Меню

Коммутатор напряжение ток устройство схема

Тиристоры и схемы коммутации мощной нагрузки

Главная страница » Тиристоры и схемы коммутации мощной нагрузки

Тиристоры и схемы коммутации мощной нагрузки

Тиристоры выступают твердотельными электронными устройствами, обладающими высокой скоростью коммутации. Эти приборы допустимо использовать для управления всевозможными маломощными электронными компонентами. Однако наряду с маломощной электроникой, посредством тиристоров успешно управляется силовое оборудование. Рассмотрим классические схемы включения тиристора под управление достаточно высокими нагрузками, например, электролампами, электромоторами, электрическими нагревателями и т. п.

Тиристор – краткий обзор полупроводника

Включение полупроводника в открытое состояние возможно путём подачи импульса пускового тока небольшой величины на управляющий электрод «У». Когда тиристор пропускает ток нагрузки в прямом направлении, электрод анода A является положительным по отношению к электроду катода «K», с точки зрения регенеративной фиксации.

Как правило, триггерный импульс для электрода У должен иметь длительность в несколько микросекунд. Однако чем длиннее импульс, тем быстрее происходит внутренний лавинный пробой. Также увеличивается время открывания перехода. Но максимальный ток затвора превышать не допускается.

После переключения и полной проводки, падение напряжения на участке анод- катод держится постоянным на уровне около 1 вольта, при всех значениях анодного тока от нуля до номинального значения. Тем не менее, следует помнить: как только полупроводник начинает проводить, этот процесс продолжается даже при отсутствии управляющего сигнала «У».

Продолжается такое состояние до момента, когда ток анода уменьшится до величины меньше допустимо минимальной. Лишь на этом уровне и ниже происходит автоматическая блокировка перехода. Иначе работают лишь новые тиристоры структуры «MCT».

Новая структура MCT тиристора

Инновационная разработка в группе тиристоров. Управляемая структура MCT (MOSFET Controled thyristor): 1 — управление 1; 2 — анод; 3 — управление 2; 4 — катод; 5 — подложка металл; OFF-FET — канал типа n-канал; ON-FET — канал типа p-канал

Этот фактор показывает, что в отличие от биполярных транзисторов и полевых транзисторов, тиристоры, по сути, невозможно использовать для усиления или контролируемого переключения. Таким образом, напрашивается логичный вывод: тиристоры как полупроводниковые приборы специально разработаны для использования в составе схем коммутации высокой мощности.

Эти полупроводники могут работать только в режиме переключения, где они действуют как открытый или закрытый коммутатор. Как только этот коммутатор срабатывает, он остаётся в состоянии проводника. Поэтому в цепях постоянного напряжения и некоторых сильно индуктивных цепях переменного напряжения, значение тока необходимо искусственно уменьшать при помощи отдельного переключателя или схемы отключения.

Тиристор в цепи постоянного напряжения

При условии питания схемы постоянным напряжением, тиристор эффективен в качестве переключателя мощной нагрузки. Здесь прибор действует подобно электронной защелке, поскольку после активации остается в состоянии «включено», вплоть до сброса этого состояния вручную. Рассмотрим практическую схему.

Тиристорная схема управления 1

Схема 1: КН1, КН2 — кнопки нажимные без фиксации; Л1 — нагрузка в виде лампы накаливания 100 Вт; R1, R2 — резисторы постоянные 470 Ом и 1 кОм

Эта простая схема включения/выключения применяется для управления лампой накаливания. Между тем схему вполне допустимо использовать в качестве коммутатора электродвигателя, нагревателя и любой другой нагрузки, рассчитанной на питание постоянным напряжением.

Здесь тиристор имеет прямое смещённое состояние перехода и включается в режим короткого замыкания нормально разомкнутой кнопкой КН1. Эта кнопка соединяет управляющий электрод У с источником питания через резистор R1. Если значение R1 установить слишком высоким относительно питающего напряжения, устройство не сработает.

Стоит только активировать (нажать) кнопку КН1, тиристор переключается в состояние прямого проводника и остаётся в этом состоянии независимо от дальнейшего положения кнопки КН1. При этом токовая составляющая нагрузки показывает большее значение, чем ток фиксации тиристора.

Преимущества и недостатки использования тиристора

Одним из основных преимуществ использования этих полупроводников в качестве переключателя видится очень высокий коэффициент усиления по току. Тиристор — это устройство, фактически управляемое током.

Катодный резистор R2 обычно включается с целью уменьшения чувствительности электрода У и увеличения возможностей соотношения напряжение-ток, что предотвращает ложное срабатывание устройства.

Когда тиристор защелкнется и останется в состоянии «включено», сбросить это состояние возможно только прерыванием питания или уменьшения анодного тока до нижнего значения удержания. Поэтому логично использовать нормально замкнутую кнопку КН2, чтобы разомкнуть цепь, уменьшая до нуля ток, протекающий через тиристор, заставляя прибор перейти в состояние «выключено».

Однако схема имеет также недостаток. Механический нормально замкнутый переключатель КН2 должен быть достаточно мощным — соответствовать мощности всей схемы. В принципе, можно было бы просто заменить полупроводник мощным механическим выключателем. Один из способов преодолеть проблему с мощностью — подключить коммутатор параллельно тиристору.

