Схемы коммутации индуктивных нагрузок. Коммутация в телекоммуникациях

Одним из популярных использований диодов является ослабление индуктивной "отдачи": импульсов высокого напряжения, возникающих при прерывании протекания постоянного тока через индуктивность. Возьмем, к примеру, простую схему на рисунке ниже без защиты от индуктивной отдачи.

Когда кнопка нажат, ток проходит через индуктивность, создавая вокруг нее магнитное поле. Когда кнопка отжимается, ее контакт разрывается, прерывая протекание тока через индуктивность и вызывая быстрое уменьшение магнитного поля. Поскольку напряжение, индуцируемое в катушке провода, прямо пропорционально скорости изменения магнитного потока во времени (закон Фарадея: e = NdΦ/dt), это быстрое уменьшение магнитного поля вокруг катушки создает "всплеск" высокого напряжения.

Если речь идет о катушке электромагнита, например, о соленоиде или реле, (сконструированной для создания физической силы при помощи магнитного поля при протекании тока), эффект индуктивной "отдачи" вообще не имеет никакой полезной цели. Фактически, он очень вреден для коммутатора, так как вызывает чрезмерное искрение контактов, что значительно сокращает их срок службы. Из практических способов уменьшения высоковольтного переходного процесса, возникающего при размыкании переключателя, нет более простого, чем так называемый коммутирующий диод, показанный на рисунке ниже.

Индуктивная отдача с защитой: (a) Ключ разомкнут. (b) Ключ замкнут, сохранение энергии в магнитном поле. (c) Ключ разомкнут, индуктивная отдача накоротко замыкается диодом.

В этой схеме диод подключен параллельно катушке, поэтому, когда постоянное напряжение будет подаваться на катушку через кнопку, он будет смещен в обратном направлении. Таким образом, когда катушка находится под напряжением, диод не проводит ток (рисунок выше (b)).

Однако когда ключ размыкается, индуктивность катушки реагирует на уменьшение тока индуцированием напряжения обратной полярности с целью поддержания тока той же величины и в том же направлении. Это внезапное изменение полярности напряжения на катушке смещает диод в прямом направлении, и диод обеспечивает путь для протекания тока катушки индуктивности, поэтому вся ее накопленная энергия рассеивается медленно, а не мгновенно (рисунок выше (c)).

В результате напряжение, наведенное в катушке резко ее уменьшающимся магнитным полем, довольно мало: просто величина прямого падения напряжения на диоде, а не сотни вольт, как было ранее. Таким образом, во время процесса разряда к контактам ключа прикладывается напряжение, равное напряжению батареи плюс примерно 0,7 В (если используется кремниевый диод).

В языке электроники термин коммутация относится к изменению полярности напряжения или направления тока. Таким образом, назначение коммутирующего диода состоит в том, чтобы действовать всякий раз, когда напряжение меняет полярность, например, на катушке индуктивности при прерывании протекания через нее тока. Менее формальный термин для коммутирующего диода - демпфер, поскольку "демпфирует" или "гасит" индуктивную отдачу.

Примечательным недостатком этого метода является дополнительное время, которое добавляет к разрядке катушки. Поскольку наведенное напряжение ограничивается до очень низкого значения, скорость изменения магнитного потока во времени сравнительно невелика. Помните, что закон Фарадея описывает скорость изменения магнитного потока (dΦ/dt), как пропорциональную наведенному мгновенному напряжению (e или v). Если мгновенное напряжение ограничено некоторым низким значением, то скорость изменения магнитного потока во времени будет также ограничена низким (медленным) значением.

Если катушка электромагнита "погашена" с помощью коммутирующего диода, магнитное поле буде рассеиваться с относительно низкой скоростью по сравнению с изначальным сценарием (без диода), где поле исчезает почти мгновенно после размыкания ключа. Количество времени, о котором идет речь, будет, скорее всего, меньше одной секунды, но оно будет заметно больше, чем без коммутирующего диода. Это может привести к неприемлемым последствиям, если катушка используется для приведения в действие электромеханического реле, поскольку реле будет иметь естественную "временную задержку" обесточивания катушки, и нежелательная задержка даже в доли секунды может нанести ущерб некоторым схемам.

