Konwencjonalny uklad zaplonowy wynaleziony przez Charlesa Ketteringa w 1910 roku jest dzis anachroniczny. Przerywacz ulega zuzyciu i kat wyprzedzenia zaplonu jest nieprecyzyjny. Urzadzenie podcisnieniowe regulujace kat wyprzedzenia zaplonu jest dalece nieoptymalne. Do tego zdarza sie wypadanie zaplonow skutkujace nierowna praca silnika z powodu zbyt malej energi iskry na swiecy.
Rownie anachroniczny do dawkowania paliwa jest gaznik. Pierwszy komercyjny system elektronicznego wtrysku paliwa zbudowal Bosch a zastosowal w swoich samochodach Volkswagen w 1967 roku.
Opis historycznego juz systemu D-Jetronic jest dostepny. Zastosowano w nim indukcyjny czujnik pod-cisnienia. W interfejsie sensora nie uzyskuje sie jednak napiecia stalego odpowiadajacego danemu parametrowi. Napiecie wypracowane przez obwod z temistorem podaje sie do ukladu z indukcyjnym czujnikiem cisnienia i tam nastepuje procesowe "mnozenie".
Zestaw elementow systemu wtrysku paliwa X-Jetronik ( X oznacza kolejne rodziny wtryskow ) od Boscha mozna ( drogo ) kupic
Osobno jest u Boscha i innych firm oferowany zaplon a osobno jest elektroniczny wtrysk paliwa ale to sie niebawem zmieni.
Aby uruchomic w Polsce produkcje systemu wtrysku wystarczy pojedyncze maszyny kupic do produkcji wtryskiwaczy.
Wtrysk paliwa i zaplon maja zapewnic ekonomie i osiagi silnika. Rozrusznik i zaplon sa krytyczne dla rozruchu silnika w niskiej temperaturze.
Fiat 125P i Polonez staja sie mocno przestarzale. Nowy samochod musi miec przedni naped. Sprawa konstrukcji i oprzyrzadowania produkcji zespolu napedowego jest skomplikowana i kosztowna.
Najprostsze wydaje sie zaprojektowanie i wykonanie kolejnego nowego nadwozia jak z Polonezem.
Nowy czy zmodyfikowany samochod powieniem miec silnik z elektronicznym wtryskiem paliwa ( lub pseudo wtryskiem ) oraz elektroniczny uklad zaplonowy. Pozwoli to polepszyc osiagi silnika, poprawi ekonomie jego pracy i zmniejszy emisje zanieczyszczen.
Warto zauwazyc ze obecnie bez modernizacji samochodow mozemy szybko wypasc z grona cywilizowanych krajow ktore produkuja samochody.
Energie impulsow zaplonu podczas testow nalezy precyzyjnie mierzyc. Wrozenie z fusow po kawie na podstawie niepowaznych, sukiektywnych pojedynczych "testow" w samochodzie jest niepowazne.
Wyladowanie indukcyjne na swiecy w cylindrze odbywa sie przy napieciu około 1600V ale w powietrzu przy napieciu tylko około 500V. Zatem musimy dodac brakujace 1100V. Jest to 31 szeregowo polaczonych diod zenera malej mocy na 33V ( przy pradzie 30mA jest na nich napiecie ca 35.4V ) Koniecznie nalezy zachowac rezystor przeciwzakloceniowy Rp aby faza pojemnosciowa wyladowania nie przeciazala diod zenera. Uzywamy swiece z roznymi szczelinami. Zanikajacy prad wyladowania indukcyjnego na rezystorze w szereg z diodami Zenera mozemy obserwowac oscyloskopem lub lepiej jego srednia wartosc mierzyc miernikiem. Pomijajac faze narastania napiecia do poziomu przebicia szczeliny w swiecy jest to converter - przetwornica Flyback. Sprawnosc tej przetwornicy zalezy od cewki, napiecia zasilania i pradu koncowego. Orientacyjnie sprawnosc wynosi 35-55%.
W testach porownawczych ukladu zaplonowego przekaznik zamiast przerywacza mozna zastosowac ale tylko do czestotliwosci impulsow <10Hz. Pozniej nastepuja rezonanse i odbijanie stykow przekaznika. Nalezy uklad testowy zasilac obnizonym napieciem aby ograniczyc prad cewki.
Przy uzyciu do testow silnika samochodu nalezy zachowac srodki ostroznosci. Mocno zaciagniety musi byc hamulec reczny samochodu i ustawiony luz na skrzyni biegow. Jesli pracujemy w zamknietym garazu to gumowa rura do gazow spalinowych odprowadza je na zewnatrz
Adaptujac samochod do testow trzeba zainstalowac konektory i zlacza aby moc w kazdej chwili powrocic do normalnej pracy samochodu. Robiac to warto skorzystac z pomocy fachowego elektryka samochodowego aby nie byc nieprzyjemnie zaskoczonym powstalymi uszkodzeniami. Takie same zlacza opisujemy ! Poprawiamy schemat instalacji samochodu jesli odbiega on od zalaczonego schematu.
