CN110761903B - 一种改善晶体管点火装置低温工作性能的电路及设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种改善晶体管点火装置低温工作性能的电路及设计方法，所述电路包括通过变压器连接的低压输入回路及高压输出回路，低压输入回路将输入的低压电转换为高压输出回路的高压脉冲电能，通过点火电缆传输至点火电嘴，形成放电火花，变压器T1的绕组N1位于低压输入回路，变压器T1的绕组N3位于高压输出回路，低压输入回路包括与变压器连接的晶体管Q1，晶体管Q1的集电极连接变压器，晶体管Q1的基极连接有绕组N2及电阻R2，所述电路还包括并联在晶体管Q1基极前的电阻R2的两端的热敏电阻RT，用于在温度降低时，使并联的RT与R2构成的R_总降低，从而间接提高晶体管Q1的基极电流。本申请解决了低温下点火装置放电频率下降的问题。

Description

一种改善晶体管点火装置低温工作性能的电路及设计方法

技术领域

本发明属于航空发动机点火技术领域，具体涉及一种改善晶体管点火装置低温工作性能的电路及设计方法。

背景技术

航空发动机点火系统的工作原理：点火装置将输入的低压电转换为高压脉冲电能，通过点火电缆传输至点火电嘴，在点火电嘴端部形成放电火花，点燃发动机燃烧室内的油气混合物。

现有的晶体管点火装置原理电路如图1所示，电源电压经电阻R1、R3分压后为晶体管Q1的基极提供正向偏置电压，Ib为Q1提供启动基极电流，该电流经晶体管Q1放大产生集电极电流Ic，Ic流过初级绕组N1在变压器的磁路中产生变化的磁通，通过电磁感应在绕组N2上产生感应电势，其作为晶体管的基极驱动电源，在正反馈的作用下，感应电势增加到U_2p，驱动电流Ib增大到Ib＝(U_2p-2×0.7)/R2，由于晶体管的放大作用，集电极电流Ic迅速增大到Ic＝h_FE×Ib。当电流Ic达到最大值时，电流不再继续增加，那么电流的变化率急剧下降，各绕组的感应电压也迅速减小，按照电磁感应定律，各绕组的感应电压为负值，导致Q1晶体管的发射极所加的电压因反向偏置而截至。在晶体管导通的时候，变压器绕组N3感应的正向电势因二极管D2反偏截止，因此电源输入的能量以磁场能的形式储存在变压器中，在晶体管截止时D2导通，将变压器中存储的磁场能转化为电场储存在电容器C2中，随着电容器C2的电场能不断增加，电容器C2两端的电压也随之升高，当该电压达到放电管Q3的放电电压时，放电管导通，储存的电场能经点火电缆传输至半导体电嘴端部，形成火花放电。

由于晶体管在低温下，其放大倍数h_FE减小，所以晶体管Q1集电极最大电流Ic也会随之减小，电源提供的能量也会减小，由于输入功率的降低，导致输出功率降低，输出功率P＝E×f，E为电容器C2的储能＝1/2CU²，f为点火装置的放电频率，由于储能不变，所以放电频率就会减小。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种改善晶体管点火装置低温工作性能的电路及设计方法，解决现有晶体管点火装置，在低温下，因晶体管放大倍数降低，最终导致产品放电频率减小的问题。

本申请第一方面，一种改善晶体管点火装置低温工作性能的电路，包括通过变压器连接的低压输入回路及高压输出回路，所述低压输入回路将输入的低压电转换为所述高压输出回路的高压脉冲电能，通过点火电缆传输至点火电嘴，形成放电火花，所述变压器T1的绕组N1位于所述低压输入回路，所述变压器T1的绕组N3位于所述高压输出回路，所述低压输入回路包括与变压器连接的晶体管Q1，晶体管Q1的集电极连接所述变压器，晶体管Q1的基极连接有绕组N2及电阻R2，其中，该电路还包括并联在晶体管Q1基极前的电阻R2的两端的热敏电阻RT，用于在温度降低时，使并联的RT与R2构成的R总降低，从而间接提高晶体管Q1的基极电流。

优选的是，所述晶体管Q1的集电极经过二极管D1、变压器T1的绕组N1后连接所述低压输入回路的电源正极，所述晶体管Q1的发射极连接所述低压输入回路的电源负极，所述晶体管Q1的发射极与二极管D1的阳极之间之间并联有电容C1。

优选的是，所述电源的正极向变压器T1的绕组N1处串联有正向偏置的二极管D1。

优选的是，所述晶体管Q1的发射极与变压器T1的绕组N1之间并联有分压电阻R1及R3，所述晶体管Q1的基级连接在电阻R1及R3之间，所述电源通过R1、R3分压后为晶体管Q1的基极提供正向偏置电压。

