Рис. 1. Схема системы зажигания с датчиком Холла и регулируемым временем накопления энергии: 1 - датчик Холла; 2 - электронный коммутатор; 3 - распределитель
Блок времени накопления при различных частотах вращения коленчатого вала и напряжении бортовой сети формирует импульсы силы тока в первичной цепи катушки зажигания определенной длительности, обеспечивающей минимальное рассеивание мощности при условии накопления в магнитном поле катушки зажигания энергии, достаточной для получения требуемых параметров искрового разряда.
Блок ограничения силы тока ограничивает амплитуду импульсов силы тока в первичной цепи катушки зажигания при низких частотах вращения коленчатого вала двигателя и высоком напряжении бортовой сети электрооборудования автомобиля.
Блок безыскровой отсечки прерывает ток в первичной цепи катушки зажигания в том случае, когда контакты выключателя S зажигания замкнуты, а коленчатый вал двигателя не вращается.
Блок ограничения напряжения электроснабжения стабилизирует напряжение при возможных перенапряжениях в бортовой сети электрооборудования автомобиля.
Выходной каскад в соответствии с управляющими импульсами от блоков времени накопления, ограничения тока и безыскровой отсечки формирует импульсы тока в первичной цепи катушки зажигания требуемой скважности и амплитуды.
Основные функциональные блоки коммутатора реализованы на базе микросхемы К1401УД1, содержащей четыре операционных усилителя DA 1.1, DA1.2, DA1.3 и DA1.4 с автономными входами и выходами и общим источником электроснабжения.
При замыкании контактов выключателя S зажигания в зависимости от положения экрана выходное напряжение датчика Холла (в точке а) может быть минимальным или максимальным. При низком уровне сигнала датчика инвертирующий транзистор VT1 (рис. 2) находится в состоянии отсечки. Напряжение на выходе инвертора (в точке Ь) практически равно напряжению аккумуляторной батареи. Это напряжение через резистор R24 подается на базу транзистора VT2 логического элемента ИЛИ-HE (см. рис. 1). Транзистор VT2 (см. рис. 2) переходит в состояние насыщения, последовательно переключая транзисторы VT3 и VT4 выходного каскада в состояние отсечки. Ток в первичной цепи катушки зажигания отсутствует.
Рис. 2. Схема коммутатора 36.3734
При высоком уровне сигнала датчика транзистор VT1 перейдет в состояние насыщения. На выходе инвертора устанавливается логический нуль. На входы логического элемента ИЛИ-HE не подается ни одного положительного сигнала. Поэтому транзистор VT2 находится в состоянии отсечки. На выходе логического элемента (в точке е) устанавливается сигнал логической единицы, который переводит транзисторы VT3 и VT4 в состояние насыщения.
Однако при подаче на инверсный вход интегратора DA1.1 сигнала низкого уровня с выхода инвертора, на выходе интегратора появляется медленно возрастающее положительное напряжение, которое через резистор R25 подается на базу транзистора VT2. Когда напряжение на выходе интегратора DA1.1 при невращающемся коленчатом вале достигает уровня, достаточного для перехода транзистора VT2 в состояние насыщения, транзистор VT4 перейдет в состояние отсечки и разомкнет цепь первичной обмотки катушки зажигания.
Напряжение на выходе интегратора DA 1.1 возрастает вследствие заряда конденсатора С3, что достигается специальным включением схемы операционного усилителя. Время заряда конденсатора С3 выбирается таким, чтобы при вращении коленчатого вала с минимальной частотой при пуске двигателя напряжение на выходе интегратора DA 1.1 не влияло на работу логического элемента ИЛИ-HE. С другой стороны, параметры схемы интегратора подбираются таким образом, чтобы конденсатор С3 очень быстро разряжался.
Прямоугольный сигнал датчика Холла через инвертор поступает также на прямой вход интегратора DA1.2 блока времени накопления. При высоком уровне сигнала инвертора на выходе интегратора DA1.2 (в точке с) формируется пилообразный сигнал, максимальное напряжение которого пропорционально длительности заряда конденсатора С5. Вырабатываемый интегратором сигнал подается на прямой вход компаратора, выполненного на операционном усилителе DA1.4. К инверсному входу компаратора от стабилитрона VD3 через резистор R20 поступает опорное напряжение Uon.