Podany przez producenta akumulatora "prad rozruchu" to prad jaki dostarczy w 100% naladowany nowy akumulator o napieciu nominalnym 12V w temperaturze minus 18 stopni w ciągu 60 sekund do koncowego spadku napięcia 8,4 V czyli 1.4 V na ogniwo. Według niemieckich norm DIN dla akumulatora o pojemności 55 Ah prąd rozruchowy wynosi 266 A, a według normy amerykańskiej SAE 423 A.
Produceni dostarczaja w dokumentacjach serie wykresow charakteryzujacych akumulator jako urzadzenie elektrochemiczne jak chocby przebiegi napiecia rozladowania przy roznych pradach i temperaturach. Generalnie im wiekszy prad obciazenia tym mniejsza jest pojemnosc akumulatora. Przy bardzo duzych obciazeniach pojemnosc akumulatora jest zdumiewajaco mala. Pojemnosc akumulatora spada ( a rosnie opornosc wewnetrzna ) juz od temperatury ca +30C !
Zywotnosc akumulatorow w cyklach podawana jest dla koncowej pojemnosci 60% nowego akumulatora.
Napiecie "float" dla utrzymania akumulatora w 100% stanie naladowania rosnie o ca 2mV/C na ogniwo przy spadku temperatury. Tak wiec napiecie regulowane przez regulator alternatora powinno zalezec od temperatury akumulatora-otoczenia. Dla napiecia niezaleznego od temperatury istotny jest historgram temperatur w roku. W klimacie zimniejszym napiecie ladowania powinno byc wyzsze. Za male napiecie spowoduje ze przy niszych temperaturach akumulator bedzie notorycznie nienaladowany i szybko sie zasiarczy. Wystapia tez problemy z rozruchem. Przy zbyt duzym napieciu przy upalnym lecie akumulator bedzie silnie przeladowany co tez skroci jego zywotnosca akumulator a hermetyczny akumulator moze sie rozszczelnic czy wrecz wybuchnac bowiem zdolnosc katalitycznego laczenia wodoru jest ograniczona.
W pojazdach specjalnych ZSRR jest przelacznik pozwalajacy zwiekszyc napiecie w instalacji o ca 0.7V i dostosowac sie do zimnej pogody.
Rozrusznik silnika spalinowego jako wzglednie maly automatycznie sprzegany z silnikiem spalinowym szybkobiezny silnik szeregowy pradu stalego to patent Charlesa Ketteringa z 1911 roku z firmy Dayton Engineering Laboratories Company czyli DELCO.
Charles Kettering opracował takze rownolegle wspomniany "niezawodny" zaplon akumulatorowy. Mimo iz udalo sie dzieki kondensatorowi Katteringa uniknac zapalania luku na przerywaczu i szybkiej erozji stykow przerywacza to nadal podlega on mechanicznemu zuzyciu a zaplon jest malo precyzyjny i wymaga okresowych regulacji. O ekonomi pracy silnika w takiej sytuacji trudno jest mowic.
Proces rozruchu silnika spalinowego zalezy glownie od jego temperatury oraz stanu akumulatora. Ale energia iskry na swiecach ma spore znaczenie dla rozruchu. Czas rozruchu mozna dosc latwo automatycznie zmierzyc. Mozna takze latwo zmierzyc ladunek jaki pobiera z akumulatora rozrusznik podczas procesu rozruchu. Powiekszona opornosc akumulatora wystepujaca w obnizonych temperaturach mozna zasymulowac wlaczajac w obwod dodatkowy przewod jako opornik.
Zwrocmy uwage ze obecna stacyjka do kontroli rozruchu jest rowniez prymitywna. Inicjowany przez kierowce przyciskiem rozruch moze i powinien byc automatyczny.
Poczworny wzmacniacz operacyjny LM324 doskonale nadaje sie do elektroniki systemow testowych samochodow. Jego zakres wejsciowych napiec wspolnych obejmuje zero. Takze zakres wyjscia jest prawie do zera. Jako wolny komparator jest malo wrazliwy na zaklocenia.
Pomiar wlasnosci silnika samochodowego bez hamowni nie jest prosty ale jednak polowicznie mozliwy. Operator przy biegu jalowym silnika ma szybko maksymalnie wcisnac pedal gazu, Mierzymy czas od przekroczenia okreslonych obrotow silnika ( aby wyeliminowac nieokreslonosc szybkosci wcisniecia pedalu gazu ) do obrotow maksymalnych, gdy odcinamy zaplon chroniac silnik i zapalajac ostrzegawcza kontrolke. Oczywiscie operator w reakcji na sygnal kontrolki musi zdjac noge z pedalu gazu.
W masowej produkcji samochodow Pick-Up Coil czyli sensor reluktancyjny i elektroniczny zaplon tranzystorowy pierwszy stopniowo zastosował Chrysler poczawszy od 1973 roku. Zas w 1976 roku wprowadzil on modele z "cyfrowym" sterowaniem kata wyprzedzenia zaplonu. Kolejnym krokiem jest komputerowy wtrysk paliwa zastepujacy kaprysny gaznik.