Тиристорная схема управления 2

Схема 2: КН1, КН2 — кнопки нажимные без фиксации; Л1 — лампа накаливания 100 Вт; R1, R2 — резисторы постоянные 470 Ом и 1 кОм

Доработка схемы — включение нормально разомкнутого переключателя малой мощности параллельно переходу А-К, даёт следующий эффект:

  • активация КН2 создаёт «КЗ» между электродами А и К,
  • уменьшается ток фиксации до минимального значения,
  • устройство переходит в состояние «выключено».

Электрический воздушный компрессор, 220В/110В 30 мпаЭлектрический воздушный компрессор высокого давленияЭлектрический воздушный насос высокого давления

Тиристоры в цепи переменного тока

При подключении к источнику переменного тока тиристор работает несколько иначе. Это связано с периодическим изменением полярности переменного напряжения. Поэтому применение в схемах с питанием переменным напряжением автоматически будет приводить к состоянию обратного смещения перехода. То есть в течение половины каждого цикла прибор будет находиться в состоянии «отключено».

Для варианта с переменным напряжением схема тиристорного запуска аналогична схеме с питанием постоянным напряжением. Разница незначительная — отсутствие дополнительного переключателя КН2 и дополнение диода D1. Благодаря диоду D1, предотвращается обратное смещение по отношению к управляющему электроду У.

Положительным полупериодом синусоидальной формы сигнала устройство смещено прямо вперёд. Однако при выключенном переключателе КН1 к тиристору подводится нулевой ток затвора и прибор остается «выключенным». В отрицательном полупериоде устройство получает обратное смещение и также останется «выключенным», независимо от состояния переключателя КН1.

Тиристорная схема управления 3

Схема 3: КН1 — переключатель с фиксацией; D1 — диод любой под высокое напряжение; R1, R2 -резисторы постоянные 180 Ом и 1 кОм, Л1 — лампа накаливания 100 Вт

Если переключатель КН1 замкнуть, вначале каждого положительного полупериода полупроводник останется полностью «выключенным». Но в результате достижения достаточного положительного триггерного напряжения (возрастания тока управления) на электроде У, тиристор переключится в состояние «включено».

Фиксация состояния удержания остаётся стабильной при положительном полупериоде и автоматически сбрасывается, когда положительный полупериод заканчивается. Очевидный момент, учитывая падение тока анода ниже текущего значения. На момент следующего отрицательного полупериода, устройство полностью «отключается» до прихода следующего положительного полупериода. Затем процесс вновь повторяется.

Получается, нагрузка имеет только половину доступной мощности источника питания. Тиристор действует как выпрямляющий диод и проводит переменный ток лишь во время положительных полуциклов, когда переход смещен вперед.

Тиристоры и управление половинной волной

Фазовое управление тиристором является наиболее распространенной формой управления мощностью переменного тока. Пример базовой схемы управления фазой показан ниже. Здесь напряжение затвора тиристора формируется цепочкой R1C1 через триггерный диод D1.

На момент положительного полупериода, когда переход смещен вперед, конденсатор C1 заряжается через резистор R1 от напряжения питания схемы. Управляющий электрод У активируются только тогда, когда уровень напряжения в точке «x» вызывает срабатывание диода D1.

Конденсатор C1 разряжается на управляющий электрод У, устанавливая прибор в состояние «включено». Длительность времени положительной половины цикла, когда открывается проводимость, контролируется постоянной времени цепочки R1C1, заданной переменным резистором R1.

Тиристорная схема управления 4

Схема 4: КН1 — переключатель с фиксацией; R1 — переменный резистор 1 кОм; С1 — конденсатор 0,1 мкф; D1 — диод любой на высокое напряжение; Л1 — лампа накаливания 100 Вт; П — синусоида проводимости

Увеличение значения R1 приводит к задержке запускающего напряжения, подаваемого на тиристорный управляющий электрод, что, в свою очередь, вызывает отставание по времени проводимости устройства.

В результате доля полупериода, когда устройство проводит, может регулироваться в диапазоне 0 -180º. Это означает, что половинная мощность, рассеиваемая нагрузкой (лампой), поддаётся регулировке.

Существует масса способов достижения полноволнового управления тиристорами. Например, можно включить один полупроводник в схему диодного мостового выпрямителя. Этим методом легко преобразовать переменную составляющую в однонаправленный ток тиристора.

Однако более распространенным методом считается вариант использования двух тиристоров, соединенных инверсной параллелью. Самым практичным подходом видится применение одного симистора. Этот полупроводник допускает переход в обоих направлениях, что делает симисторы более пригодными для схем переключения переменного тока.

Тиристоры — полный технический расклад на видео

Видеоматериал, представленный здесь — продолжение знакомства с тиристорами непосредственно глазами. Совмещение текстовой и видео информации открывает способ лучшего понимания темы. Поэтому, рекомендовано смотреть «кино» о тиристорах:

Что такое BGA? Расшифровка аббревиатуры фирмы Motorola

Что такое BGA? Расшифровка аббревиатуры фирмы Motorola

Магнитный USB интерфейс - кабель удобный для подключения электроники

Магнитный USB интерфейс — кабель удобный для подключения электроники

Трансдюсер – характеристика прибора и принцип действия

Трансдюсер – характеристика прибора и принцип действия

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Zetsila — публикации материалов, интересных и полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мультитематическая информация — СМИ .

Источник



Что такое коммутатор в машине?

