Электроника Ч2

161

В схеме на электронный ключ возложены функции прерывателя в це- пи первичной обмотки катушки зажигания. Через транзистор протекает большой (до 10 А) ток первичной обмотки. Контакты прерывателя сохране- ны, но вынесены в слаботочную цепь управления электронным ключом. По физической сути они выполняют роль датчика сигнала управления элек- тронным ключом.

Таким образом, контактно – транзисторная система позволяет сущест- венно увеличить срок службы контактов прерывателя, но не исключает их механического износа. Возможная вибрация контактов ограничивает число оборотов ДВС сверху.

На следующем этапе развития электронных систем зажигания контак- ты прерывателя заменены бесконтактным датчиком. Датчик вырабатывает импульсы в строго заданные моменты времени. Эти импульсы усиливаются по мощности и управляют электронным ключом. Таким образом, в схему электронной системы зажигания включается дополнительный каскад – уси- литель сигналов датчика или формирующий каскад. Совокупность форми-

рующего каскада и электронного ключа стали называть коммутатором, а

систему зажигания – бесконтактной (БСЗ).

162

ВБСЗ рассмотренной структуры угол включенного состояния элек- тронного ключа αвкл постоянный. Это значит, что время накопления энергии tн зависит от частоты вращения коленчатого вала n по закону tн = αвкл / 6n. С уменьшением частоты вращения n время накопления, а, следовательно, и ток разрыва, и мощность, рассеиваемая элементами схемы, увеличиваются.

Разработка электронного устройства (регулятора), нормирующего вре- мя накопления энергии, стала следующим этапом развития БСЗ. Решение этой задачи позволило снизить мощность потерь в катушке и коммутаторе на низких и средних частотах вращения вала двигателя, увеличить ток раз- рыва и энергию искрового разряда.

Основными недостатками БСЗ с электронным регулятором времени накопления являются несовершенство механических автоматов угла опере- жения зажигания и механический способ распределения энергии по цилинд- рам двигателя, порождающие погрешности момента образования искры. Системы с электронным регулированием угла опережения зажигания наи- более совершенны по исполняемым функциям.

Дальнейшее развитие электронных систем зажигания идет в направ- лении использования современной элементной базы и достижений электро- ники. Успехи цифровой электроники позволили создать цифровые и микро- процессорные системы зажигания. В рамках данной лекции кратко рассмот- рим принципы реализации отдельных функциональных узлов электронных систем зажигания.

3.2.Датчики углового положения коленчатого вала ДВС

Внастоящее время наиболее широкое применение получили магнито- электрические датчики и датчики на эффекте Холла.

Схема магнитоэлектрического датчика с переменным магнитным

потоком приведена на рис. 28. 5, а. Схема включает статор с неподвижной катушкой и постоянный магнит, жестко связанный с валом распределителя

163

зажигания. Число пар полюсов постоянного магнита равно числу цилиндров двигателя.

При вращении постоянного магнита в обмотке статора возникает пе- ременное напряжение uвых(t), причем,

uвых (t) = ϖ dФ(t) . dt

α o

α

Для системы зажигания удобно выражать напряжение в зависимости от угла поворота вала α. Тогда

uвых (α ) = ϖ n dФ(α ) , dα

где n – частота вращения постоянного магнита, dФ/dα – скорость изменения магнитного потока.

Графики изменения магнитного потока и напряжения на выходе дат- чика приведены на рис. 28.5, б. Момент перехода напряжения через нуль можно использовать для определения момента образования искры.

164

Датчик на эффекте Холла. Из курса физики известно, что эффект Холла заключается в возникновении Э.Д.С. между гранями полупроводни- ковой пластины с током I, помещенной в магнитное поле так, чтобы плос- кость пластины была перпендикулярна силовым линиям поля, причем,

Eх = k I B , h

где k – постоянная Холла, I – ток, протекающий через пластину, h – толщина пластины.

Если магнитную индукцию B изменять пропорционально углу поворо- та коленчатого вала двигателя α, то Э.Д.С. Холла будет представлять сигнал, пригодный для определения момента зажигания. В этом заключается основ- ная идея построения датчика на эффекте Холла.

