УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДА НАКОПИТЕЛЬНОЙ ЕМКОСТИ В ЭЛЕКТРОСИСТЕМЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02P3/06 F02N11/08 

Изобретение относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано в системах электростартерного пуска и искрового зажигания.

Из уровня техники известна электросистема двигателя внутреннего сгорания, содержащая накопительные емкости, одна из которых предназначена для работы в системе электростартерного пуска, а другая - в системе искрового зажигания. Устройство для заряда накопительных емкостей содержит повышающий трансформатор, инвертор, включенный между аккумуляторной батареей и первичной обмоткой трансформатора, и выпрямитель, подключенный ко вторичной обмотке трансформатора [1].

Известно также устройство для заряда накопительной емкости в электронной системе зажигания, содержащее повышающий трансформатор, выпрямитель, подключенный ко вторичной обмотке трансформатора, транзисторный ключ, включенный между первичной обмоткой трансформатора и источником питания, выполненным в виде аккумуляторной батареи, и схему управления транзисторным ключом [2].

Известные устройства для заряда накопительных емкостей недостаточно экономичны и надежны в работе, что объясняется нагревом силовых транзисторов и возможностью выхода их из строя. Потери энергии в выходных транзисторных каскадах обусловливают необходимость применения радиаторов, имеющих большие габариты и вес.

Задача изобретения - повышение экономичности и надежности устройства для заряда накопительной емкости.

Поставленная задача решается путем того, что в устройстве для заряда накопительной емкости, содержащем повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого соединена с выпрямителем, а первичная обмотка подключена к низковольтному источнику питания через транзисторный ключ, и задающий генератор импульсов, соединенный с цепью управления транзисторного ключа, генератор импульсов и транзисторный ключ выполнены на базе трансформатора с насыщающимся магнитопроводом, первая обмотка которого, являющаяся выходной обмоткой генератора импульсов, включена между базой и эмиттером транзисторного ключа, а вторая обмотка - включена в цепь нагрузки последнего, причем первая и вторая обмотки включены согласно, а отношение количества витков в первой обмотке к количеству витков во второй обмотке больше или равно коэффициенту усиления силового транзисторного ключа.

Предпочтительным является выполнение генератора импульсов, управляющего работой транзисторного ключа в виде блокинг-генератора с коллекторно-базовой трансформаторной обратной связью, при этом параллельно времязадающему конденсатору блокинг-генератора включают защитную цепь из последовательно соединенных резистора и диода, точка соединения которых через дополнительный диод подключена к выводу вторичной обмотки повышающего трансформатора.

Устройство может быть снабжено пороговой схемой измерения напряжения на емкостном накопителе энергии, а трансформатор с насыщающимся магнитопроводом снабжен дополнительной обмоткой, выводы которой соединены между собой через полупроводниковый ключ с односторонней проводимостью, управляющий вход которого подключен к выходу схемы измерения.

Отличительные признаки изобретения, указанные в п. 1 формулы, обеспечивают получение следующего технического результата.

Ток базы описанного транзисторного ключа пропорционален току нагрузки, что позволяет минимизировать потери энергии в цепи управления ключом. Кроме того, предлагаемый транзисторный ключ запускается малым током и работает в режиме глубокого насыщения. Уменьшаются потери при выключении ключа за счет более эффективного рассасывания неосновных носителей базы.

Описанная в п. 2 защитная цепь предотвращает запуск блокинг-генератора, управляющего транзисторным ключом, во время протекания тока во вторичной обмотке повышающего трансформатора. Это позволяет избежать накопления энергии в индуктивности первичной обмотки и стабилизировать амплитуду тока в коллекторной цепи ключа.

Размещенная на трансформаторе с насыщающимся магнитопроводом дополнительная обмотка, включенная в схему так, как это указано в п. 3 формулы, обеспечивает надежную блокировку транзисторного ключа при достижение заданного напряжения на накопительной емкости.

На фиг. 1 представлена электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - графики, поясняющие работу транзисторного ключа.

