BEPROEVING VAN ONTSTEKINGSINSTALLATIES EP GERNAAT

BEPROEVING VAN ONTSTEKINGSINSTALLATIES EP GERNAAT

2 Ten geleide Dit deel is tot stand gekomen door gebruik te maken van vrije software. Voor het tekenen is gebruik gemaakt van het Xfig tekenprogramma. De opmaak heeft plaatsgevonden met LaTeX. Eventuele educatieve programma zijn onder Python geprogrammeerd. Als besturingsprogramma werd Linux (Ubuntu) gebruikt. Voor de fotobewerking werd GIMP gebruikt. Op dit werk is de Creative Commons Licentie van toepassing. De gebruiker mag het werk kopiëren onder de volgende voorwaarden: de gebruiker dient de naam of andere aanduiding van de maker te vermelden; de gebruiker mag het werk of delen hiervan niet voor verdere commerciële doeleinden gebruiken; de gebruiker mag het werk niet bewerken. E.Gernaat Vianen, oorspronkelijke versie april 2006, herzien 2016 Steele Consulting B.V

Inhoudsopgave 1 De bobine-ontsteking 5 1.1 De noodzakelijke theoretische achtergronden........... 5 1.1.1 Schakelverschijnselen in de primaire bobinespoel..... 5 1.1.2 De eigenschappen van de bobine.............. 8 1.1.3 De conventionele ontstekingsinstallatie........... 12 1.1.4 Computergestuurde ontstekingssystemen......... 12 1.1.5 Optimalisering van de computer-ontstekingimpuls.... 13 1.1.6 Vragen en opgaven...................... 16 2 Prakticumopdrachten 17 2.1 Het meten van de ohmse weerstand van de primaire bobinespoel 17 2.1.1 Uitgevoerde (voorbeeld)metingen............. 17 2.1.2 Prakticumopdracht...................... 18 2.1.3 Het maken van de meetschakeling voor de conventionele bobine............................. 19 2.1.4 Het maken van een meetschakeling voor de transistorbobine............................. 21 2.1.5 Het bepalen van de zelfinductiecoëfficienten van bobines. 22 2.1.6 Primaire ontstekingsbeelden................. 24 3

4 INHOUDSOPGAVE

Hoofdstuk 1 De bobine-ontsteking 1.1 De noodzakelijke theoretische achtergronden Verreweg de meeste ontstekingssystemen maken gebruik van een bobine. Zo n bobine bestaat uit een kern met twee spoelen, een primaire en een secundaire spoel en heeft als doel om elektrische vonken te produceren (fig. 1.1). De warmteinhoud van de vonken moet voldoende zijn om het brandstofluchtmengsel te ontsteken. De vonk springt over tussen de elektroden van de bougie waartussen zich een benzine-luchtmengsel bevindt. De spanning die voor de vonkvorming nodig is (de ionisatiespanning) is vrij hoog en bedraagt 8 tot 10 kv. Dit betekent dat de bobine de 12 Volt installatiespanning op moet transformeren. Dit gebeurt door het opwekken van een sterk magnetische veld. Door de primaire spoel wordt stroom gestuurd van 3-6 A. Bij het wegvallen van dit magnetische veld wordt in de primaire spoel een spanning opgewekt van 250-400 Volt die in de secundaire spoel ten gevolge van de wikkelverhouding oploopt tot enige tientallen kv. Wanneer er een stroom door een spoel vloeit dan zal rondom deze spoel een magnetisch veld ontstaan. Dit magnetisme is een vorm van energie. Bij het inschakelen van de stroom wordt dit magnetische veld opgebouwd, blijft op sterkte tijdens het vloeien en verdwijnt weer wanneer de stroom wordt uitgeschakeld. Voor het verkrijgen van de vereiste inductiespanning maken we gebruik van het (snel) wegvallen van het magnetische bobineveld. 1.1.1 Schakelverschijnselen in de primaire bobinespoel Zoals opgemerkt moet bij het inschakelen van de primaire stroom een magnetisch veld worden opgebouwd. Dit kost tijd en energie waardoor de stroomsterkte niet meteen zijn maximale waarde (volgens de wet van Ohm) kan aannemen. Er is sprake van een extra weerstand die de stroomopbouw tegengaat. Deze extra weerstand wordt verkregen vanuit een, door de spoel opgewekte, tegenwerkende inductiespanning. Men maakt onderscheid tussen ohmse en inductieve weerstanden. Fig. 1.2 laat de opbouw van de primaire stroom als functie van de tijd zien. Bij bestudering moeten we ons realiseren dat: 5

