Пьезокерамические источники высокого напряжения
Нет недостатка в сенсационных публикациях, приписывающих чудодейственные возможности пьезоэлектричеству. Вот, к примеру, цитата: «Два года назад несколько физиков попытались заново решить формальную задачку: как механическую энергию человека преобразовать в киловатты электрической. Так на свет появился пьезоэлектрический генератор. Сначала первого поколения, потом второго, сегодня в лаборатории уже испытывают восьмую версию. Лёгкое нажатие на генератор и: «Гори оно всё огнём». …и когда всё будет окончательно готово произойдёт своеобразная революция в области альтернативных видов энергии». (teros.org.ru).
То, что пьезоэлемент не является источником энергии, — очевидно. Ясно также и то, что как преобразователь механической энергии в электрическую, революцию в энергетике он не произведёт. Ведь к чему сводятся идеи использовать пьезогенераторы в кроссовках, в асфальте, в эспандере, на ногах балерины, чтобы ток давала? Всё это сводится к тому, чтобы получить нетрадиционный электрический ток за счёт механической работы (кстати, с крайне низким кпд), которая, в свою очередь, совершается за счёт сжигания традиционного топлива и съёдания традиционной картошки. Пьезогенератор это преобразователь, но никак не источник электроэнергии. Как преобразователь он занимает достойное место в технике в качестве источника электрических зарядов, источника высокого напряжения для целей воспламенения, контроля изоляции и многих других. В некоторых случаях целесообразно применение в качестве микромощных источников питания. В этой статье речь пойдёт о пьезогенераторах, предназначенных для искрообразования и создания электрических зарядов.
Немного теории
Чтобы понять работу устройства, основной частью которого является пьезогенератор, не требуются обширные теоретические сведения. Достаточно знать лишь две величины, характеризующие пьезоэлектрический материал. Это диэлектрическая проницаемость, поскольку от неё зависит ёмкость пьезоэлемента, и пьезоэлектрический модуль. Пьезомодуль определяет величину электрического заряда на электродах пьезоэлемента при приложении к ним единицы силы. Пьезокерамика описывается тремя пьезомодулями, в зависимости от ориентации прилагаемой силы относительно полярной оси пьезокерамического образца. Нас будет интересовать пьезомодуль Первый подстрочный индекс означает, что полярная ось направлена вдоль оси 3 или Z системы координат (перпендикулярно электродам). Второй индекс говорит, что действующая сила направлена вдоль той же оси. При такой взаимной ориентации пьезоэффект наиболее выражен. Пьезомодуль по величине больше, чем пьезомодули, отвечающие другим комбинациям направлений. Для прямого пьезоэффекта пьезомодуль имеет размерность «К/Н» (кулон:ньютон), а его величина, в зависимости от марки пьезокерамики, находится в интервале от 200 до 500 пикокулон/ньютон (10 -12 К/Н). Пьезомодуль – это характеристика материала. Это означает, что если мы изготовим пьезоэлемент из пьезокерамики с пьезомодулем, например, 240*10 -12 К/Н, то, какие бы ни были размеры пьезоэлемента, какой бы он ни был формы, каким бы образом ни прикладывали силу, то ли в точке, то ли она распределена по всей поверхности электрода, мы всегда получим на электродах заряд 240 пикокулон, если приложим силу 1 ньютон. Какое же при этом будет напряжение на электродах пьезоэлемента? Воспользуемся известной формулой:
(1)
Из формулы следует, что напряжение уже зависит от размеров пьезоэлемента, так как входящая в формулу ёмкость C является функцией межэлектродного расстояния и площади электродов. Легко проверить, что в этом примере, положив ёмкость равной 40 пикофарадам (это ёмкость пьезоэлементов пьезозажигалки), получим, что напряжение при силе 1Н будет равно 6В. Если действовать силой 1000Н (100кГ), получим 6 кВ.
Этих сведений вполне достаточно, чтобы проанализировать работу пьезогенератора. Сделаем это на примере пьезоэлектрической зажигалки.
Как работает пьезоэлектрическая зажигалка?