Устройство для заряда накопительной емкости 1 содержит повышающий трансформатор 2 с первичной обмоткой 3 и вторичной обмоткой 4, выпрямитель, выполненный в виде диода 5, включенного между одним из выводов вторичной обмотки и массой, транзисторный ключ 6, через который первичная обмотка 3 повышающего трансформатора подключена к низковольтному источнику питания, выполненному в виде аккумуляторной батареи 7, и схему включения транзисторного ключа 6, представляющую собой генератор импульсов 8. Транзисторный ключ 6 и генератор импульсов 8 выполнены на базе трансформатора 9 с насыщающимся сердечником. Первая обмотка 10 трансформатора 9 является выходной обмоткой генератора импульсов 8 и включена между базой и эмиттером силового транзистора 11, на котором выполнен ключ 6, а вторая обмотка 12 трансформатора 9 включена в цепь эмиттера силового транзистора 11, причем обмотки 10 и 12 включены согласно, а отношение количества витков в первой обмотке 10 к количеству витков во второй обмотке 12 больше или равно коэффициенту усиления силового транзистора 11. Между базой и эмиттером силового транзистора 11 включен резистор 13.

Задающий генератор 8 импульсов представляет собой блокинг-генератор, содержащий транзистор 14, в базовую и коллекторную цепи которого включены соответственно обмотки 15 и 16 насыщающегося трансформатора 9. Обмотки 15 и 16 включены согласно и создают положительную обратную связь, необходимую для работы блокинг-генератора. Между одним из выводов обмотки 15 и эмиттером транзистора 14 включен времязадающий конденсатор 17. Точка соединения последнего с обмоткой 15 через резистор 18 подключена к стабилизатору напряжения, выполненному на стабилитроне 19 и резисторе 20. Параллельно времязадающему конденсатору 17 блокинг-генератора включена защитная цепь из последовательно соединенных резисторов 21 и диода 22, точка соединения которых через дополнительный диод 23 подключена к выводу вторичной обмотки 4 повышающего трансформатора 2 и к катоду диода 5.

Устройство также снабжено пороговой схемой измерения напряжения на емкостном накопителе энергии 1, состоящей из делителя напряжения на резисторах 24 и 25 и стабилитрона 27. Трансформатор 9 снабжен дополнительной обмоткой 28, выводы которой соединены между собой через полупроводниковый ключ 29 с односторонней проводимостью, состоящий из транзистора 30, диода 31 и резистора 32. Стабилитрон 27 при этом включен между точкой соединения резисторов 24, 25 и базой транзистора 30. Питание подается на устройство через выключатель 33.

На фиг. 2 представлены графики изменения тока базы I_б, напряжения база-эмиттер V_бэ, и тока коллектора I_к силового транзистора 11.

Устройство работает следующим образом.

После замыкания выключателя 33 начинает работать блокинг-генератор 8. Времязадающий конденсатор 17 заряжается через резисторы 20 и 18 и ток протекает через обмотку 15 трансформатора 9, включенную в базовую цепь транзистора 14. Последний открывается и подключает к источнику питания 7 обмотку 16, включенную согласно с обмоткой 15. В результате лавинообразного процесса отпирания транзистора 14 формируется короткий управляющий импульс, поступающий с обмотки 10 трансформатора 9 в базовую цепь силового транзистора 11 (моменты времени t=0 и t=t₃ на графиках, приведенных на фиг. 2). Транзистор 11 при малых токах эмиттера имеет коэффициент усиления 50-100 и более, в его коллекторе имеется индуктивная нагрузка, ток мал и слабый ток транзистора 14 сразу насыщает транзистор 11. Ток начинает протекать в первичной обмотке 3 повышающего трансформатора 2 и в обмотке 12 трансформатора 9. За счет того, что обмотка 12 магнитно связана с обмоткой 10, ток в последней трансформируется как в трансформаторе тока из тока эмиттера транзистора 11. Причем, так как количество витков в обмотке 10 (W₁₀) больше количества витков в обмотке 12 (W₁₂) в B раз (B - минимальный коэффициент усиления транзистора 11), то ток базы транзистора 11
I_б = I_кW₁₂/W₁₀,
т.е. обеспечивается ток базы, необходимый для поддержания транзистора 11 в насыщенном состоянии.

В момент времени t= t₁, сердечник трансформатора 9 насыщается и ток в обмотках 10 и 12 начинает уменьшаться. В момент времени t=t₂ знак напряжения на переходе база - эмиттер транзистора 11 изменяется на противоположный и последний закрывается. Этому способствует значительный ток закрытия, поступающий из индуктивного тока трансформатора 9. Фронты закрытия могут быть менее 0,1 мкс, что способствует малой мощности потерь.