6 HOOFDSTUK 1. DE BOBINE-ONTSTEKING Figuur 1.1: Een schematische weergave van de bobinespoelen met kern. De secundaire spoel is vaak met één uiteinde verbonden met de primaire spoel. Hierdoor ondersteunen beide spoelen elkaar. Bij tweevonken bobines kan deze methode echter niet worden toegepast.tek. Bosch het enige tijd (hier 12 ms) duurt voordat de stroom zijn maximale waarde bereikt; een door de spoel opgewekte inductiespanning de oorzaak is van een vertraging in de stroomopbouw; de inductiespanning verkregen wordt vanuit het opbouwende veld waarin de spoel zich bevindt; het gearceerde gedeelte een maat is voor de hoeveelheid in de bobine opgeslagen magnetische energie. Wanneer de stroom wordt onderbroken dan zal het magnetische veld verdwijnen en zal de spoel in een veranderend (afnemend) veld komen te liggen. De inductiespanning die dan wordt opgewekt zal trachten de afbouw van het veld tegen te gaan en zal derhalve tegengesteld gericht zijn aan die van de inschakelinductie. De opgeslagen magnetische energie komt zo weer vrij. Fig. 1.2 geeft deze verschijnselen grafisch weer. Let erop dat zowel de opbouw van de stroom als de afname van de stroom hier even lang duurt en dat alleen de inductiespanning wordt weergeven en niet de spanning die de oorzaak is van de stroom (de batterijspanning.) Nogmaals: Verwar de opgewekte inductiespanning niet met de spanning die verantwoordelijk is voor het vloeien van de primaire stroom. De spanningsbron van de primaire stroom is namelijk de batterij of de dynamo. De spanningsbron van de inductiespanning zijn de spoelwindingen. In de praktijk zal de tijd van het uitschakelen aanmerkelijk korter zijn dan in fig.1.2 wordt aangegeven. Wanneer de primaire stroom wordt onderbroken

1.1. DE NOODZAKELIJKE THEORETISCHE ACHTERGRONDEN 7 Figuur 1.2: a) De opbouw en afname van de primaire stroom en het magnetische veld in de bobine. b) De optredende inductiespanningen (E) die hiervoor verantwoordelijk zijn. door een (mechanische of elektronische) schakelaar dan zal dit vrij plotseling gebeuren. Zuiver theoretisch in een tijd nul. Hoe sneller het veld wegvalt des te heviger is de spanningsreactie omdat de magnetische energie in minder tijd vrij moet komen (fig.1.3). Dit betekent dat de inductiespanning ongekend hoge waarden kan gaan aannemen. Zou het magnetische veld in een tijd nul wegvallen dan zou de inductiespanning ook oneindig hoog oplopen. Bij het mechanisch schakelen krijgen we dan een sterke vonkvorming waardoor de primaire stroom nog even door vloeit waardoor de grootte van de inductiespanning beperkt blijft. Bij elektronisch schakelen hebben we (wanneer we geen maatregelen nemen) te maken met de schakeltijd van de transistor die zo kort is (enige tientallen nanoseconden) dat de bijbehorende hoge inductiespanning de elektronica beschadigt. De conclusie ligt voor de hand: Wanneer we een primaire inductiespanning nastreven die tussen de 250 V en 400 V moet liggen, dan zullen we de uitschakelinductie moeten gaan benutten. De grootte van de uitschakelinductiespanning moet echter worden geregeld door de snelheid van stroomvermindering (= wegvallen van het magnetische veld) onder controle te houden. We kunnen hiervoor gebruik maken van een condensator of een zenerdiode. Aangezien we ons willen beperken tot moderne ontstekingssystemen waarbij een transistor het in- en uitschakelen regelt, bekijken we de schema s van fig. 1.4. De schakelschema s zullen we in de prakticum-opdrachten gaan beproeven. In fig. 1.4 wordt de condensator geladen op het moment dat de

8 HOOFDSTUK 1. DE BOBINE-ONTSTEKING Figuur 1.3: Wanneer de stroom minder tijd krijgt om weg te vallen zal de inductiespanning hoger worden. primaire stroom door de transistor wordt onderbroken. De laadtijd van de condensator bepaalt dan de tijd waarin de primaire stroom wegvalt en zodoende de grootte van de primaire inductiespanning. In fig. 1.4 loopt de inductiespanning na het sperren van de transistor op tot de zenerspanning wordt bereikt waarna de stroom door de zenerdiode de inductiespanning beperkt. 1.1.2 De eigenschappen van de bobine De primaire bobinespoel, waartoe we ons beperken, heeft elektrisch gezien een ohmse weerstand en een inductieve weerstand. De eerst genoemde weerstandswaarde is het bekendste en kan met een ohmmeter worden gemeten of worden berekend uit de gegevens die we verkrijgen met een ampèremeter en voltmeter. De inductieve weerstand heeft betrekking op het magnetische veld dat in een stroomvoerende spoel wordt ontwikkeld en is moeilijker te bepalen. De inductieve weerstand hangt af van twee factoren nl: de snelheid waarmee de stroomsterkte verandert; de magnetische eigenschappen van de spoel. De magnetische eigenschappen van een spoel worden uitgedrukt in een zelfinductiecoëfficiënt (L-waarde). Elke bobine heeft een vaste L-waarde zodat de (voornaamste) bobine-eigenschappen kunnen worden uitgedrukt in een R en een L-waarde. De zelfinductiecoëfficiënt L van een bobine hangt af van: Het aantal windingen van de spoel; de afmetingen de spoel;