Когда напряжение на выходе интегратора выше уровня опорного напряжения компаратора, на выходе компаратора устанавливается сигнал логической единицы, который через резистор R23 подается на базу транзистора VT2, удерживая его в состоянии насыщения. Состояние насыщения транзистора VT2 и состояние отсечки выходного транзистора VT4 определяются наличием хотя бы на одном из входов логического элемента ИЛИ-HE положительного сигнала. После появления сигнала логической единицы на выходе компаратора на входы логического элемента поступают два положительных сигнала: от компаратора (точка d) и инвертора (точка b).
При появлении сигнала высокого уровня с датчика Холла (точка а) на выходе инвертора и входе интегратора DA1.2 (точка b) устанавливается логический нуль. Конденсатор С5 начинает разряжаться. Пока выходное напряжение интегратора DA1.2 превышает опорное напряжение компаратора на один из входов логического элемента ИЛИ-HE через резистор R23 продолжает поступать положительный сигнал (точка d). Транзистор VT2 остается в состоянии насыщения, а выходной транзистор VT4 в состоянии отсечки.
Переход транзистора VT2 в состояние отсечки, а выходного транзистора VT4 — в состояние насыщения, когда цепь первичной обмотки катушки зажигания замыкается, возможен только при отсутствии положительных сигналов на всех входах логического элемента ИЛИ-НЕ. Такая ситуация возникает после того, как напряжение на выходе интегратора DA1.2 опустится ниже уровня опорного напряжения компаратора. При переключении транзистора VT4 в состояние насыщения начинается процесс накопления энергии в магнитном поле катушки зажигания, который длится в течение времени tн нахождения транзистора VT4 в состоянии насыщения. Процесс накопления энергии заканчивается, когда на выходе инвертора (точка b) появляется сигнал высокого уровня, который отпирает транзистор VT2 и запирает транзисторы VT3 и VT4. Сила тока в первичной цепи катушки резко уменьшается, а во вторичной цепи возникает импульс высокого вторичного напряжения. Момент искрообразования соответствует переходу от высокого уровня сигнала датчика Холла к низкому (срезу сигнала) и одновременному переходу сигнала на выходе инвертора (точка Ь) от низкого уровня к высокому (фронту сигнала), когда на базу транзистора VT2 логического элемента ИЛИ-HE через резистор R24 вновь подается положительное напряжение.
Временные диаграммы тока в первичной цепи катушки зажигания и напряжения в отдельных точках коммутатора приведены на рис. 3. Регулирование времени накопления энергии в магнитном поле катушки зажигания осуществляется следующим образом. С увеличением частоты вращения n коленчатого вала двигателя амплитуда выходного напряжения интегратора DA1.2 уменьшается, длительность импульса высокого уровня на выходе компаратора DA1.4 (точка d) сокращается, тогда как время накопления tн энергии остается практически постоянным. При постоянном опорном уровне напряжения (~2 В) компаратора с увеличением n уменьшается скважность импульса силы тока в первичной обмотке катушки зажигания, т.е. увеличивается длительность периода tн относительно длительности периода Т следования искровых разрядов.
Рис. 3. Временные диаграммы тока I в первичной цепи катушки зажигания и напряжения в отдельных точках коммутатора
При какой-то предельной частоте вращения nпред коленчатого вала, когда максимальное напряжение интегратора станет меньше опорного напряжения компаратора, состояния транзисторов VT2, VT3 и VT4 будут зависеть только от управляющих сигналов датчика Холла и инвертора. Время накопления энергии определяется длительностью промежутка времени между фронтом и срезом сигнала датчика Холла. Это время уже не регулируется и находится в прямой зависимости от угла поворота валика датчика-распределителя. Так как скважность сигнала датчика неизменна, то и скважность сигнала, определяющего время накопления tн энергии, также не будет изменяться. Поэтому при n > nпред с увеличением частоты вращения коленчатого вала абсолютное значение tн будет уменьшаться.
При пусковых и низких рабочих частотах вращения коленчатого вала двигателя амплитуда выходного управляющего сигнала интегратора DA1.2 ограничивается уровнем напряжения источника электроснабжения коммутатора.
