آپدیت 1402/05/04

اجزای الکترونیکی مدار جرقه؛ نقش ترانزیستور، خازن و سیم‌پیچ در احتراق

سیستم جرقه خودرو در کنار سیستم سوخت‌رسانی، دو رکن اصلی مدیریت موتور (EMS) به شمار می‌روند؛ از این رو شناخت دقیق عملکرد این مدارات برای درک بهتر احتراق ضروری است. پیش‌تر در مقاله انواع سیستم جرقه، این سیستم را از دیدگاه‌های متداول دسته‌بندی کردیم. در این مقاله، رویکردی فنی‌تر خواهیم داشت و این دسته‌بندی را از دریچه اجزا الکترونیکی و نقش المان‌های نیمه‌هادی در مدیریت جرقه بررسی خواهیم کرد.

سیستم جرقه خودرو و اجزا الکترونیکی آن؛ از فرمان تا اجرا

هنگامی که صحبت از سیستم‌های الکترونیکی می‌شود به‌صورت ناخودآگاه ذهن به سمت یونیت‌ها، سنسورها و به‌صورت کلی ساختارهای مدیریتی و کنترلی الکترونیکی سوق پیدا می‌کند. سیستم‌های جرقه مگنتی، سیستم‌های جرقه اثر هال، سیستم‌های جرقه کنترل هوشمند از دست مجموعه‌ها هستند. اما اجزا ساده‌تر و اصلی‌تری هم وجود دارند که معمولاً به فراموشی سپرده می‌شوند. شکل 1 این اجزای به‌ظاهر ساده اما مهم را نشان می‌دهد.

شکل 1- اجزا اصلی الکترونیکی سیستم جرقه خودرو

اجزا پرکاربرد الکترونیکی شامل خازن، مقاومت و سیم پیچ از عناصر جدایی ناپذیر سیستم الکترونیکی خودرو می‌باشند. در حوزه خودرو نیز با توجه به رشد فزاینده سیستم‌های مکاترونیکی، از سیستم‌های الکترونیکی و نتیجتا المان‌های پرکاربرد الکترونیکی به شدت استفاده می شود. سیستم جرقه بر اساس تغییرات ولتاژ کار میکنند همکاری این سه المان خازن، مقاومت و سیم پیچ نقش بسیار مهمی( و در واقع اصلی) در توسعه عملکرد سیستم‌های جرقه دارند به عبارت ساده‌تر ساده‌ترین سیستم جرقه خودرو نیز دارای این سه عضو بنیادین هستند.

سیم‌پیچ (Inductor)؛ قلب تپنده تولید ولتاژ بالا

این المان که از سیم پیچ کردن مقدار مشخصی از سیم روکش دار ساخته می شود وظیفه ذخیره سازی انرژی جنبشی الکتریکی را بر عهده دارد. کویل دارای دو دست سیم پیچ است، یک سیم پیچ اولیه و دیگری سیم پیچ ثانویه،که عملکرد آن در مقاله‌های کویل و کویل دوبل به صورت کامل تشریح شده است.

1- هسته آهنی 2- سیم پیج اولیه 3- سیم پیچ ثانویه
شکل 2- نمونه استفاده از سیم‌پیچ در کویل سیستم جرقه خودرو

معادل سیم‌پیچ در سیستم‌های مکانیکی جرم است بدین معنا که همان گونه که جرم انرژی جنبشی را ذخیره می‌کند، سیم‌پیچ نیز انرژی جنبشی الکتریکی را ذخیره می‌کند بنابراین به صورت کلی برای افزایش انرژی الکتریکی با کمک سیم پیچ‌های اولیه و ثانویه (ترانسفورماتور) ، میزان انرژی الکتریکی برای ایجاد جرقه در شمع فراهم میشود و طبیعتاً همانطوری که نمی‌توان انرژی جنبشی جرمی را به طور آنی به صفر رسانید امکان به صفر رسانیدن انرژی جنبشی سیم‌پیچ هم بسیار سخت است و امکان آسیب رسانیدن به اجزا الکترونیکی متصل به سیم‌پیچ وجود دارد.

جالب است بدانید که در بسیاری از سیستم‌های جرقه الکترونیکی، از یک سیم‌پیچ کوچک مخصوص برای تولید پالس‌های زمانی استفاده می‌شود. این قطعه که به سنسور دور موتور یا پیک‌آپ معروف است، اساس کار سیستم جرقه الکترونیکی مگنتی یا القایی را تشکیل می‌دهد که در آن ولتاژ بدون تماس فیزیکی و تنها از طریق القای مغناطیسی تولید می‌شود.

