ЭЛЕКТРОННЫЙ КЛЮЧ Российский патент 1998 года по МПК F02P3/04 F02P3/08 H03K17/60 

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в коммутаторах систем зажигания двигателей внутреннего сгорания.

К недостаткам транзисторных систем зажигания двигателей внутреннего сгорания относится невысокая надежность работы выходных каскадов коммутаторов. Электронные ключи, входящие в состав коммутаторов, как правило, не обладают достаточно высокими динамическими характеристиками и не имеют защиты от перегрузки по току. Проблема повышения надежности и экономичности работы транзисторных ключей особенно актуальна для систем зажигания с формированием длительного разряда за счет многократного подключения первичной обмотки катушки зажигания к выходу повышающего преобразователя напряжения (патент РФ 2020258, кл. F 02 P 3/04, 1994). Транзисторные ключи коммутатора и преобразователя напряжения работают на индуктивную нагрузку с высокой частотой, что является причиной больших динамических потерь. Величина тока через ключи ограничивается только длительностью их открытого состояния.

Время переключения транзистора из одного состояния в другое может быть уменьшено путем использования трансформатора обратной связи (патент СССР 550994 кл. F 02 P 3/08, 1977). Электронный ключ, использованный в преобразователе напряжения данной системы зажигания, снабжен тиристором, который шунтирует база-эмиттерный переход выходного транзистора при увеличении тока нагрузки до заданного уровня. К недостаткам ключа относится то, что ток нагрузки контролируется косвенно, по падению напряжения в цепи база-эмиттер выходного транзистора. Это приводит к тому, что самоотключение ключа может произойти в очень широком диапазоне значений тока нагрузки. Кроме того, падение напряжения на открытом тиристоре сопоставимо с падением напряжения на переходе база-эмиттер транзистора, а следовательно, запирание транзистора будет недостаточно эффективным.

Задачей изобретения является повышение экономичности и надежности работы электронного ключа. Это в свою очередь позволяет повысить надежность коммутатора или преобразователя напряжения.

Поставленная задача решается путем того, что в электронном ключе, содержащем транзистор, трансформатор обратной связи, первая обмотка которого включена в выходную цепь транзистора, а вторая - включена между его базой и эмиттером, и ключевой элемент с односторонней проводимостью, управляющий электрод которого соединен со схемой контроля тока нагрузки транзистора, трансформатор обратной связи снабжен третьей обмоткой, включенной в выходную цепь элемента с односторонней проводимостью, а схема контроля тока нагрузки снабжена измерительным сопротивлением, соединенным последовательно с первой обмоткой трансформатора. Описанный электронный ключ может быть включен в систему зажигания двигателя внутреннего сгорания между индуктивной нагрузкой и источником питания.

Отличительные признаки изобретения позволяют повысить статические и динамические характеристики ключа. В открытом состоянии транзистор находится в режиме глубокого насыщения, ток его нагрузки пропорционален току базы, а следовательно, статические потери являются минимальными. За счет третьей обмотки транзистор надежно закрывается при заданном токе нагрузки, процесс переключения транзистора из одного состояния в другое значительно ускоряется, а следовательно, уменьшаются динамические потери.

Для электронных схем, работающих в широком диапазоне температур, целесообразно снабжать схему контроля тока нагрузки делителем напряжения с температурной компенсацией, включенным между измерительным резистором и управляющим электродом ключевого элемента с односторонней проводимостью, выполненного в виде тиристора. Это дает возможность уменьшить температурный дрейф значения тока, при котором происходит самоотключение электронного ключа.

Целесообразно также выполнять третью обмотку трансформатора обратной связи с числом витков, по меньшей мере в два раза большим числа витков второй обмотки, а число витков второй обмотки - равным числу витков первой обмотки, умноженному на коэффициент усиления транзистора по току в ключевом режиме. Этим достигается гарантированное запирание транзистора, высокая скорость его переключения из одного состояния в другое, и требуемая степень насыщения в открытом состоянии.

На чертеже представлена электрическая схема ключа, запуск которого осуществляется с помощью блокинг-генератора.

Ключ содержит выходной транзистор 1, в коллекторную цепь которого включена нагрузка 2, трансформатор 3 обратной связи с обмотками 4, 5 и 6, тиристор 7 и схему 8 контроля тока нагрузки транзистора. Схема 8 содержит измерительный резистор 9, делитель напряжения на резисторах 10, 11, диод 12, предназначенный для термокомпенсации, и токоограничивающий резистор 13. Первая обмотка 4 трансформатора и измерительный резистор 9 включены последовательно в эмиттерную цепь транзистора 1. Вторая обмотка 5 трансформатора включена между эмиттером и базой транзистора 1, а третья обмотка 6 - включена между базой транзистора 1 и анодом тиристора 7. К выводам обмотки 5 подключен резистор 14.

Число витков обмотки 5 может быть определено по формуле

где
V_бэ - падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора;
t_и - длительность отпирающего импульса, достаточная для нарастания тока в коллекторной цепи ключа до требуемого значения;
S_ст - сечение стали магнитопровода трансформатора 3 обратной связи;
ΔB- перепад индукции в магнитопроводе трансформатора 3.

Число витков обмотки 4 может быть определено по формуле
W_э = W_б/h_нас,
где
h_нас - коэффициент усиления транзистора по току в ключевом режиме (статический коэффициент передачи транзистора по току).

Число витков третьей обмотки определяется неравенством W_т > 2W_б,
Блокинг-генератор содержит транзистор 15, генераторную обмотку 16, размещенную на сердечнике трансформатора 3, конденсатор 17, диод 18, стабилитрон 19 и резисторы 20 - 24. Вход 25 управления электронным ключом соединен через резистор 26 с управляющим электродом тиристора 7.

Электронный ключ работает следующим образом.

При подключении схемы к источнику питания импульс тока через заряжающийся конденсатор 17 поступает в обмотку 6 трансформатора 3 и в базовую цепь выходного транзистора 1. Блокинг-генератор запускается и в случае, если тиристор 7 закрыт, транзистор 1 открывается. Напряжение, генерируемое в обмотке 5, прикладывается к база-эмиттерному переходу транзистора 1 в прямом направлении и ускоряет процесс его отпирания. Индуктивная нагрузка 2 подключается к источнику питания, и ток в выходной цепи транзистора 1 увеличивается. С увеличением тока через обмотку 4 трансформатора обратной связи увеличивается также ток в базовой цепи транзистора 1.

Падение напряжения на измерительном резисторе 9 через делитель напряжения на резисторах 10 и 11 подается на управляющий электрод тиристора 7. Когда ток в эммитерной цепи транзистора 1 достигает заданной величины, тиристор 7 открывается и шунтирует цепь управления транзистором 1. Ток, протекающий через обмотки 6 и 4, уменьшается, ЭДС, генерируемая в обмотке 5 трансформатора, меняет направление, и транзистор 1 за счет лавинообразного процесса закрывается. После этого тиристор 7 запирается импульсом обратного напряжения, и процесс отпирания и запирания выходного транзистора 1 повторяется.

В случае, если на вход 25 ключа подается положительный потенциал, тиристор 7 постоянно находится в открытом состоянии. При этом блокинг-генератор продолжает работать, однако напряжение на база-эмиттерном переходе транзистора 1 остается недостаточным для его открывания.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в электронных системах зажигания двигателей внутреннего сгорания. Ключ содержит транзистор, трансформатор обратной связи, первая обмотка которого включена в выходную цепь транзистора, а вторая включена между его базой и эммиттером, и ключевой элемент с односторонней проводимостью, управляющий электрод которого соединен со схемой контроля тока нагрузки транзистора, и отличается тем, что трансформатор обратной связи снабжен третьей обмоткой, включенной в выходную цепь элемента с односторонней проводимостью, а схема контроля тока нагрузки снабжена измерительным сопротивлением, соединенным последовательно с первой обмоткой трансформатора. Изобретение позволяет повысить экономичность и надежность работы электронного ключа. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электронный ключ, содержащий транзистор, трансформатор обратной связи, первая обмотка которого включена в выходную цепь транзистора, а вторая включена между его базой и эмиттером, и ключевой элемент с односторонней проводимостью, управляющий электрод которого соединен со схемой контроля тока нагрузки транзистора, отличающийся тем, что трансформатор обратной связи снабжен третьей обмоткой, включенной в выходную цепь элемента с односторонней проводимостью, а схема контроля тока нагрузки снабжена измерительным сопротивлением, соединенным последовательно с первой обмоткой трансформатора. 2. Ключ по п.1, отличающийся тем, что ключевой элемент с односторонней проводимостью выполнен в виде тиристора, а схема контроля тока нагрузки снабжена делителем напряжения с температурной компенсацией, включенным между измерительным сопротивлением и управляющим электродом тиристора. 3. Ключ по п.1 или 2, отличающийся тем, что третья обмотка трансформатора обратной связи выполнена с числом витков, по меньшей мере в два раза большим числа витков второй обмотки. 4. Ключ по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что вторая обмотка трансформатора обратной связи выполнена с числом витков, равным числу витков первой обмотки, умноженному на коэффициент усиления транзистора по току в ключевом режиме.