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Die CDI

Die CDI (Capacitor Discharge Ignition) liefert die Zündimpulse für den Motor. Sie ist ein kleines schwarzes Kästchen dass unter der Heckverkleidung sitzt. Man kann sie sehen wenn die Sitzbank abgenommen ist.

Die CDI ist eine "echte CDI", keine normale "induktive" Zündung, d.h. es wird zur Zündung eine Spannung von einigen 100 Volt auf die Zündspule geschaltet. Sie benötigt daher eine spezielle, passende Zündspule.

Varianten

Von der CDI gibt es 3 (mir bekannte) Varianten. Man kann sie an Hand der aufgedruckten Teilenummer unterscheiden:

- 16.754.126: ungedrosselt (RT, SM und SX)
- 16.754.127: 80Km/h (RT und SM)
- 16.754.134: 80Km/h (SX):

Bei den "80Km/h Varianten" wird zusätzlich die Geschwindigkeit überwacht. Die Drossellung wird aktiv sobald die zulässige Höchstgeschwindigkeit erreicht ist und unterbricht die Zündung. Die gedrosselten Versionen unterscheiden sich wegen der unterschiedlichen Hinterrad-Durchmesser (RT und SM 17'', SX 18''). Diese Begrenzung der Führerscheine für Leichtkrafträder bis 125 ccm Hubraum wurde 2013 aufgehoben.

Hersteller der CDI ist (vermutlich) die Firma Hidria oder ISKRA AET.

Das Zündsystem Übersicht

Die Verschaltung der Zündanlage und des Ladereglers in der Übersicht.



Der 80km/h Sensor ist nur in der gedrosselten Variante vorhanden.

Am Spannungsregler ist eine gestrichelte Leitung eingezeichnet. Scheinbar ist das eine optionale Varianten mit aktiver Spannungsregelung. Mit dieser Art von Regelung habe ich allerdings keine guten Erfahrungen gemacht.., aber das ist ein anderes Thema.

Als Regler wurden über die Zeit 2 unterschiedliche Typen verwendet. Der älter Typ soll ein SH626-12 von Shindengen sein, 1-phasig, 13.8..14.4V, 14A.

Als Ersatz kann man auch moderne 3-phasige Regler benutzen (z.B. einen FH012 mit Mosfets) und den unbenutzen Eingang offen lassen.

Elektrische Signale der CDI

Die CDI (gedrosselte Ausführung) hat die folgenden elektrischen Anschlüsse:
- Zündspule: 2 lange Kabel, führen direkt zur Zündspule.
- Drehzahlsignal: 2 Leitungen, gehen zum Geber auf der Kurbelwelle.
- Tachosignal: 2 Leitungen, ein Schalter an der Hinterachse liefert bei jeder Drehung einen Impuls (fehlt bei der ungedrosselten Ausführung).
- Stromversorgung: 3 Leitungen, plus/minus Versorgung von der Batterie.
Der mittlere Kontakt des 3-poligen Steckverbinders liefert ein sauberes Drehzahlsignal (0..12V Pegel), z.B. zur Ansteuerung eines Drehzahlmessers. Ab Werk wird diese Signal nicht verwendet.

Die 3 Masseleitungen sind intern verbunden.

Drehzahlgeber (Pickup)

Der Pickup sitzt direkt an der Lichtmaschine. Er arbeitet induktiv/magnetisch, d.h. sobald sich das Magnetfeld vor der Spule verändert wird eine Spannung induziert. Dazu sitzt eine kleine Platte auf dem Rotor. Die Impulse sind positiv und negativ. Der Sensor "schwebt" elektrisch, er ist nicht auf Masse bezogen, die Eingänge der CDI sind über Kondensatoren gekoppelt.

Zündspule

Die Zündspule ist eine Ausführung die für CDI-Zündanlagen ausgelegt ist. Sie kann NICHT durch solche von einer "normalen", induktiv arbeitenden Zündung ersetzt werden.

Tachosignalgeber für die gedrosselte CDI

Das Tachosignal für die gedrosselte Version kommt von einem Geber/Schalter an der Hinterradachse (der mechanische Tacho im Cockpit hat einen eigenen, mechanischen Tachogeber am Vorderrad).



Es ist ein passiver Reed-Näherungsschalter MK2/0 1A71 der Firma "Meder electronic". Im Gehäuse ist neben dem Reed-Kontakt auch ein Permanentmagnet eingebaut. Sobald Eisen, oder ein anderes magnetisierbares Metall, in die Nähe kommt wird der Schalter geschlossen. Dazu dient der Kontaktring (rechtes Bild) der in der Radnabe klemmt. Bei jeder Umdrehung bewegt sich die Metallfahne am Kontakt vorbei und erzeugt einen Impuls.

