Automatyczny wyłącznik rozrusznika z czujnikiem Halla

Po ponad 13 latach bezproblemowego użytkowania automatycznego wyłącznika rozrusznika wykorzystującego kontaktron i przekaźnik, okazało się, że jest to bardzo przydatna rzecz, szczególnie przy współpracy z przyciskiem "start-stop". Postanowiłem zmienić to rozwiązanie na nieco bardziej eleganckie i nowocześniejsze z wykorzystaniem czujnika Halla.

Poprzedni układ opisany tutaj:
https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=2869284#2869284
W tym linku jest też dokładny opis zjawisk zachodzących w czasie rozruchu silnika spalinowego. Te zjawiska są takie same w przypadku tego "nowego" układu.

W nowym układzie nie ma żadnych elementów elektromechanicznych, układ jest prosty pod względem elektrycznym, jednak całość pod względem wykonania mechanicznego wymaga dużo większej precyzji.
Wszystkie podstawowe elementy: płytka montażowa, magnetowód, obudowa, a szczególnie wycięcia w obudowie na przewód do rozrusznika, wymagają całego szeregu pasowań wzajemnego usytuowania, każde kolejne pasowanie wynika z poprzedniego, pasowania powinny być lepsze niż 0,5 mm.
Dokładne wykonanie elementów skutkuje tym, że można później bez problemów zdemontować/rozmontować wszystko, następnie ponownie zmontować bez konieczności jakichkolwiek regulacji.

Wszystkie elementy konstrukcyjne za wyjątkiem magnetowodu powinny być wykonane z materiałów obojętnych magnetycznie. Tylko magnetowód jest ferromagnetykiem, wykonany został z odpowiednio uformowanych pasków, blaszek z miękkiej stali.

Automatyczny wyłącznik pokazany na Rys.1 wyłącza rozrusznik dokładnie w chwili, gdy silnik samochodu zaczyna pracować, pomimo tego, że wyłącznik w stacyjce jest jeszcze w pozycji rozruchu.



Włączenie zasilania (stacyjka w pozycji rozruchu) powoduje ładowanie kondensatora C1 przez rezystor R1 oraz diodę D1 i dodatkowo rezystor R4.
Stała czasowa tych elementów wynosi około 0,2 sek. Kondensator C1 „stanowi zwarcie” (ładując się przewodzi prąd), bramka tranzystora T1 podłączona do masy przez diodę D1 i ładujący się kondensator C1, tranzystor T1 przewodzi, zostaje włączony elektromagnes rozrusznika, i swoim stykiem włączy rozrusznik na czas około 0,2 sek. Jest to czas nie wystarczający do uruchomienia silnika samochodu, ale w zupełności wystarczający do włączenia rozrusznika.
Bardzo duży prąd pobierany przez rozrusznik w chwili włączenia oraz kręcenia wału korbowego wytwarza wokół przewodu zasilającego pole magnetyczne. Na przewodzie zasilającym rozrusznik jest zamontowany magnetowód w postaci dwóch stalowych blaszek. W szczelinie magnetowodu umieszczony czujnik Halla (układ scalony US1). Duże pole magnetyczne wokół przewodu w czasie rozruchu powoduje przewodzenie tranzystora T wewnątrz czujnika Halla, przewodzący tranzystor T podtrzymuje przewodzenie tranzystora T1 zwierając jego bramkę przez rezystor R2 do masy. Jednocześnie dioda D1 zostaje zatkana, a kondensator C1 doładowuje się do pełnego ładunku przez rezystor R4 i "tworzy przerwę" (zakończone ładowanie oznacza brak przepływu prądu). Gdy po pewnym czasie np. 1,5 sekundy silnik samochodu zostanie uruchomiony, rozrusznik zaczyna pracować na biegu jałowym, jego pobór prądu gwałtownie maleje, maleje pole magnetyczne wokół przewodu, tranzystor T w czujniku Halla przestaje przewodzić, tranzystor T1 też przestaje przewodzić, bo jego bramka odłączona od masy, naładowany kondensator C1 nie ma wpływu na układ ("stanowi przerwę"), rozrusznik wyłączony pomimo tego, że stacyjka znajduje się w pozycji rozruchu.

Po wyłączeniu zasilania kluczykiem (styk R), kondensator C1 szybko rozładowuje się przez diodę D2 oraz rezystory R4 i R3, układ gotowy do ponownego cyklu rozruchu.

Bezpiecznik B1, to pozostawione 3 druciki w przewodzie połączeniowym do nóżki 1 układu US1. Zabezpieczenie ma się przepalić w przypadku uszkodzenia układu US1 gdyż jego zasilanie (nóżka 1), jest podłączone bezpośrednio do akumulatora.

Rezystancja cewki elektromagnesu zmierzona omomierzem wynosi 1,3Ω, (samochód Skoda Octavia 2.0), prąd płynący przez tranzystor T1 nie przekracza 10A (dopuszczalny prąd tranzystora 74A), czas rozruchu silnika z reguły nie trwa dłużej niż 1 do 2 sekund, tranzystor nie grzeje się, jest zamontowany bez radiatora.
Dioda D3 zabezpiecza tranzystor T1 przed uszkodzeniem w chwili przerwania prądu płynącego przez cewkę elektromagnesu.

Automatyczny wyłącznik rozrusznika podłącza się w przecięcie przewodu biegnącego do elektromagnesu rozrusznika za pomocą złączy konektorowych K1 i K2, dodatkowo masa, K3.
W przypadku awarii wyłącznika lub nieco "nie sprawnego", przerywającego silnika, można wrócić do stanu poprzedniego łącząc ze sobą konektory K1a i K1b. Wtedy można kręcić rozrusznikiem aż do skutku (do chwili usunięcia usterki silnika).

Wykonanie magnetowodu. Układ pomiarowy.

Układ scalony US1 (TLE4905L) zawiera w sobie czujnik Halla, przerzutnik Szmitta, oraz tranzystor wyjściowy/wykonawczy z otwartym kolektorem. Jest to poprostu przełącznik sterowany polem magnetycznym. Gdy znajdzie się w polu magnetycznym o właściwym kierunku (jest to czujnik unipolarny), po przekroczeniu pewnej wartości pola magnetycznego tranzystor na wyjściu przewodzi.
Nie ma możliwości regulacji czułości na drodze elektronicznej i dlatego regulację czułości "automatycznego wyłącznika rozrusznika" w oparciu o czujnik TLE4905L trzeba wykonać przez regulację rezystancji obwodu magnetycznego, czyli poprostu przez odpowiedni dobór długości blaszek magnetowodu zamontowanego na przewodzie zasilającym rozrusznik.
Tu pojawia się zaleta kontaktronu. Wyprowadzenia kontaktronu są wykonane z materiału ferromagnetycznego, wystarczy zagięcie końcówek wokół przewodu zasilającego rozrusznik, i mamy magnetowód, nie potrzebna budowa dodatkowego magnetowodu. W przypadku czujnika TLE4905L potrzebny specjalny magnetowód, gdyż niema on takiego "udogodnienia" w postaci ferromagnetycznych wyprowadzeń.
Trzeba wykonać próbny magnetowód i skorzystać z układu pomiarowego pokazanego na Rys.3.

Konstrukcja próbnego magnetowodu i układ pomiarowy do optymalnego doboru długości blaszek magnetowodu są pokazane na Rys.3, oraz na fotografiach.



Paski z miękkiej cynowanej blachy stalowej o grubości 0,4 mm i szerokości 4,5 mm (np. z puszki po konserwie) są przylutowane do klamry z drutu miedzianego o średnicy 1,5 mm w kształcie spłaszczonego U. Odpowiednio wyginając klamrę, należy uzyskać szczelinę nabiegunników (około 1,5 mm) taką, aby włożony/wciśnięty czujnik TLE 4905L stabilnie się trzymał, nie wypadał ze szczeliny. Dłuższe końce pasków uformować na szablonie imitującym kabel w ten sposób, aby blaszki ściśle przylegały do szablonu na około 2/3 długości obwodu, końce pasków zagiąć prostopadle do osi kabla/szablonu. Prostopadle do osi zagięte końce nie biorą udziału w skupianiu linii sił pola magnetycznego (bardzo mały wpływ, mogą być tymczasowo nieco dłuższe), a znakomicie ułatwiają włożenie magnetowodu na kabel i magnetowód stabilnie utrzymuje się na kablu, wykorzystując sprężystość blaszek.

