miércoles, 28 de octubre de 2009

Sistema de Encendido

Sistemas de encendido


El encendido electrónico sin contactos también llamado "encendido transistor izado"

Con la introducción de la electrónica en los sistemas de encendido convencionales (con "ayuda electrónica") solo faltaba dar un paso y sustituir el sistema mecánico que supone el ruptor, siempre sometido a desgastes y a los inconvenientes debidos al rebote de los contactos a altos regímenes del motor que producen fallos de encendido en el motor. En el encendido convencional mediante bobina, el numero de chispas suministradas esta limitado a unas 18000 por minuto y en el encendido con ayuda electrónica a unas 21000. A partir de aquí sobreviene el consabido rebote de contactos, por lo que estos tipos de encendido, sobre todo en motores de altas prestaciones están limitados. Además el ruptor esta sometido a desgastes en su accionamiento, como es el desgaste de la fibra sobre la que actúa la leva que abre y cierra los contactos. El desgaste de esta pieza implica un desfase del punto de encendido y variación del ángulo Dwell, lo que obliga a reajustar la separación de los contactos periódicamente, con los consiguientes gastos de mantenimiento que ello supone.

La estructura básica de un sistema de encendido electrónico (figura de la derecha), donde se ve que la corriente que atraviesa el primario de la bobina es controlada por un transistor (T), que a su vez esta controlado por un circuito electrónico, cuyos impulsos de mando determinan la conducción o bloqueo del transistor. Un generador de impulsos (G) es capaz de crear señales eléctricas en función de la velocidad de giro del distribuidor que son enviadas al formador de impulsos, donde debidamente conformadas sirven para la señal de mando del transistor de conmutación. El funcionamiento de este circuito consiste en poner la base de transistor de conmutación a masa por medio del circuito electrónico que lo acompaña, entonces el transistor conduce, pasando la corriente del primario de la bobina por la unión emisor-colector del mismo transistor. En el instante en el que uno de los cilindros del motor tenga que recibir la chispa de alta tensión, el generador G crea un impulso de tensión que es enviado al circuito electrónico, el cual lo aplica a la base del transistor, cortando la corriente del primario de la bobina y se genera así en el secundario de la bobina la alta tensión que hace saltar la chispa en la bujía. Pasado este instante, la base del transistor es puesta nuevamente a masa por lo que se repite el ciclo.

Un encendido electrónico esta compuesto básicamente por una etapa de potencia con transistor de conmutación y un circuito electrónico formador y amplificador de impulsos alojados en la centralita de encendido (4), al que se conecta un generador de impulsos situado dentro del distribuidor de encendido (4). El ruptor en el distribuidor es sustituido por un dispositivo estático (generador de impulsos), es decir sin partes mecánicas sujetas a desgaste. El elemento censor detecta el movimiento del eje del distribuidor generando una señal eléctrica capaz de ser utilizada posteriormente para comandar el transistor que pilota el primario de la bobina. Las otras funciones del encendido quedan inmóviles conservando la bobina (2), el distribuidor con su sistema de avance centrífugo y sus correcciones por depresión.

En el encendido electrónico o llamado también transistor izado ha sido utilizado mayoritariamente por los constructores de automóviles debido a su sencillez, prestaciones y fiabilidad. Este tipo de encendido se llama comúnmente "breakerless" utilizando una palabra inglesa que significa sin ruptor.
Teniendo en cuenta el tipo de captador o censor utilizado en el distribuidor se pueden diferenciar dos tipos de encendido electrónico:
- Encendido electrónico con generador de impulsos de inducción. BOSCH lo denomina TZ-I otros fabricantes lo denominan TSZ-I.
- Encendido electrónico con generador Hall. BOSCH lo denomina TZ-H.

