В данной статье описаны несколько модификаций двухканальных коммутаторов зажигания, где в качестве делителей-распределителей входного импульса применены популярные двухтактные ШИМ ИС, ранее успешно зарекомендовавшие себя в схемах различных импульсных электропитающих устройств и присутствующих на рынке электронных компонентов в изобилии под разными названиями. Это такие микросхемы, как TL494 (KA7500, К1114ЕУ4), UC3825 (К1156ЕУ2), LM3524 (К1156ЕУ1), UC3525.
Названные МС имеют функциональный потенциал, достаточный для построения недорогой схемы электронного двухканального распределителя мощных импульсов.
Упрощенные схемы распределителей на базе упомянутых выше МС показаны на рис.1.
рис.1
Сигналы с контактов прерывателя (или любого другого источника импульсного сигнала) подаются на выводы микросхем, отвечающих за формирование импульсов штатных генераторов. В схеме на (рис.1а) источник импульсов для последующего распределения должен быть подключен к выводу RT (6) TL494. При этом обязательно наличие резисторов R1, R2. Выходные сигналы (выводы 9 и 10) инвертированы по отношению к входному сигналу, а длительность положительных выходных импульсов, соответственно, равна длительности входного (отрицательного) импульса. Следовательно, стоки ключей Q1, Q2 будут поочередно замкнуты на общий провод схемы на время действия каждого второго отрицательного входного импульса. Т.к. TL494 изначально не рассчитана для работы с низкочастотной последовательностью импульсов, а использование элементов генератора МС далеко не штатное, TL494 утратила часть функций, отвечающих за изменение длительности выходных импульсов. Но т.к. основная задача МС состоит лишь в распределении импульсов, эффект от применения TL494 — положительный даже в этом случае.
Для схемы на LM3524 (рис.1в) подача входного сигнала так же осуществляется на вывод RT (6). Наличие элементов R1, R2, R3, C1, — обязательно. Без делителя на R1, R2 работа LM3524 блокируется (например, замыканием вывода 2 на «+» источника опорного напряжения) и это – особенность LM3524. R3 обеспечивает режим работы с внешним источником сигнала. Все временные зависимости выходных сигналов от входного такие же, как и в схеме на TL494.
Вывод RT (5) так же используется для подачи входного сигнала в схеме с МС UC3825 (рис.1б). Обязательно наличие компонентов R1 и C2. За счет внутрисхемных отличий от предыдущих микросхем, функции регулировки длительности выходных импульсов сохранены при работе от внешнего источника импульсов. С помощью подстроечного резистора PR1 можно установить начальную (например, для верхнего предела числа оборотов в минуту) минимальную длительность выходных импульсов. В этом случае при снижении частоты входной импульсной последовательности, длительность выходных импульсов будет расти пропорционально росту периода входного сигнала, но в любом случае выходные импульсы будут короче входного на величину, зависимую в % от установки PR1. Выходные импульсы (на выводах 11, 14), как и в предыдущих схемах, инвертированы по отношению к входным импульсам. При отсутствии PR1 длительность положительных выходных импульсов равна длительности отрицательных импульсов на входе.
В отличии от предыдущих схем, входной сигнал для схемы с применением МС UC3525 (рис.1г) подается на вывод CT (5). Возможна установка фиксированной длительности выходных импульсов (выводы 11, 14) с помощью подстроечного резистора PR2. При этом установленная длительность импульсов неизменна во всем диапазоне оборотов КВ (16-400Гц). В этом случае отпадает необходимость в использовании входного формирователя длительности импульсов. Для использования UC3525 в режиме распределителя входного сигнала не требуется никаких дополнительных компонентов. Достаточно простая коммутация с помощью переключателя S1 позволяет перевести МС в режим аварийного вибратора, где штатный генератор используется по назначению. Переключатель в этом случае следует располагать вблизи микросхемы — для предотвращения наводок. Выходные импульсы (так же, как и в предыдущих схемах) инвертированы по отношению к входным импульсам. При отсутствии PR2 длительность входного отрицательного импульса равна длительности положительных выходных импульсов.