При очевидной простоте идеи построения датчики Холла получили практическое применение относительно недавно, благодаря развитию мик- роэлектроники. Величина Э.Д.С. Холла очень мала и должна быть усилена в непосредственной близости от кристалла полупроводника. Поэтому датчик Холла содержит элемент Холла, усилитель, ограничитель, выходной каскад и стабилизатор напряжения. Все эти функциональные узлы выполнены в виде одной магнитоуправляемой микросхемы. Объединив такую микросхе- му с магнитной системой в одном корпусе, получают микропереключатель на эффекте Холла. Устанавливается микропереключатель в традиционный распределитель, на поворотный механизм вакуумного автомата.

Принцип размещения микропереключателя в распределителе показан на рис. 28.6, а. В зазор между элементом Холла и магнитом помещается ро- тор, жестко связанный с валом распределителя. Ротор выполнен в виде по- лого цилиндра, на котором закреплены полюса – экраны из магнитопрово- дящего материала. Число полюсов – экранов равно числу цилиндров двига- теля.

165

При вращении вала распределителя полюса – экраны проходят между магнитоуправляемой схемой и магнитом, изменяя магнитный поток пропор- ционально углу поворота коленчатого вала двигателя. На выходе магнито- управляемой схемы формируются прямоугольные импульсы, положение ко- торых на оси угла поворота несет информацию о моменте образования ис- кры в соответствующем цилиндре.

3.3. Коммутаторы

По определению коммутатор – это совокупность формирующего кас- када и электронного ключа. Он предназначен для формирования импульсов тока первичной обмотки катушки зажигания заданной амплитуды и дли- тельности в моменты образования искры. На вход коммутатора поступают сигналы с выхода датчика углового положения коленчатого вала ДВС. На- грузкой коммутатора является первичная обмотка катушки зажигания. В за- висимости от класса системы зажигания в состав коммутатора могут вхо- дить элементы защиты выходного каскада (транзистора электронного клю- ча) от перенапряжения, от инверсного включения, регуляторы времени на- копления, контроллеры и т. п.

В качестве примера рассмотрим схему отечественного коммутатора 13.3734, приведенную на рис.28. 7. Схема содержит формирователь сигнала датчика (транзистор Т1, резисторы R1 – R6, конденсатор С1, а также диоды

167

постоянной скважности с частотой вращения коленчатого вала. На графиках рис. 28.7, б приведен интервал времени, на котором частота вращения вала увеличивается.

На интервале низкого уровня входного сигнала напряжение на кон- денсаторе увеличивается от Uсм1 по линейному закону. Скорость увеличения определяется постоянной цепи заряда – τз = С1·R1. Параметры цепи рассчи- таны так, чтобы на минимальных оборотах напряжение достигало макси- мально допустимого значения Uмакс ≈ ЕпОУ. При максимальной частоте вра- щения коленчатого вала UС1 ≈ Uсм2.

На интервале высокого уровня входного сигнала конденсатор С1 раз- ряжается по линейному закону. Параметры цепи подобраны так, что за вре- мя импульса датчика напряжение UС1 уменьшится до Uсм1. Расчеты упро- щаются за счет постоянной скважности импульсов датчика.

Напряжение интегратора сравнивается компаратором с пороговым на- пряжением Uсм2. В момент равенства UС1 на выходе компаратора формируется положительный импульс. Положительное напряжение через диод D1 поступает на базу транзистора Т1 и открывает его. Через малое со- противление открытого транзистора конденсатор С1 быстро разряжается до

Ucм1.

При оговоренных условиях по выбору параметров схемы длитель- ность импульсов на выходе компаратора постоянна, не зависит от частоты вращения вала ДВС и равна нормированному времени накопления. Напря- жением компаратора управляется выходной каскад на Т2, вырабатывающий выходной импульс тока.

Рассмотренный регулятор называется программируемым, так как дли- тельность импульсов тока и закон изменения их скважности задается (про- граммируется) постоянной времени заряда и разряда С1, а также соотноше- нием напряжений Uсм1 и Uсм2.

