RU1781448C - Электронный коммутатор - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение относитс  к автомобильной электронике, в частности к электронным системам зажигани  с накоплением энергии в индукционной катушке дл  двигател  внутреннего сгорани  с принудительным воспламенением топливной смеси. Сущность изобретени : введен функциональный преобразователь скорости вращени  двигател , выполненный на двух транзисторах, трех резисторах, двух диодах и двух конденсаторах. 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относитс  к автомобиль- ной электронике. В частности оно относитс  к электронным системам зажигани  с накоплением энергии в индукционной катушке дл  двигател  внутреннего сгорани  с принудительным воспламенением топливной смеси.

Известна тиристорна  система электронного зажигани  с накоплением энергии в конденсаторе.

Недостатком таких систем зажигани   вл етс  их низкий КПД и мала  длительность импульса искрообразовани .

Известна система электронного зажигани  (электронный коммутатор) дл  двигател  автомобил  ВАЗ-2108. Электронный коммутатор включает в себ  силовой транзистор , в коллекторную цепь которого включена индукционна  катушка, в цепь эмиттера - измерительный резистор, а база этого транзистора через базово-эмиттер- ный переход второго транзистора, включенного по схеме усилител  тока, соединен с коллектором третьего транзистора, у которого коллектор через резистор соединен с

шиной источника питани , его эмиттер - с общим проводом схемы, а его база через соответствующие резисторы - с выходом регул тора тока через силовой транзистор; с выходом устройства безискровой отсечки тока через силовой транзистор при малых оборотах двигател ; с выходом усилител  сигнала датчика Холла, используемого в качестве прерывател , а также с выходом компаратора , инверсный вход которого через резистивный делитель напр жени  подключен к источнику опорного напр жени , а его неинверсный вход-через второй резистивный делитель - к выходу интегратора, между выходом и инверсным входом которого включен интегрирующий конденсатор, а сам инверсный вход через резистор подключен к источнику опорного напр жени  и через последовательно соединенные резистор и диод - к коллектору третьего транзистора , неинёерсный же вход интегратора через резистор соединен с выходом усилител  сигнала датчика Холла. Недостатком этого коммутатора  вл етс  низка  надежность и большое энергопотребление.

сл

с

XI

Целью изобретени   вл етс  повышение надежности коммутатора и уменьшение его энергопотреблени .

Сущность изобретени  заключаетс  в том, что коммутатор дополнительно содер- жит функциональный преобразователь скорости вращени  двигател , выход которого через резистор соединен с инверсным входом компаратора, а вход - с выходом датчика . . - -

Функциональный преобразователь скорости вращени  коленчатого вала двигател  выполнен на двух транзисторах, эмиттер первого из которых соединен с общим проводом схемы, его база через рези- стор с выходом датчика Холла, а его коллектор через первый резистор - с шиной источника питани  и через параллельно включенные второй резистор и диод, а также через зар дный конденсатор к эмиттеру второго транзистора, коллектор которого соединен с общим проводом схемы, между его базой и эмиттером включен диод, а между его базой и общим проводом схемы включен третий резистор и сглаживаюа1ий конденсатор, причем посто нна  времени TI образованна  произведением зар дного конденсатора Сзар и второго резистора R2 удовлетвор ет условию

П Ra мс.

Втора  же посто нна  времени Г2 образованна  произведением первого резистора RI и зар дного конденсатора Сзар, удовлетвор ет условию:

Т2 Ri Сэар /1С.

Использование такого функционально- го преобразовател  позвол ет повысить надежность коммутатора и уменьшить его энергопотребление, что достигаетс  уменьшением тока через силовой транзистор на низких оборотах двигател .

На фиг.1 и 2 изображена предлагаема  схема электронного коммутатора; на фиг.З - временные диаграммы его сигналов; на фиг.4 - графики зависимостей длительности включени  силового трап- зистора оборотов двигател  в предлагаемом коммутаторе и в прототипе; на фиг.5 - зависимость выходного напр жени  функционального преобразовател  от оборотов двигател .

Электронный коммутатор включает в себ  силовой транзистор 1, коллектор которого через диод 2 и индукционную катушку 3 подключен к шине источника напр жени .