1.1. DE NOODZAKELIJKE THEORETISCHE ACHTERGRONDEN 9 Figuur 1.4: Boven: schakeling waarbij de oplaadtijd van de condensator de grootte van de primaire inductiespanning bepaalt. Onder: schakeling waarbij de zenerdiode de grootte van de inductiespanning bepaalt. de eigenschappen en de afmetingen van de kern. In sterke mate wordt de L-waarde beinvloed door het aantal windingen van de spoel en de materiaaleigenschappen van de kern. In een ideale bobine wordt in een uiterst korte tijd (nodig i.v.m een hoog motortoerental) een zeer sterk magnetisch veld opgebouwd. Nu hangt de hoeveelheid magnetische energie af van de stroomsterkte en de L-waarde. De stroomsterkte is hierin de voornaamste factor. Een grote L-waarde vertraagt echter de opbouw zodat we moeten kiezen voor een grote stroomsterkte en een kleine L-waarde. Zie fig.1.5. Let erop dat de maximale magnetische energie voor beide bobines ongeveer gelijk is maar dat deze toestand voor de bobine met de kleine L- waarde veel eerder wordt bereikt. Uiteraard kan de stroomsterkte niet onbeperkt hoog worden opgevoerd. Bij een systeem met contactpunten mag deze niet groter worden dan ongeveer 4 A. Transistoren kunnen grotere stromen schakelen zodat we daar de primaire stroom op kunnen laten lopen tot zo n 6 A. De lage L-waarde van de bobine kan worden verkregen door het aantal windingen van de spoel te beperken waarbij we dan rekening moeten houden met de verminderde ohmse weerstand. Een klassieke voorschakelweerstand of een stroomsterkte-regeling maakt dat we de L-waarde los kunnen koppelen van de ohmse weerstand. Er is echter nog een factor waarmee we rekening kunnen houden wanneer we een sterk veld in korte tijd willen opbouwen. In fig. 1.5 valt op dat de primaire stroomsterkte eerst snel toeneemt en vervolgens langzaam. Het laatste gedeelte kost dus relatief veel tijd terwijl het veld maar weinig toeneemt. Een stroomsterkte-

10 HOOFDSTUK 1. DE BOBINE-ONTSTEKING Figuur 1.5: Links: stroomopbouw bij een bobine met grote L-waarde en grote weerstand. Het gearceerde gebied is een maat voor de hoeveelheid opgeslagen magnetische energie. Rechts: stroomopbouw bij een bobine met kleine L-waarde en kleine weerstand. De magnetische energie blijft gelijk maar wordt eerder bereikt. regeling biedt uitkomst door de stroom af te regelen op het moment dat de stroom en dus het veld maar weinig meer sterker wordt. Zie fig. 1.6. Om door middel van metingen de belangrijkste eigenschappen van een bobine (de L en de R waarde) te achterhalen zijn een aantal mogelijkheden. We geven de twee meest bruikbare. 1e mogelijkheid: We meten met behulp van een ampèremeter en een voltmeter de stroomsterkte door en de spanning over de spoel en berekenen vervolgens de weerstand. We gebruiken hiervoor een gelijkspanningspanningsbron. Vervolgens doen we dezelfde meting met een wisselspanningsbron waarvan de frequentie bekend is. (Meter op AC!) Het verschil in de berekende weerstandswaarden wordt veroorzaakt door de magnetische eigenschappen van de spoel. De bepaling van de L- waarde geschiedt verder door berekening. 2e mogelijkheid: D.m.v. het registreren van de stroomopbouw. De opbouwtijd zegt iets over de bobine-eigenschappen. Vanuit de elektrotechniek is bekend dat 63,2% van de maximale bobinestroom in een tijd wordt bereikt die gelijk is aan L gedeeld door R. (L/R tijd) Wanneer de weerstand R van een bobine wordt gemeten met een ohmmeter en de tijd waarin 0,632 I max wordt bepaald dan is de L-waarde van de bobine te berekenen. Zie fig. 1.7 Mocht het begrip zelfinductiecoëfficient nieuw zijn dan volgt hier de definitie: De L-waarde of zelfinductiecoëfficient van een spoel wordt uitgedrukt in Henry s en bedraagt 1 H wanneer er 1 Volt spanning wordt opgewekt wan-

