Hệ thống đánh lửa bán dẫn

4.5.1 Phân loại và sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa bán dẫn 4.5.1.1 Phân loại hệ thống đánh lửa bằng điện tử

HTĐL kiểu bán dẫn được phân thành hai loại:

- Hệ thống đánh lửa kiểu bán dẫn cĩ tiếp điểm (dùng tiếp điểm cơ khí – má vít điều khiển quá trình đĩng – cắt để phân phối điện cao áp đến các bugi).

- Hệ thống đánh lửa kiểu bán dẫn phi tiếp điểm (dùng các phần tử phi tiếp điểm để điều chỉnh quá trình đĩng – cắt để phân phối điện áp cao áp đến các bugi).

4.5.1.2 Nguyên lý hoạt động của đánh lửa bán dẫn

Mạch đánh lửa rất phức tạp vì dùng mạch IC, hoạt động của bộ đánh lửa được giải thích ở đây chúng ta dùng sơ đồ mạch đơn giản hố.

- Khi động cơ dừng: Cĩ điện áp ở điểm (P) khi bật khố điện (hình 4.35). Điện áp ở điểm (P) được giữ ở dưới mức điện áp cơ bản để cho tranzitor hoạt động qua sự phân chia

Hình 4.42. Cảm biến vị trí trục cam

Hình 4.43. Cấu tạo và sơ đồ mạch cảm biến kích nổ

77 điện áp bởi điện trở R1 và R2. Kết quả là, tranzitor khơng hoạt động khi động cơ dừng, vì vậy khơng cĩ dịng điện sơ cấp chạy trong cuộn đánh lửa.

- Khi động cơ hoạt động (điện áp dương sinh ra trong cuộn nhận tín hiệu): Rơ to tín hiệu của bộ chia điện quay, sinh ra điện áp xoay chiều trong cuộn nhận tín hiệu.

Nếu điện áp sinh ra là dương, thì nĩ bổ sung cho điện áp từ ắc quy (đặt lên điểm (P), tăng điện áp điểm (Q) (điểm áp gốc)) vượt qua điện áp hoạt động của tranzitor, như vậy tranzitor mở (hình 4.43). Do đĩ, dịng điện sơ cấp trên cuộn đánh lửa chạy qua tranzitor từ cực gĩp (C) tới cực điều khiển (E).

- Khi động cơ hoạt động (điện áp âm sinh ra trong cuộn nhận tín hiệu): Khi điện áp xoay chiều sinh ra trong cuộn nhận tín hiệu âm (hình 4.45), điện áp này được bổ sung cho điện áp tại điểm (P), vì vậy điện áp tại điểm (Q) giảm xuống dưới mức điện áp hoạt động tranzitor làm cho tranzitor đĩng. Do vậy, dịng điện sơ cấp của cuộn đánh lửa tắt và sinh ra điện áp cao trong cuộn thứ cấp.

Chú ý: Hệ thống đánh lửa bán dẫn, bộ đánh lửa giữ cho tranzitor hoạt động, cho phép dịng điện sơ cấp ở cuộn dây đánh lửa chạy trong suốt thời gian khố điện mở, thậm chí

Động cơ chưa làm việc Động cơ làm việc

Hình 4.45. Điện áp âm sinh ra trong cuộn nhận tín hiệu

Tranzitor mở (hoạt động)

78 ngay cả khi động cơ khơng hoạt động. Bộ đánh lửa kiểu này (hình 4.45) dịng điện ngừng chạy tới cực gốc và tranzitor đĩng khi động cơ hoạt động vì vậy bộ phát tín hiệu sinh ra điện áp âm. Do đĩ, dịng điện sơ cấp của cuộn đánh lửa bị tắt.

4.5.2 Hệ thống đánh lửa bán dẫn cĩ tiếp điểm điều khiển 4.5.2.1 Sơ đồ cấu tạo

1. Tiếp điểm (má vít). 2. Biến áp đánh lửa (bơ bin)

4. Tiếp điểm đấu tắt điện trở trong máy khởi động

5. Khĩa điện 6. Bình ắc quy

4.5.2.2 Nguyên lý làm việc

Nguyên lý làm việc của sơ đồ như sau: Khi cơng tắc (khĩa) khởi động 5 đĩng, và tiếp điểm (má vít) 1 ở trạng thái đĩng, tranzito T thơng, trong cuộn sơ cấp của BAĐL (W1) cĩ dịng chạy qua theo mạch: Từ cực dương (+) của ắc quy → cơng tắc (khĩa) khởi động 5 → điện trở phụ Rp → cuộn dây sơ cấp W1 → tiếp giáp E – C của tranzinto T khĩa, dịng điện trong cuộn dây sơ cấp W1 bằng khơng (I1 = 0), trong cuộn dây thứ cấp W2 của BAĐL sẽ xuất hiện s.đ.đ. cảm ứng cĩ trị số cao đưa đến bộ chia điện để tạo ra hiện tượng phĩng tia lửa điện giữa các điện cực của bugi.

