Направление

Рис. 3.37.

Коммутаторы. Электронным коммутатором бесконтактной системы зажигания называется устройство, выполняющее следующие основные 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.

Многие типы коммутаторов выполняют дополнительно защитные функции, такие, как:

- предотвращение протекания первичного тока через первичную обмотку катушки зажигания при включенном замке зажигания и не­работающем двигателе;

- обеспечение стабильного питания и защита от импульсов пе­ренапряжения в бортовой сети автомобиля в аномальных режимах микропереключателя на эффекте Холла;

- обеспечение ограничения амплитуды импульса вторичного на­пряжения в аномальных режимах (например, в режиме открытой цепи).

На входные клеммы коммутатора поступают импульсы управле­ния, формируемые бесконтактным датчиком углового положения коленчатого вала двигателя (УПКВ) или электронным регулятором опережения зажигания с открытым коллектором. 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.

Рис. 3.38.

На рис. 3.38 представлена классификация транзисторных ком­мутаторов, применяемых на автомобилях. Множество коммутато­ров БСЗ можно разделить на две подгруппы по принципиальному функциональному признаку:

коммутаторы с постоянной, не зависящей от частоты вращения коленчатого вала скважностью выходного первичного импульса тока;

коммутаторы с нормируемой скважностью выходного импульса тока.

Общим для обеих групп коммутаторов является наличие в вы­ходной цепи мощного выходного транзистора, способного коммутировать токи амплитудой до 10 А в индуктивной нагрузке коллектор­ной цепи.

Рассмотрим основные схемы управления выходным транзисто­ром системы зажигания и способы его защиты.

Для того чтобы включить выходной транзистор и обеспечить ре­жим насыщения, необходимо подать в базу управляющий ток

(3.12)

где I_р - сила коллекторного тока транзистора к моменту прерыва­ния; B_cт - статический коэффициент усиления по току транзистора;

k_н - коэффициент насыщения, который должен быть больше 1 (вы­бирается в пределах 2...4 для ключевых каскадов).

В качестве источника управляющего тока используется каскад предварительного усиления, включенный, как правило, по схеме с общим коллектором (рис. 3.39,а). Такое включение является наи­более экономичным с точки зрения рассеиваемой мощности. Когда транзистор VT1 открыт в базу транзистора VT2 течет ток

причем значение i_y должно удовлетворять условию (3.12).

Значения напряжений насыщения транзисторов VT1 и VT2 вы­бираются из паспортных данных, резистор R_к служит для ограниче­ния коллекторного тока через транзистор VT1. Если транзистор VT1 закрыт, управляющий ток i_у = 0 и база транзистора VT2 зашунтирована на корпус через резистор R_бэ, следовательно, транзистор на­дежно закрыт. Резистор R_бэ улучшает условия закрывания транзи­стора VT2. Сопротивление резистора R_бэ в зависимости от типа транзистора выбирается от 10 до 1000 Ом.

Недостатком схемы является значительное изменение управ­ляющего тока при колебаниях питающего напряжения. Так как номи­нал резистора R_к рассчитывается при минимальном значении пи­тающего напряжения, то при больших значениях питающего напря­жения мощность, рассеиваемая на резисторе R_к, равна 10...12 Вт, если используются выходные транзисторы с В_ст = 5...10. При исполь­зовании выходных транзисторов, имеющих В_ст = 100...150, рассеи­ваемая мощность на резисторе R_к снижается до 3 Вт. Мощность, рассеиваемая в каскаде предварительного усиления, может быть снижена приблизительно в 3 раза за счет стабилизации управляю­щего тока. С этой целью в схему введены токоизмерительный ре­зистор R_т и транзистор обратной связи VT3 (рис. 3.39,б). Падение напряжения на резисторе R_т, от протекающего через него управ­ляющего тока I_уст приложено к участку база - эмиттер транзистора VT3. Любое отклонение значения управляющего тока от I_уст, напри­мер при колебаниях питающего напряжения, вызывает изменение напряжения на резисторе Дт и, следовательно, изменение режима работы транзистора VT3. При увеличении управляющего тока по­тенциал на коллекторе транзистора VT3 начинает уменьшаться, транзистор VT1 закрывается, уменьшая тем самым ток управления до заданного уровня I_уст. При уменьшении тока управления ниже уровня I_уст потенциал на коллекторе транзистора VT3 возрастает, управляющий транзистор VT1 открывается в большей степени и ток управления возрастает до уровня I_уст. Таким образом обеспечива­ется стабилизация управляющего тока на уровне I_уст.

Способы защиты выходных транзисторов от перенапряже­ний. 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 участку 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

Рис. 3.39.

Рис. 3.40.

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 3.40,а. В этой схеме защитный стабилитрон VD1 включен параллельно участку коллектор - эмиттер транзистора VT1. Напряжение пробоя стабилитрона VD1 выбирают немного меньшим U_{кэ доп} транзистора VT1. Увеличение первичного напряжения до U₁ < U_{ст VD} не приводит к сбою стабилитрона. При увеличении первичного напряжения до U₁ > U_{ст VD} стабилитрон пробивается и через него начинает проте­кать ток i_ст, при этом амплитуда импульса первичного напряжения ограничивается на допустимом для транзистора VT1 уровне. Амплитуда импульса тока через стабилитрон составляет 2...4 А, что влечет за собой применение мощных стабилитронов.

Создание новых силовых транзисторов, способных коммутироать большую импульсную энергию (более 200 мДж), а также стремление уменьшить габариты коммутатора позволили осуществить защиту выходного транзистора VT1 путем введения стабили­трона параллельно его базоколлекторному участку (рис. 3.40,б). Этот способ позволяет уменьшить импульсный ток через стабилитрон в В_ст раз (В_ст - статический коэффициент усиления по току выходного транзистора VT1).

При увеличении первичного напряжения до U₁ > U_ст стабилитрон пробивается и в базу выходного транзистора втекает ток, который приоткрывает транзистор VT1 на время действия импульса перенапряжения. Проводящий участок коллектор - эмиттер транзистора VT1 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 участку 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 участок коллектор - эмиттер тран­зистора VT1 в момент открывания последнего, если конденсатор С1 заряжен.

Защита выходного транзистора от инверсного включения. 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 перепутывания полярности аккумуляторной батареи.

Способы защиты от инверсного включения представлены на рис. 3.41.

Для защиты транзистора VT1 от инверсного включения последо­вательно в выходную цепь коммутатора включают полупроводнико­вый диод VD1 (рис. 3.41,а), рассчитанный на прямой ток, равный по значению току разрыва.

Рис. 3.41.

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 VT1 от ин­версного включения является включение силового диода VD1 па­раллельно участку коллектор - эмиттер транзистора (рис. 3.41,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 выполняется на одном кристалле с выходным транзистором. На рис. 3.41,б при­ведена схема однокристального транзистора Дарлингтона, выпол­ненного на транзисторах VT1 и VT2. Параллельно участку коллек­тор - эмиттер включен мощный диод VD1.

Ограничение амплитуды импульса первичного тока. 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.

Коммутаторы с нормируемой скважностью (КНС) используют активное ограничение уровня тока. На рис. 3.42 представлен один из наиболее распространенных вариантов схемы ограничения тока. Принцип действия схемы состоит в следующем. После открывания выходной транзистор VT3 вводится в насыщение током i_у, что обеспечивает низкое остаточное напряжение на выходе коммутатора. Процесс характеризуется нарастанием первичного тока. Пока ток, протекающий через выходной транзистор VT3 и токоизмерительный резистор R_и, включенный последовательно в эмиттерную цепь транзистора, ниже допустимого уровня ограничения, транзистор VT2 закрыт. При достижении током i₁ допустимого уровня транзистор VT2 начинает открываться. Потенциал на его коллекторе по­нижается, что приводит к уменьшению силы тока управления i_y. Транзистор VT3 выходит из режима насыщения в активный режим. Напряжение на выходе коммутатора возрастает до уровня, при котором, поддерживается заданный ток ограничения.

Рис. 3.42.

Регулировка уровня ограничения тока производится резистора­ми R1, R2 делителя во входной цепи транзистора VT2. Введение в коммутатор активного ограничителя тока позволяет не только за­щищать коммутационный транзистор от чрезмерного тока, но также стабилизировать ток разрыва при колебаниях питающего напряже­ния в широких пределах, тем самым обеспечивая 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 задач решают ре­гуляторы времени накопления.

Программный регулятор времени накопления запасаемой энергии. Регулятор (типовая схема которого приведена на рис. 3.43) содержит интегратор, выполненный на усилителе DA1 и конденсаторе С1, устройство сброса на транзи­сторе VT1, диоде VD1 и резисторах R2, R3 и компаратор, выпол­ненный на усилителе DA2.

Рис. 3.43.

Принцип работы схемы иллюстрируется временными диа­граммами (рис.3. 44, где: а – n₁; б – n₂). В период действия низкого уровня сигнала датчика U_вх конденсатор С1 (см. рис. 3.43) интегратора DA1 заря­жается до максимального за период значения напряжения U_c1 за счет смещения U_cм1. При высоком уровне сигнала датчика конден­сатор С1 разряжается. Токи заряда и разряда соотносятся со скважностью сигнала датчика таким образом, что напряжение на выходе интегратора после разряда конденсатора опять достигает опорного значениям U_cм1.

Рис. 3.44.

Если напряжение интегратора сравнива­ется в компараторе DA2 с постоянным пороговым значением на­пряжения U_cм2, то на выходе компаратора формируется независимо от продолжительности периода сигнала датчика сигнал определен­ной длительности времени t_н перед следующим импульсом зажига­ния. Одновременно этот сигнал используется для того, чтобы бы­стро разрядить конденсатор С1 через транзистор VT1 и привести выход интегратора к начальному значению U_cм1.

Так как необходимая продолжительность включения катушки зажигания зависит также от питающего напряжения, для коррекции продолжительности включения порог компаратора U_cм2 делается зависящим от питающего напряжения.

Выбором постоянных времени заряда и разряда конденсатора и опорного уровня напряжения компаратора обеспечивается требуе­мый закон изменения скважности выходного импульса тока в зави­симости от частоты следования входных импульсов.

Рассмотренный тип регуля­тора представляет собой регу­лятор с программным регулиро­ванием. 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.

Адаптивный регулятор времени накопления. Типовая схема адаптивного регулятора (рис. 3.45) отличается от схемы программ­ного регулятора наличием стабилизирующей обратной связи, кото­рая позволяет поддерживать постоянство уровня тока в катушке зажигания независимо от воздействия многочисленных внешних факторов (например, напряжения питания) за счет коррекции скважности выходного токового сигнала.

Рис. 3.45.

Графически принцип работы схемы адаптации изображен на рис.3.46, а - в случае превышения длительности импульса тока; б - при уменьшении амплитуды тока ниже номинального значения. Устройство коррекции представляет собой интегратор (DA3, С2), выходное напряжение U_кор которого задает опорный уровень компаратора DA2. Если опорный уровень изменяется, то изменяет­ся и момент срабатывания компаратора DA2. При более низком напряжении U_см2 катушка зажигания включается на более короткий период времени (рис. 3.46,а). При более высоком опорном напря­жении U_см2 катушка включается на более продолжительный период времени (рис. 3.46,б).

Рис. 3.46.

Критерием для регулировки уровня является сигнал компаратора DA4 (см. рис. 3.45). Если амплитуда выходного тока достигает своего номинального значения, компаратор DA4 включа­ется и на его выходе формируется сигнал высокого уровня. Проис­ходит разряд конденсатор С2, интегратора DA3,инапряжение U_кор на его выходе уменьшается. Низкому уровню напряжения на выхо­де компаратора DA4 соответствует медленный заряд конденсатора С2 за счет источника U_см3­, что приводит к увеличению напряжения на выходе интегратора DA3 и, следовательно, увеличению напряжения U_см2.

Изменение периода следования управляющих импульсов сигна­лов датчика при ускорении или замедлении двигателя вносит по­грешность процесс регулирования. При резком увеличении частоты вращения двигателя возможно уменьшение периода накопления энергии относительно его значения, получаемого при плавном изме­нении частоты. Это может привести к пропускам искрообразования. Для исключения этого явления расчетное значение скважности вы­ходного токового импульса КНС выбирается таким образом, чтобы при максимальных ускорениях период накопления энергии не сни­жался ниже критического значения. Однако в установившемся режи­ме это приводит к излишнему рассеиванию мощности.

Контроллеры. Контроллер представляет собой электронное устройство, предназначенное для управления углом опережения зажигания в функции ряда параметров двигателя. Он также обес­печивает управление электроклапаном экономайзера принудитель­ного холостого хода (ЭПХХ) и в ряде случаев принимает на себя функцию регулирования накопления энергии катушке зажигания. В состав электронной системы зажигания контроллер может входить как автономный конструктивно законченный узел либо как интегри­рованный с транзисторным коммутатором электронный блок.

Рассмотрим основные принципы электронного регулирования момент зажигания. Из всего многообразия систем зажигания с ре­гулируемым углом опережения зажигания можно выделить два ос­новных направления их реализации: системы с аппаратурным и программным принципами построения.

Алгоритм работы регуляторов угла опережения с аппаратурной реализацией («жесткой» логикой) определяется логическими связями между ее элементами. При видоизменении характеристик угла опере­жения зажигания необходимо изменить эти связи, что вызывает опре­деленные неудобства как на этапе проектирования таких устройств, так и при промышленном производстве, когда возможны модификации двигателей, требующие различных характеристик. Отсутствие гибко­сти, т. е. приспосабливаемое™ таких устройств к различным характе­ристикам, является их основным принципиальным недостатком.

Кроме того, такие регуляторы реально позволяют воспроизво­дить лишь относительно простые характеристики и не обеспечива­ют реализацию значительно более сложных оптимальных характе­ристик, имеющих целый ряд изломов, с положительными и отрица­тельными участками.

Значительно большими возможностями обладают системы управления углом опережения зажигания с памятью. В таких систе­мах, как правило, программа работы определяется логическими связями между функциональными устройствами, а данные, опре­деляющие индивидуальные особенности их характеристик, воспро­изводимых системой, хранятся в ее памяти в виде комбинаций ко­дов чисел. Основным достоинством этого стандартного функцио­нально законченного устройства является возможность длительно­го хранения большого массива информации (в том числе закодиро­ванной информации об угле опережения зажигания) и ее измене­ния на всех этапах разработки системы без существенных допол­нительных затрат. Применение памяти дает возможность исполь­зовать цифровую систему зажигания на различных двигателях.

рис.3.47

Структурная схема одного из вариантов системы с памятью приведена на рис. 3.47. Зубча­тый диск, закрепленный на ко­ленчатом валу двигателя, имеет равномерно расположенные по всей окружности зубья. При вращении диска электромагнит­ный датчик 1 частоты вращения вырабатывает серию импуль­сов, число которых определяет угловое положение коленчатого вала относительно ВМТ. Кроме того, на диске устанавливается дополнительный зуб, при совпадении оси которого с электромагнит­ным датчиком 2 начала отсчета на выходе последнего формируется импульсный сигнал о достижении поршнем первого цилиндра ВМТ.

Частота вращения коленчатого вала двигателя может опреде­ляться путем подсчета числа импульсов, поступающих с датчика 1 за эталонный промежуток времени, или путем подсчета числа импуль­сов от кварцевого генератора за период импульсов датчиков 1 и 2.

