Chapter 6.電子學與電子點火

 

 

6.1   電晶體介紹

 

6.2   半晶體點火系統

 

6.3   全晶體點火系統(video1)

 

          a)電容放電式點火系統

 

       b)感應放電式點火系統

 

6.4   無分電盤點火

 

 

 

 

6.1電晶體介紹

 

 

電晶體(transistor)是一種固體半導體器件,至少有三個端子(稱為極)可以連接外界電路。分別由N型跟P型組成射極(Emitter)、基極 (Base) 和集極(Collector),在雙極性電晶體中,射極到基極的很小的電流,會使得射極到集極之間,產生大電流。

 

圖片1  

 

Fig. 25.43 Current flow in transistors

 

 

 

基本原理
 

 

NPN 順向主動工作區:BE接面順向, Vbe > 0.7VBC接面逆向 Vbc < 0.5V

 

順向接面會有擴散電流,空乏區小;而逆向接面會有漂移電流,空乏區大。空乏區內只有游離的雜質離子;載子進入後不久後會游離,在補充了游離載子同時,另一端已經游離載子則會離開空乏區,以保持空乏區是電中性。Ie電流大部分流過Ic,少部分由Ib流出。

 

圖片2  

 

在類比電路中,電晶體用於放大器、音頻放大器、射頻放大器、穩壓電路;在計算機電源中,主要用於開關電源。

 

 

 

電晶體也應用於數位電路,主要功能是當成電子開關。數位電路包括邏輯閘、隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器。

 

圖片3  圖片4  

 

 
電晶體於汽車中的應用

 

電壓放大器(voltage amplifier

 

   有些汽車系統感測器所產生的輸出訊號是很微弱的,這些微弱的訊號會藉由提高電壓而被放大,使得他們更容易被車輛系統讀取。例如一個讀取車輛排氣中的氧或來自電子馬達的扭矩的量的感測器,可能需要一個電壓放大器,以獲得足夠的電壓來測量接收的信號。

 

圖片5  

 

 
達靈頓對(Darlington pair

 

由兩個(甚至多個)電晶體組成的複合結構,透過這樣的結構,經第一個電晶體放大的電流可以再進一步被放大,這樣的結構可以提供比其中任意一個電晶體高得多的電流增益。因為兩個電晶體共用一個集極,達靈頓電晶體可以使得晶片比使用兩個分立電晶體元件佔用更少的空間。

 

圖片6  

 

Fig. 25.45 Darlington pair

 

 

 

濾波電路
 
濾波器只讓設計者要的訊號通過,換句話說,他們“過濾”不必要的訊號。低通濾波器只會讓低頻訊號通過,而高通濾波器就會有效的抑制低頻訊號。
圖片7  
 
低通濾波器(low-pass filter
 
透過繪製輸出電壓對輸入頻率的頻率響應曲線圖波德圖,如下圖所示。可以看出高頻訊號大大的衰減下來,被抑制了下去,而低頻訊號就可以順利的通過
 
圖片8
圖片9  
 
 
高通濾波器(high-pass filter
 
波德圖與低通濾波器相反,高通濾波器使得低頻訊號衰減,而高頻訊號順利的通過。
圖片10
 圖片11  
 
 
6.2半晶體點火系統
 
進入到電子點火之後其結構與傳統式白金接點最大的不同是,控制點火線圈通斷路的控制線路是設計在低壓線圈之前。
 
卡特林普通接點式點火系統之白金接點流過的電流很大,就算有電容的保護,其效果仍是有限,所以白金接點常常會燒壞,而白金接點燒壞之後,點火的高壓電火花就會微弱,進而影響引擎性能。
圖片12  
 
半晶體點火系統作用原理
 

(a)接點閉合時的作用

圖片13 
如圖16所示,為白金接點閉合時點火器之作用。
 
點火開關ON,白金接點閉合時,電流從電晶體Tr1射極、基極經白金接點再接地,使Tr1 ON ,而此時大部分的電流經Tr1之集極到Tr2之基極,使Tr2 ON
 
如圖16所示,待電流使Tr2通了以後,則電瓶電流便可流過3°路線,經過點火線圈中的低壓線圈,使之充磁
 

 

 

(b)接點分開時的作用

圖片14  

如圖17所示,當白金接點分開時,Tr1的射極、基極電流中斷,則Tr1 OFFTr1 OFF時,連帶的Tr2OFF,使得點火線圈中低壓線圈的電流中斷,進而高壓線圈感應產生高壓電。

 

 

 

 

 

 

6.3晶體點火系統

 