Ưu điểm chính của HTĐL loại này là nâng cao được độ bền của cặp tiếp điểm (má vít)1 của bộ chia điện vì nĩ đĩng – cắt dịng cực gốc IB của tranzinto T rất bé

(IB = Ic/β – β là hệ số khuếch đại dịng của T).

Để cải thiện quá trình khĩa tranzinto T, trong thực tế, HTĐL bán dẫn cĩ tiếp điểm cơ khí thường dùng phương pháp “khĩa tích cực” tranzinto. Một trong những phương pháp đĩ thực hiện như sau: Tại một thời điểm tiếp điểm (má vít) của bộ chia điện ( tiếp điểm 1 trên hình 4.46) mở, đưa một điện áp dương (so với cực phát của tranzinto T) vào cực gốc của tranzinto T. Khi đĩ tốc độ giảm của dịng điện sơ cấp của BAĐL rất lớn và trong cuộn dây thứ cấp của BAĐL sẽ nhận được một trị số điện áp thứ cấp U2 rất lớn.

4.5.2.3 Hệ thống đánh lửa kiểu bán dẫn dùng bộ chuyển mạch TK-102

Trong sơ đồ gồm các phần tử: Bộ chuyển mạch TK-102, biến áp đánh lửa 2, tiếp điểm (má vít) 1, bộ chia điện 3, các điện trở phụ Rp1(0,5Ω), cơng tắc (khĩa) khởi động 5 và tiếp điểm 4 (trong hệ thống khởi động ).

Bộ chuyển mạch gồm các phần tử: Tranzinto T, điốt ổn áp Đ1, điốt Đ2 và biếp áp BA, tụ C1(1µF), tụ C2 (50 µF), điện trở R1(2 Ω) và điện trở R2 (27 Ω). Nguồn cấp cho HTĐL được cấp từ ắc quy hoặc máy phát điện với cấp điện áp bằng 12V, cuộn dây sơ cấp W1 của BAĐL nối vào cực phát, tiếp điểm 1 của bộ chia điện nối với cực gốc của tranzito T.

Hình 4.46. Sơ đồ nguyên lý của HTĐL kiểu bán dẫn cĩ tiếp điểm cĩ khí

79 Nguyên lý làm việc của hệ thống như sau: Khi khĩa khởi động 5 đĩng, tiếp điểm 1 đang ở trạng thái đĩng, tranzinto T thơng ( vì thế của cực gốc âm hơn so với cực phát) và trong cuộn dây sơ cấp W1 của BAĐL cĩ dịng I1 chạy qua (đường đi của dịng điện I1 theo chiều mũi tên).

Khi tiếp điểm 1 mở ra, tranzito T khĩa, dịng điện trong mạch sơ cấp của BAĐL giảm đột ngột, và trong cuộn dây thứ cấp W2 của BAĐL cảm ứng ra một điện áp cao, điện áp đĩ đưa đến bộ chia điện 3 và được phân phối đến các bugi. Biến áp BA làm nhiệm vụ khĩa tích cực tranzito T (thế của cực gốc ở thời điểm 1 mở dương hơn so với thế cực phát của tranzinto T).

Điện trở R2 tạo ra một bổ xung áp khĩa chắc chắn tranzito T với thời gian nhanh hơn. Do cĩ điện trở R2, thời gian khĩa tranzinto bằng khoảng 30µs, nếu khơng thời gian khĩa kéo dài tời 60 µs. Trong sơ đồ này khơng cần tụ điện mắc song song với tiếp điểm 1 của bộ chia điện, vì trong sơ đồ đã cĩ điện trở R2 và biến áp BA đảm bảo cho tốc độ giảm của dịng điện I1 một cách đột ngột.

Điốt ổn áp Đ1 dùng để bảo vệ quá áp cho tranzitoT. Điốt Đ2 dùng để hạn chế dịng cho điốt Đ1

Các điện trở phụ Rp1 và Rp2 dùng để bảo vệ quá dịng cho tranzinto khi động cơ ơ tơ khởi động .

Tụ điện C2 bảo vệ quá áp ngẫu nhiên cho tranzinto T, quá áp ngẫu nhiên đĩ cĩ thể xuất hiện khi nguồn cấp cho HTĐL này được cấp từ máy phát điện và sự cố cĩ thể xảy ra trong máy phát điện hoặc trong bộ tiết chế.

