Электронный коммутатор

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)3 F 02 Р 3/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4889790/21 (22) 10.12.90 (46) 15.12.92, Бюл, ¹ 46 (75) А.Д. Hегоäý (56) Авторское свидетельство СССР.

¹ 1509559, кл. F 02 P 3/06, 1988.

"За рулем", № 6, 1987, с.28. (54) ЭЛЕКТРОННЫЙ КОММУТАТОР (57) Использование: изобретение относится к автомобильной электронике, в частности к

Изобретение относится к автомобильной 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 двигателяя а втомо бил я В АЗ-2108. Электро нн ый коммутатор включает в себя силовой транзистор, в коллекторную цепь которого включена индукционная катушка, в цепь эмиттера — измерительный резистор; а база этого транзистора через базово-эмиттерный переход второго транзистора, включен- ного по схеме усилителя тока, соединен с коллектором третьего транзистора, у которого коллектор через резистор соединен с, 5U,, 1781448 А1

2 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.. шиной источника питания, его эмиттер — с общим проводом схемь1, à 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 сйгнала датчика Холла, используемого в качестве прерывателя, а также с выходом компаратора, инверсный вход которого через реэистивный делитель напряжения подключен к источнику опорного йапряжения, а его неинверсный вход — через второй резистивнйй 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, неинверснйй же вход интегратора через резистор соединен с выходом усилителя сигнала датчика Холла. Недостатком этого коммутатора является низкая надежность и большое энергопотребление.

1781448

Целью изобретейия является повышение надежности коммутатора и уменьшение

его энергопотребления. .. Сущность изобретения заключается в том, что коммутатор дополнительно содер- 5 жит функциональный преобразователь скорости вращения двигателя, выход которого через резистор соединен с инверсным входом компаратора, а вход — с выходом датчика Холла.

Функциональн ы и преобразователь скорости вращения коленчатого вала двигателя выполнен на двух транзисторах, . эмиттер первого из которых соединен с общим проводом схемы, его база через рези- 15 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 20 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 сглаживающий 25 конденсатор, причем постоянная времени т1, образованная произведением зарядного конденсатора Саар и второго резистора R2 удовлетворяет условию

30 1 = R2 Саар= 5 — 15 мс, Вторая же постоянная времени т2 образованная произведением первого резистора R1 и зарядного конденсатора Сзар, 35 удовлетворяет условию;

Т2=R1 Саар=3 — Бм

Использование такого функционально- 40 го преобразователя позволяет повысить надежность коммутатора и уменьшить его энергопотребление, что достигается уменьшением тока через силовой транзистор на низких оборотах двигателя. 45

На фиг.1 и 2 изображена предлагаемая схема электронного коммутатора; на фиг,3 — временные диаграммы его сигналов; на фиг.4 — графики зависимостей длительности включения силового тран- 50 зистора оборотов двигателя в предлагаемом коммутаторе и в прототипе; на фиг,5— зависимость выходного напряжения функционального преобразователя от оборотов двигателя. 55

Электронный коммутатор включает в себя силовой транзистор I, коллектор которого через диод 2 и индукционную катушку

3 подключен к шине источника напряжения.

В цепь эмиттера транзистора 1 включен измерительный резистор 4. Вывод первич-. ной 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 безискровой отсечки тока через силовой транзистор I при малых оборотах двигателя, собранного на дифференциальном усилителе 21; с выходом усилителя сигнала датчика Холла, используемого в качестве прерыватепя 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 выхо-. дом микросхемы 21 и ее инверсным входом. Неинверсный вход этой микросхемы соединен с общим проводом схемы, а ее инверсный вход через резистор 33 и параллельно ему включенные резистор 34 и диод 35 — с коллектором транзистора 22.

Неинверсный вход компаратора 23 (мик1781448

15

20 ностью поступает сначала на транзистор

22, а затем на вход интегратора 38. На ми выходе интегратора 38 образуется пило- по росхемы 23) через резистивной делитель напряжения, включающий резисторы 36 и 37 подключен к выходу интегратора

38 (микросхемы 38). Инверсный вход компаратора 23 через реэистивный делитель напряжения, включающий резисторы

39 и 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 последовательйоз соединенные резиСтор

47 и диод 48 — с коллектором транзистора

14. База транзистора 22 через резистор

49 и диод 50 соединен с выходом прерыва. теля 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, a 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 базой и эмиттером транзистора 53 включен диод 62. Между базой транзистора 53 и инверсным входом компаратора 23 включен резистор 63.

Электронный коммутатор работает следующим 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, отключение тока через силовой транзисто р 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 скважобразный сигнал, напряжение которого обратно пропорционально скорости вращения двигателя, Выходной сигнал интегратора 38 подается на неинверсный вход

5 компаратора 23, на инверсный вход которо го 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 вЂ” HE (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" уро вень 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 "нуле25 вым" и "единичным" сигналом, благодаря чему напряжение на резисторе 4 автоматически поддерживается постоянным, Изменение состояния на входе схемы иИЛИ вЂ” HE" приводит к и риоткрывданыйтю транзистора 14

30 и соответственно к переходу транзистора 1 из состояния насыщения в активное состояние.

Уровень ограничения тока через резистор 1 устанавливается выбором соотноше35 ния резисторов 28 и 29. Дифференциальный усилитель 21 используется в схеме безискровой отсечки тока в силовой цепи при невращающемся вале двигателя. Эта схема представляет собой интегратор с

40 постоянной времени интегрирования, значительно повышающая период следования искр при самой малой скорости вращения вала двигателя. В этом случае при работающем двигателе с выхода интег45 ратора 21 на схему ИЛИ вЂ” 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

50 "единичного" уровня, что приводит к не медленному плавному запиранию транзистора 1.

Конденсатор 5 и резистор 6, резистор

7, 8 и стабилитрон 9 обеспечивают защиту

55 силового транзистора 1 с импульсных пе- . ренапряжений при работе катушки зажигания.

Использование схемы включающей кросхемы 23 и 38, а также транзистора 22, зволяет выполнить длительность ймпуль1781448.са включения индукционной катушки в зависимости от оборотов двигателя относительно постоянной. При этом следует отметить, что отход этой длительности от расчетной является весьма нежелатель- 5 ным . при заййженной длительнаст и уменьшается энергия искрообразования, а при повышенной длительности резко рас- . тет нагрев силового транзистора 1, снйжается КПД системы зажигания. Нагрев 10 транзистора 1 снижает надежность сйлового транзистора 1.

0пит 042

В39+

R40 + R39

0 пер

+ U42- +, 24+ 3= 5,348 В.

Для уменьшения указанных недостатков предлагаемый электронный 15 коммутатор дополнительно содержит функциональный преобразователь скорости, собранный на транзисторах 52 и 53.

Транзистор 52 через резистор 55управляется сйгйалом прерывателя 51, представляю- 20 щий собой бесконтактный датчик Холла, формирующий прямоугольный сигнал постоянной скважности. На выходе транзистора 52 получается также прямоугольный сигнал, который подается через конденса- 25 тор 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 30 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 35 включенные резистор 60 и конденсатор

61. В резуль.гате этого на резйсторе 60 появляется напряжение, пропорциональное току через конденсатор 59. Напряже- ние с резистора 60 через высоксомный 40 резистор 63 подается на инверсный вход компаратора 23. В-йротогйпе инверсный вход компаратора 23 подключен к источнику постоянного напряжения, образоваййому резистивным делителем, включающим ре- 45 зиоторы 39, 40 и стабилитрон 42. Причем в прототипе резисторы 39 и 40 соответственно равны 24 и 68 кОм, а на пряже н ие .

- стабилизации стабилитрона 42 равно 3 В.

Зная указанные величины можно найти 50 напряжение переключения на входе компаратора 23 U ïeð"

Оно равно

Поскольку в момент времени переключения компаратора 23 напряжения на его инверсном !4. неинверсном входе равны между собой и равны 5,438 В можно найти для этого момента напряжение на выходе микросхемы 38 0 "nep. Для этого нужно найти ток через резисторы 37 и 36.

0;-u;

Изт 47 К

= 0,1415 мА

Зная это ток, можно записать

V пер = U nep+ !36 R36 > откУда U "пер= 0 пер-!з6 !136= 5,348-0,1415 к х 24=1,952 В где U""«p 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 включейия 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 t, eê ., зная скорость нарастания бОеых. 38/dtmax и скорость спада 00аых.38/dtmlA, а также зйая длительность импульса прерывателя

t»p и его период Т, можно найти напряжейие Ооунапряжение на выходе макросхемы

38 в момент начала роста этого напряжения.

Скорость роста и спада напряжения йа выходе микросхемы 38 находйм из временных диаграмм о Овых 38

max=300 В/с д Оаых 38 т!и=-150 В/с

lý ., ." .

"" !-!айряжение Ue определяем из формулы

d Овых 38

Оо+Тзар

dt пах=(Т-t»p-t вха ) х

d Овых 38 х п1!и+ Опер, t или Up+t»p 300=(T t»p-t вха ) 150+1,952.

1781448

0 nep=f (n) Причем taap — Т .

3

Значения величин времени включения индукционной катушки t eêë для разных оборотов двигателя определяем из графика (фиг,3) иэ вышеприведенных трудов НИИ автоприборов.

Если изменять напряжение на выходе функционального преобразователя (база транзистора 53). то из-за влияния резистора

63 напряжение переключателя компаратора 23 U"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 U пер (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

d 0вых 38

0o+

dt

m3x тзар= (T taap t вкл) х. х d min+0"nåp гдето" Равно5мс б Овых 38 дt

T.е. 0 ер = U + 300 — Т вЂ” 150 — Т вЂ” 5 о . 1 2

° ° и

3 3

Определив напряжение переключения на выходе микросхемы 38, найдем напряжение переключения на выходе компаратора 230пер.

Оно равно:

° ° пер R36 + R37 36+ пер.

Полученные величины сведем в таблицу.

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

Иэ этого графика видно, что зависимость нелинейна и примерно представляет собой экспоненту. Для обеспечения возможно более точного поддержания постоянства времени включения индукционной катушки

t"âKë= 5 мс величину резистора 57 нужно выбрать удовлетворяющей условию.

Т1= R57 C59 — -З- Т I n- 2т = 10 MC

Следовательно, эта постоянная времени

5 должна быть равна:

st= 5-15 мс

Время. включения индукционной катушки т"eKa зависит так же и от величины резистора 56. Причем положительная составляю10 щая 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, обра15 зованная резистором 56 и конденсатором

59, должна удовлетворять условию, 1 т2= R56 C59 =-у Tln-2,5r= 3 — 5 мс.

На фиг.3 представлены временные диаграммы сигналов коммутатора: а) напряжение на выходе прерывателя 51

25 в) напряжение на коллекторе транзистора 22

c) выходное напряжение интегратора 38

d) выходное напряжение компарато30 ра 23 е) напряжение на коллекторе транзистора 14

f) напряжение на резисторе 4 к) напряжение на коллекторе транэи35 стора 1

На фиг.4 представлены графики зависимости времени включения силового транзистора с вкл в прототипе и время включения силового транзистора t"вкп в предлагаемом

40 коммутаторе, На фиг.5 приведена кривая изменения переключения компаратора 23 U"nep, а также кривая изменения напряжения на выходе функционального преобра45 эователя 0ф.n.. Чем ближе расположены между собой эти кривые тем точнее выдерживается постоянство времени включения индукционной катушки t" вкв .

Величины резисторов 40 и 63 определя50 ются решением системы управлений

В 63 R40 Вэкв= — = Я40прот= 68 кОм > R63 + R40 (55 12

10экв= 63 + 40прот 63

0экв Ucz,42

U перлп1п = — -- 39+ 0ст.42.

Вэкв 1 R39

1781448 где Ra

В4о прох, величина Я4о в пРототипе;

0экв — напряжение эквивалентного генератора;

Ост, 42 — напряжение на стабилйтроне 42 равное 3 В, После решения этой системы управле-ний найдем, что резистор 40 равен 71 кОм, а резистор 63 — 1,609 мОм.

Таким образом, введейие корректирующего сигнала в цепь инверсного входа компаратора 23 с выхода функциональйого 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 коммутатора.

Формула изобретения

1. Электронный коммутатор, содержащйй силовой транзистор, в коллекторную цепь которого включена индукционная катушка, 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 транзистор, 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 коTop0I0 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 ре5 зистор подключен к источнику опорного напряжейия и через последовательно соединенные резистор и диод — к коллектору третьего транзистора, неинверсный вход интегратора через резистор соединен с

10 выходом усилителя сигнала датчика Холла, отличающийся тем,-что, с целью повышения надежности работы и уменьшения энергопотребления, введен функциональный преобразователь скорости

15 вращения двигателя, выход которого через резистор соединен с инверсным входом компаратора, а вход - с выходом усилителя сигнала датчика Холла.

2. Коммутатор по п.1, о т л и ч а ю щ и й20 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

25 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 транзи30 стора, 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

35 постоянная времени х, удовлетворяет условию

Х1=В2 Саар=5 — 15 MС, 40 где й2 — сопротивление второго резистора;

Саар — емкость зарядного конденсатора.

3. Коммутатор по и 2, отл ич а ю щи йс я тем, что вторая постоянная времени х2 удовлетворяет условию

45 х2 = R> Саар= 3-5 мс, где R> — сопротивление первого резистора, 1781448

1781448

1781448

Т (фиан) 1781448

3т n(o6/н4

Цт. 2т.

Фиг5

Ябт.

Составитель Г. Терешина

Техред М.Моргентал Корректор И . Шулла

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4263 . Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5