В начале 80-х годов многие советские военные заводы получили распоряжение сверху – развернуть у себя выпуск товаров народного потребления, которых остро не хватало. И так как не хватало практически всего, начали танковые заводы клепать детские коляски, из которых, как гласил бородатейший анекдот, было довольно непросто доставать ребенка через бронелюк.
Без особых затруднений открыли цеха для ТКБН (товаров культурно-бытового назначения) предприятия, связанные с электроникой, металлообработкой, пластиковым литьем, а вот более узкоспециализированным было нелегко. Среди таких оказался волгоградский завод «Аврора», крупнейший в Союзе производитель пьезокерамики на основе цирконата-титаната свинца.
Пьезокерамика – это сегнетоэлектрический материал, способный преобразовывать механические напряжения в электрический заряд (прямой эффект) и деформироваться под действием электрического поля (обратный эффект). Проще говоря, если пьезокерамическую пластинку согнуть, то она генерирует электрический импульс. А если на нее подать электрический импульс извне – она согнется.
Продукция «Авроры» была специфической и в основном представляла собой радиокомпоненты для военной, а не бытовой техники. Отчасти завод выкрутился, начав производить искровые модули для газовых зажигалок – да-да, те самые, что и по сей день практически в любой зажигалке генерируют искру после нажатия на кнопку. Но сверху требовали внедрить в производство и какие-то функционально законченные изделия.
Все для народа!
В конструкторском отделе завода начали перелопачивать архив мировых патентов, связанных с пьезокерамикой, дабы найти что-то подходящее. И раскопали любопытный американский патент на устройство диагностики состояния свечей зажигания автомобильного двигателя без их выкручивания из головки блока.
Устройство представляло собой маленький ручной пьезокерамический генератор высоковольтных импульсов. Фактически такой же, как и тот, что устанавливался в зажигалки. Напряжение пьезогенератора, работающего от кнопки-курка, проводами подавалось на свечу, в которой между электродами проскакивала искра. А последовательно включенная со свечой неоновая лампа своей вспышкой подтверждала, что искра есть, и значит, свеча в порядке.
Эта находка всех воодушевила: казалось, найдена перспективная идея, которую можно реализовать миллионными тиражами. Бензин в СССР был не шибко качественный, карбюраторные машины и мотоциклы часто страдали от разрегулировки системы питания, и свечи зарастали нагаром регулярно. И вместо того, чтобы постоянно выкручивать их для визуального осмотра, рискуя рано или поздно сорвать резьбу в ГБЦ, с помощью такого тестера можно было бы буквально за минуту без каких-либо инструментов проверить все четыре свечи прямо на двигателе. Достаточно было сдернуть с них высоковольтные провода и подключить тестер так, чтобы один контакт касался массы двигателя, а второй – наконечника свечи. И распознать закоксованные свечи или искать причину сбоев мотора в другом месте, если они оказывались исправными. Особенно привлекало отсутствие необходимости в источнике питания тестера – его не нужно было даже подключать к аккумулятору, как, например, стробоскоп или прибор для определения угла замкнутого состояния контактов трамблера (популярные у владельцев карбюраторных машин приборы для гаражной диагностики). И уж тем более он не нуждался в дефицитных в 80-е годы батарейках.
Тем не менее в процессе разработки прибора, получившего впоследствии незатейливое имя «Тест», не все шло гладко. И интересно, что в конечном итоге успех принесло применение методики ТРИЗ – «Теории Решения Изобретательских Задач», знаменитой в узких кругах советской системы логических инструментов, разновидности которой сегодня используются программными комплексами искусственного интеллекта. Причем действительно реального ИИ, способного изобретать новые механизмы, находить новые комбинации лекарств, новые формулы сплавов с затребованными свойствами и тому подобное.
Согласно ТРИЗ, задачи рассматриваются как технические противоречия, которые могут быть решены одними и теми же методами. Для решения конкретной задачи ее сперва приводят к обобщенному виду, затем обобщенную задачу пытаются решить подходящим общим методом из набора инструментария и только потом возвращаются к конкретной задаче и пытаются применить к ней найденное решение.
Американцы подвели
Особенность пьезоэлектрического генератора заключается в том, что он при небольшом сжатии пьезопластин выдает очень высокое напряжение в тысячи вольт, но крайне малый ток, измеряемый микроамперами. Соответственно, сопротивление нагрузки для пьезоэлемента приемлемо лишь очень высокое, в десятки мегаом, а лучше – вообще стремящееся к бесконечности. Даже несколько килоом «погасят» напряжение генератора, перегрузив его. Свеча же является для пьезоэлемента нагрузкой с бесконечно высоким сопротивлением (из-за искрового промежутка между электродами, который является электрическим разрывом цепи) и поэтому вполне ему подходит. Высоковольтный импульс пробивает искровой промежуток, ток проходит по цепи через свечу и неоновую лампу, вызывая в последней световую вспышку. Соответственно, вспышка лампы тождественна искре в свече. Стало быть, свеча исправная – чистая.