  • Что такое коммутатор в машине?
  • Для чего нужен коммутатор зажигания?
  • Принцип работы коммутатора системы зажигания
  • Каким может быть коммутатор в автомобиле?
  • Как определить неисправность коммутатора в машине?
Читайте также:  Синусоидальный переменный ток основные понятия

По конструкции первые коммутаторы представляли собой пару проводов и блок питания. Теперь коммутатор — сложный узел в системе зажигания. Устройство продолжало эволюционировать — сейчас коэффициент выжигания топлива очень высок. Современные коммутаторы могут работать на низкооктановом бензине и повышают отдачу мотора на пониженных оборотах.

Что такое коммутатор в машине?

Этим термином называют устройство, отвечающее за появление искры. Искра возникает в блоке зажигания, а коммутатор в автомобиле — блок, координирующий этот процесс. Система зажигания делится на две составляющие — контрольный блок и блок, где происходит искровой разряд. Управляющая система контролирует момент появления искры, а исполняющий блок занимается ее образованием.

Прежде на автомобилях была система розжига горючего с батарейным зажиганием. В ее основе лежал принцип самоиндукции. Такая система работала долго — до появления принципиально иной элементной базы. У неё несложная транзисторная схема. Регулирование производится при помощи тока, проходящего по бобине. Основной принцип остался неизменным — коммутаторы по-прежнему работают на электромагнитной индукции.

Для чего нужен коммутатор зажигания?

Транзистор снижает нагрузку на прерыватель. Сила тока при этом многократно увеличивается. Система работает надежнее — без перебоев на повышенных оборотах, а значит, и на больших скоростях. Увеличилась степень сжатия силового агрегата. Характеристики зажигания улучшились благодаря устройствам, работающим как на транзисторной, так и на тиристорной схемах.

Поэтому батарейное зажигание оказалось полностью вытеснено, хотя до некоторого времени было доминантом. Кроме того, инновации позволили отказаться от контактных прерывателей.

Принцип работы коммутатора системы зажигания

Назначение коммутатора в системе зажигания — управление напряжением, которое проходит по сигналам, поступающим с ЭБУ. При вращении коленвала распределительный датчик создает импульсы, которые поступают на переключатель. Он формирует импульсы в катушке зажигания (первичная электрообмотка). Потом он появляется во вторичной электрообмотке. Напряжение поступает на основной распределительный контакт, потом по проводке идет на свечи, образующие искру.

Когда коленвал увеличивает обороты, контроль над регулировкой угла опережения зажигания берет на себя центростремительный регулятор. При изменении нагрузки на силовой агрегат эту функцию выполняет вакуумный регулятор. Использование транзисторов позволяет уменьшить нагрузку на прерыватель — сила тока при этом, наоборот, увеличивается. Это даёт усовершенствованным системам ряд преимуществ:

  • степень сжатия увеличивается;
  • вся система зажигания работает дольше;
  • система может нормально работать при больших нагрузках на мотор.

Каким может быть коммутатор в автомобиле?

Современные коммутаторы эффективны и надежны благодаря микропроцессорам. Сейчас в магазинах продают разные модели. Все коммутаторы можно поделить на:

  1. Транзисторные. Имеют контакты, которые могут обгореть или просто износиться. Это значит, что срок службы у них небольшой.
  2. Тиристорные. Похожи на транзисторные, но имеют одно отличие — высокое напряжение возникает в конденсаторе. Когда система активируется, конденсатор подключается к катушечной обмотке. При следующем разряжении возникает искра.
  3. Гибридные. Здесь есть кулачковый трамблер. Электронная часть включает в себя коммутатор и катушку. Это гибрид электроники и механики. За счет электронных элементов этот узел надёжнее и экономичнее. Датчики здесь заменены кулачками, подсоединяются они просто. Конструкция удобна — ведь когда свитч выходит из строя, можно переключиться на старую катушку. Потом запускается кулачковое зажигание.
  4. Бесконтактные — самые эффективные устройства. Их параметры намного выше показателей коммутаторов другого типа. С началом применения электроники производители начали отказываться от контактов — сигналы стали передаваться от датчика Холла.

Датчики сыграли роль в улучшении процесса образования искры — перебои прекратились, погрешность воспламенения горючего в правом цилиндре уменьшилась. Проблема зависимости угла опережения от частоты оборотов двигателя осталась, но и она была решена при помощи микроконтроллерной системы. Устройства, в которые она интегрирована, получают сигнал с датчика на вход Х1. Здесь его обработкой занимается микроконтроллер, определяющий момент активации и деактивации катушки.

Как определить неисправность коммутатора в машине?

Выявить поломки у устройств нового типа несколько сложнее, чем у одноконтактных. Лучше отвезти машину в СТО. Признаки поломок таковы:

  • мотор перестал запускаться, искры нет;
  • двигатель постоянно глохнет;
  • силовой агрегат работает неустойчиво.

Для проверки используют вольтметр — при включенном зажигании его стрелка должна располагаться посередине шкалы. Когда питание перестает поступать, она отклоняется в правую сторону. Если все происходит так, прибор находится в рабочем состоянии.

Если вольтметра нет, проверяют узел при помощи сигнальной лампочки. Один из проводов подсоединяется к массе, второй — к первой коммутаторной клемме. Если устройство рабочее, лампочка загорится.

Появление коммутатора — следствие эволюции системы зажигания. По мере её развития и возникли многоканальные устройства, которые сильно облегчают жизнь нынешним автовладельцам.

