Wstęp


Obwody niskiego napięcia układu zapłonowego są pierwszym stopniem układu zapłonowego. Zasilają one drugi stopień - obwody wysokiego napięcia. Układy zapłonowe we współczesnych samochodach ewoluowały z prostych mechanicznych przerywaczy z kondensatorem do układów bezrozdzielaczowych i układów z wieloma cewkami (COP - Coil On Plug). W większości powszechnie stosowanych systemów - archaicznych i nowoczesnych - wykorzystywane było i jest zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Wyjątkiem jest rzadko stosowany w samochodach system CDI (Capacitive Discharge Ignition) w którym do gromadzenia energii służy kondensator, a nie cewka. Układy tego rodzaju stosowane są częściej w skuterach i sprzęcie ogrodowym takim jak kosiarki. Więcej informacji na temat tego typu układów zapłonowych znajdą Państwo w odrębnym artykule.


Cewki zapłonowe i ich budowa


Cewka zapłonowa to urządzenie, którego najważniejszymi elementami jest są uzwojenia wykonane z drutu miedzianego pokrytego izolacją nawinięte na rdzeń wykonany ze specjalnego stopu stali o odpowiednich właściwościach magnetycznych. W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że uzwojenia służą do wytwarzania pola magnetycznego, natomiast rdzeń gromadzi pole magnetyczne wytworzone przez uzwojenia.

Kiedy przez cewkę przepływa prąd - gromadzi ona energię w postaci pola magnetycznego w rdzeniu. Rdzeń ma ograniczoną pojemność energetyczną i po pewnym czasie ilość zgromadzonej w cewce energii osiąga maksimum. Taki stan cewki nazywamy stanem nasycenia. Jeżeli przez nasyconą już cewkę w dalszym ciągu będzie płynął prąd - nadwyżka energii zostaje wypromieniowana w postaci ciepła.

Czas ładowania cewki do maksimum zależy od natężenia prądu który przez nią płynie. Prąd zależy natomiast od napięcia do którego podłączana jest cewka (im wyższe napięcie tym wyższy prąd), od ilości zwojów i grubości drutu.

Samochodowe cewki zapłonowe projektowane są tak, aby po podłączeniu ich do napięcia 12-14V były zdolne w pełni się naładować w ciągu kilku ms (milisekund).

Bardzo ważnym zjawiskiem zachodzącym w cewce jest zjawisko samoindukcji. Zjawisko to (w dużym uproszczeniu) polega na tym, że w momencie kiedy odłączymy cewkę od źródła prądu cała zgromadzona w niej energia usiłuje się z niej wydostać. Prąd "próbuje wypłynąć" z cewki, ale nie ma którędy ponieważ cewkę odłączyliśmy od obwodu. W cewce w ułamku sekundy narasta napięcie. Narasta ono aż energia z cewki wydostanie się (np. poprzez łuk elektryczny). Dzięki temu przy pomocy cewki można uzyskać kilkakrotnie napięcie wyższe, niż to które ją zasilało.

Wartość napięcia powstającego podczas odłączania cewki od zasilania zależy od:

Cewki zapłonowe posiadają 2 uzwojenia. Uzwojenia te są długimi odcinkami drutu nawiniętymi na ten sam rdzeń.

Jedno nazywa się uzwojeniem pierwotnym, nawinięte jest grubym drutem. Służy do zasilania ("ładowania") cewki i ma najczęściej kilkaset zwojów. Podczas odłączania cewki od zasilania wskutek przerwania przepływu prądu powstaje w tym uzwojeniu napięcie rzędu setek woltów (najczęściej 250-350V).

Drugie uzwojenie nawinięte cieńszym drutem nazywane uzwojeniem wtórnym i posiada znacznie większą liczbę zwojów niż uzwojenie pierwotne.

Na rys 1. widoczny jest wykres natężenia prądu płynącego przez cewkę w układzie z elektronicznym ograniczeniem natężenia prądu. Widzimy tam narastanie prądu do wartości 6A i wartość ta pozostaje do chwili kiedy cewka zostaje odłączona. W prawidłowo działającym układzie zapłonowym prąd po odłączeniu cewki powinien spaść natychmiast do zera.

Rysunek 1

Rysunek 1


Należy tutaj wspomnieć, że w większości układów zapłonowych podczas załączania i odłączania zasilania cewki odłączany jest przewód masy, a nie +. Kolejną sprawą, o której nie wolno zapomnieć jest to, że napiecie które powstaje w cewce po jej odłączeniu ma wartość ujemną w stosunku do napięcia które ją zasilało (+ i - uległy zamianie). Dzieje się tak dlatego, że energia przepływa w drugim kierunku - wydostaje się z cewki.

Poniżej widzimy rys.2 który przedstawia wykres napięcia w uzwojeniu pierwotnym cewki. Bieguny sondy (plus i minus) zostały podłączone odwrotnie, tj. sonda dodatnia na masę, aby wyniki pomiaru przedstawiały napięcie powstające w cewce jako dodatnie. Na początku (w punkcie ok. -3ms na osi poziomej) widzimy rozpoczęcie ładowania cewki (napięcie to jest ujemne, co wyjaśniłem wcześniej). Proces ładowania cewki trwa do punktu 0ms na osi poziomej. W punkcie 0ms następuje odłaczenie cewki i powstaje napięcie ok 315V.