Generalnie optymalny kat wyprzedzenia zaplonu jest tym wiekszy im wieksza jest aktualna szybkosc pracy silnika i wieksze podcisnienie czyli mniejsze obciazenie. Kat wyprzedzenia mozna wyliczac lub dla malo wydajnego mikrokontrollera stablicowac w pamieci ROM programu.
Technologia do produkcji Pick-Up Coil jest typowa i opanowana od dekad i mocno zautomatyzowana. W Polsce bez zadnego problemu sensory reluktancyjne moga byc masowo produkowane.
Alternatywa dla Pick-Up Coil czyli sensora reluktancyjnego jest sensor Halla oraz transoptor szczelinowy lub odbiciowy. CEMI produkuje transoptory i kwestia jest tylko odpowiednia obudowa do nich.
Zestawienie danych konstrukcyjnych wielu cewek zaplonowych jest dostepne w "Elektrotechniczeskij sprawocznik. Tom 3 , Kniga wtoraja" Moskwa, Energoatomizdat, 1982. Nietrudno sie domyslec ze sa to kopie cewek zaplonowych koncernow Delco i Bosch.
Typowa cewka zaplonowa ma przekladnie około 85. Uzwojenie pierwotne ma około 270 zwoi a wtorne około 24 tysiecy. Z racji konstrukcji olejowej cewki zaplonowej indukcyjnosc rozproszenia jest bardzo duza. Przekladnia moze sie wachac od 55 do 120. Cewki zaplonowe do zaplonu elektronicznego z tranzystorami nie-wysokonapieciowymi maja przekladnie około 220 ! Uzwojenia maja ca 180:40000 zwoi.
Cewki o duzej przekladni stwarzaja problemy bowiem jesli tranzystor zostanie zalaczony przy jeszcze trwajacym wyladowaniu lukowym na swiecy to bedzie ono kontynuowane ( w modzie convertera Forward ) po zmianie znaku napiecia na swiecy ( za maly jest czas na dejonizacje przerwy w swiecy ) jako ze napiecie 14V * 220 = 3080 V jest wieksze niz napiecie luku na swiecy. Aby tego uniknac trzeba dac w szereg z uzwojeniem wtornym cewki bardzo szybka diode wysokonapieciowa ( o napieciu > 5...20KV ) ktora zapobiegnie podtrzymywaniu luku przy wlaczonym tranzystorze. Sama dioda uczestniczy tez w generacji wstecznego przepiecia. Oczywiscie im szybsza dioda tym wystarczajace mniejsze napiecie wstecze diody.
Zaleta cewek zaplonowych o duzej przekladni i malej indukcyjnosci uzwojenia pierwotnego jest to ze pelna energia jest akumulowana nawet przy najwyzszych obrotach silnika co jest cenne a takze przy rozruchu przy malym napieciu akumulatora. Przy rozruchu mozna nawet wygenerowac dwie iskry.
Nietrudno sie domyslec ze rozne dane cewek zaplonowych wynikaja z NIE przeprowadzenia optymalizacji nawet dla klasycznej konstrukcji olejowej. Przy odejsciu od izolatora olejowego na rzecz stalego mozna sobie wyobrazic mnostwo innych konstrukcji.
Czesto z szereg z zasilaniem cewki zaplonowej jest wlaczony dodatkowy rezystor ograniczajacy prad przerywacza przy malych obrotach zwierany w czasie rozruchu, gdy akumulator ma mocno obnizone napiecie.
Cewka zaplonowa uzyta do testow ma przekladnie 85.
Indukcyjnosc uzwojenia pierwotnego wynosi 9.5mH a jego indukcyjnosc rozproszenia 1.6mH. Opornosc wynosi 3 Ohm.
Przy symetrycznym rozlozeniu rozproszenia indukcyjnosci, indukcyjnosci uzwojenia pierwotnego pomnozone przez kwadrat przekladni czyli 7225 daja indukcyjnosci uzwojenia wtornego.
Indukcyjnosc uzwojenia wtornego wynosi wiec 68.6H a jego indukcyjnosc rozproszenia 11.6H. Opornosc 14KOhm.
Pojemnosc uzwojenia wtornego wynosi 51pF. Pojemnosc ta przeniesiona na strone pierwotna wynosi 7225*51pF = 368 nF a wiec jest podobna jak kondensatora Katteringa.
Bez iskry po stronie wtornej, napiecie na uzwojenu pierwotnym z kondensatorem Ketteringa o wartosci 0.22uF przy przerwaniu pradu o wartosci 4A powinno siegnac 430V. Tymczasem z racji sporej stratnosci "rdzenia" cewki zaplonowej napiecie osiaga jedynie 360V. Istotnie stratnosc rdzenia ( prady wirowe i histereza ) ze zwyklych blach transformatorowych przy kiloherzowych czestotliwosciach jest duza.
