Bài giảng Hệ thống điện động cơ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ SỐ TÍN CHỈ: 02 LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: CAO ĐẲNG CHÍNH QUY NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ Hưng Yên, năm 2015 Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 1 CHƢƠNG 1: CÁC VẤN ĐỀ CHUNG 1.1. Các khái niệm, quy ƣớc và mã cơ bản 1.1.1. Điện áp Là hiệu số điện thế giữa hai điểm khác nhau của mạch điện. UAB = VA – VB Trong đó UAB là điện áp giữa hai điểm A, B của mạch VA, VB là điện thế của A và B so với gốc (điểm mát). Đơn vị: Vôn (V) 1.1.2. Dòng điện Là dòng chuyển động của các hạt mang điện trong vật chất, có chiều chuyển động từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp. Ký hiệu: I Đơn vị: Ampe (A) 1.1.3. Điện trở Điện trở có tác dụng cản trở dòng điện, tạo sự sụt áp để thực hiện các chức năng tùy theo vị trí của điện trở trong mạch. Ký hiệu: R Đơn vị: Ôm (Ω) 1.1.4. Nguồn điện Là nơi chứa các dạng năng lượng khác có thể chuyển hóa thành điện năng. Ở đây ta chỉ nói đến nguồn áp. Ký hiệu: E Đơn vị: Vôn (V) 1.1.5. Định luật Ohm cho một đoạn mạch Cho một đoạn mạch có điện trở R đặt vào điện áp U quan hệ giữa dòng điện và điện áp được biểu diễn theo định luật Ohm: I = U/R I - dòng điện trong mạch tỷ lệ thuận với điện áp và tỷ lệ nghịch với điện trở của toàn mạch. Hình 1.1: Định luật Ohm 1.1.6. Định luật Ohm cho nhánh có nguồn Cho nhánh có nguồn có suất điện động E và điện trở trong Ri. Định luật Ohm cho nhánh có nguồn là: U = E – Ri.I Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 2 Hình 1.2: Định luật Ohm cho nhánh có nguồn Thường điện trở nguồn rất nhỏ khi mạch hở (không tải) I = 0, do đó U = E Khi điện trở mạch ngoài rất nhỏ so với điện trở trong của nguồn U = 0 gọi nguồn bị ngắn mạch, lúc đó I = E/Ri 1.1.7. Xung Là tín hiệu điện áp hay dòng biến đổi theo thời gian dưới dạng rời rạc (gián đoạn). Nó thay đổi một cách đột biến có quy luật hoặc không có quy luật. Xung điện có thể là xung một chiều hay xung xoay chiều. Hình 1.3: Một số dạng xung cơ bản trên ôtô. 1.2. Linh kiện điện và điện tử cơ bản 1.2.1. Linh kiện thụ động 1.2.1.1. Điện trở a. Khái niệm Điện trở có tác dụng cản trở dòng điện tạo sự sụt áp để thực hiện các chức năng tùy theo vị trí của điện trở trong mạch. Điện trở gồm có 3 dạng là: - Điện trở có trị số cố định. - Biến trở. - Điện trở biến thiên. * Điện trở có trị số cố định Điện trở có trị số cố định thường được phân loại theo vật liệu cản điện như: Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 3 + Điện trở than tổng hợp (than nén) + Điện trở than nhiệt giải hoặc than màng (màng tinh thể). + Điện trở dây quấn gồm sợi dây điện trở dài (dây NiCr hoặc manganin, constantan) quấn trên một ống gốm ceramic và phủ bên ngoài là một lớp sứ bảo vệ. + Điện trở màng kim, điện trở màng oxit kim loại hoặc điện trở miếng: điện trở miếng thuộc thành phần vi điện tử. Dạng điện trở miếng thông dụng là được in luôn trên tấm dáp mạch. + Điện trở cermet (gốm kim loại) a b Hình 1.4: Điện trở có trị số cố định. a – Hình dạng thực tế. b – Ký hiệu trong mạch. Dựa vào ứng dụng điện trở được phân loại như liệt kê trong bảng 1.1 Bảng 1.1: Các đặc tính chính của điện trở tiêu biểu Loại điện trở Trị số R Pt.t.max (w) T o làm việc oC TCR ppm/ o C Chính xác Dây cuốn Màng kim Bán chính xác Oxit kim loại Cermet Than màng Đa dụng Than tổng hợp Công suất Dây cuốn Hình ống 0.1 1.2 10 5 10 15 10 1.5 10 5 2.7 100 0.1 180 1/8 3/4 ở 125oC 1/20 1/2 ở 125oC 1/4 3 ở 70oC 1/20 1/2 ở 125 o C 1/8 1 ở 70oC 1/8 2 ở 70oC -55 +145 -55 +145 -55 +150 -55 +175 -55 +165 -55 +130 -55 +275 10 25 200 200 200 500 1500 200 Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 4 Bắt sườn máy Chính xác Màng kim loại Điện trở miếng (màng vi điện tử) 1 3.8 0.1 40 20 2M 1 22M 1 21 ở 25oC 5 30 ở 25oC 1 10 ở 25oC 7 1000 ở 25oC -55 +275 -55 +275 -55 +225 -55 +125 50 20 500 25 200 Cách đọc giá trị điện trở cố định: Giá trị điện trở được ghi trực tiếp: Hình 1.5: Cách đọc giá trị điện trở Bảng ghi và đọc giá trị điện trở trực tiếp trên thân theo bảng 1.2 Bảng 1.2: Cách ghi và đọc giá trị điện trở STT MÃ GHI GIÁ TRỊ 1 R22 0.22Ω 2 2R2 2.2Ω 3 47R 47Ω 4 100R 100Ω 5 1K0 1KΩ 6 10K0 10KΩ 7 1M0 1MΩ Giá trị điện trở được sơn bằng mã màu: Tùy theo số vòng trên điện trở (4, 5 hay 6 vòng), ý nghĩa của từng vòng được minh họa bằng hình vẽ sau: Hình 1.5: Mã màu điện trở Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 5 - Điện trở có 4 màu: đây là điện trở thường gặp nhất. Hình 1.6: Điện trở có 4 vòng màu. Vòng thứ nhất: chỉ giá trị hàng trục trong giá trị điện trở. Vòng thứ hai: chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở. Vòng thứ ba: chỉ hệ số nhân với số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở. Vòng thứ tư: chỉ sai số điện trở. Ví dụ: Điện trở có 4 màu theo thứ tự : vàng, tím, cam, nhũ, bạc. Giá trị điện trở là: Vàng Tím Cam Nhũ Bạc 4 7 000 ±10 % Kết quả : 47.000Ω hay 47kΩ, sai số ±10 % - Điện trở có 5 vòng màu: là điện trở có độ chính xác cao. Hình 1.7: Điện trở có 5 vòng màu. Vòng thứ nhất: chỉ giá trị hàng trăm trong giá trị điện trở. Vòng thứ hai: chỉ giá trị hàng trục trong giá trị điện trở. Vòng thứ ba: chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở. Vòng thứ tư: chỉ hệ số nhân với số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở. Vòng thứ năm: chỉ sai số giá trị điện trở. Ví dụ: Điện trở có 5 màu, theo thứ tự: Nâu, tím, đỏ, đỏ, nâu. Giá trị của điện trở: Nâu Tím Đỏ Đỏ Nâu 1 7 2 00 ±1 % Kết quả: 17200 Ω hay 17.2 kΩ, sai số ±1 % * Biến trở: Biến trở có hai dạng. Dạng kiểm soát dòng công suất lớn dùng dây quấn. Loại này ít gặp trong các mạch điện trở. Dạng thường dùng hơn là chiết áp. Cấu tạo của biến trở so với điện trở cố định chủ yếu là có thêm một kết cấu con chạy gắn với một trục xoay để điều chỉnh trị số điện trở. Con chạy có kết cấu kiểu xoay (chiết áp xoay) hoặc theo kiểu trượt (chiết áp trượt). Chiết áp có 3 đầu ra, đầu giữa ứng với con trượt còn hai đầu ứng với hai đầu điện trở. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 6 Hình 1.8a:Biến trở Hình 1.8b:Kỹ hiệu biến trở + Điện trở biến thiên: chia các dạng sau. Điện trở nhiệt tecmixto: Đây là một loại linh kiện bán dẫn có trị số điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Khi ở nhiệt độ bình thường thì tecmixto là một điện trở, nếu nhiệt độ càng tăng cao thì điện trở của nó càng giảm. Hình ảnh thực tế của điện trở nhiệt tecmixto: a b Hình 1.9: Điện trở nhiệt tecmixto a- Hình ảnh thực tế b – Ký hiệu trong mạch Quang trở: Quang trở: Là một loại điện trở, mà điện trở suất của nó giảm xuống rất nhanh khi có ánh sáng chiếu vào, làm bằng CdS hoạt dộng trên hiện tượng quang dẫn. a b Hình 1.10: Quang trở a – Hình ảnh thực tế. b – Ký hiệu trong mạch. Đơn vị của điện trở: đơn vị là Ω (Ohm) 1KΩ = 1000Ω 1MΩ = 1.000.000Ω Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 7 1.2.1.2. Tụ điện a. Khái niệm Là một thiết bị mà có thể tích trữ các điện tích khi cấp lên nó một điện áp. Tụ điện là một linh kiện thu động được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử được cấu tạo từ hai bản cực làm bằng hai chất dẫn điện (kim loại) đặt song song nhau, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi. Người ta thường dùng các chất: thủy tinh, gốm sứ, mica, giấy, dầu, paraffin, không khí để làm chất điện môi. Hình 1.11: Cấu tạo tụ điện. Tụ điện được chia thành những loại sau: - Tụ hóa. - Tụ thường - Tụ điện có điện dung thay đổi. Chúng ta đi tìm hiểu từng loại tụ điện một + Tụ hóa: Tụ hóa là loại tụ có phân cực. Chính vì thế khi sử dụng tụ hóa yêu cầu người sử dụng phải cắm đúng chân của tụ điện với điện áp cung cấp. Thông thường, các loại tụ hóa thường có kí hiệu chân cụ thể cho người sử dụng bằng các ký hiệu + hoặc - tương ứng với chân tụ. a. Hình ảnh thực tế b. Ký hiệu Hình 1.12: Tụ hóa. + Tụ thƣờng: Hình 1.13: Ký hiệu trong mạch của tụ thường Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 8 +Tụ điện có điện dung thay đổi: Tụ điện có trị số điện dung thay đổi được là loại tụ trong qua trình làm việc ta có thể điều chỉnh thay đổi trị số điện dung của chúng. Hình 1.14: Ký hiệu trong mạch. b. Cách ghi và đọc giá trị tụ điện Hai tham số quan trọng nhất thường được ghi trên thân tụ điện là trị số điện dung (kèm theo dung sai sản xuất) và điện áp làm việc. - Cách ghi trực tiếp: Ghi trực tiếp là cách ghi đầy đủ các tham số và đơn vị đo của chúng. Cách này chỉ dùng cho loại tụ điện có kích thước lớn. - Cách ghi gián tiếp theo quy ước: Tụ điện có tham số ghi theo qui ước thường có kích thước nhỏ và điện dung ghi theo đơn vị đo pF. Có rất nhiều quy ước khác nhau như quy ước mã, quy ước màu Sau đây ta chỉ nêu một số quy ước thông dụng. + Ghi theo quy ước số: Cách ghi này thường gặp ở các tụ Pôlystylen. Ví dụ: Trên thân tụ ghi 47/630, có nghĩa tử số là giá trị điện dung tính bằng pF, 47pF, mẫu số là điện áp làm việc một chiều, 630Vdc. + Ghi theo quy ước mã: Giống như ở điện trở, mã gồm các chữ số chỉ trị số điện dung và chữ cái chỉ % dung sai. Tụ có kích thước nhỏ thường được ghi theo quy ước sau: Ví dụ trên tụ ghi 204 nghĩa là trị số của điện dung 20.000 pF Vdc. Tụ Tantan là tụ phân cực thường được ghi theo đơn vị µF cùng điện áp làm việc và cực tính rõ ràng. + Ghi theo quy ước màu: Tụ điện cũng giống như điện trở được ghi theo quy ước màu. Quy ước màu cũng có nhiều loại: loại 4 vạch, loại 5 vạch màu. Nhìn chung các vạch màu quy ước gần giống điện trở. Hình 1.15: Mã màu của tụ điện Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 9 Bảng 1.3: Quy ước mã màu trên tụ điện Vạch 1 Vạch 2 Vạch 3 Vạch 4 Vạch 4 Vạch 5 Màu Số có ngĩa Số có nghĩa Số nhân(pF) Tantan( UDc(V) Tụ Tantan Dung sai Polyster Đen 0 0 1 - 2PF 20% - Nâu 1 1 10 10 100 - 0,1PF 1% - Đỏ 2 2 100 100 250 - 2% 250 w Cam 3 3 1K - - - 2,5% - Vàng 4 4 10K - 400 6,3 - - - Lục 5 5 100K - 16 0,5PF 5% - Lam 6 6 - - 630 20 - - - Tím 7 7 - - - - - - - Xám 8 8 0,01 0,01 - 25 0,25PF - - Trắng 9 9 0,1 0,1 - 3 1PF 10% - Hồng - - - - - 35 - Bảng 1.4: Bảng phân loại tụ điện theo vật liệu và công dụng Loại tụ Điện dung U làm việc (Vdc) t 0 làm việc + Chính xác: -Mica -Thủy tinh -Gốm 1 91000 PF 1 10000 PF 1 1100 PF 100 300 500 150 500 -55 125 -55 125 -55 85 Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 10 -Màng Polystylen + Bán chính xác -Màng chất dẻo -Màng chất dẻo giấy (tráng kim loại) + Đa dụng -Gốm Li-K -Ta2O3 (nung dính, chất điện giải rắn có cực tính) -Màng dính ướt có cực -Al2O3 khô có cực tính + Triệt nuôi -Giấy -Mica(hình khuy) -Gốm +Thoát -Giấy 1000 220000 PF 1000 10 F 4700 10 F 10 100000 PF 1 580 PF 5,6 PF 560 F 150 PF 120000 F 5 2400 PF 10000 PF 3 F 100 4500PF 10000 35000PF 200 30 50 400 50 200 10 300 4 85 5 450 100 600 500 500 1500 100 -55 85 -55 125 -55 125 -55 125 -55 125 -55 125 -40 85 -55 125 -55 125 -55 125 -55 85 1.2.2. Linh kiện bán dẫn 1.2.2.1. Chất bán dẫn Hầu hết các chất bán dẫn đều có các nguyên tử sắp xếp theo cấu tạo tinh thể. Hai chất bán dẫn được dùng nhiều nhất trong kỹ thuật chế tạo linh kiện điện tử là Silicium và Germanium. Mỗi nguyên tử của hai chất này đều có 4 điện tử ở ngoài cùng kết hợp với 4 điện tử kế cận cấu tạo thành 4 liên kết hóa trị. Vì vậy tinh thể Ge và Si ở nhiệt độ thấp là các chất cách điện. ở nhiệt độ thấp (T = 00 K ) nhiệt độ cao (T = 3000 K) Hình 1.16: Tinh thể chất bán dẫn Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể, nhiệt năng sẽ làm tăng năng lượng một số điện tử và làm gãy một số nối hóa trị. Các điện tử ở các nối bị gãy rời xa nhau và có thể di chuyển dễ dàng trong mạng tinh thể dưới tác dụng của điện trường. Tại các nối hóa trị Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 11 bị gãy ta có các lỗ trống (hole). Về phương diện năng lượng, ta có thể nói rằng nhiệt năng làm tăng năng lượng các điện tử trong dải hóa trị. Khi năng lượng này lớn hơn năng lượng của dải cấm (0,7 eV đối với Ge và 1,12 eV đối với Si), điện tử có thể vượt dải cấm vào dải dẫn điện và chừa lại những lỗ trống (trạng thái năng lượng trống) trong dải hóa trị. Ta gọi n là mật độ điện tử tự do trong dải dẫn điện và p là mật độ lỗ trống trong dải dẫn