Параметрические датчики изменяют те или иные параметры в электрической цепи управления (сопротивление, индуктивность, емкость). Генераторные датчики в управляющих цепях являются источниками тока. Работа датчиков основана на использовании различных физических явлений. Широко известны магнитоэлектрические, фотоэлектрические, оптоэлектронные, индуктивные и взаимоиндуктивные датчики, пьезодатчики, датчики на магнисторах, на эффектах Холла и Вигонда и другие.
Взаимоидуктивные параметрические датчики вырабатывают сигнал управления при изменении магнитной связи между обмотками или их индуктивности.
Датчики на магнисторах изменяют напряжение на выводах обмотки, намотанной на отрезок специально обработанной магнитной проволоки. При перемагничивании этого отрезка проволоки за счет коммутации магнитного потока от неподвижных магнитов или от вращающихся магнитов в обмотке возникают кратковременные импульсы напряжения.
В фотодатчиках используются фотоэлементы, преобразующие энергию световых импульсов в электрическую энергию, а также фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы, сопротивление которых изменяется с изменением силы падающего на них света. Для изменения силы света между источником света и фотодатчиком устанавливается непрозрачная цилиндрическая шторка или диск с прорезями. Число прорезей должно быть равно числу цилиндров двигателя. Привод шторки или диска осуществляется от коленчатого вала двигателя.
В пьезодатчиках управляющим сигналом является импульс ЭДС, возникающий в некоторых кристаллах при механическом воздействии на них.
Наибольшее распространение в БТСЗ на автомобилях отечественного производства получили магнитоэлектрические датчики и датчики Холла, обеспечивающие высокую точность отслеживания момента искрообразования и обладающие повышенной помехозащищенностью и стойкостью к внешним воздействиям.
Действие магнитоэлектрических датчиков (МЭД) основано на явлении электромагнитной индукции. МЭД представляет собой однофазный генератор переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую. Различают МЭД коммутаторного типа с пульсирующим магнитным потоком и с вращающимися магнитами, знакопеременным магнитным потоком и симметричной формой выходного напряжения.
Схема МЭД коммутаторного типа приведена на рис. 1. Принцип его действия основан на изменении магнитного сопротивления магнитной цепи датчика и магнитного потока Ф, пронизывающего обмотку 3, при изменении длины воздушного зазора между зубцами вращающегося ротора-коммутатора 4 и полюсными наконечниками неподвижного статора 1, в магнитопроводе которого установлен постоянный магнит 2.
Рис. 1. Схема МЭД коммутаторного типа: 1 - магнитопровод статора; 2 - постоянный магнит; 3 - обмотка статора; 4 - ротор-коммутатор
При вращении зубчатого ротора из магнитомягкой стали в обмотке статора в соответствии с законом электромагнитной индукции наводится переменная ЭДС. Когда пара зубцов набегает на полюсные наконечники статора, магнитный поток Ф нарастает, а после достижения максимального значения и удалении зубцов ротора от полюсных наконечников статора — уменьшается (рис. 2). Максимум магнитного потока возникает при совпадении осевых линий зубцов ротора и полюсных наконечников статора. В этот момент выходное напряжение Uвых меняет знак. Напряжение Uвых от положительного максимума до отрицательного изменяется очень быстро. Резкий переход выходного напряжения МЭД через нулевое значение может быть использован для выработки сигнала управления моментом зажигания. Максимальные и минимальные значения напряжения Uвых соответствуют максимальным скоростям (dФ/dα)max изменения магнитного потока по углу поворота ротора МЭД.
Рис. 2. Зависимости магнитного потока и напряжения на выводах обмотки статора от угла поворота а валика датчика-распределителя
МЭД с вращающимися магнитами состоят из неподвижной обмотки 3 (рис. 3) статора 1 и постоянного магнита 2, жестко связанного с валиком датчика-распределителя. Число пар полюсов магнита равно числу цилиндров двигателя.
Рис. 3. Схема МЭД с вращающимся магнитом для четырехцилиндрового двигателя
Конструктивно ротор МЭД, устанавливаемых в датчиках-распределителях БТСЗ, представляет собой кольцевой постоянный магнит 2 (рис. 4), размещенный между двумя частями когтеобразной магнитной системы с полюсными наконечниками 1 и 3. Кольцевая обмотка 5 статора расположена между двумя обоймами 4 и 6 магнитной системы статора с когтеобразными наконечниками, число пар которых равно числу пар полюсных наконечников ротора.
Рис. 4. Магнитоэлектрический датчик: 1, 3 - полюсовые наконечники; 2 - постоянный магнит; 4-6 - обоймы магнитной системы статора; 5 - обмотка статора
При вращении ротора в магнитной системе статора изменяется магнитный поток, пронизывающий обмотку статора, и на выходе датчика появляются близкие к синусоидальным импульсы напряжения. Развиваемое МЭД напряжение подается на вход транзисторного коммутатора БТСЗ, который коммутирует ток в первичной цепи катушки зажигания, обеспечивая накопление энергии в ней и возникновение высокого вторичного напряжения в момент искро-образования с соответствующим углом опережения зажигания.