El generador de impulsos de inducción
Es uno de los mas utilizados en los sistemas de encendido electrónicos. Esta instalado en la cabeza del distribuidor sustituyendo al ruptor, la señal eléctrica que genera se envía a la unidad electrónica (centralita) que gestiona el corte de la corriente de el bobinado primario de la bobina, para generar la alta tensión que se manda a las bujías.
El generador de impulsos esta constituido por una rueda de aspas llamada "rotor", de acero magnético, que produce durante su rotación una variación del flujo magnético del imán permanente que induce de esta forma una tensión en la bobina que se hace llegar a la unidad electrónica. El imán permanente, el arrollamiento de inducción y el núcleo del generador de inducción componen una unidad constructiva compacta, "el estator". La rueda tiene tantas aspas como cilindros tiene el motor y a medida que se acerca cada una de ellas a la bobina de inducción, la tensión va subiendo cada vez con mas rapidez hasta alcanzar su valor máximo cuando la bobina y el aspa estén frente a frente (+V). Al alejarse el aspa siguiendo el giro, la tensión cambia muy rápidamente y alcanza su valor negativo máximo (-V).
El valor de la tensión (V) depende de la velocidad de giro del motor: aproximadamente 0,5 V a bajas revoluciones y cerca de 10 V a altas revoluciones. En este cambio de tensión se produce el encendido y el impulso así originado en el distribuidor se hace llegar a la unidad electrónica. Cuando las aspas de la rueda no están enfrentadas a la bobina de inducción no se produce el encendido.


Principio de funcionamiento

Como hemos dicho anteriormente el generador de impulsos se encuentra situado en el distribuidor en el mismo lugar en el que se encontraba el ruptor. Exteriormente, solo el cable de dos hilos que se enchufa al distribuidor revela que se trata de un generador de impulsos inductivo. El distribuidor utilizado en este sistema de encendido como en los utilizados en los encendido convencionales, la variación del punto de encendido se obtiene mecánicamente, mediante un dispositivo de avance por fuerza centrifuga y otro por depresión o vacío. Los dispositivos de avance al punto de encendido siempre funcionan desplazando el punto de encendido en sentido de avance. El corrector por depresión realiza una variación suplementaria del punto de encendido. En algunos regímenes de funcionamiento del motor, por ejemplo al ralentí o al régimen de freno motor la combustión de la mezcla es particularmente mala y la concentración de sustancias tóxicas en los gases de escape es entonces más elevada que lo normal. Para mejorar esta combustión, una corrección del encendido en el sentido de retraso será necesaria en muchos casos; esta se realiza mediante un segundo corrector de avance por depresión.

Uno de los tipos de distribuidor utilizado en este sistema de encendido es el que esta compuesto por una rueda de aspas o disparadora (Trigger wheel) que hace de rotor y funciona como la leva de los distribuidores para encendidos convencionales y un generador de impulsos que hace las veces de ruptor y que detecta cada vez que pasa una de los salientes del rotor. El generador de impulsos esta fijado en el plato que era antes porta-ruptor. En la figura se muestra el esquema de esta disposición, donde el imán permanente (1) crea su flujo magnético en el entrehierro (2) que afecta a la bobina (3), de tal forma, que las variaciones del entrehierro producidas con el giro del rotor (4) cada vez que se enfrentan los salientes del rotor, producen variaciones del flujo que afectan a la bobina, creándose en ella impulsos de tensión, que son enviados a la centralita de encendido.
Para ver un esquema completo de un distribuidor (Trigger wheel) pulsa en la figura de la derecha.

Como se ve en distribuidor de la figura (derecha), la estructura del generador de impulsos no tiene mucho que ver con el estudiado anteriormente de forma teórica aunque su principio de funcionamiento sea el mismo. El núcleo ligeramente magnético del arrollamiento inductivo tiene la forma de un disco, llamado "disco polar" (3). El disco polar lleva en su parte exterior el dentado del estator dirigido hacia arriba. Correspondientemente el dentado del rotor (9) esta dirigido hacia abajo.
La rueda generadora de impulsos, comparable a la leva del encendido del ruptor, va montada fija en el eje hueco ("4" figura inferior), el cual rodea el eje del distribuidor ("3" figura inferior). El numero de dientes de la rueda del generador y del disco polar coincide por regla general con el con el numero de cilindros del motor.
Entre los dientes fijos y móviles hay, en oposición directa, una distancia aproximada de 0,5 Mm.

La unidad de control o centralita electrónica de encendido (también llamada "amplificador" en muchos manuales) recibe los impulsos eléctricos que le envía el generador de impulsos desde el distribuidor, esta centralita esta dividida en tres etapas fundamentales como son:
- modulador de impulsos
- mando de ángulo de cierre
- estabilizador
El modulador de impulsos transforma la señal de tensión alterna que le llega del generador de inducción, en una señal de onda cuadrada de longitud e intensidad adecuadas para el gobierno de la corriente primaria y el instante de corte de la misma. Estas magnitudes (longitud e intensidad de impulsos), son independientes de la velocidad de rotación del motor.
El estabilizador tiene la misión de mantener la tensión de alimentación lo mas constante posible. El mando del ángulo de cierre varia la duración de los impulsos de la señal conformada de onda cuadrada en función de la velocidad de rotación del motor.


