4.2. Dispozitive electronice în instalaţia de alimentare cu energie electrică

4.2.1.Generalităţi

Sistemul de alimentare electrică al oricărui automobil furnizează energia electrică necesară (la parametrii - tensiune, curent, frecvenţă adecvaţi) tuturor receptoarelor instalate/conectate la bordul acestuia. Elementele componente ale acestui sistem sunt (fig.4.4). a) Generatorul electric (în c.c. - dinamul sau, în c.a. - alternatorul cuplat la un redresor care transformă c.a. în c.c.). Antrenat de motorul cu ardere internă al automobilului - pe durata funcţionării acestuia - generatorul electric alimentează toate receptoarele de la bordul autovehiculului încarcă bateria de acumulatoare la tensiunea continuă de 12 V (cel mai frecvent), de 6 V (mai rar, pe unele autoturisme şi pe motociclete) sau de 24 V (pe autocamioane, autobuze, şi alte autovehicule având o putere instalată mare).

Fig.4.4. Schema bloc a instalaţiei de alimentare cu energie electrică a automobilului Dacia 1300

În general, alternatoarele sunt mai avantajoase decât dinamurile întrucât, având o construcţie şi o întreţinere mai simple sunt mai robuste şi mai fiabile; în plus alternatoarele au o putere specifică (W/kg) de 3 ... 5 ori mai mare decât dinamurile, pot funcţiona la turaţii maxime ridicate şi debitează un curent important chiar la turaţia de ralanti (mers în gol).

Din aceste motive, cu tot inconvenientul reprezentat de necesitatea redresorului, cele mai frecvent utilizate generatoare electrice de pe automobile sunt în prezent alternatoarele având, în general, indusul în stator şi inductorul în rotor (de obicei cu excitaţie electromagnetică). Pentru puteri debitate sub 500 W se utilizează alternatoare monofazate (cu 2 diode redresoare), iar pentru puteri de peste 500 W alternatoare trifazate (cu 6 diode redresoare în punte) având înfăşurările statorului conectate în stea (la puteri mici; medii) sau în triunghi (la puteri mari).

96

Diodele redresorului fiind dispozitive cu conducţie unidirecţională - evită descărcarea acumulatorului prin înfăşurările generatorului electric (cel care este conectat în paralel). b) Releul regulator de tensiune (electric sau electronic) - având rolul de a stabiliza tensiunea electrică debitată de generator (în general prin reglarea excitaţiei acestuia), tensiune ce depinde atât de turaţia motorului (variabilă în limite largi) cât şi de numărul şi tipul receptoarelor conectate la un moment dat. Există două tipuri, principial diferite, de asemenea relee regulatoare de tensiune: - releele electrice cu contacte vibratoare (având una sau două înfăşurări, respectiv două sau patru perechi de contacte incluse in circuite diferite) - au construcţia normală sau antiparazitată; - relee electronice (cu dispozitive semiconductoare) în general fără contacte electromecanice (relee statice).

Spre deosebire de releele electrice, cele electronice pot funcţiona la curenţi de excitaţie mai mari, nu necesită întreţinere (deci nu se dereglează şi nici nu se uzează mecanic), au un volum şi o greutate mai redusă etc. Dependenţa caracteristicilor funcţionale ale releului electronic de temperatura mediului ambiant poate fi minimizată printr-o ventilaţie corespunzătoare locului de amplasare a acestuia (în general lângă generator).

Atât releele electrice cât şi cele electronice diferă constructiv în funcţie de destinaţia lor - pentru alternatoare sau pentru dinamuri - primele fiind, în general, mai simple. c) Bateria de acumulatoare (bateria sau acumulatorul) este formată din mai multe elemente (celule), conectate în serie, în paralel sau mixt. Fiind conectaţi în paralel cu generatorul electric, bateria de acumulatoare realizează următoartele funcţii: - alimentează electromotorul (demarorul) şi sistemul de aprindere la (pornire, precum şi restul receptoarelor de pe automobil atunci când motorul şi deci generatorul electric nu funcţionează; - preia vârfurile de sarcină ce apar atunci când puterea electrică necesară receptoarelor depăşeşte puterea electrică maximă ce poate fi debitată de generator (de ex. în condiţiile dificile de funcţionare pe timp de noapte sau iarnă); - contribuie (alături de releul regulator) la menţinerea unei tensiuni continue constante (de 6, 12 sau 24 V) în instalaţia electrică a automobilului - independente –de variaţia turaţiei sarcinii generatorului.

Pentru a putea debita curenţii mari necesari demarorului - fără ca tensiunea la borne să scadă prea mult - este necesar ca bateria de acumulatoare să prezinte o rezistenţă electrică internă, un volum şi o greutate specifică, (raportată la volum) cât mai reduse precum şi o durată de funcţionare normală cât mai mare.

Pe autovehicule se utilizează fie acumulatoare acide cu plăci de plumb (cele mai răspândite - întrucât pot alimenta un demaror - deşi au o rezistenţă mecanică şi o durată de funcţionare relativ scăzută), fie acumulatoare alcaline (echipând, în general, autovehiculele fără sistem electric de pornire (de exemplu, pe motociclete).

97

d) Elementele de distribuţie şi interconectare - siguranţe fuzibile, întreruptoare şi comutatoare, conductoare, ccbluri, papuci şi fişe plate, etc. racordând receptoarele la sistemul de alimentare.

Ansamblul conductoarelor şi cablurilor de interconectare - având diferite secţiuni, lungimi, trasee şi culori de identificare - formează o ,,formă de cablu’’ a cărui structură şi configuraţie poate varia în limite largi, în funcţic de tipul, marca şi modelul automobilului pe care este instalată. e) Convertoare c.c./c.c. (şi/sau c.c./c.a.) - permit obţinerea unei/unor tensiuni de alimentare - continue san alternative (de obicei de 220V/ 50Hz) - diferite de tensiunea continuă (de 6, 12 sau 24 V) disponibilă din sistemul de alimentare al autovehiculului. Aceste tensiuni pot fi utile în cazul necesităţii alimentării de la bateria de acumulatoarc a unor consumatori suplimentari, exteriori instalaţiei electrice existente la bordul automobilului (de exemplu televizoarele, staţii de amplificare audio de mare putere, frigiderele electrice, tuburile fluorescente pentru iluminat, etc.).

4.2.2. Regulatoare electronice de tensiune 4.2.2.1. Regulatoare pentru tensiunea de 12 V

Regulator cu amplificator operaţional

Circuitul din fig4.5 asigură menţinerea unei tensiuni de 14,1 V la bornele bateriei de acumulatoare (garantând o încărcare optimă a acesteia, atât vara cât şi iarna) prin reglarea curentului din înfăşurarea de excitaţie a alternatorului.

Elementul de bază al schemei este aplificatorul operaţional A.O. conectat într-un circuit comparator-inversor.

Fig.4.5. Regulator electronic pentru tensiune de 12 V cu amplificator operaţional

Pe intrarea neinversoare a A.O.se aplică o tensiune de referinţă stabilIizată (6,2 V), iar pe intrarea sa inversoare o fracţiune din tensiunea de alimentare (14,1 V), reprezentând mărimea reglată. În funcţie de valoarea acestei fracţiuni (prereglabilă în

98

anumite limite din potenţiometrul P), faţă de 6,2 V, la ieşirea A.O. se obţine o tensiune nulă sau pozitivă care comandă tranzistorul T1, prin intermediul rezistenţei de limitare R3.

Tranzistoarele T1-T2 în conexiunea Darlington, controlează curentul (de până la 5 A) al înfăşurăii de excitaţie a alternatorului. Dioda D protejează tranzistorului T2

contra supratensiunilor ce pot apare prin autoinducţie în această înfăşurare. Termistorul Th compensează variaţia cu temperatura a performanţelor

amplificatorului operaţional. Rezistenţa R4 stabilizează curentul de emitor al T1 la variaţia temperaturii.

Condensatoarele C1-C2, filtrează tensiunea de alimentare a regulatorului astfel încât ondulaţiile acesteia să nu depăşească 2 mV vârf-vârf. Tranzistorul T2 şi dioda D se vor monta pe câte un radiator din tablă de aluminiu.

Regulator cu amplificator diferenţial

Un circuit similar celui precedent este cel din fig.4.6 în care rolul amplificatorului operaţional este preluat de amplificatorul diferenţial T1- T2. Pe baza tranzistorului T, se aplică o tensiune de referinţă stabilizată (de aproximativ 7 V) - obţinută cu dioda Zener DZ şi diodele D1-D2 (având rolul de-a stabiliza suplimentar această tensiune la variaţia temperaturii).

Fig.4.6. Regulator electronic pentru tensiune de 12 V cu amplificator diferenţial

Pe baza tranzistorului T2 se aplică o fracţiune din tensiunea de alimentare a regulatorului - prereglabilă cu ajutorul potenţiometrului P. Variaţia acestei fracţiuni în jurul valorii de 7 V (la care T1 şi T2 funcţionează echilibrat) determină şi modificarea curentului de colector al T1 implicit a curentului de baza al T2. Tranzistoarele T3 şi T4

amplificatoare de curent continuu - controlează curentul înfăşurării de excitaţie a alternatorului. Condensatoarele C1 şi C2 filtrează tensiunea de alimentare.

Prereglajul regulatorului se poate efectua alimentându-1 de la o sursă de tensiune continuă (reglabilă până la 15 V), conectând în locul înfăşurării de excitaţie

99

o rezistenţă de putere (25-50 ) în serie cu un ampermetru şi reglând potenţiometrul P astfel încât la o tensiune de alimentare de 14 V curentul de excitaţie să se întrerupă iar la o tensiune de alimentare de 13,5 V, curentul de excitaţie să fie maxim. Tranzistorul T4 necesită un radiator din tablă de aluminiu.

4.2.2.2. Convertoare curent continuu/ curent continuu

Convertor 12 V c.c./9V c.c. Pentru alimentarea în automobil a unor aparate electronice portabile

(radioreceptoare, casetofoane, etc.) din sistemul de alimentare al autovehiculului, este necesar un convertor c.c./c.c. care să transforme tensiunea continuă de 12 V într-una din tensiunile continue de alimentare uzuale ale unor astfel de aparate: 9V, 7,5V sau 6V.

Fig.4.7. Convertor de tensiune 12V c.c./9Vc.c. (sau 12V c.c./7,5Vc.c. sau 12V c.c./6Vc.c.) – varianta I-a

Pentru că aceste valori ale tensiunii de ieşire sunt mai mici decât tensiunea de la intrare, convertorul poate avea schema din fig.4.7 care este un stabilizator clasic de tensiune cu element de reglaj serie (tranzistorul T) şi sursă de tensiune de referinţă (dioda Zener DZ) . Tensiunea furnizată consumatorilor suplimentari va fi stabilizată în cazul existenţei unei fluctuaţii ale tensiunii la bordul automobilului. În funcţie de tensiunea şi curentul maxim necesar la ieşire, se aleg corespunzător rezistenţa R şi dioda Zener DZ.

Convertor 12 Vc.c./9 Vc.c. Circuitul din fig.4.8 permite alimentarea la o tensiune continuă de 9 V -

obţinută din tensiunea continuă de 12 V existentă la bordul automobilelor a unor consumatori suplimentari.

Schema reprezintă un stabilizator clasic de tensiune continuă cu element de reglaj-serie (TJ) şi amplificator de eroare (T2 şi T3). Potenţiometrul P permite reglarea tensiunii de ieşire în jurul valorii de 9 V.

100

Pentru consumatorii uzuali (curent < 0,5 A), tranzistorul T1 nu necesită radiator. Factorul relativ de stabilizare Fr obţinut cu acest circuit este foarte bun.

Fig.4.8. Convertor de tensiune 12V c.c./9Vc.c. – varianta a II-a

4.2.2.3. Convertoare de curent continuu/ curent alternativ

Convertor 12 Vc.c./220 V-50 Hz cu puterea de 30 W

Convertorul c.c./c.a. prezentat în fig.4.9 generează o tensiune alternativă de 220 V la 50 Hz (la o putere maximă de 30 W), fiind alimentat de la tensiunea continuă de 12 V.

Circuitul integrat CI1 funcţionează ca multivibrator astabil producând o tensiune cvasidreptunghiulară ce se aplică circuitului integrat CI2 (în tehnologie C-MOS) - mai precis, unuia din cele 2 circuite basculante bistabile tip D conţinute - având rolul de formator de impulsuri. Ieşirile în antifază ale acestui circuit comandă 2 perechi de tranzistoare în conexiune Darlington formând un amplificator de putere în contratimp.

Transformatorul TR are: în primar - două înfăşurări de câte 9V (din sârmă CuEm, cu diametrul de 0,45 mm), iar în secundar - o înfăşurare de 220 V (din sârmă CuEm, cu diametrul de 0,25 mm). Numărul spirelor fiecărei înfăşurări este detorminat de miezul disponibil, astfel încât să se respecte raportul de transformare în tensiune indicat.

101

Fig.4.9. Convertor de tensiune 12 V c.c./220 V 50 Hz cu puterea de 30W

Convertor 12 Vc.c./220 V-50 Hz cu puterea de 500 W sau 1000W

Convertorul c.c./c.a. având schema de principiu reprezentată în fig.4.10 transformă tensiunea continuă de 12 V sau de 24 V într-o tensiune alternativă de 220 V (la 50 Hz) debitând o putere maximă relativ mare de 500 W sau 1 000 W.

