Kompletní 12V úprava elektroinstalace + zvýšení výkonu alternátoru + CDI zapalování

Autor: Tomáš Brožek („Chong“)
aktualizováno: 12.10.2016

Jedná se o celkovou úpravu elektroinstalace s aktivní regulací palubního napětí na 12V rozvod. Aplikace jednotlivých podpůrných zařízení byla zvolena tak, aby byl maximálně úsporně využitý výkon alternátoru pro využití ve světelném okruhu, včetně mechanické úpravy alternátoru (magneto – alternátor s permanentními magnety), která zvyšuje jeho výkon.

Zvýšení výkonu alternátoru, optimalizace a úspora energie

Ke zvýšení výkonu alternátoru došlo jednoduchou instalací dalšího snímacího pólu, kdy však bylo nutné přistoupit k mechanické úpravě statoru. Po mechanické úpravě statoru bylo potřeba odstranit kladívko, které nadměrně mechanicky namáhalo konstrukci statoru, proto bylo vyvinuto bezkontaktní zapalování. Úsporná opatření spotřeby elektrické energie rozvodu byla vedena cestou změny zapalovacího systému za kapacitní (někdy označovaného tyristorové) zapalování a sloučením zapalovacího okruhu se světelným. Tím došlo k získání nevyužitých energetických cyklů původního indukčního zapalování ve prospěch využitelného výkonu pro světelný okruh. Další úsporou bylo zapojení LED koncové svítilny. Nevýhodou je nutnost výměny původního klaksonu za klakson stejnosměrný, celkové „předrátování“ elektroinstalace motocyklu a výroba nového statoru alternátoru.

Technické řešení – idea

Pro rozvody bylo zvolené palubní napětí 12V. Toto napětí přináší materiální úsporu v regulačních a usměrňovacích obvodech, protože při stejném příkonu spotřebičů jsou namáhány polovičním proudem oproti 6V rozvodu (P=U x I [W;V,A]). Vzniká tedy méně odpadního tepla na polovodičových prvcích a je možné použít levnější a dostupnější polovodiče. Poměr ztrát na polovodičích a rozvodu napětí je příznivější (např. úbytek napětí na usměrňovacích diodách v poměru k palubnímu napětí) při vyšším palubním napětí. Protože pro obvod regulace napětí byl zvolen MOSFET spínací tranzistor i v jeho případě je vhodnější pokud je řízen vyšším palubním napětím, protože dochází při vyšším ovládacím napětí k účinnějšímu otevření tranzistoru. Pokusná měření ukázala že při vhodné volbě pólů lze získat z alternátoru dostatečné napětí pro využití v 12V rozvodech s vysokou účinností, aniž je třeba póly převíjet. Je to dáno tím, že alternátor s permanentními magnety je v podstatě lineární zdroj elektrické energie (výstupní napětí je cca lineárně závislé na odběru proudu). Měřením bylo zjištěno že nejvyšší účinnosti dosahuje pól 05–6132 (velký světelný pól z 20W verze magneta) a po něm pól zapalovací.

Mechanické provedení statoru

Stator má funkci mechanické předlohy pro uchycení snímacích pólů alternátoru, zároveň však je nutné zajistit možnost změny hodnoty nastavení předstihu. Byla zvolena varianta kdy stator pro připevnění pólů je nehybně uchycen vůči skříni motoru a kuprexitovou (laminátovou) deskou spojů s potřebnou elektronikou lze po vodících drážkách měnit úhel postavení pro možnou změnu nastavení předstihu.

Návod na výrobu čtyřpólového statoru.

Praktické testy ukázaly že je nutné pro dostatečný výkon zapojit všechny póly stejné (nemíchat tedy druhy pólů – zapalovací, různé světelné), ale velmi dobrých výsledků dosahuje i použití dvou pólů světelných a jeden párový pól z 30W verze původního magneta (pozice vpředu ve směru jízdy nahoře a dole, tedy jejich umístění v původním magnetu). Takové zapojení však vyžaduje pro párové zapojení použít výkonnější usměrňovací diody, ale Graetzovy usměrňovací můstky jsou pak potřeba pouze tři.