1.1. DE NOODZAKELIJKE THEORETISCHE ACHTERGRONDEN 11 Figuur 1.6: Door de stroomsterkte te regelen kan een sterk veld in korte tijd worden opgebouwd. Figuur 1.7: 63,2% van de maximale stroomsterkte wordt bereikt in 3,5 ms. Deze tijd is gelijk aan L/R

12 HOOFDSTUK 1. DE BOBINE-ONTSTEKING neer de stroomsterkte verandert met 1 A/s. In prakticumopdrachten kunnen de eigenschappen van een bobine op de laatst beschreven wijze worden bepaald. 1.1.3 De conventionele ontstekingsinstallatie Hieronder beschouwen we het ontstekingssysteem met contactpunten en condensator uitgevoerd met mechanische ontstekingstijdstip-vervroeging. Het systeem bestaat uit een enkelvoudige bobine, bougiekabels en een bobinekabel. De mechanische verdeler bestaande uit een rotor en verdeelkap zorgt ervoor dat de hoogspanning in de ontstekingsvolgorde over de diverse bougies wordt verdeeld. Fig. 1.8. Dit systeem wordt niet meer op nieuwe voertuigen toegepast. Wel dienen we ons te realiseren dat de computer gestuurde ontstekingssystemen in natuurkundig opzicht niet wezenlijk anders functioneren. Figuur 1.8: Opbouw van een conventioneel ontstekingssysteem. Tek. Bosch 1.1.4 Computergestuurde ontstekingssystemen Moderne ontstekingssystemen betreffen in hoofdzaak computergestuurde ontstekingssytemen waarbij we dan maar voorbij gaan aan het feit dat de bedoelde computer meer regelt dan alleen de ontsteking. Een impulsgever geeft een referentiepuls (Een referentiepuls is een elektrisch signaal dat synchroon loopt met de krukas- of nokkenas) af aan een besturingscomputer. De referentiepuls wordt door de computer aangepast en wordt vervolgens als een aanstuurpuls gebruikt voor het in- en uitschakelen van de primaire stroom. In het verschil tussen de referentiepuls en de bobine-aanstuurimpuls zijn de variabelen als

1.1. DE NOODZAKELIJKE THEORETISCHE ACHTERGRONDEN 13 ontstekingstijdstip en contact hoek opgesloten. Eén en ander afhankelijk van de systeemuitvoering. Zie fig. 1.9. De laatste ontwikkelingen betreffen com- Figuur 1.9: De computer ontvangt een referentiepuls welke met behulp van een aantal motorgegevens omgezet wordt in een bobine-aanstuurimpuls waarin de variabelen als contacthoek en ontstekingsvervroeging zijn verwerkt. (Let op de tijdbasis is voor fig. a,b niet gelijk aan fig. c en d) putergestuurde systemen zonder hoogspanningsverdeler en kabels. Toepassing van meerdere bobines wordt dan noodzakelijk. Bij een zgn. tweevonken-bobine ontbreekt de verdeler maar zijn de hoogspanningskabels nog aanwezig. Een tweetal tweevonken-bobines zijn nodig voor een 4 cilinder motor. Per omwenteling van de motor worden twee vonken tegelijkertijd opgewekt. Een actieve en een loze vonk. Bij de moderne ontstekingen wordt per cilinder één bobine gemonteerd. Deze bobine wordt rechtstreeks op de bougie geplaatst zodat ook de hoogspanningskabels vervallen. Fig. 1.10 geeft een voorbeeld van een verdelerloze ontsteking met twee tweevonken-bobines en een penbobine- ontsteking waarbij de computer een viertal bobines individueel aanstuurt. Een nevenvoordeel van deze constructie is dat de contacttijd tot op zeer hoge toerentallen constant kan blijven. 1.1.5 Optimalisering van de computer-ontstekingimpuls (Voorbeeld: Hall-impulsgever in verdeler) De pulstrein die uit de computer komt en op de eindtransistor wordt gezet om de primaire stroom te schakelen, wordt niet alleen voor de ontstekingsvervroeging ten opzichte van het krukas-referentiesignaal verschoven, maar zal tevens een veranderlijke puls-periode verhouding moeten bezitten. De reden hiervoor ligt in het feit dat de tijd dat de primaire stroom moet vloeien (de zgn. contacttijd) bepaald wordt door de eigenschappen van de bobine. De beschikbare tijd hangt echter af van het motortoerental. Op hogere toerentallen zal de beschikbare tijd afnemen waardoor de primaire stroom zijn maximale waarde niet zal bereiken. Een verminderde vonkenergie zal het resultaat zijn. Aan dit probleem wordt tegemoet gekomen door de openingstijd te verkorten waardoor de contacttijd gelijk kan blijven. Immers: de contacttijd + openingstijd = beschik-

