DCC modely, Elektro MM

Autor: Ing. Jiří Němeček – U starších vozidel se často vyskytují problémy s elektroinstalací. Ať již jde o všemožně korodující kontakty, unavenéspoje vodičů či závady v elektronických obvodech, vždy je nutno závadu včas odstranit a to často nebývá snadné,natož levné. Popisované zařízení slouží jako náhrada řídící jednotky motocyklu Honda CBX 550, vyráběnéhov osmdesátých letech. Lze však předpokládat, že s malými úpravami by jej bylo možno použít i u strojů jinýchvýrobců. Zároveň bych v tomto článku chtěl přiblížit činnost celého systému zapalování.

 Obecně platí, že elektronika ve vozidlech bývá ohrožována mnoha faktory. Vlhkost, výkyvy pracovních teplot, kolísání napájecího napětí, vibrace a rušení od silových obvodů – to jsou pouze některé z nich. Ačkoli bývají elektronické obvody do tohoto nehostinného prostředí navrhovány se zvýšenou pozorností, zub času je nemilosrdný. V případě mého motocyklu došlo k selhání jednotky, která řídí zapalování. Závada se projevovala tak, že motor chvílemi běžel na dva ze čtyř válců. Zpočátku jsem vše sváděl na navlhlé svíčky, neboť po ohřátí motoru bylo vše v pořádku. Jednoho krásného dne se však ani po vysušení svíček motor neumravnil, bylo proto třeba závadu hledat jinde. Po zběžném ohledání jsem zjistil, že napájecí napětí a spoje jsou v pořádku, a že celý systém zapalování je rozdělen do dvou okruhů, jeden okruh pro dva válce. Postupným kombinováním různých částí zapalovacího systému jsem jednoznačně určil původce problému – byla jím černá krabička se dvěma konektory.
    Počáteční naději ve mně vzbudil fakt, že skříňka nebyla ničím zalita a po odšroubování víčka se objevil poměrně jednoduchý plošný spoj. Po jeho vyjmutí se však naděje na možnou opravu rozplynula – jeden IO v neobvyklém pouzdře bez označení a jakýsi hybridní obvod na keramické destičce. Nezbylo než vše očistit, pečlivě propájet spoje a modlit se, aby tato oprava stačila. Nestačila, po jejím provedení se navíc odmlčel i okruh, který předtím fungoval.

Koupi nové jednotky jsem díky její vysoké ceně rovnou zavrhl. Na českém trhu se dají sehnat různé repliky, jejich ceny se však také pohybují v řádech tisíců korun a po nepříliš dobrých zkušenostech s jedním z jejich výrobců jsem se nakonec rozhodl, že se pokusím zapalovací jednotku sám zkonstruovat.

Popis zapalovacího systému:
   Nejprve bylo nutné zjistit, co vlastně ona černá skříňka dělá. Po rozpletení kabelových svazků jsem došel k názoru, že tři vodiče z ní vedou kamsi do motoru, nejspíše ke snímači polohy klikového hřídele. Další dva vodiče vedly k VN cívkám a zbylé dva byly napájecí. Situaci znázorňuje obr. 1.
    Snímač polohy klikového hřídele je tvořen dvěma cívkami a permanentním magnetem, který do nich indukuje úzké napěťové impulsy, které při protáčení motoru startérem dosahují amplitudy asi 1,5V. Přibližné průběhy napětí jsou na obr. 2, kde HÚ značí horní úvrať příslušného pístu.

Je zřejmé, že jednotka musí na impuls ze snímače zareagovat tím, že rozepne výstupní výkonový tranzistor, čímž přeruší napájení VN cívky. V té se naindukuje napětí, potřebné k přeskočení jiskry a zapálení benzínové směsi.
    Sestrojil jsem proto ve dvou vyhotovení jednoduchý tranzistorový monostabilní klopný obvod (MKO), který po přivedení kladného impulsu na vstup požadovanou funkci realizoval. Po připojení do motocyklu a několika pokusech motor neochotně naskočil, měl však problémy s udržením volnoběžných otáček – vše nasvědčovalo tomu, že směs je zapalována s příliš velkým předstihem před horní úvratí pístu. Tento částečný úspěch mne inspiroval k dalšímu experimentování. Zhotovil jsem proto jiný MKO, který reagoval na záporné impulsy. S touto verzí motor naskočil okamžitě, ale ve vyšších otáčkách rapidně ztrácel výkon – příznak příliš nízkého předstihu.
    Bylo tedy jasné, co zapalovací jednotka musí dělat – při nízkých otáčkách reagovat na záporné impulsy ze snímačů, při vyšších naopak na kladné. Optimální hranice leží zhruba na 3000ot/min. Sestrojil jsem tedy poměrně komplikovaný tranzistorový obvod, který dané požadavky splňoval. Zatímco jsem si mnul ruce nad zdařeným dílem, vyskytl se jiný problém. Aby bylo možné sladit časování obou okruhů zapalování, bylo nutné spínat buzení zapalovacích cívek na poměrně dlouhou dobu, což vedlo k tomu, že zapalovací systém odebíral neúměrně mnoho proudu, téměř 10A, a to už „neutáhl“ alternátor. Po několika pokusech a ladění parametrů jsem nakonec došel k závěru, že přes diskrétní tranzistory schůdná cesta nevede. Sáhl jsem proto po osvědčeném mikrokontroléru PIC.