Речь пойдёт о пьезозажигалке нажимного действия, которая по ходу своей клавиши выдаёт серию искр. Есть зажигалки ударного действия, которые выдают одиночную искру при приведении в действие ударного механизма. Пьезоэлектрическая зажигалка – это пример, пожалуй, самого удачного применения пьезогенератора. Это один из самых популярных бытовых приборов в жилищах, оборудованных газовыми плитами для приготовления пищи. Они надёжны, долговечны, не требуют никакого обслуживания и всегда готовы к использованию. На рис.1 представлено фотоизображение раскрытой пьезозажигалки с пьезогенератором. Не будем останавливаться на описании конструкции
Рис.1. Пьезозажигалка в раскрытом виде с пьезогенератором
пьезогенератора, так как в нём нет ничего, выходящего за рамки интеллектуального наследия Архимеда, а рассмотрим упрощённую модель пьезогенератора, изображённую на рис.2. Она представляет собой опору с рычагом, позволяющим прикладывать
Рис.2. Упрощённая модель пьезогенератора
значительное усилие на пьезоэлементы. Пьезоэлементы, имеющие форму сплошного цилиндра с электродами на торцевых поверхностях, поставлены друг на друга и вследствие этого подвергаются действию одной и той же силы. Пьезоэлементы ориентированы так, что на электродах соприкасающихся поверхностей наводится заряд одного знака, а на противоположных – другого знака. Противоположные электроды электрически замкнуты элементами рычажного механизма. В таких условиях пьезоэлементы оказываются соединёнными электрически параллельно. Выведем от соприкасающихся электродов токовод с наконечником, желательно, с закруглённым концом и расположим наконечник на некотором расстоянии от металлического основания. Теперь, при нажатии на рычаг, произойдёт пробой воздушного промежутка между наконечником и основанием. Надавив на рычаг сильней можно «высечь» вторую искру, третью и так далее, пока не разрушим пьезоэлементы. Таков, на первый взгляд простой, принцип действия пьезозажигалки. Однако можно посмотреть на это устройство более пристально. Это мы сделаем поставив несколько вопросов и задач. Ответы на них могут оказаться неожиданными.
1. Почему пьезозажигалка издаёт характерный треск при искрении? Это звук маленьких грозовых разрядов? Нет, хотя эти разряды тоже издают звук, но очень слабый. Сделаем умозрительный эксперимент на модели пьезоэлемента, обратившись к рис.3. Модель включает в себя сильную пружину1, которую можно сжимать, надавливая на платформу3. Имеются дугообразные, более слабые, пружинки2. Почему дугообразные и почему их две – не имеет значения. Просто для красоты рисунка. В экспериментальном наборе имеется множество дугообразных пружинок разной длины, потому что они быстро
Рис.3. Модель пьезоэлемента
ломаются. В исходном состоянии, когда сила равна нулю, подберём две дугообразные пружинки с расстоянием между концами равном расстоянию между платформой и нижним основанием и вставим их, как показано на рисунке. Теперь начнём наращивать усилие сверху. Пружины начнут сжиматься противодействуя силе. Основную нагрузку берёт на себя главный атлант – пружина1. Ей помогают дугообразные пружинки. Но вот, в некоторый момент, дугообразные пружинки ломаются. Атлант остаётся без помощников и резко проседает, дабы мобилизовать дополнительную силу своей упругости и, тем самым, уравновесить внешнюю. В этот же момент мы вставляем новую пару дугообразных пружинок, но уже с меньшим расстоянием между концами, соответствующим новой высоте платформы над основанием. Теперь у сильной пластины вновь два более слабых помощника. Но и они, получив определённую деформацию, также ломаются. Сильная пружина вновь резко проседает и так далее. Затем приостановим этот процесс и, перед тем, как снять внешнее усилие, вставим самые короткие дугообразные пружинки. И не просто вставим, а приклеим их в точках касания. Теперь, будучи свободной от внешней силы, большая пружина начинает ход вверх, растягивая маленькие пружинки. Маленькие пружинки при растяжении также ломаются, а мы ухитряемся их мгновенно заменять и приклеивать. Наконец, большая пружина остановила свой ход, но исходной высоты не достигла, так как последняя пара пружинок не поломалась. Мы их доломаем, и тогда пружина и платформа вернутся в исходное положение. Так что на обратном ходе самостоятельных поломок меньше.
Что же в пьезоэлементе является аналогом сильной и слабой пружин? Что понимается под поломкой слабой пружины? Вообще любое твёрдое тело это пружина. Правда, её ход очень мал и, согласно нашей аналогии, это сильная пружина. Пьезоэлемент это тоже сильная пружина, но в нём, в отличие от обычных твёрдых тел, имеется и слабая пружина. Сжимая обычное твёрдое тело, мы затрачиваем работу на увеличение потенциальной энергии упругости. Сжимая пьезоэлемент, мы также трудимся на увеличение потенциальной энергии, но, кроме этого, создаём в образце электрическое поле, которое также обладает потенциальной энергией. В приведенной выше аналогии можно вообще не вставлять дугообразные пружинки. Тогда сильную пружину будет легче сжать. В пьезоэлементе, то же самое, можно исключить появление электрического поля, закоротив электроды, и также его будет легче сжать.
