Система зажигания с регулируемым временем накопления энергии

Схема состоит из следующих функциональных элементов:

- датчика Холла - датчик углового положения коленчатого вала;

- инвертора;

- формирователя линейного напряжения;

- компаратора;

- логической схемы "или"; - выходного каскада;

- катушки зажигания;

- схемы отклонения тока при неработающем двигателе;

- схемы корректировки времени накопления по напряжению;

- схемы ограничения тока.

Датчик-распределитель управляет моментом искрообразования с помощью бесконтактного датчика Холла, регулирует угол опережения зажигания по частоте вращения и нагрузке с помощью центробежного и вакуумного автоматов опережения зажигания, распределяет импульсы высокого напряжения по цилиндрам с помощью вращающегося распределителя.

В корпусе датчика-распределителя встроен бесконтактный датчик Холла, выполненный на основе антимонида индия или арсенида галлия. Вместе с элементом Холла в пластмассовый блок заформована малая интегральная схем. Магнитная система датчика состоит из двух концентраторов магнитного потока. На одном из наконечников установлен постоянный магнит из феррита бария. Шторка, прерывающая магнитный поток, изготавливается из железа толщиной 1мм.

Эффект Холла возникает от воздействия магнитного поля на ток, протекающий через полупроводник и выражается формулой:

,

где B – магнитная индукция;

I – ток в полупроводнике;

R – постоянная Холла, зависящая от свойств полупроводника;

d – толщина пластины полупроводника.

В описываемой конструкции датчик питается напряжением 6...16В, выходное напряжение 1,5...2В.

При вхождении шторки-экрана в зазор магнитного коммутатора магнитный поток шунтируется шторкой, ЭДС Холла равна нулю, интегральная схема выключена. При выходе шторки-экрана из зазора между постоянным магнитом и элементом Холла, магнитная индукция в нем возрастает, возбуждается ЭДС Холла. Интегральная микросхема датчика Холла реагирует на это появлением на своем выходе сигнала логического нуля. Сигнал поступает в электронный коммутатор. В этот момент осуществляется зажигание. Количество экранирующих шторок на роторе равно числу цилиндров, а их ширина определяет угол замкнутого состояния датчика. Интегральная схема формирует и усиливает импульсы, а также стабилизирует напряжение питания схемы. Датчики-распределители связаны с электронным тремя проводами: два из них служат для питания, третий — для передачи управляющих импульсов коммутатору.

. Структурная схема с регулируемым временем накопления энергии:

1 – Датчик-Холла; 2 – инвертор; 3 – формирователь линейного напряжения; 4 – компаратор; 5 – логическая схема «ИЛИ»; 6 – выходной каскад; 7 – катушка зажигания; 8 – схема отключения тока; 9 – схема корректировки времени накопления по напряжению; 10 – схема ограничения тока.

Базовым элементом схемы коммутатора является микросхема К14ОУД1, представляющая собой счетверенный токоразностный усилитель в одном корпусе. Микросхема имеет выходные параметры на уровне операционных усилителей среднего класса. На базе микросхемы построены все основные функциональные элементы коммутатора.

Инвертор VT1 выполнен на транзисторе типа КТЗ15Г. Выходной каскад является ключевым усилителем и выполнен на транзисторах КТ815В и KT834A. Транзистор КТ834А - мощный высоковольтный транзистор Дарлингтона позволяет коммутировать токи до 12 А, при напряжении до 400 В.

Работа системы зажигания протекает следующим образом. При вращении коленчатого вала двигателя датчик Холла вырабатывает импульсы прямоугольной формы. Если выходное напряжение датчика Холла равно нулю, то транзистор VT1 будет находиться в состоянии отсечки, что обеспечивается подбором элементов цепочки делителя напряжения (R1-R2-VD1-R3). На базу транзистора VT2 через резисторы R4, R24 подается положительный потенциал и он будет находиться в состоянии насыщения. При этом транзисторы VT3, VT4 будут находиться в состоянии отсечки и, следовательно, по первичной обмотке катушки зажигания Т ток протекать не будет. В это время на неинвертирующий вход операционного усилителя А 1.2 (выполняющего функции формирователя линейного напряжения) через резисторы R4, R7, R10 подается положительный потенциал (рис. 4б). Происходит заряд конденсатора С4. На выходе операционного усилителя А 1.2 положительное напряжение растет по линейному закону (рис. 4с), определяемому постоянной времени заряда конденсатоpa С4.

Принципиальная электрическая схема системы зажигания с регулируемым временем накопления энергии

Постоянная времени заряда выбирается таким образом, чтобы, полный заряд емкости С4 происходил при минимальной частоте вращения. Напряжение с выхода операционного усилителя А 1.2 подается на неинвертирующий вход операционного усилителя А 1.3, работающего в режиме компаратора. На инвертирующий вход операционного усилителя А 1.3 подается стабилизированное опорное напряжение через стабилитрон VD3.

Осциллограммы электрических сигналов, действующих на различных

участках схемы: 1 – Uаб=16 В, 2 – Uаб=12 В.

Принцип регулирования времени накопления при изменении

Частоты вращения (n₂>n₁)

Как только напряжение на выходе операционного усилителя А 1.2 станет равно опорному напряжению на инвертирующем входе операционного усилителя А 1.3, на его выходе появится положительный потенциал (рис. 4д), который через резистор R23 подается на базу транзистора VT2. Этот сигнал не приводит к изменению состояния транзистора VT2, так как в этом положении датчика на базу транзистора VT2 через резистор R24 подается положительный потенциал.

Когда на выходе датчика Холла появится положительный импульс, произойдет переключение транзистора VT1 в состояние насыщения. Транзистор VT2 при этом останется в состоянии насыщения вследствие того, что на его базу по-прежнему подается положительный потенциал с выхода операционного усилителя А 1.3. Таким образом, переключение транзистора VT1 в состояние насыщения не приводит к появлению тока в первичной обмотке катушки зажигания. В этом случае на неинвертирующий вход операционного усилителя А 1.2 через резисторы R7, R10 и эмиттерно-коллекторный переход транзистора VT1 подается отрицательный потенциал. Начинается разряд конденсатора С4. Напряжение на выходе А 1.2 начинает снижаться

(рис. 4с) и как только станет равным опорному напряжению инвертирующего входа операционного усилителя А1.3, произойдет его закрытие.

Напряжение на выходе А 1.3 становится равным нулю, транзистор VT2 переключается в состояние отсечки, а транзисторы VТЗ, VT4 - в состояние насыщения (рис. 4е). По первичной обмотке катушки зажигания начинает протекать ток (рис. 4к ) и происходит процесс накопления энергии. Процесс накопления продолжается до тех пор, пока на выходе датчика Холла напряжение не станет равным нулю. Прерывание тока в первичной обмотке вызывает наведение во вторичной обмотке импульса высокого напряжения.

При увеличении частоты вращения двигателя частота следования импульсов с датчика Холла увеличивается, в то время как время нахождения транзистора VТ4 в состоянии насыщения (t_н) будет оставаться практически постоянным, т.к. определяется постоянной времени разряда конденсатора С4, которая не зависит от частоты вращения. Напряжение на конденсаторе С4 обратно пропорционально частоте вращения. Время накопления энергии (t_н) складывается из двух составляющих: времени t₁, не зависящей от частоты вращения и времени t₂ обратно-пропорционально убывающего с ростом частоты вращения.

Регулирование времени накопления энергии происходит в диапазоне частот вращения от n_o до n_огр. Это объясняется тем, что при n_огр напряжение заряда конденсатора С4 становится равным опорному напряжению, создаваемому стабилитроном VD3 на инвертирующем входе компаратора А 1.3. Поэтому регулирование времени накопления энергии в катушке (t_н) будет происходить только до частоты вращения n_огр. При дальнейшем увеличении частоты компаратор А 1.З не вырабатывает сигналы и управление выходного транзистора VТ4 будет происходить только с помощью транзистора VTI, также как в системе зажигания с нерегулируемым временем накопления. Поэтому с увеличением частоты вращения выше n_огр время t_н будет уменьшаться.

