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CDI intern, Zerlegen und Analysieren der CDI, V1

Die Elektronik der CDI ist mit einer elastischen Füllmasse vergossen. Den Verguss zu entfernen ist recht aufwändig, besonders wenn man dabei keine Bauteile beschädigen möchte. Hier einige Bilder vom Entpacken. Es handelt sich um eine vermutlich defekte Einheit aus einem ungedrosseltem Modell.

Bauteile

Auf der Platinenoberseite sitzen alle bedrahteten Bauteile, auf der Unterseite alle SMDs. Die wichtigsten Komponenten sind direkt erkennbar.
Auf der Oberseite:
- ein Folienkondensator der die Zündenergie speichert
- ein Transformator zur Erzeugung der Hochspannung
- der zugehörige Schalttransistor
- 2 Leistungsdioden
- 4 Elkos
- ein Reset-Baustein und ein Keramikresonator für den Mikroprozessor

Auf der Unterseite:
- der Mikroprozessor (PIC16C54C)
- ein UC2845D DC-DC Controller für die Hochspannung
- ein Thyristor zum Schalten der Zündenergie
Hinzu kommen jede Menge SMD-Komponenten.

Besonders bei den SMDs ist eine klare Identifizierung und Funktion nicht immer möglich. Häufig haben sie nur ein Kürzel aufgedruckt und die verfügbaren "Marking Code" Tabellen für Halbleiter sind mehrdeutig. Alles folgende ist daher ein "best match" auf Basis der Gehäuseform und der vermutlichen Funktion im Schaltplan.

Der Schaltplan

Mit viel Geduld, diversen Messungen und einer guten Lupe konnte ich die Verschaltung der Bauteile herausfinden.

Funktionen

Die zentrale Steuerung wird von einem PIC16C54 übernommen. Laut Datenblatt hat er überraschend wenig Speicher, 512 Byte Eeprom und 25 Byte RAM. Für das Clock-Signal wird ein 16MHz Keramik-Resonator verwendet.

Zur Kontrolle der Reset-Leitung des PIC wird ein MCP100 eingesetzt, ein "Prozessor-Überwacher". Eine übliche Methode um beim Aufstarten, oder bei Unterspannung, saubere Reset-Signale zu erhalten.

Der UC2845D ist DC-DC Konverter (Texas Instruments). Er erzeugt und regelt die ~270V für den Zündkondensator. Seine Grundfrequenz beträgt 100kHz. Der zugehörige Mosfet Q2 (IRF540) schaltet das PWM Signal für den Transformator (U$3). Die Spannungsregelung erfolgt über R29/R22/R26. Zusätzlich wird über R28/R17 der maximale Strom überwacht. Die Versorgungsspannung wird über T4 geregelt.

Die Hochspannung wird durch D1 gleichgerichtet und lädt C17 auf. Der Thyristor U$1 (BT258) erhält seinen Schaltimpuls vom PIC. Die Spannung wird dann auf die Anschlüsse der Zündspule geschaltet.

Die Signalaufbereitung der Signale vom Pickup beginnt links oben. T1 und T2 bringen die Signale auf Logikgpegel.

T3 sendet das Drehzahlsignal wieder nach aussen, für einen optionalen Drehzahlmesser.

Diese CDI ist eine ungedrosselte Ausführung (das Kabel zum Tachogeber fehlt). Es sind keine zugehörigen Bauteile zu finden. Der Pfad auf der Platine endet blind in einer Bohrung in der Nähe des PIC.

80km/h Drossel

Die Drosselung auf 80km/h wird durch eine kleine Zusatzschaltung realisiert. Sie ist nur in den CDI-Varianten 16.754.127 und 16.754.134 bestückt.



Auf der Platine sitzt ein PIC12F508A Mikroprozessor. Er wertet die Tachosignale des Extra-Gebers am Hinterrad aus (der "normale" Tacho ist mechanisch und mit dem Vorderrad verbunden). Sobald die Frequenz der Signale ausserhalb des Bereichs ~0.3 .. 11.5Hz (= 2 .. 80km/h) liegt wird Pin[7] auf high gesetzt. Diese Signal geht an Pin[8] des PIC auf der Hauptplatine, der darauhin die Zündung unterbricht.

Pin[4] des PIC12F508A ist mit dem Rest-Kontroller MCP100 verbunden.

Die restlichen Kontakte gehen auf +5V und auf Masse (2x).