Теперь обратимся к предыдущему рис.2. Пусть наконечник токовода находится на расстоянии миллиметра четыре (как у пьезозажигалки) от массы рычажного механизма. В этом разрядном промежутке возникнет искровой пробой, если напряжение достигнет, приблизительно, 3000 вольт. Что произойдёт в момент пробоя? Напряжение упадёт, практически, до нуля, исчезнет электрическое поле и соответствующая сила, противодействующая внешней силе через рычаг. Это поломалась дугообразная пружинка в приведенной аналогии. Пьезоэлемент при этом «просел». Конечно, он сократился по длине крайне незначительно, но этот механический импульс передался всему, находящемуся в напряжённом состоянии, рычажному механизму. Механизм издал звук, щелчёк. Одновременно звуковой импульс пошёл и от «микромолнии», но он гораздо слабее. Ему можно поставить в соответствие звук поломавшейся дугообразной пружинки. Продолжим давить на рычаг. Вновь появляется электрическое поле и напряжение на электродах. Это произошла автоматическая замена дугообразных пружинок. Происходит второй разряд и соответствующий звук-щелчёк от механизма. При свободном обратном ходе клавиши зажигалки искрение происходит за счёт запасённой потенциальной энергии упругости пьезоэлемента (сильной пружины), но полярность напряжения будет обратная и количество искр будет, как и у модели, меньше. Подобно тому, как мы доломали последнюю пружинку, доразрядим пьезоэлемент, закоротив электроды.
Ответ на первый вопрос вышел довольно пространный, но зато попутно получилось толкование одного из основных положений пьезоэлектричества. Далее решения будут более короткими.
2. Какова мощность разряда пьезоэлемента? Сделать точный расчёт крайне затруднительно, да и не имеет смысла, а оценить порядок величины любопытно. Мощность тока искры это квадрат напряжения, делённый на сопротивление разрядного промежутка. Напряжение, конечно, меняется за время существования разряда от 3000 вольт до, почти, нуля.. Поэтому возьмём среднее значение 1500 вольт Но какое же сопротивление у разрядного промежутка? Мы его грубо оценим в 1 Ом, так как было замечено, что увеличение сопротивления токовода до 1 Ома уменьшает яркость искры. Теперь делаем расчёт.
 |
мегаватт. |
Может быть реальная величина отличается от этого результата, тем не менее порядок величины – миллион!
Подойдём к этому вопросу с другой стороны. По своему определению мощность – это работа за единицу времени. Так и поступим, предварительно вычислив энергию, которая расходуется на работу тока в разрядном промежутке.
3. Какова энергия, потраченная на искровой разряд? Это энергия электрического поля пьезоэлемента. Вычислим её по формуле:
Мы знаем, что ёмкость С равна 40 пФ, а напряжение U к началу пробоя 3000 вольт. Рассчитываем энергию W:
 |
микроджоулей. |
Этот результат ещё обсудим, а сейчас продолжим расчёт мощности. Нам не хватает продолжительности существования разряда. Определим это время как удвоенную постоянную времени RC-цепочки, когда напряжение на пьезоэлементе уменьшится на порядок.
наносекунды.
Разделив работу тока на время его протекания, получим следующее значение мощности:
киловатт.
Несмотря на определённый произвол в оценке данных результат получился такого же порядка величины.
4. Каков кпд пьезогенератора зажигалки? Полезная работа вычислена в предыдущем пункте, однако её надо взять на порядок больше, то есть 600 микроджоулей, так как при движении рычага зажигалка выдаёт до 10 искр. Затраченную работу вычислим как произведение хода клавиши (2см) на силу её сжатия. Сила линейно меняется от 0 до 5кГ. Её легко измерить с помощью бытового безмена. В расчёте следует взять среднее значение, 2,5кГ (25Н). Умножив 25Н на 0,02м получим 0,5 дж. Тогда кпд будет равен 1,2*10 -3
5. Сколько тепла выделяет искра? В нашем случае задача искры – поджечь газ. Не всякая искра может поджечь газ, хотя температура в канале разряда, судя по спектральному содержанию, видимо, мало отличается, будь то зажигалка или грозовая молния. Это, примерно, 10000 о К. Для поджига требуется некое критическое количество массы вещества, нагретого до температуры воспламенения, 2 – 3 тысячи градусов. Так, массы пламени спички явно недостаточно, чтобы разжечь костёр из крупных поленьев. В пункте 3 мы выяснили, что энергия искры порядка 60 микроджоулей. Посмотрим, на сколько повысится температура 1см 3 воды, если она получит 60 микроджоулей тепла. Теплоёмкость воды С=4.18 дж/грамм градус. Тогда повышение температуры составит:
,
четырнадцать миллионных долей градуса! На сколько же повысится температура такого же объёма воздуха? Его теплоёмкость 1дж/грамм градус. Масса 1см 3 почти равна 10 -3 г, один миллиграмм. Повышение температуры 1см 3 воздуха составит:
.