Założyć próbny magnetowód na przewód rozrusznika, dbając o prawidłowe ustawienie czujnika względem kierunku linii sił pola magnetycznego wokół przewodu. Kierunek linii sił określa się za pomocą "reguły korkociągu" lub "wkręcanej śruby" (prawoskrętnej). Grot strzałki linii sił pola magnetycznego powinien wchodzić w płaską część korpusu/obudowy czujnika TLE4905L. Podłączyć zasilanie, najlepiej do gniazda zapalniczki i dokonać kilka rozruchów silnika. Gdy magnetowód jest prawidłowo dobrany, dioda LED powinna świecić w czasie kręcenia wału korbowego rozrusznikiem i zgasnąć w chwili, gdy silnik zacznie pracować.
Gdy dioda nie gaśnie, zbyt duża czułość, należy skrócić czynną długość blaszek. Gdy dioda mruga w czasie kręcenia wału, zbyt mała czułość, należy wydłużyć czynną długość blaszek.
Blaszki bardzo łatwo dają się formować szczypcami, nie ma kłopotu z dobraniem właściwej długości, tolerancja jest dość duża. Po właściwym dobraniu skrócić zagięte końce do długości 3÷4 mm.

Właściwy magnetowód należy wykonać "na obraz i podobieństwo" próbnego. Najlepiej to zrobić w następujący sposób.
W odpowiednim miejscu w płytce montażowej wyciąć/wypiłować prostokątny otwór o takich wymiarach, aby z trudem można było wcisnąć paski z blaszek z preszpanową przekładką dystansową o grubości 1,5 mm. Taki wciśnięty "pakiet" trzyma się mocno i można bez przeszkód dopasować i przylutować do blaszek i do druku na płytce wzmocnienia z miedzianego drutu. Wyciągnąć przekładkę dystansową i za pomocą szablonu uformować "okrągłą" część magnetowodu porównując wymiary do magnetowodu próbnego.

Silniki i rozruszniki mogą być różne i różny pobór prądu przez rozrusznik. Gdyby okazało się, że długość blaszek wypada zbyt długa, co utrudni wkładanie i zdejmowanie z kabla, bo blaszki będą się odkształcać. W takim przypadku blaszki powinny być szersze np. 5÷6 mm, a nabiegunniki pozostawione takie same (4,5 mm). Linie sił pola magnetycznego zbierane z kabla ulegną zagęszczeniu w szczelinie, pole magnetyczne w szczelinie wzrośnie.

Obudowę i wszystkie szczegóły konstrukcyjne pokazuje Rys.4. Dolna część obudowy wykonana z aluminiowej blachy o grubości 1 mm, pokrywka też z aluminiowej blachy, ale o grubości 0,6 mm. Blacha pochodzi z kubków ekranujących moduły telewizora nieco starszej generacji.



Aluminium bardzo dobrze się obrabia, ścianki dolnej części oraz pokrywki można bardzo dobrze spasować ze sobą przez lekkie wyklepywanie zagięć na prostopadłościennym klocku drewnianym wkręconym w imadło.
Szczególną uwagę należy zwrócić na dokładne wykonanie wycięć na kabel w bokach obudowy i pokrywki.
Przy pomocy szablonu kabla (średnica 12 mm) wyciąć/wypiłować w dolnej części obudowy wgłębienia po obu stronach w ten sposób, aby szablon znalazł się w odległości 1mm od płytki. Blaszki magnetowodu powinny ściśle obejmować szablon po włożeniu, szablon powinien płynnie wchodzić i wychodzić bez trwałego odkształcania blaszek.
Następnie wyciąć wgłębienia w pokrywce z zachowaniem wymiarów A i B.
Kolejną czynnością będzie powiększenie wycięć pod elastyczne przepusty kabla.
W moim przypadku zastosowałem karbowaną rurkę o wewnętrznej średnicy 12 mm, peszel "przecięty wzdłuż", i wgłębienia trzeba było poszerzyć z każdej strony tylko o 0,5 mm.
W przypadku innych przepustów gumowych będzie to odpowiednio więcej.
Zachowanie wymiarów A i B pozwoli na zaciśnięcie obudowy na kablu nakrętkami motylkowymi. Poluzowanie nakrętek pozwala na obracanie i przesuwanie pudełka w dogodne miejsce.