خازن (Capacitor)؛ از حذف نویز تا تقویت پایداری مدار

همان طور که نمی‌توان انرژی جنبشی جرمی را به طور آنی به صفر رسانید امکان به صفر رسانیدن انرژی جنبشی سیم‌پیچ هم بسیار سخت است و امکان آسیب رسانیدن به اجزا الکترونیکی متصل به سیم‌پیچ وجود دارد. به همین دلیل برای مدیریت بهتر این انرزی از عضو بعدی یعنی خازن استفاده می شود. این واحد از دو صفحه رسانا تشکیل شده است که توسط نارسانایی از یکدیگر عایق‌بندی‌شده است و توانایی ذخیره‌سازی بارهای الکتریکی را دارا است. شکل 2 نمونه‌ای از خازن مورداستفاده در سیستم جرقه خودرو را نشان می‌دهد.

شکل 3- نمونه‌های از خازن مورداستفاده در سیستم جرقه خودرو

معادل خازن در سیستم‌های مکانیکی فنر است. یعنی همانگونه که فنر ذخیره ساز انرژی پتانیسل است، خازن نیز انرژی پتانسیل الکتریکی را ذخیره می‌کند. هر زمانی که نیروی ذخیره شده در فنر از نیروی وارد بر آن کمتر شود، انرژی فنر شروع به آزادسازی می‌کند. برای خازن نیز همین موضوع صادق است یعنی اگر ولتاژ اعمالی به خازن از سطح ولتاژ ذخیره شده در آن کمتر شود، خازن بار الکتریکی ذخیره شده را به سیستم الکتریکی باز می‌گرداند. شکل 4 اثر خازن در منحنی سیم پیچ اولیه و ثانویه را نشان می‌دهد.

A: منحنی سیم‌پیچ اولیه B: منحنی سیم‌پیچ ثانویه
1- اثر خازن در سیستم جرقه خودرو
شکل 4- تأثیر وجود خازن در سیستم جرقه خودرو

یکی از دقیق‌ترین این سنسورها که بر پایه تکنولوژی نیمه‌هادی ساخته شده، سیستم جرقه زنی اثر هال است. این سنسور برخلاف مدل‌های مگنتی، سیگنالی کاملاً دیجیتال و مربعی تولید می‌کند که خطای محاسباتی ECU را به حداقل می‌رساند

مقاومت (Resistor)؛ کنترل شدت جریان و محافظت از قطعات حساس

یکی دیگر از بخش‌های مهم در عملکرد سیستم جرقه خودرو میزان مقاومت در مدار است. شاید این المان به‌صورت یک واحد فیزیکی مشاهده نشود؛ اما اجزا بکار رفته در این سیستم می‌تواند مقاومت لازم در مدار را ایجاد کنند این المان وظیفه تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی گرمایی را بر عهده دارد. در سیستم جرقه خودرو هر بخشی از مدار می‌تواند این وظیفه را بر عهده داشته باشد. اما اصلی‌ترین اعضایی که این کار را انجام می‌دهند. شمع و وایر شمع هستند. شکل 5 این دو عضو را نشان می‌دهد.

شکل 5- اجزا اصلی ایجادکننده مقاومت الکتریکی در سیستم جرقه خودرو

معادل این المان در سیستم‌های مکانیکی کمک‌فنر یا مستهلک‌کننده است. در کمک‌فنر انرژی جنبشی جرم یا پتانسیل فنر از طریق اعمال فشار به روغن داخل کمک‌فنر و عبور روغن از مجاری کوچک به گرما تبدیل می‌شود. به عبارتی مقاومت انرژی الکتریکی را به گرما تبدیل می‌کند و کمک‌فنر انرژی مکانیکی را به گرما تبدیل می‌کند.درصورتی‌که مقاومت مدار در سیستم جرقه خودرو (مخصوصاً) مدار ولتاژ بالا آن کمتر از حد استاندارد باشد سبب ایجاد پارازیت در سایر سیستم‌ها خواهد شد. توجه کنید مقاومت مناسب در مدار می‌تواند دلیل مناسبی برای انتخاب و تطبیق وایر شمع با شمع باشد.

در صورت توجه به خاصیت اجزا مهم الکترونیکی در سیستم جرقه خودرو بسیاری از دلایل و مشکلات موجود در این سامانه مهم موتور قابل تشخیص خواهد بود. در مقاله های بعدی روش عیب یابی سیستم جرقه خودرو تشریح خواهد شد.

نویسنده: مهندس بهروز خطیبی