168

В заключение отметим, что электронные системы зажигания позволя- ют полностью отказаться от механического высоковольтного распределите- ля, повысить экономичность и безопасность работы ДВС на всех режимах. Последним достижением в совершенствовании электронных систем зажига- ния стали микропроцессорные системы. По сути, это системы комплексного управления и оптимизации характеристик двигателя.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

28.1.Что дает применение электронных устройств в технике вообще и в ПТМ и М

вчастности?

28.2.Почему электромагнитные реле – регуляторы вынуждены заменять регуляторами смешанного типа?

28.3.В чем состоят достоинства и недостатки регуляторов смешанного и электронного типа?

28.4.Какие функциональные узлы входят в состав электронной схемы (рис. 28.3)

пуска ДВС?

28.5.Обоснуйте необходимость и целесообразность каждого функционального узла схемы рис. 28.3.

28.6.Перечислите недостатки системы зажигания батарейного типа.

28.7.В чем заключаются недостатки контактно – транзисторной системы зажига-

ния?

28.8.Приведите достоинства и недостатки БСЗ.

28.9.В каких направлениях возможно совершенствование БСЗ?

28.10.Почему схема по рис. 28.7 называется программируемым регулятором?

169

ТЕМА 7. ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА

ЛЕКЦИЯ 29. ВВЕДЕНИЕ В ЦИФРОВУЮ ЭЛЕКТРОНИКУ

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦИФРОВЫХ СИГНАЛАХ

Появление импульсных устройств создало материальную базу для разработки цифровых измерительных приборов, систем передачи цифровой информации, ЭВМ. Вся эта техника осуществляет операции над цифровыми сигналами. Такие сигналы принимают лишь два значения: "0" или "1". Их называют состояниями. Число состояний m = 2. Физически состояния зада- ются определенным уровнем напряжения, например, "0" – напряжением ≈ 0,5В , "1" – напряжением ≈ 2,5В .

Сообщениями часто служат цифры. Совокупность цифр образуют ал- фавит L. Количество цифр от 0 до 9 определяют объем алфавита, т. е. L = 10. Передать десять цифр двумя состояниями нельзя. Поэтому каждой циф- ре ставят в соответствие не один, а несколько импульсов – n.

Совокупность из n импульсов называют кодовой комбинацией. Им- пульсы в кодовой комбинации называют разрядами. Число разрядов – n называют длиной кодовой комбинации. Так как каждый разряд может при- нимать одно из двух состояний, то совокупность из n разрядов позволяет создать N = mn = 2n различных кодовых комбинаций.

Если N ≥ L , то такой код может обеспечить передачу L цифр. Для L = 10n ≥ 4. В качестве примера можно поставить следующее соответствие цифр и кодовых комбинаций:

170

В приведенном примере каждой цифре соответствует четырехразрядная кодовая комбинация. Появление единицы последовательно в каждом из раз- рядов соответствует цифрам 8; 4; 2; 1. Эти цифры называются весами разря- дов, а рассмотренный код – кодом с весом 8-4-2-1. Каждому из разрядов кода могут быть присвоены и другие веса, например, 4-2-2-1 или 2-4-2-1. Цифрам могут быть поставлены в соответствие другие кодовые комбинации, напри- мер, код избытком три. Принцип формирования кодовых комбинаций может быть иным. Например, если каждая кодовая комбинация отличается от сосед- них состоянием только одного из разрядов, то получаем код Грея:

Приведенные примеры показывают, что количество кодов велико. Наиболее широко применяется код 8-4-2-1.

Любое число десятичной системы счисления N можно представить двоичным кодом в виде

n

N= ∑Ki 2i ,

i=0

где n – число двоичных разрядов; Ki – коэффициент, определяющий состоя- ние i-го разряда: 0 или 1.

Однако наиболее удобна двоично-десятичная система. В такой сис- теме цифре каждого десятичного разряда соответствует кодовая комбинация кода 8-4-2-1. Например, число 258 в двоично-десятичной системе имеет вид: