Коммутаторы

Электронным коммутатором, бесконтактной системы зажигания называется устройство, выполняющее следующие функции:

· формирование выходного токового импульса необходимой
амплитуды и длительности, подаваемого к первичной обмот­ке катушки (или катушек) зажигания для обеспечения заданного уровня высокого напряжения и энергии искры;

· обеспечение момента искрообразования в соответствии с за­данным фронтом управляющего импульса, поступающего на
вход коммутатора;

· стабилизация параметров выходного токового импульса при
колебаниях напряжения бортовой сети автомобиля и воздействии внешних факторов.

Различные коммутаторы выполняют такие дополнительные за­щитные функции, как:

· стабилизация питания и защита от импульсов перенапряжения в бортовой сети автомобиля в аномальных режимах мик­ропереключателя, работающего на эффекте Холла;

· ограничение амплитуды импульса вторичного напряжения в
аномальных режимах (например, в режиме открытой цепи);

· предотвращение протекания первичного тока через первичную обмотку катушки зажигания при включенном замке зажигания и неработающем двигателе.

На вход коммутатора поступают импульсы управле­ния, формируемые бесконтактным датчиком углового положения коленчатого вала двигателя или электронным регулятором угла опереже­ния зажигания.

Выходом (нагрузкой) коммутатора является первичная обмотка катушки зажигания или обмотки катушек зажигания. В последнем случае электронный коммутатор выполняет функцию распределителя высоковольтных импульсов по цилиндрам двигателя.

В выходной цепи коммутатора стоит мощный выходной транзистор, способный коммутировать токи амплитудой до 10 А в индуктивной нагрузке коллекторной цепи.

Основные схемы управления выходными каскадами системы зажигания представлены на рис. 7.8 [10].

Для перехода выходного транзистора VT2 из режима отсечки в режим насыщения необходимо подать на его базу положительное напряжение U_бэ > U_отп (U_отп – напряжение отпирания транзистора, для кремниевых транзисторов обычно составляет 0,5…0,6 В, для германиевых 0,1…0,15 В). U_бэ обеспечивает ток базы

,

где – ток разрыва, – статический коэффициент усиления транзистора по току, – коэффициент насыщения (для транзистора, работающего в режиме ключа, выбирается в пределах 2…4).

Рис. 7.8. Схемы управления коммутационным транзистором системы зажигания: а – каскад с эмиттерным повторителем; б – каскад со стабилизатором тока

Управление работой выходного транзистора VT2 осуществляется предварительным усилителем по схеме с общим коллектором на транзисторе VT1 (рис. 7.8,а). Резистор R_бэ улучшает условия запирания транзистора VT2. Недостатком схемы является значительное изменение U_бэ (и связанное с этим изменение управляющего тока I_б) при колебаниях питающего напряжения U_п, за счет изменения падения напряжения на резисторе R_к, которое рассчитывается при минимальном значении U_п. В результате рассеиваемая на R_к мощность увеличивается.

Потери мощности могут быть снижены (примерно в 3 раза) за счет стабилизации тока базы I_б (U_бэ) VT2 с помощью цепочки обратной связи, включающей VT3 и R_Т (рис. 2.8,б). При увеличении U_п увеличивается I_э транзистора VT1, следовательно, увеличивается U_бэ транзистора VT2, формируемое на R_бэ. Одновременно увеличивается падение напряжения на резисторе R_Т, что приводит к увеличению положительного потенциала на базе VT3, который призакрывается, положительный потенциал его коллектора и базы транзистора VT1 увеличивается, и транзистор VT1 призакрывается, ток I_э VT1 уменьшается и падение напряжения на R_бэ уменьшается до расчетного значения, т.е. не меняется. При уменьшении питающего напряжения U_п все происходит наоборот. Таким образом, осуществляется стабилизация U_бэ (следовательно, и I_б) VT2.

Для защиты выходного транзистора VT2 от перенапряжения применяются схемы, представленные на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Схемы защиты выходного транзистора от перенапряжения: а – параллельно переходу коллектор-эмиттер; б – параллельно переходу коллектор-база

Необходимость в защите выходного транзистора от перена­пряжений возникает в ряде специфических режимов работы систе­мы зажигания. Например, режим открытой вторичной цепи являет­ся аварийным. В этом случае значительно увеличивается амплиту­да импульса первичного напряжения, прикладываемого к переходу коллектор-эмиттер выходного транзистора, что может вызвать про­бой перехода. Кроме того, увеличивается и амплитуда импульса вторичного напряжения, что может вызвать пробой изоляции вторич­ной цепи катушки зажигания и, следовательно, отказ системы зажигания. Для ограничения амплитуды импульса первичного напряже­ния на допустимом для выходного транзистора уровне используют схемы защиты, выполненные, как правило, на нелинейных элементах – стабилитронах и варисторах.

Наиболее простой является схема, представленная на рис 2.9,а. В этой схеме защитный стабилитрон VD1 включен параллельно переходу коллектор-эмиттер транзистора VT1. Напряжение пробоя стабилитрона VD1 выбирают меньше выходного транзистора. При значениях первичного напряжения пробой стабилитрона не происходит. При увеличении первичного напряжения до величины стабилитрон пробивается и через него начинает проте­кать ток , при этом амплитуда импульса первичного напряжения ограничивается на допустимом для выходного транзистора уровне. Амплитуда импульса тока через стабилитрон составляет 2...4 А, что влечет за собой применение мощных стабилитронов.

Создание новых силовых транзисторов, способных коммутировать большую импульсную энергию (более 200 мДж), а также стремление уменьшить габариты коммутатора позволили осуществить защиту выходного транзистора путем введения стабилитрона параллельно участку база-коллектор (рис. 2.9,6). Этот способ позволяет уменьшить импульсный ток через стабилитрон в раз ( – статический коэффициент усиления по току вы­ходного транзистора).

При увеличении первичного напряжения до > , стабилитрон пробивается и через базу выходного транзистора начинает протекать ток, который приоткрывает транзистор VТ1 на время действия импульса перена­пряжения. Переход коллектор-эмиттер открытого транзистора VТ1 шунтирует источник напряжения, ограничивая тем самым ам­плитуду первичного импульса на допустимом уровне.

Существуют также другие более сложные схемные решения, по­зволяющие еще больше снизить импульсный ток через стабилитрон.

Конденсатор С1, включенный параллельно переходу коллектор-эмиттер выходного транзистора, служит для предотвращения выхода транзистора в область лавинного пробоя в процессе его закрывания, а также является элементом ударного колебательного контура воз­буждения, т. е. определяет величину и скорость нарастания вторич­ного напряжения, развиваемого системой зажигания. Резистор R1 ограничивает емкостный ток через переход коллектор - эмиттер тран­зистора VТ1 в момент открывания последнего, если конденсатор С1 заряжен.

После закрывания выходного транзистора в первичном контуре катушки зажигания возникает колебательный процесс. В течение действия отрицательной полуволны импульса первичного напряжения тран­зистор оказывается включенным в инверсном режиме, что недопус­тимо для некоторых типов транзисторов. Инверсное включение транзистора также возможно в случае неправильного подключения (изменение полярности) аккумуляторной батареи.

Для защиты выходного транзистора VТ1 в инверсном режиме последо­вательно транзистору в выходную цепь коммутатора включают полупроводнико­вый диод VD1 (рис. 7.10,а), рассчитанный на прямой ток, равный по значению току разрыва.

Рис. 7.10. Способы защиты транзистора от инверсного включения: а – последовательное включение диода; б – параллельное включение диода; в – транзистор Дарлингтона с защитным диодом

Последовательное включение силового диода имеет свои отри­цательные стороны. Во-первых, увеличиваются тепловые потери в выходной цепи коммутатора; во-вторых, усложняется его конструк­ция и, наконец, в-третьих, значительно снижается сила тока разрыва в период пуска двигателя при сильно разряженной аккумулятор­ной батарее.

Другим способом защиты выходного транзистора VТ1 от инверсного включения является включение силового диода VD1 па­раллельно участку коллектор-эмиттер транзистора (рис. 7.10,б). При этом включении разрушается колебательный процесс после первой полуволны первичного напряжения. Процесс становится апериодическим. Параллельное включение диода позволяет уменьшить падение напряжения в выходной цепи коммутатора, рассеиваемую мощность и габариты. Защитный диод может быть выполнен на одном кристалле с выходным транзистором Дарлингтона (рис. 7.10,в).

Функцио­нально простые коммутаторы с постоянной скважностью (КПС) не содержат специального устройства ограничения тока. В системах зажигания, использующих КПС, применяется пассивное ограниче­ние уровня тока за счет последовательного включения в нагрузоч­ную цепь коммутатора добавочного сопротивления, которое закорачивается в режиме пуска.

В коммутаторах с нормируемой скважностью (КНС) используются схемы, реализующие активное ограничение уровня тока. Введение в коммутатор активного ограничителя тока позволяет не только защитить выходной транзистор от чрезмерного тока, но и стабилизировать ток разрыва при колебаниях питающего напряжения в широких пределах, что позволяет обеспечить неизменные выходные характеристики системы зажигания.

Однако активный режим работы связан с большим выделением тепловой мощности на выходном транзисторе (порядка 60...80 Вт), что накладывает жесткие требования на продолжительность вклю­ченного состояния выходного транзистора. Время включенного со­стояния или время накопления энергии должно регулироваться та­ким образом, чтобы минимизировать или исключить вообще нахож­дение выходного транзистора в режиме ограничения в рабочем диапазоне частот вращения вала двигателя. Эту задачу решают программные и адаптивные ре­гуляторы времени накопления.

В программном регуляторе времени накопления обеспечивается требуемый закон изменения скважности выходных импульсов тока в зависимости от частоты следования входных импульсов (частоты вращения вала двигателя). Недостатком коммута­торов с программным регулиро­ванием является невозмож­ность учета всех факторов, влияющих на силу тока разрыва в катушке зажигания. К таким факторам можно отнести, на­пример, разброс параметров первичной обмотки катушки за­жигания (R1, L1), нестабиль­ность скважности сигнала дат­чика в процессе эксплуатации, разброс номиналов элементов схемы при воздействии окружающей среды. Отсюда невысокая точность приближения пара­метров токового импульса к оптимальным значениям. Лучших ре­зультатов позволяют добиться коммутаторы с адаптивным регули­рованием скважности выходного импульса тока.

Адаптивные ре­гуляторы времени накопления отличаются наличием стабилизирующей обратной связи, которая позволяет поддерживать постоянный уровень тока в катушке зажигания независимо от воздействия многочисленных внешних факторов за счет коррекции скважности выходного токового сигнала.

Дата добавления: 2014-12-27