本申请第二方面，一种改善晶体管点火装置低温工作性能的电路设计方法，根据如上所述的电路，确定电阻R2的阻值，所述方法包括：

获取低温下流经所述低压输入回路的晶体管Q1的基极与集电极的电流关系，以计算晶体管Q1的基极电流Ib；

获取流经所述低压输入回路的晶体管Q1的基极电流与所述绕组R2的感应电压及绕组R2前的电阻R总之间的关系，以计算电阻R总；

根据电阻R总及电阻R2，确定该低温条件下的电阻R2。

优选的是，计算晶体管Q1的集电极的电流Ic包括：

Ic＝2E_c×f_c×(U_np+2×n×U_p)/M×U_p×U_np，

其中，E_c为高压输出回路中的用于储能的电容器C2所储存的能量，f_c为额定放电频率，M为高压输出回路的回路损耗修正系数，U_np为高压输出回路中放电管Q3的放电电压，U_p为变压器初级绕组端的电压，n为变压器的匝比。

优选的是，计算电阻R总包括：

Ib＝(U_2p-2×0.7)/R总，

其中，U_2p为绕组N2感应的电压，U_2p＝U_p×N₂/N₁，N₂为绕组N2的匝数，N₁为N1绕组的匝数，U_p为变压器初级绕组端的电压。

本发明通过常温、低温下的参数计算及热敏电阻的选用，通过电路进行了试验验证，解决了低温下产品放电频率下降的问题，并将该技术应用到新研的新产品中，经试验验证产品在环境温度下的放电频率都是6.25Hz，满足(6±0.5)Hz的技术要求。

附图说明

图1是传统的晶体管点火装置电路原理示意图。

图2是本申请一实施例的点火装置电路示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明提供的改善晶体管点火装置低温工作性能的电路如图2所示，包括通过变压器连接的低压输入回路及高压输出回路，所述低压输入回路将输入的低压电转换为所述高压输出回路的高压脉冲电能，通过点火电缆传输至点火电嘴，形成放电火花，所述变压器T1的绕组N1位于所述低压输入回路，所述变压器T1的绕组N3位于所述高压输出回路，所述低压输入回路包括与变压器连接的晶体管Q1，晶体管Q1的集电极连接所述变压器，晶体管Q1的基极连接有绕组N2及电阻R2，其特征在于，还包括并联在晶体管Q1基极前的电阻R2的两端的热敏电阻RT，用于在温度降低时，使并联的RT与R2构成的R总降低，从而间接提高晶体管Q1的基极电流。

本申请中，所述晶体管Q1的集电极经过二极管D1、变压器T1的绕组N1后连接所述低压输入回路的电源正极，所述晶体管Q1的发射极连接所述低压输入回路的电源负极，所述晶体管Q1的发射极与二极管D1的阳极之间之间并联有电容C1。

本申请中，所述电源的正极向变压器T1的绕组N1处串联有正向偏置的二极管D1。

本申请中，所述晶体管Q1的发射极与变压器T1的绕组N1之间并联有分压电阻R1及R3，所述晶体管Q1的基级连接在电阻R1及R3之间，所述电源通过R1、R3分压后为晶体管Q1的基极提供正向偏置电压。

本申请中，所述高压输出回路包括与变压器绕组N3串联的二极管D2，放电管Q3及输出端，变压器绕组N3与二极管D2变压器串联后，并联有一储能的电容C2，绕组N3感应的正向电势因二极管D2反偏截止，变压器中存储的磁场能转化为电场储存在电容器C2中，随着电容器C2的电场能不断增加，电容器C2两端的电压也随之升高，当该电压达到放电管Q3的放电电压时，放电管导通，储存的电场能经点火电缆传输至半导体电嘴端部，形成火花放电。

本申请通过在低压输入回路的电阻R2上并联有一热敏电阻RT，构成温度补偿电路，温度补偿电路的设计原理：因为Ib＝(U_2p-2×0.7)/R2，由于晶体管的放大作用，集电极电流Ic＝h_FE×Ib，低温时，晶体管Q1的放大倍数h_FE减小，就会导致Ic减小，为了增加低温时的Ic，只有通过增加Ib，根据Ib的计算公式，只有减小电阻R2的阻值，但还不能影响常温和高温时的性能参数。于是提出了采用正温度系数的热敏电阻，将其并联在R2的两端。