14 HOOFDSTUK 1. DE BOBINE-ONTSTEKING Figuur 1.10: Schematische voorstelling van een computergestuurde verdelerloze ontsteking met twee tweevonken-bobines (a) alsmede een een ontsteking met pen-bobines(b). Men spreekt ook wel van een coil on plug systeem. bare tijd. Wordt de beschikbare tijd kleiner omdat het toerental hoger wordt terwijl men de contacttijd gelijk wil houden dan rest niets anders om de openingstijd te verkleinen. Zie Fig. 1.11. Het zal duidelijk zijn dat een dergelijke duty-cycle regeling wel zijn beperkingen heeft. In de openingstijd zal de vonk plaatsvinden en ook deze heeft tijd nodig. De openingstijd zal dus nooit onder de minimale vonktijd mogen komen te liggen. Opgemerkt moet worden dat de contacttijd refereert aan de tijd dat de transistor in geleiding is en dat met de openingstijd de transistorspertijd wordt bedoeld. De ingeburgerde benamingen als contacthoek en openingshoek stammen uit de tijd van de conventionele ontstekings-systemen. De ontstekingsvervroeging zoals de autotechnicus deze kent is een vervroeging van het ontstekingstijdstip ten opzichte van de B.D.P stand van de zuiger. Hoe groter de vervroeginghoek des te eerder komt de ontstekingsvonk t.o.v. dit Bovenste Dode Punt. Elektrotechnisch gezien is er echter sprake van verlating. De referentiepuls komt bijv. 90 graden voor het B.D.P. de computer binnen waarna de signaalaanpassing plaatsvindt in relatie tot het motortoerental, de motorbelasting en temperatuur. Aangezien we niet terug in de tijd kunnen zal debobine-aanstuurpuls later moeten komen. Later t.o.v. de referentiepuls betekent echter vroeger t.o.v. het B.D.P. (Zie nogmaals fig. 1.9 en 1.11). Bij computergestuurde ontstekingsvervroeging bevinden zich de gecodeerde vervroegings-hoeken in het geheugen van de computer. Men spreekt van opzoektabellen, referentie- of kenvelden. Ruststroom uitschakeling Wanneer de contactsleutel wordt omgedraaid zal er een primaire stroom gaan vloeien. Wanneer er niet direct gestart wordt zal de stroom de eindtransistor doen oververhitten. Om dit te voorkomen controleert de computer het toeren-

1.1. DE NOODZAKELIJKE THEORETISCHE ACHTERGRONDEN 15 Figuur 1.11: De tijd A (= tijd B) wordt de contacttijd genoemd. De tijden C en D worden de openingstijden genoemd.(let op: tijdbasis van fig. a en b niet gelijk.) Omdat we over transistorschakelingen spreken kan men ook over geleidings- en spertijd te spreken. talsignaal en schakelt de primaire stroom uit wanneer het signaal niet (na enige tijd) aanwezig is. Fig. 1.12 Er zijn een aantal mogelijkheden waarop de ontstekingsvervroeging, contacttijdregeling, ruststroomuitschakeling en de eerder besproken primaire stroomregeling door een computer kunnen worden geregeld. Een aantal functies kunnen door de fabrikant, naar keuze softwarematig of hardwarematig worden uitgevoerd. Speciaal ontwikkelde interface IC s kunnen de programmatuur ontlasten. Resumerend: Bij moderne ontstekingssystemen is sprake van: faseverschuiving t.o.v. een referentiepuls voor de ontstekingsvervroeging; het opzoeken van de vervroegingshoek in het computergeheugen in relatie tot het toerental, de belasting en de temperatuur van de motor; contacttijdregeling of contacthoekbesturing om de contacttijd over een groot toerengebied constant te houden; ruststroomuitschakeling; primaire stroom begrenzing; In het volgende hoofdstuk zullen de meeste aangehaalde begrippen in prakticumvorm aan de orde komen.