全晶體與半晶體的差異點是,在半晶體點火系統中,還有機械控制的白金接點,因機械損耗不可避免,為使保養次數降低,故全晶體點火系統使用感應裝置來取代白金接點。

 

全晶體控制通斷的線路也是在低壓線圈之前。不同於傳統白金接點式和半晶體式點火系統,全晶體式點火系統的感應電壓步驟中,不需要用到“崩磁”,因為全晶體在低壓線圈之前的電路中有安裝了升壓電路,可使高壓線圈感應足夠的電壓,故不需經過崩磁即可跳火。

  

Benz 利用晶體電容放電的車款,車尾標有“CDI”字樣。

圖片15  

 

 

a)電容放電式點火系統

 

觸發器信號使電容放電至一次線圈,而使二次線圈產生高壓電。

 

其結構圖如下由震盪器、變壓器、整流粒、SCR矽控整流器、及一組磁波發電機所組成。

圖片17   

 

重要元件說明

 

(1)  SCR元件(點火器) 的構造和原理

 

 矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier),簡稱SCR,是一種三端點的閘流體(thyristor)元件,用以控制流至負載的電流。SCR的電路符號如圖所示,其中A極是陽極(anode)、  K是陰極(cathode)G是閘極(gate)

圖片18  

SCR元件的構造和原理

閘極(G)的電壓必須比陰極(K)高,才會形成P-N順向導通,這時若陽極(A)的電壓大於陰極(K),就會如同二極體一般的導通。

 

 

i.正偏壓(正脈衝信號):導通       

 

 

圖片19  

 

ii.負偏壓(負脈衝信號):不導通

圖片20  

 

(2) 升壓電路作用原理

 

作用原理與點火線圈的原理差不多。

 

電池出來的電壓約12V,經過升壓電路之後約可提升300V儲存在電容之中,根據SCR的訊號來進行充放電。

 圖片21  

 

(3) 磁波發電機

 

i.構造

        

包含一固定之永久磁鐵及感應拾取線(pickup-coilAssembly)與一轉動磁阻器或稱正時鐵芯(Trigger Wheel),以正時鐵芯代替凸輪,以感應接收線圈代替白金。

圖片22  圖片23  

 

 

ii.原理

其運作流程如下圖,當信號轉子旋轉時,會順著(a)à(b)à(c)à(a)的順序來動作。其原理是利用改變信號轉子凸起部與支架及磁鐵間的空隙,使流通的磁力線數目跟著變化,因為磁力線的變化,使拾波線圈感應之電壓也隨著變化。

 

圖片26  

 

(a):當凸起部即將接近線圈中心支架時,這時的磁阻最大,故磁波線圈感應電壓最高

 

 圖(b):當凸起部與支架中心正好對齊時,這時磁阻最小,拾波線圈沒有感應電壓。

 

(c):同圖(a)的原理,但是產生的電壓為反相的負偏壓。

 

 

(a)(b)(c)三張圖對應下方高、低速時的電壓變化

圖片27  

 

 

作用原理

 

i引擎未運轉時

 

點火開關“ON”,引擎未運轉,分電盤不轉動,則磁波線圈不轉動,此時SCR不通,直流電直接充入主要電容器內。

 

圖片28  

 

ii. 引擎運轉時(磁波線圈正脈衝信號)

       

引擎運轉發動,磁波線圈觸發器首先感應產生正脈衝信號,促使SCR導通,則主要電容器內的電壓放電至初極線圈,因而使次極線圈感應產生高電壓,火星塞跳火。

 

圖片29  

 

 

 

 

iii. 引擎運轉時(磁波線圈負脈衝信號)

                

此時磁波線圈觸發器極頭離開磁鐵感應產生負脈衝信號,此時SCR不導通,電容器呈現充電狀態,準備進行下一次放電。

 

圖片30  

 

 

 

b)感應放電式點火系統

 

透過信號產生器產生信號,以切斷一次線圈電流,使二次線圈產生高壓電。

 

圖片31  

 

 

重要元件介紹

 

I.信號產生器

 

 

分電盤中的信號產生器的不同可分為

 

 

(1)磁波發電機式(Magnetic Pulse Generator) 信號產生器。

 

 

 

(2)霍爾效應元件開關(Hall-effect switch)信號產生器

 

 

 

(3)光檢波式(Optical Light Detection)元件信號產生器。

 

 

 

 

圖片32  

 

2.霍爾效應元件開關

 

 

i.構造

  

利用一霍爾效應感知器(Hall-effect sensor)(又稱磁極感知器)一永久磁鐵,通常可安裝於分電盤中

 