Der Geber macht gerne mal Ärger. Sobald er kein Signal mehr liefert schaltet die CDI in ein Notprogramm und begrenzt die Drehzahl auf 6500Umin. Man kann den Geber mit einem einfachen Multimeter testen: Sobald die Metallfahne in der Nähe ist muss der Gebers auf 0 Ohm schalten. Metallspäne oder magnetische Befestigungsschrauben können die Ursache sein falls dies nicht der Fall ist.

Das Tachosignal-Kabel, aus der CDI kommend, hat eine Leerlaufspannung von 5V mit einem Innenwiderstand von 3k3 Ohm. Der Reed-Schalter schaltet dieses Signal direkt auf Masse. Die CDI erkennt ein Schalten aber bereits sobald die Spannung 1.2V unterschreitet.

Messungen

Die normale obere Drehzahlgrenze der CDI liegt bei 10500 U/min. Bei der gedrosselten Version wird zudem oberhalb einer Geschwindigkeit von 80Km/h die Zündung unterbrochen, dies entspricht einer Drehzahl von ca. 6700U/min im 6ten Gang. Die untere Drehzahlgrenze liegt bei 1300U/min, darunter geht der Motor aus. Die Begrenzung wird durch hartes Abschalten der Zündimpulse erreicht.

Bei fehlendem Tachosignal (gedrosselte Variante) wird die Drehzahl generell auf 6500U/min begrenzt. Dadurch ist auch die Drehzahl im Stand (im Leerlauf) begrenzt.

Das Gangdiagramm zeigt das es möglich ist die 80Km/h in allen 3 höchsten Gängen zu erreichen


Die gemessene Verschiebung des Zündzeitpunkts über der Drehzahl hat folgenden Verlauf:

Entdrosseln

Mit dem Jahr 2013 ist die Beschränkung der A1-Führerscheine auf 80Km/h entfallen. Es besteht daher kein zwingender Grund mehr den Motor zu drosseln. Da das Motorrad im Ursprungszustand bereits ungedrosselt ausgelegt ist geht das problemlos. Beim TÜV kann man sich die höhere Endgeschwindigkeit eintragen und die Drosselung aus den Papieren streichen lassen.

Die Drossel zu deaktivieren ist nicht sehr schwierig. Die einfachste Methode ist eine "offene" CDI einzubauen. Diese sind aber mittlerweile schwer zu bekommen und/oder entsprechend teuer.

Genau die gleichen Ergebnisse erhält man mit einer Entdrossel-Schaltung. Eine entdrosselte CDI verhält sich identisch wie eine offene. Das Prinzip ist simpel: Der (gedrosselten) CDI wird ein konstantes Tachosignal vorgegaukelt dass unterhalb der 80Km/h Grenze liegt.

Dazu eine kleine Rechnung:
Der Hinterreifen hat die Dimension 130/70 und 17 Zoll Durchmesser. Der Umfang beträgt somit 1928mm. Bei jeder Umdrehung liefert der Tacho-Sensor genau einen Tachoimpuls. Umgerechnet sind das 0.519 Impulse pro Meter. Auf einer Strecke von 80Km sind es 41487 Impulse. Angenommen ich benötige für diese Strecke genau 1 Stunde (=3600 Sekunden) dann entspricht das 11.52 Impulsen pro Sekunde (=41487/3600).

Oder anders ausgedrückt, sobald die Frequenz der Tachosignale 11.52 Hertz überschreitet wird die Drossel aktiv und die Zündimpulse abgeschaltet.

Eine Lösung wäre an Stelle des Tachosignals einen Tongenerator anzuklemmen der eine konstante Frequenz von z.B. 5Hz liefert. Die Frequenz sollte nicht zu niedrig sein, weil das Tachosignale erst oberhalb von ~0.3Hz (~ 2Km/h) als gültig erkannt wird.

Oder man nimmt einen Frequenzteiler durch 2 (z.B. ein Flip-Flop) und halbiert das Signal vom Tachosensor. Bei Stillstand hat man dann immer noch die 6500 U/min Grenze, kann ja auch mal nützlich sein.

Wer es sehr einfach haben möchte kann z.B. einen einfachen Taktgenerator einsetzen. Diese basieren meist auf einem NE555 IC und einem Spannungsregler. Normalerweise wird man in den Schaltungsbeispielen fündig. Reichelt oder Conrad bieten auch häufig Bausätze an. Wichtig ist nur das die Signalfrequenz irgendwo im Bereich 1 .. 10 Hz liegt und eine Amplitude von nicht mehr als 5V am Ausgang anliegt.

Eine weitere sehr einfache Lösung soll(?) mit einer einzelnen Blink-LED zu realisieren sein. Bei meinen Tests passten aber die Amplituden nicht, möglicherweise gibt es einige spezielle Blink-LEDs mit denen es trotzdem klappt.

