Электронный коммутатор

"За р (54) ЭЛЕК (57) Испо к авт.омоб 90/219092, Бюл, Мегодаское свидет9,кл,Р 02 Рулем", М 6,ТРОННЫЙльзование; иильной эле ельство СС 3/06, 1988 1987, с.28. КОМ МУТАТзобретениетронике, в ч Ртноситсястности к Изобретение относится к автомобильнойэлектронике, 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. 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 шиной ис общим пр соответст регулятор с выходом тока чере ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР( )ОПИСАНИЕ ИЗО К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ Фэлектронным 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 кочника питания,его эмиттер - с Боводом схемы, а его база черезующие резисторы - с выходома тока через силовой транзистор; (устройства безискровой отсечкисиловой транзистор при малых Я . 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 под. ключен 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 где Составитель Г. ТерешинаТехред М.Моргентал Редактор ректор И, Шулл Заказ 4263 . Тираж . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Рэушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101Целью изобретейия является повышение надежности коммутатора и уменьшениеего энергопотребления.Сущность изобретения заключается втом, что коммутатор дополнительно содержит функциональный преобразователь скорости вращения двигателя, выход которогочерез резистор соединен с инверсным входом компаратора, а вход - с выходом датчика Холла.410Функциональный преобразовательскорости вращения коленчатого вала двигателя выполнен на двух транзисторах,эмиттер первого из которых соединен с общим проводом схемы, его база через резистор с выходом датчика Холла, а егоколлектор через первый резистор - с шинойисточника. питания и через параллельновключенные второй резистор и диод, а такжечерез зарядный конденсатор к эмиттеру 20второго транзистора, коллектор которогосоединен с общим проводом схемы, междуего базой и эмиттером включен диод, амежду его базой и общим проводом схемывключен третий резистор и сглаживающий 25конденсатор, причем постоянная времени т 1,образованная произведением зарядногоконденсатоРа Сзар и втоРого РезистоРа й 2удовлетворяет условию30т 1 = В 2Сзар= 5 - 15 мс,Вторая же постоянная времени т 2 образованная произведением первого резистора В 1 и зарядного конденсатора Сзар, 35удовлетворяет условию;т 2 = Й 1Сзар= 3 - 5 мс,Использование такого функционально го преобразователя позволяет повысить надежность коммутатора и уменьшить его энергопотребление, что достигается уменьшением тока через силовой транзистор на низких оборотах двигателя. 45На 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 зистора оборотов двигателя в предлагаемом коммутаторе и в прототипе; на фиг,5 - зависимость выходного напряжения функционального преобразователя от оборотов двигателя. 55Электронный коммутатор включает в себя силовой транзистор 1, коллектор которого черездиод 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 че-рез 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 1 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 (мик10 15 20 ностью поступает сначала нэ транзистор 22, а затем на вход интегратора 38 На ми выходе интегратора 38 образуется пипа. по росхемы 23) через резистивной делитель напряжения, включающий резисторы 36 и 37 подключен к выходу интегратора 38 (микросхемы 38). Инверсный вход компарэтора 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 натранзисторах 52 и 53. Эмиттер транзистора 52 соединен с общим проводом схемы, его база через диод 54 и резистор 55 с вьходом прерывателя 51, э 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 компэраторэ 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 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 скважобразный сигнал, напряжение которого обратно пропорционально скорости вращения двигателя, Выходной сигнал интегратора 38 подается на неинверсный вход 5 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 компэратора 23 или на выходе транзистора 22), Открытие транзисторов 1 и 12 наступает при совпадении четырех "нулевых" уровней на входе резисторов 16-19 "Нулевой" уровень нэ 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 "нуле вым" и "единичным" сигналом, благодарячему напряжение на резисторе 4 автоматически поддерживается постоянным, Изменение состояния на входе схемы иИЛИ - НЕ" приводит к и риоткрцваныйтю транзистора 14 30 и соответственно к переходу транзистора 1из состояния насыщения в активное состояние.Уровень ограничения тока через р зистор 1 устанавливаетСя выбором соотноше ния резисторов 28 и 29, Дифференциальныйусилитель 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 интег ратора 21 на схему ИЛИ - НЕ подаетсяпрактически "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, резистор7, 8 и стабилитрон 9 обеспечивают защиту 55 силового транзистора 1 с импульсных перенапряжений при работе катушки зажигания.Использование схемы включающейкросхемы 23 и 38, а также транзистора 22, зволяет выполнить длительность ймпуль.са включения индукционнойкатушки в зависимости от оборотов двигателя относительно постоянной. При этом следует отметить, что отход этой длительности от расчетной является весьма нежелатель ным: при заййженной длительности 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.Для уменьшения указанных недо-статков предлагаемый электронный 15 коммутатор дополнительно содержит функциональный преобразователь скорости, собранный на транзисторах 52 и 53. Транзистор 52 через резистор 55 управляется сйгйаломпрерывателя 51, представляю щий собой бесконтактный датчик Холла, формирующий прямоугольный сигнал постоянной скважности. На выходе транзистора 52 получается также прямоугольный сигнал, который подается через конденса 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 результате этого на резйсторе 60 появляется напряжение, пропорциональ- ное току через конденсатор 59, Напряже-ние с резистора 60 через высоксомный 40 резистор 63 подается на инверснйй вход компаратора 23. В-йрототйпе инверсный вход компаратора 23 подключен к источнику постоянного напряжения, образоваййому 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 можнонайти 50 напряжение переключения на входе компаратора 23 Опер"Оно равноОпит - О 42О пвр+139++ Оа - 24+ 3= 5,348 В.12 - 368+24 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 этого момента напряжение на выходе микросхемы 38 О "пвр Для этого нужно найти ток через резисторы 37 и 36.Ц-Й 2-6,348 Взт47 К= 0,1415 мАЗная это ток, можно записатьО пер= О пер+ 36 Р 136 7откуда О пер= Опер"36836= 5,348-0,1415 хх 24=1,952 В 7где О "пер 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. Изэтого графика (кривая 2) видно, что прототипобеспечивает оптимальное время включейия индукционной катушки в диапазонеоборотов 3000-6000 об/мин,. При меньших же оборотах время включения катушки увеличивается до 6,3 м сек, вто время как оптимальное время включениясоставляет Бмсек (кривая 1), Зная времявключения индукционной катушки 1 вквзнаЯ скоРость наРастаниЯ бОвых;. 38/битвахи. скорость спада бОвых,38/йти, а такжезйая длительность импульса прерывателяэзар и его период Т, можно найти напряжейие Ооунапряжение на выходе макросхемы38 в момент начала роста этого напряжения.Скорость роста и спада напряжения йа выходе микросхемы 38 находйм из временныхдиаграммб Овых 38вах=300 В/с 7дОвых 38 ти=-150 В/с-айряжение Ооопределяем из формулы1781448 10 40 1263 + В 40 протэкв= экв Ост,42Рэка + 39 839+ Ост.42О перлп 1 п = Причем ьвр- -Т.13Значения величин времени включения индукционной катушки твхл для разных оборотов двигателя определяем из графика 5 (фиг,3) иэ вышеприведенных трудов НИИ автоприборов.Если изменять напряжение на выходе функционального преобразователя (база транзистора 53), то из-за влияния резистора 10 63 напряжение переключателя компаратора 23 О"пвр будет изменяться и при определенном изменении напряжения переключения на входе микросхемы 23 изменяется и напряжение переключения на ее 15 неинверсном входе, а также на входе резистора 36 О "пвр (Выход микросхемы 38), Напряжение переключения влияет на время включения индукционной катушки. При определенном изменении напряжения пере ключения время включения можно выбрать постоянным (оптимальным), равным 5 мсек в диапазоне оборотов 300 - 3000 об/мин, напряжение переключения определяем из выражения 25 б Овых 38Оо+дЙъахэзар= (Т - эзар - т вкл) х х аи+ О пер, где 1" равно 5 мсб Овых 38 30д 1т.е. О" вр = О + 300- Т - 1 50 - Т - 5о, 1 2и3 3Определив напряжение переключения на выходе микросхемы 38, найдем напря жение переключения на выходе компаратора 230 перОно равно: Полученные величины сведем в таблицу, Зная напряжение переключения на выходе интегратора 38 О"пер, построим гра фик изменения этого напряжения в зависимости от оборотов двигателя. Эта зависимость изображена на графике фиг.5.Иэ этого графика видно, что зависимость 50 0 пер=1(п),нелинейна и примерно представляет собой экспоненту. Для обеспечения возможно бо лее точного поддержания постоянства времени включения индукционной катушки 1"вкв= 5 мс величину резистора 57 нужно выбрать удовлетворяющей условию. т 1= 857С 59 - -3 Т 1 и т = 10 мс 2Следовательно, эта постоянная времени должна быть равна:г 1= 5-15 мсВремя включения индукционной катушки 1 вкп 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 г 2= 856С 59 =-у Тп"2,5 т= 3 - 5 Мс.На фиг,З представлены временные диаграммы сигналов коммутатора:а) напряжение на выходе прерывателя 51в) напряжение на коллекторе транзистора 22с) выходное напряжение интегратора 38б) выходное напряжение компаратора 23е) напряжение на коллекторе транзистора 14) напряжение на резисторе 4к) напряжение на коллекторе транзистора 1На фиг.4 представлены графики зависимости времени включения силового транзистора свхл в прототипе и время включения силового транзистора т"вхл в предлагаемом коммутаторе,На фиг.5 приведена кривая изменения переключения компаратора 23 О"пер, а также кривая изменения напряжения на выходе функционального преобразователя Оф.п,. Чем ближе расположены между собой эти кривые тем точнее выдерживается постоянство времени включения индукционной катушки " ва .Величины резисторов 40 и 63 определяются решением системы управлений В 63840863 + 840- = Й 40 прот= 68 кОмгде Вэка- эквивалентный резистор из параллельно включенных резисторов 63 и 40В 40 прот, - величина Вао в прототипе;Оэкв - напряжение эквивалентного генератора;Ост,42 - напряжение на стабилйтроне 42равное 3 В,После решения этой системы управлений найдем, что резистор 40 равен 71 кОм,а резистор 63 - 1,609 мОм.Таким образом, введейие корректирующего сигнала в цепь инверсного входакомпаратора 23 с выхода функциональйогопреобразователя скорости обеспечиваетстабилизацию и оптимизацию временивключения индукционной катушки в диапазоне оборотов 300-3000 об/мин, Кроме этого введение описанной коррекциисущественно уменьшает время активноговключения силового транзистора, чтоуменьшает его нагрев, уменьшает энергопотребление и повышает надежность.Кроме этого, следует отметить, что выход из строя корректирующей схемы невлечет за собой выход из строякоммутатора.Формула изобретения1. Электронный коммутатор, содержащйй силовой транзистор, в коллекторнуюцепь которого включена индукционная катушка, в эмиттерную цепь - измерительныйрезистор, а база силового транзистора через базоэмиттерный переход второго транзистора, включенного по схеме усилителятока, соединена с коллектором третьеготранзистора, коллектор которого через резистор соединен с шиной источника питания, эмиттер - с общим проводом, а базачерез соответствующие резисторы - с выходом регулятора тока через силовой транзистор, с выходом элемента безискровойотсечки тока через силовой транзистор прималых оборотах двигателя, с выходом усилителя сигнала датчика Холла, используемого в качестве прерывателя, а также свыходомкомпаратора, инверсный вход которого через резистивный делитель напряжения подключен к источнику опорногонапряжения,а нейнверсный вход-через второй резистивный делитель - к выходу интегратора, между выходом и инверсным входом которого включен интегрирующий конденсатор, а инверсный вход через ре зистор подключен к источнику опорногонапряжейия и через последовательно соединенные резистор и диод - к коллектору третьего транзистора, неинверсный вход интегратора через резистор соединен с 10 выходом усилителя сигнала датчика Холла, о т л и ч а ю щ и й с я тем; что, с целью повышения надежности работы и уменьшения энергопотребления, введен функциональный преобразователь скорости 15 вращения двигателя, выход которого черезрезистор 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 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 25 сигнала датчика Холла, а коллектор черезпервый резистор - с шиной источника питания через параллельно соединенные второй резистор и диод, а также через зарядный конденсатор - с эмиттером второго транзи 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 усло- вию Х 1=В 2Саар=5 - 15 МС,40 где В 2 - сопротивление второго резистора;Саар - емкость зарядного конденсатора.3. Коммутатор по п 2, отл и ч а ю щи йс я тем, что вторая постоянная времени х 2 удовлетворяет условию45х 2 = В 1Саар= 3-5 мс,где В 1 - сопротивление первого резистора,