Выбором параметров опорного напряжения компаратора и постоянных времени зарядной и разрядной цепей конденсатора С5 устанавливают наиболее благоприятный с точки зрения рассеиваемой мощности закон изменения времени tн в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя.
При уменьшении напряжения источника электроснабжения выходной транзистор VT4 раньше замыкает цепь первичной обмотки катушки зажигания. Поэтому время накопления tн энергии по отношению к периоду следования искровых разрядов увеличивается.
Регулирование времени накопления энергии в зависимости от напряжения источника электроснабжения дополнительно обеспечивается за счет включения на входах компаратора DA1.4 резисторов R21 и R22. В этом случае опорный уровень напряжения компаратора зависит от напряжения источника электроснабжения. Чем выше уровень этого напряжения, тем ниже опорный уровень напряжения компаратора DAL4, продолжительнее разряд конденсатора С5 и меньше время tн.
Когда при малых частотах вращения коленчатого вала двигателя или повышенном напряжении источника электроснабжения сила тока в первичной цепи катушки зажигания достигает установленной предельной величины, в работу вступают блок ограничения силы тока, содержащий компаратор, построенный на операционном усилителе DA1.3 (см. рис. 2), и резисторы R36 и R37. Резисторы включены в цепь первичной обмотки катушки зажигания последовательно с транзистором VT4.
Напряжение с параллельно соединенных резисторов R36 и R3 7 подается на прямой вход компаратора DA1.3, где сравнивается с опорным напряжением на инверсном входе, создаваемом стабилитроном VD3 и делителем напряжения на резисторах R12, R13 и R15. Если сила тока I в первичной цепи катушки зажигания превышает допустимое значение, на выходе (точка#) компаратораDA 1.3 появляется сигнал, который через резистор R26 поступает на базу транзистора VT2 и переводит его из состояния отсечки в активный режим. Напряжение на коллекторе транзистора VT2 (точка е) понижается, что также вызывает переход выходного транзистора VT4 в активный режим работы, но из состояния насыщения. Частичное запирание транзистора VT4 приводит к уменьшению силы токаIи снижению потенциала на резисторах R361A.R37 до уровня, меньшего уровня опорного напряжения компаратора. В результате периодического изменения состояния компаратора устанавливается динамическое равновесие, при котором транзистор VT4, работая в активном режиме, фиксирует заданный уровень ограничиваемой силы тока. Уровень ограничения силы тока первичной цепи зажигания устанавливается в результате выбора опорного напряжения компаратора DA1.3. Для точного задания уровня опорного напряжения параллельно резистору R13 включен подстрочный резистор R15.
Когда двигатель остановлен, а зажигание остается включенным, для безыскровой отсечки тока в первичной цепи катушки зажигания используется интегратор DA1.1 с постоянной времени интегрирования, значительно превышающей период следования искровых разрядов в цилиндрах двигателя при самой низкой частоте вращения коленчатого вала.
Во время работы двигателя с выхода интегратора (точка f) через резистор R26 на базу транзистора VT2 логического элемента ИЛИ-HE подается практически нулевой уровень сигнала, который не оказывает влияние на состояние транзистора VT2. Однако после остановки двигателя через 2—5 с напряжение на выходе интегратора DA 1.1 постепенно повышается до уровня, достаточного для перевода транзистора VT2 в состояние насыщения. Соответственно, медленно без искрообразования закроется выходной транзистор VT4, и ток в первичной цепи катушки зажигания прервется.
Для защиты транзистора VT4 от импульсов перенапряжения, возникающих в первичной обмотке катушки зажигания, в схеме коммутатора предусмотрены стабилитрон VD5 и делитель напряжения на резистоpax R30 и R34. Когда импульс напряжения превышает допустимый уровень, на делителе напряжения R30, R34 формируется напряжение, достаточное для пробоя стабилитрона VD5. При этом на время действия импульса перенапряжения транзистор VT4 открывается, и напряжение на его эмиттер-коллекторном переходе ограничивается.
Стабилизация напряжения коммутатора обеспечивается стабилитроном VD4 и резистором R31. Уровни стабилизированных опорных напряжений на инверсных входах компараторов DA1.3 и DA1.4 устанавливаются с помощью стабилитрона VD3. От случайной перемены полярности при неправильном включении аккумуляторной батареи в бортовую сеть электрооборудования автомобиля цепь питания коммутатора защищает диод VD7, а выходной транзистор VT4 — диод VD6. Конденсаторы С2, С4 и С9 защищают схемы коммутатора и датчика Холла от импульсов перенапряжения, возникающих в бортовой сети в аномальных режимах эксплуатации автомобильного электрооборудования.