Mạch R1-C1 làm nhiệm vụ giảm tổn thất cơng suất trên tranzito trong thời gian chuyển mạch của nĩ tránh cho tranzito khơng bị phát nĩng quá giới hạn cho phép.

Nhược điểm của sơ đồ này là ta vẫn phải bảo dưỡng điều chỉnh tiếp điểm 1 của bộ chia điện nên độ tin cậy trong quá trình làm việc khơng cao.

80

4.5.2 Hệ thống đánh lửa bán dẫn khơng cĩ tiếp điểm

4.5.2.1 Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của hệ thống đánh lửa bằng điện tử dùng CBĐL kiểu cảm ứng

a. Cấu tạo

CBĐL kiểu cảm ứng là loại cảm biến làm việc theo nguyên lý máy phát điện.

Khi rơ to quay, làm thay đổi khe hở khơng khí giữa rơ to và mạch từ của cuơn dây, từ thơng mắc vịng qua cuộn dây bị thay đổi, sẽ làm suất hiện trong cuộn dây một s.đ.đ. xoay chiều biến thiên. Điện áp ở hai đầu dây của cuộn dây của bộ cảm biến dùng để điều khiển chê độ làm việc (chế độ đĩng – cắt) tranzinto trong HTĐL. Số vấu trên rơ to của cảm biến tướng ứng với số xi lanh của động cơ ơ tơ.

Nhược điểm chính của CBĐL kiểu cảm ứng là: Tín hiệu điện áp ra của bộ cảm biến cĩ dạng phi tuyến và biên độ của nĩ phụ thuộc vào tốc độ quay của rơ to. Đặc biệt ở chế độ khởi động, điện áp ra của bộ cảm biến khơng đủ lớn để đưa trực tiếp vào điều khiển transitor cơng suất trong hệ thống đánh lửa, vì vậy trọng HTĐL phải cĩ thêm mạch ổn định và biến đổi điện áp ra của CBĐL thành dạng sung áp chữ nhật trước khi đưa vào điều khiển transitor cơng suất trong hệ thống đánh lửa.

b. Nguyên lý làm việc

Hình 4.48. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của CBĐL kiểu cảm ứng

81 Khi điện áp ra của CBĐL đưa vào điểm p cĩ giá trị âm, transitor T1 khĩa, các tranzinto T2 và T3,T4 thơng , sẽ cĩ dịng điện I1 chạy qua cuộn dây sơ cấp W1 của biến áp đánh lửa theo mạch: Từ cực (+) của ắc quy→ khĩa khởi động K→cuộn dây sơ cấp của biến áp đánh lửa W1 →Đ4 →tiếp giáp C, E của transitor T4→mát (vỏ máy). Khi điện áp ra của CBĐL đặt vào điểm P cĩ giá trị dương.T1 thơng, các transitor T2,T3 và T4 khĩa, dịng điện sơ cấp I1 của BAĐL giảm nhanh về khơng, trong cuộn dây thứ cấp W2 của BAĐL xuất hiện điện áp cao áp U2 phĩng điện qua khe hở của bu gi.

Mạch dao động R1-C2 làm nhiệm vụ ổn định điện áp ra của CBĐL.Các tụ điện C3 và C4 cĩ tác dụng ngăn cách các thành phần nhiễu xoay chiều.

Đi ốt Đ4, điện trở R5 và tụ điện C5 là mạch hồi tiếp điểm làm tăng tốc dịng điện thơng – khĩa của transitor T1.

Tụ điện C6 tạo ra một số lần phĩng – nạp trong quá trình động cơ ơ tơ khởi động , nhờ vậy tạo được một vài lần đánh lửa tạo thuận lợi cho quá trình chân lửa hỗn hợp cơng tác khi khởi động ơ tơ.

Đi ốt ổn áp Đz dùng để bảo vệ quá áp cho các transitor T3 và T4.

Đi ốt Đ3 bảo vệ an tồn cho hệ thống trong trường hợp lắp sai cực tính của ắc quy. Tụ điện C1 làm nhiệm vụ san phẳng điện áp cung cấp cho hệ thống.