16 HOOFDSTUK 1. DE BOBINE-ONTSTEKING Figuur 1.12: Oscilloscoopbeeld van de ruststroomuitschakeling. 1.1.6 Vragen en opgaven 1. Wat is de reden dat de primaire stroom na het inschakelen niet meteen op zijn maximum sterkte is? 2. Waarom is een korte uitschakeltijd van de primaire stroom belangrijk? 3. Op welke twee (genoemde) manieren kan men een korte uitschakeltijd verkrijgen? 4. Wat verstaat men onder de L-waarde van een bobine? 5. Geef een manier waarop de L-waarde van een bobine kan worden bepaald. 6. Wat verstaat men onder een computergestuurd ontstekingssysteem? 7. Een computer kan eigenlijk alleen maar het ontstekingstijdstip verlaten. Verklaar dit. 8. Hoeveel bobines zal men minimaal moeten toepassen voor een verdelerloze ontsteking op een 4 cilinder motor. 9. Welke functies kent een computergestuurde ontsteking nog meer dan behalve het regelen van het ontstekingsstijdstip? 10. Verklaar dat door een duty-cycle regeling de contacttijd gelijk kan worden gehouden. 11. Na hoeveel seconden wordt de primaire stroom uitgeschakeld? Fig.1.12

Hoofdstuk 2 Prakticumopdrachten Waarschuwing: Werken met bobines betekent ook dat we te maken krijgen met relatief hoge inductiespanningen. We dienen dus veilig te werken. Beperk het bobinevermogen daar de stroom door de bobine te beperken en zorg dat de bougie een goede massaverbinding heeft. De prakticumopdrachten worden op eigen risico uitgevoerd. 2.1 Het meten van de ohmse weerstand van de primaire bobinespoel Benodigd materiaal: 1. een conventionele (contactpunten) bobine (Bijv. de Bosch bobine 0221 119 030 met voorschakelweerstand); 2. een transistor-bobine (Bijv. de Bosch bobine 0221 122 349); 3. één of twee (geschikte) multimeters; 4. een regelbare voeding (10 A); Tussen de aansluiting 15 (+) en 1 (-) kan de weerstand van de primaire spoel worden gemeten. Hoewel dit met een ohmmeter kan geschieden verdient het de voorkeur om de meting te verrichten onder wat meer praktische omstandigheden en wel met behulp van een ampèremeter en een voltmeter. Door de stroom met behulp van een regelbare voeding in te stellen tussen de 4 en 7 A zal de bobine warm worden waardoor de invloed van de temperatuur in de meting wordt meegenomen. 2.1.1 Uitgevoerde (voorbeeld)metingen De conventionele bobine geschikt voor contactpunten De conventionele bobine (die we in de testsituatie zonder de voorschakelweerstand van 1,8 Ω gebruiken) sluiten we aan overeenkomstig fig. 2.1. We stellen 17

18 HOOFDSTUK 2. PRAKTICUMOPDRACHTEN de stroomsterkte in op ongeveer 4 A. We meten dan na een paar minuten: Ampèremeter: 4,06 A Voltmeter: 6,78 V De berekende ohmse weerstand waarde wordt dan 6,78 V / 4,06 A = 1,67 Ω. De stroomsterkte zal dan 14 V /1,67 Ω = 8,38 A bedragen. Met de door de fabrikant voorgeschreven voorschakelweerstand komen we aan een totale weerstand van 1,67 Ω + 1,8 Ω = 3,47 Ω zodat de stroomsterkte tijdens bedrijfsomstandigheden beperkt blijft tot maximaal 14 V /3,47 Ω = 4 A. De transistorbobine Met de instelbare voeding wordt de stroom ingeregeld op ongeveer 7 A. Na vijf minuten (bobine lauw of handwarm) gaven volt- en ampèremeter de volgende waarden aan: Ampèremeter 6.73 A Voltmeter 5.29 V De berekende ohmse weerstand wordt dan 5,29 V /6,73 A = 0,79 Ω. De meting met de ohmmeter gaf vervolgens 0,76 Ω. Wanneer we nu afgerond een weerstand van 0,8 Ω aanhouden dan zou de nominale stroomsterkte van deze bobine 14 V / 0,8 V = 17,5 A bedragen. Het zal duidelijk zijn dat bij deze bobine de stroomsterkte zal moeten worden beperkt. 2.1.2 Prakticumopdracht Voer de beschreven meting uit op de bobines die voor het prakticum ter beschikking staan. Noteer de bobine-gegevens: Merk: Nr: Conv./trans.: Overigen: Maak de testopstelling volgens fig. 2.1. Noteer de gevonden meetwaarden bij een van te voren vast gestelde maximum stroomsterkte (I max). Bobine nr.: I max.: U: Weerstand berekend: I bij 14 V Berekend: Neem de berekende weerstand over in de nu volgende tabel en controleer de weerstandswaarde met behulp van de ohmmeter. Maak de tabel af. Bobine nr.: Berekende weerstand: Gemeten weerstand: Verschil (en verklaring):