Transformator

Der unbekannte Transformator ist Teil des DC-DC Konverters rund um das UC2845 IC der die 270V erzeugt. Die Abmessungen sind 16x16x14mm. Der Aufdruck lautet "45G 006". Von den 5 Anschlussbeinchen sind 4 belegt, jeweils 2 für Primär- und Sekundärwicklung. Er hat 2 verklebte E-Kerne aus Ferrit.



Soweit erkennbar sind Primär 14 Wicklungen vorhanden. Wenn man, für eine erste Abschätzung, das Spannungsverhältnis benutzt (270V/12V = 22.5) dann sollte die Sekundarseite 315 Windungen haben.

Eine improvisierte Messung der Einzel-Induktivitäten (über die Frequenz der Parallelresonanzen mit einem bekannten Kondensator) ergab einen Wert von 35uH (primär), bzw 8.3mH (sekundär). Da die Induktivität quadratisch von der Windungsanzahl abhängig ist errrechnen sich 216 Windungen für Sekundär.

Der tatsächliche Wert für die Anzahl der Sekundär-Wicklungen wird wohl irgendwo dazwischen liegen.

Eine Google-Suche nach "45G 006" oder den Abmessungen brachte keine brauchbaren Ergebnis. Die meisten Übertrager scheinen Spezialanfertigungen zu sein, keine Katalogware. Deshalb habe ich einfach mal "45G" als Bezeichner für das Kernmaterial angenommen. Das führte mich zu Ferrit-Vergleichstabelle 1 und Ferrit-Vergleichstabelle 2 in der 45G mit dem Hersteller ISKRA verknüpft ist. ISKRA ist ein Unternehmen aus der Elektronidustrie mit Sitz in Slowenien. Da auch die CDI vermutlich von dort kommt (Hidria AET) erscheint mir das plausibel.

Den Transformator findet man damit leider nicht. Aber immerhin ist das Ferritmaterial höchst wahrscheinlich die Mischung 45G.

Die erste Vergleichtabelle listet Siemens (aus welchen Jahrhundert kommt denn diese Liste ..?) mit N67, die zweite EPCOS mit ebenfalls N67. Auch hier wieder etwas Strinrunzeln ob das alles noch glaubhaft ist, weil N67 mittlerweile (laut EPCOS) durch N87 ersetzt wurde.

Wie kommt man jetzt zu einem neuen Transformator?
Trotz der vielen Annahmen und abenteuerlichen Herleitungskette denke ich das man sich damit den Daten des Transformator schon sehr stark annähert. Ein Transformator-Experte wird sicherlich mit ein paar schlauen Messungen alle fehlenden Infos herausfinden können. Und Empfehlungen für die Einzelteile geben können. Ich leider nicht..

Dioden

Der Schaltplan enthält insgesamt 7 Dioden.
- D1, eindeutig markiert, BYV26, eine schnelle Leistungsdiode.
- D5, eindeutig markiert, SUF15J, eine "fette", sehr schnelle Diode.
- D7, Marking "GM 07", vermutlich eine GF1M, ebenfalls eine Leistungsdiode.
- D4, Marking "L6 A2", vermutlich BAT46W, Schottky-Diode

- U$4, U$5 und U$6 tragen alle das Marking "M3", sind aber nicht identische Typen! Eine fiese Falle in die ich auch erstmal getappt bin. Der Schaltplan wollte auch nicht so recht dazu passen. Deshalb habe ich sie einzeln vermessen. U$4 ist eine 12V Z-Diode, die beiden anderen sind Schottky-Dioden für kleine Leistungen.

Kondensatoren

Bei den Elkos gibt es keine Überraschungen, die Bauteilwerte sind aufgedruckt. Fast alle sind aber nur für 85°C gerated, da würde ich 105°C Typen einsetzen, um mehr Reserve für die Lebensdauer zu haben.

C15 (470u/25V) ist der Haupt-Filterkondensator und sitzt am Eingang der 12V Versorgung, und damit am Bordnetz. Er bekommt direkt "den ganzen Dreck ab". Ob die 25V ausreichend sind? Ich würde da höher gehen..

Die SMDs zu vermessen war mir bisher zu mühsam..


C17 ist der Ladekondensator für die Zündung, der Namensgeber für die CDI.


Es ist ein Kunststofffolienkondensator (sorry für das Wortungetüm). Der Aufdruck sagt "1u5/250V". Er kommt mir für die prominente Aufgabe mechanisch etwas mickerig vor.. Die dauernden Pulse sind bestimmt nicht einfach zu überstehen. Im Ersatzfall würde ich hier in der Spannungsfestigkeit eine Nummer höher gehen und einen namhaften (teuren) Hersteller verwenden.