Для всех схем на рис.1 ключ S1 является обозначением эквивалента контактов механического прерывателя. Контакты могут быть открытыми или «подтянутыми» к «+» бортовой сети через резистор. В этом случае между входом любой из схем и контактами прерывателя должен быть установлен диод (практически любой) катодом к прерывателю. Кроме механических контактов могут быть использованы электронные ключи с сопротивлением в открытом состоянии не более 100Ом. В качестве выходных ключей возможно использование, как MOSFET, IGBT, так и биполярных составных транзисторов. Для работы в качестве датчиков с внешними коммутаторами возможно использование маломощных транзисторов. В этом случае между выходами МС и базами транзисторов необходимо включать резисторы сопротивлением 1к…10к. Для использования схем на рис.1 с управляющими сигналами ЭБУ (для коммутаторов), сигнал на входе любой из схем должен быть инвертирован относительно сигнала ЭБУ. Все схемы являются практическими и могут быть применены в схеме замещения механического распределителя искры.
Дальнейшее развитие базовых схем, представленных на рис.1, показано в схемах на рис.2…рис.5.
рис.2 Схема электронного трамблера с использованием МС TL494
рис.3 Схема электронного трамблера с использованием МС UC3825
рис.4 Схема электронного трамблера с использованием МС UC3524
рис.5 Схема электронного трамблера с использованием МС UC3525
Технические характеристики устройств, приведенных на этих схемах, следующие:
Вход датчика Холла (DH – на схеме); вход индуктивного датчика (IND – на схеме); вход для сигнала ЭБУ; вход синхронизации старта ДПКВ (DPKV – на схеме); установка фиксированной длительности выходных импульсов; регулировка задержки искрообразования (УОЗ); генератор (опционально); возможность использования большинства силовых ключей, применяемых в коммутаторах; триггерная токовая защита силовых ключей.
Регулировки в схемах:
- PR1 – частота генератора, подключаемого для проверки или в качестве аварийного вибратора с помощью переключателя S1 — для всех схем;
- PR2 – смещение фазы выходных импульсов относительно импульсов входного сигнала (УОЗ) – для всех схем;
- PR3 – установка длительности выходных импульсов – для всех схем;
- PR4 – установка порога срабатывания токовой защиты – для схем на рис.2…рис.4;
- PR4 – установка длительности выходных импульсов при отсутствии внешнего формирователя импульсов (U3) – для схемы на рис.5 (UC3525);
- PR5 — установка порога срабатывания токовой защиты – для схемы на рис.5 (UC3525);
Все схемы (на рис.2…рис.5) содержат набор типовых (для этих схем) набор узлов и компонентов. Очевидное отличие состоит лишь в схемном включении «основных» микросхем. Т.к. описание включений микросхем (TL494, UC3825, LM3524, UC3525) было описано выше, в тексте будет дано описание лишь одной из схем (рис.5) — с использованием UC3525.
Входной формирователь собран на микросхеме U2 (LM555), формирующий отрицательный и стабильный во времени импульс задержки (импульс сдвига) — из входного импульса. Длительность сформированного импульса устанавливается при настройке угла опережения зажигания (УОЗ) с помощью подстроечного резистора PR2 и может быть выбрана в пределах от минимального значения (50us…200us, соответствующего минимальному УОЗ) до максимального, не превышающего время периода импульсной последовательности для максимального количества оборотов в минуту. Изменение длительности импульса сдвига вызывает смещение фазы выходных сигналов относительно входного на величину, равную времени импульса сдвига. На рис.6 показана графика взаимодействия импульсов задержки с входными и выходными импульсами. На этом же рисунке приведена схема формирователя сдвига, несколько отличающегося схемотехнически от формирователей в схемах на рис.2…рис.5. Длительность импульса сдвига в данном формирователе не имеет стабильной величины и зависит от периода входной импульсной последовательности. С помощью PR6 в данном случае устанавливается начальная длительность импульсов сдвига, уменьшающаяся с ростом об/м, увеличивающаяся с уменьшением числа об/м.