Wer eine andere erprobte Lösung gefunden hat kann sich gerne bei mir melden, ich übernehme die Beschreibung dann auf diese Seite.

Anti-Drossel-Schaltung

Die folgenden Bilder zeigen meine erste Schaltung die auf der Platine der Mini-Ganganzeige basiert. Sie wird in die Leitung vom Geschwindigkeitssensor zur CDI eingeschleift:



Sie liefert am Ausgang ein geschwindigkeitsunabhängiges, konstantes Signal mit einer Frequenz von 7.5Hz und einer Amplitude von 5V. Am Eingang wird der Reed-Kontakt angeschlossen.

Tachosignal Fake Simple ("Speedy")

Die Schaltung von oben war mir noch etwas zu kompliziert und aufwändig und ich habe mir weitere Gedanken gemacht. Das Ergebnis ist eine extrem einfache Schaltung zur Entdrosselung die ohne extra Betriebsspannung auskommt. Sie wird einfach an Stelle des Reed-Schalters an die CDI angeschlossen. Sie liefert ein konstantes Pseudo-Tachosignal von ca. 6Hz, wodurch die CDI nicht in die 80Km/h Begrenzung geht.


Zur Funktion:
Der 3µ3 Kondensator wird über den 15k Widerstand vom Tachosignal-Eingang aufgeladen (wie oben beschrieben liefert der Eingang der CDI einen kleinen Strom nach "aussen"). Die beiden Transistoren bilden einen Thyristor der "zündet" sobald der Kondensator weit genug aufgeladen ist (ca. 4.8V). Dadurch wird der Kondensator wieder entladen und gleichzeitig über die Diode ein Kurzschluss am Eingang erzeugt. Der Vorgang wiederholt sich mit einer Frequenz von ca 6Hz. Die Spannung am Tachosignal-Eingang wird somit periodisch nach unten gezogen, genau wie beim originalen Reed-Schalter. Die Werte von R2 und C1 bestimmen die Frequenz mit der sich der Vorgang wiederholt und sollten deshalb ungefähr eingehalten werden.

Die LED dient nur als Montagehilfe und ist nicht unbedingt notwendig. Sie leuchtet wenn die Schaltung falsch herum gesteckt ist!.
Der Grund dafür ist dass die Stecker nicht bei allen CDIs identisch herum verdrahtet sind! Man kann die Masse-Seite des Reed-Schalter-Steckers aber auch leicht mit einem Multimeter ausklingeln. Oder sich an diesem Bild orientieren.

Hier ein paar Bilder von einem Prototypen. Das Reed-Schalter-Kabel an der CDI wird einfach abgezogen und die Schaltung aufgesteckt.




Die Steckverbinder an der CDI stammen von TYCO-Electronics und tragen die Bezeichnung "Superseal", zu bekommen bei z.B. "Reichelt Elektronik". Eigentlich braucht man die aber nicht weil es keinen Grund gibt die Schaltung jemals wieder auszubauen. Direktes Anlöten ist daher eine gute Lösung. Dabei auf die korrekte Polung achten!
Zum Schutz gegen Feuchtigkeit sollte die Schaltung mit ein paar Tropfen Epoxi versiegelt werden.
Viel Erfolg beim Nachbau.

Speedy kaufen

Solche Entdrossel-Schaltungen werden häufig auf z.B. Ebay angeboten. Wer sowas nicht selbst aufbauen kann ist damit gut bedient. Im Prinzip funktionieren sie alle identisch, wie weiter oben beschrieben. Meistens benötigen sie aber eine zusätzliche 12V Spannung.

CDI direkt entdrosseln

Wer mutig ist und die passenden Werkzeuge hat kann die Drosselung auch direkt innerhalb der CDI deaktivieren. Dazu muss man das Gehäuse auf der Unterseite an der gezeigten Stelle öffnen, den Verguss entfernen und die Platine modifizieren. Der Vorteil ist das man keinerlei zusätzliche Schaltung benötigt.


Das Foto zeigt einen Ausschnitt um den Hauptprozessor (ein PIC16C54).

Die Drosselfunktion sitzt in einem kleinen Extra-Einlötmodul innerhalb der CDI. Das Modul ist auf den Bildern nicht sichtbar, es sitzt im Verguss auf der Oberseite. Es fehlt in den ungedrosselten Ausführungen.

Das Modul ist an den 6 gezeigten Stellen mit der Hauptplatine verbunden ist. Das rot markierte Signal (RB2, Pin [8]) ist das entscheidende. Wenn man dieses Signal unterbricht ist die Drossel deaktiviert.

- Den Lötpin elektrisch isolieren. Dazu die 2 Leiterbahnen an den markierten Stellen unterbrechen.
- Durch die Unterbrechungen ist leider auch der benachbarte Widerstand nicht mehr mit dem Prozessor verbunden. Deshalb muss eine Drahtbrücke vom Pin[8] des Prozessors zum Widerstand einfügt werden (bzw. zu dem freien Pad daneben).