Pomiar opornosci uzwojen cewki jest trywialny. Natomiast pomiary indukcyjnosci mostkami daja czesto nonsensowne wyniki z uwagi na rezonans indukcyjnosci uzwojenia wtornego z jego pojemnoscia.
Uzwojenie wtorne mozna dolaczyc do napiecia sieciowego 220V - 50Hz i mierzac prad wyznaczyc impedancje. Dobroc tej indukcyjnosci przy czestotliwosci 50Hz nie jest duza. Dla przykladowej cewki impedancja indukcyjna wynosi przy 50Hz, 68.6*314.. = 21.5 KOhm. Calkowita impedancja jest pierwiastkiem z sumy kwadratow opornosci i impedancji indukcyjnej i wynosi 25.7 KOhm. Pobor pradu z sieci zasilajacej 220V faktycznie wynosi 8.6 mA. Mierzac napiecie na uzwojeniu pierwotnym wyznaczamy przekladnie.
Do uzwojenia pierwotnego mozna podac napiecie 50Hz o wartosci do 12V.
Dysponujac przestrajanym generatorem dosc latwo mozna wyznaczyc indukcyjnosci rozproszenia i pojemnosci uzwojenia wtornego.
Przebiegi napiec i pradow wystepujace w zaplonowym ukladzie Katteringa sa dosc skomplikowane. W literaturze polskojezycznej nie ma dostepnej analizy sprawnosci cewki zaplonowej w "konverterze Flyback" pozwalajacej optymalizowac cewke i uklad.
Tak jak ZSRR nasladuje DELCO i Boscha tak samo Polska produkuje cewki na licencji albo i bez licencji.
Powaznym problemem jest tranzystor mocy do sterowania cewki zaplonowej a dokladnie jego cena i trudnosc zakupu czyli jego faktyczny brak. Tranzystor musi przezyc awaryjna sytuacje braku przebicia na swiecy przy maksymalnej energi zmagazynowanej w cewce. Jest to trudna sytuacja.
Technologia wytwarzania zaawansowanych ukladow scalonych jest coraz bardziej skomplikowana. Na tym tle technologia produkcji tranzystorow jest prostacka. Cywilizowany kraj wielkosci Polski bez zadnego problemu powinien produkowac wszelkie tranzystory.
Szczegoly konstrukcyjne i technologiczne tranzystorow sa omawiane w literaturze. Sa nawet omawiane urzadzenia produkcyjne.
Procesor Intel 80286 zostal wytworzony w technologi CMOS o rozdzielczosci 1.5um podczas gdy procesor 8080 produkowano z uzyciem technologi NMOS o rozdzielczosci 6um. Koszt przemyslowej lini produkcyjnej o rozdzielczosci 5um w drugiej polowie ubieglej dekady nie przekraczal 20 mln dolarow. Taka technologia dysponuje rzekomo CEMI choc jest to watpliwe sadzac z plotek o uzysku produkcyjnym. Obecnie za linie produkcyjna o rozdzielczosci 1 um trzeba zaplacic około 300 mln dolarow ! Nietrudno sobie wyobrazic ze za dekade koszt linii produkcyjnej "0.3 um" przekroczy w miliard dolarow.
Warto zauwazyc ze jesli teraz faktycznie porzucimy produkcje polprzewodnikow to technologiczny pociag odjedzie bez nas i w dajacej sie przewidziec przyszlosci nie bedziemy produkowac polprzewodnikow.
Uklad testowy dla tranzystorow do ukladu zaplonowego jest bardzo prosty. Baze tranzystora sterujemy sygnalem prostokatnym z generatora G432 lub innego. Obrotom 3000 na minute czterocylidrowego silnika czterotaktowego odpowiada czestotliwosc 100 Hz. Rownolegle do wyprowadzen C-E tranzystorow dajemy snubber RC lub RCD. Przebiegi na tranzystorze obserwujemy oscyloskopem z sonda 10:1. Po stronie wtornej cewki zaplonowej jest swieca wlaczona szeregowo z wysokonapieciowa dioda Zenera ukladu pomiarowego, o ktorej byla juz mowa.
Generator G432 ma za maly prad wyjsciowy do sterowania tranzystorow o malym wzmocnieniu jak wysokonapieciowy BU326A. Trzeba wowczas dodac prosty uklad wzmacniacza na tranzystorze.
Do wspolpracy z sensorem reluktancyjnym czyli pick-up Motorola oferuje uklad MC3334, ktory reguluje a takze ogranicza prad koncowy tranzystora Darlingtona. W ukladzie o wysokiej energi impulsu zaplonu prad koncowy wynosi 6A. Dedykowana cewka zaplonowa ma mala opornosc i bez aktywnego ograniczenia pradu nie mozna jej uzyc. Rownie dobrze do sensora reluktancyjnego mozna zastosowac uklad z 3 tranzystorow ( jak w omowionym w innym miejscu ukladzie zaplonu koncernu Toyota ) i stosowanie ukladu MC3334 nie jest konieczne.