En la figura superior se muestra la transformación que sufre la señal del generador de inducción una vez que entra en la centralita y como es adecuada en las diferentes etapas de la misma para mas tarde salir y alimentar al primario de la bobina y así provocar el encendido. La tensión alterna que se crea en el generador de impulsos es enviada a la unidad de control (centralita) donde el modulador 2a, que es un circuito electrónico multivibrador, la transforma en una onda cuadrada, adecuada para el gobierno de la corriente primaria. Esta señal de onda cuadrada pasa a continuación al circuito electrónico 2b de mando del ángulo de cierre, que realiza una modificación de la longitud de los impulsos, adaptándolos a la velocidad de rotación del motor para así poder gobernar el ángulo de cierre, es decir, para poder adecuar el tiempo de conducción del primario de la bobina al régimen de giro del motor, de manera que en cualquier condición de funcionamiento, se alcance siempre el valor máximo de la corriente primaria y se obtenga la saturación magnética, lo cual se logra haciendo que el instante de comienzo del paso de corriente por el arrollamiento primario se adelante en el tiempo a medida que aumenta el régimen de giro del motor, en lo que se conoce como ángulo de cierre variable. Seguidamente, la señal pasa a la etapa de excitación 2c, que amplifica los impulsos y los adapta para el gobierno posterior por medio de un transistor Darlington en la etapa de potencia 2d, que es la encargada de cortar o dar paso a la corriente primaria para que se produzca la alta tensión en el secundario de la bobina.
Las unidades de control de estos sistemas de encendido están construidas casi exclusivamente en técnica híbrida, por lo que ofrecen gran densidad de integración con reducido peso y buena fiabilidad.
En algunos sistemas de encendido, la unidad de control se acopla al mismo distribuidor, fijan doce a el mediante tornillos en el exterior de la carcasa como se ve en la figura inferior, lo cual facilita el conexionado del generador de impulsos del distribuidor con la centralita de encendido.


En la figura superior se aprecia el esquema eléctrico de la unidad de control, en el se ven de manera simplificada la etapa de entrada, indicada por tres cuadrados (6a, 6b, 6c), la etapa de amplificación (6d), y la etapa de salida (6e) constituida por un montaje Darlington.

Generador de impulsos de efecto Hall
El otro sistema de encendido electrónico utilizado, es el que dispone como generador de impulsos el llamado de "efecto Hall". El funcionamiento del generador de impulsos de "efecto Hall" se basa en crear una barrera magnética para interrumpirla periódicamente, esto genera una señal eléctrica que se envía a la centralita electrónica que determina el punto de encendido.
En el distribuidor se dispone el generador de efecto Hall que esta compuesto por una tambor obturador (1) de material diamagnético, solidario al eje del distribuidor de encendido, con tantas ranuras como cilindros tenga el motor. El tambor obturador, en su giro, se interpone entre un cristal semiconductor alimentado por corriente continua y un electroimán. Cuando la parte metálica de pantalla (2) se sitúa entre el semiconductor y el electroimán, el campo magnético de este ultimo es desviado y cuando entre ambos se sitúa la ranura del semiconductor, recibe el campo magnético del imán y se genera el "efecto Hall".
Cuando el motor gira, el obturador va abriendo y cerrando el campo magnético Hall generando una señal de onda cuadrada que va directamente al modulo de encendido.
El censor Hall esta alimentado directamente por la unidad de control a una tensión de 7,5 V aproximadamente.

La unidad de control tiene la misión de hacer conducir o interrumpir el paso de corriente por el transistor de potencia o lo que es lo mismo dar paso o cortar la corriente a través del primario de la bobina de encendido; pero además también efectúa otras funciones sobre la señal del primario de la bobina como son:

1.- Limitación de corriente:
Debido a que este tipo de encendidos utilizan una bobina con una resistencia del arrollamiento primario muy bajo (valores inferiores a 1 ohmio) que permite que el tiempo de carga y descarga de la bobina sea muy reducido: pero presentando el inconveniente de que a bajos regímenes la corriente puede llegar hasta 15 A lo cual podría dañar la bobina y la centralita. Para evitar esto la unidad de control incorpora un circuito que se encarga de controlar la intensidad del primario a un máximo de 6 A.

2.- Regulación del tiempo de cierre:
La gran variación de tiempo entre dos chispas sucesivas a altas y bajas revoluciones hace que los tiempos de carga sean a la vez muy dispares produciendo tiempos de saturación de la bobina de encendido excesivos en algunos casos y energía insuficiente en otros.
Para evitar esto el modulo incorpora un circuito de control que actúa en base a la saturación del transistor Darlington para ajustar el tiempo de cierre el régimen del motor.

Como la regulación del ángulo de cierre y la limitación de la corriente dependen directamente de la corriente primaria y del tiempo, se regulan los efectos de las variaciones de tensión de la batería y los de la temperatura u otras tolerancias de la bobina de encendido. Esto hace que este sistema de encendido sea especialmente adecuado para los arranques en frío. Puesto que, debido a la forma del señal Hall puede fluir corriente primaria estando parado el motor y conectado el conmutador de encendido y arranque, las unidades de control están dotadas de una conexión adicional capaz de desconectar después de algún tiempo esa "corriente de reposo".
Las unidades de control utilizadas en este tipo de encendido al igual que las utilizadas en encendido con generador inductivo están construidos en técnica híbrida. Esto permite agrupar en un solo elemento por ejemplo la bobina de encendido y la unidad de control o la unidad de control junto con el distribuidor. Debido a la potencia de perdida que aparece en la unidad de control y la bobina de encendido, es necesaria una refrigeración suficiente y un buen contacto térmico con la carrocería. La unidad de control de este sistema de encendido es similar al del generador de impulsos de inducción. La figura inferior muestra su esquema eléctrico de conexiones, donde se aprecia que dispone de tres etapas funcionales: la de potencia (6c) que incluye el transistor Darlington que comanda el primario de la bobina de encendido, la etapa moduladora y amplificadora (6b) de los impulsos y la etapa estabilizadora (6a) de la tensión.
El generador de impulsos se conecta en este caso con la unidad de control por medio de tres hilos conductores (como se ve en el esquema de la figura), que permiten alimentar de corriente el circuito Hall (bornes + y -) y transmitir las señales de mando a la unidad de control (borne o).


En la figura inferior se presenta un esquema de encendido electrónico por transistores. Consta de tres etapas que vienen determinadas por los bloques de captación de impulsos, de preamplificación y de
amplificación de potencia. Su funcionamiento es el siguiente:
Cuando la rueda generadora de impulsos se encuentra en posición neutra, sin alimentar la base de T1, ocurre que el transistor de potencia (T4) está pasante ya que la corriente le llega a través de la resistencia R1 y le proporciona polarización positiva de base, con lo que la corriente principal lo atraviesa desde +BAT a masa dando una buena alimentación al arrollamiento primario de la bobina de encendido. Por otra parte, en el circuito preamplificador, la entrada de corriente por la línea positiva +BAT alimenta la base del transistor T2 a través de las resistencias R2 y R3. Esta polarización positiva de la base permite el paso de la corriente desde R4 y R6 a masa. En estas condiciones el condensador C1 se carga pero permanece inactivo mientras no haya cambio en el flujo de la corriente principal de T2.
Cuando se percibe una señal procedente de la sonda del generador de impulsos que circula hacia la base del transistor T1, polarizándolo positivamente a través de la resistencia R8, este transistor se vuelve conductor y acapara el paso de la corriente desde R2 hasta R5; la base de T2 se queda sin corriente y T2 sebloquea. Esta situación se hace sensible en C1, el cual sufre una descarga positiva que alimenta la base de T3. Ello establece el paso de la corriente desde R1 a -BAT de modo que la base de T4 se queda ahora polarizada negativamente. Como consecuencia de ello se bloquea T4 y la corriente que alimentaba el arrollamiento primario de la bobina se queda sin corriente. Es el momento de la inducción y del inmediato salto de la chispa en la bujía. Cuando el impulso de base del transistor T1 cesa, se vuelve a la situación inicial y la bobina vuelve a tener masa a través del transistor T4. Este ciclo se reproduce constantemente durante el estado de funcionamiento del dispositivo.
En el segundo esquema inferior tenemos otro tipo de esquema para encendido electrónico.

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