Istoria bobinelor de inducție

Deși sistemele de aprindere au evoluat de-a lungul timpului - îndeosebi prin încorporarea electronicii - acestea dețin încă semnele distinctive ale sistemelor originale de aprindere, ce au fost introduse acum mai bine de 100 de ani.

Primul sistem de aprindere pe bază de bobină este creditat inventatorului american Charles Kettering, ce a dezvoltat un astfel de sistem pentru un producător auto major, în anii 1910/1911.

Pentru prima dată, el a conceput un sistem electric ce alimenta motorul demarorului și sistemul de aprindere, în același timp. Bateria, un generator și un sistem electric mai complet au furnizat o sursă electrică relativ stabilă pentru bobina de inducție.

Sistemul Kettering (Fig. 1) a utilizat o singură bobină de inducție pentru producerea unei tensiuni ridicate, ce se transmitea mai departe rotorului și care direcționa tensiunea către o serie de contacte electrice localizate în ansamblul distribuitorului (câte un contact pentru fiecare cilindru). Aceste contacte erau conectate prin firele la bujiile cu scânteie într-o secvență ce făcea posibilă distribuția tensiunii ridicate către bujii, în ordinea corectă.

Fig 1: Componentele principale ale unui sistem Kettering

Sistemul de aprindere Kettering a devenit practic singurul sistem de aprindere pentru mașinile pe benzină produse în masă și a rămas așa până la apariția sistemelor controlate electronic în anii 1970 și 1980.

Principiul de bază al unei bobine de inducție

Pentru a furniza tensiunea necesară, bobinele de inducție utilizează principiile ce țin de  electricitate și magnetism.

Atunci când un curent electric trece printr-un conductor electric, precum o bobină din fire, se va crea un câmp magnetic în jurul bobinei (Fig. 2). Acest câmp magnetic (mai exact, de flux magnetic) este de fapt un depozit de energie, ce poate fi ulterior convertită înapoi în electricitate.

Fig 2: Crearea unui câmp magnetic prin trecerea curentului electric printr-o bobină

Atunci când este pornit curentul electric, fluxul de curent crește rapid până la valoarea sa maximă. Simultan, câmpul magnetic va crește în mod progresiv și va deveni stabil, atunci când curentul electric este stabil. Când se oprește curentul electric, câmpul magnetic se va retrage în interiorul bobinei.

Sunt 2 factori principali ce afectează puterea unui câmp magnetic:

•  Creșterea curentului electric aplicat va crește și puterea câmpului magnetic.
• Cu cât există mai multe spirale în bobină, cu atât va fi mai puternic câmpul magnetic.

Utilizarea unui câmp magnetic în mișcare pentru a induce curent electric

Dacă o bobină este expusă unui câmp magnetic și acest câmp magnetic se schimbă (sau se mută), va crea un curent electric în bobină. Acest proces se cheamă ”inductanță”.

Acest lucru poate fi demonstrat prin mișcarea unui magnet permanent de-a lungul bobinei. Mișcarea în câmpul magnetic va induce un curent electric în bobină. (Fig. 3)

Fig 3: Un câmp magnetic în mișcare induce un curent electric în bobină

Există 2 factori principali ce influențează câtă tensiune este indusă în bobină:

1. Cu cât este mai rapidă schimbarea (sau viteza mișcării) câmpului magnetic, cu atât este mai mare schimbarea puterii câmpului magnetic, și implicit, a tensiunii induse.
2. Cu cât există mai multe spirale în bobină, cu atât va fi mai mare tensiunea indusă.

Utilizarea ”prăbușirii” câmpului magnetic pentru a induce curent electric

Atunci când un câmp magnetic a fost creat prin aplicarea curentului electric într-o bobină, orice schimbare a curentului electric (creștere sau scădere a fluxului de curent) va crea aceeași schimbare a câmpului magnetic. În cazul în care se oprește curentul electric, câmpul magnetic se va prăbuși. Această situație va induce curent electric în bobină (Fig. 4)

Fig 4: Dacă se oprește curentul electric utilizat pentru crearea unui câmp magnetic, acesta se va prăbuși, fapt ce induce curent electric în bobină.

În același mod precum creșterea vitezei de mișcare a unui câmp magnetic de-a lungul unei bobine  (ce va crește tensiunea indusă în bobină), dacă prăbușirea câmpului magnetic se poate face mai rapid, acest lucru va induce o tensiune mai ridicată. Suplimentar, poate fi crescută tensiunea indusă în bobină prin creșterea numărului de spirale ale bobinei.

Inductanță mutuală și acțiunea de transformare

În cazul în care se alătură 2 bobine și se utilizează curentul electric pentru a crea un câmp magnetic în jurul unei bobine, acest câmp magnetic va împrejmui și cea de-a doua bobină. Atunci când se oprește curentul electric și se prăbușește câmpul magnetic, va fi indusă o tensiune în ambele bobine. Această situație e denumită și ”inductanță mutuală”. (Fig. 5)

Fig 5: Câmpul magnetic al bobinei principale va înconjura și bobina secundară. Prăbușirea câmpului magnetic va induce curent electric în ambele

Pentru bobinele de inducție (și mulți alți transformatori electrici), bobina secundară are mai multe spirale decât cea principală. Atunci când se prăbușește câmpul magnetic, va fi indusă o tensiune mai ridicată în bobina secundară decât cea principală (Fig. 6)

Fig 6: Aici, bobina secundară are mai multe spirale decât cea principală. Atunci când se prăbușește câmpul magnetic, tensiunea din bobina secundară va fi mai ridicată decât cea din bobina principală.

De regulă, bobina principală va conține între 150 și 300 de spirale; pe când cea secundară va avea între 15.000 și 30.000 de spirale (sau de 100 de ori mai multe decât cea principală).

Câmpul magnetic este inițial creat atunci când sistemul electric al vehiculului aplică aprox. 12 milioane de Volți în circuitul principal al bobinei de inducție. Atunci când e necesară scânteia pentru o bujie cu scânteie, sistemul de aprindere va întrerupe fluxul de curent către bobina principală, ceea ce va duce la prăbușirea câmpului magnetic, fapt ce va induce o tensiune de 200 Volți în bobina principală și de aprox. 20.000 de Volți în cea secundară.

Prin utilizarea efectelor de inductanță mutuală și a bobinei secundare, este posibilă transformarea sursei originale de 12 V într-o tensiune mult mai mare. Procesul de schimbare a unei tensiuni scăzute în tensiune ridicată se numește ”acțiune de transformare”.

Într-o bobină de inducție, cele 2 circuite (principal și secundar) sunt înfășurate pe un miez de fier, ce ajută la concentrarea câmpului magnetic, sporind astfel eficiența bobinei de inducție.