2.1. HET METEN VAN DE OHMSE WEERSTAND VAN DE PRIMAIRE BOBINESPOEL19 Figuur 2.1: De testopstelling voor de bobines 2.1.3 Het maken van de meetschakeling voor de conventionele bobine Fig. 2.2 toont ons het schema van de meetschakeling. Om de opbouw van de primaire stroom alsmede de inductiespanning te kunnen bestuderen hebben we een (meet)schakeling nodig die de bobinestroom in- en uitschakelt. Voor de conventionele bobine bouwen we een schakeling rondom een darlingtontransistor die aangestuurd wordt door de (TTL) pulsuitgang van een functiegenerator. De condensator wordt opgeladen op het moment dat de primaire stroom wordt uitgeschakeld en bepaalt zodoende de tijd waarin de primaire stroom wegvalt. De grootte van de primaire inductiespanning is zodoende vastgelegd. Om negatieve spanningspulsen op de transistor te voorkomen wordt de diode D1 toegepast. R2 is een stroommeetweerstand van 0,1 Ω die in serie met de primaire spoel is geschakeld. Verder dient de transistor gekoeld te worden door een plaatje aluminium. Opdracht Bouw de schakeling na en monteer de bobine, de bougie en bougiekabel op een plankje. Eventueel kan ook nog een variabele weerstand in serie gezet worden met de bobine en kan de massa-elektrode van de bougie worden afgezaagd en worden vervangen door een boutje waardoor de elektrode afstand in zekere mate instelbaar wordt. Vergeet vooral niet de bougie met de massa te verbinden. We beschikken nu over een complete testschakeling voor de komende metingen (fig. 2.3). Probeer de schakeling uit door een functiegenerator op de basis van de transistor aan te sluiten. Gebruik hiervoor de TTL (5 V) impulsuitgang en stel de frequentie in op 100 Hz. We gebruiken verder een instelbare (10 A)voeding. Stel na het aansluiten de voedingsspanning in op 12 Volt (of ongeveer 6 Volt wanneer geen voorschakelweerstand is aangebracht). De bougie zal nu gaan vonken.

20 HOOFDSTUK 2. PRAKTICUMOPDRACHTEN Figuur 2.2: Het schema van de meetschakeling alsmede de belangrijkste eigenschappen van de darlington transistor. TIP 162, R1 220 Ω, D1 1N4004, R2 0,1 Ω 5 Watt, D2 1N4004, C 0,22 µf 400V, T TIP 162. Figuur 2.3: De proefopstelling met bobine, bougie met instelbare elektrode-afstand en stuur- en meetprint

2.1. HET METEN VAN DE OHMSE WEERSTAND VAN DE PRIMAIRE BOBINESPOEL21 2.1.4 Het maken van een meetschakeling voor de transistor-bobine Hoewel de eerder gemaakte schakeling uiteraard ook op een transistorbobine werkt maken we nu een schakeling waarbij een zenerdiode verantwoordelijk is voor de grootte van de maximale inductiespanning. Het principe van deze schakeling wordt algemeen bij transistorgestuurde ontstekingen toegepast. Aangezien we geen stroomregeling toepassen mag de aangelegde spanning niet te hoog worden ingesteld. Fig. 2.4 toont ons de schakeling. De zenerdiode Z van 24 V staat aangesloten over de spanningsdeler R1, R3 waardoor de zener in geleiding komt bij een inductiespanning boven de 200 Volt. Wanneer de zenerdiode geleidt kan de primaire stroom kortstondig blijven vloeien omdat de basis van de transistor gestuurd blijft. Met behulp van de meetweerstand R4 kan de primaire stroom worden gemeten terwijl de diode er voor zorgt dat de transistor geen negatieve spanningspieken te verwerken krijgt. Figuur 2.4: Componenten-opstelling van de transistor-schakelmodule met zenerdiode. D1 1N4004, D2 1N4004, Z 24V 400mW, R1 1500 Ω, R2 100 Ω, R3 100 Ω, R4 0,1 Ω 5 Watt, T TIP 162. Opdracht Bouw de schakeling na op een europrint of testboard en zorg ervoor dat de transistor voldoende gekoeld wordt. Monteer de transistorbobine, de bougie en de bougiekabel. Vergeet niet de bougie met de massa te verbinden. Probeer na montage het geheel uit door een functiegenerator op de basis van de transistor