在低压输入回路中，主要参数计算如下：

常温下：晶体管的放大倍数h_FE＝25～50，

Ic＝2E_c×f_c×(U_np+2×n×U_p)/M×U_p×U_np，其中，E_c为高压输出回路中的用于储能的电容器C2所储存的能量，f_c为额定放电频率，M为高压输出回路的回路损耗修正系数，通常取0.65，U_np为高压输出回路中放电管Q3的放电电压，U_p为变压器初级绕组端的电压，n为变压器的匝比。已知产品的输入参数E_c＝1.8J，f_c＝6Hz，U_np＝2500V，n＝40，U_p＝16V，代入公式得Ic＝3.14A。

Ib＝Ic/h_FE，取h_FE＝25代入上述公式得Ib＝0.13A，低温下，取h_FE＝10代入上述公式得Ib＝0.314A。

Ib＝(U_2p-2×0.7)/R总，其中，U_2p为绕组N2感应的电压，U_2p＝U_p×N₂/N₁，N₂为绕组N2的匝数，N₁为N1绕组的匝数，U_p为变压器初级绕组端的电压。取h_FE＝25代入上述公式得R总＝63Ω，低温下，取h_FE＝10代入上述公式得R总＝26Ω。

又R总＝R2×RT/(R2+RT)，从上面的计算可知低温下，回路中的总电阻值为26Ω，将R总代入公式R总＝R2×RT/(R2+RT)中，得热敏电阻的阻值应为47Ω，通过查阅手册所选的热敏电阻值在常温时为330Ω，低温时为50Ω，代入电阻并联公式计算出回路中的总电阻值为27.8Ω，与理论计算值基本相当，将该阻值代入电路，试验验证，可满足产品技术要求。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种改善晶体管点火装置低温工作性能的电路，包括通过变压器连接的低压输入回路及高压输出回路，所述低压输入回路将输入的低压电转换为所述高压输出回路的高压脉冲电能，通过点火电缆传输至点火电嘴，形成放电火花，所述变压器T1的绕组N1位于所述低压输入回路，所述变压器T1的绕组N3位于所述高压输出回路，所述低压输入回路包括与变压器连接的晶体管Q1，晶体管Q1的集电极连接所述变压器，晶体管Q1的基极连接有绕组N2及电阻R2，其特征在于，还包括并联在晶体管Q1基极前的电阻R2的两端的热敏电阻RT，用于在温度降低时，使并联的RT与R2构成的R总降低，从而间接提高晶体管Q1的基极电流。

2.如权利要求1所述的改善晶体管点火装置低温工作性能的电路，其特征在于，所述晶体管Q1的集电极经过二极管D1、变压器T1的绕组N1后连接所述低压输入回路的电源正极，所述晶体管Q1的发射极连接所述低压输入回路的电源负极，所述晶体管Q1的发射极与二极管D1的阳极之间并联有电容C1。

3.如权利要求2所述的改善晶体管点火装置低温工作性能的电路，其特征在于，所述电源的正极向变压器T1的绕组N1处串联有正向偏置的二极管D1。

4.如权利要求3所述的改善晶体管点火装置低温工作性能的电路，其特征在于，所述晶体管Q1的发射极与变压器T1的绕组N1之间并联有分压电阻R1及R3，所述晶体管Q1的基级连接在电阻R1及R3之间，所述电源通过R1、R3分压后为晶体管Q1的基极提供正向偏置电压。

5.一种改善晶体管点火装置低温工作性能的电路设计方法，其特征在于，根据权利要求1所述的电路，确定电阻R2的阻值，所述方法包括：

获取低温下流经所述低压输入回路的晶体管Q1的基极与集电极的电流关系，以计算晶体管Q1的基极电流Ib；

获取流经所述低压输入回路的晶体管Q1的基极电流与所述绕组R2的感应电压及绕组R2前的电阻R总之间的关系，以计算电阻R总；

根据电阻R总及电阻R2，确定该低温条件下的电阻R2。

6.如权利要求5所述的改善晶体管点火装置低温工作性能的电路设计方法，其特征在于，计算晶体管Q1的集电极的电流Ic包括：

Ic＝2E_c×f_c×(U_np+2×n×U_p)/M×U_p×U_np，

其中，E_c为高压输出回路中的用于储能的电容器C2所储存的能量，f_c为额定放电频率，M为高压输出回路的回路损耗修正系数，U_np为高压输出回路中放电管Q3的放电电压，U_p为变压器初级绕组端的电压，n为变压器的匝比。

7.如权利要求5所述的改善晶体管点火装置低温工作性能的电路设计方法，其特征在于，计算电阻R总包括：

Ib＝(U_2p-2×0.7)/R总，

其中，U_2p为绕组N2感应的电压，U_2p＝U_p×N₂/N₁，N₂为绕组N2的匝数，N₁为N1绕组的匝数，U_p为变压器初级绕组端的电压。

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