Простейший RC—одновибратор
Простейший RC—одновибратор представляет собой элементарную времязадающую (хронирующую) ячейку, собранную на одном транзисторе. Принципиальная схема простейшего одновибратора и временные диаграммы его работы приводятся на рис. 59, а и б.
Рис. 59. Простейший RC-одновибратор: а - принципиальная схема; б - временные диаграммы: в−е - характеристики
Транзистор Т1 в статическом состоянии находится в режиме насыщения, и напряжение на выходе схемы близко к нулю. Хронирующая емкость С1 при этом находится в заряженном состоянии. При замыкании ключа К1 хронирующая емкость начинает перезаряжаться через базовую цепь транзистора, в результате чего на его базу поступает запирающий потенциал и напряжение на выходе схемы становится практически равным U1. По мере персзарядй емкости запирающий потенциал на диоде будет уменьшаться, и в тот момент, когда диод открывается, появится базовый ток, открывающий транзистор и приводящий схему в исходное состояние.
Таким образом, на выходе схемы формируется отрицательный импульс с амплитудой, близкой к U1, и длительностью, определяемой в первую очередь величиной постоянной времени перезаряда хронирующей емкости (R2) (С1), величиной напряжения, до которого была заряжена емкость к моменту замыкания ключа К1, и величиной напряжения питания базовой цепи транзистора (U2). Характер зависимостей длительностей формируемых импульсов от этих параметров изображен на рис. 59, в—д.
Наличие зависимости длительности формируемых импульсов от напряжения заряда хронирующей емкости позволяет в случае необходимости обеспечить «завал» частотной характеристики одновибратора при повышении частоты следования импульсов без изменения его принципиальной схемы, используя лишь соответствующие величины элементов, его составляющих. Уменьшение этого напряжения в области верхних частот достигается за счет уменьшения времени ее заряда по мере увеличения частоты и выбора постоянной времени заряда (т. е. выбора величины резистора R1). Характер зависимости длительности формируемых импульсов от частоты f их следования (т. е. от периода следования работы ключа К1) при различных значениях величины зарядного резистора представлен на рис. 59, е.
Отметим, что вне зависимости от параметров, определяющих длительность формируемых одновибратором импульсов, максимальная их продолжительность ограничивается временем замкнутого состояния ключа К1, т. е. продолжительностью управляющих работой одновибратора импульсов. В некоторых .случаях это свойство простейшего одновибратора может быть использовано при построении программирующих устройств.
Одним из существенных недостатков рассмотренной схемы является относительно большая продолжительность спада формируемого импульса, что вызвано в первую очередь отсутствием положительной обратной связи. Это ограничивает возможность применения- такого устройства, особенно когда требуется формировать импульсы с длительностью меньшей, чем 0,2—0,5 мс. Однако простота схемы, приемлемая температурная стабильность, высокая надежность и большой набор параметров, управляющих длительностью формируемых импульсов, определяют ее широкое применение в программирующих устройствах аппаратуры впрыска топлива с электронным управлением.
Наличие зависимости длительности формируемых простейшим RC — одновибратором импульсов от величины напряжения на обкладках хронирующего конденсатора в момент замыкания ключа К1 позволяет использовать такую схему в качестве масштабного преобразователя длительности импульсов. Поскольку величина Uc определяется временем разомкнутого состояния контактов ключа К1 (т. е. длительностью управляющих работой одновибратора импульсов) и величиной постоянной времени заряда хронирующей емкости (R1) (С1), то при прочих равных условиях длительность импульсов на выходе схемы однозначно зависит от длительности управляющих импульсов. Эта зависимость близка к экспоненциальной, т. е. величина масштабного коэффициента не остается постоянной. Для линеаризации этой зависимости, в цепи заряда и разряда хронирующей емкости вводят транзисторы, как это показано на рис. 60. Такое включение транзисторов позволяет стабилизировать токи заряда и, разряда хронирующей емкости, т. е. обеспечить линейное изменение Uc от времени в процессе заряда и разряда емкости. Этим обеспечивается сохранение линейной зависимости между длительностью управляющих импульсов и длительностью импульсов на выходе схемы, т. е. постоянство масштабного коэффициента. В рассматриваемой схеме величина масштабного коэффициента может быть в широких пределах изменена путем соответствующего выбора величин резисторов R2 и R5, а также параметров делителя R3, R4.
Рис. 60. Масштабный преобразователь длительности импульсов на основе простейшего — одновибратора: а — принципиальная схема; б — временные диаграммы
Регенеративный RC—одновибратор (ждущий мультивибратор)
Принципиальная схема ждущего мультивибратора представляет собой несколько усложненную схему простейшего RC— одновибратора, охваченного положительной обратной связью посредством использования дополнительного фазооборачивающего транзистора. Основная схема ждущего мультивибратора приведена на рис. 61; она подробно описана в литературе. Введение положительной обратной связи приводит к изменению некоторых свойств простейшего RC—одновибратора. Появляется возможность запуска схемы короткими импульсами, полученными, например, в результате дифференцирования прямоугольных импульсов. Тем самым исключается зависимость длительности формируемых импульсов от продолжительности запускающих импульсов, что в ряде случаев может быть необходимым. К преимуществам ждущего мультивибратора следует также отнести значительное улучшение как. фронта, так и спада формируемых импульсов, а также возможность получения импульсов обеих полярностей, что в ряде случаев при построении программирующего устройства позволяет исключить необходимость введения дополнительного инвертирующего каскада для осуществления операции логического отрицания.
Рис. 61. Принципиальная схема регенеративного RC — одновибратора (ждущего мультивибратора)
Характеристики продолжительности импульсов, формируемых ждущим мультивибратором, подобны характеристикам простейшего RC—одновибратора, рассмотренного выше.
К недостаткам регенеративного RC—одновибратора следует отнести относительно невысокую помехозащищенность, особенно при появлении помех в цепях питания. Для устранения этого недостатка в схему мультивибратора обычно вводятся дополнительные элементы (как правило, развязывающие емкости).
Кроме того, для улучшения помехозащищенности следует обеспечить надежные режимы насыщения и отсечки транзисторов мультивибратора в процессе его работы. Целесообразно также использование стабилизированного напряжения питания и помехозащитных фильтров, устанавливаемых на цепях питания.
Регенеративный RL—одновибратор (ждущий RL—мультивибратор)
При использовании в системе регулирования подачи топлива бесконтактного датчика давления (или разрежения) часто применяются индуктивные датчики совместно со схемами, позволяющими преобразовать сигналы, поступающие с датчика, непосредственно в импульсы изменяющейся длительности. Для этой цели могут быть использованы заторможенные блокинг-генераторы, в которых положительная обратная связь осуществляется путем соответствующей фазировки обмоток трансформатора. Бесконтактное изменение продолжительности импульсов, формируемых блокинг-генератором после поступления на вход запускающего синхроимпульса, может осуществляться изменением магнитного сопротивления магнитопровода трансформатора, т. е. путем изменения воздушного зазора между двумя соответствующими частями магнитопровода, например между подвижным сердечником и неподвижным ярмом.
Однако при использовании в аппаратуре впрыска топлива блокинг-генераторов, собранных на одном транзисторе, возникают затруднения, связанные с необходимостью достижения достаточной температурной стабильности при относительно большом диапазоне длительностей импульсов — от 2,5—5 мс на режимах холостого хода до 40—50 мс при пуске холодного двигателя. Эти затруднения наиболее просто преодолеваются в схеме регенеративного RL—одновибратора, изображенной на рис. 62.
Рис. 62. Регенеративный RL—одновибратор: а — принципиальная схема; б, е, — характеристики: 6 — ход подвижного сердечника магнитопровода
При поступлении на вход этой схемы отрицательного синхроимпульса на выходе ее формируется отрицательный прямоугольный импульс с амплитудой, близкой к величине напряжения питания, и длительностью, определяемой при прочих равных условиях взаиморасположением неподвижного сердечника и неподвижного ярма трансформатора Тр1. Вид зависимости длительности формируемых импульсов от хода сердечника определяется закономерностью изменения магнитного сопротивления магнитопровода трансформатора от хода сердечника, т. е. главным образом формой и размерами сердечника и ярма. В частном случае при соответствующем выборе формы сердечника и ярма эта зависимость может иметь участок, близкий к линейному, на большей части рабочего хода сердечника. Применение такой схемы не позволяет получить Нулевую длительность импульсов, так как даже при полностью извлеченном из магнитопровода сердечнике трансформатор обладает остаточной индуктивностью. Этот фактор определяет нелинейность зависимости длительности от хода сердечника в области малых длительностей.
Рассматриваемая схема обеспечивает возможность изменения масштаба зависимости длительности импульсов от хода сердечника, как показано на рис. 62, б, в. Для этой цель может быть использовано напряжение U1, снимаемое с диодных ограничителей Д3, R6, R7, либо величина положительного смещения U2 транзистора Т1. Это свойство схемы может быть использовано как для ее настройки на требуемые выходные показатели, так и для введения в программу регулирования топливоподачи требуемых коррекций.
Триггер с управлением по двум входам
Для бесконтактного коммутирования различных электрических цепей системы регулирования подачи топлива часто используется схема триггера с управлением по двум входам. Такие триггеры применяются в устройстве формирования импульсов для переключения каналов усилителя при работе на две группы электромагнитных форсунок в качестве входного устройства и для обработки информации о режимах отключения подачи топлива. Принципиальная схема триггера с управлением по двум входам (рис. 63) хорошо известна, и рассматривать принцип его работы нет необходимости. Однако следует, остановиться на некоторых свойствах этой схемы, предопределяющих ее использование в аппаратуре впрыска топлива.
Рис. 63. Принципиальная электрическая схема триггера с управлением по двум входам
Контактные датчики оборотов, обычно применяемые для. синхронизации работы двигателя и аппаратуры впрыска топлива, просты по конструкции и достаточно надежны в эксплуатации, но имеют один существенный недостаток — в процессе работы возможно дребезжание контактов. В этом случае, если не приняты специальные меры, может произойти нарушение работы системы регулирования. Применение триггера с управлением по двум входам позволяет исключить влияние дребезга контактов на работу топливной аппаратуры, поскольку триггер опрокидывается в противоположное состояние от первого поступающего на его вход импульса. Последующие же импульсы, возникающие в результате дребезжания контактов, никак не повлияют на состояние триггера.
Если сигналы на входы триггера поступают через частоточувствительные цепи (например, RC — фильтры верхних и нижних частот), то триггер может быть использован для выделения сигнала об отключении подачи топлива. Принципиальная схема триггера с соответствующими фильтрами на его входах и контактной парой К1, замкнутой при закрытом состоянии дроссельной заслонки, изображена на рис. 64. Этот триггер опрокидывается в том случае, если контакты К1 замкнуты, а частота поступления сигналов на его входе выше некоторой, заранее заданной величины. Обратное опрокидывание триггера происходит либо при-размыкании контактов К1, либо при предварительно настраиваемой частоте следования управляющих импульсов f2. Если f2 < f1, то опрокидывание схемы при изменении частоты следования управляющих импульсов обеспечивается с гистерезисом по частоте.
Рассмотрим более подробно принцип работы триггера, изображенного на рис. 64. Параметры триггера выбраны таким образом, что в статическом состоянии он всегда находится в одном, вполне определенном состоянии независимо от состояния контактов К1: транзистор Т1 заперт, а транзистор Т2 открыт. Во время работы двигателя на оба входа рассматриваемой схемы поступают прямоугольные положительные управляющие импульсы, амплитуда которых близка к напряжению питания, период следования определяется частотой вращения двигателя, а длительность всегда равна половине периода следования. Частоточувствительная цепочка, установленная на входе II схемы, представляет собой фильтр нижних частот, -принцип работы которого основан на сравнении напряжений заряда емкостей С3 и С4. Заряд ёмкости С4 происходит за время поступления управляющего импульса со значительно большей постоянной времени, чем заряд емкости СЗ, поэтому при малых длительностях импульсов (т. е. при повышенных оборотах двигателя) напряжение заряда емкости СЗ больше напряжения заряда емкости С4. В момент прекращения управляющего импульса потенциал точки а соединения Д5, R13 и СЗ будет при этих условиях положительным, что приведет к появлению на базе транзистора Т2 сигнала, способного опрокинуть триггер, если ключ К1 находится в замкнутом состоянии. При малых оборотах двигателя, т. е. при большой длительности управляющего импульса, напряжение на емкости С4 будет большим, чем на С3, это приведет к запиранию диода Д5, т. е. к отсутствию каких-либо импульсов на базе транзистора T2. Выбором постоянных времени заряда С3 и С4 можно настроить схему на определенный порог срабатывания по длительности управляющих Импульсов, т. е. по частоте вращения двигателя.
Рис. 64. Принципиальная схема триггера, применяемого для формирования сигнала об отключении подачи топлива
Импульсы, необходимые для обратного опрокидывания триггера, из состояния, соответствующего режиму отключения подачи в исходное состояние, формируются частоточувствительной цепочкой, подключенной к входу I, представляющей собой фильтр верхних частот. Принцип работы этого фильтра подобен принципу работы фильтра нижних частот, рассмотренного выше. Здесь емкость Ct заряжается через диод Д2 и резистор R2 с большой постоянной времени, а постоянная времени заряда конденсатора С2 мала. Если длительность управляющих импульсов невелика, т. е. обороты двигателя достаточно высокие, потенциал, до которого заряжается емкость С1, ниже потенциала заряда емкости С2, в результате чего в момент прекращения управляющего импульса (при замыкании входа I на «минус» питания) в точке б схемы формируются положительные импульсы, неспособные запереть открытый транзистор Т1. При уменьшении оборотов двигателя (при увеличении длительности управляющих импульсов) напряжение заряда C1 возрастает, а С2 — понижается. Если конденсатор C1 к моменту окончания управляющего импульса заряжен до большего напряжения, чем С2, то на базу транзистора T1 поступает отрицательный, запирающий его сигнал, что приводит к опрокидыванию триггера в исходное состояние.
Формирование прямоугольных импульсов, длительность которых зависит от частоты их следования
Как указывалось выше, требуемая цикловая подача топлива является функцией не только разрежения (или абсолютного давления) во впускном трубопроводе двигателя, но и частоты вращения. Это приводит к необходимости введения частотных зависимостей длительности импульсов, управляющих .работой электромагнитных форсунок. Необходимые частотные зависимости длительности импульсов достаточно сложны, имеют, как правило, максимум, причем количественные значения длительности точно так же, как и частота, соответствующая максимуму длительности, в значительной мере зависят от типа двигателя, фаз газораспределения и применяемой впускной системы. Использование специального датчика оборотов для введения коррекции длительности импульсов по частоте вращения двигателя нецелесообразно, так Как это снижает надежность и повышает стоимость системы регулирования. В составе аппаратуры впрыска топлива имеется датчик оборотов, синхронизирующий работу двигателя с работой топливной аппаратуры; тем самым в систему регулирования подачи топлива вводятся сигналы о требуемой частоте следования импульсов. Таким образом, система регулирования топливоподачи должна включать в себя устройство, обрабатывающее информацию о частоте (периоде) следования импульсов, позволяющее достаточно гибко аппроксимировать получаемую частотную зависимость к требуемой зависимости, что важно как при настройке системы в процессе производства, так и при переходе с одного типа двигателя на другой.
«Завал» частотной характеристики длительности импульсов можно получить при использовании схемы RL — одновибратора, должным образом выбирая постоянные времени нарастания и уменьшения тока RL — цепи. Однако такой способ введения частотной коррекции не дает возможности получить максимум частотной характеристики, что не позволяет считать его универсальным.
Ниже рассматривается один из методов получения настраиваемой частотной характеристики с максимумом длительности, применяемый фирмой «Бош».
Рис. 65. Принципиальная схема устройства введения частотной коррекции длительности импульсов
Для введения частотной коррекции длительности импульсов используется схема, изображенная на рис. 65. Положительное напряжение, снимаемое с выхода схемы относительно минуса питания, используется в качестве напряжения смещения U2 первого транзистора RL — одновибратора (см. рис. 62). После окончания импульса, формируемого RL — одновибратором, это напряжение изменяется по имеющей минимум временной зависимости. При изменении частоты следования импульсов (частоты вращения двигателя) меняется продолжительность паузы между импульсами, а следовательно, меняется и напряжение смещения U2 на момент начала формирования импульса RL — одновибратора. Это вызывает масштабное изменение длительности импульсов, формируемых RL — одновибратором, обеспечивая тем самым введение требуемой частотной коррекции. Напомним, что увеличение положительного смещения приводит к уменьшению длительности формируемых RL — одновибратором импульсов. Таким образом, наличие минимума напряжения смещения обеспечивает получение максимума длительности импульсов (принцип работы схемы поясняется временными диаграммами, представленными на рис. 66).
Рис. 66. Временное диаграммы работы устройства введения частотной коррекции длительности импульсов: а — малые обороты; б — повышенные обороты
На вход схемы поступают формируемые ключом R1 положительные прямоугольные импульсы с частотой, соответствующей частоте вращения двигателя. Длительность этих импульсов в процессе работы не изменяется. Следом за пусковыми импульсами RC—одновибратором, собранным на транзисторе Т1, формируются положительные импульсы неизменной продолжительности, которые затем инвертируются каскадом на транзисторе Т2, в коллекторную цепь которого включен диодный ограничитель R7, R8, Д2. К выходу этого ограничителя подключены интегрирующая емкость С2 и второй диодный ограничитель R10, R11, Д3, определяющий начальное напряжение на интегрирующей емкости. В течение импульса, формируемого каскадом на транзисторе Т1, интегрирующий конденсатор дозаряжается до напряжения, определяемого делителем R7, R8 и постоянной времени заряда емкости С2. После окончания этого импульса емкость разряжается через резистор R9 с настраиваемой постоянной времени. Если период следования импульсов достаточно велик (малые частоты вращения двигателя), то емкость успевает разрядиться до уровня делителя R10, R11, обеспечивая тем самым достаточно большой положительный потенциал точки г схемы относительно минуса питания. При повышении частоты следования импульсов положительный потенциал этой точки уменьшается и достигает минимума, когда период следования импульсов заканчивается в момент окончания импульсов одновибратора на транзисторе Т1. Дальнейшее повышение частоты следования приведет к росту положительного потенциала точки а из-за того, что время заряда емкости С2 уменьшается (длительность импульсов, формируемых простейшим RC — одновибратором, ограничивается продолжительностью паузы между импульсами, поступающими на вход схемы) и интегрирующая емкость не успевает дозарядиться до напряжения делителя R7, R8. Для развязки интегрирующих цепей и выхода схемы применен Эмиттерный повторитель на транзисторе Т3. Требуемый масштаб изменения напряжения на выходе может быть получен выбором параметров делителя R12, R13. Соответствующий выбор длительности опорного импульса, формируемого RC — одновибратором, постоянных времени дозаряда и разряда интегрирующей емкости и уровней диодных ограничителей позволяет достаточно точно аппроксимировать получаемые частотные зависимости длительностей импульсов, формируемых RL — одновибратором, к требуемым зависимостям.
Устройство для управления работой бензонасоса
Как указывалось ранее, электробензонасос аппаратуры впрыска топлива должен отключаться при возникновении каких-либо неисправностей топливной аппаратуры, вызывающих открытие клапана электромагнитной форсунки (например, нарушение герметичности клапана, выход из строя усилителя). В этом случае в двигатель поступает чрезмерно большое количество топлива. Информацией о появлении такой неисправности может служить значительное уменьшение частоты вращения двигателя по сравнению с минимальными оборотами, холостого хода.
Таким образом, устройство для управления работой бензонасоса должно представлять собой электронный включатель, отключающий напряжение питания от электродвигателя бензонасоса при заданной частоте вращения двигателя меньшей, чем минимальные обороты холостого хода. Для обеспечения запуска двигателя это устройство должно блокироваться включателем стартера, поскольку пусковые обороты двигателя могут быть весьма малыми.
Принципиальная схема устройства управления работой бензонасоса изображена на рис. 67. Устройство собрано на транзисторах Т1 и Т2. В коллекторную цепь Т2 включена обмотка реле Р включения бензонасоса. Контакты этого реле при отсутствии тока в его обмотке находятся в разомкнутом состоянии. Таким образом, для поступления на электродвигатель бензонасоса напряжения питания необходимо, чтобы в коллекторной цепи транзистора Т2 протекал ток, достаточный для срабатывания реле Р.
Рис. 67. Принципиальная схема устройства управления электронасосом
В статическом состоянии схемы оба транзистора закрыты, реле Р находится в отключенном состоянии, напряжение питания на электробензонасос не поступает. При включении реле стартера (при запуске двигателя) на делитель R4, R5 подается- «плюс» питания от контактов реле включения стартера. Транзистор Т2 открывается, срабатывает реле Р, начинает работать бензонасос, создавай в топливных магистралях системы топливоподачи необходимое давление. Одновременно включается стартер; при проворачивании двигателя на вход системы регулирования топливоподачи поступают синхроимпульсы от датчика оборотов. При этом один из каскадов устройства формирования импульсов начинает синхронно с работой двигателя формировать положительные импульсы неизменной продолжительности, подаваемые на вход устройства управления бензонасосом. В течение этого импульса происходит, заряд интегрирующей емкости С1 с достаточно малой постоянной времени, так что емкость всегда успевает зарядиться практически полностью. Напряжение с емкости С1 поступает на базу эмиттерного повторителя на транзисторе Т1, что вызывает увеличение базового тока транзистора Т2.
После выключения реле стартера ток коллектора транзистора Т2, а следовательно, и состояние реле включения бензонасоса определяются только напряжением на эмиттере транзистора Т1, т. е. напряжением на обкладках интегрирующей емкости, которое уменьшается с постоянной времени (С1) (R1) во время паузы между импульсами, поступающими на вход устройства. Если двигатель по какой-то причине не запустился, то через 1—1,5 с напряжение на емкости С1 уменьшится до такой величины, что реле Р отпустит, и электробензонасос прекратит работу. Если же двигатель запустился и пауза между импульсами, поступающими на вход устройства, достаточно мала, то напряжение на интегрирующей емкости будет достаточным для создания тока в коллекторной цепи Т2, удерживающего реле Р в сработанном состоянии. Выбором постоянной времени разряда интегрирующей емкости и соответствующего типа реле по токам срабатывания и отпускания достигается получение требуемого порога выключения электробензонасоса по частоте следования синхроимпульсов (по частоте вращения двигателя).