---

Elektronické provedení statorové části

Testovány byly čtyři verze desky spojů elektroniky statoru. V zapojení je použito Schottkyho usměrňovacích diod, které zajišťují menší ztráty průchozího napětí, které vadí zejména při nízkých otáčkách. Protože měření ukázalo že výstupní napětí nezatížených pólů dosahuje téměř 80V, je třeba volit usměrňovací diody se závěrným napětím nejméně 100V. Veškeré součástky je vhodné zajistit k desce plošných spojů zalitím dvousložkovým epoxidem, aby odolávaly lépe vibracím a teplotě v motorovém prostoru.

1. varianta – kladívková. Deska plošných spojů obsahuje pouze usměrňovací můstky. Má zalisovaný čep osy kladívka a přiletovanou matku zespodu DPS pro zafixování polohy kladívka. Je tedy po mechanické stránce náročnější na výrobu, protože čep kladívka je třeba vyrobit a nejlépe strojně zalisovat. Výhodou je elektronická jednoduchost, nevýhodou opotřebovávání mechanických kluzných ploch kladívka spojený se změnou nastavení předstihu stejně jako u původního zapalování.

Další možnost je vyříznutí upevňovací destičky kladívka ze staršího magneta z typu 555, 05 (nebo dynama větších Jaw). Tvarově upravenou destičku lze ke kuprexitové (laminátové) destičce spojů buď přišroubovat nebo přinýtovat (viz druhá fotka). Výhoda je, že nemusíte nic vyrábět, ale stačí upravit existující prvky. Největší výhoda je ale především lepší pevnost a spolehlivost.

2. varinata – indukční. Deska obsahuje usměrňovací můstky a indukční snímač se zesilovačem. Indukční snímač byl vyroben z relé RELEH700E24C (www.gme.cz) u kterého byly odstraněny mechanické kontakty. Buzení indukčního snímače zajišťuje rotující magnet uchycený na unašeči, který je přitažen pod centrální matku vačky. Zapojení bylo realizováno technologií SMD, aby se snížila hmota součástek a zvýšila odolnost vůči vibracím. Pro správný chod je nutné odstínit DPS zespodu ocelovým kotoučem na distančních sloupcích cca 5 mm pod DPS a doladění citlivosti snímače zátěžovým odporem na svorkách snímače (viz foto).

3. varianta – hallovým čidlem. Konečná verze byla řešena pomocí průmyslového čidla pro spalovací motory HME301 (www.imfsoft.cz), které má dostatečné parametry aby odolával vibracím a zejména teplotě v prostoru motoru. Byla použita originální dodávaná clonka uchycená pod centrální matku vačky.

ZDE jsou podklady k variantám statorů.

---

Regulace napětí

jedná se o konstrukci spínaného zdroje s nábojovou pumpou, kdy pomocí spínacího tranzistoru dochází k cyklickému nabíjení akumulační kapacity, z kterých čerpají veškeré spotřebiče. Napětí na akumulční kapacitě se pohybuje v regulačním cyklu nastaveného hysterezního rozsahu, které hlídá obvod NE555 v netypickém zapojení komparátoru. Obvod nemá ochranu proti zkratu, proto je vhodné na jeho výstup zapojit pojistku, aby nedošlo zkratem, či nadměrným odběrem k jeho poškození. Zajímavostí zapojení je skutečnost že ke své funkci nepotřebuje akumulátor, může tedy pracovat i bez akumulátoru.

Další informace 12 V regulátor napětí.

---

Kapacitní (CDI, tyristorové) zapalování

CDI zapalování bylo zvoleno vzhledem k jeho technickým vlastnostem a nízké spotřebě oproti indukčnímu zapalování. Vzniklo několik verzí CDI, analogové a řízené procesorem. Všechny verze jsou navržené tak, aby je bylo možné připojit jak ke klasickému kladívku (s odpojeným kondenzátorem), tak i k bezkontaktnímu snímači. V tomto případě magnetickému, pomocí Hallova čidla, které je součástí desky statoru.

Podklady pro výrobu:

• Zapojení elektroinstalace s DC-CDI – schémata různých alternativ
• Tyristorové DC-CDI zapalování v5.1 – analogové 12V i 6V bez nutnosti navíjení transformátoru
• Tyristorové DC-CDI zapalování v5.0 – analogové provedení 12V i 6V
• Oživení DC-CDI – návod nezbytný k zprovoznění CDI
• Tyristorové DC-CDI zapalování v4.0 – zmenšené digitální provedení 12V i 6V
• Tyristorové DC-CDI zapalování v3.0 – zmenšené digitální provedení 12V
• Tyristorové DC-CDI zapalování v2.0 – digitální provedení 12V i 6V
• Tyristorové DC-CDI zapalování v1.1 – analogové provedení 12V

---

Koncové světlo LED

Koncové světlo LED bylo z volenou v souladu s požadavkem na snížení spotřeby spotřebičů. Praktickými zkouškami se ukázalo že je vhodnější použít větší množství LED, tak aby vznikl dojem rozptylu světla, tak jak to vytváří Fresnelova čočka plastového krytu se světlem originální sufitové žárovky. Světlo pak svítí zdánlivě v celé ploše zadní lampy. Proto byla zvolena kompromisní varianta s větším množstvím nízkoodběrových červených LED. Dvě bíle LED osvětlují SPZ.

Podklady pro výrobu:

• Koncové LED světlo (550, 555) – verze 12V DC (i s brzdovým světlem)
• Koncové LED světlo v2.0 (Pionýr, Mustang) – 12V DC (i s brzdovým světlem)
• Koncové LED světlo v1.0 (Pionýr, Mustang) – 12V DC (i s brzdovým světlem)

---

Zapojení elektroinstalace

Existuje více variant zapojení elektroinstalace, uvedu však pouze dvě. Varianta A je zapojená tak, aby akumulátor energeticky zálohoval pouze zapalování (v době nízkého výkonu alternátoru – nízké otáčky). U této verze je vhodnější instalovat žárovku o příkonu 12V – 35W/35W.V nízkých otáčkách se méně viditelně projevuje poblikávání vlivem malého výkonu alternátoru. Lze použít i 12V – 40W/45W ale tam již dochází k výraznému blikání světla za volnoběhu. Při zapnutí pouze obrysové žárovky však u ní dochází k poblikávání a to vlivem nedostatečně zatížené regulace napětí, kdy se rytmicky mění napětí v rozmezí hysterezní smyčky a při tak pomalé frekvenci je již opticky viditelné. Zadní LED svítilna uvedenou nectností netrpí, protože je napájena proudovou stabilizací.

Varianta B zálohuje akumulátorem veškerou elektrovýzbroj motocyklu. Nedochází tedy poklesem výkonu v malých otáčkách motoru k blikání světel. Stejně tak lze svítit i při vypnutém motoru. Zde je vyhovující použít žárovku o příkonu 12V – 40W/45W. Vyšší příkon žárovkyjiž nedoporučuji, aby nedocházelo k přetěžování regulace a alternátoru a v důsledku toho by již nebyl schopný alternátor dostatečně dobíjet akumulátor.

Zapojení elektroinstalace s DC-CDI – schémata různých alternativ

---

Závěr

Veškeré publikované části byly provozně testované a vykazují spolehlivost. Také je potřeba si uvědomit že uvedené úpravy mají smysl pouze tehdy pokud je rotor v pořádku a nemá vyšeptalé magnety. Pro případ že by jste měli potřebu magnety rotoru nabudit přikládám zde vizitku na firmu která buzení permanentních magnetů provádí za podle mne zanedbatelný peníz.

Poznatky z testování

1. Protože v elektroinstalaci motocyklu vedle sebe vedou kabely ,,15,, a ,,KL,, tak se ze zapalování do vstupu kladívka indukují rušivé pulzy, které jsou schopné po čase zničit výstupní tranzistor (či Hall) statoru. Proto je třeba výstup statoru zablokovat varistorem ERZC07DK270 proti GND. Nejlépe však na desce CDI
2. Regulátor napětí oproti původní verzi zpracovává takové proudy, že je již nezbytné účinné chlazení. Tedy je nutné spínací tranzistor upevnit na chladič. Současné provední se nedokáže uchladit a dochází k akumulaci neodváděného tepla a tavení cínu ze spodní strany tranzistoru. Řešením bylo umístění Regulace dobíjení do voděodolné krabičky ze slitiny hliníku. O stěnu krabičky se tranzistor dostatečně uchladí.
3. Magnet se nakonec neosvědčilo letovat Dochází k demagnetizaci magnetu vlivem tepla a v případě letování pistolovou pájkou i k demagnetizaci střídavým magnetickým polem pájecí smyčky. Jediné řešení je mechanické uchycení k unašeči s ohledem na teploty jaké u magnetta bývají. Tedy např. jistit mechanické uchycení lepidlem, které snáší teploty nejméně 100°C.
4. Výroba několika verzí ukázala že zapojení je citlivé na vhodně navrženou desku spojů. Je třeba aby transformátor nebyl v těsné blízkosti integrovaného obvodu měniče. Dále viz. bod 10 – závada odstraněna v souvislosti s bodem 5.
5. Analogové CDI je citlivé na přepětí, tj 14V a více. Velmi spolehlivě však pracuje od 7,5V. Přepětí způsobuje zákmity měniče a dojde k omezení max. možných otáček (sníží hranici na cca 12.000ot/min). Proto je důležité aby regulace dobíjení pracovala spolehlivě – závada odstraněna zrušením kondenzátoru 68n ze zpětné vazby komparátoru. Testem parametrů nyní analogová verze dosahuje parametrů: 210V nabíjecí napětí, bez omezení nabíjecího napětí jsou max. dosažitelné otáčky 33.000 ot/min.
6. Existuje více druhů karterů motocyklů Jawa 50/20,21 a 23. V případě že skříň (a také víko) magneta v přední části (ve směru jízdy) neobsahuje nálitky pro zvětšení místa pólům, nelze do jejich místa vložit zapalovací póly. Ikdyž se je podaří ustavit, po čase se vibracemi prodře vinutí a dojde ke zkratu proti kostře. Je možné použít originální zapojení a usadit na jejich místo seriově zapojený pár pólů z 30W verze magnetta, jehož společné vývody (jeden odletovaný z těla) se zapojí pouze do jednoho Graetzova můstku. Parametry usměrňovacích diod SR3100 to umožňují, protože jsou dostatečně nadimenzované.
7. V přední části statoru není dostatek místa (mezi tišťákem a víkem magnetta) pro přívodní dráty k pólům. Proto je třeba dráty přivést dírami vyvrtanými skrz tištěný spoj statoru.
8. Hallovo čidlo TLE4905 se v provozních testech ukázalo jako nevhodné. Důvodem je teplotní závislost citlivosti sepnutí, která způsobuje změnu předstihu v závislosti na teplotě. Hall je citlivý a není příliš odolný rušení vznikající zapalováním. V současné době probíhá vývoj na bázi indukčního snímače z kostry s vinutím z vykuchaného relé RELEH700E24C (www.gme.cz).
9. U poslední verze statoru byla zvolena technologie SMD z důvodů snížení hmot součástek, aby odolávaly lépe vibracím motoru.
10. Rušení funkce CDI a zejména zablokovaná spínaná tyristorová část souvisí s rušením po GND. Je proto třeba při návrhu DPS zablokovat výkonovou část spínaného zdroje co nejblíž k transformátorku dostatečně velikou kapacitou. Nejméně 1000uF. Přívodní spoje k transformátorku je třeba pocínovat, aby se zvětšil průřez přívodních spojů. – závada odstraněna byl nastaven špatný pracovní bod tyristoru, blokace tranzistorem není nutná. U SMD verzí byly proto odstraněny.
11. U LED svítilny je vhodné oddělit proudové stabilizátory od napájení shottky diodou (úpravou na DPS). Kondenzátor stabilizátorů pak lépe vyhladí napětí v případě volnoběhu v systému bez akumulátoru ve světelném okruhu, potlačí tak poblikávání zadní lampy. Hodnota kondenzátoru 1000uF/16V
12. Indukční snímač je citlivý na magnetické pole vyvolané magnety rotoru. Mezi DPS a rotor je na distanční sloupky vložen ocelový stínící kotouč. Dále je výstupní signál indukčního snímače zatlumen paralelně odporem. Hodnota zatlumovacího odporu se zjistí pokusně podle síly magnetu unašeče.
13. Regulaci nabíjení je třeba nastavit v hysterezním rozsahu s ohledem na úbytek napětí na případně v serii zapojené shottky diodě. Rozsah: 13,6V až 14,6V. V zapojení doplněn odpor pro nastavení i dolní meze hystereze.
14. Na DPS hall statoru doplněna LED pro usnadnění seřízení předstihu.
15. Při seřizování předstihu indukčního statoru je třeba zohlednit jak jsou umístěny póly (sever-jih) magnetu unašeče. Podle jejich postavení spíná buď příchozí nebo odchozí hrana magnetu. Je to proto třeba vědět. Jednoduše se zjistí stroboskopem.
16. Dobíjení je tak silné že je vhodnější zapojení s připojením světel na akumulátor. Halogenové žárovky to jistě uvítají 🙂 . Byla zvolena hodnota 35W.

---

Komentáře k článku ze staré verze tohoto webu: