Выходной каскад системы зажигания

 

Изобретение предназначено для двигателей внутреннего сгорания с парой Дарлингтона. Каскад содержит активный транзистор Т2 и управляющий транзистор Т1, при этом параллельно участку база-эмиттер пары Дарлингтона включен участок коллектор-эмиттер закорачивающего транзистора Т3, пара Дарлингтона имеет внутреннюю схему фиксации с помощью полупроводникового стабилизатора Z1, включающего параллельно участку коллектор-эмиттер активного транзистора Т2 пары Дарлингтона, и управляющий вывод закорачивающего транзистора через последовательное включение высокоомного защитного сопротивления R3 и полупроводникового стабилитрона Z2 соединен с коллектором пары Дарлингтона, а защитное сопротивление R3 рассчитано таким образом, чтобы для закорачивающего транзистора Т3 проходил базовый ток достаточной величины, причем запирающее напряжение полупроводникового стабилитрона Z2 лежит в диапазоне 20-50 В. Технический результат - повышение надежности. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к выходному каскаду системы зажигания для двигателей внутреннего сгорания с парой Дарлингтона, имеющей активный транзистор и управляющий транзистор, при этом параллельно участку база-эмиттер пары Дарлингтона включен участок коллектор-эмиттер закорачивающего транзистора, и управляющий вывод закорачивающего транзистора через последовательное включение высокоомного защитного сопротивления и полупроводникового стабилитрона соединен с коллектором пары Дарлингтона, а защитное сопротивление рассчитано таким образом, чтобы для закорачивающего транзистора проходил базовый ток достаточной величины.

Из DE-OS 2339896 уже известен такой выходной каскад системы зажигания. У известного выходного каскада, используемого в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания, первичная обмотка катушки зажигания последовательно включена на участке переключения переключающего транзистора. Переключающий транзистор реализован в виде схемы Дарлингтона, причем параллельно участку коллектор-база включен полупроводниковый стабилитрон (диод Зенера). Этот полупроводниковый стабилитрон предотвращает превышение напряжением допустимого значения на участке переключения переключающего транзистора. Высокие значения напряжения, представляющие опасность для переключающего транзистора, возникают прежде всего при переходе участка переключения переключающего транзистора в закрытое или непроводящее состояние и обусловлены высоким напряжением, трансформирующимся на первичную сторону катушки.

По достижении напряжением коллектор-эмиттер напряжения стабилизации коллекторного диода зенеровский ток начинает поступать на базу схемы Дарлингтона. В результате схема снова переключается, начиная проводить ток, вследствие чего в режиме фиксации уровня одновременно появляется напряжение и протекает ток до тех пор, пока не произойдет проскакивания воспламеняющей искры на вторичной стороне катушки, а остаточная энергия катушки не уйдет в искровой промежуток. Катушка зажигания в схеме зажигания соединена с соответствующей свечой двигателя внутреннего сгорания через распределитель зажигания в случае вращающегося распределения или напрямую в случае неподвижного распределения. При этом кабели, используемые для соединения отдельных контактных выводов, например, между переключающим транзистором и катушкой зажигания и между переключающим транзистором и клеммой массы, а также между схемой управления парой Дарлингтона и ее базой могут иметь очень большую длину. Электрические кабели с возникающими омическими сопротивлениями и индуктивностью действуют как антенны, поэтому в процессе зажигания на провод базы переключающего транзистора поступает малый паразитный базовый ток, в результате чего напряжение лишь медленно возрастает до полного необходимого для зажигания значения, поскольку паразитные токи снова немного отпирают переключающий транзистор. Этого эффекта можно избежать, сделав эмиттерную и коллекторную проводку как можно короче или используя экранированные управляющие провода для базы переключающего транзистора.

Задача изобретения заключается в создании выходного каскада системы зажигания, в которой обеспечивалась бы защита цепи базы переключающего транзистора от указанных выше помех.

Эта задача решается с помощью предложенного выходного каскада системы зажигания для двигателей внутреннего сгорания с парой Дарлингтона, имеющей активный транзистор и управляющий транзистор, при этом параллельно участку база-эмиттер пары Дарлингтона включен участок коллектор-эмиттер закорачивающего транзистора, и управляющий вывод закорачивающего транзистора через последовательное включение высокоомного защитного сопротивления и полупроводникового стабилитрона соединен с коллектором пары Дарлингтона, а защитное сопротивление рассчитано таким образом, чтобы для закорачивающего транзистора проходил базовый ток достаточной величины. Согласно изобретению пара Дарлингтона имеет внутреннюю схему фиксации с помощью полупроводникового стабилитрона, включенного параллельно участку коллектор-эмиттер активного транзистора пары Дарлингтона, причем запирающее напряжение полупроводникового стабилитрона лежит в диапазоне 20-50 В.