В цепь эмиттера транзистора 1 включен измерительный резистор 4. Вывод первичной обмотки индукционной катушки 3 через конденсатор 5 и резистор 6 соединен с общим проводом схемы. Между коллектором транзистора 1 и общим проводом схемы включены последовательно соединенные резисторы 7 и 8, обща  точка которых через стабилитрон 9 соединена с базой силового транзистора 1. Между базой и эмиттером транзистора 1 включены резистор 10 и конденсатор 11. В цепь базы транзистора 1 включен базово-эмиттерный переход второго транзистора 12, в коллекторную цепь которого включен резистор 13. К базе транзистора 12 подключен коллектор третьего транзистора 14, в коллекторную цепь которого включен резистор 15. База третьего транзистора 14 соответственно через резисторы 16, 17, 18 и 19 соединена с выходом регул тора тока через транзистор 1, собранный на дифференциальном усилителе 20; с выходом устройства без- искровой отсечки тока через силовой транзистор 1 при малых оборотах двигател , собранного на дифференциальном усилителе 21; с выходом усилител  сигнала датчика Холла, используемого в качестве прерывател  и собранного на транзисторе 22, а также с выходом компаратора, собранного на дифференциальном усилителе 23. Регул тор тока через транзистор 1, собранный по микросхеме дифференциального усилител  20, включает в себ  источник опорного напр жени , собранного на стабилитроне 24 и резисторе 25. Обща  точка стабилитрона 24 и резистора 25 через последовательно соединенные резистор 26 и 27 соединена с измерительным резистором 4. Обща  точка резисторов 26 и 27 соединена с неинверсным входом микросхемы 20. Стабилитрон 24, кроме того, через резисторы 28 и 29 соединен с общим проводом схемы.

Обща  точка резисторов 28 и 29 через резистор 30 соединена с инверсным входом микросхемы 20, который через резистор 31 соединен также с выходом этой микросхемы 20. Устройство безискровой отсечки тока через силовой транзистор 1 при малых оборотах двигател , собранное на микросхеме 21, включает в себ  интегрирующий конденсатор 32, включенный между выходом микросхемы 21 и ее инверсным входом . Неинверсный вход этой микросхемы соединен с общим проводом схемы, а ее инверсный вход через резистор 33 и па- раллзльно ему включенные резистор 34 и диод 35 - с коллектором транзистора 22. Иеинверсный вход компаратора 23 (микросхемы 23) через резистивной делитель напр жени , включающий резисторы 36 и 37 подключен к выходу интегратора

38(микросхемы 38). Инверсный вход компаратора 23 через резистивный дели- те ль напр жени , включающий резисторы

39и 40, выводом резистора 39 подключен в общей точке резистора 41 и стабилитрона 42, вторые выводы которых подключены к шине источника питани  и к общему проводу схемы. Неинверсный вход интегратора 38 через резистор 43 подключен к коллектору транзистора 22, который кроме этого через резистор 44 соединен с шиной источника питани . Инверсный вход интегратора 38 через интегрирующий конденсатор 45 соединен с выходом этого интегратора, через резистор 46 - с шиной источника питани , а также через последовательно соединенные резистор 47 и диод 48 - с коллектором транзистора

14. База транзистора 22 через резистор 49 и диод 50 соединен с выходом прерывател  51, представл ющий собой датчик Холла.

Функциональный преобразователь скорости вращени  двигател  собран на транзисторах 52 и 53. Эмиттер транзистора 52 соединен с общим проводом схемы, его база через диод 54 и резистор 55 с выходом прерывател  51, а его коллектор через резистор 56 - с шиной источника питани . Коллектор транзистора 52 через параллельно включенные резисторы 57 и диод 58, а также через конденсатор 59 соединен с эмиттером транзистора 53, коллектор которого соединен с шиной источника питани , а его база через параллельно включенные резистор 60 и конденсатор 61 - с общим проводом схемы, между ба- зой и эмиттером транзистора 53 включен диод 62. Между базой транзистора 53 и инверсным входом компаратора 23 включен резистор 63.

Электронный коммутатор работает еле- дующим образом. В функции электронного коммутатора входит формирование оптимальных импульсов тока в индукционной катушке 3, стабилизаци  их при колебани-  х источника питани  от 6 до 18 в, отклю- чение тока через силовой транзистор 1 при включенном зажигании и неработающем двигателе, а также защита полупроводниковых элементов от импульсных перенапр жений .