Chociaz wzmocnienie pradowe tych tranzystorow zalezy od temperatury to przy duzych pradach szybko spada a przy pradzie 6A jest malo zalezne od temperatury. Sterujac tranzystor stalym pradem bazy mozna nie stosowac extra aktywnego ogranicznika pradu bowiem z racji charakterystyk sam tranzystor dobrze polowicznie prad ograniczy ! Przy programowym sterowaniu z mikrokontrollera kat zalaczenia tranzystora jest taki aby przy malych obrotach czas zalaczenia tranzystora z ograniczeniem pradu byl maly celem minimalizacji mocy strat w tranzystorze. Ograniczenie pradowe ma tu marginalne znaczenie i mozna posilkowo - dodatkowo wykorzystac opisany wyzej fakt polowicznej autostabilizacji pradu kolektora o wartosci 6A.
Uklad z tranzystorem BU323A jest niezwykle prosty !
Wydaje sie ze produkcja takich tranzystorow w krajach RWPG nie zostanie niestety predko opanowana. Tranzystory Darlingtona technologicznie produkuje sie tak samo jak proste bipolarne uklady scalone. Jest to technologia prosta.
Francuski koncern Thomson produkowal od dawna tranzystory seri BDY23...28 ( sa w katalogu na 1975 rok ale juz ich nie ma w katalogu na 1983 rok ) w metalowej obudowie TO3. Tranzystory BDY25 maja napiecia Uceo / Ucbo = 140 / 200V a BDY28 odpowiednio 250 / 500V. Tranzystory wykonane sa w starej dyfuzyjnej technologi Mesa. Bell Labs opracowal ta technologie w 1955 roku a Fairchild komercyjna produkcje tranzystorow w technologi Mesa rozpoczal w 1958 roku. Slaboscia technologi Mesa jest m.in odslonieta krawedz zlacza B-C co wymaga pasywacji powierzchni i hermetycznej obudowy. Tanie obudowy plastikowe TO220 i TOP3 sa zatem wykluczone. W USA i Japonii technologie Mesa porzucono pod koniec lat szescdziesiatych na rzecz technologi planarnej zas w Europie zachodniej produkowano nia az do konca lat siedemdziesiatych a nawet dluzej. Jak widac sytuacja Europy zachodniej tez nie jest kolorowa w tej mierze. Tego rodzaju tranzystory jak BDY23..28 produkowano w USA i Japoni juz w polowie lat szescdziesiatych. W tej technologi wykonane sa tez tranzystory mocy rodziny KT80X z ZSRR i KU60X z Czechoslowacji. Tranzystor KT808 ( 80/250V, 10A ) stosowany jest w ukladzie odchylania poziomego odbiornikow czarno-bialych. Tewa pod koniec lat szescdziesiatych w technologi Mesa uruchomila produkcje nieudanych tranzystorow mocy BUY52-54 w obudowie TO3.
Historycznie pierwszym masowym zastosowaniem tranzystorowych przelacznikow sredniej mocy byl stopien koncowy ukladu odchylania poziomego w odbiornikach telewizyjnych. Koncern Motorola przedstawil przenosny tranzystorowy odbiornik telewizyjny juz w 1961 roku podobnie jak japonski koncern Sony. NB - wlasciwie skonstruowany tranzystorowy odbiornik telewizyjny pobiera 15-20% energi ktora pozera odbiornik lampowy.
Wtedy tez koncerny japonskie rozpoczely masowa produkcje odpowiednich do tego celu tranzystorow mocy. Germanowy tranzystor Hitachi 2SB468 mial napiecia Uceo/Ucbo=115/220V i prad kolektora Icm=10A.
Polska linie produkcyjna do produkcji tranzystorow i ukladow scalonych od francuskiego Thomsona kupila w 1968 roku i CEMI produkuje tranzystory BDY23..25 ( pewnie na licencji ) ale nie produkuje modeli 26..28 na wyzsze napiecia. Na wykresie SOA z dwiema skalami logarytmicznymi o identyczym wspolczynniku skali linia ukosna o kacie 45 deg reprezentuje staly iloczyn napiecia i pradu czyli mocy. Maksymalna statyczna moc tranzystorow rodziny BDY23.. 28 jaka moga rozpraszac jest stala do napiecia Uce=30V a potem nachylenie lini na wykresie SOA wzrasta czyli wraz ze wzostem napiecia Uce moc spada. Dla tranzystora BDY25 przy maksymalnym napiecie Uce=140V moc wynosi tylko 20W ale nie jest to zly wynik. Natomiast slaboscia tych tranzystorow jest bardzo slaby przyrost mocy chwilowej wraz ze spadkiem dlugosci impulsu, przy wysokich napieciach. Tranzystory z punktu widzenia dynamicznego drugiego przebicia sa slabiutkie czy wrecz tragiczne. Dla impulsu o czasie trwania 100usec przy napieciu 250V prad wynosi 0.2A ( wartosci odczytane z wykresu ) co daje energie impulsu 5 mJ czyli 110 razy mniej niz dla tranzystora BU323A.