Die folgenden Bilder zeigen den Spannungsverlauf am Stecker zur Zündspule in verschiedenen Zeitauflösungen. Dies entspricht dem Spannungsverlauf an C17. An Stelle der Zündspule war ein 3 Ohm Widerstand als Last angeklemmt.



Die Entladekurve verändert sich wenn die Last auf 1.5 Ohm reduziert wird.


Sinn der Übung ist zu ermitteln wie hoch die Spannungsänderung pro Zeit ist.
Die reale Zündspule hat einen (DC-) Widerstand von 0.72 Ohm und eine erhebliche Induktivität. Die fallende Flanke (dV/dt) liegt im Peak bei ~ 400V/us. In der Realität liegt sie hoffentlich etwas niedriger, denn die Änderungsrate ist mehr als doppelt so hoch als der Grenzwert guter Kondensatoren. Die Brenndauer des Zündfunkens liegt bei CDIs im Bereich 100..300us. Wenn man annimmt das sich die Spannung auf der Primärseite ähnlich langsam absenkt dann ist alles okay.

Ich bin etwas unentschlossen ob das Spannungs-Rating passt. In den üblichen Datenblätten werden Werte für AC und DC Betrieb angegeben. Aber welche Betriebsart hat man in dieser Anwendung?

Verbesserte 12V-Filterung

Heutzutage hat jede seriöse Schaltung die im Fahrzeugbereich eingesetzt wird eine Schutzbeschaltung. Die Gründe sind vielfältig: Der Anlasser erzeugt extreme Spannungspeaks, der Laderegler kann durch lockere Kabel aus dem Takt geraten, Relais erzeugen Glitches, die Batterie könnte aus Versehen verpolt angeschlossen werden, etc. Ohne Gegenmassnahmen ist es nur eine Frage der Zeit bis auch die beste Elektronik dadurch geschädigt wird.

Bei der MZ-CDI findet man .. nichts! Einzig der 470u Kondensator direkt an den Versorgungsanschlüssen sorgt vielleicht für ein wenig Ruhe. Beim genauen Hinschauen entdeckt man auf der Platine auch "Beinchen-Reste" von einem entfernten Bauteil, es war parallel zum Kondensator verschaltet. Möglicherweise hat dort mal ein Überspannungsschutz gesessen der erst spät in der Fertigung entfernt wurde. Vielleicht eine Notaktion wegen akuter Probleme? Der Schutz brennt ständig durch und legt die CDIs lahm? Also besser weglasssen und auf Zeit spielen? Keine unübliche Taktik. Das würde die häufigen, späten Probleme der CDIs erklären.

Für einen eventuellen Nachbau müsste daher dringend etwas verbessert werden. Eine brauchbare Schutzbeschaltung ist die folgende:


- Direkt am Kabel von der Batterie sitzt eine TVS-Diode (D11). Diese Spezialdiode leitet alle Spannungen oberhalb von +/-24V nach Masse ab.
- Es folgt eine Filterstufe mit einer Ferrit-Spule (C18, L1, C19) die hochfrequente Reste unterdrückt.
- Danach kommt ein Verpolungsschutz mit einem P-Kanal Mosfet (Q1). Das ist aufwändiger als eine simple Diode, hat aber den Vorteil dass der Spannungsverlust extrem gering ist.
- Zum Abschluss noch 2 Kondensatoren für die letzte Filterung.
Diese ganze Kette hat einen extrem geringen Spannungsverlust und sollte sogar moderne Prüfnormen bestehen.

Neu Aufbauen (?)

Die CDIs der SM/SX/RT-Modelle scheinen häufiger mal einen Defekt zu bekommen. Manche Boxen laufen garnicht, andere nicht dauerhaft stabil. An meinem Exemplar z.B. war eine der Dioden der Eingansgsstufe durchgebrannt. Ich könnte mir auch gut vorstellen dass einige Bauteile im Hochspannungteil altern und sporadisch aussetzen, von den Elkos ganz abgesehen.

Die Box mit frischen, hochwertigeren Bauteilen neu aufzubauen ist daher eine denkbare Möglichkeit. Die Schaltung ist nicht übermässig kompliziert und eine passende Platine relativ schnell erstellt. Fast alle Bauteile sind leicht erhältlich.
Eigentlich sind es nur 2 Bauteile die man aus einer alten/defekten Box übernehmen müsste:

- Der Prozessor: Er ist programmiert und den Source-Code wird man nicht finden. Die Wahrscheinlichkeit das er einen Defekt hat ist relativ gering da er elektrisch ziemlich "abseits" liegt.

- Der Transformator: Der scheint ein Custom-Bauteil zu sein, was bei dieser Art Bauteile nicht unüblich ist. Ihn passend nachzubauen würde ein erheblicher Aufwand sein. Kernmaterial, Luftspalt und die Windungen auzutüfteln ist eine längere Aufgabe. Da muss man wohl den alten wiederverwenden und darauf hoffen das die Isolierungen noch intakt sind. Die 270V sind aber auch keine extreme Spannung bei der man sich deswegen grosse Sorgen machen müsste, das sollte also klappen.

Sicherlich könnte man den Hochspannungsteil auch durch eine eigene, andere Schaltung ersetzen. Aber dann muss man auch dort wieder eine Lernkurve durchlaufen. Deshalb würde ich so nah wie möglich am Original bleiben.

Vielleicht doch etwas besser(?)

Einfach über Unzulänglichkeiten der Elektronik zu nörgeln war mir zu billig. Deshalb habe ich mich hingesetzt und Schaltung und Platine neu designed. Auf Basis von besseren Bauteilen die es auch tatsächlich zu kaufen gibt. Die hübschen Bilder stammen aus KiCad.



Die Platine ist im Vergleich zum Original deutlich voller geworden. Die originalen Abmessungen wollte ich beibehalten, das Routing war deshalb alles andere als einfach. Die 12V-Schutzbeschaltung ist hinzugekommen und der Hochspannungskondensator besteht jetzt aus 3 Einzelkapazitäten. PIC und Transformator müssen aus einer alten Box wiederverwendet werden.

Das ganze ist aber eher eine theoretische Übung da ich keine Möglichkeit (keine MZ) habe um die Sache auzutesten..

CDI Version V2.0

Beim Zerlegen einer weiteren CDI entdeckte ich das es eine zweite Platinenversion gibt. Der Platinenaufdruck sagt "AET-ITE 03/03V2.0"



Offensichtlich eine überarbeitete Version. Die Anordnung der Hauptkomponenten ist sehr ähnlich, der Schaltplan scheint sogar fast identisch zu sein. Der PIC ist nun ein 16F716, der Wachtdog ist entfallen, ein paar Dioden und Transistoren sind durch SMD-alternativen ersetzt.

Die grösste Abweichung ist der Wegfall der Option für die Platine der 80km/h-Begrenzung. Diese Begrenzung wird nun offensichtlich direkt im PIC gemacht.

Links

Die Firma ST Microelectronics hat eine schöne Application Note (AN819) in der die Grundprinzipien einer CDI Zündanlage erklärt werden. Bei kleinen Zweirädern (Scooter) werden gerne simple Systeme benutzt bei denen die Hochspannung direkt aus einer extra Wicklung in der Lichtmaschine abgeleitet wird. Seriösere Systeme benutzen einen DC-DC Wandler.
Die Verschaltung des Thyristors auf Seite 3, Fig. 4, entspricht dem der MZ.

Ein ähnliche Dokument gibt es von Microchip (AN1980). Hier liegt der Schwerpunkt auf der Erklärung der Herangehensweise zur Erstellung einer passenden Software (für einen PIC).

Ein weiteres Grundlagen-Dokument von Littelfuse, einem Hersteller von Thyristoren.

Ein Datenblatt des UC2845 von STM, mit einer ausführlichen Erläuterung der Funktionsweise.

Die Firma(?) Transmic bietet diverse CDI-Bausätze an. Dazu gibt es Schaltpläne und teilweise auch die passende Software. Sehr informativ, auch durch den Blog!

Eine Informationsseite zum Thema Schaltnetzteile. Mit einem umfangreichen Rechner zur Dimensionierung.

Informationen zu den Themen Reverse-Battery-Protection und Überspannungsschutz von Infineon und von Littelfuse.

Eine private Homepage mit einer Bauanleitung für eine DC-CDI (für eine XT600).

Die Seite der Firma SportDevices. Man findet dort diverse Schaltungen und PIC-Programme.

Ein Beitrag aus dem legendären EEVblog-Forum. Er beschreibt den Nachbau einer CDI für eine olle Suzuki aus den 70er Jahren.

Fertig aufgebaute Ersatz-CDIs gibt es z.B. von IgniTech. Im Angebot sind auch frei programmierbare Ausführungen.