Электронный коммутатор Советский патент 1992 года по МПК F02P3/04 

Изобретение относится к автомобиль- ной электронике. В частности оно относится к электронным системам зажигания с накоплением энергии в индукционной катушке для двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топливной смеси.

Известна тиристорная система электронного зажигания с накоплением энергии в конденсаторе.

Недостатком таких систем зажигания является их низкий КПД и малая длительность импульса искрообразования.

Известна система электронного зажигания (электронный коммутатор) для двигателя автомобиля ВАЗ-2108. Электронный коммутатор включает в себя силовой транзистор, в коллекторную цепь которого включена индукционная катушка, в цепь эмиттера - измерительный резистор, а база этого транзистора через базово-эмиттер- ный переход второго транзистора, включенного по схеме усилителя тока, соединен с коллектором третьего транзистора, у которого коллектор через резистор соединен с

шиной источника питания, его эмиттер - с общим проводом схемы, а его база через соответствующие резисторы - с выходом регулятора тока через силовой транзистор; с выходом устройства безискровой отсечки тока через силовой транзистор при малых оборотах двигателя; с выходом усилителя сигнала датчика Холла, используемого в качестве прерывателя, а также с выходом компаратора, инверсный вход которого через резистивный делитель напряжения подключен к источнику опорного напряжения, 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 напряжения и через последовательно соединенные резистор и диод - к коллектору третьего транзистора, неинёерсный же вход интегратора через резистор соединен с выходом усилителя сигнала датчика Холла. Недостатком этого коммутатора является низкая надежность и большое энергопотребление.

сл

с

XI

Целью изобретения является повышение надежности коммутатора и уменьшение его энергопотребления.

Сущность изобретения заключается в том, что коммутатор дополнительно содер- жит функциональный преобразователь скорости вращения двигателя, выход которого через резистор соединен с инверсным входом компаратора, а вход - с выходом датчика . . - -

Функциональный преобразователь скорости вращения коленчатого вала двигателя 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 питания и через параллельно включенные второй резистор и диод, а также через зарядный 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 постоянная времени TI образованная произведением зарядного конденсатора Сзар и второго резистора R2 удовлетворяет условию

П Ra мс.

Вторая же постоянная времени Г2 образованная произведением первого резистора RI и зарядного конденсатора Сзар, удовлетворяет условию:

Т2 Ri Сэар /1С.

Использование такого функционально- го преобразователя позволяет повысить надежность коммутатора и уменьшить его энергопотребление, что достигается уменьшением тока через силовой транзистор на низких оборотах двигателя.

На фиг.1 и 2 изображена предлагаемая схема электронного коммутатора; на фиг.З - временные диаграммы его сигналов; на фиг.4 - графики зависимостей длительности включения силового трап- зистора оборотов двигателя в предлагаемом коммутаторе и в прототипе; на фиг.5 - зависимость выходного напряжения функционального преобразователя от оборотов двигателя.

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

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, общая 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 регулятора тока через транзистор 1, собранный на дифференциальном усилителе 20; с выходом устройства без- искровой отсечки тока через силовой транзистор 1 при малых оборотах двигателя, собранного на дифференциальном усилителе 21; с выходом усилителя сигнала датчика Холла, используемого в качестве прерывателя и собранного на транзисторе 22, а также с выходом компаратора, собранного на дифференциальном усилителе 23. Регулятор тока через транзистор 1, собранный по микросхеме дифференциального усилителя 20, включает в себя источник опорного напряжения, собранного на стабилитроне 24 и резисторе 25. Общая точка стабилитрона 24 и резистора 25 через последовательно соединенные резистор 26 и 27 соединена с измерительным резистором 4. Общая 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.

Общая 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 двигателя, собранное на микросхеме 21, включает в себя 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 напряжения, включающий резисторы 36 и 37 подключен к выходу интегратора

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

39и 40, выводом резистора 39 подключен в общей точке резистора 41 и стабилитрона 42, вторые выводы которых подключены к шине источника питания 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 питания. Инверсный вход интегратора 38 через интегрирующий конденсатор 45 соединен с выходом этого интегратора, через резистор 46 - с шиной источника питания, 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 прерывателя 51, представляющий собой датчик Холла.

Функциональный преобразователь скорости вращения двигателя собран на транзисторах 52 и 53. Эмиттер транзистора 52 соединен с общим проводом схемы, его база через диод 54 и резистор 55 с выходом прерывателя 51, а его коллектор через резистор 56 - с шиной источника питания. 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 питания, 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, стабилизация их при колебани- ях источника питания 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 перенапряжений.