Длительность положительных импульсов датчика Холла выбирается исходя из обеспечения требуемого времени накопления энергии t_н на частотах вращения выше n_огр.

Кроме нормирования времени накопления энергии t_н в функции частоты вращения схема осуществляет корректировку времени в функции напряжения питания, которое в процессе эксплуатации колеблется в широких пределах. При повышении напряжения питания увеличивается напряжение до которого заряжается конденсатор С4, что определяет момент начала накопления энергии в катушке t_н ,вследствие чего ток разрыва остается постоянным.

Схема отключения тока в первичной обмотке при неработающем двигателе работает следующим образом. В зависимости от положения ротора датчика-распределителя (положения шунтирующей шторки) выходное напряжение датчика может быть либо равно нулю, либо равно определенному значению. Если выходное напряжение датчика равно нулю, то в этом случае, как указывалось ранее, транзистор VТ4 будет находиться в состоянии отсечки, а ток по первичной обмотке катушки зажигания протекать не будет.

Если же положение ротора распределителя таково, что на выхода датчика имеется напряжение, то транзистор VT1 переключается в состояние насыщения. В этом случае на инвертирующий вход операционного усилителя А 1.1 через цепочку Rb, R6, VD2 и эмиттерно-коллекторный переход транзистора VT1 подается отрицательный потенциал. Операционный усилитель А 1.1 с цепями управления выполняет функции интегрирующего звена. Конденсатор С3 заряжается и на выходе операционного усилителя А 1.1 начинает медленно возрастать положительное напряжение, которое через резистор R26 подается на базу транзистора VT2. Транзистор VT2 переключается в состояние насыщения, а транзисторы VТЗ, VT4 - в состояние отсечки. В результате ток по первичной обмотке катушки зажигания протекать не будет. Этим исключается разряд аккумуляторной батареи и перегрев катушки зажигания. Следует отметить,

что постоянная времени заряда и разряда конденсатора СЗ выбрана такимобразом, чтобы исключать влияние операционного усилителя А 1.1 на работу системы зажигания на всех режимах работы двигатели, в том числе и в режиме пуска.

Схема ограничения тока разрыва работает при частоте вращения n<n₀, обеспечивая постоянную величину тока разрыва, что уменьшает мощность, рассеиваемую в катушке. Кроме того эта схема предохраняет транзистор VТ4 от токовой перегрузки или коротких замыканий первичной обмотки катушки зажигания. Увеличение тока первичной обмотки выше допустимого значения увеличивает падение напряжения на резисторе R36, которое подается на неинвертирующий вход операционного усилителя А 1.4. Это напряжение становится равным опорному напряжение на инвертирующем входе, определяемым стабилитроном VD3 и делителем напряжения R14, R15, R17. На выходе операционного усилителя А 1.4 появляется положительный импульс, который через резистор R25 переключает транзистор VТ2 в активное состояние. Транзисторы VТЗ и VТ4 также переключается в активное состояние, что вызывает ограничение тока разрыва. При этом в транзисторе VТ4 выделяется в импульсе 60...80 Вт.

С целью исключения коммутационных перенапряжений на транзисторе VT4 применен делитель напряжения R32, R33, R34, подключенный к эмиттерно-коллекторному переходу транзистора VТ4.

При увеличении напряжения на транзисторе VT4 выше заданного уровня открывается стабилитрон VD5, что создает падение напряжения на резисторе R22, открывающее транзистор VT4. Сопротивление его эмиттрно-коллекторного перехода падает, уменьшается падение напряжения на нем.

Диод VD6 предохраняет микросхему и транзисторы VT1, VT2, VT3 от инверсного включения. Конденсаторы С2 и С5 выполняют функции сетевого фильтра. Диод VD7 предохраняет транзистор VТ4 от инверсного включения.

Конденсатор C1 фильтрует высокочастотные помехи со стороны датчика Холла. Диод VD1 используется как нелинейное сопротивление и обеспечивает состояние отсечки транзистора VТ1 при нулевом выходном напряжении датчика.

Стабилитрон VD4 и резистор R29 обеспечивает стабилизацию напряжения, подаваемого на микросхему К 140УД1 и датчик Холла.