Пр моугольный сигнал с датчика Холла 51 (прерыватель 51) с посто нной скважностью поступает сначала на транзистор 22, а затем на вход интегратора 38. На выходе интегратора 38 образуетс  пилообразный сигнал, напр жение которого обратно пропорционально скорости вращени  двигател . Выходной сигнал интегратора 38 подаетс  на неинверсный вход компаратора 23, на инверсный вход которого подаетс  посто нный сигнал с резисторов 39, 40 и корректирующий сигнал с резистора 63. Выходной сигнал с компаратора 23 пр моугольной формы подаетс  на вход логической схемы ИЛИ-НЕ (транзистор 14). Наличие на выходе резистора 19 положительного единичного уровн  определ ет выключенное состо ние силового транзистора 1 (оно имеет место при положительных единичных сигналах на выходе компаратора 23 или на выходе транзистора 22) Открытие транзисторов 1 и 12 наступает при совпадении четырех нулевых уровней на входе резисторов 16-19 Нулевой уровень на выходе микросхемы 20 наблюдаетс  до тех пор, пока ток через силовой транзистор 1 не достигает заданного значени . При этом на выходе микросхемы 20 по вл етс  промежуточный сигнал между нулевым и единичным сигналом, благодар  чему напр жение на резисторе 4 автоматически поддерживаетс  посто нным. Изменение состо ни  на входе схемы ИЛИ-НЁ приводит к приоткрыв анйю транзистора 14 и соответственно к переходу транзистора 1 из состо ни  насыщени  в активное состо ние .

Уровень ограничени  тока через рззи- стор 1 устанавливаетс  выбором соотношени  резисторов 28 и 29. Дифференциальный усилитель 21 используетс  в схеме безиск- ровой отсечки тока в силовой цепи при невращающемс  вале двигател . Эта схема представл ет собой интегратор с посто нной времени интегрировани , значительно повышающа  период следовани  искр при самой малой скорости вращени  вала двигател . В этом случае при работающем двигателе с выхода интегратора 21 на схему ИЛИ-НЕ подаетс  практически нулевой уровень и она не вли ет на работу основной схемы. Через 2-5 с после остановки мотора напр жение на выходе интегратора 21 достигает единичного уро вн Г что приводит к немедленному плавному запиранию транзистора 1.

Конденсатор 5 и резистор 6, резистор 7, 8 и стабилитрон 9 обеспечивают защиту силового транзистора 1 с импульсных перенапр жений при работе катушки зажигани .

Использование схемы включающей микросхемы 23 и 38, а также транзистора 22. позвол ет выполнить длительность импульса включени  индукционной катушки в зависимости от оборотов двигател  относительно посто нной. При этом следует отметить, что отход этой длительности от расчетной  вл етс  весьма нежелательным: при заниженной длительности уменьшаетс  энерги  искрообразовани , а при повышенной длительности резко растет нагрев силового транзистора 1, снижаетс  КПД системы зажигани . Нагрев транзистора 1 снижает надежность силового транзистора 1.

Дл  уменьшени  указанных недостатков предлагаемый электронный коммутатор дополнительно содержит функциональный преобразователь скорости , собранный на транзисторах 52 и 53. Транзистор 52 через резистор 55 управл етс  сигналом прерывател  51, представл ющий собой бесконтактный датчик Холла, формирующий пр моугольный сигнал посто нной скважности. На выходе транзистора 52 получаетс  также пр моугольный сигнал, который подаетс  через конденсатор 59 на эмиттер транзистора 53, между базой и эмиттером которого включен диод 62, а база, кроме этого, через параллельно включенные резистор 60 и конденсатор 61 соединена с общим проводом схемы. В процессе работы функционального преобразовател  через конденсатор 59 идет переменный ток, одна пол рность которого проходит через транзистор 53, а втора  через диод 62 подаетс  на параллельно включенные резистор 60 и конденсатор 61. В результате этого на резиГсторе 60 по вл етс  напр жение, грппорциональ- ное току через конденсатор 59. Напр жение с резистора 60 через высоксомный резистор 63 подаетс  на инверсный вход компаратора 23. В прототипе инверсный вход компаратора 23 подключен к источнику посто нного напр жени , образованному резистивным делителем, включающим ре- зиоторы 39, 40 и стабилитрон 42. Причем в прототипе резисторы 39 и 40 соответственно равны 24 и 68 кОм, а напр жение стабилизации стабилитрона 42 равно 3 В. Зна  указанные величины можно найти напр жение переключени  на входе компаратора 23 U nep -

Оно равно

i

UnHT - U42

R + to R39 +

+ U42

12 -3 68 +24

24+ 3 5,348 В.

Поскольку в момент времени переключени  компаратора 23 напр жени  на его инверсном и. неинверсном входе равны между собой и равны 5,438 В можно найти дл  отогсГ момента напр жение на выходе микросхемы 38 . Дл  этого нужно найти ток через резисторы 37 и 36.

hr.h,- Цпит-lW 12 -5.348 13ГЧ36R3747 К

0,1415 мА.

15

Зна  это ток, можно записать

U nep + l36 . R36 7

откуда U nep-be R36 5,348-0,1415 х х ,952 В ,

где напр жение переключени  на общей точке резистора 36 и выходного электрода микросхемы 38.

В трубах НИИ автоприборов, выпуск 56, 1984, с.66 дл  прототипа представлен график зависимости времени включени  индукционной катушки от оборотов двигател . Из этого графика (крива  2) видно, что прототип обеспечивает оптимальное врем  включени  индукционной катушки в диапазоне

оборотов 3000-6000 об/мин.

При меньших же оборотах врем  включени  катушки увеличиваетс  до 6,3 м сек, в то врем  как оптимальное врем  включени  составл ет бмсек (крива  1). Зна  врем 

включени  индукционной катушки г вкл., зна  скорость нарастани  dl/вых. 38/dtmax и скорость спада dUebix.38/dtmIn. а также зна  длительность импульса прерывател  t3ap и его период Т, можно найти напр жение Do/напр жение на выходе макросхемы 38 в момент начала роста этого напр жени . Скорость роста и спада напр жени  на выходе микросхемы 38 находим из временных диаграмм

-

d UBb.x 38

dt

В/с

50

d Ц.еых 38 dt

В/с,

Напр жение U0 определ ем из формулы

55Uo+taap d 38 тах-(ТЧэар-Гвкл ) X

x dJLJ 38 m|n+u,ep или Uo+tgap 300(Т-13ар-1 вкл) 150+1,952.

Причем taap -or Т .

Значени  величин времени включени  индукционной катушки t exn дл  разных оборотов двигател  определ ем из графика (фиг.З) из вышеприведенных трудов НИИ автоприборов.

Если измен ть напр жение на выходе Функционального преобразовател  (база транзистора 53). то из-за вли ни  резистора 63 напр жение переключател  компаратора 23 LT nep будет измен тьс  и при определенном изменении напр жени  переключени  на входе микросхемы 23 измен етс  и напр жение переключени  на ее неинверсном входе, а также на входе резистора 36 (выход микросхемы 38). Напр жение переключени  вли ет на врем  включени  индукционной катушки. При определенном изменении напр жени  переключени  врем  включени  можно выбрать посто нным (оптимальным), равным 5 мсек в диапазоне оборотов 300-3000 об/мин, напр жение переключени  определ ем из выражени 

Uo+ d и°Ы 3B max Гзар- (T-tsap-f екл) X .

х d и°ы 38 min+ IT nep, где t равно 5 мс

dt

1

T.e. U°+300 - -1-150- -1-5

чЗ О

Определив напр жение переключени  на выходе микросхемы 38, найдем напр жение переключени  на выходе компаратора 23Unep.

Оно равно:

Цпит U

R36 + Кз

пер

R36+ U пер.

Полученные величины сведем в таблицу.

Зна  напр жение переключени  на выходе интегратора 38 , построим график изменени  этого напр жени  в зависимости от оборотов двигател . Эта зависимость изображена на графике фиг.5.

Из этого графика видно, что зависимость

(n),

нелинейна и примерно представл ет собой экспоненту. Дл  обеспечени  возможно бо- лее точного поддержани  посто нства времени включени  индукционной катушки 5 мс величину резистора 57 нужно выбрать удовлетвор ющей условию.

Г1

Т|п-2т Юмс о

Следовательно, эта посто нна  времени

должна быть равна:

П 5-15 мс

Врем -включени  индукционной катушки зависит так же и от величины резистора 56. Причем положительна  составл юща  емкостного тока одну треть периода идет через резистор 56 и диод 58, а отрицательна  составл юща  тока две третьих периода идет через резистор 57 и через транзистор 52. Посто нна  времени, образованна  резистором 56 и конденсатором 59, должна удовлетвор ть условию:

1

Т2 R56 Сб9 -д- ТI п-2,5т 3-5 МС.

20

На фиг.З представлены временные диаграммы сигналов коммутатора:

а) напр жение на выходе прерывател  51

в) напр жение на коллекторе транзистора 22

c)выходное напр жение интегратора 38

d)выходное напр жение компарато- ра 23

e)напр жение на коллекторе транзистора 14

f)напр жение на резисторе 4

к) напр жение на коллекторе транзи- стора 1

На фиг.4 представлены графики зависимости времени включени  силового транзистора х вкл в прототипе и врем  включени  силового транзистора в предлагаемом коммутаторе.

На фиг.5 приведена крива  изменени  переключени  компаратора 23 1ГПер, а также крива  изменени  напр жени  на выходе функционального преобра- зовател  1)ф.п.. Чем ближе расположены между собой эти кривые тем точнее выдерживаетс  посто нство времени включени  индукционной катушки .

Величины резисторов 40 и 63 определ - ютс  решением системы управлений

{Нэкв - ЛЮПРОТ- 68 кОм -,

R63+1R40nPOT R63 U nep.min :

Цзкв - Uci.42

Цзкв UcT.42 D . , - „

-R r+R5f R39 UcT-42;

где RSKB - эквивалентный резистор из параллельно включенных резисторов 63 и 40

RIQ прот. - величина RAO в прототипе;

Уэкв - напр жение эквивалентного генератора:

UCT. 42 - напр жение на стабилитроне42, равное 3 В.

После решени  этой системы управлений найдем, что резистор 40 равен 71 кОм, а резистор 63-1,609 мОм.

Таким образом, введение корректирующего сигнала в цепь инверсного входа компаратора 23 с выхода функционального преобразовател  скорости обеспечивает стабилизацию и оптимизацию времени включени  индукционной катушки в диапазоне оборотов 300-3000 об/мин. Кроме этого введение описанной коррекции существенно уменьшает врем  активного включени  силового транзистора, что уменьшает его нагрев, уменьшает энергопотребление и повышает надежность.

Кроме этого, следует отметить, что выход из стро  корректирующей схемы не влечет за собой выход из стро  коммутато- ра.

Claims (3)

1. Электронный коммутатор, содержащий силовой транзистор, в коллекторную цепь которого включена индукционна  ка- тушка, в эмиттерную цепь - измерительный резистор, а база силового транзистора через базоэмиттерный переход второго транзистора , включенного по схеме усилител  тока, соединена с коллектором третьего транзистора, коллектор которого через резистор соединен с шиной источника питани , эмиттер - с общим проводом, а база через соответствующие резисторы - с выходом регул тора тока через силовой транзи- стор, с выходом элемента безискровой отсечки тока через силовой транзистор при малых оборотах двигател , с выходом усилител  сигнала датчика Холла, используемого в качестве прерывател , а также с выходом компаратора, инверсный вход которого через резистивный делитель напр жени  подключен к источнику опорного напр жени ,а нейнверсный вход -через второй резистивный делитель - к выходу интегратора , между выходом и инверсным входом которого включен интегрирующий конденсатор, а инверсный вход через резистор подключен к источнику опорного напр жени  и через последовательно соединенные резистор и диод - к коллектору третьего транзистора, неинверсный вход интегратора через резистор соединен с выходом усилител  сигнала датчика Холла , отличающийс  тем, что, с целью повышени  надежности работы и уменьшени  энергопотреблени , введен функциональный преобразователь скорости вращени  двигател , выход которого через резистор соединен с инверсным входом компаратора, а вход - с выходом усилител  сигнала датчика Холла.

2,Коммутатор по п.1, от л и ч а ю щи й- с   тем. что функциональный преобразователь скорости вращени  двигател  выполнен на двух транзисторах, эмиттер первого из которых соединен с общим проводом, база через резистор - С выходом усилител  сигнала датчика Холла, а коллектор через первый резистор - с шиной источника питани  через параллельно соединенные второй резистор и диод, а также через зар дный конденсатор - с эмиттером второго транзистора , коллектор которого соединен с шиной источника питани , между его базой и эмиттером включен диод, а между его базой и общим проводом включен третий резистор и сглаживающий конденсатор, причем посто нна  времени п, удовлетвор ет условию

МС,

где R2 - сопротивление второго резистора; Сзар - емкость зар дного конденсатора.

3.Коммутатор по п.2, отличающийс  тем, что втора  посто нна  времени Т2 удовлетвор ет условию

t2 Rr С3ар 3-5мс,

где RI - сопротивление первого резистора .

W У

Фиг. 2-.

п - SO о об./мци.

К

Фиг.З.

мсе)

00

т т

со гI

Ј

Со

erg eg

03

3

--РГ

LO

Sf

CO

esi

И лврДО

i(W8)

t,95

0,5т.

h

fa с2т

te.5

Зт п/Ьб/w