Прямоугольный сигнал с датчика Холла 51 (прерыватель 51) с постоянной скважностью поступает сначала на транзистор 22, а затем на вход интегратора 38. На выходе интегратора 38 образуется пилообразный сигнал, напряжение которого обратно пропорционально скорости вращения двигателя. Выходной сигнал интегратора 38 подается на неинверсный вход компаратора 23, на инверсный вход которого подается постоянный сигнал с резисторов 39, 40 и корректирующий сигнал с резистора 63. Выходной сигнал с компаратора 23 прямоугольной формы подается на вход логической схемы ИЛИ-НЕ (транзистор 14). Наличие на выходе резистора 19 положительного единичного уровня определяет выключенное состояние 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 наблюдается до тех пор, пока ток через силовой транзистор 1 не достигает заданного значения. При этом на выходе микросхемы 20 появляется промежуточный сигнал между нулевым и единичным сигналом, благодаря чему напряжение на резисторе 4 автоматически поддерживается постоянным. Изменение состояния на входе схемы ИЛИ-НЁ приводит к приоткрыв анйю транзистора 14 и соответственно к переходу транзистора 1 из состояния насыщения в активное состояние.

Уровень ограничения тока через рззи- стор 1 устанавливается выбором соотношения резисторов 28 и 29. Дифференциальный усилитель 21 используется в схеме безиск- ровой отсечки тока в силовой цепи при невращающемся вале двигателя. Эта схема представляет собой интегратор с постоянной времени интегрирования, значительно повышающая период следования искр при самой малой скорости вращения вала двигателя. В этом случае при работающем двигателе с выхода интегратора 21 на схему ИЛИ-НЕ подается практически нулевой уровень и она не влияет на работу основной схемы. Через 2-5 с после остановки мотора напряжение на выходе интегратора 21 достигает единичного уро вняГ 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 перенапряжений при работе катушки зажигания.

Использование схемы включающей микросхемы 23 и 38, а также транзистора 22. позволяет выполнить длительность импульса включения индукционной катушки в зависимости от оборотов двигателя относительно постоянной. При этом следует отметить, что отход этой длительности от расчетной является весьма нежелательным: при заниженной длительности уменьшается энергия искрообразования, а при повышенной длительности резко растет нагрев силового транзистора 1, снижается КПД системы зажигания. Нагрев транзистора 1 снижает надежность силового транзистора 1.

Для уменьшения указанных недостатков предлагаемый электронный коммутатор дополнительно содержит функциональный преобразователь скорости, собранный на транзисторах 52 и 53. Транзистор 52 через резистор 55 управляется сигналом прерывателя 51, представляющий собой бесконтактный датчик Холла, формирующий прямоугольный сигнал постоянной скважности. На выходе транзистора 52 получается также прямоугольный сигнал, который подается 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 преобразователя через конденсатор 59 идет переменный ток, одна полярность которого проходит через транзистор 53, а вторая через диод 62 подается на параллельно включенные резистор 60 и конденсатор 61. В результате этого на резиГсторе 60 появляется напряжение, грппорциональ- ное току через конденсатор 59. Напряжение с резистора 60 через высоксомный резистор 63 подается на инверсный вход компаратора 23. В прототипе инверсный вход компаратора 23 подключен к источнику постоянного напряжения, 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 напряжение стабилизации стабилитрона 42 равно 3 В. Зная указанные величины можно найти напряжение переключения 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 переключения компаратора 23 напряжения на его инверсном и. неинверсном входе равны между собой и равны 5,438 В можно найти для отогсГ момента напряжение на выходе микросхемы 38 . Для этого нужно найти ток через резисторы 37 и 36.

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

0,1415 мА.

15

Зная это ток, можно записать

U nep + l36 . R36 7

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

где напряжение переключения на общей точке резистора 36 и выходного электрода микросхемы 38.

В трубах НИИ автоприборов, выпуск 56, 1984, с.66 для прототипа представлен график зависимости времени включения индукционной катушки от оборотов двигателя. Из этого графика (кривая 2) видно, что прототип обеспечивает оптимальное время включения индукционной катушки в диапазоне

оборотов 3000-6000 об/мин.

При меньших же оборотах время включения катушки увеличивается до 6,3 м сек, в то время как оптимальное время включения составляет бмсек (кривая 1). Зная время

включения индукционной катушки г вкл., зная скорость нарастания dl/вых. 38/dtmax и скорость спада dUebix.38/dtmIn. а также зная длительность импульса прерывателя t3ap и его период Т, можно найти напряжение Do/напряжение на выходе макросхемы 38 в момент начала роста этого напряжения. Скорость роста и спада напряжения на выходе микросхемы 38 находим из временных диаграмм

-

d UBb.x 38

dt

В/с

50

d Ц.еых 38 dt

В/с,

Напряжение U0 определяем 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 .

Значения величин времени включения индукционной катушки t exn для разных оборотов двигателя определяем из графика (фиг.З) из вышеприведенных трудов НИИ автоприборов.

Если изменять напряжение на выходе Функционального преобразователя (база транзистора 53). то из-за влияния резистора 63 напряжение переключателя компаратора 23 LT nep будет изменяться и при определенном изменении напряжения переключения на входе микросхемы 23 изменяется и напряжение переключения на ее неинверсном входе, а также на входе резистора 36 (выход микросхемы 38). Напряжение переключения влияет на время включения индукционной катушки. При определенном изменении напряжения переключения время включения можно выбрать постоянным (оптимальным), равным 5 мсек в диапазоне оборотов 300-3000 об/мин, напряжение переключения определяем из выражения

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 напряжение переключения на выходе микросхемы 38, найдем напряжение переключения на выходе компаратора 23Unep.

Оно равно:

Цпит U

R36 + Кз

пер

R36+ U пер.

Полученные величины сведем в таблицу.

Зная напряжение переключения на выходе интегратора 38 , построим график изменения этого напряжения в зависимости от оборотов двигателя. Эта зависимость изображена на графике фиг.5.

Из этого графика видно, что зависимость

(n),

нелинейна и примерно представляет собой экспоненту. Для обеспечения возможно бо- лее точного поддержания постоянства времени включения индукционной катушки 5 мс величину резистора 57 нужно выбрать удовлетворяющей условию.

Г1

Т|п-2т Юмс о

Следовательно, эта постоянная времени

должна быть равна:

П 5-15 мс

Время-включения индукционной катушки зависит так же и от величины резистора 56. Причем положительная составляющая емкостного тока одну треть периода идет через резистор 56 и диод 58, а отрицательная составляющая тока две третьих периода идет через резистор 57 и через транзистор 52. Постоянная времени, образованная резистором 56 и конденсатором 59, должна удовлетворять условию:

1

Т2 R56 Сб9 -д- ТI п-2,5т 3-5 МС.

20

На фиг.З представлены временные диаграммы сигналов коммутатора:

а) напряжение на выходе прерывателя 51

в) напряжение на коллекторе транзистора 22

c)выходное напряжение интегратора 38

d)выходное напряжение компарато- ра 23

e)напряжение на коллекторе транзистора 14

f)напряжение на резисторе 4

к) напряжение на коллекторе транзи- стора 1

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

На фиг.5 приведена кривая изменения переключения компаратора 23 1ГПер, а также кривая изменения напряжения на выходе функционального преобра- зователя 1)ф.п.. Чем ближе расположены между собой эти кривые тем точнее выдерживается постоянство времени включения индукционной катушки .

Величины резисторов 40 и 63 определя- ются 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 - напряжение эквивалентного генератора:

UCT. 42 - напряжение на стабилитроне42, равное 3 В.

После решения 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 преобразователя скорости обеспечивает стабилизацию и оптимизацию времени включения индукционной катушки в диапазоне оборотов 300-3000 об/мин. Кроме этого введение описанной коррекции существенно уменьшает время активного включения силового транзистора, что уменьшает его нагрев, уменьшает энергопотребление и повышает надежность.

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

Формула изобретения

1. Электронный коммутатор, содержащий силовой транзистор, в коллекторную цепь которого включена индукционная ка- тушка, в эмиттерную цепь - измерительный резистор, а база силового транзистора через базоэмиттерный переход второго транзистора, включенного по схеме усилителя тока, соединена с коллектором третьего транзистора, коллектор которого через резистор соединен с шиной источника питания, эмиттер - с общим проводом, а база через соответствующие резисторы - с выходом регулятора тока через силовой транзи- стор, с выходом элемента безискровой отсечки тока через силовой транзистор при малых оборотах двигателя, с выходом усилителя сигнала датчика Холла, используемого в качестве прерывателя, а также с выходом компаратора, инверсный вход которого через резистивный делитель напряжения подключен к источнику опорного напряжения,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 напряжения и через последовательно соединенные резистор и диод - к коллектору третьего транзистора, неинверсный вход интегратора через резистор соединен с выходом усилителя сигнала датчика Холла, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы и уменьшения энергопотребления, введен функциональный преобразователь скорости вращения двигателя, выход которого через резистор соединен с инверсным входом компаратора, а вход - с выходом усилителя сигнала датчика Холла.

2,Коммутатор по п.1, от л и ч а ю щи й- с я тем. что функциональный преобразователь скорости вращения двигателя выполнен на двух транзисторах, эмиттер первого из которых соединен с общим проводом, база через резистор - С выходом усилителя сигнала датчика Холла, а коллектор через первый резистор - с шиной источника питания через параллельно соединенные второй резистор и диод, а также через зарядный конденсатор - с эмиттером второго транзистора, коллектор которого соединен с шиной источника питания, между его базой и эмиттером включен диод, а между его базой и общим проводом включен третий резистор и сглаживающий конденсатор, причем постоянная времени п, удовлетворяет условию

МС,

где R2 - сопротивление второго резистора; Сзар - емкость зарядного конденсатора.

3.Коммутатор по п.2, отличающийся тем, что вторая постоянная времени Т2 удовлетворяет условию

t2 Rr С3ар 3-5мс,

где RI - сопротивление первого резистора.

W У

Фиг. 2-.

Использование: изобретение относится к автомобильной электронике, в частности к электронным системам зажигания с накоплением энергии в индукционной катушке для двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топливной смеси. Сущность изобретения: введен функциональный преобразователь скорости вращения двигателя, выполненный на двух транзисторах, трех резисторах, двух диодах и двух конденсаторах. 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

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