس ترانزیستور T₆ می رسد. سپس این جریان اولیه بالا، از طریق ترانزیستور T₆ ، وارد کوئل می شود. جریان اولیه در سمت کلکتور این ترانزیستور وصل می شود. مدار دارلینگتون به صورت یک ترانزیستور عمل می کند و غالبا آن را طبقه توان می نامند.

آن دسته از عناصر مدار که در این توضیح ذکری از آنها به میان نیامد، کارهایی از قبیل محافظت در برابر نیروی ضد محرکه کوئل (D₉  ,  ZD₄) و جلوگیری از کاهش بیش از حد مکث (C₄  ,ZD₂) به عهده دارند. جعبه راه انداز در مولد پالس اثر هالی به صورتی شبیه آنچه شرح داده شد کار می کند. جعبه های راه انداز جرقه زنی آمیخته بسیار کوچکتر از آنهایی هستند که از عنصر های نا مجتمع استفاده می کنند.

• محدود کردن جریان و مکث حلقه – بسته

با استفاده از واحد محدود کننده جریان اولیه می توان مطمئن شد که سیستم بر اثر عبور جریان اولیه اضافی صدمه نمی بیند. این واحد بخشی از سیستم جرقه زنی انرژی ثابت نیز هست.جریان اولیه را به مقدار ماکزیمم از پیش تعیین شده می رسانند و آن را در همین مقدار نگه می دارند. مقدار این جریان را محاسبه می کنند. و سپس در حین ساخت مدول تقویت کننده این مقدار را مبنا قرار می دهند. این روش، وقتی با سیستم کنترل زاویه مکث ترکیب شود، کنترل حلقه – بسته نامیده می شود زیرا در آن مقدار واقعی جریان اولیه به مرحله کنترل پسخورانده می شود.

در این مدار از یک مقاومت دقیق پرتوان، با مقدار اهمی بسیار کم استفاده می شود( در شکل 12  نمودار بلوکی یک مدار کنترل مکث حلقه – بسته نشان داده شده است).

شکل 12

این مقاومت به صورت متوالی با ترانزیستور قدرت و کوئل بسته می شود. مدار حسگر ولتاژ که بین دو سر مقاومت بسته می شود، به ازای ولتاژی از پیش تعیین شده (که با شدت جریان متناسب است)، فعال می شود و سبب می شود که طبقه خروجی، جریان را محدود کند. به محض آن که طبقه خروجی،جریان را محدود کرد، ولتاژ حس شده افت می کند. این ولتاژ افت کرده نیز حس می شود و طبقه خروجی دوباره فعال می شود. این عملیات با سرعت بسیار زیاد تکرار می شود و جریان اولیه اصلی را محدود می کند. تنظیم کننده با چنان سرعتی قطع و وصل می شود که میدان مغناطیسی کوئل به اندازه کافی  از بین نمی رود که جرقه ایجاد شود . وقتی سوئیچ باز است، اما موتور روشن نیست از سیستم قطع جریان در هنگام خاموشی موتور استفاده می شود. در بسیاری از موارد این سیستم از یک مدار زمان گیر (تایمر) ساده تشکیل می شود که پس از گذشت حدود یک ثانیه طبقه خروجی را قطع می کند.

• سیستم جرقه زنی تخلیه خازنی

از این سیستم  سالیان متمادی در بعضی از مدل های پورشه 911 و نیز بعضی از مدل های فراری استفاده شده است. در حال حاضر از روش جرقه زنی تخلیه خازنی در سیستم جرقه زنی مستقیم SAAB استفاده می شود که در ادامه مطلب آن را شرح می دهیم.

در شکل زیر نمودار بلوکی سیستم جرقه زنی تخلیه خازنی نشان داده شده است. در این سیستم ابتدا ولتاژ باتری به 400 ولت (DC) می رسد؛ بدین منظور از یک نوسان ساز و یک ترانسفورماتور، پس از آن، یک یکسو کننده استفاده می شود. از این ولتاژ بالا برای پر کردن خازن استفاده می شود.

 در لحظه جرقه زدن، خازن در سیم پیچ اولیه کوئل تخلیه می شود. این عمل غالبا با استفاده از یک تریستور انجام می گیرد. این تخلیه سریع از طریق اولیه کوئل، سبب تولید خروجی ولتاژ بالا در سیم پیچ ثانویه می شود. این ولتاژ، در مقایسه با سیستم القایی معمولی، خیلی سریعتر تولید می شود. آهنگ تولید ولتاژ در سیستم جرقه زنی تخلیه خازنی در حدود 3 تا 10 کیلو ولت بر میکرو ثانیه است؛ حال آنکه در سیستم القایی این آهنگ به حدود 300 تا 500 ولت بر میکرو ثانیه می رسد این زمان بسیار اندک و ولتاژ بسیار بالا سبب می شود که حتی شمع دوده گرفته یا روغن زده نیز جرقه بزند. اما عیب این سیستم کوتاه بودن عمر جرقه است که می تواند.، به ویژه در هنگام استارت زدن و روشن کردن موتور، مشکلاتی ایجاد کند. غالبا با فراهم آوردن امکاناتی برای جرقه زنی مکرر، این مشکل را حل می کنند