Источник

Устройство автомобилей

Коммутаторы системы зажигания

Назначение и принцип работы коммутатора системы зажигания

коммутаторы системы зажигания

В системе зажигания автомобильных двигателей для получения тока высокого напряжения, вызывающего искрообразование на электродах свечей, используется принцип электромагнитной индукции – катушка зажигания, представляющая собой своеобразный трансформатор, способна преобразовать напряжение бортовой цепи автомобиля (12 В) в напряжение, достигающее несколько тысяч вольт. Для этого необходимо периодически подавать и отключать ток от первичной цепи катушки зажигания, в результате чего постоянный ток бортовой цепи становится переменным (циклически изменяющимся по величине от нуля до 12 В и наоборот).
Первые системы зажигания двигателей использовали для этих целей устройства (прерыватели), смыкающие и размыкающие электрические контакты механическим способом. В принципе, эти устройства можно назвать родоначальниками современных коммутаторов автомобильных систем зажигания.

Однако, механические (контактные) коммутаторы имели ряд существенных недостатков, которые по мере развития и совершенствования автомобильных двигателей проявлялись все отчетливее. Контакты имели склонность к подгоранию, требовали систематической чистки и регулировки зазора, и не могли «похвастать» стабильностью создаваемого импульса по величине и продолжительности.
Кроме того, они обладали заметной инертностью, как и все механические устройства, что ограничивало возможности высокооборотистых двигателей, а недостаточно продолжительная и мощная искра была камнем преткновения для увеличения степени сжатия.
Тем не менее, такие системы зажигания длительное время использовались в автомобилях, и только появление и совершенствование полупроводниковых приборов позволило конструкторам совершить своеобразную революцию в способе коммутации управляющих импульсов.

На первых порах от использования механических контактов прерывателя конструкторы не отказались, но решили проблему с их электрической нагрузкой, приводящей к подгоранию. Через контакты прерывателя пропускался слабый ток управления, который подавался на базу мощного транзистора, служащего усилителем сигнала, поступающего в первичную цепь катушки зажигания.
Так появились контактно-транзисторные системы зажигания, и первые полупроводниковые коммутаторы. Впоследствии конструкторы систем зажигания отказались от механических контактов, использовав для формирования маломощного импульса различные магнитоэлектрические датчики, а также датчики, работающие на эффекте Холла.
Усовершенствование этих устройств продолжается и в настоящее время, при этом современные коммутаторы автомобильных систем зажигания совершенно отличаются от своих механических и даже транзисторных «предков».

Применение полупроводниковых и микропроцессорных коммутаторов в контактно-транзисторных или бесконтактных системах зажигания позволяет получить следующие преимущества:

  • уменьшается ток, протекающий по контактам прерывателя, вследствие чего они практически перестают подгорать (для контактно-транзисторной системы зажигания);
  • увеличивается длительность подачи искры, что гарантирует эффективное воспламенение рабочей смеси в цилиндрах двигателя;
  • появляется возможность существенного увеличения степени сжатия в цилиндрах двигателя, а также частоты вращения коленчатого вала без ущерба для надежности искрообразования.

В целом увеличивается надежность работы системы зажигания и снижается трудоемкость ее технического обслуживания.

Выпускаемые коммутаторы контактно-транзисторных и бесконтактных систем зажигания делятся на три группы:

  • коммутаторы на дискретных полупроводниковых компонентах с использованием корпусных интегральных микросхем, установленных на печатных платах;
  • коммутаторы, выполненные по толстопленочной технологии с применением стандартных бескорпусных и дискретных компонентов;
  • коммутаторы, изготовленные по гибридной технологии с использованием специальной твердотельной микросхемы, на которой реализуются основные функциональные узлы коммутатора.

Коммутаторы для контактно-транзисторных систем зажигания

Коммутаторы контактно-транзисторных систем и коммутаторы с постоянной скважностью импульсов выходного тока для бесконтактных систем зажигания функционально просты и содержат небольшое количество полупроводниковых компонентов (как правило, не более четырех транзисторов). Они относятся к первой группе. Их основой служит литой алюминиевый корпус, имеющий ребристую наружную поверхность для улучшения теплоотдачи.
Внутри корпуса расположены все элементы коммутатора за исключением выходного транзистора, который монтируется на корпусе в специальном кармане.

Для многих типов транзисторов (например, n-p-n) необходима изоляция от корпуса коммутатора, поэтому они монтируются через специальную прокладку. Для снижения теплового сопротивления перехода между корпусом коммутатора и прокладкой наносят теплопроводные пасты, благодаря чему охлаждение выходного транзистора более интенсивно.
Для подключения коммутатора к бортовой сети автомобиля и к элементам системы зажигания используется клеммная колодка.

Коммутатор ТК102

На рис. 1 показан коммутатор ТК102, относящийся к первой группе, который предназначен для работы в контактно-транзисторной системе зажигания автомобилей с восьмицилиндровыми двигателями, но может быть использован для работы с любым классическим распределителем зажигания. В качестве нагрузки используется катушка Б114 (W2/W1 = 235; L1 = 3,7 мГн; R1 = 0,42 Ом).
Для ограничения первичного тока используется добавочное сопротивление СЭ107 (1,04 Ом). Коммутатор ТК102 имеет один мощный германиевый транзистор ГТ701А (VT1), стабилитрон Д817В (VD2) и диод Д7Ж (VD1), служащие для защиты от перенапряжения силового транзистора VT1.
Дроссель L1 и резистор R1 предназначены для ускорения процесса запирания транзистора VT1, конденсатор С1 первичного контура возбуждения катушки зажигания и конденсатор С2 служат для защиты компонентов схемы коммутатора от скачков напряжения в бортовой сети автомобиля.
В случае отказа коммутатора (например, при выходе из строя транзистора) можно перекинуть провода в стандартное положение, и двигатель продолжит работать, что позволит водителю добраться до места ремонта.