Tranzistoarele T0-T0’ formează un oscilator simetric cu cuplaj inductiv generând o tensiune cvasidreptunghiulară cu frecvenţa de 50 Hz (ajustabilă în jurul acestei valori prin modificarea capacităţilor condensatoarelor C1 şi C2).

Tranzistoarele T1, T2 şi T3 (+T4, T5 şi T6 la 1 000 W) respectiv T1’, T2’ şi T3’ (+T4’, T5’ şi T6’ la 1 000 W)) - în conexiune bază comună (BC) - reprezintă un amplificator de putere, în contratimp.

Principalii parametrii constructivi ai convertorului sunt prezentaţi în tabelul din fig.4.10. Transformatoarele necesită un număr dublu de spire în fiecare înfăşurare - la 1000 W comparotiv cu 500 W. În scopul realizării unei simetrizări optime este recomandabil ca toate bobinajele să fie realizate bifilar.

Valoarea rezistenţei R2 se alege la reglajul iniţial, astfel încât oscilatorul T0-T0’ să consume cât mai puţin şi să furnizeze un semnal cât mai dreptunghiular. Tranzistoarele trebuie să fie sortate în ceea ce priveşte factorul de amplificare în curent şi curentul rezidual (în limitele ± 2%). Suprafaţa minimă a radiatoarelor este de 150 cm2. Ca şi celelalte convertoare c.c./c.a. debitând 220 V-50 Hz de la o tensiune continuă redusă şi acest convertor poate fi utilizat pentru alimentarea aparaturii electrocasnice şi electronice de larg consum din apartamente - de la un acumulator de automobil - în cazul întreruperii temporare a furnizării energiei electrice (din reţeaua de 220 V). În plus, acest ultim tip de convertor - de mare putere - poate fi utilizat şi în cadrul unor microhidrocentrale electrice echipate cu generatoare de 12 V sau 24 V.

102

Fig.4.10. Convertor de tensiune 12 V c.c./220 V 50 Hz cu puterea de 500W sau 1000W

103

4.2.3. Sisteme electronice de aprindere prin scânteie a amestecului carburant

4.2.3.1. Generalităţi Motoarele cu aprindere prin scânteie (MAS) - utilizate de marea majoritate a

autovehiculelor - îşi datorează buna lor funcţionare, pe toată durata de viaţă, şi unui reglaj corect al aprinderii prin care: - scânteia trebuie să se aplice amestecului carburant, la momentul optim al cursei pistonului (pentru a se realiza un maxim de compresie în cilindru); - scânteia trebuie să aibă o anumită energie (pentru a declanşa o ardere completă a amestecului carburant).

În momentul pornirii motorului, printr-un dispozitiv mecanic corespunzător, turaţia acestuia se transmite unui ax pe care este fixată o camă, care în rotirea ei, deplasează pârghia contactului mobil al ruptorului (faţă de celălalt contact care rămâne fix); în momentul când cele două contacte -se închid, prin circuitul primar al bobinei de inducţie va circula un curent iar în miezul bobinei va apare un flux magnetic. Rotirea camei continuând, contacte1e se deschid şi curentul prin circuitnl primar se întrerupe. Variaţia bruscă a fluxului magnetic provocată de această întrerupere, induce în secundarul bobinei de inducţie o tensiune înaltă, transmisă prin intermediul distribuitorului succesiv, fiecărei bujii care produce scânteia, şi prin aceasta, aprinderea amestecului carburant. Astfel se obţine energia necesară deplasării pistoanelor din fiecare cilindru.

Deşi simplă în concepţie (bazându-se pe principii clasice de electromecanică) funcţionarea incorectă a sistemului de aprindere conduce nu numai la o risipă de carburant şi la o pornire necorespunzătoare, dar poate determina şi o încălzire puternică a blocului motor provocând o uzură prematură a acestuia.

Testarea periodică a sistemului de aprindere cu o aparatură adecvată, implică nu numai la o economie importantă în bugetul conducătorului auto, dar garantează şi o funcţionare sigură a automobilului.

4.2.3.2. Dispozitive cu tranzistoare (,,aprindere cu contact’’) În soluţia adoptării a aprinderii electronice cu tranzistor, s-a pornit de la

sistemul clasic mecanic de aprindere, ajungându-se prin analogie la schema principială din fig.4.11.

Aşa cum rezultă din figură, tranzistorul preia funcţia ruptorului situat în primarul bobinei de inducţie (ruptorul continuând să rămână utilizat pentru comanda unor curenţi mai reduşi).