Rysunek 2

Rysunek 2


Pomiar napięcia na uzwojeniu pierwotnym może być bardzo przydatny w diagnostyce. Zbyt niskie napięcie na uzwojeniu pierwotnym może (ale nie musi) świadczyć o tym, ze uzwojenie wtórne również wytwarza zbyt niskie napięcie. Stosunek napięcia wtórnego do pierwotnego w sprawnej cewce zapłonowej jest stały, tj. jeżeli napięcie pierwotne zmieniło się o 10% - oznacza to że na uzwojeniu wtórnym zmieniło się również o 10%.

Prędkość obrotowa silnika często ma wpływ na napięcie indukowane w cewce zapłonowej. Wyższa prędkość obrotowa silnika skraca czas ładowania cewki, ponieważ musi ona wytwarzać więcej impulsów w ciągu sekundy. Można to zaobserwować na rys. 3 i rys. 4, na których kolejno widoczne są wykresy napięć indukowanych w uzwojeniu pierwotnym cewki dla prędkości obrotowych silnika 1000obr/min i 3000obr/min.

Rysunek 2

Rysunek 3 - 1000RPM


Rysunek 2
Rysunek 4 - 3000RPM


Jak widać na rys 4 dla 3000obr/min napięcie jest nieco niższe niż na rys. 3 dla 1000obr/min.

Współczesne układy zapłonowe mogą posiadać regulację prądu dostarczanego do cewki, aby ilość enerigii w niej gromadzonej była stała lub zmieniała się nieznacznie w całym zakresie obrotów. Układy takie regulują natężenie prądu dostarczanego do cewki w zależności od obrotów silnika. Przy wyższych obrotach, kiedy odstęp między kolejnymi zapłonami jest krótszy - prąd jest większy a więc nasycanie następuje szybciej, natomiast przy niższych obrotach prąd jest mniejszy.

Poniższy rysunek ilustruje proces ładowania cewki w innym układzie - w układzie ze stałym czasem załączenia cewki. Prąd zaczyna płynąć przez cewkę ok. 3ms przed zapłonem niezależnie od prędkości obrotowej silnika.

Rysunek 2

Rysunek 5


Podczas diagnozowania usterek instalacji elektrycznej samochodów, w tym układów zapłonowych bardzo istotne jest sprawdzenie stanu obwodu masy. Zwykły pomiar rezystancji (oporu elektrycznego) nie jest dobrą metodą sprawdzania stanu tego obwodu.

Wyobraźmy sobie sytuację, w której przewód masy został prawie całkowicie uszkodzony mechanicznie i prąd może przepływać tylko przez jeden drut z przewodu. Pomiar rezystancji lub test ciągłości takiego obwodu zwykłym multimetrem da nam prawdopodobnie wynik 0 ohm lub zbliżony. Po włączeniu odbiornika dużej mocy do takiego obwodu na uszkodzonym odcinku przewodu powstanie stosunkowo duży spadek napięcia, ponieważ spadek ten zależy od rezystancji i od natężenia płynącego prądu. Wartość spadku napięcia wyraża się wzorem U=I*R, gdzie "U" to spadek napięcia, "I" to natężenie prądu, a "R" to rezystancja. Należy pamiętać, że zwykły multimetr mierzy małe rezystancje bardzo niedokładnie. Może okazać się, że rzeczywista rezystancja obwodu wcale nie wynosi 0 ohm jak wskazuje miernik, a na przykład 0,2ohm. Wtedy przy prądzie 10A powstanie spadek napięcia 2V, co stanowi ponad 15% napięcia 12V w instalacji samochodowej. Do takiego odbiornika w tej sytuacji dotrze napięcie 10V zamiast 12V.

Kolejnym istotnym zagadnieniem podczas badania obwodu masy jest rezystancja dynamiczna. Dotyczy ona głównie sytuacji, kiedy połączenie jest niepewne - skorodowane lub luźne. Pomiar rezystancji takiego połączenia zwykłym multimetrem również nic nie da, ponieważ w chwili pomiaru połączenie może być dobre, a po podłączeniu odbiornika może okazać się, że drgania pochodzące np. od silnika powodują krótkie przerwy w przepływie prądu lub skorodowane połączenie nagrzało się, iskrzy i występują krótkotrwałe przerwy w obwodzie.

Najskuteczniejszą metodą badania obwodu masy jest oscyloskopowy pomiar spadku napięcia na całym obwodzie masy - od akumulatora do odbiornika lub od karoserii do obudowy odbiornika. Na oscylogramie poniżej widzimy przebieg napięcia "odkładającego się" na obwodzie masy. Sondę dodatnią oscyloskopu podłączono do masy cewki zapłonowej, a ujemną do karoserii pojazdu. Oscylogram przedstawia spadek napięcia powstający wskutek przepływu prądu ładowania cewki w układzie, gdzie obwód masy jest w dobrym stanie. Napięcie to cyklicznie narasta i opada z częstotliwością, z jaką cewka zapłonowa jest załączana i odłączana. Maksymalny spadek napięcia wynosi tutaj mniej niż 0,2V. W teoretycznym idealnym obwodzie masy widoczna była by płaska linia na poziomie 0V. W rzeczywistych warunkach wartość spadku napięcia może narastać do 0.3V. Słabe połączenie masy powodowało by narastanie spadku napięcia do wartości powyżej 0,3V lub przebieg byłby poszarpany.