Schéma zapojení je na obr. 3. Napěťové impulzy ze snímačů jsou přivedeny na vstupy J1 a J3. Kondenzátory C1 a C2 slouží k odstranění rušení, které se může indukovat do přívodních vodičů. Jejich kapacita není kritická, řádově 1nF. Kombinace R1-D1-D2 a R2-D3-D4 zajišťuje omezení velikosti vstupních impulzů. Dělič, složený z rezistorů R3-R6, určuje nastavení napěťových úrovní pro komparátory U3. Na výstupech těchto komparátorů jsou již signály úrovně TTL, které informují mikroprocesor o tom, z kterého snímače impulz přišel a jakou měl polaritu. Na základě této informace procesor reaguje a spíná či rozpíná výkonový obvod, jímž jsou buzeny VN cívky. Celý obvod je napájen z jednoduchého zdroje, který pravděpodobně nepotřebuje další komentář – viz obr. 4.
      Volba součástek byla do velké míry podřízena šuplíkovým zásobám. Komparátor je běžný čtyřnásobný, pozor však na zapojení pouzdra. Je shodné, jako u čtyřnásobných OZ. Jako výstupní tranzistory jsem použil jakési neoznačené FETy, které jsem kdysi vydlabal ze spínaného zdroje. Na jejich místě by vyhověl jakýkoli FET pro napětí asi 500V a proud alespoň 3A. D6 a D7 chrání FETy před napěťovým přetížením, vhodné spínací napětí je asi 300V. Na jejich místě nelze použít běžné ZD, kterou jsou příliš pomalé. V prototypu jsem tuto ochranu nepoužil vůbec, neboť napětí na tranzistorech ani tak nepřesahovalo 250V, ale jistota je jistota.

Konstrukce: 
Celý obvod je sestaven na desce plošných spojů, jejíž rozměry jsou určeny především rozměry krabičky původní jednotky. Použitím této krabičky se vyhneme jakýmkoli zásahům do konstrukce motocyklu, což je výhodné. Poměrně stísněná montáž si vyžádala oboustranný plošný spoj, který však lze bez větších problémů vyrobit i doma, třeba trubičkovým perem. Výkresy plošných spojů a osazovací plán jsou na obr. 5, 6 a 7. Samotná konstrukce nevykazuje žádné záludnosti, pokud však nemáme plošný spoj s prokovenými otvory, je třeba dávat zvláštní pozor při pájení. Rozměrnější součástky je po zapájení vhodné mechanicky fixovat, např. tavným lepidlem, případně celou desku zalít vhodnou pryskyřicí. V souvislosti s tím bych chtěl pouze varovat před levnými pryskyřicemi, určenými pro výrobu sklolaminátů – jejich tepelná roztažnost bývá často vysoká a hrozí např. rozdrcením skleněných pouzder miniaturních diod.

Řídící program: 
  Spínání výstupních tranzistorů se děje podle jednoduchého algoritmu – jakmile přijde ze snímače impuls, dojde k rozepnutí výstupního tranzistoru v příslušné větvi a k sepnutí tranzistoru ve větvi druhé, viz obr. 8. To, zda k přepnutí dojde při kladném, či záporném pulsu, určuje nastavitelný časovací obvod.
Přiznávám, že použití takto primitivního algoritmu není úplně ideální a výkonný mikroprocesor degraduje na několik klopných obvodů, pro funkci celého zařízení však dokonale postačuje a těm, kteří mají dostatek času a chuti, dává spoustu prostoru k experimentování. Rychlý mikroprocesor umožňuje realizaci dalších funkcí, jako např. plynulé řízení předstihu zážehu v závislosti na otáčkách, ladění výkonových křivek a podobně, to však daleko překračuje účel této konstrukce. Vše je pouze otázkou řídícího programu. Neodpustil jsem si jen malé vylepšení. Jakmile ze snímačů několik sekund nepřichází impulsy, rozepnou oba výstupní tranzistory. Lze tak mít zapnuté zapalování i při zhasnutém motoru, bez rizika vybití akumulátoru či přehřátí VN cívek.

Závěr: 
  Popsané zapojení již několik let bezchybně plní svoji funkci. Nutno podotknouti, že se v podstatě jedná o prototyp, který se natolik osvědčil, že na něm již nebyly prováděny žádné úpravy. Mnoha vylepšení by se zajisté dosáhlo použitím složitějších algoritmů spínání, to však již nechávám na fantazii případných zájemců o stavbu. Funkční zdrojový kód či další informace rád poskytnu na jirry@centrum.cz.

———————————————————————————————