В процессе работы транзисторного ключа 6 постоянное напряжение источника 7 преобразуется с помощью трансформатора 2 в более высокое переменное напряжение, которое через выпрямительный диод 5 поступает на заряд накопительной емкости 1.

При протекании тока через диод 5 отрицательный потенциал (-1 В) через диод 23 и резистор 21 поступает в базовую цепь транзистора 14. Это позволяет предотвратить повторное отпирание последнего (и соответственно формирование импульса, включающего силовой транзистор 11) до тех пор, пока идет заряд накопительной емкости 1. После прекращения тока в обмотке 5 описанный выше процесс повторяется.

После заряда накопительной емкости 1 до требуемого уровня напряжения пробивается стабилитрон 27 и транзистор 30 открывается. Таким образом, дополнительная обмотка 28 трансформатора 9 оказывается закороченной через ключ 29 с односторонней проводимостью. Количество витков в обмотке 28 больше количества витков в обмотке 10 и включена она так, что наводимая в ней ЭДС препятствует формированию управляющего импульса в обмотке 10 и транзистор 11 остается в состоянии отсечки несмотря на то, что блокинг-генератор 8 продолжает работать. Это обеспечивает автоматическое поддержание напряжения на емкостном накопителе энергии 1 в заданных пределах.

Использование: электрооборудование двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: устройство для заряда накопительной емкости содержит повышающий трансформатор 2, вторичная обмотка 4 которого соединена с выпрямителем 5, а первичная обмотка 3 подключена к низковольтному источнику питания 7 через транзисторный ключ 6, и задающий генератор 8 импульсов, соединенный с цепью управления транзисторного ключа 6. Генератор импульсов 8 и транзисторный ключ 7 выполнены на базе трансформатора 9 с насыщающимся магнитопроводом, первая обмотка 10 которого, являющаяся выходной обмоткой генератора импульсов, включена между базой и эмиттером силового транзистора 11, а вторая обмотка 12 включена в цепь нагрузки последнего, причем первая и вторая обмотки включены согласно, а отношение количества витков в первой обмотке к количеству витков во второй обмотке больше или равно коэффициенту усиления силового транзисторного ключа. Схема 8 запуска транзисторного ключа представляет собой блокинг-генератор с коллекторно-базовой трансформаторной обратной связью, при этом параллельно времязадающему конденсатору 17 блокинг-генератора включена защитная цепь из последовательно соединенных резистора 21 и диода 22, точка соединения которых через дополнительный диод 23 подключена к выводу вторичной обмотки повышающего трансформатора. Устройство может быть снабжено пороговой схемой измерения напряжения на емкостном накопителе энергии, выполненой на резисторах 24, 25 и стабилитроне 27, а трансформатор с насыщающимся магнитопроводом снабжен дополнительной обмоткой 28, выводы которой соединены между собой через полупроводниковый ключ 29 с односторонней проводимостью, управляющий вход которого подключен к выходу упомянутой схемы измерения. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для заряда накопительной емкости в электросистеме двигателя внутреннего сгорания, содержащее повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого через выпрямитель соединена с накопительной емкостью, а первичная обмотка подключена к низковольтному источнику питания через транзисторный ключ, и задающий генератор импульсов, соединенный с цепью управления транзисторного ключа, отличающееся тем, что генератор импульсов и транзисторный ключ выполнены на базе трансформатора с насыщающимся магнитопроводом, первая обмотка которого, являющаяся выходной обмоткой генератора импульсов, включена между базой и эмиттером транзисторного ключа, а вторая обмотка - включена в цепь нагрузки последнего, причем первая и вторая обмотки включены согласно, а отношение количества витков в первой обмотке к количеству витков во второй обмотке больше или равно коэффициенту усиления транзисторного ключа. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор импульсов выполнен в виде транзисторного блокинг-генератора с коллекторно-базовой трансформаторной связью, причем параллельно времязадающему конденсатору блокинг-генератора включена защитная цепь из последовательно соединенных резистора и диода, точка соединения которых через дополнительный диод подключена к выводу вторичной обмотки повышающего трансформатора. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что оно снабжено пороговой схемой измерения напряжения на емкостном накопителе энергии, а трансформатор с насыщающимся магнитопроводом снабжен дополнительной обмоткой, выводы которой соединены между собой через полупроводниковый ключ с односторонней проводимостью, управляющий вход которого подключен к выходу схемы измерения.