Нагрузка двигателя определяется при помощи датчика аб­солютного давления (разрежения) 3, устанавливаемого во впускном коллекторе. Аналоговый сигнал с датчика преобразуется в цифро­вую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя. Сис­тема имеет несколько дополнительных информационных входов 4 для других датчиков, например датчика температуры охлаждающей жидкости, детонации, положения дроссельной заслонки и др. Сиг­налы с датчиков формируются с помощью специальных схем 5 (ин­терфейсов) перед подачей их в узел обработки данных 6. Одним из основных устройств узла обработки является постоянное запоми­нающее устройство 7 (ПЗУ).

На основании сигналов о частоте вращения коленчатого вала и нагрузке двигателя узел обработки данных формирует адрес, по которому осуществляется обращение к ПЗУ и выборка (считыва­ние) значения угла опережения зажигания, соответствующего дан­ному режиму работы двигателя. Это значение в дальнейшем может корректироваться в зависимости от показаний других датчиков. При Достижении коленчатым валом двигателя положения, соответст­вующего расчетному значению, угла опережения зажигания, узел обработки данных формирует сигнал управления коммутатором 8.

Из рассмотренного принципа работы системы следует ряд важ­ных выводов:

- погрешности привода распределителя в данной системе све­дены к нулю благодаря работе непосредственно от зубчатого дис­ка, жестко укрепленного на коленчатом валу двигателя;

- частота вращения коленчатого вала двигателя определяется путем подсчета числа импульсов, формируемых датчиком оборотов за заданный период времени, который в принципе может задавать­ся с любой реальной точностью;

- характеристики системы могут изменяться путем изменения содержимого ПЗУ;

- система может воспроизводить характеристики угла опереже­ния зажигания практически с любой точностью, определяемой лишь числом зубьев диска;

- так как все перечисленные операции проводятся цифровыми узлами, характеристики системы практически не подвержены вре­менным и температурным изменениям.

Благодаря гибкости системы такого типа наиболее полно удов­летворяют современным требованиям. На рис. 3.48 приведена трехмерная калибровочная диаграмма, представляющая взаимо­связь трех параметров двигателя: частоты вращения коленчатого вала, нагрузки, угла опережения зажигания.

Рис. 3.48.

Из приведенного примера следует, что характеристика опти­мальных углов опережения зажигания цифровой системы с гибкой памятью значительно сложнее характеристик, которые могут быть воспроизведены системами с механическими автоматами. Одним из основных недостатков этих систем, обусловленных сложностью, является необходимость их реализации в виде заказных больших интегральных схем (БИС).

Выполнение этого условия обязательно, если принять во внимание жесткие требования к надежности рабо­ты системы и массовости выпуска. Недостатком является также необходимость изменять аппаратную часть при изменении харак­теристик угла опережения зажигания или алгоритма работы систе­мы зажигания.

Этих недостатков лишены системы с программируемой логикой, в которых при изменении алгоритма работы системы необходимо лишь заменить управляющую программу и ввести данные в ПЗУ. Такие системы обычно реализуются на базе микропроцессоров.

Системы, построенные на базе микропроцессоров, по основным принципам работы практически не отличаются от ЭВМ, широко ис­пользуемых во многих областях науки и техники. Основное отличие заключается лишь в том, что последние достижения в области мик­роэлектроники позволили выполнять ЭВМ в виде одной или не­скольких БИС, поэтому они получили название микроЭВМ.

Одним из объектов, на которых по прогнозам ожидается массо­вое применение микроЭВМ, является автомобиль. Это объясняет­ся тем, что системы автомобиля имеют достаточно сложные функ­ции регулирования, для реализации которых требуется выполнение большого объема вычислений. И микроЭВМ с их способностью бы­стро анализировать большой объем информации являются иде­альным решением данной проблемы. К этому еще необходимо до­бавить, что одна микроЭВМ может управлять несколькими систе­мами автомобиля. Последнее утверждение чрезвычайно важно, так как ряд задач, в том числе и задача повышения эффективности ра­боты двигателя, носит комплексный характер, затрагивающий не только систему зажигания, но и систему топливоподачи.