К сожалению, нельзя одновременно и исключить высоковольтный переходной процесс индуктивной отдачи, и сохранить быстрое снятие намагниченности катушки: невозможно нарушить закон Фарадея. Однако, если медленное снятие намагниченности неприемлемо, можно достигнуть компромисса между переходными напряжением и временем, позволяя напряжению на катушке подняться до некоторого более высокого уровня (но не настолько высокого, как без коммутирующего диода). Схема на рисунке ниже показывает, как это можно сделать.

(a) Последовательно с коммутирующим диодом включен резистор. (b) Диаграмма напряжения. (c) Уровень без диода. (d) Уровень с диодом, но без резистора. (e) Компромиссный уровень с диодом и резистором.

Резистор, включенный последовательно с коммутирующим диодом, позволяет напряжению, наведенному катушкой, подниматься до уровня превышающего прямое падение напряжения на диоде, ускоряя тем самым процесс размагничивания. Это, конечно же, будет давать большее напряжение на контактах, и поэтому резистор должен быть такого номинала, чтобы ограничить переходное напряжение на приемлемом максимальном уровне.

Аннотация: Лекция посвящена общему описанию основных составляющих телефонной станции - коммутационным полям и устройствам управления, которые будут детально рассмотрены в дальнейших лекциях

Общие сведения о телекоммуникационных станциях

В данном разделе будут в основном рассмотрены станции, предназначенные для работы в телефонных сетях. Эти вопросы составляют основу телекоммуникации и изучались многие десятилетия. Существует ряд учебников (, , , ), которые являются базовыми при изучении данного материала, несмотря на то, что в настоящее время многие вопросы, изложенные в указанной литературе, необходимо адаптировать к современной технике. Развитие телекоммуникационной техники привело к интеграции, охватившей сначала сети информации (например, сети передачи речи и передачи данных), а потом соответствующие услуги. Вследствие набирающих силу интеграционных процессов ограничиться рассмотрением только задач передачи речи невозможно, поэтому будут рассмотрены и другие принципы коммутации и обработки информации. Основные принципы построения коммутационных станций не зависят от того, на какой базе (механические элементы или компьютерная техника) выполняются станции. Как мы увидим дальше, решения по построению станций диктуются в первую очередь экономическими и техническими требованиями, порождая таким образом возможность осуществлять новые услуги для абонентов.

Сегодня мы можем наблюдать большое разнообразие как телефонных станций, так и коммутационных узлов обработки информации. Однако все они содержат определенные группы устройств (рис. 1.1).

Рассмотрим задачи, выполняемые каждой из частей станции.

Коммутационное поле решает задачи соединения двух или нескольких источников между собой. На первых этапах внедрения телефонной техники эту роль играли электромеханические устройства на базе электромагнитных элементов. Эти базовые элементы определили названия для первых коммутационных систем:

• декадно-шаговая система Автоматических Телефонных Станций (АТС);
• координатная система АТС (АТС-К) или усовершенствованная АТС-К (АТС-КУ).

С появлением микроэлементной базы и развитием электронной вычислительной техники был разработан целый комплекс цифровых систем передачи и соответствующих цифровых систем коммутации. В настоящее время все больше задач коммутации выполняется совместно с задачами управления. Повышение быстродействия позволяет совместить эти задачи и тем самым приводит к дальнейшему прогрессу техники коммутации информации.

Управляющее устройство решает логические задачи, необходимые для установления соединения, а также выполняет работы, связанные с основными и дополнительными видами обслуживания. Первые системы АТС применяли управляющие устройства на базе электромагнитных реле, по сути представляющие собой медленные компьютеры. Число решаемых ими задач было ограничено вследствие их небогатых логических возможностей и большого времени выполнения. В дальнейшем, по мере развития микрокомпьютеров, для задач управления АТС стали применять универсальную компьютерную технику, и в настоящее время на ней реализованы все части телефонной станции. Поэтому наряду с существующими методами построения и управления сетей, характерными для традиционной телефонии, стали развиваться и получать все большее распространение методы, присущие компьютерным сетям (например, пакетная передача, адресная коммутация и т. п.). При переходе к управлению с помощью компьютеров появилась еще одна существенная составляющая - это программное обеспечение , которое берет на себя все задачи по управлению станцией (кроме физического и некоторых функций уровня звена данных).

Рис. 1.1.

Общая структурная схема современной станции с программным управлением (рис. 1.1) включает также:

• терминальные комплекты, обеспечивающие выполнение протоколов связи уровня звена данных и иногда физического уровня с абонентскими терминалами;
• линейные комплекты, выполняющие те же функции, что и терминальные, но по отношению к объектам сети (другие станции, узлы сети).

Рассмотрим более подробно структуру построения станций на примере телефонных станций. Особенности построения других объектов коммутации информации будут проанализированы отдельно.

Типы построения коммутационного поля

Однозвенное коммутационное поле

Для наиболее простого типа коммутационного поля - полнодоступного коммутационного поля - характерно, что каждый источник, включенный в его вход, может быть соединен с источником, включенным в выход.

Такой тип коммутационного поля применялся в станциях очень малой емкости (до 50 номеров и меньше). Но в последнее время прогресс элементной базы расширяет возможности его применения.

Предварительно можно сказать, что сейчас коммутаторы информационных сетей работают по однозвенному принципу, но постепенно современные коммутаторы, даже на базе программных маршрутизаторов, переходят к многозвенным схемам.

На рис. 1.2 приведено построение условной схемы коммутатора. На каждом пересечении горизонтали и вертикали коммутатора условно показан контакт, для простоты - механический.

Физический принцип реализации такого контакта может быть любым, в том числе и программно-адресным.

Рис. 1.2.

Такие полнодоступные принципы построения коммутационного поля не нашли широкого применения из-за их неэкономичности для станций большой емкости. Только в последнее время в связи с уменьшением габаритов и удешевлением микросхем, реализующих коммутаторы, стало возможным применять этот принцип для построения станций достаточно большой емкости (более 2000 входов/выходов). Но современные станции часто имеют большие емкости, до 300000 входов и 100000 выходов. В этом случае такая матрица просто не может быть выполнена, учитывая ее реальную цену и габариты.

В последнее время во многих важных приложениях для коммутации применяются программные способы, которые выполняются на компьютерах.

Эти способы коммутации эквивалентны способу с применением полнодоступной схемы. Но при больших емкостях один компьютер не может обеспечить обслуживание поступающих потоков вызовов ни по быстродействию, ни по объемам памяти. Поэтому на программном уровне требуется поиск решений, эквивалентных многозвенной коммутации.

Двухзвенные и многозвенные схемы коммутации

При большом числе пользователей более эффективны схемы коммутации, содержащие много звеньев. На рис. 1.3 приведена двухзвенная схема коммутации. Для определения областей применения сравним предыдущую и последующую схемы по числу требуемых точек коммутации.

Рис. 1.3.

На рис. 1.3 приняты следующие обозначения:

• n - число входов в матрицу звена A ;
• r - число матриц звена A ;
• m - число входов матрицы звена A ;
• s - число выходов матрицы звена B ;
• k - число выходов из матрицы звена B ;
• f - "связность".

Связность - это число промежуточных линий, которые соединяют одну определенную матрицу звена A с одной определенной матрицей звена В .

Пусть необходимо коммутировать N входов с M выходами. Тогда будут соблюдаться следующие условия: для полнодоступной коммутационной схемы число точек коммутации равно NM ;

Для неполнодоступной схемы коммутации число точек коммутации равно r (nm) + m/f (ks) .

Однако r (число коммутаторов звена A ) зависит от требуемого общего числа входов N и составляет

В то же время m/f (число коммутаторов звена B ) зависит от требуемого общего числа выходов M :

Тогда число точек коммутации неполнодоступной коммутационной схемы будет равно Nm + Ms .

Тем самым определяется условие: чтобы многозвенная коммутационная схема была более эффективна, чем однозвенная, число коммутационных точек в ней должно быть меньше, чем в полнодоступной:

NM > Nm + Ms 1 > m/M + s/N.

Последнему условию может соответствовать множество сочетаний параметров коммутационных схем , но для всех из них справедливо, чтобы соблюдались соотношения

При появлении в конце 80-х начале 90-х годов быстрых протоколов, производительных персональных компьютеров, мультимедийной информации и разделении сети на большое количество сегментов классические мосты перестали справляться с работой. Обслужи вание потоков кадров между теперь уже несколькими портами с помощью одного процессорного блока требовало значительного повышения быстродействия процессора, а это довольно дорогостоящее решение.

Более эффективным оказалось решение, которое и «породило» коммутаторы: для обслуживания потока, поступающего на каждый порт, в устройство ставился отдельный специализированный процессор, который реализовывал алгоритм прозрачного моста. По сути, коммутатор - это мультипроцессорный мост, способный параллельно продвигать кадры сразу между всеми парами своих портов. Но если при добавлении процессорных блоков компьютер не перестали называть компьютером, а добавили только прилагательное «мультипроцессорный», то с мультипроцессорными мостами произошла метаморфоза - во многом по маркетинговым причинам они превратились в коммутаторы. Нужно отметить, что помимо процессоров портов коммутатор имеет центральный процессор, который координирует работу портов, отвечая за построение общей таблицы продвижения, а также поддерживая функции конфигурирования и управления коммутатором.

Со временем коммутаторы вытеснили из локальных сетей классические однопроцессорные мосты. Основная причина этого - существенно более высокая производительность, с которой коммутаторы передают кадры между сегментами сети. Если мосты могли даже замедлять работу сети, то коммутаторы всегда выпускаются с процессорами портов, способными передавать кадры с той максимальной скоростью, на которую рассчитан протокол. Ну а добавление к этому возможности параллельной передачи кадров между портами предопределило судьбу и мостов, и коммутаторов.

Производительность коммутаторов на несколько порядков выше, чем мостов - коммутаторы могут передавать до нескольких десятков, а иногда и сотен миллионов кадров в секунду, в то время как мосты обычно обрабатывали 3-5 тысяч кадров в секунду.

За время своего существования уже без конкурентов-мостов коммутаторы вобрали в себя многие дополнительные функции, родившиеся в результате естественного развития сетевых технологий. К этим функциям относятся, например, поддержка виртуальных сетей (VLAN), агрегирование линий связи, приоритезация трафика и т. п. Развитие технологии производства заказных микросхем также способствовало успеху коммутаторов, в результате процессоры портов сегодня обладают такой вычислительной мощностью, которая позволяет им быстро реализовывать весьма сложные алгоритмы обработки трафика, например выполнять его классификацию и профилирование.

Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена небольшой компанией Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций. У коммутатора компании Kalpana при свободном в момент приема кадра состоянии выходного порта задержка между получением первого байта кадра и появлением этого же байта на выходе порта адреса назначения составляла всего 40 мкс, что было гораздо ниже задержки кадра при его передаче мостом.

Структурная схема коммутатора EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana, представлена на рис. 1.

Рис. 1 Структура коммутатора EtherSwitch компании Kolpana

Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором пакетов Ethernet (Ethernet Packet Processor, EPP). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР, в частности ведет общую адресную таблицу коммутатора. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица. Она функционирует по принципу коммутации каналов, соединяя порты коммутатора. Для 8 портов матрица может одновременно обеспечить 8 внутренних каналов при полудуплексном режиме работы портов и 16 - при дуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга.

При поступлении кадра в какой-либо порт соответствующий процессор ЕРР буферизует несколько первых байтов кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса назначения процессор сразу же приступает к обработке кадра, не дожидаясь прихода остальных его байтов.

1. Процессор ЕРР просматривает свой кэш адресной таблицы, и если не находит там нужного адреса, обращается к системному модулю, который работает в многозадачном режиме, параллельно обслуживая запросы всех процессоров ЕРР. Системный модуль производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору найденную строку, которую тот буферизует в своем кэше для последующего использования.

2. Если адрес назначенля найден в адресной таблице и кадр нужно отфильтровать, процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра, очищает буфер и ждет поступления нового кадра.

3. Если же адрес найден и кадр нужно передать на другой порт, процессор, продолжая прием кадра в буфер, обращается к коммутационной матрице, пытаясь установить в ней путь, связывающий его порт с портом, через который идет маршрут к адресу назначения. Коммутационная матрица способна помочь только в том случае, если порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом данного коммутатора.

4. Если же порт занят, то, как и в любом устройстве с коммутацией каналов, матрица в соединении отказывает. В этом случае кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и образования коммутационной матрицей нужного пути.

5. После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта. Как только процессор выходного порта получает доступ к подключенному к нему сегменту Ethernet по алгоритму CSMA/CD1, байты кадра сразу же начинают передаваться в сеть. Процессор входного порта постоянно хранит несколько байтов принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра (рис. 2).

Рис 2. Передача кадра через коммутационную матрицу

Описанный пособ передачи кадра без его полной буферизации получил название коммутации «на лету» (on-the-fly), или «напролет» (cut-through). Этот способ представляет собой, по сути, конвейерную обработку кадра, когда частично совмещаются во времени несколько этапов его передачи.

1. Прием первых байтов кадра процессором входного порта, включая прием байтов адреса назначения.

2. Поиск адреса назначения в адресной таблице коммутатора (в кэше процессора или в общей таблице системного модуля).

3. Коммутация матрицы.

4. Прием остальных байтов кадра процессором входного порта.

5. Прием байтов кадра (включая первые) процессором выходного порта через коммутационную матрицу.

6. Получение доступа к среде процессором выходного порта.

7. Передача байтов кадра процессором выходного порта в сеть.

На рис. 3 подставлены два режима обработки кадра: режим коммутации «на лету» с частичным совмещением во времени нескольких этапов и режим полной буферизации кадра с последовательным выполнением всех этапов. (Заметим, что этапы 2 и 3 совместить во времени нельзя, так как без знания номера выходного порта операция коммутации матрицы не имеет смысла.)

Рис. 3. Экономия времени при конвейерной обработке кадра: a - конвейерная обработка,
б - обычная обработка с полной буферизацией

Как показывает схема, экономия от конвейеризации получается ощутимой. Однако главной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров.

Этот эффект иллюстрирует рис. 4, на котором показана идеальная в отношении производительности ситуация, когда четыре порта из восьми передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью в 10 Мбит/с. Причем они передают эти данные на остальные четыре порта коммутатора не конфликтуя: потоки данных между узлами сети распределились так, что для каждого принимающего кадры порта есть свой выходной порт.

Если коммутатор успевает обрабатывать входной трафик при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в приведенном примере составит 4 х 10 = 40 Мбит/с, а при обобщении примера для Депортов - (N/2) х 10 Мбит/с. В таком случае говорят, что коммутатор предоставляет каждой станции или сегменту, подключенному к его портам, выделенную пропускную способность протокола.

Рис. 4. Параллельная передача кадров коммутатором

Естественно, что в сети не всегда складывается описанная ситуация. Если двум станциям, например станциям, подключенным к портам 3 и 4, одновременно нужно записывать данные на один и тот же сервер, подключенный к порту 8, то коммутатор не сможет выделить каждой станции по 10 Мбит/с, так как порт 8 не в состоянии передавать данные со скоростью 20 Мбит/с. Кадры станций будут ожидать во внутренних очередях входных портов 3 и 4, когда освободится порт 8 для передачи очередного кадра. Очевидно, хорошим решением для такого распределения потоков данных было бы подключение сервера к более высокоскоростному порту, например Fast Ethernet или Gigabit Ethernet.

Коммутатором называют устройство, позволяющее коммутировать (включать или переключать) электрические сигналы. Аналоговый коммутатор предназначен для коммутации аналоговых, т. е. изменяющихся по амплитуде во времени сигналов.

Отмечу; что аналоговые коммутаторы с успехом можно применять и для коммутации цифровых сигналов.

Обычно состоянием «включено/выключено» аналогового коммутатора управляют подачей управляющего сигнала на управляющий вход. Для упрощения процесса коммутации для этих целей используют цифровые сигналы:

♦ логическая единица - ключ включен;

♦ логический ноль - выключен.

Чаще всего уровню логической единицы отвечает диапазон управляющих напряжений, лежащих в пределах от 2/3 до 1 от напряжения питания микросхемы коммутатора, уровню логического нуля - зона управляющих напряжений в пределах от 0 до 1/3 от напряжения питания. Вся промежуточная область диапазона управляющих напряжений (от 1/3 до 2/3 от величины напряжения питания) соответствует зоне неопределенности. Поскольку процесс переключения носит, хотя и неявно выраженный, пороговый характер, аналоговый коммутатор можно рассматривать по отношению к входу управления как простейший .

Основными характеристиками аналоговых коммутаторов являются:

К числу недостатков переключателя можно отнести то, что предель-

При включении генератора оба ключевых элемента микросхемы разомкнуты. С2 через R5 заряжается до напряжения, при котором ключ DA1.1 включается. На резистивный делитель R1-R3 подается напряжение питания; С1 заряжается через R4, R3 и часть потенциометра R2. Когда напряжение на его положительной обкладке достигнет напряжения включения ключа DA1.2, произойдет разряд обоих конденсаторов, и процесс их заряда- разряда будет периодически повторяться.

Для проверки исправности элементов световой индикации необходимо кратковременно нажать кнопку SA1 «Тест».

При работе на индуктивную нагрузку (электромагниты, обмотки и т. п.) для защиты выходных транзисторов микросхемы вывод 9 микросхемы следует подключить к шине питания, как показано на рис. 23.26.

Рис. 23.24. Структурная Рис. 23.26. включения микросхемы

микросхемы ULN2003A (ILN2003A) (JLN2003A при работе на индуктивную нагрузку

UDN2580A содержит 8 ключей (рис. 23.27). Она способна работать на активную и индуктивную нагрузку при напряжении питания 50 В и максимальном токе нагрузки до 500 мА.

Рис. 23.27. Цоколевка и эквивалентная микросхемы UDN2580A

UDN6118A (рис. 23.28) предназначена для 8-и канального ключевого управления активной нагрузкой при максимальном напряжении до 70(85) В при токе до 25(40) мА. Одна из областей применения этой микросхемы - согласование низковольтных логических уровней с высоковольтной нагрузкой, в частности, вакуумными флуоресцентными дисплеями. Входное напряжение, достаточное для включения нагрузки - от 2,4 до 15 В.

Совпадают с микросхемами UDN2580A по цоколевке, а по внутреннему строению с микросхемами UDN6118A другие микросхемы этой серии - UDN2981 - UDN2984.

Рис. 23.29. Строение и цоколевка микросхемы аналогового мультиплексора ADG408

Рис. 23.28. Цоколевка и эквивалентная микросхемы UDN6118А

Аналоговые мультиплексоры ADG408!ADG409 фирмы Analog Device можно отнести к управляемым цифровым кодом многоканальным электронным переключателям. Первый из мультиплексоров (ADG408) способен переключать единственный вход (выход) на 8 выходов (входов), рис. 23.29. Второй (ADG409) - переключает 2 входа (выхода) на 4 выхода (входа), рис. 23.30.

Максимальное замкнутого ключа не превышает 100 Ом и от напряжения питания микросхемы.

Микросхемы могут питаться от двух- или однополярного источника питания напряжением до ±25 В, соответственно, коммутируемые сигналы по знаку и амплитуде должны укладываться в эти диапазоны. Мультиплексоры отличаются малым потреблением тока - до 75 мкА. Предельная частота коммутируемых сигналов - 1 МГц.

Сопротивление нагрузки - не менее 4,7 кОм при ее емкости до 100 ηФ.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. - СПб.: Наука и Техника, 2013. -352 с.

Характерной особенностью автомобиля можно считать его быстрое моральное старение, но долгую жизнь. Самое современное сегодня авто, как минимум через два года будет уже уступать другим, более новым, с улучшенными характеристиками, машинам. Но и сейчас на дорогах встречаются автомобили прошлого века. Поэтому не просто интересно, но порой и необходимо, знать хотя бы в общих чертах, что собой представляют подобные транспортные средства, их устройство, особенности, в том числе и такую вещь, как простой коммутатор зажигания, значительно изменивший возможности машины.

Что собой представляет и каков принцип работы коммутатора зажигания

Ещё на самых первых автомобилях для поджигания горючей смеси использовались системы батарейного зажигания, функциональная схема которой приведена на рисунке

Указанный рисунок позволяет понять, что ее работа основана на принципе самоиндукции. При разрыве цепи протекания тока в обмотке бобины 3, во вторичной наводится высоковольтная ЭДС, вызывающая появление искры на контактах свечи 2. Разрыв цепи вызывается размыканием контактов прерывателя 6.

Не касаясь достоинств или недостатков, следует отметить, что такая схема работала на автомобиле долгое время. И только появление новой элементной базы, дало толчок дальнейшему развитию подобного устройства, сохранив первоначальный принцип его работы.

Электронный коммутатор зажигания – следующий шаг в развитии

Самый простой и напрашивающийся вариант – использование транзисторных ключей для управления токами, протекающими через катушку зажигания . Так появился электронный коммутатор напряжения. Схема подобного простого устройства приведена ниже:


Коммутатор не влияет на первоначальный принцип работы, основанный на электромагнитной индукции. Роль электронных ключей, в качестве которых использованы транзисторы VT1 и VT2, заключается в том, чтобы уменьшить нагрузку на контакты прерывателя S1 и увеличить ток, протекающий через обмотку катушки L1. Следствием такого технического решения стало:

• повышение надежности работы всей системы зажигания;
• обеспечение возможности ее работы на больших оборотах двигателя и при высокой скорости движения;
• повышение степени сжатия.

Каким может быть коммутатор системы зажигания

Приведенная выше схема коммутатора – лишь один из вариантов, как может быть реализовано устройство зажигания. Это выполняется с использованием:

1. транзисторов;
2. тиристоров:
3. гибридных элементов;
4. бесконтактных датчиков.

Транзисторная схема коммутатора рассмотрена выше, тиристорная схема использует накопление энергии в конденсаторе, а не в электромагнитном поле катушки зажигания. В ходе работы тиристорной системы, при поступлении управляющих сигналов, схема подключает заряженный конденсатор к обмоткам катушки, через которую он и разряжается, вызывая появление искры. Не касаясь достоинств и недостатков, которыми обладает та или иная схема, достаточно сказать, что любое подобное устройство обеспечивает значительное улучшение всех параметров системы зажигания, а коммутатор со временем вытеснил обычное батарейное зажигание.

Однако необходимо отметить и ещё один этап развития системы, и коммутатора в частности. Использование электронных компонентов и введение в конструкцию автомобиля коммутатора, позволило со временем отказаться от контактного прерывателя напряжения и заменить его бесконтактным датчиком. Такая система, в отечественных автомобилях, впервые была применена в машинах ВАЗ, в частности ВАЗ 2108. Подобный принцип работы, когда коммутатор получает сигналы от специального узла, на ВАЗ 2108 реализован с использованием датчика Холла.


При рассмотрении вариантов, каким может быть устройство коммутатора, нельзя обойти вниманием развитие самой системы зажигания. Основной принцип, который реализуется при ее построении – повышение надежности и эффективности работы всей системы. Достигается это применением микропроцессорных систем, использующих показания многочисленных датчиков. Для работы с такими системами требуется, как минимум, двухканальный коммутатор, а в последнее время и отдельная катушка, и коммутатор на каждую свечу.
Такой подход – двухканальный коммутатор (в дальнейшем и многоканальный) позволяет обеспечить:

• более мощную искру;
• исключение потерь в трамблере;
• стабильный холостой ход;
• улучшенный пуск при пониженной температуре;
• снижение расхода топлива.

Стоит отметить, что двухканальный коммутатор позволяет избавиться от бегунка.

Как определить неисправность коммутатора зажигания

Введение в конструкцию автомобиля коммутатора зажигания, особенно на отечественных авто семейства ВАЗ, позволило повысить их надежность. И хотя первым серийным автомобилем с электронной системой зажигания был ВАЗ 2108, подобные устройства стали ставиться на многих других машинах, в первую очередь на классику. Однако использование такого достаточно сложного изделия привело к тому, что найти возникающую неисправность, а также проверить и отремонтировать коммутатор стало возможным по большей части только в условиях специализированных центров.
Внешними признаками, свидетельствующими, что появилась неисправность, могут быть:

1. двигатель не заводится, искры на свечах нет;
2. мотор заводится, но глохнет через несколько минут;
3. мотор работает неустойчиво, если коммутатор заменить на заведомо исправный, дефект устраняется.

Самый простой способ выявить неисправность и проверить коммутатор, как уже отмечено, – установить заведомо исправный. Из-за достаточно низкого качества коммутаторов, поступающих на комплектацию автомобилей семейства ВАЗ, в том числе и ВАЗ 2108, водителям приходится возить с собой дополнительные коммутаторы для замены отказавшего. Однако существует и косвенный принцип оценки, позволяющий проверить работоспособность изделия и выявить его неисправность.


Для этого можно воспользоваться показаниями вольтметра в комбинации прибора. Надо включить зажигание, при этом стрелка установится посередине шкалы, а немного погодя качнется вправо (из-за отключения питания катушки при неработающем двигателе). Такое поведение стрелки свидетельствует, что неисправность в коммутаторе отсутствует.
В том случае, когда вольтметра нет, чтобы проверить зажигание, потребуется контрольная лампа. Один ее конец присоединяется на массу, другой – к выходу катушки, соединенному с клеммой 1 коммутатора. Если включить зажигание, то при исправном коммутаторе через некоторое время лампа станет гореть ярче.

Однако, в некоторых случаях, неисправность зажигания не связана с отказом коммутатора. Надо проверить состояние проводов, в первую очередь контакт с массой и состояние разъемов. Также необходимо проверить датчик Холла.

Появление в конструкции автомобиля, в том числе и отечественного ВАЗ 2108, коммутатора напряжения, явилось закономерным результатом развития системы зажигания. Дальнейшим ее улучшением стало использование сначала двухканальных, а затем многоканальных коммутаторов для повышения эффективности работы.