Распределенное сопротивление. Определение распределенных сопротивлений движению ленты. Ценностные аспекты отбора документов в фонд универсальной научной библиотеки

Требования

Одна из важнейших задач, стоящих перед производителями современных автомобилей, состоит в том, чтобы совместить повышение эффективности двигателя и снижение расхода топлива. Современная битва за экологию, выраженная во введении евростандартов, также оказала колоссальное влияние на развитие новых технологий в автомобиле, в том числе конструкции зажигания. Внедрение электронного управления зажиганием привело к увеличению мощности электрического импульса, что улучшает сгорание топлива и необходимо для контроля за выбросом СО 2 в выхлопных газах.

Применение новых подходов в производстве высоковольтных проводов обусловлено целым рядом требований. Высоковольтные провода должны сохранять рабочие характеристики в условиях увеличения средней температуры подкапотного пространства из-за установки все большего количества оборудования. С установкой турбин и каталитических нейтрализаторов эти показатели стали еще более значительными. Провода должны обладать безупречной влагонепроницаемостью, стойкостью к воздействию химических веществ (тормозная жидкость, электролит, масло, топливо, антифриз), обладать достаточной механической прочностью (для растяжения при снятии и вибрации во время работы), быть эластичными (для правильной укладки, исходя из геометрии двигателя).

Основной функцией высоковольтных проводов (ВВП) в системе зажигания является передача необходимого тока к свече зажигания с минимальными потерями. Однако параллельно с увеличением количества бортового электрооборудования во избежание помех при его работе стало необходимым учитывать также электромагнитную совместимость (ЭМС).

Сначала борьба с помехами велась в пользу радио- и телеаппаратуры. И закон, предусматривающий оснащение высоковольтных проводов механизмом подавления помех, был принят в Европе еще в 1957 г. Сегодня электромагнитные помехи - опасное явление: помехи могут вмешаться в работу блока управления подушками безопасности или ABS.

Электромагнитная совместимость (ЭМС) - параметр работы электрооборудования, который должен обеспечивать подавление электромагнитных помех - EMI (англ. - ElectroMagnetic Interference) и радиочастотных помех - RFI (англ. - Radio Frequency Interference). В системе зажигания при возникновении и передаче тока создаются электромагнитные поля. К моменту каждого отделения искры на средних электродах свечи зажигания интенсивность полей значительно повышается, в проводе возникают мощные пики напряжения. Это негативно влияет на работу радиоприемника, мобильного телефона и бортовой электроники. Для стабильной работы автомобильных электронных систем возникает необходимость удерживать интенсивность этих полей на безопасном уровне. ВВП снабжаются электрическими сопротивлениями, которые ограничивают пики напряжения при отрыве искры и при разряде катушки зажигания. Регулируется международным стандартом EHK 10.00-02.

Исходя из критериев ЭМС, нулевое сопротивление проводов больше не является идеальным, так как создает помехи для работы электрооборудования. ВВП рекомендуются для определенной системы зажигания с позиции мощности искрообразования, так как значительное увеличение сопротивления означает потери в силе разряда. Непредусмотренное чрезмерное сопротивление ВВП влечет за собой ухудшение сгорания и повышенное потребление топлива, позднее зажигание и «тупость» мотора. При неблагоприятных условиях двигатель может даже не завестись. Поэтому ВВП с высоким распределенным сопротивлением не рекомендуется использовать, например, для систем зажигания ВАЗ.

Европейские стандарты к производству высоковольтных проводов регулируются в ISO 3808 и ISO 6856 (для экранированных проводов). Также производственные стандарты описаны в спецификации J2031 Сообщества автомобильных инженеров (SAE). Требования европейских стандартов (переутверждены в 2002 г.) являются более прогрессивными, чем ГОСТ 14867-79, принятый еще в советские времена. Поэтому рассмотрим требования к ВВП на основах евронорм.

ВВП должны сохранять свои токопроводящие свойства в условиях агрессивной подкапотной среды (влияние паров топлива, ГСМ), а также озонирования и перепада температур. Высоковольтные провода подразделяются на шесть классов, в зависимости от предельных рабочих температур (табл. 1). Требования к минимальным значениям изначально рассчитываются, исходя из умеренного европейского климата. Стандартные испытания большинства европейских производителей подразумевают диапазон рабочих температур от -30 до +105/120°С. Считается, что пуск и работа двигателя при более низкой температуре являются пагубными для двигателя в целом. Так как условия российской эксплуатации нередко значительно более суровы, рекомендуются классы с подходящими характеристиками.

Таблица 1. Классы проводов по DIN-ISO 3808

Класс проводов
Temp max, °C ±2
Temp min, °C ±3

Устройство проводов

Основными элементами высоковольтных проводов являются токопроводящая жила, защитные слои изоляции, контакты и защитные колпачки.

Тип проводов различают, исходя из материала, исполнения токопроводящей жилы (сердечника) и его сопротивления (табл. 2). Приведем более расширенную, нежели в прошлом номере, классификацию проводов в соответствии с международной практикой. Обычно выделяют четыре основных типа современных высоковольтных проводов: 1 - с медным сердечником, 2 - с другим металлическим сердечником, 3А и 3В - с неметаллическим сердечником и распределенным сопротивлением (А - низким, В - высоким), 4 - с неметаллическим сердечником и индуктивным реактивным сопротивлением.