Читайте также:  Соединение источников тока кратко

коммутатор ТК102

Коммутаторы для бесконтактных систем зажигания

Коммутаторы этого типа используются в системах зажигания, где для формирования импульса управления током первичной цепи катушки зажигания используются не механически управляемые контакты, а магнитоэлектрические датчики.

Электронные коммутаторы бесконтактных систем зажигания выполняют следующие функции:

  • формирование выходного токового импульса необходимой амплитуды и продолжительности, 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 могут выполнять и дополнительные функции:

  • 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 входные клеммы коммутатора поступают импульсы управления, формируемые бесконтактным датчиком углового положения коленчатого вала двигателя или электронным регулятором напряжения – коллектором.
Выходом (нагрузкой) коммутатора является первичная обмотка катушки (или катушек) зажигания. В случае, когда коммутатор обслуживает две или несколько катушек, он выполняет функцию распределителя высоковольтных импульсов по цилиндрам двигателя.

Многочисленные коммутаторы бесконтактных систем зажигания можно разделить на две группы:

  • коммутаторы с постоянной скважностью выходного первичного импульса тока (скважность – отношение периода следования импульсов к их длительности), не зависящей от частоты вращения коленчатого вала двигателя;
  • 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 коллектора.

Коммутатор 13.3734

Примером коммутаторов для бесконтактных систем зажигания может служить коммутатор 13.3734, разработанный на базе первого серийного отечественного коммутатора ТК200 «Искра». Коммутатор предназначен для совместной работы с бесконтактным магнитоэлектрическим датчиком, катушкой зажигания Б116 и добавочным сопротивлением 14.379.

схема электрическая коммутатора

Коммутатор 13.3734 (рис. 2) содержит выходной резистор VT3 (КТ848А), каскад предварительного усиления на транзисторе VT2 (КТ630Б) и резисторе R7, формирователь сигнала датчика на транзисторе VT1 (КТ630Б) и элементах R1-R8, С1, VD1, VD2.

Между выходом и входом коммутатора имеется положительная обратная связь (R10, С7), обеспечивающая стабильную работу коммутатора на пусковых частотах вращения валика распределителя (20…30 об/мин). Цепь R3-С1 служит для уменьшения электрического смещения момента зажигания в зависимости от частоты вращения вала датчика.

Коммутатор содержит также элементы схемы (С2-С4, VD3, VD4, R8) и цепи защиты выходного транзистора (С5, С6, R9). Коммутатор выполнен на печатной плате, на которой смонтированы маломощные элементы схемы. Плата установлена в оребренный литой дюралюминиевый корпус, где размещены силовые элементы.

Коммутаторы с нормируемой скважностью импульсов выходного тока

Коммутатор 36.3734

Первый отечественный коммутатор 36.3734 с нормируемой скважностью импульсов выходного тока, применяемый на автомобиле ВАЗ-2108, выполнен также по дискретной технологии и предназначен для работы с бесконтактным датчиком, работающим на эффекте Холла.
В качестве нагрузки используется катушка зажигания 27.3705 (W2/W1 = 85; L1 = 3,8 мГн; R1 = 0,5 Ом).

В коммутаторе 36.3734 реализовано программное регулирование времени накопления энергии в первичной обмотке катушки зажигания, активное ограничение уровня первичного тока (8…9 А), ограничение амплитуды импульса первичного напряжения (350…380 В), безыскровое отключение первичного тока при остановленном двигателе (Тоткл = 1,53 с). Последнее предназначено для плавного запирания коммутационного транзистора для предотвращения искрообразования при остановке двигателя, когда катушка зажигания осталась под током.

В коммутаторе 36.3734 функциональные основные узлы выполнены на операционных усилителях DA1.1-DA1.4, которые являются компонентами микросхемы К1401УД1.
На базе усилителей DA12 и DA13 реализованы интегратор и компаратор (нормирование скважности импульсов) выходного тока. На усилителе DA1.1 собрана схема безыскрового отключения тока, на усилителе DA1.4 – компаратор ограничения амплитуды выходного тока. В качестве выходного транзистора применен транзистор Дарлингтона КТ848А.
Конструктивно коммутатор представляет собой печатную плату, на которой размещены радиокомпоненты схемы, за исключением выходного транзистора VT4, защитного диода VD7 и стабилитрона VD4 ограничителя напряжения питания, которые смонтированы на корпусе коммутатора.
Для подключения коммутатора к бесконтактному датчику Холла, к катушке зажигания и источнику питания используется съемно-контактный разъем.

Коммутатор 42.3734

двухканальный коммутатор 42.3734

Идеи программного регулирования скважности импульсов выходного тока реализованы также в системах зажигания с низковольтным распределением высоковольтных импульсов напряжения. При этом коммутаторы обычно выполняются двухканальными – обслуживающими две катушки зажигания.

Электрическая схема дискретного двухканального коммутатора 42.3734 разработана на основе электрической схемы коммутатора 36.3734. Основное различие заключается в наличии двух выходных каскадов (VT4, VT6 и VT5, VT7), управляющих работой выходных транзисторов VT8 и VT9. В свою очередь выходные каскады управления каналов коммутатора посредством ключевого каскада на транзисторе VT2 (КТ342А).
Схема коммутатора также снабжена устройством формирования сигнала для управления тахометром (VD14, VD15, R53, R54).

Коммутатор 42.3734 выполнен на двух печатных платах (рис. 3): плате управления А1, на которой размещена операционная часть коммутатора, и силовой плате А2 с элементами выходных каскадов и выходными транзисторами. Причем последние смонтированы на дополнительном теплоотводе. Платы установлены в корпусе одна над другой.

Достоинства и недостатки различных типов коммутаторов

К недостаткам коммутаторов первой группы можно отнести большие габаритные размеры и массу, а также при крупносерийном производстве низкую технологичность и недостаточную надежность в связи с большим числом радиокомпонентов.

Существенного снижения массогабаритных показателей можно добиться при изготовлении коммутаторов по толстопленочной технологии с применением стандартных бескорпусных компонентов. Однако такая технология является относительно дорогой и трудоемкой, поэтому не нашла широкого применения в промышленном крупносерийном производстве коммутаторов.

Наилучшими показателями с точки зрения трудоемкости и технологичности производства, а также надежности обладают коммутаторы третьей группы, которые содержат специальную микросхему, где размещаются основные функциональные узлы: схема нормирования скважности с адаптацией по уровню выходного тока, схема безыскрового отключения тока, устройство ограничения тока и др. По гибридной толстопленочной технологии выполняется силовая часть схемы коммутатора с элементами защиты от импульсных перегрузок по цепи питания. Примером использования этой технологии может служить коммутатор 0.227.100.103 фирмы «Бош» (Германия), схема которого приведена на рис. 4.

коммутатор фирмы Бош

В схему входят следующие элементы: бескорпусной выходной транзистор VT1; специализированная микросхема DA1 (МА 7355) с миниатюрными навесными конденсаторами С2-С5, выполняющая основные функции коммутатора; корпусные диод VD1, стабилитрон VD2, миниатюрный конденсатор С1 и толстопленочные резисторы R3, R4, выполняющие функции защиты от импульсных перенапряжений в бортовой сети и перепутывания полярности аккумуляторной батареи.

Также имеются толстопленочные резисторы, служащие для изменения и подстройки требуемых уровней первичного тока (R6, R7, R10) и первичного напряжения (R8, R9). Цепь защиты выходного транзистора выполнена на дискретных элементах С7 и R11.

Налажен выпуск аналогичных коммутаторов, выполненных в виде большой гибридной интегральной схемы (БГИС), представляющей собой толстопленочную микросборку операционной части и микросборку силовой части коммутатора, смонтированные на медном основании СА из полимерного материала. Причем корпус выполнен заодно с семиштырьковым разъемом. Корпус герметизируется приклеиваемой крышкой. Подложками толстопленочных сборок служит алюмооксидная керамика (Al2O3).
Внешний вид одноканального и двухканального коммутаторов показан на рис. 5.

коммутаторы

По мере развития цифровой и микропроцессорной техники и разработки комплексных систем управления двигателем транзисторный коммутатор, сохраняя свое функциональное назначение, в конструктивном плане может не иметь очертания самостоятельного изделия, объединяясь в единую конструкцию с цифровым контроллером. Следующим шагом на пути интеграции электронного блока является передача функции нормирования скважности импульса выходного тока в схему контроллера. В этом случае модуль коммутатора реализует функции распределения высоковольтных импульсов, ограничения тока и первичного напряжения, выдачи сигнала обратной связи об уровне тока в катушке зажигания.

Контроллеры

Выпускаются контроллеры серии МС2715.03 для легковых автомобилей ВАЗ-21083 и МС2713.01 для грузовых автомобилей ЗИЛ-4314, предназначенные для управления углом опережения зажигания по оптимальной характеристике регулирования на основе информации от датчиков начала отсчета, частоты вращения коленчатого вала двигателя, разрежения в задроссельном пространстве карбюратора (или впускном трубопроводе инжекторного двигателя) и температуры охлаждающей жидкости.

Контроллеры осуществляют также управление электроклапаном экономайзера принудительного холостого хода (ЭПХХ). Контроллер МС2715.03 для легковых автомобилей с четырехтактным четырехцилиндровым двигателем вырабатывает сигнал «Выбор канала» для обеспечения функции статического распределения энергии по цилиндрам двигателя.

Структурная схема контроллера приведена на рис. 6. На выводы контроллера поступают сигналы датчика начала отсчета (НО), датчика угловых импульсов (УИ), датчика частоты вращения коленчатого вала (КВ), датчика разрежения (Р), датчика температуры охлаждающей жидкости (Тохл).

Читайте также:  Электросварка с регулятором тока

структурная схема контроллера

После обработки сигналов датчиков в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) информация о параметрах двигателя в виде цифровых кодов поступает в процессор, который производит вычисление частоты вращения коленчатого вала двигателя, разрежения, температуры, углового положения коленчатого вала двигателя и на основании этих данных вычисляет угол опережения зажигания в соответствии с картой углов опережения зажигания двигателя, которая хранится в памяти процессора.
Синхронизация работы контроллера с работой двигателя и формирование сигнала «Выбор канала» производится посредством импульсов датчика НО. Выходные сигналы процессора управляют работой формирователей импульса зажигания (ФИЗ) и выбора канала усилителя ЭПХХ. Сигналы ФИЗ и ВК непосредственно управляют работой двухканального коммутатора.