4.5.2.2 Hệ thống đánh lửa kiểu điện dung

HTĐL kiểu điện dung là hệ thống mà năng lượng đánh lửa được tích lũy trong điện trường của một tụ điện đặc biệt. Ví dụ một tụ điện cĩ trị số điện dung bằng 2µF, được nạp tới điện áp 300V, khi đĩ năng lượng

tích lũy trong điện trường của tụ điện là 90mJ tương đương với năng lượng tích lũy trong HTĐL kiểu điện cảm cĩ trị số dịng I1=7A và L1 = 3mH.

a. Sơ đồ

Các khối chức năng chính trong sơ đồ gồm: Bộ biến đổi điện áp một chiều từ điện áp thấp ( 12V) thành điện áp cao (300 ÷ 400) để nạp cho tụ điện C, bộ điều khiển quá trình nạp – phĩng của tụ điện C dùng thiristor Th và mạch điều khiển mở - khĩa thiristor Th (cĩ thể dùng tiếp điểm S( má vít) trong bộ chia điện hoặc dùng tín hiệu điện từ các bộ CBĐL.

Sự khác biệt so với HTĐL kiểu điện cảm là trong HTĐL kiểu điện dung do

Hình 4.50. Sơ đồ khối HTĐL kiểu điện dung

1. Nguồn điện một chiều thấp áp; 2. Bộ biến đổi điện áp một chiều; 3. Bộ đánh lửa bán dẫn; P. Đầu dây đưa tới bộ chia điện cao áp; C. Tụ điện tích lũy năng lượng; S. Tiếp điểm điều khiển (má vít) trong bộ chia điện; Th. Thiristor

82 quá trình phĩng điện của tụ điện C xảy ra trong một thời gian rất ngắn, nên tia lửa điện giữa hai điện cực của bugi xuất hiện cùng với quá trình tăng của dịng điện I1 trong mạch sơ cấp của BAĐL.

b. Nguyên lý làm việc

Khi cơng tắc khởi động K đĩng, sụt áp trên điện trở mạch phân áp R1 đặt thế dương vào cực gốc của transistor T1,T1 thơng. Sẽ cĩ dịng chạy trong cuộn dây 1 của biến áp theo mạch: Từ cực (+) của ắc quy →cơng tắc (khĩa) khởi động K →cuộn dây 1 của biến áp →tiếp giáp (C-E)của transistor T1 →mát (vỏ máy).

Khi T1 thơng, trong cuộn dây 2 của BA sẽ cảm ứng ra một sức điện động cảm ứng cĩ cực tính ngược lại (thế âm đặt vào cực gốc của T1) làm cho trạng thái thơng chuyển sang trạng thái khĩa. Nhờ cĩ mạch hồi tiếp (cuộn dây 2 của BA) kiểu biến áp, nên transistor T1 liên tục tha đổi trạng thái thơng – khĩa.

Kết quả trên cực gĩp của T1 nhận được dãy xung dạng chữ nhật. Như vậy, T1 và BA là mạch dao động biến điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều. Đồng thời trong cuộn dây thứ cấp 3 của biến áp BA sẽ cảm ứng ra một sức điện động xoay chiều cao áp, thồng qua điốt Đ2 chỉnh lưu thành điện áp một chiều nạp cho tụ điện C2.Trị số điện áp này cĩ thể dạt tới 450V.

Khi tiếp điểm (má vít) của bộ chia điện S ở trạng thái đĩng,Transistor thơng, tụ điện C1 được nạp điện theo mạch: Cực dương của ắcquy → tiếp giáp (E-C) của T2 → R5 → C1 → mắt (vỏ máy), lúc này T3 khĩa.

Khi cơng tắc khởi động S mở, T2 khĩa. Cực gốc của T3 qua điện trở R6 được nối với mát (0V), cịn cực phát của T3 được đấu vào bản cực dương của tụ C1(vì trước đĩ tụ C1 đã được nạp điện) cho nên T3 thơng, tụ C1 phĩng điện theo mạch: Bản cực dương (+) của tụ C1 → tiếp giáp với (E-C) của T5 → R7 → tiếp giáp (G-K) thiristor Th →mát (vỏ máy) → bản cực âm(-) của tụ C1, dẫn đến thiristor Th thơng. Tụ điện C2 sẽ phĩng điện theo mạch: Bản cực (+) của tụ điện C2 →thiristor Th →cuộn dây sơ cấp w1 của BAĐL → cực âm(-) của tụ C2.

83 Sự biến thiên đột ngột của dịng điện I1 trong mạch sơ cấp của BAĐL sẽ làm suất hiện trong cuộn dây thứ cấp W2 của BAĐL một sức điện động cảm ứng cĩ trị số cao thực hiện quá trình phĩng điện giữa các điện cực của bugi.

4.5.4 Hệ thống đánh lửa một số hãng

4.5.4.1 Sơ đồ mạch đánh lửa tích hợp IIA của Toyota

4.5.4.2 Sơ đồ mạch đánh lửa điện tử cĩ bộ chia điện sử dụng ECU của Toyota