22 HOOFDSTUK 2. PRAKTICUMOPDRACHTEN aan te sluiten. Gebruik hiervoor de TTL- pulsuitgang met een frequentie van minder dan 100 Hz. Zorg ervoor dat de stroomsterkte niet te hoog op kan lopen door de spanning van de voeding op ongeveer 6 V in te stellen (De schakeling kent geen stroomsterkte regeling!). 2.1.5 Het bepalen van de zelfinductiecoëfficienten van bobines Voor een vergelijking van de zelfinductiecoëfficient (L-waarde) tussen twee bobines hebben we nodig: twee verschillende bobines (bijv. de reeds genoemde typen); een regelbare voeding van 10 A; een functiegenerator of impulsschakeling; een twee-kanaals oscilloscoop; de twee eerder beschreven en gemaakte meetschakelingen. Stel de schakelingen op en sluit de oscilloscoop aan over de meetweerstand van 0,1 Ω. Fig. 2.5. Denk om de volgende instelwaarden: Figuur 2.5: Boven: testopstelling met de conventiele-bobine (..030) en de gebouwde de meetschakeling 1. Onder: testopstelling met de transistor-bobine (..349) en de gebouwde meetschakeling 2. aanstuurpuls op TTL-niveau dus tussen 0 en 5 Volt, frequentie tussen de 50 en 100 Hz; puls-periode verhouding (duty-cycle) van het signaal ongeveer 50 %;

2.1. HET METEN VAN DE OHMSE WEERSTAND VAN DE PRIMAIRE BOBINESPOEL23 regelbare voeding op ongeveer 6 Volt instellen omdat geen stroomregeling wordt toegepast; richtwaarden oscilloscoopinstelling: 0,1 V Volt/Div en ongeveer 5 ms Time/Div; De oscilloscoop laat voor elke bobine een beeld zien dat overeen moet komen met het signaalvoorbeeld van fig. 2.6. Met behulp van het oscilloscoopbeeld kan Figuur 2.6: Boven: de primaire stroomopbouw van de transistorbobine Bosch XXX349A. Onder: de L-waarde van de Bosch 349A bedraagt 7 x 0,79 = 5,6 mh nu de zelfinductiecoëfficient van de bobine worden bepaald. Immers vanuit het oscilloscoopbeeld van fig.2.6 kan worden afgeleid dat 0,632 Imax geschiedt in ongeveer 7 ms. Dit kan op eenvoudige wijze met een lineaal worden bepaald en uitgerekend (grafische methode). De L/R-tijd is dan gelijk aan 7 ms. De ohmse weerstand bedroeg bedroeg 0,79 Ω zodat de zelfinductiecoëfficient van deze bobine 7 x 0,79 = 5,6 mh bedraagt. Opdracht: Bereken op genoemde wijze de L-waarden van de bij de prakticumopdracht behorende bobines

24 HOOFDSTUK 2. PRAKTICUMOPDRACHTEN 2.1.6 Primaire ontstekingsbeelden De gemaakte opstellingen lenen zich ook voor het bestuderen van het primaire ontstekingsbeeld. We sluiten hiervoor de oscilloscoop aan op de 1 (-) aansluiting van de bobine. De te meten spanning zal een paar honderd volt bedragen zodat bij voorkeur een 10:1 probe moet worden gebruikt. Fig. 2.7 geeft het primaire ontstekingsbeeld weer zoals aan de Bosch conventionele bobine (030) met de bijbehorende meetschakeling is gemeten. We onderscheiden hierin: A = ionisatiespanning (maximaal 400 V) B = vonkduur C = uitslingering restenergie D = geleidingstijd eindtransistor (contacthoek) Figuur 2.7: Het primaire ontstekingscircuit In fig. 2.8 wordt het geheel vergroot weergegeven zodat het uitslingergedeelte vergroot wordt weergegeven. De vorm en grootte van deze uitslingering wordt bepaald door de LCR-waarde van het circuit dat wil zeggen dat de frequentie afhangt van de L-waarde van het bobine en de capaciteit (de condensatorwaarde) van de schakeling. De demping, hier weergegeven door een holle lijn, wordt veroorzaakt door de R-waarde.

2.1. HET METEN VAN DE OHMSE WEERSTAND VAN DE PRIMAIRE BOBINESPOEL25 Figuur 2.8: De uitslingering vergroot weergegeven Opdracht: Voer de meting op de bobines uit en vul de nu volgende tabel in: Bobine 1/2/3 type nummer: Gebruikte schakeling: Maximale ionisatie spanning: V vonkduur ms contacttijd ms signaalfrequentie Hz motortoerental (4 cil.) t/min frequentie uitslingering khz contacthoek (duty-cycle) % voedingsspanning V