Предпочтительно между коллектором закорачивающего транзистора и управляющим выводом пары Дарлингтона предусмотреть развязывающий диод.

Предпочтительно также между высокоомным сопротивлением и управляющим выводом закорачивающего транзистора включить коллектор четвертого транзистора, база которого через делитель напряжения соединена с управляющим выводом пары Дарлингтона, а его эмиттер соединен с массой.

В соответствии с изобретением целесообразно все компоненты каскада, а именно полупроводниковый стабилитрон, закорачивающий транзистор, высокоомное сопротивление и четвертый транзистор, выполнить с возможностью интегрирования в монолитную полупроводниковую схему.

Преимущество настоящего изобретения по сравнению с известным выходным каскадом системы зажигания заключается в том, что обеспечивается простая, недорогая и очень эффективная защита цепи базы переключающего транзистора от помех. Кроме того, предложенная схема очень просто может быть реализована в виде монолитной полупроводниковой схемы.

Ниже изобретение более подробно поясняется на примерах его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано: на фиг. 1 - первый пример выполнения выходного каскада системы зажигания с внутренней однокаскадной схемой фиксации и закорачивающим транзистором; на фиг. 2 - второй пример выполнения выходного каскада системы зажигания с внешней многокаскадной схемой фиксации и закорачивающим транзистором; на фиг. 3 - третий пример выполнения выходного каскада системы зажигания с внутренней однокаскадной схемой фиксации и закорачивающим транзистором; на фиг. 4 - характеристика напряжения фиксации без закорачивающего транзистора; на фиг. 5 - характеристика напряжения фиксации с закорачивающим транзистором; на фиг. 6 - закорачивающий транзистор, монолитно интегрированный в схему Дарлингтона.

На фиг. 1 показана принципиальная схема выходного каскада системы зажигания с внутренней однокаскадной зенеровской схемой фиксации, используемой в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания. Схема на фиг. 1 состоит из катушки 1 зажигания, соединенной со вторичной стороны с не изображенной свечой зажигания. Первичная обмотка катушки 1 зажигания с одной стороны соединена с источником питающего напряжения U_B, например, с не показанной аккумуляторной батареей автомобиля, а с другой стороны соединена с массой через мощный транзистор T1. Перед мощным транзистором T1 включен активный или управляющий транзистор T2 таким образом, что образуется двухкаскадная схема Дарлингтона. Участок коллектор-эмиттер мощного транзистора T1 последовательно подключен к первичной обмотке, а база мощного транзистора T1 соединена с эмиттером активного транзистора T2. Мощный транзистор T1 и каскад с активным транзистором T2 имеют соответствующие сопротивления база-эмиттер, обозначенные как R1 и R2. Параллельно участку коллектор-база мощного транзистора T1 включен полупроводниковый стабилитрон Z1. Этот полупроводниковый стабилитрон Z1 предназначен для защиты транзистора T1 от перенапряжения, когда тот индуцирует высокое напряжение при отключении зарядного тока в катушке зажигания. Это происходит в том случае, когда ток пробоя стабилитрона поступает на базу транзистора T1 и пара Дарлингтона снова полностью отпирается. Такое расположение стабилитрона Z1 параллельно участку коллектор-база мощного транзистора T1 внутри пары Дарлингтона образует внутреннюю однокаскадную схему фиксации. Однако эта схема уже известна. Предлагаемое согласно изобретению отличие состоит в размещении закорачивающего транзистора T3, при этом участок коллектор-эмиттер транзистора T3 подключается параллельно участку база-эмиттер пары Дарлингтона, т.е. коллектор закорачивающего транзистора соединяется с выводом базы активного транзистора T2, а эмиттер закорачивающего транзистора T3 через массу соединяется с эмиттером активного транзистора T2. На участке, соединяющем коллектор активного транзистора T2 пары Дарлингтона с базой закорачивающего транзистора T3, включены сопротивление R3 и второй полупроводниковый стабилитрон Z2. Второй стабилитрон Z2 не допускает отпирания транзистора T3 еще в процессе заряда катушки зажигания, когда потенциал коллектора пары Дарлингтона приближается к рабочему напряжению. При этом сопротивление R3 подбирается таким образом, чтобы при напряжении фиксации стабилитрона Z1 в пределах 300-400 В для закорачивающего транзистора T3 обеспечивался достаточный ток базы.

Следующий пример выполнения показан на фиг. 2. Расположение пары Дарлингтона и катушки зажигания соответствует компоновке по фиг. 1, а одинаковые элементы обозначены теми же позициями. В отличие от фиг. 1 в этой системе зажигания имеется внешняя многокаскадная схема фиксации, а именно стабилитрон Z1 для фиксации уровня включен параллельно участку коллектор-эмиттер активного транзистора T2, т.е. вне двухкаскадной схемы Дарлингтона. Кроме того, последовательно с первым стабилитроном Z1 между ним и выводом базы активного транзистора T2 расположен диод D1. Этот диод D1 предназначен для развязки базы активного транзистора и коллектора пары Дарлингтона. От точки ответвления между первичной обмоткой и коллектором управляющего транзистора, являющегося одновременно коллектором пары Дарлингтона, отходит ветвь схемы фиксации, состоящей из полупроводникового стабилитрона Z1 и диода D1, соединенных с управляющим выводом схемы Дарлингтона, т.е. с базой активного транзистора T2. Кроме того, данная ветвь, отходящая в точке соединения первичной обмотки и коллектора пары Дарлингтона, аналогично фиг. 1 через защитное сопротивление R3 и второй стабилитрон Z2 соединена с базой закорачивающего транзистора T3. Функциональное назначение второго стабилитрона уже было описано выше на примере по фиг. 1. На фиг. 2 в отличие от фиг. 1 между коллектором закорачивающего транзистора T3 и управляющим выводом схемы Дарлингтона предусмотрен второй диод D2, служащий для развязки схемы фиксации таким образом, чтобы по ней протекал только базовый ток, необходимый для поддержания соответствующего протекающего коллекторного тока. Любой поступающий паразитный ток базы в данном случае закорачивается.

На фиг. 3 показан третий пример выполнения предлагаемой закорачивающей схемы. Аналогично фиг. 1 при данной компоновке управление зарядным током также осуществляется с помощью катушки зажигания через двухкаскадную схему Дарлингтона. Схема фиксации уровня напряжения для защиты от перенапряжений выполнена в виде однокаскадной внутренней схемы фиксации, уже описанной выше на примере по фиг. 1. В отличие от фиг. 1 пара Дарлингтона имеет одно базовое входное сопротивление R4, которое служит для переключения схемы Дарлингтона с обесточенного режима на управляемый. Между базовым входным сопротивлением R4 и управляющим выводом пары Дарлингтона включен коллектор закорачивающего транзистора T3. База закорачивающего транзистора T3, как и на фиг. 1, через защитное сопротивление R3 соединена с коллектором пары Дарлингтона. Параллельно базовому входному сопротивлению R4 после массы включен делитель напряжения, состоящий из сопротивлений R5 и R6, причем ответвление делителя напряжения контактирует с базой четвертого транзистора T4. Коллектор четвертого транзистора T4 выведен в точку соединения защитного сопротивления R3 и базы закорачивающего транзистора T3. Таким образом, ток, управляющий закорачивающим транзистором T3, получается из инвертированного управляющего сигнала для базы пары Дарлингтона. При наличии управляющего сигнала на базе пары Дарлингтона коллектор четвертого транзистора замыкается на массу, а закорачивающий транзистор T3 остается обесточенным. При отсутствии управляющего сигнала на базе пары Дарлингтона транзистор T4 остается обесточенным, а на закорачивающий транзистор T3 через высокоомное защитное сопротивление R3 поступает базовый ток, замыкая накоротко участок база-эмиттер пары Дарлингтона. При такой компоновке схемы можно отказаться от применения включенного перед закорачивающим транзистором полупроводникового стабилитрона. Базовое входное сопротивление R4 позволяет осуществить на паре Дарлингтона переход от обесточенного режима пары Дарлингтона (закорачивающий транзистор T3 работает) к управляемому режиму (транзистор T3 разомкнут). Делитель напряжения R5/R6 препятствует потере управляющего тока на транзисторе T4. Одновременно этот делитель напряжения обеспечивает достижение транзистором T1 порога включения независимо от напряжения на участке база-эмиттер. Преимущество показанной на фиг. 3 схемы состоит в том, что в отличие от примеров по фиг. 1 и 2 в данном случае возможно зажигание с использованием части искрового разряда, поскольку закорачивающий транзистор T3 снова отключается, а пара Дарлингтона может вследствие этого снова включиться.

Принцип действия описанных выше и выполненных согласно изобретению схем еще раз поясняется на фиг. 4 и 5. На этих чертежах представлены характеристики напряжения без закорачивающего транзистора (фиг. 4) и с закорачивающим транзистором (фиг. 5). Испытания проводили с использованием схемы зажигания с трехкаскадной схемой Дарлингтона с внутренней фиксацией уровня непосредственно на управляющем транзисторе T1, в то время как закорачивающий транзистор T3 взаимодействовал с третьей базой пары Дарлингтона. Схема фиксации без закорачивающего транзистора T3 достигает своего полного значения лишь по истечении примерно 30 мкс, что сопровождается неоднократными прорывами напряжения, а коллекторный ток в соответствии с эффектом неоднократного повторного включения снижается лишь медленно и никоим образом не линейно. В схеме зажигания с закорачивающим транзистором T3 уровень напряжения достигается уже по истечении 20 мкс. Положительный выброс импульса связан с конкретной системой фиксации уровня, в которой неточно согласованы емкостные и омические делители. Благодаря такому улучшению процесса отключения и подавления паразитного повторного включения фиксаторов уровня данную схему можно использовать для всех типов систем зажигания.

Часто встречаются также системы зажигания, в которых пара Дарлингтона имеет внешнее подключение к полупроводниковому стабилитрону через наружный контакт базы. В этом случае закорачивающий транзистор следует включать в схему согласно фиг. 2.

Из технологии изготовления блоков управления уже известно, что пару Дарлингтона можно выполнять в виде интегральной схемы. Однако закорачивающий транзистор также можно легко интегрировать в эту монолитную полупроводниковую схему.

Реализация закорачивающего транзистора T3 в виде интегральной схемы осуществляется при помощи изолирующей диффузии, позволяющей отделить коллектор закорачивающего транзистора T3 от коллектора пары Дарлингтона. При такой изоляционной диффузии карманы n⁺- и p⁺-типа необходимо заделывать в дополнительные ν - и π - карманы, как это показано на фиг. 6. Данные высокоомные ν - и π - диффузии позволяют эффективно изолировать базу и коллектор закорачивающей перемычки от коллектора-подложки. Запирающая способность участка коллектор-база у T3 не обязательно должна соответствовать напряжению фиксации, поскольку основная часть этого напряжения падает на предвключенном сопротивлении R3.

Аналогичным образом можно интегрировать полупроводниковый стабилитрон через p-зону путем заделки в два ν/π - кармана с запирающим напряжением 20-50 В. Полупроводниковый стабилитрон в свою очередь также посредством π -диффузии изолируется от коллектора-подложки.

Интеграция защитного сопротивления R3 требует относительно большой площади, поэтому уже имеющиеся сопротивления на участках цепи электродов крышки можно одновременно использовать в качестве управляющего сопротивления закорачивающего транзистора T3. Поэтому в имеющейся схеме фиксации, использующей электроды крышки, не требуется дополнительной площади для размещения управляющего сопротивления.

Формула изобретения

1. Выходной каскад системы зажигания для двигателей внутреннего сгорания с парой Дарлингтона, имеющей активный транзистор (Т2) и управляющий транзистор (Т1), при этом параллельно участку база - эмиттер пары Дарлингтона включен участок коллектор - эмиттер закорачивающего транзистора (Т3), пара Дарлингтона имеет внутреннюю схему фиксации с помощью полупроводникового стабилитрона (Z1), включенного параллельно участку коллектор - эмиттер активного транзистора (Т2) пары Дарлингтона, и управляющий вывод закорачивающего транзистора через последовательное включение высокоомного защитного сопротивления (R3) и полупроводникового стабилитрона (Z2) соединен с коллектором пары Дарлингтона, а защитное сопротивление (R3) рассчитано таким образом, чтобы для закорачивающего транзистора (Т3) проходил базовый ток достаточной величины, причем запирающее напряжение полупроводникового стабилитрона (Z2) лежит в диапазоне 20 - 50 В.

2. Выходной каскад по п.1, отличающийся тем, что между коллектором закорачивающего транзистора (Т3) и управляющим выводом пары Дарлингтона предусмотрен развязывающий диод (D2).

3. Выходной каскад по п.1 или 2, отличающийся тем, что между высокоомным сопротивлением (R3) и управляющим выводом закорачивающего транзистора (Т3) включен коллектор четвертого транзистора (Т4), база которого через делитель напряжения (R5/R6) соединена с управляющим выводом пары Дарлингтона, а его эмиттер соединен с массой.

4. Выходной каскад по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что все его компоненты, а именно полупроводниковый стабилитрон, закорачивающий транзистор, высокоомное сопротивление (R3) и четвертый транзистор, (Т4) выполнены с возможностью интегрирования в монолитную полупроводниковую схему.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6