Источник

Тиристорные коммутаторы нагрузки (10 схем)

Для включения и отключения нагрузки (ламп накаливания, обмоток реле, электродвигателей и т.п.) зачастую используют тиристоры. Особенность этого вида полупроводниковых приборов и основное их отличие от транзисторов заключается в том, что они обладают двумя устойчивыми состояниями, без каких-либо промежуточных.

Это состояние «включено», когда сопротивление полупроводникового прибора минимально, и состояние «выключено», когда сопротивление тиристора максимально. В идеале эти сопротивления приближаются к нулю или бесконечности.

Для включения тиристора на его управляющий электрод достаточно хотя бы кратковременно подать управляющее напряжение. Отключить тиристор (запереть) можно кратковременным выключением питания тиристора, сменой полярности питающего напряжения либо уменьшением тока в нагрузке ниже тока удержания тиристора.

Обычно включают и отключают тиристорные коммутаторы двумя кнопками. Значительно меньшее распространение получили однокнопочные схемы управления тиристорами.

Здесь подробно рассмотрены методы однокнопочного управления тиристорными коммутаторами. Принцип работы тиристорных однокнопочных управляющих устройств основан на динамических зарядно-разрядных процессах в цепи управления тиристора [EW 4/01-299].

Схема однокнопочного управления тиристором

На рисунке 1 показана одна из простейших схем однокнопочного управления тиристорным коммутатором. В схеме (здесь и далее) используют кнопки без фиксации положения. В исходном состоянии нормально замкнутые контакты кнопки шунтируют цепь управления тиристором.

Сопротивление тиристора максимально, ток через нагрузку не протекает. Диаграммы основных процессов, протекающих в схеме на рис. 1, рассмотрены на рис. 2.

Для включения тиристора (ON) нажимают на кнопку SB1. При этом нагрузка оказывается подключенной к источнику питания через контакты кнопки SB1, а конденсатор С1 заряжается через резистор R1 от источника питания.

Скорость заряда конденсатора определяется постоянной времени цепи R1C1 (см. диаграмму). После того как кнопку отпустят, конденсатор С1 разряжается на управляющий электрод тиристора. Если напряжение на нем равно или превышает напряжение включения тиристора, тиристор отпирается.

Принципиальная схема управления тиристором с помощью одной кнопки

Рис. 1. Принципиальная схема управления тиристором с помощью одной кнопки.

 Диаграммы основных процессов, протекающих в схеме с тиристором

Рис. 2. Диаграммы основных процессов, протекающих в схеме с тиристором.

Отключить нагрузку (OFF) можно кратковременным нажатием на кнопку SB1. При этом конденсатор С1 не успевает зарядиться. Поскольку контакты кнопки шунтируют электроды тиристора (анод — катод), это равноценно отключению источника питания тиристора. В результате нагрузка будет отключена.

Следовательно, для включения нагрузки необходимо с большей продолжительностью нажать на управляющую кнопку, для отключения — еще раз кратковременно нажать ту же кнопку.

Простые силовые ключи на тиристорах

На рис. 3 и 4 показаны варианты схемной идеи, представленной на рис. 1. На рис. 3 использована цепочка последовательно соединенных диодов VD1 и VD2 для ограничения максимального напряжения заряда конденсатора.

Вариант схемы управления тиристором одной кнопкой

Рис. 3. Вариант схемы управления тиристором одной кнопкой.

Это позволило заметно снизить рабочее напряжение (до 1,5. 3 В) и емкость конденсатора С1. В следующей схеме (рис. 4) резистор R1 включен последовательно с нагрузкой, что позволяет создать двухполюсный коммутатор нагрузки. Сопротивление нагрузки должно быть намного ниже, чем сопротивление R1.

Схема электронного ключа на тиристоре с последовательным подключением нагрузки

Рис. 4. Схема электронного ключа на тиристоре с последовательным подключением нагрузки.

Тиристорный коммутатор с двумя кнопками

Тиристорное устройство управления нагрузкой (рис. 5) может быть использовано для включения и выключения нагрузки любой из нескольких последовательно включенных кнопок, работающих на разрыв цепи. Принцип действия тиристорного коммутатора заключается в следующем.

При включении устройства напряжение, подаваемое на управляющий электрод тиристора, недостаточно для его включения. Тиристор, и, соответственно, нагрузка отключены. При нажатии на любую из кнопок SB1 — SBn (и удержании ее нажатой) конденсатор С1 заряжается через резистор R1 от источника питания. Цепь управления тиристора и сам тиристор при этом отключены.

Схема простого тиристорного коммутатора нагрузки с двумя кнопками

Рис. 5. Схема простого тиристорного коммутатора нагрузки с двумя кнопками.

После отпускания кнопки и восстановления цепи питания тиристора накопленная конденсатором С1 энергия оказывается приложенной к управляющему электроду тиристора. В результате разряда конденсатора через управляющий электрод тиристор включается, подсоединяя тем самым нагрузку к цепи питания.

Для отключения тиристора (и нагрузки) кратковременно нажимают на любую из кнопок SB1 — SBn. При этом конденсатор С1 не успевает зарядиться. В то же время цепь питания тиристора размыкается, тиристор запирается.

