Комутатор: що це таке? Схема комутатора, управління і несправності

У різних технічних текстах можна зустріти термін «комутатор». Що це таке? У самому загальному сенсі - це пристрій для перемикання електричних ланцюгів (сигналів), яке може бути електронним, електронно-променевим або електромеханічним.

У вузькому сенсі так зазвичай називають комутатор запалювання, яким оснащуються будь-які транспортні засоби з бензиновими двигунами. Цього різновиду комутаторів, в основному автомобільних, і присвячена ця стаття.

Передісторія систем запалювання

Як відомо, в кожному циклі роботи бензинового двигуна внутрішнього згоряння існує етап приготування паливно-повітряної горючої суміші і етап її згоряння. Але щоб суміш згоріла, її потрібно чимось підпалити.

Першим рішенням, що застосовувався в найраніших автомобільних ДВС, було запалювання суміші від гартівні трубки, вставленої в циліндр і розігрівається попередньо перед запуском двигуна. При його роботі температура цієї трубки постійно підтримувалася за рахунок згоряє в кожному циклі роботи суміші.

Цікаво, що система іскрового запалювання від магнето застосовувалася паралельно з калильним запалюванням автодвигунів, але спочатку тільки для промислових газових ДВС. Цей принцип був швидко перейнятий і автовиробниками, а після винаходу Р. Бошем в 1902 році звичної свічки запалювання іскрова система стала загальноприйнятою.

Принцип іскрового запалювання

В даний час найбільш поширена батарейна система запалювання, що містить джерело струму у вигляді автомобільного акумулятора при пуску та автомобільного генератора при працюючому двигуні, котушку запалювання, що представляє собою трансформатор з високовольтної вторинною обмоткою, до якої приєднана іскроутворюючого свічка запалювання, а також розподільник (комутатор) запалювання . Робота комутатора полягає в періодичному перериванні ланцюга струму первинної обмотки котушки запалювання. При кожному такому перериванні струму його магнітне поле, що існує в точках простору, зайнятих проводами вторинної обмотки котушки запалювання, дуже швидко зменшується. При цьому відповідно до закону електромагнітної індукції в тих же точках простору виникає вельми велике вихрове електричне поле, напруженість якого створює високу (до 25 кВ) ЕРС у вторинній обмотці котушки запалювання, розірваної електродами свічки. Напруга між ними швидко досягає величини, достатньої для пробою повітряного проміжку, і тоді проскакує електрична іскра, підпалювали паливно-повітряну суміш.

Що комутується в системі запалювання?

Отже, автомобільний комутатор. Що це таке і навіщо він потрібен? Коротко кажучи, це пристрій, завданням якого є розрив ланцюга струму в первинній обмотці котушки запалювання в найбільш вигідний для цього момент.

У чотиритактному ДВС цей момент настає в кінці такту стиснення (2-го такту роботи ДВС), незадовго до досягнення поршнем так званої верхньої мертвої точки (ВМТ), в якій відстань від будь-якої точки поршня до осі обертання коленвала ДВС є максимальним. Оскільки коленвал здійснює круговий обертальний рух, то момент переривання струму прив`язують до деякого його становищу перед досягненням ним і поршнем положення ВМТ. Кут між цим положенням коленвала і вертикальною площиною називають кутом випередження запалювання. Він варіюється в діапазоні від 1 до 30 градусів.

Враховуючи історію, на питання: «Автомобільний комутатор: що це таке?» - Слід відповідати, що це спочатку механічний, а пізніше, у міру розвитку техніки, електронний переривник струму в котушці запалювання.

Механічний попередник комутатора запалювання

Власне, комутатором цей пристрій стали називати лише в останні роки, після того як воно стало повністю електронним. А перш, починаючи з 1910 року, коли на автомобілях «кадилак» вперше з`явилася автоматична система запалювання, його функцію поряд з іншими завданнями виконував переривник-розподільник (трамблер). Така подвійність найменування виникла через двоякою функції його в системі запалювання. З одного боку, струм у первинній обмотці котушки запалювання потрібно переривати - звідси виникає «переривник». З іншого боку, напруга високовольтної обмотки котушки запалювання потрібно по черзі розподіляти по свічках всіх циліндрів, причому з потрібним кутом випередження. Звідси друга половина назви - «розподільник».

Як працювали трамблеров?

Переривник-розподільник має приводиться в обертання від коленвала внутрішній вал, на якому закріплений діелектричний ротор-бігунок з обертовою токоразносной пластиною на його торці. По пластині ковзає підпружинена вугільна щітка, з`єднана з високовольтним центральним контактом в кришці розподільника, який, у свою чергу, з`єднаний з вторинною обмоткою котушки запалювання. Токоразносная пластина періодично наближається до розташованих в кришці трамблера контактам високовольтних проводів, що йдуть до свічок циліндрів. У цей момент у вторинній обмотці котушки виникає високе напруження, яке пробиває два повітряні проміжку: між токоразностной пластиною і контактом дроти до даної свічці і між електродами свічки.

На тому ж валу встановлено кулачки, число яких дорівнює числу циліндрів, а виступи кожного кулачка розмикають одночасно з підключенням конкретної свічки контакти переривника струму, включені в ланцюг первинної обмотки котушки запалювання.

Щоб між контактами переривника не виникало іскри при розмиканні, паралельно їм підключений конденсатор великої ємності. При розмиканні контактів переривника ЕРС індукції в первинній обмотці викликає струм заряду конденсатора, але внаслідок його великої ємності напруга на ньому, а отже і між роз`єднаними контактами, не досягає величини пробою повітря.

А як же з кутом випередження?

Як відомо, при зменшенні частоти обертання коленвала суміш в циліндрах потрібно підпалювати в такті її стиснення пізніше, прямо перед самою ВМТ, тобто кут випередження запалювання слід зменшувати. Навпаки, при збільшенні частоти обертання суміш в такті стискання потрібно підпалювати раніше, тобто кут випередження збільшувати. У трамблеров цю функцію виконував відцентровий регулятор, механічно пов`язаний з кулачками переривника струму. Він повертав їх на валу розподільника таким чином, щоб вони раніше або пізніше в такті стиску суміші розмикали контакти переривника.

Змінювати кут випередження необхідно і при незмінній частоті, коли змінюється навантаження на двигун. Цю роботу виконувало спеціальний пристрій - вакуумний регулятор запалювання.

Поява перших комутаторів

До кінця 70-х років минулого століття стало ясно, що найслабшим вузлом трамблера є контакти переривника, через які протікав повний струм первинної обмотки. Вони постійно підгоряли і виходили з ладу. Тому першим рішенням стала спеціальна електронна схема комутатора для переривання струму в котушці. У її вхідну слабкострумову ланцюг включалися дроти від висновків традиційного контактного переривника трамблера. Однак тепер його контакти переривали не повний струм котушки запалювання, а невеликий струм у вхідному ланцюзі комутатора.

Власне ж електронний комутатор був конструктивно виконаний в окремому блоці та підключався (за бажанням водія) до класичного трамблера. Така система запалювання отримала назву контактної електронної. Вона була дуже популярною в 80-ті роки минулого століття. І в наш час ще можна зустріти оснащені нею автомобілі.

Схема комутатора контактної електронної системи збиралася на транзисторах.

Наступний крок - відмова від контактного переривника

Контактний переривник струму навіть у слабкострумових варіанті, вживаному в контактній електронній системі запалювання, залишався досить ненадійним вузлом. Тому автомобілебудівники робили чималі зусилля для його виключення. Ці зусилля увінчалися успіхом після створення безконтактного датчика-розподільника на основі датчика Холла.

Тепер замість кількох кулачків на валу розподільника стали встановлювати циліндричний порожнистий екран з прорізами і шторками між ними, причому число шторок і прорізів дорівнює числу циліндрів двигуна. Шторки і прорізи екрану рухаються в магнітному полі, створюваному постійним магнітом, повз мініатюрного датчика Холла. Поки повз нього рухається шторка екрану, вихідна напруга датчика Холла відсутня. Коли ж шторка змінюється прорізом, з датчика Холла електронною схемою знімається фронт імпульсу напруги, що свідчить про необхідність перервати струм в первинній обмотці котушки запалювання. Цей імпульс напруги передається по проводах в блок комутатора струму в котушці запалювання, де він попередньо посилюється і далі використовується для управління основним силовим коммутирующим каскадом.

Іншим варіантом безконтактного датчика-розподільника є вузол з оптичним датчиком, у якого замість датчика Холла використовується фототранзистор, а замість постійного магніту - світлодіод. Оптичний датчик має такий же обертається екран з прорізами і шторками.