А кубического миллиметра? – на 60 о . Легко вычислить объём искрового канала, так как его температура известна, 10000 о К? Очевидно, его объём 0,006мм 3 . Площадь сечения разрядного промежутка при его длине 4мм – 0,0015мм 2 . Тогда диаметр канала (»толщина» искры) будет равен 44 микронам. Штангенциркулем не измерить. Плазма в разрядном промежутке, имея объём шесть тысячных кубического миллиметра, надёжно поджигает газовоздушную смесь. Если разрядный промежуток уменьшить вдвое, то легко определить, что в этом случае объём плазмы уменьшится в четыре раза и составит 15 десятитысячных кубического миллиметра. Такой объём плазмы не обеспечивает надёжного воспламенения. Если разрядный промежуток уменьшить ещё вдвое, то воспламенить газовоздушную смесь будет уже невозможно.
Источник высокого напряжения
Рассмотрим иную задачу, когда не требуется расходовать пьезоэлектрическую энергию на искрообразование, а ставится цель получить возможно более высокое напряжение. Какое же напряжение можно получить на электродах пьезоэлементов рассмотренных пьезогенераторов без образования разряда? Очевидно не более 15 киловольт, так как расстояние между электродами составляет 15 миллиметров, а электрическая прочность воздуха порядка 1 кВ/мм. Используя формулы (1) получим, что эта сила равна
.
Подставив значение ёмкости С, ( 40*10 -12 ), напряжения U и пьезомодуля , получим величину силы 2400 ньютонов или 240 кГ. Рычажный механизм обеспечивает действие такой силы при достаточно лёгком нажатии на приводное плечо. При этом величина продуцируемого заряда составит:
 |
микрокулон. |
На основе пьезогенератора, применяемого в пьезозажигалке, созданы два прибора, являющиеся источниками высокого напряжения, и нашли в этом качестве удачное применение. Они избражены на рис. 4. Слева на фотоизображении прибор для проверки свечей зажигания Тест-1м». Справа изображение прибора «Кристалл», применяемого для проверки указателей высокого напряжения. Он как бы имитирует линию высокого напряжения. . Для получения высокого напряжения Э.Л. Каган и В.В.Панченко предложили так называемый диполь-генератор, который включает в себя два пьезогенератора. Они соединены последовательно, но подвергаются действию одной и той же силы. Вследствие этого генератор обеспечивает удвоенное напряжение. Принципиальная схема диполь-генератора изображена на рис.5. При соблюдении полярности пьезоэлементов, как на
Рис.4. Приборы – источники высокого напряжения:
«Тест-1м», слева и «Кристалл», справа.
Какое преобразование энергии происходит в зажигалке
Вы здесь: zazhgu.ru Устройство зажигалок Пьезо
Пьезо
Подробности Просмотров: 2665
Устройство пьезозажигалки.
Принцип поджигания, основанный на пьезоэффекте (от греч. ?? – piezo – давлю). Это явление, открытое братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 г, заключается в том, что при сдавливании монокристаллов некоторых веществ на их гранях возникают электрические заряды. Такой монокристалл заменяет в конструкции зажигалки кремень.
Пьезоэлемент в зажигалке представляет собой маленький кристалл кварца, наделенный пьезоэлектрическими свойствами. Когда к кристаллу прилагается напряжение, кристаллическая решетка деформируется и меняются размеры кристалла. Это называется прямым пьезоэффектом. И, наоборот, при растяжении или сжатии кристалла кварца на его поверхности образуется напряжение. Этот явление называется обратным пьезоэффектом. Слабый удар по кристаллу кварца, разположенному в зажигалке, порождает напряжение в несколько сотен вольт. Так происходит электрический пробой, и между электродами проскакивает искра. Газ загорается.
К слову сказать, пеьезозажигалка — это наукоемкое изделие, детище высоких технологий второй половины ХХ века и является своего рода мини- электростанцией … на ладони. В самом деле, не чудо ли, когда нажатие пальца на клавишу силой всего 20-30 Н напрямую преобразуется в высокое напряжение 10-20 тысяч Вольт? Более того, это практически неиссякаемый источник энергии, срок службы пьезоэлементов такого механизма не менее 12 лет!
Эти зажигалки не нуждаются в источниках энергии или других расходных материалах (кроме газа конечно же).
Пьезоэлектричество генерируется в ходе инновационного процесса, в котором не используются стандартные электрические провода. Вместо этого искру получают при помощи естественных сил. Воспламенитель пьезо очень надежен.
Пьезоэлектричесво не использует электрические соединения, хотя во многих приборах для получения искры в определенном месте используют провода. Для воспламенения в таких приборах обычно нужно нажать на кнопку. Они достаточно эффективны, просты в использовании, прочны и требуют минимального ухода.
Пьезозажигалки, как правило, живут намного дольше зажигалок механических. Секрет их долголетия заключается в отсутствии трения элементов. Однако, если с пьезоэлементом что-то случилось, починить его вам не удастся. Никакая зачистка ему не поможет, «самодеятельность» убьет зажигалку окончательно. Заметим, однако, что выход из строя пьезоэлемента — явление очень редкое.