Величина резистора R2 зависит от напряжения питания устройства: при напряжении 15 В его сопротивление — 10 кОм при 9 В — 3,3 кОм при 5 6-1,2 кОм.

Схема с эквивалентом тиристора на транзисторах

При использовании вместо тиристора его транзисторного аналога (рис. 6) величина этого резистора меняется, соответственно, от 240 кОм (15 В) до 16 кОм (9 В) и до 4,7 кОм (5 В).

Тиристорные коммутаторы нагрузки

Рис. 6. Схема электронного коммутатора нагрузки с транзисторным эквивалентом тиристора.

Аналог многокнопочного переключателя на тиристорах

Тиристорное устройство, позволяющее создать аналог многокнопочного переключателя с зависимой фиксацией положения и использующее для управления кнопочные элементы, работающие без фиксации, показано на рис. 7. В схеме может быть использовано несколько тиристоров, однако, для упрощения схемы, на рисунке показано лишь два канала. Другие каналы коммутации могут быть подключены аналогично предыдущим.

Принципиальная схема аналога многокнопочного переключателя с использованием тиристоров

Рис. 7. Принципиальная схема аналога многокнопочного переключателя с использованием тиристоров.

В исходном состоянии тиристоры заперты. При нажатии на кнопку управления, например, кнопку SB1, конденсатор С1 относительно большой емкости оказывается подключенным к источнику питания через диоды VD1 — VDm и сопротивления нагрузки всех каналов.

В результате заряда конденсатора возникает импульс тока, приводящий к кратковременному замыканию анодов всех тиристоров через соответствующие диоды VD1 — VDm на общую шину.

Любой из тиристоров, если он был включен, отключается. В то же время конденсатор накапливает энергию. После отпускания кнопки конденсатор разряжается на управляющий электрод тиристора, отпирая его.

Для включения любого другого канала нажимают соответствующую кнопку. Происходит отключение (сброс) ранее задействованной нагрузки и включение новой нагрузки. В схеме предусмотрена кнопка SB0 общего отключения всех нагрузок.

Многокнопочный переключатель с транзисторным аналогом тиристоров

Вариант схемы, выполненный на транзисторных аналогах тиристоров и диодно-емкостных зарядных цепочках с использованием малогабаритных конденсаторов, показан на рис. 8, 9.

Схема эквивалентной замены тиристора транзисторами

Рис. 8. Схема эквивалентной замены тиристора транзисторами.

В схеме предусмотрена светодиодная индикация включенного канала. В этой связи максимальный ток нагрузки каждого из каналов ограничен значением 20 мА.

Схема многокнопочного переключателя с транзисторным аналогом тиристоро

Рис. 9. Схема многокнопочного переключателя с транзисторным аналогом тиристоров.

Устройства, аналогичные представленным на рис. 7 — 9, а также на рис. 10 — 12, можно использовать для систем выбора программ радио- и телеприемников.

Недостатком схемных решений (рис. 7 — 9) является то, что в момент нажатия на любую из кнопок все нагрузки оказываются хотя бы на мгновение подключенными к источнику питания.

Схемы многопозиционных переключателей

На рис. 10 и 11 показан тиристорный коммутатор разрывного типа с неограниченным количеством последовательно включенных элементов.

При нажатии на одну из кнопок управления цепь питания аналогов тиристоров размыкается по постоянному току. Конденсатор С1 оказывается включенным последовательно с аналогом тиристора.

Схема базового элемента для самодельного многопозиционного коммутатора нагрузки

Рис. 10. Схема базового элемента для самодельного многопозиционного коммутатора нагрузки.

Принципиальная схема самодельного многопозиционного коммутатора нагрузки

Рис. 11. Принципиальная схема самодельного многопозиционного коммутатора нагрузки.

Одновременно управляющее напряжение (нулевого уровня) через задействованную кнопку и резистор R2 (рис. 10) подается на управляющий электрод аналога тиристора.

Поскольку в первые мгновения при нажатии кнопки последовательно с аналогом тиристора оказывается включенным полностью разряженный конденсатор, такое включение равносильно короткому замыканию в цепи питания соответствующего тиристора. Следовательно, тиристор отпирается, включая тем самым соответствующую нагрузку.

При нажатии на любую другую кнопку ранее задействованный канал отключается, и включается другой канал. При длительном (порядка 2 сек) нажатии на любую из кнопок конденсатор С1 заряжается, что равнозначно размыканию цепи и приводит к запиранию всех тиристоров.

Схема усовершенствованного электронного переключателя

Принципиальная схема тиристорного коммутатора для множества нагрузок

Рис. 12. Принципиальная схема тиристорного коммутатора для множества нагрузок.

В ряду тиристорных коммутаторов наиболее совершенной представляется схема, показанная на рис. 12. При нажатии кнопки управления возникает бросок тока, эквивалентный короткому замыканию.

Происходит отключение ранее задействованных тиристоров и включение тиристора, соответствующего нажатой кнопке. В схеме предусмотрена светодиодная индикация задействованного канала, а также кнопка общего сброса.

Вместо конденсаторов большой емкости могут быть использованы диодно-конденсаторные цепочки (рис. 12). Принцип действия схемы сохраняется. В качестве нагрузки можно использовать низковольтные реле, например, РМК 11105 сопротивлением 350 Ом на рабочее напряжение 5 В.

Резистор R1 ограничивает ток короткого замыкания и ток максимального потребления величиной 10. 12 мА. Количество каналов коммутации не ограничено.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

Источник