Pentru, îndeplinirea funcţiei de ,,întreruptor’’ (închis/deschis), tranzistorul trebuie să fie comandat, funcţie asigurată de ruptorul deja existent în sistemul de aprindere (comandat la rândul său, de axul cu came al motorului). Tranzistorul T are numai rolul preluării funcţiei de ,,putere’’ (închizând circuitul din înfăşurarea primară, prin care circulă un curent de ordinul amperilor). Când contactul ruptorului

104

este închis, baza tranzistorului este astfel polarizată (prin R1), încât acesta se deschide, conducând curentul din înfăşurarea primara a bobinei. La deschiderea contactului ruptorului, nemai fiind polarizat pe bază, tranzistorul se va bloca, astfe1 încât prin circuitul primar al bobinei de inducţie nu va mai circula curent. Tranzistorul devine astfel echivalent cu un întreruptor conectat în serie în circuitul bobinei.

Fig.4.11. Schema de principiu a unui dispozitiv de aprindere electronică echipat cu un tranzistor, având ruptorul sub tensiune

În fig.4.11: 1 – baterie de acumulatoare, 2- contact de aprindere, 3 – rezistenţe adiţionale; 4- contact de pornire, 5 – bobină de inducţie, L1 – înfăşurarea primară, L2

– înfăşurarea secundară; 6 – circuit electronic, R1, R2 – divizor de tensiune, T – tranzistor, 7 – contact de comandă, 8 –distribuitor, 9 – bujii.

Fig.4.12. Variaţia curentului din înfăşurarea primară şi a curentului de comandă (prin ruptor) în funcţie de timp

Evoluţia în timp a acestui proces este prezentată în fig.4.12. În momentul în care contactul ruptorului se închide, curentul în primar, va creşte cu o

105

anumită întârziere, producând în bobină un câmp magnetic (energia se înmagazinează indnctiv). Când fiecare piston se află - pe rând -în apropiere de ,,punctul mort superior’’ (punctul de aprindere), contactul ruptorului se deschide şi curentul din circuitul primar se întrerupe. Este momentul în care energia magnetică înmagazinată, induce în secundar o tensiune (de peste 15000 V), care, prin distribuitor, se aplică succesiv bujiilor, declanşând pe rând, în fiecare cilindru aprinderea amestecului carburant.

Sistemul de aprindere se numeşte ,,cu contact’’, deoarece blocarea sau trecerea în conducţie a tranzistorului este determinată de contactul închis/ deschis al ruptorului.

În schema din fig.4.11 rezistoarele Rs1 şi Rs2 limitează curentul din circuitul primar deci încălzirea bobinei de inducţie. Din cauza curentului de pornire relativ mare rezistorul Rs1 este scurtcircuitat la pornirea motorului. În caz contrar, scăderea tensiunii bateriei de acumulatoare ar fi condus la un curent mai mic în primar şi ca urmare la o tensiune aplicată bujiilor mai redusă ceea ce ar fi produs dificultăţi de aprindere la pornire.

Practic se constată că scăderea tensiunii de alimentare până la 8 V asigură totuşi o pornire fără dificultăţi. Rezistenţa în serie cu circuitul primar al bobinei de inducţie, există nu numai în cazul folosirii unui dispozitiv de aprindere electronic, dar şi în cazul utilizării sistemului mecanic clasic.

Căderea de tensiune pe tranzistorul de comutare în conducţie este de aproximativ 1,5V (în sistemul clasic căderea de tensiune pe contactul mecanic este de aproximativ 0,2 V). Pentru compensarea pierderilor în tranzistor trebuie să se utilizeze o bobină având rezistenţa înfăşurării primare cât mai redusă.

Înalta tensiune furnizată de bobina de inducţie scade la creşterea turaţiei (fig.4.13) deoarece se reduc duratele de închidere ale contactului ruptorului.

Fig.4.13. Variaţia înaltei tensiuni furnizate bujiilor de bobina de inducţie în funcţie de turaţie (pentru un motor cu 4 cilindri): a. Pentru o turaţie limită a motorului de 6000 rot/min (bobină de inducţie clasică); b. Pentru o turaţie limită a motorului de 10500

rot/min (bobină de inducţie spcială)106

La motoarele cu 4 cilindri există o mică rezervă (U, fig.4.13) care permite totuşi obţinerea aprinderii până la tura la turaţii ale motorului de 6000 rot/min. Pentru motoarele cu 6 şi 8 cilindri şi pentru turaţii relativ mari, aprinderea nu mai este sigură. Se construiesc bobine de inducţie speciale pentru a declanşa aprinderea (fig.4.13.b).

107