W ukladzie zaplonowym tranzystory BDY28 maja za male napiecie Uceo i musza pracowac powyzej tego napiecia ze snubberem RC i dioda Zenera duzej mocy rownolegle do wyprowadzen EC. Dioda taka jest droga i CEMI ich nie produkuje. Mozna by zastosowac do ograniczenia napiecia warystor ale te rowniez nie sa produkowane w krajach RWPG.
Z dioda Zenera duzej mocy dolaczona do E-C i snubberem RC tranzystor pracuje poprawnie takze bez przeskoku iskry. Dioda Zenera absorbuje energie pola magnetycznego cewki. Nie mozna stosowac diody Zenera malej mocy dolaczonej do C-B z dwoch powodow. Za male jest napiecie Uceo i za waski jest obszar SOA dla absorbcji energi. Rownolegla zwykla dioda do E-C jest konieczna bowiem ujemny oscylacyjny prad ograniczy trwalosc tranzystora.
Zastanowmy sie co bedzie jesli ze snubberem RC bez przeskoku iskry i bez diody Zenera mocy napiecie przekroczy Ucbo. Nastapi przebicie lawinowe w tranzystorze.
Poswiecmy chwile uwagi wlasnosciom lawinowym tranzystorow. Przy napieciu Uce > Uceo ( rzeczywistej a nie katalogowej wartosci ) po odblokowaniu tranzystora lub po przekroczeniu napiecia Ucbo prad kolektora momentalnie wzrasta na skutek zjawiska lawinowego. Relatywna szybkosc akcji lawinowej jest zdumiewajaca duza zwlaszcza dla wolnych tranzystorow. Dla popularnego szybkiego tranzystora przelacznikowego malej mocy 2N2369 czas narastania czola impulsu lawinowego wynosi <0.3ns ! Krotki impulsowy prad lawinowy moze kilkanascie razy przekraczac prad Ic tranzystora. Jednak trwalosc tranzystora przy pradach wiekszych od Icm jest ograniczona. Przy pradach rzedu kilkanascie razy Icm ale malych ladunkach impulsu ilosc impulsow jest rzedu 1E10 do 10E13. Szybkosc narastania pradu lawinowego dla szybkich tranzystorow mocy wynosi kilkanascie ns. W polowie lat szescdziesiatych wykonano na 4 rownolegle polaczonych tranzystorach 2N3507 ( 50/80V, 3A, 400Mhz, mala obudowa TO39 ) generator impulsow dla diod laserowych dajacy prad szczytowy 200A przy czasie narastania <10ns. Tranzystory sa wyselekcjonowane aby mialy podobne parametry. Kondensatory magazynujace energie impulsu sa naladowane do napiecia 200V a wiec sporo wiekszego od katalogowego napiecia Ucbo.
W ukladzie zaplonowym kondensator snubbera musi byc o pojemnosci conajmniej 0.22uF. Energia z takiego kondensatora przy lawinowym przebiciu przy napiecie rzedu 400V zniszczy tranzystor BDY25. Prad tego przebicia osiagnie astronomiczna wartosc. W szereg z kondensatorem snubbera dajmy zatem rezystor na tyle maly aby tranzystor calkowicie sie wylaczyl ponizej napiecia Uceo.
Z rezystorem 33 Ohm i kondensatorem 0.22uF przy czestotliwosci impulsow 50Hz tranzystor istotnie sie lawinowo przebija przy napieciu rzedu ca 450V i napiecia zgodnie z oczekiwaniem spada ponizej Uceo ale pracuje zaledwie kilka sekund ! Nieprzyjemna niespodzianka - tak nie powinno byc ale jak powiedziano tranzystory w technologi Mesa sa bardzo slabe z punku widzenia SOA przy duzych napieciach kolektora. Czy rozwiazaniem jest snubber RCD pozwalajacy zastosowac wieksza wartosc rezystora snubbera. Niestety konieczna jest ultra szybka dioda w snubberze. Dioda 1N4005 jest za wolna i powoduje ze prad tranzystora po inicjacji przebicia lawinowego gwaltownie wzrasta. Po kilku minutach tranzystor BDY25 ulega uszkodzeniu a dioda ma zmienione parametry co daje wyobrazenie o poziomie pradow lawinowych i szybkosci ich narastania ! Z dioda ultrafast ( dwie szeregowo polaczone diody na 200V ) tranzystor pracuje calkowicie bezpiecznie i nie generuje zaklocen radiowych. Z szybka dioda BA157 uklad pracuje ale generuje zaklocenia radiowe a wiec znow istnieje krotki impuls duzego pradu lawinowego. Diod gatunku ultrafast w RWPG sie nie produkuje. Zatem tranzystor BDY25 niestety zdecydowanie odpada choc z dioda Zenera duzej mocy i z zabezpieczeniem przed przypadkowym wlaczeniem przy duzym napieciu kolektora moze pracowac.