рис.6 Схема и осциллограммы, поясняющие работу УОЗ
Возвращаемся к схеме на рис.5. Спадом своих импульсов U2 запускает одновибратор на микросхеме U3 (LM555), который формирует на выходе положительные импульсы фиксированной длительности, регламентирующие время открытого состояния силовых ключей (Q1, Q2), коммутирующих первичные обмотки катушек зажигания.
Эффективное время прохождения тока через первичную обмотку катушки зажигания составляет 2,4-3,5мс (в зависимости от типа катушки), меньшее время открытого ключа может быть причиной «слабой» искры, большее — стать причиной повышенного нагрева катушки и потребляемой системой зажигания мощности.
Ключ на транзисторе VT4 является инвертирующим элементом для входа CT микросхемы U4, но может так же служить датчиком для входа блока зажигания (коммутатора), т.к. схема, включающая U2, U3, VT4 является самодостаточным узлом, выполняющим функцию регулятора УОЗ.
Описание работы ШИМ ИС UC3525 в качестве делителя-распределителя описано выше.
Узел синхронизации старта по сигналу датчика положения коленчатого вала (ДПКВ) выполнен на транзисторе VT3, тиристоре VS1, транзисторе VT5. При отсутствии импульса на контакте 2 разъема XP3, VT3 — открыт положительным уровнем напряжения (лог.1) на затворе через резисторы R11, R12, шунтируя управляющий электрод тиристора VS1. VT5 так же открыт подачей положительного напряжения на затвор через цепь HL4, R20. Из за высокого сопротивления затвора VT5, свечение светодиода HL4 в этот момент — исключено. Транзистор VT6, на базу которого подано через VT5-R25 отрицательное смещение, так же — открыт. Через VT6-R28 на вывод SD (10) U4 подается положительное напряжение, запрещающее работу UC3525. С приходом спада любого импульса на затвор VT3, тиристор VS1 «защелкивается» в открытое состояние, зажигая HL4 (зеленого цвета — «активация»). Запираются транзисторы VT5, VT6, разрешая работу U4. Контакты XP3 переключаются перемычкой в режим проверки с запуском работы от входов DH/Ind/CPU, или в рабочий режим — по входу DPKV.
Узел токовой защиты выполнен на тиристоре VS2, при «защелкивании» которого U4 так же — отключается, зажигается светодиод HL5, сигнализируя о срабатывании узла защиты. При отключении U4 выходные ключи Q1, Q2 находятся в запертом состоянии. При любом статическом состоянии любого из типов датчиков по входам DH/Ind/CPU, ключи Q1, Q2 запираются по спаду импульса на выходе U3 и остаются запертыми, предотвращая протекание тока через обмотки катушек зажигания.
Конденсатор C16 при срабатывании тиристора VS2 запирает тиристор VS1, подготавливая его к повторному запуску ДВС без обесточивания схемы (выключением замка зажигания) — в случае срабатывания токовой защиты (при настройке узла защиты, например). Конденсатор может быть исключен из схемы. В этом случае для повторного запуска схемы распределителя, необходимо будет схему обесточить.
Примечание. В качестве тиристоров VS1/VS2 в схеме использованы маломощные симисторы MAC97, отлично работающие при малых токах нагрузки (в отличии от тиристоров серии MCR), малые токи включения. Практический порог срабатывания MAC97 — +0,8…+1,0В.
Примечание. Т.к. узел синхронизации старта и узел защиты являются совмещенной схемой, альтернативный вариант этих узлов может быть выполнен на логических элементах (1 корпус К561ЛЕ5 / CD4001), как это показано в схеме на рис.9.
На транзисторе VT2 выполнен входной каскад, инвертирующий входной сигнал с входов Ind или CPU. В первом случае элементами R18, C11, VZ1, R15, VD3, R13 — обеспечивается нормальная работа VT2 с индуктивным датчиком, во втором (через резистор R10) — с сигналами формата ТТЛ по входу CPU. Коллектор VT2 соединен с входом DH, а база VT2 обслуживает входы Ind/CPU. Поэтому одновременная подача сигналов на разные входы — запрещена. Запрещена так же подача сигналов генератора (U1, PR1, VT1, S1) при наличии установленных соединений по любому из входов.