điện. Nếu n = p ta gọi chất bán dẫn thuần. Thông thường chế tạo loại chất bán dẫn này rất khó khăn. + Chất bán dẫn loại N: Giả sử ta pha vào Si thuần những nguyên tử thuộc nhóm V của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học như Arsenic (As), photpho (P), Antimony (Sb). Bán kính nguyên tử của As gần bằng bán kính nguyên tử của Si nên có thể thay thế một nguyên tử Si trong mang tinh thể. Bốn điện tử của As kết hợp với 4 điện tử của Si lân cận tạo thành 4 nối hóa trị, còn dư lại một điện tử của As ở mức năng lượng gần tới dải dẫn nhiệt. Ở nhiệt độ thấp chất bán dẫn này chưa dẫn điện. loại N loại P Hình 1.17: Tinh thể chất bán dẫn Khi ta tăng nhiệt độ của tinh thể, một số hóa trị bị gãy, ta có những lỗ trong trong dải hóa trị và điện tử trong dải dẫn điện. Ngoài ra, hầu hết các điện tử dư của As đều nhận nhiệt năng để trở thành điện tử có năng lượng trong dải dẫn điện. Do đó tổng số điện tử trong dải dẫn điện nhiều hơn số lỗ trong dải hóa trị, ta gọi là bán dẫn loại N. + Chất bán dẫn loại P: Thay vì pha vào Si thuần một nguyên tố thuộc nhóm V, tap pha vào những nguyên tố thuộc nhóm III như Indium (In), Galium (Ga), Nhôm (Al) Bán kính nguyên tử In gần bằng bán kính nguyên tử Si nên nó có thể thay thế một nguyên tử Si trong mạng tinh thể. Ba điện tử của nguyên tử của nguyên tử In kết hợp với ba điện tử của ba nguyên tử Si có năng lượng trong giải hóa trị không tạo một nối với Indium. Giữa In và Si có một trạng thái năng lượng trống (lỗ trống). Khi ta tăng nhiệt độ của tinh thể sẽ có một số điện tử trong dải hóa trị nhận năng lượng và trở thành những điện tử trong dải dẫn điện, chừa ra các lỗ trống. Do đó Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 12 tổng số lỗ trống trong dải hóa trị nhiều hơn số điện tử trong dải dẫn điện. Ta gọi là những chất bán dẫn loại P. 1.2.2.2. Loại tiếp xúc P – N Tại lớp tiếp xúc xuất hiện các dòng tải điện theo cơ chế khuếch tán: Các lỗ trống sẽ khuếch tán từ vùng P sang vùng N, các điện tử sẽ khuếch tán từ vùng N sang vùng P. Quá trình này hình thành lớp điện tích trái dấu ở vùng gần lớp tiếp xúc và cường độ điện trường ở vùng lân cận tiếp xúc E0. Điện trường tiếp xúc Eo có chiều tác dụng từ bán dẫn N sang bán dẫn P và tạo nên một hàng rào thế năng ngăn cản sự khuếch tán của lỗ trống qua lớp tiếp xúc. Hình 1.18: Lớp tiếp xúc P – N Khi đặt một nguồn điện áp ngoài lên lớp tiếp xúc P–N có chiều sao cho VP > VN điện trường này ngược chiều điện trường Eo, làm tăng dòng điện qua lớp tiếp xúc P – N giảm xuống, có một giá trị rất nhỏ gọi là dòng bão hòa. Ta gọi là phân cực ngược. Hình 1.19: Phân cực thuận và phân cực ngược 1.2.2.3. Điốt bán dẫn a. Khái niệm chung a b Hình 1.20: Điốt bán dẫn a – Hình ảnh thực tế b – Ký hiệu trong mạch Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 13 Cấu tạo : Điốt bán dẫn là linh kiện gồm có một lớp tiếp xúc P – N và hai cực là anốt (A) được nối với bán dẫn P và catốt (K) được nối với bán dẫn N. Khi UAK > 0 thì điốt sẽ dẫn điện và trong mạch có dòng điện chạy qua và lúc này tiếp xúc P – N được phân cực thuận. Khi UAK < 0 điốt sẽ khóa vì tiếp xúc P – N phân cực ngược, dòng điện ngược rất nhỏ chạy qua. Hình 1.21: Cấu tạo điốt b. Đặc tính Vôn – Ampe của điốt bán dẫn Đặc tính Vôn – Ampe (V – A) biểu thị mối quan hệ giữa dòng điện qua điốt với điện áp đặt trên nó UAK. - UD là điện áp thuận ngưỡng của điốt. UD = 0.2 V đối với điốt Ge và UD = 0,6 V đối với điốt Si. - Udt là điện áp đánh thủng. - Ith.max là dòng điện thuận cực đại cho phép, điốt không được làm việc với dòng điện. - I0 là dòng điện ngược. Hình 1.22: Đặc tuyến V – A c. Điốt ổn áp Khi phân cực thuận đặc tuyến của điốt giống hệt điốt thường. Khi phân cực ngược ở vùng Zenner, điện thế ngang qua điốt gần như không thay đổi trong khi dòng điện qua nó biến thiên một khoảng rộng. Hình 1.23: Ký hiệu và đặc tuyến V – A của điốt Zenner d. Điốt Tunen (hay điốt xuyên hầm) Loại điốt này có khả năng dẫn điện cả chiều thuận và chiều ngược. Đặc tính V-A của điốt tunen ở phần thuận có đoạn điện trở âm AB. Người ta sử dụng đoạn đặc Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 14 tuyến AB này để tạo các mạch dao động phóng nạp. Điốt tunen có kich thước nhỏ, ổn định cao và tần số làm việc lên tới GHZ. Hình 1.24: Ký hiệu và đặc tính V – A của điốt tunen e. Điốt xung Điốt xung là điốt làm ở tần số cao khoảng vài chục KHz. Điốt Schốtky là điốt xung điển hình, có thời gian hồi phục rất nhỏ (đổi trạng thái nhanh) nên được dùng rất phổ biến trong kỹ thuật số và điều khiển. Hình 1.25: Ký hiệu của điốt xung f. Điốt phát quang (LED – Lighting Emitting Diode) LED là linh kiện bán dẫn quang điện tử. Nó có khả năng phát ra ánh sang khi có hiện tượng tái hợp xảy ra trong lớp tiếp xúc P – N. Tùy theo vật liệu chế tạo mà ta có ánh sang bức xạ có màu khác nhau. a – Hình ảnh thực tế b- Ký hiệu trong mạch Hình 1.26: Điốt phát quang g. Điốt thu quang (Photo diode) Điốt thu quang làm việc ở chế độ phân cực nghịch vỏ điốt có một miếng thủy tinh để ánh sang chiếu vào mối P-N dòng điện ngược qua điốt tỉ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu qua điốt. a – Hình ảnh thực tế b – Ký hiệu trong mạch Hình 1.27: Điốt thu quang 1.2.2.4. Tranzito bán dẫn a. Cấu tạo và ký hiệu trong sơ đồ mạch Tranzito được chế tạo từ một tinh thể chất bán dẫn có 3 miền pha tập khác nhau để hình thành hai lớp tiếp xúc P-N phân cực ngược nhau như thế có hai loại tranzito Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 15 khác nhau: PNP (tranzito thuận) hoặc NPN (tranzito ngược). Vùng bán dẫn nằm giữa gọi là Bazơ (B-cực gốc) hai vùng còn lại được gọi là collect (C-cực C) và emitơ (E- emitơ). Lớp tiếp xúc P-N giữa cự E và B gọi là TE giữa C và B gọi là TC. Hình 1.28: Ký hiệu và cấu tạo của các tranzito loại P-N-P và N-P-N b. Nguyên lý làm việc Khi chưa cung cấp điện áp ngoài lên các cực của tranzito thì hai tiếp xúc phát TE và góp TC đều ở trạng thái cân bằng và dòng điện tổng chạy qua các cực của tranzito bằng 0. Muốn cho tranzito làm việc ta phải cung cấp cho các cực của nó một điện áp một chiều thích hợp. Tùy theo điện áp đặt vào các cực mà ta tạo cho tranzito làm việc ở các chế độ khác nhau. Cả hai loại tranzito P-N-P và N-P-N đều có nguyên lý làm việc riêng biệt giống hệt nhau, chỉ có chiều nguồn điện cung cấp là ngược dấu nhau. Chế độ tích cực (hay chế độ khuyếch đại): cung cấp nguồn điện một chiều lên các cực sao cho tiếp xúc phát TE phân cực thuận và tiếp xúc góp TC phân cực ngược. Khi tranzito làm vệc ở chế độ này có khả năng khuyếch đại. Hình 1.29: Các dòng điện và điện áp trên các cực của tranzito PNP ở chế độ tích cực Hệ số khuếch tán : β= Trường hợp tranzito loại P-N-P: β = 0.98 – 0.995 Hệ số khuếch đại dòng điện emitơ α= ICP/IE(a = 0.90 – 0.995) Quan hệ giữa 3 thành phần dòng điện trong tranzito là : IC = α.IE + ICBO IB = (1-α ).IE - ICB0 IE = IC + IB Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 16 - Chế độ ngắt: Trong chế độ này cả hai tiếp giáp TE và TC đều phân cực ngược. Tức là: UBE O và UBE < UCE → UBC < 0 Hinh 1.30: Chế độ ngắt của tranzito Lúc này điện trở của tranzito rất lớn, cực E coi như hở mạch. Dòng điện qua cực B bằng dòng ICB0 nhưng ngược dấu (IB = -ICB0) và UCE = EC. - Chế độ bão hoà: Ở chế độ này cả hai tiếp giáp TE và TC đều phân cực thuận và điện thế E-B lớn hơn điện thế B-C. Điện áp UCE rất nhỏ, trong tính toán thường sử dụng giá trị UCE = 0.3 V. Hinh 1.31: Chế độ bão hòa của tranzito Đặc tuyến truyền đạt của tranzito trong các chế độ làm việc: Hình 1.32: Đặc tuyến truyền đạt của tranzito c. Đặc tính V-I của tranzito Chúng ta khảo sát đặc tính V-I của tranzito mắc theo kiểu cực Bazơ chung. Mạch điện được mắc như sau: Hình 1.33: Sơ đồ mạch điện tranzito mắc theo kiểu cực B chung Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 17 - Đặc tuyến ngõ vào (Input curves): là đặc tuyến biểu diễn sự thay đổi giữa điện áp vào UBE với dòng điện vào IB. Trên họ đặc tuyến vào ta thấy điện áp UCE ít ảnh hưởng lên dòng điện IB. Hình 1.34: Đặc tính ngõ vào của tranzito Ge loại PNP - Đặc tuyến ngõ ra (Output curves): là đặc tuyến biểu diễn sự thay đổi của dòng điện mạch ra IC theo điện áp trên mạch ra UCB với dòng điện cực phát IB làm thông số. Hình 1.35: Đặc tuyến ngõ ra của tranzito Ge loại PNP d. Ứng dụng - Điều khiển âm và điều khiển dương: + Điều khiển âm: Dòng điện được cấp thẳng tới đầu dương (đầu vào) của tải còn phía đầu âm (đầu ra) của tải được điều khiển (ON/OFF). + Điều khiển dương: Dòng điện đầu dương (đầu vào) của tải được điều khiển (ON/OFF) còn đầu âm (đầu ra) của tải được nối mát. Hình 1.36: Điều khiển âm và điều khiển dương - Chế độ làm việc của Tranzito: + Chế độ công tắc (ON/OFF): Chế độ này được dùng trong hệ thống phun xăng, đánh lửa, điều khiển các loại van điện dùng trong các loại cảm biến... ` Hình 1.37: Chế độ công tắc của Tranzito + Chế độ vòi nước: Chế độ này thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển tốc độ quạt gió giàn lạnh, điều khiển môtơ bướm ga, điều khiển các van trong hệ thống số tự động. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 18 C E B I h U Hinh 1.38: Chế độ vòi nước của Tr 1.2.2.5. Tranzito trƣờng (FET _ Field-Efect Transistor) a. Nguyên lý làm việc Hoạt động của tranzito trường dựa trên nguyên lý hiệu ứng trường nghĩa là độ dẫn điện của đơn tinh thể bán dẫn do điện trường bên ngoài điều khiển. Dòng điện trong tranzito trường do một loại hạt dẫn tạo nên: Lỗ trống hoặc điện tử nên nó còn được gọi là cấu kiện đơn cực. Nguyên lý hoạt động cơ bản của tranzito trường là dòng điện đi qua một môi trường bán dẫn có tiết diện thay đổi dưới tác động của điện trường vuông góc với lớp bán dẫn đó. Khi thay đổi cường độ điện trường sẽ làm thay đổi điện trở của lớp bán dẫn và do đó làm thay đổi dòng điện đi qua nó. Lớp bán dẫn này được gọi là kênh dẫn điện. b. Phân loại Tranzito trường có hai loại chính là: - Tranzito trường điều khiển bằng tiếp xúc P-N (hay gọi là tranzito trường mối nối): Junction field-effect transistor – JFET. - Tranzito trường có cực cửa cách điện: Insulated-gate field effect transistor-IGFET. Thông thường lớp cách điện được dùng là lớp oxit nên gọi là Metal-Oxide- Semiconductor Transistor (MOSFET). Trong loại tranzito trường có cực cửa cách điện được chia làm hai loại là MOSFET kênh sẵn và MOSFET kênh cảm ứng. Mỗi loại FET lại được phân chia thành loại kênh N và loại kênh P. Tranzito trường có ba chân cực là cực nguồn S (Source); cực cửa G (gate) và cực máng D (drain). Cực nguồn S: là cực mà qua đó các hạt dẫn đa số đi vào kênh và tạo ra dòng điện nguồn IS. Cực máng D: Là cực mà ở đó các hạt dẫn đa số rời khỏi kênh. Cực cửa G: Là cực điều khiển dòng điện chạy qua kênh. c. Một số ƣu nhƣợc điểm của tranzito trƣờng so với tranzito lƣỡng cực Ƣu điểm: - Dòng điện qua tranzito chỉ do một loại hạt dẫn đa số tạo nên, do vậy FET là loại cấu Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 19 kiện đơn cực (unipolar device). - FET có trở kháng vào rất cao. - Tiếng ồn trong FET ít hơn nhiều so với tranzito lưỡng cực. - Nó không bù điện áp tại dòng ID = 0 và do đó nó là cái ngắt điện tốt. - Có độ ổn định về nhiệt cao. - Tần số làm việc cao. Nhƣợc điểm: - Hệ số khuếch đại thấp hơn nhiều so với tranzito lưỡng cực. d. Ký hiệu của FET trong các sơ đồ mạch Hình 1.39: Ký hiệu của FET trong các sơ đồ mạch e. Tranzito trƣờng loại điều khiển bằng tiếp xúc P-N (JFET) Cấu tạo: Tranzito JFET cấu tạo gồm có một miếng bán dẫn mỏng loại N (kênh loại N) hoặc loại P (kênh loại P) ở giữa hai tiếp xúc P-N và được gọi là kênh dẫn điện. Hai đầu miếng bán dẫn đó được đưa ra hai chân cực gọi là cực máng D và cực nguồn S. Hai miếng bán dẫn ở hai bên của kênh được nối với nhau và đưa ra một chân cực gọi là cửa G. Cho nên, cực cửa được tách khỏi kênh bằng các tiếp xúc P-N. Các tranzito trường JFET hầu hết là loại đối xứng, có nghĩa là khi đấu trong mạch có thể đổi chỗ hai chân cực máng và nguồn cho nhau thì các tính chất và tham số của tranzito không hề thay đổi. Hình 1.40: Cấu tạo của tranzito trường JFET kênh dẫn loại N Nguyên lý hoạt động của JFET: Nguyên lý làm việc của tranzito trường JFET kênh loại N và kênh loại P giống nhau. Chúng chỉ khác nhau về chiều của nguồn điện cung cấp vào các chân cực. Để cho tranzito trường làm việc ở chế độ khuếch đại phải cung cấp nguồn điện UGS có chiều sao cho cả hai tiếp xúc P-N đều phân cực ngược. Còn nguồn điện UDS có chiều sao cho các hạt dẫn đa số chuyển động từ cực nguồn S qua kênh về cực máng D để tạo nên dòng điện trong mạch cực máng ID. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 20 Hình 1.41: Sơ đồ nguyên lý làm việc của JFET Xét sơ đồ nguyên lý làm việc của JFET kênh N: Để hai tiếp xúc P-N đều phân cực ngược ta phải cung cấp nguồn VGG có cực dương vào chân cực nguồn S, cực âm vào chân cực cửa G. Để cho các hạt dẫn điện tử chuyển động từ cực nguồn về cực máng thì nguồn điện VD có chiều dương vào cực máng, chiều âm vào cực nguồn. Khi UDS> 0, thì điện thế tại mỗi điểm dọc theo kênh sẽ tăng dần từ cực nguồn S đến cực máng D. Do vậy tiếp xúc P-N sẽ bị phân cực ngược. Hình 1.42: Mô hình đấu nối nguồn cung cấp cho JFET kênh N Xét khả năng điều khiển của điện áp trên cực cửa UGS đối với dòng điện ID và đặc tuyến truyền đạt của FET : Muốn xét khả năng điều khiển dòng điện ID của điện áp trên cực cửa phải đặt lên cực máng một điện áp UDS1> 0 và giữ cố định. Khi điện áp trên cực cửa UGS = 0V, hai tiếp xúc P-N sẽ được phân cực ngược mạnh dần từ cực nguồn về phía cực máng, và do đó kênh cũng sẽ hẹp dần về phía cực máng. Tuy nhiên, ở trường hợp này, tiết diện của kênh là lớn nhất nên dòng điện chạy qua kênh là lớn nhất, ký hiệu là ID0. Khi đặt điện áp trên cực cửa có trị số âm (UGS < 0), thì tiếp xúc P-N được phân cực ngược càng mạnh hơn, và tiết diện của kênh càng hẹp lại, điện trở của kênh càng tăng, kéo theo dòng điện ID giảm xuống. Khi điện áp trên cực cửa giảm xuống đến một trị số gọi là điện áp ngắt UGS ngắt thì hai lớp tiếp xúc P-N phủ trùm lên nhau và kênh hoàn toàn biến mất, dòng điện chạy qua kênh ID= 0. Quan hệ giữa ID với UGS thể hiện bằng đường đặc tuyến điều khiển hay còn gọi là đặc tuyến truyền đạt. Hình 1.43: Đặc tuyến truyền đạt của JFET kênh loại N Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 21 - Đặc tuyến ra của JFET : Đặc tuyến ra chỉ mối quan hệ giữa ID và điện áp máng UGS. Đối với JFET kênh loại N, đặt một trị số UDS= 0 và giữ cố định, sau đó thay đổi trị số điện áp UDS. Khi điện áp UDS= 0 V thì hai tiếp xúc P-N được phân cực ngược đồng đều từ cực nguồn đến cực máng, tiết diện của kênh là lớn nhất nhưng dòng điện ID= 0. Đặt UDS > 0, và có giá trị nhỏ, điện thế tại mỗi điểm dọc theo kênh sẽ tăng dần từ cực nguồn đến cực máng, làm cho tiếp xúc P-N được phân cực ngược mạnh dần về phía cực máng, đồng thời các hạt dẫn điện tử sẽ chuyển động về cực máng tạo nên dòng điện cực máng ID. Tăng dần điện áp UDS hai tiếp xúc P-N càng được phân cực ngược mạnh hơn về phía cực máng, tiết diện của kênh càng bị hẹp dần về phía cực máng, nhưng dòng điện ID lại càng tăng tuyến tính với sự tăng của điện áp UDS. Ta có đoạn đặc tuyến dốc đứng gọi la vùng thuần trở. Khi điện áp UDS tăng đến trị số mà tại đó hai tiếp xúc P-N chạm nhau, tạo ra “điểm thắt’’ của kênh, thì trị số điện áp đó ta gọi là điện áp UDS bão hoà hay còn gọi là điện áp thắt. Lúc này dòng điện ID đạt tới trị số dòng điện bão hoà IDbh. Nếu tiếp tục tăng điện áp cực máng càng dương hơn thì dòng ID không tăng nữa mà chỉ có tiếp xúc P-N được phân cực ngược mạnh hơn và chúng trùm phủ lên nhau làm cho một đoạn kênh bị lấp và chiều dài của kênh bị ngắn lại. Lúc này, quan hệ giữa dòng điện ID với điện áp UDS không theo định luật Ôm nữa, ID gần như không đổi khi UDS tiếp tục tăng. Nếu tăng trị số UDS lên quá cao có thể xảy ra hiện tượng đánh thủng tiếp xúc P-N và dòng điện ID sẽ tăng vọt lên gọi là vùng đánh thủng. Thay đổi trị số điện áp trên cực cửa và thực hiện lại các bước như trên ta được họ đặc tuyến ra. Hình 1.44: Họ đặc tuyến ra của JFET kênh loại N f. Tranzito trƣờng loại MOSFET kênh sẵn Cấu tạo : MOSFET kênh sẵn còn gọi là MOSFET chế độ nghèo (Depletion-Mode MOSFET, viết tắt là DMOSFET). Khi chế tạo người ta chế tạo sẵn kênh dẫn, kênh dẫn loại P hoặc kênh dẫn loại N. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 22 Hình 1.45: Cấu tạo của MOSFET kênh sẵn loại P Nguyên lý làm việc : Khi làm việc, thông thường cực nguồn S được nối với đế và nối đất nên US = 0. Các điện áp đặt vào các chân cực cửa G và cực máng D là so với chân cực S. Nguyên tắc cung cấp nguồn điện cho các chân cực sao cho hạt dẫn đa số chạy từ cực nguồn S qua kênh về cực máng D để tạo nên dòng điện ID trong mạch cực máng. Còn điện áp đặt trên cực cửa có chiều sao cho MOSFET làm việc ở chế độ giàu hạt dẫn hoặc ở chế độ nghèo hạt dẫn. Nguyên lý làm việc của hai loại kênh P và kênh N giống nhau chỉ có cực tính của nguồn điện cung cấp cho các chân cực là trái dấu nhau. Hình 1.46: Sơ đồ nguyên lý của MOSFET kênh sẵn - Xét khả năng điều khiển của DMOSFET loại P: Khả năng điều khiển dòng điện ID của điện áp trên cực cửa UGS chính là mối quan hệ giữa dòng điện ID với điện áp UGS khi UDS cố định. Để các hạt dẫn lỗ trống chuyển động từ cực nguồn S về cực máng D, ta đặt một điện áp trên cực máng UDS1 < 0 và giữ không đổi. Sau đó thay đổi điện áp trên cực cửa UGS theo chiều dương hoặc theo chiều âm. Khi UGS= 0 thì dưới tác dụng của điện áp UDS các lỗ trống chuyển động từ cực nguồn về cực máng tạo nên dòng điện ID. Nếu UGS < 0, nhiều lỗ trống được hút về kênh làm nồng độ hạt dẫn trong kênh tăng lên, độ dẫn điện của kênh tăng và dòng điện chạy trong kênh tăng lên. Chế độ làm việc này gọi là chế độ giàu hạt dẫn. Hình 1.47: Đặc tuyến truyền đạt của MOSFET kênh sẵn loại P Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 23 Nếu UGS > 0, các lỗ trống bị đẩy ra xa kênh làm nồng độ hạt dẫn trong kênh giảm xuống, độ dẫn điện của của kênh giảm và dòng điện chạy qua kênh ID giảm xuống. Chế độ làm việc này gọi là chế độ nghèo hạt dẫn. - Xét họ đặc tuyến ra: Đặc tuyến ra chỉ mối quan hệ giữa ID và điện áp UDS khi UGS không đổi. Hình 1.48: Đặc tính ra của MOSFET kênh sẵn loại P Trên họ đặc tuyến ra, khi điện áp UDS = 0 (V) thì dòng điện qua kênh ID= 0, do đó đặc tuyến xuất phát từ gốc toạ độ. Điều chỉnh cho UDS âm dần, với trị số nhỏ thì dòng điện ID tăng tuyến tính với sự tăng của điện áp UDS và mối quan hệ này được tính theo định luật Ôm. Ta có vùng thuần trở của đặc tuyến. Khi điện áp UDS đạt tới trị số bão hoà U DSbh thì dòng điện cực máng cũng đạt tới trị số bão hoà IDbh. Trong trường hợp này, lớp tiếp xúc P-N chạm vào đáy của lớp oxit và kênh có điểm thắt tại cực máng, nên UDSbh còn được gọi là điện áp “thắt“. Nếu cho | UDS | > |UDSbh| thì dòng điện không thay đổi và giữ nguyên trị số bão hoà IDSbh. Đồng thời, tiếp xúc P-N bị phân cực ngược càng mạnh về phía cực máng, làm cho chiều dài của phần kênh bị “thắt“ tăng lên. Độ chênh lệch của điện áp ∆ UDS = | UDS | - | UDbh| được đặt lên đoạn kênh bị “thắt“ và làm cho cường độ điện trường ở đây tăng, giúp cho số các lỗ trống vượt qua đoạn kênh bị “thắt“ không thay đổi, do vậy dòng ID giữ không đổi. Trường hợp nếu đặt UDbh quá lớn sẽ dẫn đến hiện tượng đánh thủng tiếp xúc P- N ở phía cực máng, dòng điện IDS tăng vọt. Lúc này tranzito chuyển sang vùng đánh thủng. Qua các họ đặc tuyến của DMOSFET ta thấy nó làm việc ở cả hai chế độ nghèo và giàu hạt dẫn. DMOSFET có mức ồn nhỏ nên nó được dùng trong các tầng khuếch đại đầu tiên của thiết bị cao tần. Độ hỗ dẫn của nó phụ thuộc vào điện áp U GS nên hệ số khuếch đại điện áp thường được tự động điều khiển. g. Tranzito trƣờng kênh cảm ứng Cấu tạo: Tranzito trường kênh cảm ứng còn gọi là MOSFET chế độ giàu (Enhancement- Mode MOSFET, viết tắt là E-MOSFET). Có hai loại là E-MOSFET loại N và loại P. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 24 Hình 1.49: Cấu tạo của MOSFET kênh cảm ứng loại P Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý làm việc của loại kênh P và kênh N giống hệt nhau, chỉ khác nhau về cực tính của nguồn cung cấp đặt lên các chân cực. Trước tiên, nối cực nguồn S với đế và nối đất, sau đó cấp điện áp giữa cực cửa và cực nguồn để tạo kênh dẫn. Tạo kênh dẫn và khả năng điều khiển của MOSFET kênh cảm ứng loại P: Theo nguyên tắc cấp nguồn điện cho các chân cực, ta cấp nguồn điện UGS < 0 để tạo kênh, còn UDS < 0 để tác động cho các lỗ trống chuyển động từ cực nguồn về cực máng tạo nên dòng điện ID. Hình 1.50: Sự hình thành kênh dẫn của MOSFET loại P Khi ta đặt một điện áp UGS < 0 đến một giá trị gọi là điện áp ngưỡng (UGSth) thì một số các lỗ trống được hút về tạo thành một lớp mỏng các lỗ trống trên bề mặt của lớp bán dẫn đế Si(N), nối liền cực nguồn với cực máng D và kênh dẫn điện được hình thành. Khi kênh đã xuất hiện, dưới tác dụng của điện trường cực máng, các lỗ trống sẽ di chuyển từ cực nguồn qua kênh về cực máng và tạo nên dòng điện trong tranzito ID. Tiếp tục cho UGS càng âm hơn, thì số lỗ trống được hút về kênh càng nhiều, mật độ hạt dẫn trong kênh càng tăng lên, độ dẫn điện của kênh càng tăng dẫn đến cường độ dòng điện chạy qua kênh cũng tăng lên. Hình 1.51: Đặc tuyến truyền đạt của MOSFET kênh cảm ứng loại P Họ đặc tuyến ra: Họ đặc tuyến ra biểu thị mối quan hệ giữa dòng điện ID và điện áp UDS với UGS giữ không đổi trong sơ đồ mắc cực nguồn chung như sau: Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 25 Hình 1.52: Sơ đồ nguyên lý và đặc tuyến ra của MOSFET kênh cảm ứng loại P Điện áp đặt lên cực cửa phải đủ lớn để kênh dẫn được hình thành, sau đó ta thay đổi điện áp UDS và theo dõi sự thay đổi của dòng ID theo điện áp UD. Nếu UDS = 0 thì các lỗ trống không chuyển động về cực máng nên ID = 0. Khi UDS có trị số nhỏ, thì điện thế tại mỗi điểm dọc theo kênh sẽ giảm dần từ cực nguồn S đến cực máng D. Dưới tác dụng của điện áp UD các lỗ trống sẽ di chuyển từ cực nguồn đến cực máng tạo nên dòng ID. Tiếp tục cho điện áp UDS càng âm thì dòng ID tăng nhanh và tăng tuyến tính với sự tăng của điện áp âm UDS. Đồng thời tiếp xúc P-N cũng được phân cực ngược tăng dần từ cực nguồn đến cực máng, bề dày lớp tiếp xúc tăng dần về phía cực máng và kênh hẹp dần về phía cực máng, điện trở kênh tăng lên. Ta có đoạn dốc của đặc tuyến gọi là vùng thuần trở. Khi trị số điện áp trên cực máng đạt trị số mà tại đó bề dày của tiếp xúc P-N tăng lên chạm vào đáy của lớp oxit ở phía cực máng thì ta gọi là điện áp cực máng bão hoà (UDSbh). Lúc này dòng điện ID đạt trị số bão hoà IDbh. Tiếp tục cho điện áp UDS càng âm hơn, thì bề dày của lớp tiếp xúc P-N càng tăng về phía cực máng, phần kênh bị “thắt“ lại càng tăng lên và chiều dài của kênh bị ngắn lại, nhưng dòng điện không đổi và bằng IDbh. Trong trường hợp này, độ gia tăng của trị số điện áp cực máng UDS sẽ được đặt lên đoạn kênh bị “thắt“. Và nó tác dụng trực tiếp lên phần kênh còn lại, kích thích sự chuyển dịch của các hạt lỗ trống từ cực nguồn vượt qua đoạn kênh bị “thắt’’ để về cực máng làm dòng điện ID không đổi. Ta có vùng ID không đổi. Nếu trị số của UDS quá lớn thì có thể xảy ra hiện tượng đánh thủng lớp tiếp xúc P-N ở phía cực máng, làm cho dòng điện ID tăng vọt lên. 1.3. Các thiết bị nguồn và giắc 1.3.1. Cầu chì a. Cấu tạo và ký hiệu - Gồm 3 phần chính: Vỏ, cực và phần nóng chảy. - Có một số loại cầu chì cơ bản: loại dẹt, loại hộp, loại thanh nối. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 26 Hình 1.53: Cấu tạo cầu chì Hình 1.54: Một số loại cầu chì - Ký hiệu : b. Cách đọc giá trị tải cực đại - Giá trị dòng điện cực đại cho phép được ghi trên vỏ cầu chì, ví dụ: 10A, 15A, 20A, 30A,... - Nhận biết bằng màu vỏ: Khả năng chịu tải (A) Màu vỏ 5 Màu vàng nâu 7.5 Màu nâu 10 Màu đỏ 15 Màu xanh da trời 20 Màu vàng 25 Màu trắng 30 Màu xanh lá Bảng 1.5: Màu vỏ của cầu chì hộp + Đối với cầu chì loại thanh: Khả năng chịu tải (A) Màu vỏ 30 Màu hồng 40 Màu xanh lá 50 Màu đỏ 60 Màu vàng 80 Màu đen 100 Màu xanh da trời Bảng 1.6: Màu vỏ của cầu chì thanh c. Cầu chì tự nhảy Hay còn gọi là cầu chì nhiệt, rơle nhiệt-Circuit breaker, là một cầu chì với một thanh lưỡng kim thay cho phần nóng chảy. Khi dòng điện chạy qua thanh lưỡng kim đạt tới một giá trị tới hạn, thanh sẽ cong lên và mở tiếp điểm, ngắt dòng điện. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 27 . Trước khi hoạt động Sau khi hoạt động Hình 1.55: Hoạt động của cầu chì tự nhảy Có hai loại: loại thường và loại tự động Loại thường Loại tự động Hình 1.56: Hai loại cầu chì tự nhảy Ký hiệu trên sơ đồ mạch: Loại thường: Loại tự động: 1.3.2. Rơ le điện từ Là một linh kiện điện từ dùng để đóng mở các tiếp điểm trong mạch điện bằng lực điện từ của cuộn dây nam châm điện. Hình 1.57: Rơle điện từ Rơle thường mở: Rơle luôn mở tiếp điểm khi không có dòng điện chạy qua cuộn dây. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 28 Hình 1.58: Rơ le thường mở Hình 1.59: Rơle thường đóng Rơle thường đóng: Rơle luôn đóng tiếp điểm khi không có dòng điện chạy qua cuộn dây. Rơle kiểu hỗn hợp: Gồm nhiều rơle đơn thường đóng và thường mở Hình 1.60: Rơle kiểu hỗn hợp Bảng 1.7: Một số loại rơle Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 29 1.3.3. Giắc và các mạch đấu nối - Giắc dùng để kết nối các linh kiện điện với nguồn hoặc giữa các nguồn. Có nhiều hình dáng khác nhau như hình chữ nhật, hình vuông, tròn và có từ 1 đến 21 chân giắc. Tuỳ theo hình dáng chân giắc mà ta có giắc đực và giắc cái. Hình 1.61: Giắc đực và giắc cái Hình 1.62: Ký hiệu giắc - Ký hiệu trên sơ đồ mạch: Giắc được ký hiệu bởi “CN” và các thông số đi kèm. Ví dụ: CN – M29 (X4) Trong đó: CN - giắc M29 – Số thứ tự của giắc này trên sơ đồ mạch X – Kiểu giắc 4 – Số chân giắc Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 30 CHƢƠNG 2 : HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN 2.1. Công dụng và yêu cầu a. Công dụng Cung cấp điện áp một chiều ổn định (12-14V) cho tất cả các hệ thống điện trên ôtô ở mọi chế độ làm việc. b. Yêu cầu Máy phát phải luôn tạo ra một điện áp ổn định (13.6-14.8V đối với hệ thống điện 14 V) trong mọi chế độ làm việc của phụ tải. Máy phát phải có cấu trúc và kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhỏ, giá thành thấp và tuổi thọ cao. Máy phát cũng phải có độ bền cao trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm lớn, có thể làm việc ở những vùng có điều kiện bụi bẩn, dầu nhớt và độ rung lớn. Việc duy tu và bảo dưỡng càng ít càng tốt. 2.2. Sơ đồ hệ thống và bố trí thiết bị a. Sơ đồ hệ thống cung cấp điện Hình 2.1: Hệ thống cung cấp điện 1- Máy phát; 2-Ắc quy; 3-Đèn báo nạp; 4-Khoá điện b. Các thiết bị trong hệ thống - Máy phát điện (+ tiết chế): Nguồn điện năng chính - Ắc quy: Nguồn điện năng dự trữ - Cơ cấu báo nạp - Khoá điện 2.3. Các thiết bị chính trong hệ thống cung cấp điện. 2.3.1. Ắc quy Trên động cơ ôtô người ta có thể sử dụng 1 trong 2 loại ắc quy là: ắc quy a xít hoặc ắc quy kiềm. Tuy nhiên ắc quy kiềm thường được dùng trong các xe quân sự vì kích thước to, độ bền cao nhưng giá đắt. Nên ở đây ta chỉ nói đến ắc quy axit. a. Cấu tạo Bao gồm nhiều ắc quy đơn mắc nối tiếp, mỗi ắc quy đơn cho điện áp ra U = 2.11-2.13 V. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 31 Hình 2.2: Cấu tạo ắc quy 1- Cực âm; 2- Nút thông hơi; 3- Mắt kiểm tra; 4- Cực dương; 5- Dung dịch; 6- Ngăn ắc quy; 7- Bản cực - Khối bản cực: Hình 2.3: Khối bản cực 1 – Chùm cực dương; 2 – Đầu cực dương; 3 – Các tấm ngăn 4 – Đầu cực âm; 5 – Chùm cực âm Dung dịch điện phân: Là dung dịch (H2SO4) có tỷ trọng ρ=1,23–1.26 g/cm 3 đặc trưng cho nồng độ dung dịch. b. Đặc điểm làm việc Trên ôtô không có ắc quy khô, chỉ có ắc quy không bảo dưỡng (đổ nước 1 lần) và ắc quy bảo dưỡng (đổ nước nhiều lần). Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 32 Ắc quy bảo dưỡng: phải kiểm tra mức dung dịch điện phân và đổ thêm nước cất nếu thiếu + Phải kiểm tra nồng độ dung dịch (tỷ trọng), nếu thấp tức là ắc quy đói, phải nạp thêm. + Phải lau chùi bề mặt ắc quy một các thường xuyên Ắc quy không bảo dưỡng: cần quan sát mắt màu trên nắp bình Hình 2.4: Mức dung dịch điện phân và màu sắc trên nắp bình ắc quy không bảo dưỡng c. Các thông số sử dụng của ắc quy Điện áp: 6V, 9V,12V, đa cực Dung lượng ắc quy (điện dung của bình ắc quy) + C10, Q10: Là dung lượng tính theo 10 giờ phóng điện. C10 = Iphóng điện.10giờ, ví dụ: 70 Ah + C20, Q20: Là dung lượng tính theo 20 giờ phóng điện. C20 = Iphóng điện.20giờ, ví dụ : 126Ah Nạp ắc quy : Nạp theo hai cách: + Đối với ắc quy mới: Nạp với dòng điện không đổi IN = 0,1Q10 trong suốt thời gian nạp 13 giờ. + Đối với ắc quy cần nạp bổ xung: Nạp với điện áp không đổi: UN = 2,3 – 2,4V/1 ắc quy đơn, trong thời gian 3 giờ nạp, đạt được 80% điện dung bổ xung. 2.3.2. Máy phát điện trên ôtô (Alternator) Máy phát điện trên ôtô là máy phát điện xoay chiều gồm các loại: - Máy phát điện có chổi than: Dùng cho các xe phổ thông - Máy phát điện không có chổi than - Máy phát điện loại mới 6 pha, 12 điốt ổn áp. - Máy phát điện cho động cơ điêzen có bơm chân không. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 33 Hình 2.5: Máy phát điện xoay chiều 2.3.2.1. Máy phát điện loại có chổi than a. Chức năng cơ bản: 3 chức năng cơ bản - Phát điện - Chỉnh lưu dòng xoay chiều 3 pha do máy phát tạo ra thành dòng một chiều - Hiệu chỉnh điện áp: Tiết chế điều chỉnh điện áp sinh ra và dòng điện áp hiện thời đi đến thiết bị điện để đảm bảo nó là luôn bằng hằng số khi tốc độ quay của rôto máy phát thay đổi. b. Cấu tạo - Rô to (phần cảm), cuộn dây kích từ, hai chùm cực hình móng, 2 vòng tiếp điện Hình 2.6: Rôto máy phát - Stato (phần ứng, phần phát điện): là khối thép định hình rãnh và răng, cuộn dây 3 pha (đấu hình sao hoặc tam giác). Hình 2.7: Stato mắc hình sao Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 34 Hình 2.8: Stato mắc hình tam giác Bộ chỉnh lưu (Rectifier - giàn điốt): Có chức năng biến dòng xoay chiều 3 pha trong stato thành dòng một chiều. Bộ chỉnh lưu có từ 6, 8, 9, 11 và 12 điốt (loại máy phát 6 pha đời mới, dùng điốt ổn áp ). Hình 2.9: Bộ chỉnh lưu Rectifier Hình 2.10: Các kiểu bộ chỉnh lưu - Bộ tiết chế IC (IC Regulator): Điều chỉnh dòng điện kích từ đến cuộn dây kích từ để kiểm soát điện áp ra. Hình 2.11: Bộ tiết chế IC(IC regulator) Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 35 Giắc cắm (chân ra) của tiết chế có hai loại, loại nhận biết điện áp máy phát và loại nhận biết điện áp ắc quy. Hình 2.12: Chân ra của tiết chế IC c. Nguyên lý hoạt động - Điện áp được tạo ra trong cuộn dây stato: Hình 2.13: Điện áp được tạo ra trong cuộn dây stato - Sự chỉnh lưu dòng xoay chiều 3 pha: Hình 2.14: Sự chỉnh lưu dòng điện xoay chiều 3 pha Đặc tuyến tải theo số vòng quay của máy phát: Khi điện áp đầu ra của máy phát được giữ không đổi là 14V, dòng điện có thể phát tối đa của máy phát tăng theo tốc độ quay. Tuy nhiên nó bị giới hạn bởi hai yếu tố: + Cảm kháng: Cảm kháng sinh ra trong cuộn stato khi dòng điện xoay chiều chạy qua nó. Cảm kháng tăng khi tốc độ tăng. + Hiện tượng phản từ: Từ trường được sinh ra khi có dòng điện chạy qua cuộn dây stato (khi máy phát có tải). Từ trường này làm yếu lực từ của rôto. Hình 2.15: Đặc tính tải của máy phát Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 36 Dòng điện phát ra phụ thuộc vào nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, dòng điện phát ra giảm. Vì khi nhiệt độ tăng, điện trở của cuộn dây kích từ tăng làm giảm dòng kích từ khiến kích từ giảm theo. Thêm vào đó, khi nhiệt độ tăng, điện trở stato tăng nên dòng phát ra giảm. - Chức năng của điốt điểm trung hòa: Cuộn dây stato mắc hình sao có điểm trung hòa. Điện áp tại điểm này có thành phần xoay chiều khi có tải, giá trị đỉnh của thành phần xoay chiều này sẽ vượt giá trị điện áp ra của máy phát ở tốc độ hơn 2000 – 3000 vòng/phút. Có thêm hai điốt điểm trung tính sẽ lấy được phần điện áp trượt này để làm tăng công suất máy phát. Hình 2.16: Hai điốt bù điểm trung hòa Hình 2.17: Thành phần điện áp xoay chiều Hinh 2.18: Đặc tính tải khi có tại điểm trung hòa điốt điểm trung hòa 2.3.2.2. Máy phát điện loại mới 6 pha, 12 đi ốt ổn áp. Hình 2.19: Máy phát 6 pha, 12 điode ổn áp. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 37 Máy pát điện loại SC: Một hệ thống thanh dẫn điện nối với nhau (dây đồng tiết diện vuông) được áp dụng trong cuộn dây stato hàn trong hệ thống day quấn như thông thường, điện trở giảm đi và máy phát sẽ gọn hơn. Máy phát sử dụn 2 bộ dây cuốn 3 pha. Do chúng cân bằng âm thanh trường của nhau (sinh ra trong stato) nên tiếng ồn được cải thiện. 2.3.2.3. Máy phát điện cho động cơ điêzen có bơm chân không Hình 2.20: Máy phát điện cho động cơ điêzen có bơm chân không Đặc tính của máy phát điện xoay chiều có bơm chân không - Nó được trang bị bơm cở chân không và tạo ra áp suất âm cho bộ trợ lức phanh. - Bơm chân khong được lắp trên trục của máy phát và quay cùng trục này. - Có thể chia máy phát này thành 2 loại sau: + Loại có bơm chân không ở phía puli + loại có bơm chân không ở phía đối diện với puli. 2.3.2.4. Máy phát loại không có chổi than Hình 2.21: Máy phát loại không có chổi than 1. Cuộn dây kích thích, 2. bạc lót; 3. trục roto; 4. Cộn dây roto 5. gông từ, 6. Nắp sau; 7. cuộn dây stato, 8. nắp trước Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 38 Nguyên lý hoạt động của máy phát điện loại không có chổi than tương tự nguyên lý của cảm biến loại từ điện (được nêu ở chương 4). 1 . Rotor nam châm ; 2. Lõi thép từ ; 3.Cuộn phát xung. Hình 2.22: Nguyên lý hoạt động của máy phát loại không có chổi than Nam châm được gắn trên rotor, còn cuộn phát xung được quấn quanh một lõi thép và cố định trên vỏ của máy phát. Khi nam châm quay, từ thông xuyên qua cuộn phát xung biến thiên tạo nên một sức điện động trong cuộn phát xung. Trong đó: - k: hệ số phụ thuộc chất liệu từ của lõi thép và khe hở giữa lõi thép và cánh phát xung. -  : số vòng dây cuốn trên lõi thép từ. - n: tốc độ quay của rotor. - td d : độ biến thiên của từ thông trong lõi thép từ. Do từ thông qua cuộn phát xung đổi dấu nên sức điện động sinh ra trong cuộn phát xung lớn. Tại thời điểm từ trường biến thiên lớn nhất sinh ra sức điện động e là lớn nhất tương ứng với điểm B trên hình 2.22. Khi từ trường biến thiên nhỏ nhất tại điểm C thì sức điện động giảm về 0 (khi cánh của rôt nam châm và cuộn phát sung đối diên nhau). Khi qua vị trí đối xứng từ thông lại tăng dần cho tới điểm Đ đạt max và sinh ra sức điện động lớn nhất nhưng đổi dấu. 2.3.3. Bộ điều chỉnh điện (bộ tiết chế IC) a. Chức năng của bộ tiết chế - Điều chỉnh điện áp máy phát Umf : ổn định ở một giá trị trong dải 13.6V – 14,8V. Ta có: Umf = c.nmf. KT – Imf.Z - Báo bạp: Bật, tắt đèn báo nạp để báo hiệu máy phát đã cung cấp điện cho mạng điện. - Báo sự cố trong hệ thống cung cấp điện. dt d ke   .. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 39 b. Sơ đồ cơ bản của bộ tiết chế Hình 2.23: Bộ tiết chế IC kiểu M3 Trong đó: M.IC: Theo dõi điện áp ra và điều khiển dòng kích từ, đèn báo sạc và tải ở đầu dây L Tr1: Điều chỉnh dòng kích từ Tr2: Điều khiển nguồn được nối với tải cung cấp cho cực L Tr3: Bật tắt đèn báo nạp D1: Điốt hấp thụ dòng điện cảm ứng trong cuộn dây kích từ IG: Giắc cấp dương từ khóa điện vào máy phát để kích từ ban đầu (mồi từ) cho máy phát (Igniton switch) B: Cọc dương của máy phát (Battery) F: Giắc kích từ (Field) điều khiển dòng qua cuộn dây kích từ S: Giắc tín hiệu điện áp máy phát đưa về bộ tiết chế so sánh (Sensing), giắc này chỉ ở tiết chế kiểu nhận biết điện áp ắc quy L: Giắc đèn báo nạp (Lamp) nối mát cho đèn báo sạc khi tranzito 3 mở, cung cấp điện cho tải khi tranzito 2 mở E: Giắc mát (Earth) P: Giắc trích điện áp ở một pha xoay chiều đưa vào bộ tiết chế để tắt đèn báo nạp (Phase) d. Cơ chế hoạt động của bộ tiết chế IC loại nhận biết điện áp ắc quy Hoạt động bình thƣờng: + Khi bật khóa điện bật ON và động cơ tắt máy: Khi bật khóa điện ON, điện áp ắc quy được đặt vào cực IG, làm kích hoạt mạch M.IC nơi cảm nhận điện áp ắc quy. Lúc này động cơ vẫn chưa hoạt động máy phát không phát ra điện M.IC nhận biết 0V tại đầu P. Khi M.IC nhận biết 0V tại đầu P, nó điều khiển Tr1 đóng ngắt liên tục làm giảm dòng qua cuộn dây rotor để ắc quy không bị phóng hết điện. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 40 Khi M.IC nhận biết 0V tại đầu P nó điều khiển Tr3 dẫn khiến dòng qua đèn báo sạc đèn báo sạc sáng. + Khi máy phát bắt đầu quay và phát điện, điện áp tại đầu P sẽ làm M.IC điều khiển khóa Tr3 và dòng qua đèn báo sạc. Lúc này Tr2 dẫn và có dòng điện qua tải. Khi tốc độ máy phát tăng cường độ dòng kích từ đủ để điện áp phát ra tăng lên. + Khi máy phát đang phát điện (điện áp cao hơn điện áp điều chỉnh): Khi điện áp tại chân S tăng vượt quá điện áp hiệu chỉnh (động cơ đang hoạt động) M.IC điều khiển Tr1 ngắt. Điện áp ở đầu S giảm xuống. dòng điện qua cuộn kích từ giảm làm sinh ra sức điện động tự cảm trong cuộn rotor có thể đánh thủng Tr1 nên sử dụng điốt D1 để giảm nó (D1 có chức năng chống lại lực từ do cuộn rotor sinh ra nó đi từ chân F đến chân B) + Khi máy phát đang phát điện (điện áp thấp hơn điện áp điều chỉnh): Khi điện áp đầu S giảm xuống dưới điện áp hiệu chỉnh (động cơ đang hoạt động) M.IC nhận biết được và điều khiển Tr1 dẫn làm tăng dòng qua cuộn dây rotor điện áp hiệu chỉnh lại tăng lên. Hoạt động không bình thƣờng: + Khi cuộn dây kích từ bị hở mạch (bị đứt): Hình 2.24: Hoạt động của bộ tiết chế khi cuộn dây kích từ bị hở mạch. Khi máy phát đang hoạt động, nếu cuộn dây kích từ bị hở mạch thì máy phát sẽ không sản xuất ra điện áp và điện áp cực P = 0V. Mạch M.IC phát hiện ra máy phát không làm việc điều khiển Tr1 đóng ngắt và Tr3 dẫn, dòng điện đến đèn báo sạc để báo máy phát không hoạt động. Tr2 lúc này ngắt. + Khi cuộn dây kích từ bị chập (ngắn mạch): Hinh 2.25: Hoạt động của bộ tiết chế khi cuộn dây kích từ ngắn mạch Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 41 Khi cuộn dây rotor bị ngắn mạch trong lúc máy phát đang quay điện áp tại chân B+ được cấp tới chân F gây ra dòng lớn qua Tr1 sẽ làm hỏng Tr1. M.IC sẽ khóa Tr1 để bảo vệ. Tr2 ngắt. + Khi cực S bị ngắt: Hình 2.26: Hoạt động của bộ tiết chế khi cực S bị ngắt. Khi máy phát đang quay, nếu cực S bị ngắt, mạch M.IC nhận thấy không có tín hiệu vào từ cực S sẽ mở Tr2 bật đèn báo nạp, đồng thời mạch M.IC sẽ lấy điện áp cực B để thay cho cực S làm điện áp điều chỉnh. + Khi cực B bị ngắt: Khi điện áp tại chân S trên 13V: Hình 2.27a: Hoạt động của bộ tiết chế khi cực B bị ngắt. Khi điện áp ở chân S tăng quá điện áp hiệu chỉnh(động cơ đang hoạt động) M.IC điều khiển Tr1 ngắt. Điện áp ở đầu S giảm xuống. Dòng điện qua cuộn kích thích giảm làm sinh ra sức điện động tự cảm trong cuộn rotor có thể đánh thủng Tr1 nên sử dụng D1 giảm nó. Khi điện áp chân S dưới 13V: Hình 2.27b: Hoạt động của bộ tiết chế khi cực B bị ngắt. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 42 Khi điện áp cực S tiếp tục giảm thấp hơn (11V – 13V), mạch M.IC nhận biết ắc quy không được sạc rồi điều khiển Tr3 mở làm đèn báo sạc sáng. Lúc này nó đóng ngắt Tr1 điều khiển dòng kích từ để điện áp tại đầu B khoảng 14,5 0,5V. Tr2 ngắt. + Khi chân L bị chập: Hinh 2.28: Hoạt động của bộ tiết chế khi cực E và F ngắn mạch Khi đầu L chập mạch trong lúc máy phát đang quay, Tr2 dẫn và dẫn và điện áp Tại chân L = 0. Lúc này sẽ có dòng lớn qua Tr2. M-IC nhận biết 0V ở chân L và làm ngắt Tr2 để Tr2 không bị hỏng. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 43 CHƢƠNG 3 : HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG (HỆ THỐNG ĐỀ) 3.1. Công dụng, phân loại và yêu cầu a. Công dụng - Quay trục khuỷu động cơ (bánh đà động cơ) với số vòng quay tối thiểu đủ để nổ máy (ndcmin) + nđcmin = 25 ÷ 30 vòng/phút đối với động cơ xăng, thực tế là 125 ÷ 175 vòng/phút + nđcmin = 70 ÷ 120 vòng/phút đối với động cơ diesel, thực tế là 150 ÷ 330 vòng/phút - Hỗ trợ khởi động lạnh (đối với động cơ diesel) - Sấy nóng buồng cháy - Sấy nóng không khí nạp (gió) Các thiết bị trong hệ thống khởi động: Hình 3.1: Hệ thống khởi động Hình 3.2: Máy đề Ắc quy ; 2 – Khóa điện;3 – Máy đề b. Phân loại: Có 4 loại máy khởi động: - Loại thường: Dùng cơ cấu nạng gạt để gạt bánh răng đề tiến về vành răng bánh đà. - Loại giảm tốc: Môtơ đề dẫn động bánh răng đề thông qua cặp bánh răng giảm tốc. - Loại bánh răng hành tinh: Môtơ đề dẫn động bánh răng đề thông qua bộ bánh răng hành tinh. - Loại giảm tốc hành tinh – môtơ thanh dẫn. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 44 A : Loại thường B : Loại giảm tốc C : Loại bánh răng hành tinh D : Loại giảm tốc hành tinh- môtơ thanh dẫn 1 : Bánh răng chủ động 2 : Phần ứng 3 : Bánh răng trung gian 4 : Bánh răng hành tinh 5 : Nam châm vinh cửu Hình 3.3: Các loại máy khởi động c. Yêu cầu - Máy khởi động phải quy được trục khuỷu động cơ với tốc độ thấp nhất mà động cơ có thể nổ được - Nhiệt độ làm việc không được quá giới hạn cho phép - Phải đảm bảo khởi động lại được nhiều lần - Tỷ số truyền từ bánh răng khởi động đến vành răng bánh đà nằm trong giới hạn (từ 9 đến 18) - Mômen truyền động phải đủ để khởi động động cơ 3.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống và các sơ đồ tiêu biểu 3.2.1. Nguyên lý làm việc của hệ thống a. Sơ đồ nguyên lý Hình 3.4: Hệ thống khởi động 1-Khóa điện; 2- Cọc 50; 3- Cuộn kéo; 4- Cuộn giữ; 5-Chuột đề; 6- Lõi thép Chuột đề; 7- Nạng gạt; 8-Bánh răng đề; 9- Vành răng bánh đà; 10-Tiếp điểm chính; 11- Cọc 30; 12- Cọc C. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 45 b. Nguyên lý làm việc Khi thực hiện đề, người ta bật khóa điện để cấp điện vào giắc 50 của máy đề. Hai cuộn dây Wk (cuộn kéo) và cuộn WG (cuộn giữ) của chuột đề để được cấp điện tạo ra từ trường hút nõi thép của chuột đề di chuyển. Trong khi lõi thép của chuột đề di chuyển, thông qua nạng qạt hoặc lò xo đẩy, đẩy khớp truyền động cùng bánh răng để tiến về vành răng bánh đà. Cho đến khi răng máy đề đã ăn khớp đủ với răng bánh đà thì một tiếp điểm chính (dạng đĩa đồng, thổi đồng) sẽ đóng mạch từ cọc 30 đến cọc C của máy đề để ắc quy cung cấp điện trục tiếp vào môtơ đề. Môtơ đề quay và phát huy mômen lớn làm quay bánh đà và trục khuỷu đến tốc độ đủ lớn để nổ máy. Khi nhả khoá điện, dòng điện từ ắc quy đến cọc 50 bị ngắt. Lúc này dòng điện đi từ ắcquy đến cọc 30, qua cọc C đi đến cuộn kéo rồi mới đến cuộn giữ và ra mát. Lực từ của hai cuộn kéo và giữ triệt tiêu nhau. Lò xo hồi vị sẽ tách tiếp điểm chính và bánh răng đề ra khỏi vành răng bánh đà. Quá trình đề kết thúc. 3.2.2. Các mạch đấu hệ thống đề tiêu biểu Hình 3.5: Các sơ đồ mạch đấu hệ thống khởi động tiêu biểu. - Sơ đồ 1: Đề trực tiếp qua khóa điện: (+) Ắc quy → khóa điện → cọc 50 - Sơ đồ 2: Đề qua rơ le trung gian và công tắc chân côn. Đạp chân côn để công tắc chân côn đóng → bật khóa điện về vị trí STA: (+) Ắc quy → khóa điện → cuộn dây rơ le đề trung gian → công tắc chân côn → (-) ắc quy → tiếp điểm của rơ le đề trung gian đóng để cấp (+) tới cọc 50. - Sơ đồ 3: Đề qua công tắc số tự động: (để tay số P hoặc N) bật khóa điện ở nấc đề. (+) ắc quy → khóa điện → công tắc số tự động ON → cọc 50 - Sơ đồ 4: Đề qua rơle đề trung gian: bật khóa điện ở nấc STA: (+) ắc quy → khóa điện → cuộn dây rơ le đề trung gian → mát → (-) ắc quy dẫn đến tiếp điểm đóng → cấp (+) vào cọc 50. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 46 - Sơ đồ 5: Đề qua rơ le đề trung gian và công tắc số tự động: (để ở tay số P hoặc N) (+) Ắc quy → khóa điện → công tắc số tự động ON → cuộn dây rơ le đề trung gian → mát → (-) ắc quy, dẫn đến tiếp điểm rơ le đề trung gian đóng để cấp (+) ắc quy vào cọc 50. 3.3. Các thiết bị trong hệ thống khởi động động cơ 3.3.1. Máy khởi động điện (máy đề) a. Cấu tạo: ở đây ta xét cấu tạo của máy khởi động loại giảm tốc Hình 3.6: Máy khởi động loại giảm tốc -Chuột đề (công tắc từ): Thực hiện việc đẩy bánh răng đề vào ăn khớp với vành răng, bánh đà và kéo bánh răng đề về vị trí ban đầu khi quá trình đề kết thúc. Chuột đề còn hoạt động như một công tắc cung cấp dòng điện đến môtơ đề. Hình 3.7: Chuột đề -Phần ứng và ổ bi: Hình 3.8: Phần ứng và ổ bi Hình 3.9: Phần cảm Các vòng dây phần ứng được mắc nối tiếp tại các lá đồng cổ góp. Phần ứng có nhiệm vụ sinh ra mômen quay ra rôto ở tốc độ cao. - Phần cảm: Gồm các cuộn dây kích từ tạo ra từ thông, và các lõi cực. Vỏ bằng sắt để dẫn từ. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 47 -Chổi than và giá đỡ chổi than: Cung cấp dòng điện vào các vòng dây phần ứng theo chiều từ chổi than dương đến chổi than âm. Hình 3.10: Chổi than và giá đỡ - Bộ truyền giảm tốc: Gồm bộ truyền bánh răng ăn khớp ngoài có tỷ số truyền giảm tốc và ly hợp một chiều được lắp bên trong để ngăn dòng truyền mômen ngược từ bánh đà về môtơ. Hình 3.11: Bộ truyền giảm tốc - Măng đích đề: Truyền mômen quay của động cơ đến bánh răng đề, đồng thời ngăn sự truyền ngược mômen từ bánh đà về môtơ. Đồng thời trục xoắn ốc biến đổi chuyển động quay của môtơ đề thành chuyển động tịnh tiến của bánh răng đề, giúp cho việc vào khớp giữa bánh răng đề và vành răng bánh đà được bảo đảm. Hình 3.12: Măng-đích-đề 3.3.2. Hệ thống hỗ trợ khởi động động cơ diesel Hệ thống hỗ trợ khởi động động cơ diesel bao gồm hai nguyên tắc sấy: - Sấy nóng buồng đốt động cơ: trên xe con, xe nhỏ, xe trung bình. - Sấy nóng không khí nạp trên đường ống nạp: trên xe tải, xe buýt. a. Nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy điều khiển trực quan Khi vặn khóa điện về nấc 1, dòng điện đi theo chiều: (+)Ắc quy→ cầu chì→ khóa điện( nấc 1 )→ cuộn dây rơ le sấy → mát, khi đó, tiếp điểm của rơ le sấy đóng. Sẽ cung cấp điện đến các bugi sấy lắp song song →mát. Đồng thời sẽ có dòng điện đi từ (+)Ắc quy → cầu chì → khóa điện → bộ định thời gian sấy, đèn báo sấy và khởi động bộ đếm thời gian sấy. Khi thời gian sấy kết thúc, rơ le thời gian sấy tắt đèn báo sấy, người lái vặn khóa điện về nấc STA (nấc2), thực hiện Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 48 quá trình đề. Nếu đề khoảng 10s động cơ chưa nổ, phải nghỉ 2 phút trước khi lặp lại quá trình đề. Hình 3.13: Hệ thống sấy điều khiển trực quan. b. Nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy lập trình điều khiển hai chế độ Hình 3.14: Hệ thống sấy điều khiển lập trình 2 chế độ Chế độ sấy nhanh: khi nhiệt độ nước làm nước động cơ < 50oC, bộ điều khiển Controller điều khiển rơ le 1 ON để ắc quy cấp điện trực tiếp đến các bugi sấy mắc song song với nhau, đến khi nhiệt độ bugi sấy đạt 900oC (phản ứng qua dòng điện cấp cho bugi sấy, đo bằng điện trở cảm biến) thì bộ điều khiển sấy tắt OFF rơ le 1 và cấp điện cho rơ le 2 để tiếp tục sấy ở nấc 2. Ở nấc 2 : Ắc quy cấp điện cho các bugi sấy qua rơ le 2 và điện trở phụ, do đó nhiệt độ bugi sấy đạt 450oC, gọi là chế độ sấy ổn định. Trong cả hai trường hợp này, đèn báo sấy sang. Sau đó, đèn báo sấy tắt, báo hiệu quá trình sấy đã hoàn thành, chuyển sang đề. Chế độ sấy ổn định: khi nhiệt độ nước làm mát động cơ > 50oC, thực hiện sấy ở nấc 2 . Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 49 CHƢƠNG 4: HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA 4.1. Tổng quan về hệ thống đánh lửa 4.1.1. Công dụng Biến đổi dòng điện 1 chiều điện áp thấp (12V÷ 24V) thành các xung điện áp cao (12.000V ÷ 45.000V) đủ tạo ra tia lửa điện mạnh (nhiệt độ 10.0000C) vào đúng thời điểm quy định (thời điểm đánh lửa sớm) và theo một thứ tự nhất định (thứ tự nổ). 4.1.2. Vấn đề đánh lửa sớm Quá trình cháy của hòa khí tính từ khi tia lửa xuất hiện ở bugi được chia thành hai giai đoạn : Giai đoạn cháy trễ và giai đoạn lan truyền ngọn lửa . a. Quá trình cháy của hòa khí Giai đoạn cháy trễ Sự bốc cháy của hỗn hợp không khí – nhiên liệu không phải xuất hiện ngay sau khi đánh lửa . Thoạt đầu, một khu vực nhỏ (hạt nhân) ở sát ngay tia lửa bắt đầu cháy, và quá trình bắt cháy này lan ra khu vực xung quanh. Quãng thời gian từ khi hỗn hợp không khí - nhiên liệu được đánh lửa cho đến khi nó bốc cháy được gọi là giai đoạn cháy trễ (khoảng A đến B trong sơ đồ). Giai đoạn cháy trễ đo gần như không thay đổi và nó không bị ảnh hưởng bởi điều kiện làm việc của động cơ. Giai đoạn lan truyền ngọn lửa Sau khi hạt nhân ngọn lửa hình thành , ngọn lửa nhanh chóng lan truyền ra xung quanh . Tốc độ lan truyền này được gọi là tốc độ lan truyền ngọn lửa , và thời kỳ này được gọi là thời kỳ lan truyền ngọn lửa ( B-C-D trong sơ đồ hình 4.1). Khi có một lượng lớn không khí được nạp vào, hỗn hợp không khí- nhiên liệu trở nên có mật độ cao hơn. Vì thế, khoảng cách giữa các hạt trong hỗn hợp không khí – nhiên liệu giảm xuống, nhờ thế tốc độ lan truyền ngọn lửa tăng lên. Ngoài ra, luồng hỗn hợp không khí- nhiên liệu xoáy lốc càng mạnh thì tốc độ lan truyền ngọn lửa càng cao. Khi tốc độ lan truyền ngọn lửa cao, cần phải định thời đánh lửa sớm. Do đó cần phải điều khiển thời điểm đánh lửa theo điều kiện làm việc của động cơ. b. Góc đánh lửa sớm Hình 4.1: Quá trình cháy của hòa khí Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 50 Góc đánh lửa sớm là góc quay của trục khuỷu động cơ tính từ thời điểm xuất hiện tia lửa điện tại bugi cho đến khi piston lên tới điểm chết trên. Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng rất lớn đến công suất, tính kinh tế và độ ô nhiễm của khí thải động cơ. Góc đánh lửa sớm tối ưu phụ thuộc rất nhiều yếu tố: ....),,,,,,( omtwtbđbđopt Nnttptpf Trong đó: bđP : Áp suất buồng đốt tại thời điểm đánh lửa. bđt : Nhiệt độ buồng đốt. P : Áp suất trên đường ống nạp. wtt : Nhiệt độ nước làm mát động cơ. mtt : Nhiệt độ môi trường. n : Số vòng quay của động cơ. 0N : Chỉ số ốc tan của động cơ xăng. Ở các xe đời cũ, góc đánh lửa sớm chỉ được điều khiển theo hai thông số: tốc độ (bộ sớm ly tâm) và tải (bộ sớm áp thấp) của động cơ. Tuy nhiên, hệ thống đánh lửa ở một số xe (TOYOTA, HONDA) có trang bị thêm van nhiệt và sử dụng bộ phận đánh lửa sớm theo hai chế độ nhiệt độ. Trên các xe đời mới, góc đánh lửa sớm được điều khiển bằng điện tử nên góc đánh lửa sớm được hiệu chỉnh theo các thông số nêu trên. Trên hình 4.2 trình bày bản đồ góc đánh lửa sớm theo tốc độ và tải động cơ trên xe đời mới. Hình 4.2:Bản đồ góc đánh lửa sớm theo tốc độ và tải động cơ trên ô tô đời mới 4.1.3. Yêu cầu Một hệ thống đánh lửa làm việc tốt phải đảm bảo các yêu cầu sau : - Hệ thống đánh lửa phải sinh ra sức điện động đủ lớn để phóng qua khe hở bugi trong tất cả các chế độ làm việc của động cơ. - Tia lửa trên bugi phải đủ năng lượng và thời gian phóng để sự cháy bắt đầu . - Góc đánh lửa phải đúng trong mọi chế độ hoạt động của động cơ . - Các phụ kiện của hệ thống đánh lửa phải hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ cao và độ rung xóc lớn. - Sự mài mòn điện cực bugi phải nằm trong khoảng cho phép . Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 51 4.2. Các nguyên lý tạo điện cao áp và các sơ đồ đánh lửa tiêu biểu 4.2.1. Các nguyên lý tạo điện cao áp Nguyên lý cơ bản T: tranzito; W1: cuộn sơ cấp; W2 cuộn thứ cấp; R1,R2: điện trở Hình 4.3: Nguyên lý tạo điện cao áp cơ bản Khi bật khóa điện ON và cảm biến đánh lửa phát xung để T trong IC đánh lửa ON thì sẽ xuất hiện dòng điện i1 trong cuộn dây sơ cấp W1 . Vì vậy dòng điện sẽ đi từ +ắc quy → khóa điện → điện trở phụ (nếu có) → W1 → mát. Khi đó xuất hiện dòng sơ cấp trong bôbin tạo ra từ trường  , từ trường  tồn tại trong bôbin cho tới khi bóng T OFF, khi đó từ trường  biến thiên cực nhanh và cảm ứng ra xung cao áp ở cuộn dây thứ cấp W2 của bôbin. Xung cao áp này được bộ chia điện đưa đến bugi theo thứ tự nổ của động cơ (hoặc tới thẳng bugi), tạo tia lửa điện đốt cháy hòa khí. Năng lượng dự trữ Wdt: Năng lượng dự trữ Wdt là năng lượng tích luỹ dưới dạng từ trường trong cuộn dây sơ cấp của bôbine. Để đảm bảo tia lửa điện có đủ năng lượng để đốt cháy hoàn toàn hoà khí, hệ thống đánh lửa phải đảm bảo được năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp của bôbine ở một giá trị xác định: = = 50 150 mJ Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S: Tốc độ biến thiên hiệu điện thế thứ cấp S càng lớn thì tia lửa điện xuất hiện tại điện cực bugi càng mạnh nhờ đó dòng không bị rò qua muội than trên điện cực bugi, năng lượng tiêu hao trên mạch thứ cấp giảm. = = = 300 600 V/ms Những hệ thống đánh lửa trên ôtô hiện nay, để ngắt dòng sơ cấp người ta dùng IC đánh lửa nhận tín hiệu từ cảm biến đánh lửa (HTĐL TI hay HTĐL độc lập trình Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 52 không hộp đen), còn trong các HTĐL có hộp đen (ECU) thì IC đánh lửa hoặc Tranzito nhận tín hiệu điều khiển từ ECU (xung IGT). 4.2.2. Phân loại hệ thống đánh lửa và các sơ đồ đánh lửa tiêu biểu Hệ thống đánh lửa đƣợc chia thành 5 nhóm: 1. Hệ thống đánh lửa má vít (tiếp điểm): CI (conventional Igition System) Hình 4.4: Hệ thống đánh lửa má vít 2. Hệ thống đánh lửa bằng IC: TI (Transistor Ignition System) Hình 4.5: Hệ thống đánh lửa bằng IC 3. Hệ thống đánh lửa lập trình có bộ chia điện: SI (Semiconductor Ignition System) Hình 4.6: Hệ thống đánh lửa lập trình có bộ chia điện Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 53 4. Hệ thống đánh lửa lập trình không bộ chia điện: BSI hoặc DLI (Distributorless Ignition System) Hình 4.7: Hệ thống đánh lửa lập trình không có bộ chia điện 5. Hệ thống đánh lửa bằng tụ điện: CDI (Capacitor Discharged Ignition system) Trong mỗi nhóm lại chia thành nhiều kiểu khác nhau, tổng cộng hơn 20 kiểu. 4.3. Các hệ thống đánh lửa 4.3.1. Hệ thống đánh lửa CI (đánh lửa tiếp điểm) 4.3.1.1. Sơ đồ nguyên lý Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa CI 1. ắc quy 4. Cuộn sơ cấp 7. Con quay chia điện 10. Cặp tiếp điểm 2. Khoá điện 5. Lõi thép 8. Nắp bộ chia điện 11. Cam chia điện 3. Điện trở phụ 6. Cuộn thứ cấp 9. Bugi 12. Tụ điện Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 54 Hình 4.9: Sơ đồ đấu dây hệ thống đánh lửa CI 1. ắc quy; 2. Khoá điện; 3. Bôbin; 4. Bộ chia điện; 5. Tụ điện; 6. Cặp tiếp điểm; 7. Bugi. 4.3.1.2. Nguyên lý làm việc Khi đóng khoá điện , dòng điện một chiều I 1 sẽ qua cuộn dây sơ cấp (4). Khi tiếp điểm (10) đóng, mạch sơ cấp khép kín và dòng sơ cấp trong mạch có chiều từ : (+) ắc quy - khoá điện - điện trở phụ (3) - cuộn sơ cấp (w1) - tiếp điểm (10) - mát - (-) ắc quy. Khi khóa điện ở mức START (nấc khởi động ) điện trở phụ được nối tắt loại ra khỏi mạch sơ cấp trê n. Thời gian tiếp điểm đóng dòng sơ cấp gia tăng từ giá trị I 0 đến giá trị cực đại Imax. Cam chia điện (11) quay, tác động tiếp điểm (10) mở ra , mạch sơ cấp bị ngắt (mở) đột ngột,từ trường trong lõi thép bị ngắt đột ngột , từ thông do dòng sơ cấp sinh ra biến thiên móc vòng qua hai cuộn sơ cấp và thứ cấp . Trong cuộn sơ cấp sinh ra sức điện động tự cảm C 1 có trị số (180 - 300)(V). Đồng thời trong cuộn thứ cấp xuất hiện một sức điện động cảm ứ ng có trị số 18 - 25(KV). Lúc đó xung cao áp ở cuộn thứ cấp sẽ được dẫn qua con quay (7) bộ chia điện (8) để dẫn đến bugi (9) và phóng qua khe hở của bugi tạo ra tia lửa điện đúng thời điểm gần cuối của quá trình nén để đốt cháy hỗn hợp công tác của động cơ. ở cuộn sơ cấp xuất hiện sức điện động U1 = 180 - 300(V). Lúc này tụ điện sẽ tích điện, làm giảm nhanh sức điện động tự cảm U1 hay nói cách khác, làm cho dòng sơ cấp mất đi đột ngột, để làm xuất hiện sức điện động cảm ứng lớn ở cuộn sơ cấp . Tụ điện còn có tác dụng bảo vệ cặp tiếp điểm khỏi bị cháy . 4.3.2. Hệ thống đánh lửa TI (đánh lửa bán dẫn hoặc IC) a. Sơ đồ nguyên lý: Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 55 Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa TI Hệ thống đánh lửa TI gồm: - Khoá điện IG/SW - Bôbin (Ignition Coil) - Bộ chia điện kiểu cảm biến đánh lửa (Distributor, Delco), trong đó có: + Cảm biến đánh lửa kiểu từ điện + Bộ chia điện cao áp dạng con quay + Các bộ điều chỉnh thời điểm đánh lửa sớm kiểu chân không , kiểu ly tâm. - IC đánh lửa (Igniter): Nhận xung của cảm biến đánh lửa và thực hiện thông mạch sơ cấp của bôbin và ngắt mạch sơ cấp của bôbin. - Dây cao áp (High tension wire) - Bugi (Spark Plug) b. Nguyên lý của hệ thống đánh lƣ̉a TI: Khi khoá điện bật,ắcquy cấp (+) cho cuộn sơ cấp bôbin,chờ âm ở cực C; đồng thời ắc quy cấp (+) vào mạch điều khiển. Trong khi quay bộ chia điện thì cánh phát xung (của cảm biến đánh lửa loại từ điện) sẽ quay, mỗi lần cánh phát xung lướt qua đầu cuộn dây phát xung thì cuộn dây phát xung sẽ cảm ứng ra một cặp xung dương âm , số cặp xung này bằng số cánh phát xung. Xung của cảm biến đánh lửa này được gửi về mạch điều khiển, và có quy ước đầu dương âm. Khi xung của cảm biến đánh lửa thấp hơn một ngưỡng quy định nào đó thì mạch điều khiển của IC đánh lửa sẽ điều khiển cho transistor ON, thông âm cho bôbin và tạo dòng sơ cấp, tạo ra từ trường. Khi phần xung dương của cảm biến bằng hoặc lớn hơn ngưỡng quy định thì mạch điều khiển transistor OFF, ngắt dòng sơ cấp, từ thông biến thiên cực lớn và xung điện cao áp được sinh ra ở cuộn thứ cấp của bôbin, xung cao áp này thông qua dây cao áp truyền đến nắp chia điện bugi, tạo tia lửa điện ở bugi. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 56 4.3.3. Các hệ thống đánh lửa lập trình 4.3.3.1. Nguyên lý cơ bản của đánh lửa lập trình a. Nguyên lý cơ bản Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý hệ thống Khi ECU động cơ nhận được tín hiệu gửi về, trong đó quan trọng nhất là các xung G, xung NE và tín hiệu của cảm biến đo gió, bộ xử lý của ECU sẽ tính toán và chọn ngay ra một điểm trên bề mặt lập trình, tức là chọn ngay một góc đánh lửa sớm tối ưu ở tốc độ và mức tải đó (chương trình đánh lửa sớm ESA- Electronic Spark Advance). Rồi thông qua một bóng điều khiển trong ECU xuất xung IGT (Ignition Timing) tới IC đánh lửa. Khi IC đánh lửa nhận được xung IGT ở đầu vào mạch transisitor, mạch này điều khiển bóng transistor ON để nối mát cho cuộn sơ cấp W1 của bôbin qua chân C của IC đánh lửa. Khi đó xuất hiện dòng sơ cấp trong bôbin tạo ra từ trường  , từ trường  tồn tại trong bôbin cho tới khi bóng Transistor OFF, khi đó từ trường  biến thiên cực nhanh và cảm ứng ra xung cao áp ở cuộn dây thứ cấp W2 của bôbin. Xung cao áp này được bộ chia điện đưa đến bugi theo thứ tự nổ của động cơ (hoặc tới thẳng bugi), tạo tia lửa điện đốt cháy hòa khí. Như vậy, thời điểm mất xung IGT chính là thời điểm đánh lửa. Do đó, trước TDC của mỗi máy, ECU phải gửi ra một xung IGT và xung đó phải mất trước TDC để tạo ra góc đánh lửa sớm . Khi chế độ làm việc của động cơ thay đổi, muốn tạo góc đánh sớm hơn nữa thì ECU chỉ việc dịch xung IGT về trước TDC xa hơn. 1 . Tín hiệu tốc độ động cơ NE. 2 . Tín hiệu vị trí trí trục khủy G. 3 . Tín hiệu lưu lượng khí nạp. 4 . Tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga. 5 . Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát. 6 . Tín hiệu điện áp ắc quy. 7 . Tín hiệu kích nổ. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 57 Hình 4.12: Bản đồ bề mặt lập trình và thời điểm đánh lửa Xung phản hồi IGF (ignition feedback) sẽ được gửi trở lại bộ sử lý trung tâm trong ECU để báo rằng hệ thống đánh lửa đang hoạt động nhằm phục vụ công tác chuẩn đoán và điều khiển phun xăng. Trong trường hợp không có xung IGF, các kim phun xăng sẽ ngừng phun sau thời gian vài giây. Trong trường hợp hệ thống đánh lửa không có IC đánh lửa mà chỉ có bóng Tr điều khiển, thì ECU phải xuất xung IGT điều khiển bóng Tr để thông mạch và ngắt mạch sơ cấp của bôbin ( Mitsubishi Lanser CC4G92, 4G93) Trong trường hợp hệ thống đánh lửa lập trình không có bộ chia điện (loại hai bugi chung 1 bôbin hoặc mỗi bôbin ngồi trên đầu 1 bugi) thì ECU còn phải xuất xung IGT đến từng IC đánh lửa theo thứ tự nổ của động cơ. Trong hệ thống đánh lửa lập trình, tín hiệu NE và tín hiệu cảm biến gió là hai tín hiệu chính quyết định thời điểm đánh lửa sớm cơ bản. Tín hiệu G xác định tín hiệu đánh lửa. Để xác định tín hiệu G và NE mỗi hãng lại có những cách khác nhau nhưng đề dựa trên 3 loại cảm biến sau: cảm biến từ điện, cảm biến quang điện và cảm biến Hall. b. Chức năng của ESA Chức năng 1: Điều khiển thời điểm đánh lửa Trong hệ thống đánh lửa sớm ESA góc đánh lửa sớm thực tế khi động cơ đang hoạt động được xác định = góc đánh lửa sớm ban đầu + góc đánh lửa sớm cơ bản + góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh. Góc đánh lửa sớm ban đầu phụ thuộc và vị trí của bộ chia điện hoặc cảm biến vị trí G, thông thường góc đánh lửa sớm ban đầu được điều chỉnh trong khoảng 50÷150 trước điểm chết trên ở tốc độ cầm chừng. Đối với hệ thống ESA khi điều chỉnh góc đánh lửa sớm ta chỉ điều chỉnh được góc đánh lửa sớm ban đầu. Góc đánh lửa sớm cơ bản là góc đánh lửa đã được lập trình sẵn trong ECU bởi nhà sản xuất. Khi ECU nhận được tín hiệu tốc độ động cơ NE và tín hiệu lưu lượng khí nạp PIM (VS, VG hoặc KS) nó sẽ tính toán và chọn ngay ra 1 góc đánh lửa Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 58 sớm cơ bản trên bề mặt lập trình phù hợp với chế độ hoạt động của động cơ.Góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh là góc đánh lửa sớm được cộng thêm hoặc giảm đi khi ECU nhận được các tín hiệu khác như nhiệt độ động cơ (THW), nhiệt độ khí nạp, tín hiệu kích nổ (KNK).. Hình 4.13: Điều khiển thời điểm đánh lửa - Điều khiển đánh lửa khi khởi động Khi khởi động, tốc độ của động cơ thấp và khối lượng không khí nạp chưa ổn định, nên không thể sử dụng tín hiệu VG , VS, KS hoặc PIM làm các tín hiệu điều chỉnh. Vì vậy, thời điểm đánh lửa được đặt ở góc thời điểm đánh lửa ban đầu. Góc thời điểm đánh lửa ban đầu được điều chỉnh trong IC dự trữ ở ECU động cơ. Ngoài ra tín hiệu NE dùng để xác định khi động cơ đang được khởi động, và tốc độ của động cơ là 500 v/phút hoặc nhỏ hơn cho biết rằng việc khởi động đang xảy ra. Tùy theo động cơ có một số loại xác định động cơ đang khởi động khi ECU động cơ nhận được tín hiệu máy khởi động STA. Hình 4.14: Điều khiển đánh lửa Hình 4.16: Điều khiển đánh lửa khi khởi động sau khởi động Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 59 Xác định góc thời điểm đánh lửa ban đầu: Hình 4.15: Xác định góc đánh lửa ban đầu ECU nhận biết trục khuỷu đã đạt đến 50, 70 hay 100 trước điểm chết trên BTDC (tùy theo loại động cơ) khi nó nhận được tín hiệu NE đầu tiên (điểm B trong hình 2.15) theo sau một tín hiệu G (điểm A hình 4.15). Góc này được hiểu như góc thời điểm đánh lửa ban đầu. - Điều khiển đánh lửa sau khi khởi động Điều khiển đánh lửa sau khởi động được thực hiện trong quá trình hoạt động bình thường. Các hiệu chỉnh khác nhau (dựa trên các tín hiệu từ cảm biến có liên quan) được thêm vào góc thời điểm đánh lửa ban đầu và thêm vào góc đánh lửa sớm cơ bản (được xác định bởi tín hiệu áp suất đường ống nạp hay tín hiệu lượng khí nạp và tín hiệu tốc độ động cơ): Thời điểm đánh lửa = góc thời điểm đánh lửa ban đầu + góc đánh lửa sớm cơ bản góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh. Hình 4.17: Góc đánh lửa sớm cơ bản Trong qua trình hoạt động bình thường của chức năng điều khiển thời điểm đánh lửa sau khi khởi động, tín hiệu thời điểm đánh lửa (IGT) mà bộ vi sử lý tính toán được phát ra qua IC dự phòng. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 60 Chức năng 2: Xác định góc đánh lửa sớm cơ bản - Điều khiển khi tín hiệu IDL bật ON Khi tín hiệu IDL bật ON, thời điểm đánh lửa là sớm theo tốc độ của động cơ. Trong một số kiểu động cơ thay đổi khi điều hòa không khí bật ON hoặc OFF ( xem khu vực đường nét đứt trên hình). Ngoài ra, trong các kiểu này, một số kiểu có góc đánh lửa sớm là 0 khi máy chạy ở tốc độ không tải chuẩn. - Điều khiển khi tín hiệu IDL bật OFF Thời điểm đánh lửa được xác định theo tín hiệu NE và VG (hoặc PIM, KS, VS) dựa vào các dữ liệu được lưu trong ECU động cơ. Tùy theo kiểu động cơ, 2 góc đánh lửa sớm cơ bản được lưu trữ trong ECU động cơ. Các dữ liệu của một trong các góc này được dùng để xác định góc đánh lửa sớm dựa trên chỉ số ốctan của nhiên liệu, nên có thể chọn các dữ liệu phù hợp với nhiên liệu được người lái sử dụng. Ngoài ra, một số kiểu xe đánh giá tỷ số ốctan của nhiên liệu, sử dụng tín hiệu KNK để tự động thay đổi các dữ liệu để xác định thời điểm đánh lửa. Chức năng 3: Xác định góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh - Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ động cơ Tùy thuộc vào nhiệt độ động cơ được nhận biết từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát mà góc đánh lửa sớm được hiệu chỉnh tăng hoặc giảm cho thích hợp với điều kiện cháy của hòa khí trong buồng đốt. Khi nhiệt độ của động cơ nằm trong khoảng - 20 0 đến 600 góc đánh lửa sớm được hiệu chỉnh sớm hơn từ 00 đến 150. Nếu nhiệt độ động cơ nhỏ hơn -200, góc đánh lửa sớm cũng chỉ được cộng thêm 150. Hình 4.18: Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ động cơ. Sở dĩ, phải tăng góc đánh lửa sớm khi động cơ nguội là vì ở nhiệt độ thấp tốc độ cháy của hòa khí chậm nên phải kéo dài thời gian để nhiên liệu cháy hết nhằm tăng công suất động cơ. Khi nhiệt độ động cơ nằm trong khoảng từ 60o ÷ 1100C, ECU không thực hiện hiểu chỉnh góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ. Trong trường hợp động cơ quá nóng (over temperature) (>1100C) sẽ dễ gây ra hiện tượng kích nổ và làm tăng nồng độ OXY trong khí thải, vì vậy ECU sẽ giảm góc đánh lửa xuống một góc tối đa là 50. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 61 - Hiệu chỉnh để tốc độ không tải chạy ổn định Hình 4.19: Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm để tốc độ chạy không tải ổn định Ở chế độ cầm chừng tốc độ của động cơ bị dao động do tải của động cơ thay đổi, việc hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm có tác dụng ổn định tốc độ không tải của động cơ. Khi cánh bướm ga đóng hoàn toàn, tín hiệu từ công tác bướm ga (hoặc cảm biến vị trí bướm ga) báo về ECU cho biết động cơ đang làm việc ở chế độ cầm chừng. Kết hợp với tín hiệu tốc độ động cơ (NE) và tốc độ xe (SPD), ECU sẽ điều khiển tăng hoặc giảm góc đánh lửa sớm. Góc hiệu chỉnh tối đa trong trường hợp này là ± 50 . Khi tốc độ tăng cao, ECU sẽ không hiệu chỉnh. Trên một số loại động cơ việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm này phụ thuộc vào điều kiện sử dụng máy lạnh hay điều chỉnh góc đánh lửa sớm khi tốc độ cầm chừng giảm xuống dưới mức quy định. - Hiệu chỉnh tiếng gõ Nếu động cơ xảy ra tiếng gõ cảm biến tiếng gõ sẽ chuyển rung động này thành tín hiệu điện áp và gửi nó tới ECU động cơ. ECU nhận biết độ lớn của tiếng gõ ở 3 cấp độ: mạnh, trung bình và yếu. Tùy theo độ lớn của tín hiệu KNK, nó thay đổi góc đánh lửa muộn hiệu chỉnh. Nói theo cách khác, nếu tiếng gõ xảy ra mạnh thời điểm đánh lửa muộn đi nhiều trong khi nếu tiếng gõ yếu nó sẽ làm muộn ít hơn. Khi tiếng gõ ngừng, ECU sẽ ngừng việc làm muộn và bắt đầu làm sớm thời điểm đánh lửa từng ít một. Thời điểm đánh lửa này được làm sớm liên tục cho tới khi tiếng gõ động cơ lại xảy ra, và khi đó thời điểm đánh lửa lại được làm muộn đi. Hình 4.19: Hiệu chỉnh tiếng gõ Việc làm muộn thời điểm đánh lửa trong khi xảy ra tiếng gõ được thực hiện trong dải hiệu chỉnh tiếng gõ. Ở một số loại động cơ, điều này có nghĩa là khi đang Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 62 hoạt động ở dưới chế độ tải nặng (độ chân không dưới 200mmHg ), trong khi ở những loại khác nó bao gồm ở tất cả các chế độ tải. ECU phản hồi các tín hiệu từ cảm biến tiếng gõ để hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa như trên hình 4.19. - Hiệu chỉnh điều khiển mô men Trong trường hợp xe có lắp đặt ECT (hộp số tự động), mỗi ly hợp và phanh trong bộ truyền bánh răng hành tinh của hộp số tạo ra va đập lan truyền trong khi chuyển số, một số kiểu xe va đập này được giảm bằng các làm giảm thời điểm đánh lửa khi chuyển xuống hay lên số. Khi chuyển số bắt đầu ECU động cơ làm muộn thời điểm đánh lửa để giảm mô men của động cơ. Kết quả là, va đập do ăn khớp của ly hợp và phanh trong bộ bánh răng hành tinh giảm xuống và chuyển số diễn ra êm hơn. Góc thời điểm đánh lửa được làm muộn tới một giá trị tối đa là khoảng 200 bằng hiệu chỉnh này. Hiệu chỉnh này không diễn ra khi nhiệt độ nước làm mát hay điện áp ắc quy dưới một giá trị xác định. - Hiệu chỉnh phản hồi của tỷ lệ không khí - nhiên liệu. Trong lúc hiệu chỉnh phản hồi của tỷ lệ không khí – nhiên liệu, tốc độ của động cơ sẽ thay đổi theo lượng phun nhiên liệu tăng – giảm. Để duy trì tốc độ chạy không tải ổn định, thời điểm đánh lửa được làm sớm lên trong thời gian hiệu chỉnh phản hồi tỷ lệ không khí - nhiên liệu cho phù hợp với lượng phun nhiên liệu. Việc hiệu chỉnh này không được thực hiện trong khi xe chạy . - Hiệu chỉnh EGR. Khi EGR đang hoạt động và tiếp điểm IDL bị ngắt, thời điểm đánh lửa được làm sớm lên theo khối lượng khí nạp và tốc độ của động cơ để tăng khả năng làm việc. - Hiệu chỉnh điều khiển xe chạy tự động. Khi xe chạy xuống dốc trong khi hệ thống điều khiển chạy xe tự động đang hoạt động, một tín hiệu được chuyển từ ECU điều khiển chạy tự động đến ECU động cơ để làm muộn thời điểm đánh lửa nhằm giảm thiểu sự thay đổi momen quay của động cơ. - Hiệu chỉnh điều khiển lực kéo. Thời điểm đánh lửa được làm muộn đi khi việc điều khiển lực kéo đang được thực hiện để giảm mô men quay của động cơ. - Hiệu chỉnh chuyển tiếp. Trong quá trình chuyển đổi từ giảm tốc đến tăng tốc thời điểm đánh lửa sẽ sớm lên hoặc muộn đi theo sự tăng tốc. - Điều khiển góc đánh lửa sớm tối đa và tối thiểu Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 63 Nếu thời điểm đánh lửa (thời điểm đánh lửa ban đầu +góc đánh lửa sớm cơ bản + góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh) trở nên không bình thường, hoạt động của động cơ sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Để ngăn chăn điều này, ECU động cơ điều khiển góc đánh lửa thực tế (thời điểm đánh lửa) sao cho tổng góc đánh lửa sớm cơ bản và góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh không thể lớn hay nhỏ hơn một giá trị xác định được thể hiện như hình vẽ. Hình 4.20: Góc đánh lửa sớm tối đa và tối thiểu 4.4.3.3.Hệ thống đánh lửa lập trình có bộ chia điện (SI) a. Cấu tạo và nguyên lý làm việc Hình 4.22: Hệ thống đánh lửa lập trình có bộ chia điện (SI) Trong hệ thống đánh lửa này cụm bộ chia điện chỉ gồm các xung và cơ cấu chia điện cao áp (nắp và con quay ), bôbin và IC đánh lửa được bố trí ở ngoài bộ chia điện. Hệ thống đánh lửa có b ộ chia điện (SI) được chia làm nhiều loại khác nhau phụ thuộc vào cách bố trí các cụm thiết bị trong bộ chia điện . Dưới đây là một ví dụ về hệ thống đánh lửa SI: Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 64 Hình 4.23: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa lập trình có bộ chia điện Sau khi ECU nhận được các tín hiệu cần thiết bộ xử lý trung tâm sẽ thông qua chương trình ESA được cài đặt sẵn trong bộ nhớ để đưa ra lệnh điều khiển đánh lửa và thông qua bóng T1 trong ECU xuất ra xung IGT để điều khiển đánh lửa. Xung IGT sẽ thông qua mạch kiểm soát góc ngậm điện (còn gọi là mạch điều khiển bóng) để điều khiển bóng T2 trong IC đánh lửa thực hiện đóng – ngắt (ON-OFF) dòng sơ cấp của bôbin để tạo ra điện cao áp ở cuộn thứ cấp. Điện cao áp của bôbin sẽ thông qua con quay và nắp chia điện của bộ chia điện để chia đến lần lượt từng bugi theo đúng thứ tự nổ. Như vậy mỗi một lần đánh lửa ở bugi nào đó thì ECU phải xuất xung IGT để điều khiển đánh lửa một lần. Để điều chỉnh đánh lửa sớm (như đã trình bày ở trên) thì ECU chỉ việc dịch chuyển vị trí xung IGT so với điểm chết trên (TDC) của mỗi máy. Để phản ánh tình trạng đánh lửa đồng thời tạo xung kích hoạt hệ thống phun xăng thì trong một số IC đánh lửa có mạch tín hiệu phản hồi. Thông qua mạch này mỗi lần đánh lửa IC đánh lửa lại gửi 1 xung IGF phản hồi ngược lại ECU b. Một số kiểu tiêu biểu * Kiểu 1 Hình 4.24: Hệ thống đánh lửa SI của TOYOTA Trong hệ thống đánh lửa này cụm bộ chia điện chỉ gồm cảm biến G, cảm biến NE và bộ phận chia điện, IC đánh lửa và bôbin nằm ngoài bộ chia điện. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 65 Nguyên lý hoạt động: Sau khi ECU nhận được tín hiệu từ cảm biến NE và G, thông qua chương trình ESA xuất ra xung điều khiển đánh lửa IGT tới IC đánh lửa. IC đánh lửa sẽ đóng – ngắt (ON – OFF) dòng sơ cấp để tạo ra điện áp cao ở cuộn thứ cấp. Dòng điện cao áp này sẽ được đưa trở lại bộ phận chia điện, thông qua con quay và nắp chia điện, dòng điện cao áp sẽ được đưa tới bugi theo đúng thứ tự nổ. Đồng thời IC đánh lửa gửi 1 tín hiệu IGF quay trở lại ECU để xác nhận có đánh lửa và sử dụng làm tín hiệu kích hoạt hệ thống phun xăng. * Kiểu 2 Hình 4.25: Hệ thống đánh lửa SI của NISSAN Trong hệ thống đánh lửa này bộ chia điện bao gồm cảm biến G, cảm biến NE và bộ phận chia điện (con quay chia điện và nắp), Transistor (bóng công suất) và bôbin nằm ngoài bộ chia điện. Nguyên lý hoạt động: Sau khi ECU nhận được xung từ cảm biến NE và G, thông qua chương trình ESA xuất xung điều khiển đánh lửa IGT tới bóng công suất. Xung IGT điều khiển trực tiếp Transistor (bóng công suất) đóng – ngắt (ON- OFF) dòng sơ cấp, làm xuất hiện điện cao áp U2 ở cuộn thứ cấp của bôbin. Dòng U2 được đưa tới bộ phận chia điện, chia tới bugi theo thứ tự nổ của động cơ. * Kiểu 3 Hình 4.26: Hệ thống đánh lửa của TOYOTA Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 66 Trong hệ thống đánh lửa này bộ chia điện bao gồm xung G, NE, IC đánh lửa và bộ phận chia điện, bôbin nằm ngoài bộ chia điện. Nguyên lý hoạt động tương tự kiểu 1 * Kiểu 4 Hình 4.27: Hệ thống đánh lửa SI của TOYOTA Trong hệ thống đánh lửa kiểu này, bộ chia điện gồm có xung NE và bộ phận chia điện, IC đánh lửa và bôbin nằm ở ngoài. Nguyên lý hoạt động tương tự kiểu 1 chỉ khác là ECU chỉ nhận tín hiệu NE và không có tín hiệu G. * Kiểu 5 Hình 4.28: Hệ thống đánh lửa SI của NISSAN, MISUBISHI sử dụng cảm biến quang điện Trong hệ thống đánh lửa kiểu này cảm biến NE, cảm biến G, bóng công suất, bôbin và bộ phận chia điện đều nằm trong bộ chia điện. Nguyên lý hoạt động: Sau khi ECU nhận được xung từ cảm biến NE và G, thông qua chương trình ESA xuất xung điều khiển đánh lửa IGT. Xung IGT điều khiển trực tiếp bóng công xuất, đóng – ngắt (ON – OFF) dòng sơ cấp làm suất hiện dòng điện cao áp U2 ở cuộn thứ cấp. Dòng U2 được đưa tới bộ phận chia điện chia tới bugi theo thứ tự nổ của động cơ. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 67 * Kiểu 6 Hình 4.27: Hệ thống đánh lửa SI dòng TOYOTA sử dụng cảm biến từ điện Trong hệ thống đánh lửa kiểu này cảm biến NE, cảm biến G, IC đánh lửa,bôbin và bộ phận chia điện nằm trong bộ chia điện. Nguyên lý hoạt động: Sau khi ECU nhận được xung từ cảm biến G và NE, thông qua chương trình ESA xuất xung đánh lửa IGT tới IC đánh lửa. IC đánh lửa sẽ đóng – ngắt (ON – OFF) dòng sơ cấp làm xuất hiện dòng điện cao áp U2 trên cuộn thứ cấp của bôbin. Dòng điện cao áp U2 được đưa tới bộ phận chia điện để chia tới bugi theo đúng thứ tự nổ. Ngoài ra IC đánh lửa còn gửi xung phản hồi IGF tới ECU để xác nhận đánh lửa và sử dụng là tín hiệu kích hoạt hệ thống phun xăng. * Kiểu 7 Hình 4.28: Hệ thống đánh lửa SI dòng HONDA Trong hệ thống đánh lửa này, bộ chia điện bao gồm cảm biến NE, cảm biến G, cảm biến TDC và cơ cấu chia điện (con quay chia điện và nắp), IC đánh lửa và bôbin nằm ngoài bộ chia điện. Nguyện lý hoạt động: Sau khi ECU nhận được tín hiệu từ cảm biến G, NE và TDC, thông qua chương trình ESA xuất xung điều khiển đánh lửa IGT tới IC đánh lửa. IC đánh lửa sẽ đóng – ngắt (ON - OFF) dòng điện sơ cấp là xuất hiện dòng điện cao áp U2 tại cuộn Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 68 thứ cấp của bôbin. Dòng U2 được đưa tới bộ phận chia điện để chia tới bugi theo đúng thứ tự nổ. Ngoài ra IC đánh lửa còn gửi xung phản hồi IGF về ECU để xác nhận đánh lửa và sử dụng làm tín hiệu kích hoạt hệ thống phun xăng. * Kiểu 8 Hình 4.29: Hệ thống đánh lửa SI dòng HONDA Trong hệ thống đánh lửa kiểu này, cảm biến G, cảm biến NE, cảm biến TDC, IC đánh lửa, bộ phận chia điện cao áp đều nằm trong bộ chia điện, bôbin nằm ngoài bộ chia điện. Nguyên lý hoạt động Sau khi ECU nhận được tín hiệu từ các cảm biến, thông qua chương trình ESA xuất ra xung điều khiển đánh lửa, xung này được đưa tới IC đánh lửa. IC đánh lửa thực hiện đóng – ngắt dòng sơ cấp tạo ra dòng điện cao áp U2 tại cuộn thứ cấp. Dòng điện cao áp này được đưa tới bộ phận chia điện chia cho bugi theo đúng thứ tự nổ. Đồng thời IC đánh lửa gửi xung phản hồi IGF về ECU để xác nhận đánh lửa và làm tín hiệu kích hoạt hệ thống phun xăng. * Kiểu 9 Hình 4.30: Hệ thống đánh lửa dòng MISUBISHI, MAZDA, FORD. Trong hệ thống kiểu này cảm biến NE, TDC, bóng công suất, bôbin, bộ phận chia điện đều nằm trong bộ chia điện. Nguyên lý hoạt động: Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 69 Sau khi ECU nhận được tín hiệu từ cảm biến NE và cảm biến TDC, thông qua chương trình ESA xuất xung điều khiển đánh lửa IGT tới bóng công suất. Xung IGT điều khiển trực tiếp bóng công suất đóng – ngắt dòng sơ cấp, tạo ra trên cuộn thứ cấp một dòng điện cao áp U2. Sau đó dòng điện cao áp được đưa tới bộ phận chia điện chia tới bugi theo đúng thứ tự nổ. Loại này không có xung phản hồi * Kiểu 10 Hình 4.31: Hệ thống đánh lửa SI dòng HONDA Trong hệ thống đánh lửa hình 2.25 cảm biến NE, cảm biếnG, cảm biến TDC, IC đánh lửa, bôbin và bộ phận chia điện đều nằm trong bộ chia điện. Nguyên lý hoạt động: Sau khi ECU nhận được tín hiệu từ các cảm biến NE, G, TDC, thông qua chương trình ESA xuất xung điều khiển đánh lửa IGT tới IC đánh lửa. IC đánh lửa sẽ đóng - ngắt dòng sơ cấp làm xuất hiện dòng điện cao áp U2 tại cuộn thứ cấp của bôbin. Sau đó U2 được đưa tới bộ phận chia điện chia tới bugi theo đúng thứ tự nổ của động cơ. Đồng thời IC đánh lửa gửi xung phản hồi IGF trở lại ECU để xác nhận đánh lửa và kích hoạt hệ thống phun xăng. * Kiểu 11 Hình 4.32: Hệ thống đánh lửa SI dòng TOYOTA Trong hệ thống đánh lửa hình 4.65 cảm biến NE, IC đánh lửa và bộ phận chia điện nằm trong bộ chia điện còn bôbin nằm ngoài bộ chia điện. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 70 Nguyên lý hoạt đông: Sau khi ECU nhận được tín hiệu NE thông qua chương trình ESA xuất xung điều khiển đánh lửa IGT tới IC đánh lửa (nằm trong bộ chia điện) đóng – ngắt dòng sơ cấp trong bôbin nằm ngoài bộ chia điện tạo ra dòng điện cao áp U2. Sau đó dòng U2 được đưa tới bộ phận chia điện chia tới bugi theo đúng thứ tự nổ. Đồng thời IC đánh lửa gửi xung phản hồi IGF trở lại ECU để xác nhận đánh lửa và kích hoạt hệ thống phun xăng. 4.3.3.4. Hệ thống đánh lửa lập trình không có bộ chia điện (BSI) a. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Hệ thống đánh lửa BSI có một số kiểu phụ thuộc vào nhóm bôbin. Trên hình 4.50 là sơ đồ của hai kiểu tiêu biểu. a : Bôbin kèm hộp bóng Transistor b : Bôbin kèm IC đánh lửa Hình 4.33: Hệ thống đánh lửa BSI mỗi bugi một bôbin Với các kiểu đánh lửa kiểu này mỗi bôbin được lắp ngay trên đầu bugi, đầu cao áp được chế tạo liền với tẩu bugi. Bôbin được cấp nguồn (+) sẵn và chờ thông mát (-) ở hộp bóng hoặc IC đánh lửa. Sau đây là xung tín hiệu IGT và IGF của hệ thống đánh lửa sử dụng bôbin kèm IC đánh lửa (đối với loại bôbin đi kèm bóng thì không có tín hiệu IGF). Hình 4.34: Dạng xung điều khiển IGT và xung IGF Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 71 ECU sau khi nhận được các tín hiệu cần thiết thông qua chương trình ESA sẽ tính toán thời điểm đánh lửa sớm tối ưu, rồi xuất lần lượt các xung IGT để điều khiển các Transistor hoặc IC đánh lửa thực hiện ON- OFF dòng điện sơ cấp của từng bôbin theo thứ tự nổ để tạo ra điện cao áp đánh lửa đốt cháy hòa khí. b. Một số kiểu tiểu biểu * Kiểu 1 Hình 4.35: Hệ thống đánh lửa dòng TOYOTA Hệ thống đánh lửa kiểu này sử dụng bôbin kèm IC đánh lửa để điều khiển đánh lửa ECU chỉ việc gửi xung IGT tới các bôbin theo đúng thứ tự nổ (1-3-4-2). Nguyên lý hoạt động: Sau khi ECU nhận được các tín hiệu cần thiết, thông qua chương trình ESA xuất xung điều khiển đánh lửa IGT tới từng IC đánh lửa theo thứ tự nổ. IC đánh lửa sẽ đóng – ngắt dòng sơ cấp của bôbin làm sinh ra dòng điện cao áp trên cuộn thứ cấp. Do mỗi bôbin được lắp trên đầu một bugi nên dòng điện cao áp đánh xuyên qua duy nhất chỉ bugi đó. Ngoài ra IC đánh lửa còn gửi xung IGF trở lại ECU để xác nhận đánh lửa và làm tín hiệu kích hoạt hệ thống phun xăng. * Kiểu 2 Hình 4.36: Hệ thống đánh lửa dòng NISSAN Hệ thống đánh lửa kiểu này sử dụng bôbin kèm Transistor (bóng công suất). Nguyên lý hoạt động: Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 72 Sau khi ECU nhận được các tín hiệu cần thiết, thông qua chương trình ESA xuất xung điều khiển đánh lửa IGT tới từng Transistor (bóng công suất) theo thứ tự nổ, đóng – ngắt trực tiếp dòng sơ cấp của bôbin làm sinh ra dòng điện cao áp trên cuộn thứ cấp. Do mỗi bôbin được lắp trên đầu một bugi nên dòng điện cao áp đánh xuyên qua duy nhất chỉ bugi đó. Kiểu này không có xung phản hồi IGF. * Kiểu 3 Hình 4.37: Hệ thống đánh lửa dòng NISSAN Hệ thống kiểu này sử dụng một hộp bóng công suất tách rời với các bôbin. Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý hoạt động của kiểu này tương tự kiểu 2. * Kiểu 4 Hình 4.38: Hệ thống đánh lửa dòng TOYOTA Hệ thống đánh lửa kiểu này sử dụng 1 IC đánh lửa chung cho 4 bôbin và tách biệt với 4 bôbin. Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý hoạt động của kiểu này tương tự kiểu 1. * Kiểu 5 Hình 4.39: Hệ thống đánh lửa của hãng FORD, HYUNDAI Tr1 Tr2 Tr3 Tr4 Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 73 Hệ thống đánh lửa này sử dụng 4 bôbin được lắp trên đầu bugi của 4 máy. Việc điều khiển đóng – ngắt dòng sơ cấp được điều khiển trực tiếp trong ECU thông qua bóng Tr1, Tr2, Tr3, Tr4. Nguyên lý làm việc: Sau khi ECU nhận được các tín hiệu cần thiết, thông qua chương trình ESA xuất xung điều khiển trực thiếp bóng Tr trong ECU để đóng – ngắt dòng sơ cấp trong bôbin tương ứng theo đúng thứ tự nổ. Để tạo ra tia lửa ở bugi để đốt cháy hòa khí. 4.3.3.5. Hệ thống đánh lửa bôbin kép a. Nguyên lý hoạt động Loại sử dụng 1 bôbin cho 2 bugi Hình 4.40: Sơ đồ nguyên lý Hình 4.41: Bôbin kép Các bôbin phải được gắn vào bugi của hai xylanh song hành. Ví dụ: đối với động cơ 4 xylanh có thứ tự kỳ nổ 1-3-4-2, ta sử dụng hai bôbin. Bôbin thứ nhất có hai đầu của cuộn thứ cấp được nối trực tiếp với bugi số 1 và số 4 còn bôbin thứ hai được nối với bugi số 2 và số 3. Sau khi ECU nhận được các tín hiệu cần thiết, ECU căn cứ vào thứ tự nổ của động cơ sẽ xuất lần lượt tuần tự các xung IGT1 và IGT2 để điều khiển Transistor hoặc IC đánh lửa đóng - ngắt (ON - OFF) dòng sơ cấp của từng bôbin để tạo ra điện cao áp ở cuộn thứ cấp. Do hai đầu của cuộn thứ cấp được cắm trực tiếp vào 2 bugi nên điện cao áp sẽ được đánh xuyên qua 2 bugi, trong đó một bugi ở kỳ nén và một bugi ở kỳ xả. Phân phối điện cao áp được thực hiện như sau. Giả sử điện áp thứ cấp xuất hiện ở bugi số 1 và số 4 ta có : Utc = U1 + U4 Trong đó : - Utc : Hiệu điện áp ở cuộn thứ cấp. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 74 - U1 và U4 : Hiệu điện áp đặt vào khe hở của bugi số 1 và số 4. - R1 và R4 : Là điện trở khe hở bugi số 1 và số 4. Ở thời điểm đánh lửa, xylanh số 1 và số 4 cùng ở vị trí gần điểm chết trên nhưng trong hai kỳ khác nhau nên điện trở khe hở bugi của các xylanh trên cũng khác nhau R1 ≠R4. Lấy ví dụ xylanh số 1 đang ở kỳ nén thì R1 cũng rất lớn còn xylanh số 4 đang ở kỳ xả nên R4 rất nhỏ. Do đó R1>> R4 ta có U1 ≈ Utc, U4 ≈0 do vậy tia lửa chỉ xuất hiện ở bugi số 1, trong trường hợp ngược lại R1<<R4, ta có U1≈0, U4≈Utc , tia lửa sẽ xuất hiện ở bugi số 4. Quá trình tương tự cũng xảy ra đối với bugi số 2 và số 3. ECU đưa ra xung điều khiển để đóng mở transistor T1và T2 theo thứ tự nổ 1-3-4-2. Loại sử dụng 1 bôbin cho 4 bugi Hình 4.43:Hệ thống đánh lửa BSI sử dụng 1 bôbin cho 4 bugi Trên hình 4.43, bôbin có hai cuộn sơ cấp được nối với bugi qua các diode cao áp. Do hai cuộn sơ cấp quấn ngược chiều nhau nên khi ECU điều khiển mở lần lượt Transistor T1 và T2 , điện áp trên cuộn thứ cấp sẽ đổi dấu. Khi ECU gửi xung IGT1 đóng ngắt T1, trên cuộn thứ cấp sẽ xuất hiện dòng điện cáo áp, dòng điện này sẽ đánh xuyên qua bugi số 1 sang bugi số 4. Khi ECU gửi xung IGT2 đóng ngắt T2, trên cuộn thứ cấp sẽ xuất hiện dòng điện cao áp, dòng điện này sẽ đánh xuyên qua bugi số 3 sang bugi số 2. Diode số 5 và số 6 dùng để ngăn chặn ảnh hưởng giữa hai cuộn sơ cấp (lúc T1 hoặc T2 đóng) nhưng chúng làm tăng công suất tiêu hao trên IC đánh lửa. Dạng xung điều khiển: Hình 4.44: Dạng xung điều khiển Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 75 Trong trường hợp động cơ có 6 máy, 8 máy thì số bôbin sẽ tăng lên . Ví dụ: đối với động cơ 6 xylanh là sơ đồ hình 4.45. Hình 4.45: Sơ đồ hệ thống đánh lửa BSI với bôbin kép của động cơ 6 máy Để đảm bảo đánh lửa theo đúng thứ tự nổ 1-5-3-6-2-4, mạch vào sẽ xác định xylanh cần đánh lửa theo bảng mã sau: Xung IGDA Xung IGDB Xylanh 0 1 1 và 6 0 0 2 và 5 1 0 3 và 4 Trong trường hợp xung IGDA ở mức thấp (0), xung IGDB ở mức cao (1). Mạch xác định xylanh sẽ phân phối IGT đến đóng ngắt transistor T1. Khi transistor T1 ngắt, sức điện động cảm ứng trên cuộn thứ cấp sẽ tạo ra