 

圖片33  

 

 

 

i.作用原理

 

 (1)霍爾效應開關可根據磁場的有無,來供應霍爾效應電壓接通或切斷。

 

 (2)有一磁場切斷器(有閘門及窗口之圓盤)(又稱為遮蔽器)是隨分電盤軸旋轉的可遮斷永久磁鐵的磁場經過霍爾效應開關。

 

 (3)當磁場切斷器中的閘門(Shutters)圓盤隨分電盤軸旋轉,而遮斷永久磁鐵的磁場經過霍爾效應感知器(hall-effect sensor)時,則無霍爾效應電壓,故可提供一信號給電腦或ECM

 

 (4)磁場切斷器內閘門及窗口的數目與引擎的汽缸數相同。

 

圖片34  

 

 

圖片35  

 

3.光檢波式

 

i.構造

 

利用一發光二極體(LED)(light-emitting diode)及一感光之光電晶(photodiode)以產生電壓波信號,通常使用二組,可安裝於分電盤中。

圖片36  

圖片37  

 

 

ii.作用原理

 

 

 (1)LED之光束射向光電晶體時,可產生一光電壓;而光束切斷器(槽之圓盤)是隨分電盤軸旋轉的可遮斷光束,其槽數與缸數相同。

 

 

 (2)因此可提供電晶體控制組一個開或關的信號 ,使電晶體產生效用,進而控制發火線圈之充放磁而產生高壓電。

 

 

 (3)信號可提供引擎速度與曲軸柄位置給電腦或ECM,進而可控制燃料噴射、點火正時、惰速的依據。

 

 

 (4)此式在低轉速時可提供更可靠之信號,比磁波發電機及金屬檢波器要好。

 

 

 

圖片38  

 

圖片39  

 

 

II.  ECU和電晶體電路介紹

 

圖片40  

 

 

 

 

ECU會依據引擎進氣量及轉速決定點火提前角度(如圖),再依據節氣門位置、水溫感測器、爆震感知器等信號決定點火時間。

 

圖片41  

 

 

電路與作用原理

 

 

i. 引擎不運轉時

 

信號產生器無電壓脈衝時,則ECU無法驅動電晶體(OFF)一次線圈不產生充磁,以避免發火線圈燒毀。

 

圖片43  

 

ii. 引擎運轉時

 

當引擎運轉時,信號產生器產生一電壓脈衝,以控制電晶體電路的流通。

 

 

信號產生器產生訊號時:ECU驅動電晶體,導致低壓線圈有電流經過而產生電壓

 

 

圖片44  

 

當低壓線圈產生電壓時,則高壓線圈因變壓器原理而感應高電壓,再將高壓傳遞到分電盤使活星塞跳火。

 

 

圖片45  

 

6.4 無分電盤點火

 

由車上各個感知器信號來告知電腦控制器或ECU目前車輛或引擎運作的情形,來判斷點火的時刻。一般可分為雙輸出端點火系統和直接點火系統

 

 

(a)雙輸出端點火系統

 

 

圖片46  

 

(i)感測器與飛輪位置

 

圖片47  

(ii) 作用原理:

i.引擎運轉時,信號產生器產生一電壓脈衝,且各種感知器提供引擎各種的狀況,再由電腦來控制電晶體的通路或斷路,控制低壓線圈充磁或不充磁來使高壓線圈產生跳火,並適時做點火提前。

 

ii.一線圈可同時點燃兩個火星塞,在同時兩個活塞相對缸中實施,剛好輪到排氣行程的的該火星塞產生的火花不具點火的功能,所以做無效火花點火(waste-spark),而另一個在壓縮行程的火星塞則做有效火花的跳火,來點燃混合汽產生動力。

 

圖片48  

 

 

(b)直接點火系統

 

圖片49  

 

 

作用原理:

 

構造如圖,可依照不同感知器傳回來的信號,來控制點火時間的早晚。點火的組件與同時點火不同的是一個點火線圈對應一個火星塞而構成迴路,仍是由電腦或ECU來控制電晶體電路,使點火線圈低壓線路導通或斷路。

 

圖片50  

 

 

 

作用原理:

 

i.引擎不運轉,信號產生器不產生電壓脈衝,則一次線圈不產生充磁。

 

ii.如圖2425,信號產生器產生一個電壓脈衝,且各個感知器提供引擎運作的狀況,再由電腦或ECU來提供電晶體電路的流通,控制低壓線圈充磁或不充磁來使高壓線圈跳火。

圖片51  

 

 

 

 

 

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eatontseng

曾教授與古董保時捷

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