Tranzystor KD503 - Tesla ma katalogowe napiecia Uceo/Ucbo = 80 / 80V a wiec male. Faktycznie napiecia wynosza około 150V i 330-400V. Z snubberem RC i RCD z szybka dioda tranzystor w ukladzie zaplonowym pracuje poprawnie przy pradzie 4A. Bez przeskoku iskry nastepuje nieszkodliwe przebicie lawinowe w tranzystorze i rozproszenie energi z indukcyjnosci cewki glownie w rezystorze snubbera i tranzystorze. Po pewnym czasie testu ulega przebiciu cewka zaplonowa ! Wydaje sie wiec ze sytuacja braku przeskoku iskry na swiecy przy pelnej energi zmagazynowanej w cewce zaplonowej jest raczej teoretyczna. Niemniej zdolnosc pracy ukladu zaplonowego bez przebicia na swiecy jest wymagana i musi byc zachowana. Dlugosc iskry bez przebicia tranzystora przekracza w powietrzu 13 mm !
Tranzystor KD503 ma stosunkowo duze wzmocnienie i jest dosc latwy do sterowania.
Z prac nad niezawodnoscia pracy tranzystorow wynika ze ich niezawodnosc spada wraz ze wzrostem napiecia kolektora.
Tranzystor ze wspolpracujacym snubberem musi byc szybko wylaczony aby prad kolektora spadl do zera zanim napiecie przekroczy poziom Uceo. Sluzy do tego regeneracyjny uklad z tranzystorem BC337 mocno blokujacy tranzystor przy wylaczaniu.
Zastosowanie wiec tranzystora KD503 wymagaloby pewnych testow. Tesla moglaby zmienic parametry procesu technologicznego i podniesc maksymalne napiecia kolektora o 20-50% choc i obecne sa bardzo wysokie w stosunku do danych katalogowych.
Praca z napieciem wiekszym od Uceo jest zawsze ryzykowna. Teoretycznie tranzystory w ukladach odchylania poziomego pracuja z napieciem powyzej Uceo. Biorac pod uwage ze tranzystory maja faktyczne napiecie Uceo duze wieksze niz katalogowe a napiecie szczytowe impulsu powrotu jest znacznie mniejsze niz katalogowe Ucbo to w istocie napiecie na tranzystorze nie przekracza Uceo a jesli juz to w pojedynczych egzemplarzach telewizorow.
Ze snubberem RCD mozna zastosowac klucz skladajacy sie z szeregowo polaczonego niskonapieciowego tranzystora mocy i szybkiego tyrystora takiego jak BTP127-129 uzywanego w ukladach odchylania odbiornikow telewizyjnych. Po szybkim wylaczeniu tranzystora stopniowo ( akcja snubbera ) wzrasta napiecie na anodzie ( i kolektorze ) ciagle zalaczonego tyrystora i stopniowo podane jest duze ujemne napiecie blokowania ( do -40V ! ) do bramki tyrystora rezystorem Rg. Wylaczenie tyrystora nastepuje juz w czasie rzedu 1.5usec zanim jeszcze mocno wzrosnie napiecie na tranzystorze.
Uklad jak najbardziej dziala. Mankamentem jest duzy spadek napiecia na kluczu pogarszajacy wlasnosci rozruchowe silnika przy bardzo slabym akumulatorze. Musi byc zastosowany snubber RCD z szybka dioda bowiem zalaczenie tranzystora w sytuacji gdy jest na anodzie tyrystora duze napiecie tylko z samym kondensatorem powoduje zniszczenie tyrystora i tranzystora.
Rozwiazanie to jest w gruncie rzeczy bezsensowne. Struktury tyrystorow BTP127-129 sa drogo kupowane za dolary od koncernu RCA od ktorego Polska kupila tez fabryke kineskopow kolorowych.
W zasilaczu impulsowym odbiornika telewizyjnego Jowisz stosowany jest importowany wysokonapieciowy tranzystor BU326A. Ma on katalogowe napiecia kolektora 375/750V. Chcac go zastosowac w systemie zaplonu konieczny jest snubber RC bowiem tranzystor ma znikoma zdolnosc absorbcji energi przy wysokich napieciach. Wada tranzystora jest wymagany duzy prad sterujacy baze. Do pradu kolektora 3.5A tranzystor pracuje bez zadnych problemow. W sumie majac dolary lepiej jest kupic dedykowany do zaplonu tranzystor BU323.
Tranzystory BU326 maja oczywiscie wieksze realne wartosci napiecia Uceo niz podane katalogowo. Niemniej zdarzaja sie egzemplarze ktore maja napiecie Uceo mniejsze niz napiecie kolektora przy ktorym jest ( lawinowo ) zalaczany tranzystor w przetwornicy odbiornika Jowisz. Skutkuje to potezna generacja zaklocen radiowych !
Fizyka materialow polprzewodnikowych jest nieublagana. Im wyzsze jest napiecie Uceo tym tranzystor ma mniejsza czestotliwosc graniczna Ft czyli jest wolniejszy i ma mniejsze wzmocnienie. Realne tranzystory sa jeszcze dosc daleko od ograniczen fizycznych dla krzemu.
Warto zauwazyc ze dla malych napiec Uceo iloraz Ucbo / Uceo jest troche wiekszy od jednosci. Dla duzych napiec iloraz jest wiekszy od 2. Przykladowo tranzystor BU208 do ukladow odchylania poziomego ma napiecia odpowiednio 700 i 1500V. Jego wzmocnienie pradowe jest nedzne i dla duzych pradow kolektora wynosi 2-3 razy.
Nowoscia sa tranzystory Power MOS. Sa one produkowane na liniach na ktorych wczesniej produkowano uklady scalone NMOS, na ktore obecnie nie ma juz popytu. Zamiast zlomowac linie produkcyjna ( za slaba rozdzielczosc na obecne potrzeby dla ukladow scalonych ) dano jej nowa uzyteczna prace. Poniewaz z zasadniczego uzytku beda wychodzic kolejne linie do produkcji ukladow NMOS i CMOS to zdolnosci produkcyjne dla tranzystorow Power MOS beda systematycznie rosly. Wydaje sie ze tranzystory te bardzo zyskaja na popularnosci a cena ulegnie obnizeniu. Szansa na uruchomienie produkcji tranzystorow Power MOS w krajach RWPG jest jeszcze mniejsza niz szansa na uruchomienie produkcji wysokonapieciowych tranzystorow Darlingtona.
Sprawdzono przydatnosc dwoch tranzystorow - BUZ64 firmy Siemens i IRF740 firmy International Rectyfier.
Tranzystor BUZ64 o Uds = 400V i Rdson=0.4 Ohm w obudowie TO3 wedlug wykresu SOA ( Sipmos, Data Book 1983 ) toleruje impuls o czasie trwania 100usec o napieciu 400V i pradzie 6A. Wpierw ograniczono maksymalne napiecie Uds dioda Zenera malej mocy (szeregowo polaczone i dodana zwykla dioda aby nie dzialalo przy wlaczonym tranzystorze ) wlaczona miedzy Dren i Gate. Tranzystor spokojnie znosi test przy napieciu ca 410V. Energia impulsu wydziela sie w strukturze w tranzystorze MOS.
Po odlaczeniu diody Zenera napiecie na tranzystorze siega 480 V. Teraz energie absorbuje antyrownolegla dioda a dokladniej jest to przeciez podlozowy tranzystor NPN z niedoskonale zwarta baza do emitera. Przy stopniowym podnoszeniu pradu tranzystor ulega uszkodzeniu juz przy pradzie ca 3A. O ile w tranzystorze MOS nie zachodzi koncentracja energi na czesci struktury to w pasozytniczym tranzystorze NPN zachodzi w postaci drugiego przebicia i zniszczenia !
Zatem energie indukcyjna moze absorbowac duza dioda Zenera mocy rownolegla do wyprowadzen S-D lub dioda malej mocy dolaczona do D-G. Poniewaz nie ma diod zenera malej mocy na napiecie 400V to trzeba uzyc wiele szeregowo polaczonych diod co jest dyskusyjne.
Tranzystor IRF740 o Uds = 400V i Rdson=0.55 Ohm w obudowie TO220 wedlug wykresu SOA ma szerszy obszar pracy bezpiecznej niz tranzystor Siemensa. Tranzystor ten poprawnie absorbuje energie zarowno przez strukture MOS jak i antyrownolegla diode przy napieciu przebicia ca 500V. Nadaje sie wiec znakomicie do systemu zaplonu.
Z tranzystorem Power MOS jest natomiast problem ze sterowaniem bramka przy malym napieciu akumulatora samochodu. Normy wymagaja aby zaplon dawal pewna iskre przy napieciu akumulatora 5.5V. Napiecie to jest za male do pelnego otworzenia kazdego egzemplarza tranzystora, zwlaszcza w niskich temperaturach ! Driver ( inverter CMOS ) musi dawac bramce Mosfeta takie samo napiecie jak napiecie zasilania.
Stabilizator napiecia zasilania 5V dla systemu cyfrowego musi pracowac przy bardzo malym spadku napiecia na nim bowiem normalna praca systemu musi miec miejsce przy ciezkim rozruchu z napieciem akumulatora 5-5.5V. Regulator 7805 jest bezuzyteczny. Ale dobrze sprawuje sie prosty regulator na dwoch tranzystorach.
Suma summarum.
A. Zastosowanie dedykowanego do ukladu zaplonowego tranzystora Darlingtona lub tranzystora Power MOS trywializuje rozwiazanie
B. Mozna uzyc dostepnego tranzystora KD503 ale ze snubberem i aktywnym ukladem szybko wylaczajacym tranzystor.
C. Nie dajmy sie zwariowac. Z pustego i Salomon nie naleje. Stan produkcji CEMI jest zalosny.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz