Cours complet sur la transistorisation des allumages

ALLUMAGE ELECTRONIQUE
UTILISATION D’UN TRANSISTOR DARLINGTON DANS L’ETAGE DE PUISSANCE
par J.C Perrin et J.M Gensous
SOMMAIRE
L’ALLUMAGE MECANIQUE
Principe de l’allumage par batterie.
Description de l’allumage par batterie.
Performances de l’allumage mécanique.
L’ALLUMAGE ELECTRONIQUE
Utilisation d’un transistor en remplacement du
rupteur
Le transistor utilisé comme rupteur.
Protection du transistor.
Importance du gain minimum.
Performances de l’allumage électronique.
APPLICATIONS
Définition du transistor d’allumage.
Calcul d’un étage de puissance pour allumage
électronique
Calcul de l’étage de puissance.
Application numérique.
Augmentation de l’énergie aux régimes
élevés.
Optimisation de l’allumage électronique.
ANNEXE Exemple de maquette de tests pour
le transistor d’allumage.
INTRODUCTION
Le système d’allumage par bobine haute tension et
rupteur, aujourd’hui universellement utilisé, est très
ancien dans son principe. Il a subi de nombreux
perfectionnements, pourtant il peut difficilement
aujourd’hui satisfaire aux nouveaux critères de
fiabilité qui lui sont imposés (en particulier, une plus
grande stabilité dans le temps, du point d’avance à
l’allumage). L’utilisation d’un transistor à la place de
l’interrupteur mécanique permet de résoudre le
problème, mais il n’est pas possible d’utiliser pour cet
interrupteur électronique n’importe quel transistor.
L’étude des différents paramètres importants pour
cette application conduit à des exigences
contradictoires et, par suite, il est nécessaire de
trouver un compromis satisfaisant. Le but de cette
note d’application est de présenter un transistor
spécialement conçu pour l’allumage électronique.
Après un bref rappel du fonctionnement de
l’allumage mécanique, nous montrerons les avantages
apportés par l’utilisation d’un transistor. Nous
donnerons ensuite quelques exemples d’applications
en se limitant volontairement à la partie «puissance»
de l’allumage électronique.

ALLUMAGE MECANIQUE
Principe de l’allumage mécanique par batterie.
Les principaux éléments d’un allumage par batterie
sont représentés sur la figure 1. La batterie (E) fournit
l’énergie au dispositif et le rupteur (R) entraîné par
l’arbre à cames permet alternativement le passage et
l’interruption du courant dans le primaire de la bobine
(B). A chaque interruption du courant il apparaît au
secondaire de la bobine une tension élevée, répartie à
l’aide du distributeur (D> sur la bougie correspondant
au cylindre en compression. Une étincelle éclate entre
les électrodes de la bougie et provoque un point
chaud dans le cylindre. L’inflammation se propage
ensuite à l’ensemble du volume du cylindre. Le
condensateur (C) protège le rupteur contre les
étincelles dues à l’extra courant de rupture. Le
rupteur et le distributeur, couplés par l’arbre à cames,
font partie d’une même pièce, ‘allumeur. Cet allumeur
comporte, de plus, un système centrifuge de
modification de l’avance du point d’allumage en
fonction du régime du moteur, ainsi qu’un dispositif
d’avance en fonction de la dépression d’admission,
c’est-à- dire, suivant la charge du véhicule. En effet,
cette avance du point d’allumage, par rapport au
passage du piston à son point mort haut, est
nécessaire, compte tenu de la faible vitesse de
propagation du front de flamme dans le cylindre.
FIGURE 1
Description du fonctionnement de l’allumage
mécanique (figures 2 et 3).
Pour l’explication détaillée du fonctionnement, nous
utiliserons le schéma de la figure 2.
FIGURE 2
Les différents chronogrammes sont représentés sur
la figure 3.
FIGURE 3- Oscillogrammes d’une bobine classique

Lorsque le rupteur (R) se ferme, le courant ILp s’établit
dans le primaire de la bobine avec une constante de temps
R
L
= τ suivant la loi :
)1()(
/ τ t
e
R
E
tILp
−
−=
(1)
L et R sont respectivement l’inductance et la résistance
de la bobine. Supposons, qu’avant l’ouverture du rupteur, le
courant dans la bobine soit arrivé à sa valeur maximale,
cette hypothèse revient à admettre que le temps de
fermeture du rupteur est au moins égal à trois constantes
de temps, ce qui est vérifié aux faibles régimes du moteur.
A cet instant, l’énergie emmagasinée dans la bobine est
maximale et a pour valeur :
max
2
1
2
1
2
2
LI
R
E
L= = ω (2)
L’ouverture du rupteur provoque une surtension
dt
di
LU −= freinée par la charge de la capacité (C). Une
haute tension apparaît au secondaire et l’étincelle éclate
entre les électrodes de la bougie. La tension tombe ensuite
à la valeur déterminée par l’ionisation. L’énergie stockée
dans le primaire de la bobine est alors transférée dans
l’étincelle. A la disparition de l’étincelle, le reste de l’énergie
est dissipé dans le primaire en régime oscillant.
Pour les bobines d’allumage habituelles, le rapport de
transformation est d’environ 100. Pour un écart des pointes
de la bougie de 0,5 mm, la tension au secondaire est de
l’ordre de 20 kV pour une surtension aux bornes du rupteur
de l’ordre de 200 à 300 V.
Performances de l’allumage mécanique.
L’allumage par énergie selfique est aujourd’hui
satisfaisant, mais il possède encore quelques points faibles
que l’on va examiner avant de parler de l’allumage
électronique.
Le premier point se situe au niveau du rupteur. En effet,
il n’est pas facile d’interrompre des courants de 4 à 5 A
dans le primaire de la bobine à une cadence très élevée
avec un contact mécanique. Le problème a été
partiellement résolu par un choix judicieux de la matière
des contacts et par l’utilisation d’un condensateur en
parallèle sur le rupteur. Cette protection du rupteur n’est
cependant pas parfaite et un petit arc se produit au
moment de la séparation des contacts. Cet arc élève la
température du métal et amène la fusion et la volatilisation
d’une parcelle qui se transporte de la partie positive vers la
partie négative. Le réglage statique du point d’allumage se
modifie rapidement et il est nécessaire de procéder
périodiquement à un nouveau réglage ou à l’échange des
vis platinées. Ce phénomène est, de plus, accentué par
l’usure du touchau sur la came.
• Un deuxième point faible est dû au temps de charge de
la bobine. Comme il n’est pas possible de faire passer dans
le rupteur des courants importants, on est obligé de
disposer de bobines dont l’inductance est importante. Pour
éviter les rebondissements mécaniques, le temps de charge
de la bobine ne correspond qu’aux 2/3 du temps total
disponible (1/2 tour de moteur pour un moteur à 4
cylindres). Lorsque la vitesse du moteur augmente, le
courant dans la bobine n’a plus le temps d’atteindre sa
valeur maximale et l’énergie stockée diminue.
• Un autre point important est le réglage automatique de
l’allumage. Ce réglage d’avance est actuellement réalisé de
façon mécanique et la fiabilité ainsi que la stabilité ne sont
pas toujours suffisantes. En particulier, il ne semble pas
certain qu’un tel dispositif puisse satisfaire à des lois
d’antipollution plus sévères.
ALLUMAGE ELECTRONIQUE
Utilisation d’un transistor en remplacement du
rupteur.
Le transistor utilisé comme interrupteur (figure 4)
Pour résoudre les problèmes posés par la commutation
de forts courants dans la bobine, à fréquence élevée, il
suffit d’utiliser un transistor comme interrupteur. La bobine
d’allumage est placée dans le collecteur du transistor et la
commande du courant de la bobine se fait en agissant sur
la base.
La commande peut s’effectuer à l’aide d’un capteur
électronique ou du rupteur mécanique, mais, de toute
façon, il est nécessaire d’ajouter un transistor de
commande, utilisé, soit comme amplificateur, soit comme
étage de mise en forme. Avec le transistor, la commutation
du courant est plus rapide et ne présente pas de
phénomène de rebonds. Il est ainsi possible d’envisager la
réalisation d’un allumage fonctionnant avec des courants de
bobine plus importants.
FIGURE 4-
Protection du transistor (figure 5).
L’utilisation d’un interrupteur électronique améliore les
performances de l’allumage, mais cet avantage ne doit pas
faire oublier les limites de fonctionnement du transistor.
Lorsque le rupteur s’ouvre, la tension oscillante qui apparaît
aux bornes du primaire de la bobine présente des
alternances négatives très importantes, de l’ordre de 100V.

a) Commande par un transistor PNP
b) Commande par un transistor NPN
FIGURE 5
Ces tensions négatives ne sont pas admissibles par un
transistor et il est préférable de placer une diode
polarisée en inverse entre collecteur et émetteur. Cette
diode est conductrice à chaque alternance négative.
Lorsque le transistor se bloque, la surtension aux
bornes du primaire dépend de la résistance apparente
du circuit, c’est-à-dire de la valeur de la charge existant
aux bornes du secondaire (résistance d’étincelle). Plus
l’écartement entre les électrodes de la bougie est grand,
et plus la tension est importante. Si l’étincelle n’existe
pas (fil de bougie déconnecté), la tension col lecteur-
émetteur peut atteindre des valeurs de l’ordre de 800 V.
Il faut donc limiter la tension sur le collecteur du
transistor à une valeur inférieure à la tension de
claquage du transistor.
Pour cela, on choisit une diode Zener (Dz), dont la
tension de coude est inférieure à la tension de claquage
du transistor. Cette diode étant connectée entre le
collecteur et
la base, dès que la tension collecteur atteint la tension
de coude de la Zener, elle conduit, injecte un courant
dans la base du transistor qui devient à nouveau
conducteur. La valeur de la tension est ainsi limitée par
la diode Zener.
Importance du gain minimal
Le courant dans le primaire de la bobine peut être de
6 à 7 A et, pour un bon fonctionnement du dispositif, le
transistor doit être saturé dans tous les cas de figure. Le
cas le plus défavorable se trouve aux basses
températures puisque le gain d’un transistor diminue
lorsque la température diminue. La résistance du cuivre
diminuant aussi, c’est aux basses températures que le
courant de bobine est le plus important. Le gain minimal
d’un transistor, à —40°C pour les courants utilisés, ne
dépasse pas 10. Si l’on tient compte de la tension
maximale possible pour la batterie, le courant de base
doit être de 1 à 2 A. La résistance Ri de base doit donc
pouvoir dissiper une forte puissance. Sa valeur est de
l’ordre de 10 &2, 20W. lI en va de même pour la diode
Zener qui doit pouvoir fournir le courant de base
nécessaire à la conduction du transistor. Il est possible
de réduire le courant de commande en utilisant pour T2
deux transistors connectés en montage Darlington. Cette
solution reste très onéreuse car les deux transistors
doivent être des transistors de puissance haute tension.
La solution est plus intéressante si le transistor T2 est
constitué par un «Darlington» intégré, comme c’est le
cas du transistor proposé cans cette note d’application.
De plus, dans le cas du Darlington intégré, la diode
inverse collecteur-émetteur existe et peut être
dimensionnée de façon à supporter toute la tension
inverse. C’est là un autre avantage de ce type de
transistor. Le montage réalisé avec ce type de transistor
est représenté sur la figure 6 dans le cas d’une
commande par transistor NPN.
FIGURE 6
Performances.
L’utilisation d’un transistor à la place du rupteur
mécanique permet d’augmenter la fiabilité du système
dans des proportions très importantes, surtout si le
capteur est sans contact. Même dans le cas où l’on
conserve le rupteur mécanique comme capteur,

le réglage est plus stable dans le temps puisque l’usure
des vis platinées est très faible.
Une autre caractéristique importante du transistor est
de pouvoir interrompre des courants très importants
dans la bobine. Il est donc facile de concevoir un
allumage dont l’énergie d’étincelle est supérieure à celle
d’un allumage mécanique, ce qui permet l’utilisation du
véhicule même avec des bougies déréglées ou
encrassées.
On peut aussi utiliser une bobine avec une constante
de temps propre plus faible ce qui conduit à un meilleur
remplissage de la bobine à haut régime. L’énergie en
fonction du régime est plus régulière.
Un autre avantage apporté par l’allumage électronique
est lié au temps de commutation du transistor. Pour
obtenir au primaire de la bobine une surtension correcte,
il faut que le temps d’ouverture du rupteur soit très
inférieur au temps de montée de la surtension sinon une
partie de l’énergie est perdue. Ce n’est pas le cas du
rupteur mécanique dont le temps d’ouverture dépend de
la vitesse de passage de la came à titre d’exemple, on a
représenté (figure 7) la variation du temps d’ouverture
du rupteur en fonction du régime de rotation du moteur.
On voit que le temps d’ouverture est très important au
moment du démarrage du moteur.
FIGURE 7-
Pour le transistor, le problème est différent puisque le
temps de blocage est constant et ne dépend pas de la
came (environ 20 as). L’énergie disponible aux basses
vitesses et au démarrage est donc mieux utilisée et ceci
malgré la tension de saturation du transistor. Cette
amélioration de l’allumage est accentuée par la présence
de la diode de protection entre collecteur et émetteur.
Cette diode en écrêtant la première alternance négative
provoque une polarisation de la tension secondaire qui
se traduit par un courant moyen de début d’étincelle
plus intense. La figure 8 représente le courant
d’étincelle.
a) dans le cas d’un allumage mécanique
b) dans le cas de l’allumage à transistor avec la même
bobine
FIGURE 8- Comparaison des courants d’étincelle
a) pour un allumage mécanique
b) pour un allumage à transistor
FIGURE 9-