Кроме того, пьезозажигалкам не грозит утечка газа, что с кремневыми случается, к сожалению, нередко. Конечно, мы говорим здесь исключительно о качественных пьезозажигалках от надежных производителей, а не о продукции «черного» рынка.
Какое преобразование энергии происходит в зажигалке
Вы здесь: zazhgu.ru Устройство зажигалок
Классификация
Подробности Просмотров: 1511
Классификация современных зажигалок имеет два основных раздела: по используемому в устройстве топливу и по способу поджига. В первом случае все просто: зажигалки могут заправляться либо газом (сжиженный бутан или сжиженный пропан — пламя может достигать температуры от 800 до 1970 градусов цельсия), либо парами бензина ( пламя может достигать температуры от 1300 до 1400 градусов цельсия). В случае же со способами поджига вариантов больше. Распространены такие виды зажигалок, как:
- Кремниевыезажигалки (использование искрящего материала, кремния, посредством трения при механическом воздействии);
- Сенсорныезажигалки(при открытии крышки начинается подача газа и работа сенсорного механизма, при поднесении пальца к сенсору механизм дает искру);
- Электрическиезажигалки или зажигалки с электронной схемой поджига(принцип действия основан на циклическом замыкании и размыкании электроцепи искрообразующим стержнем под воздействием электромагнитного поля. Железосодержащий стержень замыкает цепь, включает электромагнит, который втягивает в себя стержень и тем самым размыкает цепь; затем стержень под действием пружины возвращается в исходное положение, и процесс повторяется. Образующаяся электрическая дуга поджигает газ.) Как подвид можно выделить зажигалки на батарейках (рассчитана на работу от одной или нескольких батареек, представляет собой импульсный преобразователь с повышающим трансформатором, даёт множество слабых искр, пока нажата кнопка. Существует также аналогичный вид зажигалок на аккумуляторах (с возможностью подзарядки от сети а также с подзарядкой от USB));
- Зажигалки пьезо (имеет в своей конструкции пьезоэлектрикэлемент, обладающий пьезоэлектрическим эффектом, при механическом воздействии продуцирует заряд и вырабатывает искру).
Кроме того зажигалки можно классифицировать во следующим видам:
— ну и все остальные.
Также зажигалки бывают карманные или настольные, одноразовые или многоразовые (с возможностью дозаправки)
Да и чуть не забыл, по типу пламени зажигалки делятся на те, у которых есть трубонадув, регулируемое пламя и обычные. Газ, в обычных зажигалках, выходит с верхнего клапана через рассекатель с маленькой скоростью и на его выходе смешивается с воздухом. В трубонадувных зажигалках, газ сначала проходит через специальную диафрагму в турбине, через очень маленькое отверстие с резким увеличением скорости. После этого, через боковые отверстия в турбине, он затягивает воздух и под сильным давлением попадает в формирователь пламени, который находится в верхней части турбины. Формирователь нужнее для придания пламени нужной формы. В некоторых турбозажикалках над турбиной устанавливают спираль из тугоплавкого металла, для более сильной ветроустойчивости. Эта спираль благодаря тепловой инерции накаляется и не дает гаснуть огню при сильном ветре.
Пьезо
Подробности Просмотров: 2665
Устройство пьезозажигалки.
Принцип поджигания, основанный на пьезоэффекте (от греч. ?? – piezo – давлю). Это явление, открытое братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 г, заключается в том, что при сдавливании монокристаллов некоторых веществ на их гранях возникают электрические заряды. Такой монокристалл заменяет в конструкции зажигалки кремень.
Пьезоэлемент в зажигалке представляет собой маленький кристалл кварца, наделенный пьезоэлектрическими свойствами. Когда к кристаллу прилагается напряжение, кристаллическая решетка деформируется и меняются размеры кристалла. Это называется прямым пьезоэффектом. И, наоборот, при растяжении или сжатии кристалла кварца на его поверхности образуется напряжение. Этот явление называется обратным пьезоэффектом. Слабый удар по кристаллу кварца, разположенному в зажигалке, порождает напряжение в несколько сотен вольт. Так происходит электрический пробой, и между электродами проскакивает искра. Газ загорается.
К слову сказать, пеьезозажигалка — это наукоемкое изделие, детище высоких технологий второй половины ХХ века и является своего рода мини- электростанцией … на ладони. В самом деле, не чудо ли, когда нажатие пальца на клавишу силой всего 20-30 Н напрямую преобразуется в высокое напряжение 10-20 тысяч Вольт? Более того, это практически неиссякаемый источник энергии, срок службы пьезоэлементов такого механизма не менее 12 лет!
Эти зажигалки не нуждаются в источниках энергии или других расходных материалах (кроме газа конечно же).
Пьезоэлектричество генерируется в ходе инновационного процесса, в котором не используются стандартные электрические провода. Вместо этого искру получают при помощи естественных сил. Воспламенитель пьезо очень надежен.