Выходной транзистор VT4, стабилитрон VD4 и диод VD6 установлены на корпусе коммутатора. Остальные радиокомпоненты размещены на печатной плате.
Коммутатор 36.3734 можно отнести к группе электронных приборов, выполняемых на дискретных полупроводниковых компонентах и корпусных интегральных схемах. Коммутаторы этой группы имеют большие габаритные размеры и массу. Расширение числа функций коммутатора обеспечено за счет большего числа как активных, так и пассивных элементов электронной техники, что приводит к снижению надежности.
Задача повышения надежности электронных изделий решается путем применения новых технологических процессов. В коммутаторе 36.3734 для реализации сложных функций управления применена микросхема К1401УД1, в которой большое число электронных компонентов выполнено по полупроводниковой технологии на одном кристалле кремния.
Повышение степени интеграции коммутаторов достигается созданием специализированных микросхем, в которых в рамках единой полупроводниковой технологии объединены такие функциональные компоненты, как усилители, интеграторы, инверторы, компараторы. Специализированная интегральная микросхема выполняется на одном полупроводниковом кристалле и оформляется в виде самостоятельного изделия в пластмассовом или керамическом корпусе, которое решает все основные задачи управления БТСЗ. Однако интегральная микросхема не может полностью заменить электронный коммутатор, так как в рамках единой полупроводниковой технологии пока нет возможности изготовлять функциональные компоненты, отличающиеся по мощности в десятки и сотни раз.
Электронный коммутатор 3620.3734 создан на базе специализированной микросхемы L497B с использованием в выходном каскаде транзистора BU931Z (рис. 4).
Рис. 4. Схема коммутатора 3620.3734
Микросхема L497B содержит те же функциональные блоки, что и микросхема коммутатора 36.3734 и кроме того, выполняет дополнительные функции. В схему коммутатора включены конденсаторы С3, С4, С5 и С6, которые являются внешними компонентами функциональных блоков микросхемы, и стабилизированный источник электроснабжения микросхемы и датчика Холла на резисторе R6, стабилитроне VD1 и транзисторе VT1. Функциональная схема интегральной микросхемы L497B приведена на рис. 5.
Рис. 5. Функциональная схема микросхемы L497B: 1, 2, 4 - выводы к общему заземлению корпуса коммутатора; 3, 5, 6, 7 - выводы соответственно к «+», входного сигнала датчика Холла, сигнала к тахометру, дополнительного стабилитрона; 8, 9, 12 - выводы для соединения соответственно конденсаторов и устройств F4, Q, G; 10, 11 - выводы для соединения конденсаторов и устройства F2; 13, 14 - выводы соответственно для соединения с индикаторным резистором в цепи силового тока и для управления выходным транзистором; 15, 16 - выводы соответственно для подачи импульса перенапряжения в цепи коллектора выходного транзистора и для установки в ней резистора; G - генератор опорного уровня; F1 - формирователь импульса для тахометра; S1 - блок защиты выходного транзистора от импульсов перенапряжений; F2 - формирователь периода накопления энергии; В - узел блокировки управления периодом накопления энергии; D - выходное устройство; F3 - блок формирования сигнала коррекции периода накопления; F4 - блок безыскровой отсечки тока; Q - устройство защиты от постоянного протекания тока; S2 - устройство ограничения силы выходного тока; VD1 - вспомогательная цепочка стабилитронов; VD2 - стабилитрон защиты цепи электроснабжения
Процесс интеграции распространился также на силовую часть коммутатора: выходной транзистор со схемой его защиты и каскадом предварительного усиления выполнены на одном кристалле кремния.
Конструктивно электронный блок коммутатора 3620.3734 (рис. 6) состоит из двух сборок: печатной платы 1 с навесными электронными компонентами и теплоотвода 2, на котором установлен силовой транзистор 3.
Рис. 6. Электронный блок коммутатора 3620.3734 (обозначения элементов соответствуют обозначениям элементов на рис. 4)
Комментарии посетителей