Питание микросхем U1… U3 стабилизировано интегральным стабилизатором U6. Стабилизатор U5 позволяет производить запуск ШИМ ИС при провале напряжении питания бортовой сети до +6,5В…+7В, когда встроенный источник опорного напряжения ШИМ ИС может оказаться (в большинстве случаев) неработоспособным.
Для схем распределителей были разработаны 2 печатные платы: под МС TL494 (рис.7а), под UC3525 (рис.7б) и универсальная плата — под использование одной из 4 (TL494, UC3825, LM3524, UC3525) микросхем (рис.7в). Базовой для универсальной платы является принципиальная схема на рис.4 (LM3524), а схемы включения (с соответствующими порядковыми обозначениями для схемы на рис.4) показаны на рис.8.
рис.7 внешний вид печатных плат
Для «именных» плат корпуса всех микросхем — SMD, универсальная плата была разработана под DIP-корпуса.
рис.8 схемы включения микросхем для универсальной платы
рис.9
Компоненты, представленные в списке радиоэлементов — для схемы на рис.4, рис.8 (продолжение рис.4)
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| R1, R4, R9, R12, R16, R28 | Резистор | 12 кОм | 6 | |||
| R2, R5, R7, R13, R14, R17, R19, R24, R25 | Резистор | 2k2 | 9 | |||
| R3, R15, R27 | Резистор | 1 кОм | 3 | |||
| R6, R22 | Резистор | 5k1 | 2 | |||
| R8 | Резистор | 62 кОм | 1 | |||
| R10, R30, R31 | Резистор | 750 | 3 | |||
| R11, R18 | Резистор | 51 кОм | 1 | |||
| R20 | Резистор | 560 | 1 | |||
| R21 | Резистор | 3k6 | 1 | |||
| R23 | Резистор | 3 кОм | 1 | |||
| R26, R29 | Резистор | 10 | 2 | |||
| R32 | Резистор | 0R1 | 1 | |||
| R33 | Резистор | 10 кОм | 1 | |||
| PR1, PR2 | Подстроечный резистор | 200k | 2 | |||
| PR3, PR4 | Подстроечный резистор | 100k | 2 | |||
| C1, C3, C6, C19 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 4 | |||
| C2, C10 | Конденсатор | 10 нФ | 2 | |||
| C4, C7 | Конденсатор | 470 пФ | 2 | |||
| C5 | Конденсатор | 33 нФ | 1 | |||
| C9, C13, C15 | Конденсатор | 62 нФ | 3 | |||
| C12, C14 | Конденсатор | 0.22 мкФ | 2 | |||
| C11, C16 | Конденсатор | 1 мкФ | 2 | |||
| C17 | Конденсатор | 2.2 мкФ | 1 | |||
| C18, C20 | Конденсатор | 0.47 мкФ | 2 | |||
| C21, C23 | Электролитический конденсатор | 10uF | 2 | |||
| C22 | Электролитический конденсатор | 100uF | 1 | |||
| VS1, VS2 | Тиристор | MAC97 | 2 | |||
| VD1, VD2, VD3 | Выпрямительный диод | 1N4007 | 3 | |||
| VD4 | Диод | SF34 | 1 | |||
| HL1 | Светодиод | 3mm blue | 1 | |||
| HL2 | Светодиод | 3mm yellow | 1 | |||
| HL3 | Светодиод | 3mm white | 1 | |||
| HL5 | Светодиод | 3mm red | 1 | |||
| HL4 | Светодиод | 3mm green | 1 | |||
| VT1, VT2 | Биполярный транзистор | 2N5551 | 2 | |||
| VT3…VT5 | MOSFET-транзистор | 2N7000 | 3 | |||
| VT6 | Биполярный транзистор | 2N5401 | 1 | |||
| VZ1, VZ2 | Стабилитрон | 1N4735 | 2 | |||
| U1, U2, U3 | Программируемый таймер и осциллятор | NE555 | 3 | |||
| U4 | ШИМ контроллер | TL494 | 1 | |||
| U4 | ШИМ контроллер | UC3524 | 1 | |||
| U4 | ШИМ контроллер | UC3825 | 1 | |||
| U4 | Микросхема | UC3525 | 1 | |||