Если двигатель работает на переобогащенной смеси или с неверно выставленным зажиганием, ест масло, то изолятор свечи покрывается нагаром. Нагар – это сажа, углерод, масляные отложения. В общем, некое инородное электрическое сопротивление между электродами свечи, «виртуальный резистор». На нашей схеме он появляется в виде сопротивления R параллельно контактам свечи.
Сопротивление нагара шунтирует свечу – по этой копоти протекает «ползучий» ток вместо того, чтобы пробить искровой промежуток и дать искру, что знает даже школьник. Для пьезогенератора нагрузка R в виде нагара слишком низкоомная – как если бы к батарейке сотового телефона присоединили автомобильный стартер. Пьезогенератор «перегружен» низкоомной нагрузкой, и тысячи вольт, которые он выдает, проседают, падая почти до нуля, не позволяя ни искру породить, ни вспышку неоновой лампы. Лампа не мигает – значит, тестер успешно нашел неисправную свечу.
Картинки выше показывают, как выглядела схема свечного тестера в американском патенте. И, по воспоминаниям Эдуарда Львовича Кагана, инженера конструкторского отдела «Авроры», первым делом они изготовили опытный образец тестера свечей один к одному по американскому патенту. И вот тут-то авроровцы потерпели полное фиаско. Неоновая лампочка вспыхивала и в случае исправной свечи, рождавшей искру (что поначалу воодушевило), и в случае закопченной свечи, никакой искры не рождавшей.
Выяснилось, что заокеанский патент, который все априори боготворили (американский же), оказался так называемым «бумажным» – то есть фиксацией чистой идеи автора, без реальной проверки ее осуществимости по конкретному описанию. Таких патентов, в общем-то, довольно много, и это их вовсе не дискредитирует, ибо сама идея может быть вполне работоспособной. Просто автор не довел ее до конкретного отработанного образца – дело в изобретательстве вполне житейское.
В чем было дело?
Проблема заключалась в том, что вышеописанной и логически ожидаемой перегрузки пьезогенератора шунтирующим сопротивлением нагара не происходило. Неоновая лампа-то тоже представляет собой с электрической точки зрения разрыв в цепи – бесконечное сопротивление. Это же не лампочка накаливания, и спирали у неонки нет. Неисправную свечу в цепи замещало некое сопротивление нагара R, но последовательно с этим сопротивлением в цепи была еще и неоновая лампа, которая разрывала цепь, не давала напряжению просесть и благодаря ему благополучно мигала. Тестер фактически оказывался бесполезен.
Впрочем, простейшее решение проблемы было быстро найдено: неоновую лампу включили не последовательно со свечой, а параллельно ей. В результате сопротивление нагара на изоляторе свечки шунтировало пьезогенератор, «гасило» его напряжение, и лампа не вспыхивала. Если же свеча была чистой, не имела паразитного сопротивления и давала искру, вместе с искрой стабильно мигала и неонка.
И снова переделывать
Впрочем, обрадовались заводчане рано: стабильность оказалась мнимой. Схема с параллельным включением свечи и неонки хотя уже и была принципиально работоспособной (в отличие от абсолютно бесполезной схемы из изначального американского патента), но все равно периодически чудила. Некоторые свечи, явно закопченные и неисправные, не давали стабильной искры, но неонку как-то умудрялись зажигать. Ложные сигналы не позволяли считать тестер надежным диагностическим инструментом.
Электронщики-«авроровцы» не были автомобильными инженерами и не сразу смекнули, что между двумя вариантами состояния свечи – «есть нагар» и «нет нагара» – может быть много промежуточных стадий. Умеренный нагар выводил свечу из строя частично – слабая искра не давала нормально работать цилиндру, но неонку зажигала, вводя автовладельца в заблуждение. В итоге было решено применить «гибридное решение»: неоновую лампу вернули в «американский вариант» (то есть последовательно со свечой), но включили параллельно лампе дополнительный шунтирующий резистор сопротивлением 100 килоом.
Оба резистора (шунтирующий постоянный резистор и резистор R, образованный нагаром на свече) вступают в действие только при неисправной свече и не позволяют лампе зажечься. При проверке чистой исправной свечи напряжение нарастает до пробоя в искровом зазоре свечи (пробник выдавал 4 тысячи вольт), а импульс тока, разветвляясь, протекает параллельно через лампу и ее шунт – лампа вспыхивает.
Именно в таком варианте тестер свечей и пошел в производство под названием «Пьезоэлектрический искровой пробник ТЕСТ». Выпускались пробники в немыслимых количествах и продавались повсюду. Через несколько лет (в 1990 году) прибор прошел «рестайлинг», получив иной дизайн корпуса, немного удешевленную конструкцию потрохов (при неизменной схеме) и название «ТЕСТ-М», под которым выпускался еще очень долго.
P.S.
Разумеется, будучи верными нашей привычке разыскивать старые советские автомобильные аксессуары и гаджеты в состоянии, близком к «капсуле времени», мы подыскали для наших читателей тот самый «ТЕСТ», один из первых! Работает он, к слову, отлично и по сей день.
Для комментирования вам необходимо авторизоваться