Недостатками МЭД являются значительная индуктивность обмотки и влияние на амплитуду и скважность вырабатываемого сигнала управления частоты вращения ротора МЭД. Изменение напряжения МЭД по углу поворота ротора при различных частотах его вращения показано на рис. 5. Если уровень напряжения, при котором управляемый МЭД транзистор коммутатора переходит в состояние насыщения или отсечки, соответствует значению Uоткр,то при низком значении частоты вращения валика датчика-распределителя n1 искрообразование произойдет позже, чем при более высоком значении n2. Следовательно, изменение частоты вращения коленчатого вала автоматически приводит к смещению угла θ опережения зажигания. Это смещение необходимо компенсировать механическими автоматами опережения зажигания или применять корректирующие элементы в коммутаторе, что усложняет его схему. При малых пусковых частотах вращения коленчатого вала вырабатываемое МЭД напряжение может быть недостаточным для перевода управляемого им входного транзистора коммутатора в состояние насыщения, что без применения формирующих каскадов затруднит пуск двигателя.
Рис. 5. Зависимость выходного напряжения МЭД от угла поворота ротора при различных частотах его вращения
Датчик Холла. Работа датчика Холла основана на использовании гальваномагнитного эффекта в элементе Холла, который представляет собой тонкую пластину с четырьмя выводами (рис. 6), выполненную из полупроводниковых материалов: германия, кремния, арсенида галлия, арсенида индия, антимода. Толщина пластины из полупроводникового кристалла составляет 10-4 м.
Рис. 6. Принцип действия полупроводникового элемента Холла
ЭДС Холла очень мала, зависит от силы тока в пластине (от напряжения питания Un) и температуры, поэтому датчик Холла помимо элемента Холла (ЭХ) (рис. 7) включает в себя преобразователь с усилителем У, пороговый элемент К, выходной каскад на транзисторе VT и стабилизатор напряжения (СТ). Конструктивно и технологически датчик Холла выполнен в виде одной микросхемы, называемой магнитоуправляемой интегральной схемой.
Рис. 7. Структурная схема микропереключателя на эффекте Холла (Рн — нагрузка датчика)
Магнитное поле в датчике Холла создается постоянным магнитом 5 (рис. 8). Магнитная система и магнитоуправляемая интегральная схема 7, объединенные в одном корпусе 6, образуют микропереключатель на эффекте Холла. Коммутация магнитного потока осуществляется ротором 2 в виде шторки с экранами 3 и прорезями, выполненного из магнитомягкой стали. Ротор с валиком 4 датчика-распределителя вместе с ним вращается. Число прорезей равно числу цилиндров двигателя.
Рис. 8. Схема датчика Холла: 1 - магнитоуправляемая интегральная схема; 2 - ротор; 3 - экран; 4 - валик датчика-распределителя; 5 - магнит; 6 - корпус микропереключателя
При прохождении около постоянного магнита прорези ротора силовые линии его магнитного поля пронизывают поверхность ЭХ, и на его выходе появляется ЭДС ех (рис. 9). Когда в зазоре между магнитоуправляемой интегральной схемой и магнитом находится экран ротора, происходит шунтирование магнитного потока, и значение ех снижается до минимума. При периодическом изменении магнитного потока на выходе датчика Холла формируется сигнал об угловом положении коленчатого вала двигателя в виде импульсов напряжения Ud прямоугольной формы.
Рис. 9. Зависимости ЭДС чувствительного элемента Холла и напряжения на выходе датчика Холла от угла поворота ротора
В датчике Холла обеспечивается гистерезис переключения входного напряжения, так как уровни а и b ЭДС Холла ех, соответствующие включению и выключению порогового элемента, не совпадают. Частота вращения ротора практически не влияет на фронт и срез импульса ЭДС ех, поэтому электрическое смещение угла опережения зажигания датчика Холла значительно меньше, чем у генераторного МЭД.
Магнитоуправляемая интегральная схема датчика Холла, как и все электронные компоненты, чувствительна к воздействию внешних факторов, поэтому должна удовлетворять требованиям, которые предъявляются к изделиям автомобильной электроники, устанавливаемым в двигательном отсеке.
В датчике Холла 40.3706.800 форма и амплитуда сигнала не зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Время увеличения и уменьшения выходного сигнала датчика составляют доли микросекунды. Датчик Холла может работать в широком диапазоне напряжения питания от 4,5 до 18 В при силе тока нагрузки 20 мА. Термическая устойчивость датчика Холла должна обеспечивать нормальную работу при температурах окружающей среды от -40 до +125°C. Смещение угла момента зажигания во всем температурном диапазоне не должно быть большим 0,5—1,5°.
В состав датчика Холла 40.3706.800 входят микросхема типа К116КПЗ и магнитная система на ферритобариевом магните.
Рис. 10. Электрическая схема микросхемы К116КПЗ датчика 40.3706.800
Электрическая схема микросхемы К116КПЗ датчика Холла приведена на рис. 10. Сигнал с ЭХ усиливается однокаскадным дифференциальным усилителем на транзисторах VT13, VT14, VT16, Р77 7. Усиленный сигнал поступает на триггер Шмита VT18, VT20, который управляет выходным усилителем на транзисторах VT21, VT23, VT25, VT27, VT28, VT30. Сигнал с выходного усилителя поступает на выходной транзисторный каскад VT31, VT32, VT33.
В датчике Холла применен стабилизатор напряжения VT1, VT2, VT3, VT4, VT5, VT6, VT7, VT8, в котором в качестве опорного напряжения используется напряжение, соответствующее ширине запрещенной зоны кремния. Стабильный по температуре порог срабатывания микросхемы датчика Холла обеспечивает термокомпенсационный каскад VT9, VT10, VT11, VT12 и стабилизатор тока VT19, VT22, VT24, VT26 и VT29.
Комментарии посетителей