Fertig :)

Messungen

Zum Messen emuliert ein Signalgenerator den Drehzahlgeber. Die Impulse haben leicht unterschiedliche Amplituden, sollte zum Testen aber ausreichen.


Das Drehzahlgebersignal geht in der CDI balanciert auf 2 identische Eingangsstufen. Die Stufen erhalten daher um 180 Grad gedrehte Signale (= invertiert). Jede Stufe reagiert nur auf die für sie positive Flanke. Der Transistor invertiert und erzeugt saubere 5V Logiksignale (active low) die zum PIC gehen.
Die Dioden sind vom Typ BAV99 (Silizium, schnelle Schaltdiode), die Transistoren BC817 (Standard, NPN).
Die notwendige Mindestamplitude liegt geschätzt bei ca. 1.5V, entsprechend 3V Peak-Peak.



Nach meinen kurzen und vorläufigen Messungen wird scheinbar nur das positive Signal ausgewertet und liefert einen Zündimpuls. Als Folge spielt die korrekte Polarität des Drehzahlgebers eine wichtige Rolle. Bei falscher Polung wäre der Zündzeitpunkt um die Breite des Metallplättchens auf dem Rotor verschoben!

In meinem CDI-Exemplar war eine der auf Masse geschalteten Eingangsdioden defekt, hatte einen Kurzschluss. Sie ist für den Rückwärtsstrom des negativen Impuls wichtig. Die Signalformen wurden dadurch deutlich deformiert. Möglicherweise hat das Einfluss auf den Zündzeitpunkt und könnte die Ursache für den Ausfall der CDI gewesen sein.

Der PIC berechnet aus dem Abstand der Impulse die Drehzahl und daraus die Lage des Zündzeitpunkts, vermutlich über eine interne Tabelle. Der Zündimpuls steuert den Thyristor. An seiner Anode sitzt der Zünd-Kondensator der auf ca. 270V aufgeladen ist. Wenn der Thyristor zündet wird der Kondensator über die Zündspule (Primärseite) entladen, und erzeugt den Funken.

CDI testen

Von der Elektronikplatine habe ich einen teilweisen Schaltplan erstellt. Dazu ein paar Messungen mit einem Multimeter, direkt an den Anschlussdrähten. Diese Werte können als Vergleich genommen werden um die CDI mit einfachen Mitteln auf grobe Defekte zu prüfen.

Die oben gezeigte CDI hatte ich als defektes Beispiel bekommen. Und tatsächlich konnte ich feststellen dass einer der Pickup-Eingänge einen Fehler hat. Eine der Eingangsdioden war durchgebrannt, was mit einem Diodentest leicht feststellbar ist.

Die Messwerte werden abhängig vom verwendeten Multimeter-Typ schwanken. Aber die Grössenordnungen sollten passen.

Vorab zur Orientierung die Lage der Kabel, deren Funktion und Farben. Im rechten Teil ist der wesentliche Teil der zugehörigen internen Schaltung zu sehen.


Die Widerstandswerte im spannungslosen Zustand:


Eine Diodentest-Messung gibt folgendes Bild:


Wenn die CDI mit 12V versorgt wird erhält man die folgenden Spannungen (gegen Masse):


Für die folgende Messung benötigt man ein Oszilloskop und einen Signalgenerator. Damit ist eine weitgehend realistische und komplette Funktionsprüfung möglich.

Der Signalgenerator am Eingang "Pickup 1" sorgt für die Zündimpulse. Als Dummy-Zündspule wurde ein 10 Ohm Widerstand angeschlossen. Die Spannung für die Zündspule ist ein schmale "Nadel" mit ca -270V Amplitude. Der Abstand zwischen Triggerimpuls und Zündimpuls verändert sich mit der Frequenz des Triggers. Die Zeitdifferenz entspricht der Zündverstellung.

Zündspule testen

Die Nominalwerte der Widerstände der Zündspule sind 0.72 Ohm (primär) und 7.6K Ohm (sekundär).


Selbst wenn diese Werte stimmen kann man aber nicht sicher sein das die Spule intakt ist. Die Hochspannung "sucht sich ihren eigenen Weg". Ob die innere Isolierung intakt ist kann man so nicht testen.

Eine simple Methode wäre eine passende, lange Schraube an Stelle der Zündkerze zu verwenden (oder irgendwas anderes metallisches). Das Ende wird so platziert dass ein Abstand von ~1cm zur nächsten Masse entsteht. Um einen Abstand von 1cm in Luft zu überspringen muss eine Spannung von ~10KV anliegen. Das ist so ungefähr der Mindestwert für eine Zündung. (Wegen des Überdrucks im Zylinder kann der Funke dort nur eine wesentlich keinere Distanz überbrücken)