Таблица 2. Типы проводов и сопротивление

Тип провода
Проводник	медный многожильный	другие металлы, многожильный	неметаллический с распределенным сопротивлением		неметаллический с индуктивным реактивным сопротивлением
Сопротивление			от 3000 Ω/м до 9000 Ω/м	от 9000 Ω/м до 23 000 Ω/м	номинальное сопротивление ±20 %

1, 2 - ВВП с медным сердечником (или из других металлов)

Как правило, многожильные. Были повсеместно распространены в системах зажигания «классического» образца. Применяются в качестве первичного оснащения во многих отечественных автомобилях. Для увеличения коррозионной стойкости медные провода зачастую обрабатывают оловом (путем лужения).

Медные провода имеют так называемое «нулевое» сопротивление (порядка 0,02 Ом/м), что обеспечивает передачу энергии практически без потерь. Однако для стабильной работы автомобильной электроники такие провода нуждаются в дополнительных помехоподавляющих резисторах, которые размещают в наконечниках. Сопротивление провода с резистором имеет величину от 1 до 6,5 кОм.

Нужен ли резистор в свечах, если он установлен в ВВП? В электронных системах зажигания мощность искры выше, чем общее сопротивление цепи от катушки до свечи. Поэтому сопротивление свечей не отразится на работе двигателя. В контактных системах зажигания помехи подавляются в ВВП и бегунке распределителя. Установка свечей с резистором отразится на работе двигателя в сложных условиях (пониженный заряд АКБ, подгоревшие контакты, пр.) и может привести к пробоям зажигания.

3А, 3В - ВВП с неметаллическим сердечником и распределенным сопротивлением

Благодаря распределенному сопротивлению по всей длине провода не требуют установки резисторов. Различают ВВП типа 3А - с малым распределенным сопротивлением, от 3 до 9 кОм/м (для отечественных автомобилей может быть и меньше 3 кОм), и типа 3В - с большим распределенным сопротивлением, от 9 до 40 кОм/м, для автомобилей с повышенными требованиями ЭМС.

Токопроводящая жила может изготавливаться из различных материалов: хлопчатобумажной пряжи, пропитанной сажевым раствором, различных полимерных материалов, стекловолокна с графитовой пропиткой. Пропитка применяется для улучшения токопроводимости. Для придания большей прочности на растяжение армируется углеродной или другой оплеткой.

4 - ВВП с неметаллическим сердечником и индуктивным реактивным сопротивлением

Сердечник изготовлен из стекловолокна, пропитанного графитом, льняной нити или кевлара (сверхпрочное синтетическое волокно). Поверх токопроводящей жилы находится проводящий слой из ферропласта (металлонаполненная электропроводящая пластмасса), вокруг которого намотана проволока из нержавеющей стали.

Так же как в катушке, здесь возникает индуктивное напряжение (электромагнетизм). В таких проводах при изменении тока образуется изменяющееся магнитное поле. Возникает явление самоиндукции, препятствующее изменению тока. Это явление обозначается как «реактивная энергия», а индуктивное сопротивление - как «реактанс». Сопротивление таких проводов колеблется в зависимости от частоты вращения двигателя. Один метр такого кабеля, как правило, имеет помехоподавляющий резистор от 1,8 до 2,2 кОм.

Неисправности: нарушение проводимости тока может происходить из-за обрыва сердечника или в местах плохого соединения контактов. Обрыв сердечника наступает вследствие механического повреждения или из-за потери эксплуатационных свойств. Работа системы зажигания с такой неисправностью может привести к пробою высоковольтной изоляции, а также к выходу из строя коммутатора.

Медная токопроводящая жила может быть подвержена окислению. Углеродная токопроводящая жила, исчерпав свой ресурс, выгорает внутри изоляции, продолжая проводить ток через пути наименьшего сопротивления - оплетку, пропитку или слой поверхностных загрязнений.

Диагностика: важно учитывать, что сопротивление провода возрастает с выработкой ресурса, старением, загрязнением силиконового проводника, окислением контактов или установкой слишком длинного провода. Увеличение сопротивления или повреждение провода одного из цилиндров влияет на искрообразование только этого цилиндра, неисправность центрального провода - отражается на всех цилиндрах.

Сопоставить значение сопротивления можно с помощью измерения мультиметра. Так же обнаруживается возможный обрыв сердечника. Для этого необходимо настроить его на 20 кОм. Допустимые значения проводов: медного - от 1 до 6,5 кОм, с распределенным сопротивлением - из-за разной длины проводов следует умножать на коэффициент. Отличия показателей от сопротивления, указанного на изоляции, должны быть небольшими.

Для проводов с обвивкой токопроводящей жилы этот способ некорректен, так как при работе на разных режимах двигателя величина их сопротивления меняется. Это обусловлено конструктивными особенностями.

Переход на другой тип проводов . При замене кабеля со свечным колпачком на резистивный провод без наконечника необходимо подобрать длину последнего таким образом, чтобы общее сопротивление осталось неизменным, - измерить данный параметр можно с помощью стандартного мультиметра. Есть и другой способ оценки сопротивления, правда точность его оставляет желать лучшего: если после замены проводов зажигания автомагнитола стала обеспечивать худшее качество звука, то почти наверняка сопротивления недостаточно и именно из-за этого возникают помехи.

Изоляция проводов

Изоляция препятствует утечкам тока и обеспечивает сохранность сердечника от механических повреждений, воздействия агрессивной среды в подкапотном пространстве. Одним из наиболее важных критериев ВВП является значение пробивного тока - максимальная величина, при которой провода сохраняют токопроводимость. Эти значения по ISO 3808 составляют: для 5-мм провода - 25 кВ, для 7-мм и 8-мм провода - 35 кВ.

Изоляция должна обладать стойкостью к таким условиям: атмосферным явлениям и озону, влаге, ГСМ, испарениям топлива, высоким и низким температурам.
Из-за двойной функции изоляции покрытие диэлектрическими материалами зачастую делают многослойным: внутренний слой препятствует утечкам тока, внешний обеспечивает защиту от агрессивной среды. В условиях больших температурных колебаний немаловажным фактором является также пластичность изоляционных материалов. Это имеет существенное значение для правильной укладки проводов в случае переустановки. Бывалые автолюбители наверняка помнят ВВП советского автопрома, которые со временем буквально «застывали» в одном положении. Во избежание подобных явлений в современной изоляции применяются стойкие к температурным амплитудам комбинированные слои эластичных пластиков и резины. Для увеличения механической прочности изоляции применяются армирующие оплетки, выполненные из ткани, стеклоткани, хлопчатобумажных волокон, капрона или полимеров.
В зависимости от качеств изоляционных материалов провода классифицируются по соответствующим категориям DIN-ISO 3808 (табл. 1). Выбор изоляции производителем неслучаен и зависит от условий работы в моторном отсеке. На это влияют компоновка двигателя, наличие турбины, каталитического нейтрализатора (температура которого может достигать порядка 500-600°С) и величина энергии, посылаемой от катушки к свече. Наиболее распространенными изоляционными материалами являются:

PCV (ПВХ) - полихлорвинил или подобные сочетания. Применяется в основном в бюджетных версиях ВВП. Относится к классам A и B (табл. 1).
EPDM - этилен-пропиленовый каучук. Также могут использоваться другие вариации эластомеров, резины. Обладает отличной устойчивостью к агрессивным средам и хорошими диэлектрическими свойствами. Рабочие характеристики превосходят ПВХ, относится к классам С и D (табл. 1).
Силикон. Впервые в высоковольтных проводах был применен в авиации. Обладает непревзойденными свойствами изоляции проводов от утечки тока и внешних воздействий. Плюсом силикона является также сохранение эластичности даже при низких температурах. Рекомендован производителями для работы в самых сложных условиях (в т.ч. на сжиженном газе). Понятие «полностью силиконовые провода» означает применение силикона (или неметаллических синтетических материалов) как в качестве изоляции, так и для токопроводящего сердечника. Относится к классам E и F (табл. 1).

Неисправности: нарушение целостности оболочки. Ухудшение изоляции становится причиной возникновения искры за пределами камеры сгорания. В результате мощность искры свечи падает, двигатель троит. Под действием неблагоприятных условий эксплуатации изоляция стареет - пластификаторы улетучиваются из пластика, в результате чего он становится хрупким. Растрескивание изоляции приводит к утечке напряжения зажигания на массу. Это означает пропуски зажигания, нестабильную работу двигателя (при наличии катализатора - в него попадает несгоревшее топливо и преждевременно выводит его из строя).

Важно: догорание топлива в катализаторе приводит к увеличению его температуры. Это не просто уменьшает его ресурс, но и крайне огнеопасно. «Забитый» катализатор раскаляется докрасна, что нередко приводит к возгоранию автомобиля. Поэтому рекомендуется менять провода незамедлительно, если они обесцветились или эксплуатируются очень долго (даже если их сопротивление в норме).

Причины . Ускоряет преждевременный износ изоляции постоянный контакт с агрессивными веществами (ГСМ, тормозная жидкость, антифриз и т.д.). Слой загрязнения на элементах систем зажигания является токопроводящим и увеличивает утечки тока во влажную погоду и при микротрещинах. Кроме того, износ изоляции значительно ускоряется. Рекомендуется следить за чистотой и пользоваться водоотталкивающими спреями для ВВП и других элементов системы зажигания. Повреждение оболочки может быть также следствием неправильного монтажа (острыми предметами, например отверткой), соприкосновения с горячими поверхностями (выхлопным патрубком), трения от вибрации о другие детали.

При работе двигателя на холостом ходу, малых нагрузках многие повреждения изоляции не проявляются, так как для искры на свече достаточно около 10 кВ, а для пробоя изоляции требуется в несколько раз больше. Потому режим испытания должен быть максимальным: пуск двигателя, резкое открытие дроссельной заслонки, работа двигателя на низких оборотах под максимальной нагрузкой. Симптомы пробоя высоковольтной изоляции иногда могут быть похожи с симптомами загрязнения изолятора свечи со стороны камеры сгорания.

Наконечники и колпачки

Наконечники (контакты) изготавливаются из металла и для придания коррозионной стойкости зачастую обрабатываются лужением. Предназначены для соединения токопроводящей жилы с выводами на свече, катушке зажигания и крышке распределителя.

Защитные колпачки призваны обезопасить места соединений токопроводящей жилы от утечек тока и воздействия внешней среды. Требования к материалам для производства наконечников также изменились со временем. Применение в моторостроении свечных колодцев до 20 см глубиной усиливает негативное влияние масляных, топливных паров, влаги и постоянной высокой температуры двигателя на ВВП. На смену более хрупкому карболиту в производстве защитных колпачков пришли различные сплавы эластичной и более стойкой к агрессивной среде резины.

Важно: при мойке двигателя рекомендуется отсоединять ВВП от свечей, затем просушивать двигатель и устанавливать провода обратно. Вода имеет свойство под высоким давлением попадать к местам контактов ВВП со свечами, в результате чего возникают углеродные дорожки - искрообразование происходит на массу. При неснятых проводах влага также конденсируется в искровых колодцах и не до конца просушивается. В результате двигатель может работать неравномерно или вообще не завестись.

Неисправности: чрезмерное окисление контактов из латуни или нержавеющей стали может происходить из-за постоянных высоких нагрузок и быть признаком старения. Это ведет к увеличению сопротивления провода и, как следствие, риску выхода из строя катушек зажигания.

Причины. Плохое качество/неплотность колпачков. Помимо естественного окисления из-за исчерпания ресурса, может быть спровоцировано попаданием влаги вследствие неплотного прижимания защитного колпачка. Зачастую вызвано небрежностью при установке или плохим качеством материала.

Также проблемным участком для токопроводимости могут быть места соединения металлических контактов проводов с соответствующими выводами деталей системы зажигания. Плохое соединение контактов зачастую связано с невниманием при монтаже. Это может спровоцировать нагрев и искрение, пробой искры и разрушение контактов, сердечника. При снятии/установке провода следует тщательно проверять места соединения.

Места соединений расшатываются из-за постоянной вибрации работы двигателя, что ухудшает контакт у ВВП из слишком жестких материалов. Разница температур особенно сильно влияет на свечные колпачки: из-за нагретых деталей двигателя могут прикипать, из-за слишком низких температур - терять пластичность и становиться ломкими. Увеличивается вероятность повреждения колпачка при снятии. Следует уделять внимание качеству изоляции провода и защитных колпачков при выборе ВВП.

Диагностика неисправностей

Времена ремонта ВВП безвозвратно канули в Лету, если не брать в расчет отдельных «кулибиных». Это оставалось актуальным до тех пор, пока энергоемкость и мощность систем зажигания были невысоки, а формы колпачков и контактов автомобилей были типичны. В те времена большинство производителей выпускало провода метражом в бухтах и отдельно к ним карболитовые защитные колпачки.

Важно понять, что большинство неисправностей современных ВВП не поддаются ремонту. Исключение составляют окисленные контакты, которые можно попробовать очистить. При остальных неисправностях провода подлежат замене. Попытки замотать провода скотчем, изолентой не помогут ни при микротрещинах, ни при явном повреждении изоляции. Подобные средства изолирования токопроводящей жилы - лишь оправдание для автовладельца, на самом же деле усугубляют общую картину работы двигателя. ВВП поставляются полным комплектом, так как при повреждении одного провода остальные чаще всего также близки к исчерпанию своего ресурса.

Многие неисправности элементов зажигания можно выявить аудиовизуальным способом. Об этом свидетельствуют следующие симптомы: плохой запуск (особенно утром в холодную сырую погоду), перебои в зажигании под нагрузкой, двигатель глохнет (при повреждении центрального провода), неравномерная работа на холостом ходу, потеря мощности, увеличение расхода топлива, радиопомехи. Неисправности наступают вследствие разрыва электроцепи или повреждения изоляции и зачастую сопровождаются загоранием на приборной панели значка check engine. Основные из них были перечислены выше и могут быть определены путем визуального осмотра. В случае, когда повреждения не удается обнаружить визуально, необходима диагностика.

Важно! Стоит отметить, что распространенные системы «самодиагностики», когда сила напряжения проверяется касанием руки, крайне небезопасны. Напряжение бесконтактных электронных систем зажигания достигает 40 кВ, а иногда напряжение в сети возрастает еще больше, что может привести к ожогам. Поэтому во избежание электротравмы не стоит касаться ВВП при работающем двигателе. Для этого рекомендуется пользоваться изолированными пассатижами и производить работы в толстых резиновых перчатках.

Самый простой способ обнаружить нарушение изоляции - открыть моторный отсек при работающем двигателе в темное время суток или в темном помещении. В месте «пробоя» будет видна проскакивающая искра. В случае негерметичности уплотнений, микротрещин изоляции, а также при влажности воздуха может наблюдаться свечение вокруг ВВП или других приборов системы зажигания.

Также можно «прозвонить» утечку тока, подсоединив подходящий по длине провод к массе. Для этого необходимо зачистить провод с обоих концов, подсоединить одну сторону к массе, другой стороной провести вокруг элементов системы зажигания. В месте утечки тока будут проскакивать искры.

В ажно: «диагностическим» проводом ни в коем случае нельзя касаться контактов катушки зажигания!

Также можно провести диагностику с помощью разрядника, предварительно отключив подачу топлива у автомобилей, оснащенных катализатором. Для диагностики нужно подсоединить разрядник к проводу и проворачивать коленвал с помощью стартера. При утечке тока или большом сопротивлении во вторичной цепи искра будет бледной и тонкой. Можно сымитировать работу разрядника, закрепив наконечник провода на небольшом расстоянии от металлической детали двигателя. Более точные результаты можно получить с помощью мотор-тестера.

Последствия работы на неисправных ВВП

Резервы высокого напряжения и энергии зажигания должны быть достаточны для того, чтобы компенсировать все электрические потери. Неправильное обслуживание системы зажигания, эксплуатация неисправных ВВП ведут к уменьшению этих резервов и нарушениям в процессах воспламенения и сгорания.

При утечке тока становится невозможным создать достаточную разность потенциалов на электродах свечи. Как следствие, не происходит полноценного фронта горения топливовоздушной смеси из-за пропусков в работе зажигания. Это вызывает тряску двигателя, повышенный расход топлива и снижает динамические характеристики автомобиля. Остатки горения, с повышенным количеством углеводородов догорая в каталитическом нейтрализаторе, выводят его из строя вместе с датчиками отработавших газов («отравление» кислородного датчика).

Эксплуатация неисправных ВВП напрямую отражается также на элементах системы зажигания. Это может привести к пробою изоляции свечей или окислению их контактов, выводу из строя катушек зажигания, распределителя, коммутатора. Утерянный разряд из неисправного провода может привести к возгоранию в моторном отсеке. Также неисправность ВВП не просто создает электромагнитные помехи в работе бортовой электроники, но реально отражается на его работоспособности. Работы разных систем автомобиля тесно взаимосвязаны, и неисправность системы зажигания нельзя игнорировать. В отдельных случаях поломки в высоковольтных проводах приводят к разжижению масла, смыванию масляной пленки с цилиндров, снижению давления и, как следствие, к механическим повреждениям двигателя и трансмиссии.

Важно: важно знать, что заводская (пластиковая) защита двигателя предусмотрена автопроизводителем не для защиты от механических повреждений, а для аэродинамических характеристик автомобиля. Заводская защита призвана направить потоки воздуха и брызг в определенном направлении. Ее снятие нарушает конструкционные параметры автомобиля, и попадание влаги на ВВП и катушку зажигания приводит к пробоям зажигания.

Как избежать неисправностей

Производители рекомендуют заменять высоковольтные провода, не дожидаясь их выхода из строя. Регламент замены колеблется от 70 до 90 тыс. км или ограничен тремя годами эксплуатации. В любом случае ВВП нуждаются в регулярном осмотре и периодической диагностике.

Для того чтобы избежать банальных неисправностей и преждевременного выхода из строя, не следует пренебрегать простыми правилами при монтаже:

Чтобы избежать обрыва при снятии, необходимо тянуть не за сам провод, а за его защитный колпачок. Для облегчения снятия рекомендуется предварительно повернуть наконечник на четверть оборота;

При снятии наконечник следует извлекать прямо, не перекручивая. В противном случае можно повредить керамический изолятор свечи;

При укладке провода необходимо следить, чтобы он не деформировался и не касался горячих частей;

Для оптимальной работы необходимо следить за правильностью установки проводов в соответствии с их длиной.

В большинстве случаев солнечные элементы имеют тонкий фронтальный слой, вдоль которого протекает ток, собираемый контактной сеткой. Поскольку потери мощности на сопротивлении рассредоточены по всему объему этого слоя, требуется рассмотрение более точных моделей. Схема солнечного элемента с сетчатой контактной структурой изображена на рис. 3.12. Последовательное сопротивление прибора содержит следующие составляющие: - сопротивление фронтальной контактной сетки; - переходные контактные сопротивления (обратно пропорциональные площади контактов); - сопротивление растекания поверхностного слоя (или протеканию тока в плоскости этого слоя), зависящее от расстояния (здесь - объемное удельное сопротивление слоя и - его толщина); - сопротивление базового слоя в поперечном направлении - объемное удельное сопротивление базового слоя, - толщина слоя и - его площадь); - распределенное сопротивление сплошного тыльного контакта.

Исходя из полного допустимого значения разработчик солнечного элемента может найти его распределение по отдельным составляющим с учетом ограниченных возможностей применения имеющихся в его распоряжении материалов для создания приборов. Подобный анализ осуществлялся при разработке приборов с сетчатой контактной структурой.

Распределенное сопротивление может быть найдено приближенно путем рассмотрения различных эквивалентных схем с сосредоточенными параметрами и более точно - численными методами с помощью ЭВМ при использовании моделей конечного числа элементов. Исследовали модели , согласно которым в эквивалентной схеме, показанной на рис. 3.9, сосредоточенные сопротивления дают эффекты второго и более высоких порядков малости. Задача о нахождении распределенного сопротивления решалась для двумерных структур , а также трехмерных при высокой степени концентрации излучения .

Решение задачи в аналитическом виде может оказаться полезным для простых структур, как, например, для одномерного случая, рассмотренного ниже. Полагают (рис. 3.13), что во фронтальном слое ток течет в плоскости этого слоя, а в базе и переходе - перпендикулярно плоскости прибора. Рассмотрим ограниченный плоскостями элементарный объем фронтального слоя. На границах плотность протекающего вдоль слоя тока Разность уравновешивается плотностью тока пересекающего плоскость перехода при рассматриваемом напряжении смещения V:

В результате разложения в ряд Тейлора в окрестности точки можно получить

Рис. 3.12. Линии тока в солнечном элементе с сетчатой контактной структурой, у которого толщина фронтального слоя 11 значительно меньше толщины базового слоя

Рис. 3.13. Схема поперечного сечения солнечного элемента с сетчатым фронтальным контактом, применяемая для анализа распределенного сопротивления

Рис. 3.14. Распределение напряжения между полосами контактной сетки элемента, изображенного на рис. 3.13, при его работе вблизи оптимальной точки (а) и соответствующие значения напряжения на вольт-амперной характеристике (б)

Решение (3.17) легко найти, предположив, что постоянна и равна плотности тока соответствующей максимальной мощности, что обеспечивает параболическую зависимость показанную на рис. 3.14. Если потери мощности на сопротивлении не очень велики, то данное приближение оказывается достаточно точным. Приходящиеся на единицу площади потери мощности на распределенном сопротивлении связаны непосредственно с расстоянием между полосами контактной сетки:

(«эквивалентное» последовательное сопротивление равно . В аналитическом виде получено аналогичное решение для двумерной задачи .

При использовании модели конечного числа элементов точные результаты могут быть получены для более сложных конфигураций и электрических соединений диодов при нахождении как последовательного, так и шунтирующего распределенных сопротивлений. Суть данного метода поясняет рис. 3.15, где показано, как солнечный элемент первоначально представляют в виде длинной секции шириной, равной половине

(см. скан)

Рис. 3.15. Одномерная модель прибора с распределенными параметрами, используемая при анализе с помощью модели конечного числа элементов

расстояния между контактными полосами, а затем эту секцию разделяют на конечное число элементов шириной Поскольку прямая является осью симметрии к правой части элемента, обозначенного цифрой «нуль», ток не течет.

В качестве пробного напряжения на этом элементе можно выбрать , тогда легко рассчитать протекающий через элемент ток а затем и последующие значения вплоть до напряжения и тока на выходе прибора. Варьируя пробный параметр , можно получить выходную вольт-амперную характеристику прибора даже при более сложной диодной характеристике. Данную модель довольно просто усовершенствовать для решения двумерной задачи .

В системе зажигания автомобилей используются высоковольтные провода. Их свойства, в зависимости от особенностей устройства, могут различаться.

Назначение, общие сведения

Основной задачей высоковольтных проводов является передача электрических импульсов от катушки зажигания на свечи. Поэтому они должны:

выдерживать высокое напряжение (до 40 000 В),

передавать импульсы с небольшими потерями,

обеспечивать минимум помех 1 для радиоэлектронной аппаратуры,

иметь хорошую изоляцию для предотвращения утечек тока,

сохранять свои свойства в широком интервале температур - от минус 30°С зимой до плюс 100°С и более при работе двигателя летом.

Для передачи высоковольтного импульса с минимальными потерями желательно уменьшить электрическое сопротивление провода. Поэтому много лет назад с успехом использовались провода с медной токопроводящей жилой. Но с началом широкого распространения радиоэлектронных устройств (радиоприемников, телевизоров, электронных бортовых систем в самом автомобиле и т.д.) стал проявляться их основной недостаток - излучение большого количества электромагнитных помех.

Для их снижения в высоковольтной цепи системы зажигания используют дополнительное электрическое сопротивление.

Помехоподавительный резистор может быть встроен в ротор распределителя (бегунок), свечу или ее колпачок в различных сочетаниях. Кроме того, сопротивлением обладает угольный электрод в крышке распределителя 2 .

В настоящее время эффективным и наиболее распространенным способом снижения помех является использование высоковольтных проводов с распределенным сопротивлением.

Устройство

Современные провода состоят из токопроводящей жилы, изоляции (защитного слоя), металлических контактов и колпачков (рис. 1).

Токопроводящая жила (рис. 2) бывает нескольких типов:

медная многожильная с сопротивлением 0,02 Ом/м (Ом на метр длины провода). С такими проводами необходимы дополнительные помехоподавительные резисторы;
неметаллическая с металлической "обвивкой" - распределенное сопротивление до 2 кОм/м. Центральную часть сердечника изготавливают из стекловолокна, пропитанного графитом, льняной нити или кевлара 3 . Часто бывает покрыта слоем ферропласта 4 , который за счет своих свойств также препятствует распространению помех. Поверх навивается тонкая металлическая проволока. Требуются, как правило, дополнительные помехоподавительные резисторы;
неметаллическая с высоким распределенным сопротивлением. Провода с такой жилой устанавливают без резисторов.

Жила такого типа может быть изготовлена из различных материалов, например часто встречаются варианты исполнения из:

хлопчатобумажной пряжи, пропитанной сажевым раствором. Иногда сверху ее усиливают хлопчатобумажной или капроновой оплеткой. Сопротивление 15-40 кОм/м;
полимерной "жилы" с сопротивлением 12-15 кОм/м. Внутри нее может быть пропущена упрочняющая нить;
стекловолоконных нитей с графитовой обсыпкой.

Изоляция - однослойное или многослойное защитное диэлектрическое покрытие токопроводящей жилы (рис. 3). Предназначена для:

предотвращения утечек электрического тока;
предохранения жилы от воздействия влаги, горюче-смазочных материалов, вредных паров и высоких температур в моторном отсеке, а также механических повреждений.

Выполняется из различных видов пластмасс (например, полихлорвинила), силикона, резины в различных сочетаниях. Иногда механическую прочность изоляции увеличивают за счет тканевой, хлопчатобумажной, капроновой, стеклотканевой или полимерной оплетки.

Металлические контакты (наконечники) обеспечивают электрическое соединение токопроводящей жилы с соответствующими контактами (гнездами, высоковольтными выводами) свечи и катушки зажигания или крышкой распределителя. Основные требования: Контакты, с которыми соединяется высоковольтный провод, бывают нескольких типов. Используемые наиболее часто показаны на рис. 5, причем на разных концах провода они могут различаться.

Колпачки защищают места соединений контактов провода с соответствующими выводами катушки, распределителя и свечей зажигания от агрессивных воздействий внешней среды и предотвращают утечку электрического тока. Основные требования к ним:

Колпачки имеют различную форму, изготавливаются из резины, силикона, пластмассы или эбонита (фото 3). В некоторые из них встраивают дополнительный помехоподавительный резистор (рис. 6) или металлический экран для уменьшения помех.

Неисправности

Основные неисправности проводов - разрыв электрической цепи и утечка тока .

Разрыв электрической цепи происходит чаще всего в месте соединения металлического контакта провода с токопроводящей жилой и другими деталями системы зажигания, например при:

снятии провода;
плохом соединении с выводами соответствующих элементов системы зажигания;
окислении или разрушении жилы.

В местах нарушения соединения происходит искрение и нагрев, что еще больше ухудшает ситуацию и может привести к выгоранию металлических контактов или жилы.

Утечка электроэнергии происходит через загрязненные провода, свечи, крышку распределителя и катушку зажигания, а также при повреждении изоляции и колпачков провода, поэтому их диэлектрические свойства в процессе эксплуатации ухудшаются.

При низких температурах высоковольтные провода становятся более жесткими, увеличивается вероятность повреждения их изоляции и колпачков. Кроме того, из-за постоянной вибрации, сопровождающей работу двигателя, расшатываются места соединений, что может привести к ухудшению контакта, например в крышке распределителя. От повышенной температуры больше других страдают свечные колпачки, так как они находятся ближе всего к нагретым деталям двигателя и к тому же часто выходят из строя при снятии.

Со временем все элементы системы зажигания неизбежно покрываются слоем пыли и грязи, влагой и парами горюче-смазочных материалов, которые являются проводниками тока и значительно увеличивают утечки, особенно во влажную погоду и при повреждениях изоляции. Кроме того, от попавших влаги и грязи происходит дальнейшее увеличение микротрещин.

При выборе высоковольтных проводов желательно ориентироваться на рекомендации как их изготовителей, так и производителей двигателя.

При покупке полезно внимательно изучить упаковку. Желательно, чтобы на ней на русском языке были указаны модели автомобилей или двигателей, для установки на которые предназначены эти провода. Отсутствие указания завода-изготовителя проводов и его "координат" - достаточное условие для отказа от покупки. Также не стоит приобретать провода, на упаковке которых встречаются орфографические ошибки, чаще всего в слове silicon. Следует учитывать, что на высоковольтные автомобильные провода есть только международный стандарт ISO 3808, а отечественных не существует, поэтому наличие и содержание надписей на них определяет сам производитель.

Если система зажигания дает высоковольтный импульс с небольшой энергией, например у автомобилей с контактной системой зажигания (большинство заднеприводных ВАЗов), то ставить провода с высоким распределенным сопротивлением не стоит. Это снизит мощность искры и, при неблагоприятных условиях, возможны пропуски воспламенения горючей смеси (например, при зимнем пуске холодного двигателя) 5 .

Сопротивление провода можно измерить с помощью тестера. Однако для проводов с обвивкой токопроводящей жилы этот способ не корректен, так как при работе на двигателе величина их сопротивления меняется. Это обусловлено их конструктивными особенностями.

Уровень помех, создаваемых как электрооборудованием автомобиля в целом, так и высоковольтными проводами, можно оценить с помощью установленного в нем приемника (автомагнитолы). Порядок работ при подобной проверке дан на схеме .

Выбирая провода по материалу изоляции, следует учитывать напряжение в системе зажигания конкретного автомобиля. При максимальных его значениях, которые могут быть указаны в руководстве по ремонту, изоляция не должна допускать пробоя. Предпочтительнее провода с изоляцией и колпачками, материал которых не становится жестким и ломким на морозе и выдерживает высокую температуру в моторном отсеке, например из силикона. Кроме того, он меньше смачивается водой, а значит, снижается вероятность электрического пробоя. Силикон на ощупь восковитый, и провода из него допускают сильные перегибы.

В процессе эксплуатации автомобиля прежде всего необходимо содержать провода чистыми и сухими. Для этого можно, например, периодически протирать бензином снятые с автомобиля крышку распределителя, катушки зажигания, изоляторы свечей и сами провода с колпачками.

Часто удается определить пробой изоляции при работе двигателя на слух (слышны щелчки) или визуально. Если открыть моторный отсек в темное время суток, то место утечки тока будет видно по проскакивающей искре. В темноте иногда заметно свечение (сияние) вокруг приборов системы зажигания из-за влажности и ионизации воздуха, например перед грозой, или при больших утечках тока.

Обрыв проволоки в обвивке неметаллической токопроводящей жилы (рис. 2, б) может не проявляться на холостых оборотах коленвала и при невысоких нагрузках, в то время как на повышенных - двигатель будет "троить", если поврежден провод, идущий к свече, или глохнуть, если неисправен центральный.

Хороший контакт в наконечниках предотвращает потерю энергии импульса, передаваемой к свечам. Поэтому желательно периодически проверять, хорошо ли вставлены наконечники в гнезда соответствующих элементов системы зажигания.

Для предотвращения повреждений провода его рекомендуется снимать, начиная с колпачка, а не выдергивая за изоляцию.

Герметичность колпачков в местах соединения проводов уменьшает окисление наконечников и последующее ухудшение контакта. Поэтому важно до конца надевать колпачки, а при возникновении на них трещин - заменять.

Редакция благодарит за помощь в подготовке материала кандидата технических наук А.И. Фещенко, доцента кафедры электротехники и электрооборудования МАДИ (ГТУ).

Помехи образуются из-за импульсов напряжения большой частоты в системе зажигания. Для отечественных автомобилей их величины следующие: ротор – до 8 кОм, свеча – 4–10 кОм, колпачок свечи – 4–13 кОм, центральный электрод – 8–14 кОм. Гибкий искусственный материал, обладающий высокой прочностью. 20% поливинилхлоридного пластиката ПДФ и 80% ферритового или марганец-никелевого и никель-цинкового порошка. Сравнить энергию искры с теми или иными проводами можно, подсоединив разрядник вместо свечей на автомобиле и провернув коленвал двигателя стартером. При этом желательно, а на автомобилях с каталитическим нейтрализатором отработанных газов – обязательно, отключить подачу топлива. Большое общее сопротивление во вторичной цепи сделает искру более бледной и тонкой. Разрядник представляет собой два электрода в изолирующем корпусе, расстояние между концами которых 7 мм. Имитировать разрядник можно, надежно закрепив наконечник высоковольтного провода на этом расстоянии от металлической детали двигателя.

По материалам сайта

Полученное выражение показывает, что входное сопротивление является функцией параметров линии и , ее длины и нагрузки . При этом зависимость входного сопротивления от длины линии, т.е. функция , не является монотонной, а носит колебательный характер, обусловленный влиянием обратной (отраженной) волны. С ростом длины линии как прямая, так соответственно и отраженная волны затухают все сильнее. В результате влияние последней ослабевает и амплитуда колебаний функции уменьшается.

При согласованной нагрузке, т.е. при , как было показано ранее, обратная волна отсутствует, что полностью соответствует выражению (1), которое при трансформируется в соотношение

Такой же величиной определяется входное сопротивление при .

При некоторых значениях длины линии ее входное сопротивление может оказаться чисто активным. Длину линии, при которой вещественно, называют резонансной. Как и в цепи с сосредоточенными параметрами, резонанс наиболее ярко наблюдается при отсутствии потерь. Для линии без потерь на основании (1) можно записать

(4)

Исследование характера изменения в зависимости от длины линии на основании (3) показывает, что при по модулю изменяется в пределах и имеет емкостный характер, а при - в пределах и имеет индуктивный характер. Такое чередование продолжается и далее через отрезки длины линии, равные четверти длины волны (см. рис. 1,а).

В соответствии с (4) аналогичный характер, но со сдвигом на четверть волны, будет иметь зависимость при КЗ (см. рис. 1,б).

Точки, где , соответствуют резонансу напряжений, а точки, где , - резонансу токов.

Таким образом, изменяя длину линии без потерь, можно имитировать емкостное и индуктивное сопротивления любой величины. Поскольку длина волны есть функция частоты, то аналогичное изменение можно обеспечить не изменением длины линии, а частоты генератора. При некоторых частотах входное сопротивление цепи с распределенными параметрами также становится вещественным. Такие частоты называются резонансными. Таким образом, резонансными называются частоты, при которых в линии укладывается целое число четвертей волны.

Переходные процессы в цепях с распределенными параметрами

Переходные процессы в цепях с распределенными параметрами имеют характер блуждающих волн, распространяющихся по цепи в различных направлениях. Эти волны могут претерпевать многократные отражения от стыков различных линий, от узловых точек включения нагрузки и т.д. В результате наложения этих волн картина процессов в цепи может оказаться достаточно сложной. При этом могут возникнуть сверхтоки и перенапряжения, опасные для оборудования.

Переходные процессы в цепях с распределенными параметрами возникают при различных изменениях режимов их работы: включении-отключении нагрузки, источников энергии, подключении новых участков линии и т.д. Причиной переходных процессов в длинных линиях могут служить грозовые разряды.

Уравнения переходных процессов в цепях с распределенными параметрами

При рассмотрении схемы замещения цепи с распределенными параметрами были получены дифференциальные уравнения в частных производных

;

(5)

(6)

Их интегрирование с учетом потерь представляет собой достаточно сложную задачу. В этой связи будем считать цепь линией без потерь, т.е. положим и . Такое допущение возможно для линий с малыми потерями, а также при анализе начальных стадий переходных процессов, часто наиболее значимых в отношении перенапряжений и сверхтоков.

С учетом указанного от соотношений (5) и (6) переходим к уравнениям

Аналогично получается уравнение для тока

(12)

Волновым уравнениям (11) и (12) удовлетворяют решения

Как и ранее, прямые и обратные волны напряжения и тока связаны между собой законом Ома для волн

И ,

где .

При расчете переходных процессов следует помнить:

В любой момент времени напряжение и ток в любой точке линии рассматриваются как результат наложения прямой и обратной волн этих переменных на соответствующие величины предшествующего режима.
Всякое изменение режима работы цепи с распределенными параметрами обусловливает появление новых волн, накладываемых на существующий режим.
Для каждой волны в отдельности выполняется закон Ома для волн.

Как указывалось, переходный процесс в цепях с распределенными параметрами характеризуется наложением многократно отраженных волн. Рассмотрим многократные отражения для двух наиболее характерных случаев: подключение источника постоянного напряжения к разомкнутой и короткозамкнутой линии.

Переходные процессы при включении на постоянное напряжение
разомкнутой и замкнутой на конце линии

При замыкании рубильника (см. рис. 2) напряжение в начале линии сразу же достигает величины , и

возникают прямые волны прямоугольной формы напряжения и тока , перемещающиеся вдоль линии со скоростью V (см. рис. 3,а).Во всех точках линии, до которых волна еще не дошла, напряжение и ток равны нулю.Точка, ограничивающая участок линии, до которого дошла волна, называется фронтом волны. В рассматриваемом случае во всех точках линии, пройденных фронтом волны, напряжение равно , а ток - .

Отметим, что в реальных условиях форма волны, зависящая от внутреннего сопротивления источника, параметров линии и т.п., всегда в большей или меньшей степени отличается от прямоугольной.

Кроме того, при подключении к линии источника с другим законом изменения напряжения форма волны будет иной. Например, при экспоненциальном характере изменения напряжения источника (рис. 4,а) волна будет иметь форму на рис. 4,б.

В рассматриваемом примере с прямоугольной волной напряжения при первом пробеге волны напряжения и тока (см. рис. 3,а) независимо от нагрузки имеют значения соответственно и , что связано с тем, что волны еще не дошли до конца линии, и, следовательно, условия в конце линии не могут влиять на процесс.

В момент времени волны напряжения и тока доходят до конца линии длиной l, и нарушение однородности обусловливает появление обратных (отраженных) волн. Поскольку в конце линия разомкнута, то

откуда и .