Поява комутатора як такого

Отже, в безконтактної системі запалювання замість одного контактного трамблера з`явилися два окремих вузла: безконтактний (але тільки про низьку напругу) датчик-розподільник і електронний комутатор. Функцію ж розподілу високовольтної напруги по свічках запалювання в датчику-розподільнику раніше виконує механічний ротор-бігунок з токоразносной пластиною.

А як же з регулюванням кута запалення? Ці завдання раніше, виконують відцентровий і вакуумний регулятори у складі датчика-розподільника. Перший з них тепер повертає на Валуєв не кулачки, а зрушує шторки екрану, змінюючи тим самим кут запалювання. Вакуумний ж регулятор має можливість зрушувати датчик Холла з його опорною пластиною, також регулюючи даний кут.

Враховуючи вищевикладене, на питання: «Сучасний автомобільний комутатор: що це таке?» - Слід давати відповідь, що це конструктивно відокремлений електронний блок безконтактної системи запалювання.

Відмова від розподілу високої напруги

Найдовше в комутаторі зберігався механічний розподільник високовольтної напруги по свічках циліндрів. Найцікавіше, що цей вузол був досить надійний і не викликав великих нарікань. Однак час не стоїть на місці, і на початку нашого століття схема підключення комутатора зазнала чергові великі зміни.

У сучасних автомобілях взагалі відсутня розподіл високовольтної напруги від однієї котушки за різними свічам. Навпаки, в них «розмножилися» самі котушки і стали приналежністю свічки кожного циліндра. Тепер замість контактної комутації свічок по високій напрузі виконується безконтактна комутація їх котушок про низьку напругу. Звичайно, це ускладнює схему комутатора, але й можливості сучасної схемотехніки набагато ширше.

У сучасних автомобілях з інжекторними двигунами управління комутатором здійснює або автономний блок керування двигуном, або бортовий комп`ютер автомобіля. Ці пристрої управління аналізують не тільки швидкість обертання коленвала, але безліч інших параметрів, що характеризують паливо і охолоджуючу рідину, температуру різних вузлів і навколишнього середовища. На підставі їх аналізу в режимі реального часу змінюються і налаштування кута випередження запалювання.

Несправності комутатора

Найбільш часто зустрічається несправністю механічного трамблера є подгораніе його контактів: як рухомих, так і високовольтних контактів свічок. Щоб цього не сталося (принаймні, не надто швидко), потрібно регулярно оглядати їх, і якщо на них утворився нагар, то його слід зняти надфілем або дрібною шкіркою.

Якщо вийшов з ладу конденсатор, включений паралельно контактам переривника, або резистор в ланцюзі центрального високовольтного електрода, то їх можна замінити.

Несправності комутатора електронного, викликані виходом з ладу підсилювача імпульсів датчика Холла або комутатора струму котушки, зазвичай не підлягають усуненню, оскільки такий комутатор є нерозбірним. У цьому випадку, як правило, несправний блок просто замінюється новим.

Як перевірити комутатор?

Якщо обороти двигуна на холостому ходу «плавають», або він глухне на ходу, або взагалі не запускається, то слід перевірити наявність іскри на підключених до розподільника запалювання з датчиком Холла свічках. Для цього потрібно викрутити їх, надіти наконечники бронепровода, покласти свічки на «масу» і «крутануть» коленвал стартером. Якщо іскри немає або вона слабка, потрібно переходити до комутатора.

Але як перевірити комутатор? Слід включити запалювання і оцінити, як відхиляється стрілка вольтметра. Якщо комутатор справний, то вона повинна відхилятися в два етапи. Спочатку стрілка займає деяке проміжне положення, в якому залишається 2-3 секунди, а потім переходить в кінцевий (штатний) становище. Якщо стрілка відразу займає кінцеве положення, то можна пробувати замінювати комутатор.

Підключення комутатора

Як підключити комутатор до безконтактної системі запалювання? Слід пам`ятати, що його клемна колодка підключається двома проводами до клем «Б» і «К» котушки запалювання, трьохдротяним джгутом з роз`ємом - до датчика Холла на датчику-розподільнику і одним проводом - до «маси». З висновком «+» акумулятора схема комутатора з`єднується на клеми «Б» котушки.