Пьезоэлектричесво не использует электрические соединения, хотя во многих приборах для получения искры в определенном месте используют провода. Для воспламенения в таких приборах обычно нужно нажать на кнопку. Они достаточно эффективны, просты в использовании, прочны и требуют минимального ухода.
Пьезозажигалки, как правило, живут намного дольше зажигалок механических. Секрет их долголетия заключается в отсутствии трения элементов. Однако, если с пьезоэлементом что-то случилось, починить его вам не удастся. Никакая зачистка ему не поможет, «самодеятельность» убьет зажигалку окончательно. Заметим, однако, что выход из строя пьезоэлемента — явление очень редкое.
Кроме того, пьезозажигалкам не грозит утечка газа, что с кремневыми случается, к сожалению, нередко. Конечно, мы говорим здесь исключительно о качественных пьезозажигалках от надежных производителей, а не о продукции «черного» рынка.
Катушки зажигания: энергия для рождения искр
Воспламенение топливно-воздушной смеси в камере сгорания бензинового двигателя производится с помощью искры, проскакивающей между электродами свечи. Электрический импульс, необходимый для возникновения искры, создается с помощью довольно простого устройства — катушки зажигания. Об этом компоненте системы зажигания пойдет речь в данной статье.
Назначение катушки зажигания
Воспламенение топливно-воздушной смеси в камере сгорания бензинового двигателя производится с помощью электрической искры, генерируемой свечой зажигания. Однако создать искру достаточной силы довольно трудно, ведь бензин в смеси с воздухом — это неплохой диэлектрик, и даже короткому искровому пробою в нем возникнуть нелегко. Решить задачу можно только подачей на свечу мощного электрического импульса с напряжением в десятки тысяч вольт. А где в автомобиле взять такое напряжение, пусть даже и на короткие доли секунды?
Эта проблема решается с помощью специального устройства — катушки зажигания, или бобины. Катушка зажигания — это компонент системы зажигания автомобиля, преобразующий постоянный ток низкого напряжения (6, 12 или 24 вольта в зависимости от типа транспортного средства) от аккумулятора или генератора в короткий электрический импульс с напряжением до 35 000 вольт. Импульс от катушки подается на свечу зажигания, в ее искровом промежутке возникает искра, чем достигается поставленная цель — воспламенение топливно-воздушной смеси.
На сегодняшний день катушки зажигания применяются практически на всех автомобилях с бензиновыми двигателями или с моторами, работающими на газе. Бобины с одинаковым успехом используются как в системах зажигания традиционных схем (контактных с трамблёром, бесконтактных на тиристорах), так и в современных электронных системах зажигания. Потому что более простого, надежного и эффективного способа создать высоковольтный электрический импульс не существует.
Катушка зажигания HYUNDAI Solaris (10-),i20,i30 KIA Ceed,Rio (11-) (1.4/1.6) OE
Катушка зажигания ГАЗ-3302,УАЗ ЕВРО-3 на свечу СОАТЭ
Катушка зажигания HYUNDAI Creta (16-),Elantra (11-),i40 (11-),Tucson (15-) (1.8/2.0) OE
Катушка зажигания OPEL Astra J (10-) MEGAPOWER
Катушка зажигания HYUNDAI Solaris (10-),i20,i30 KIA Ceed,Rio (11-) (1.4/1.6) MEGAPOWER
Катушка зажигания ВАЗ-1118,2110,2170 (дв.16V) СОАТЭ
Катушка зажигания VW AUDI SEAT SKODA (1.2/1.4/1.6) (16V/FSI/TSI/TFSI) BOSCH
Катушка зажигания ЛАДА Largus RENAULT Logan (1.4/1.6) (16кл.) MEGAPOWER
Катушка зажигания HYUNDAI KIA Ceed (13-) OE
Катушка зажигания PEUGEOT 206,307,406,407,807 CITROEN C4,C5,C8,Xsara MEGAPOWER
Устройство и принцип действия катушки зажигания
Катушка имеет довольно простое устройство. В ней имеется две цилиндрических обмотки: первичная, содержащая 100-150 витков провода большого сечения, и вторичная, содержащая несколько тысяч витков (до 30 000) провода малого сечения. Причем витки первичной обмотки расположены поверх витков вторичной обмотки. Внутри обмоток находится металлический сердечник.
Вся эта конструкция помещена в цилиндрический корпус из диэлектрика, крышка корпуса выполнена несъемной, а внутренний объем обычно заполнен трансформаторным маслом (оно обеспечивает охлаждение катушек во время работы). На крышке находится несколько контактов (обычно три): центральная клемма, с которой снимается высокое напряжение, и две боковых клеммы, на которые подается ток низкого напряжения.
В основе работы катушки зажигания лежит явление электромагнитной индукции. В сущности, катушка — это повышающий трансформатор, на первичную обмотку которого подается ток низкого напряжения, а со вторичной снимается ток высокого напряжения. Но в катушке, в отличие от обычных трансформаторов, производится преобразование коротких импульсов электрического тока, и на выходе, соответственно, также получаются электрические импульсы.
Однако, как известно, трансформатор может работать только с переменным током, а в автомобилях используется ток постоянный. Мало того, через первичную обмотку катушки также протекает постоянный ток, а значит, во вторичной обмотке ток возникнуть не может. Нет ли здесь противоречия? На самом деле все просто: катушка зажигания работает совместно с прерывателем — устройством, которое обеспечивает пульсацию постоянного тока, и подает на первичную обмотку достаточно короткие электрические импульсы. Импульс, проходя по первичной обмотке, за счет электромагнитной индукции также возбуждает во вторичной обмотке импульс. Причем пиковое напряжение электрического импульса во вторичной обмотке будет во столько же раз больше напряжения в первичной обмотке, во сколько больше витков во вторичной обмотке по отношению к первичной.
Важно отметить, что преобразование тока происходит именно в момент размыкания прерывателя, то есть — в момент отсоединения первичной обмотки катушки от аккумулятора или генератора. Напряжение в этот момент падает не моментально, а в течение некоторого (очень короткого) промежутка времени, и за это время во вторичной обмотке, за счет изменения тока в первичной обмотке, индуцируется ток высокого напряжения — этот импульс и подается на свечу зажигания.
Так как в катушке действует закон сохранения, то мощность тока во вторичной обмотке почти равна (на деле — чуть меньше) мощности тока в первичной обмотке. Это значит, что электрический импульс на выходе имеет высокое напряжение, но малый ток, а в первичной обмотке все ровно наоборот. Именно поэтому первичная обмотка выполняется из провода большого сечения (так как по ней протекают токи в десятки ампер), а вторичная обмотка — из очень тонкого провода (токи во вторичной обмотке не превышают единицы микроампер).
Часто в катушках зажигания предусмотрено добавочное сопротивление (резистор), включенное последовательно с первичной обмоткой. Этот резистор изготавливается из сплава, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры: при нагревании сопротивление увеличивается, при охлаждении — уменьшается. Добавочное сопротивление необходимо для защиты катушки на малых оборотах двигателя.
Дело в том, что при малых оборотах через первичную обмотку катушки постоянный ток проходит на протяжении довольно длительного времени, а это приводит к усиленному нагреву провода и негативно сказывается на сердечнике. Поэтому на малых оборотах резистор нагревается, его сопротивление повышается, а это приводит к снижению тока в первичной обмотке — так исключается перегрев. При повышении оборотов температура падает, сопротивление резистора снижается, и через первичную обмотку проходит более высокий ток. Во время запуска двигателя сопротивление шунтируется (то есть, замыкается проводом), и не оказывает влияния на систему зажигания.
Классификация и схемы подключения катушек зажигания
Все катушки зажигания устроены одинаково, однако существует несколько схем включения катушек в систему зажигания, и катушки, используемые в каждой схеме, имеют свои особенности. Всего можно выделить три типа катушек зажигания:
— Общая;
— Индивидуальная;
— Сдвоенная (двухвыводная или двухискровая), и ее вариант — четырехвыводная катушка.
Общая катушка зажигания. Это наиболее простой и исторически первый вариант. При такой схеме в автомобиле есть только одна катушка зажигания, вырабатываемые ею высоковольтные импульсы распределяются по свечам зажигания с помощью трамблёра или иного распределительного устройства. Данная схема широко применяется в контактной, бесконтактной и электронной системах зажигания.
Индивидуальная катушка зажигания. Это современный вариант, который находит все большее применение. В данной схеме в паре с каждой свечой зажигания работает своя катушка, чем достигается наилучшее согласование фаз газораспределения и воспламенения горючей смеси. Индивидуальные катушки конструктивно отличаются от общих, но принцип действия их одинаков. Данные катушки применяются в электронной системе зажигания. Часто такие катушки называют катушками карандашного типа (COP).
Сдвоенные (двухискровые) катушки зажигания. Как понятно из названия, эти катушки сдвоены, они позволяют получить сразу две искры в двух цилиндрах. Данные катушки иногда используются в двухтактных мотоциклетных и двухцилиндровых двигателях, такое решение позволяет избавиться от трамблёра и значительно упросить систему зажигания. Существует вариант сдвоенной катушки — счетверенная, она позволяет получить сразу четыре искры. В системах зажигания со сдвоенными (и с четверенными) катушками искры синхронно образуются в обоих цилиндрах, однако воспламенение горючей смеси происходит только в одном из них, так как второй в этот момент находится в НМТ, и воспламеняться там просто нечему.
Признаки неисправности катушки зажигания
Катушка является одним из основных компонентов системы зажигания, поэтому ее выход из строя сразу сказывается на работе двигателя. Наиболее часто поломка катушек проявляется следующим образом:
— В двигателях с общей катушкой — сложный запуск двигателя, нестабильная работа двигателя (пропуски зажигания);
— В двигателях с индивидуальными катушками — «троение» двигателя, пропуски зажигания в каком-либо из цилиндров;
— В двигателях со сдвоенными катушками — «троение», пропуски зажигания сразу в двух цилиндрах, работающих от одной катушки.
В современных двигателях, оснащенных системой самодиагностики, при неисправности катушки зажигания на приборной панели загорается индикатор «Check engine». В этом случае сканером можно легко определить код неисправности, и выяснить, какая именно катушка вышла из строя.
Однако данные признаки могут говорить о неисправности любых других компонентов системы зажигания, топливной системы и цилиндропоршневой группы. В частности, пропуски зажигания могут возникать из-за неисправностей свечей зажигания, высоковольтных проводов и трамблёра, а также из-за отсутствия необходимой степени компрессии в цилиндре. В инжекторных двигателях проблемы могут возникать из-за загрязнения или выхода из строя топливных форсунок.
Поэтому при возникновении неполадок в работе двигателя необходимо произвести диагностику катушек зажигания. В двигателях, не оснащенных системой самодиагностики, можно выполнить несколько простых действий:
— Выявить неисправную катушку — на работающем двигателе попеременно отсоединять высоковольтные провода от свечей зажигания. Если после снятия колпачка со свечи двигатель начинает работать хуже, то катушка данной свечи исправна, если же после снятия колпачка работа мотора не изменилась проблема в катушке данной свечи;
— Проверить сопротивление обмоток катушки. В рабочей катушке сопротивление первичной обмотки лежит в пределах 3-3,5 Ом, вторичной обмотки — в пределах 5-9 кОм. Слишком низкое сопротивление обмотки, особенно вторичной, свидетельствует о коротком замыкании внутри катушки. Имеет смысл проверять сопротивление всех катушек, так выявить неисправную катушку проще всего;
— Проверить свечу зажигания и высоковольтный провод, чтобы убедиться, что проблема заключается именно в катушке зажигания.
Неисправную катушку зажигания необходимо заменить, так как длительная работа двигателя с такой катушкой чревата различными проблемами, в том числе повышенным расходом топлива, повышенными вибрациями и даже повреждением каталитического нейтрализатора. Заменить катушку в большинстве моторов, особенно на российских автомобилях, несложно и не составит труда автомобилисту.
Другие статьи
29 Июня 2023 Пила циркулярная электрическая: быстрая и качественная резка древесины
Для распиловки древесины самое широкое распространение получил простой механизированный инструмент — циркулярная пила. Все о том, что такое циркулярная (дисковая) пила, каких типов бывает этот инструмент, как он устроен и работает, а также о правильном подборе и эксплуатации пил — читайте в статье.
22 Июня 2023 АКБ: подбор, установка, эксплуатация, техника безопасности
Выбор, замена и обслуживание автомобильного аккумулятора — дело несложное, но требующее определенных знаний и навыков. Вопросы правильного побора АКБ для транспортного средства, его монтажа, правильной и безопасной эксплуатации, а также его технического обслуживания подробно рассмотрены в материале.
15 Июня 2023 АКБ: типы, устройство и принцип работы аккумуляторов
Одной из основ электросистем современных автомобилей и иной техники являются источники постоянного тока для работы электростартеров — аккумуляторные батареи. Все об аккумуляторных батареях (АКБ), их существующих сегодня типах, конструкции и заложенных в основе их работы принципах — читайте в статье.
8 Июня 2023 Маяк проблесковый: свет предупреждает об опасности
Многие транспортные средства оснащаются специальными светосигнальными устройствами для привлечения внимания и предупреждения об опасности — проблесковыми маяками. О том, что такое проблесковый маяк, как он устроен и работает, а также о правилах его применения, покупке и установке — читайте в статье.
30 Ноября 2022 MEGAPOWER: фильтруем лишнее
Фильтры для легковых автомобилей MEGAPOWER — качественные расходники по оптимальной цене.
25 Августа 2022 Пистолет для подкачки шин с манометром: накачка шин для любителей и профессионалов
Одна из самых частых операций по обслуживанию автомобиля — подкачка шин. Для удобства выполнения этой работы созданы специальные приспособления — пистолеты для подкачки шин с манометром. Все об этих пистолетах, их типах, устройстве, характеристиках и применяемости подробно рассказано в данной статье.
11 Августа 2022 Нагнетатель смазки (солидолонагнетатель): незаменимое оборудование для заправки механизмов консистентной смазкой
Многие узлы автотракторной, сельскохозяйственной и иной техники, а также станков и разнообразного оборудования требуют регулярного наполнения консистентными смазками высокой вязкости. Наиболее эффективно эта работа выполняется специальными нагнетателями смазки, о которых подробно рассказано в статье.