Устройство для заряда накопителей энергии для системы конденсаторного электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания

 

Устройство для заряда накопителей энергии относится к области автомобильной электроники, а точнее к области электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания. Технический результат заключается в улучшении характеристик системы электропуска и в наличии таких свойств, как защита выходного каскада от перегрузок по импульсному току и возможность совместной работы накопителя энергии и источника питания при пуске двигателя внутреннего сгорания. Устройство для заряда накопителей энергии для системы конденсаторного электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания содержит источник питания и выходной фильтр, причем минусовая шина источника питания соединена со вторым выводом выходного фильтра. Устройство также содержит диод, катушку индуктивности, импульсный диод, силовой ключ, драйвер, схему И-НЕ, компаратор выходного напряжения, схему индикации, компаратор полярности напряжения на катушке индуктивности, стробируемый компаратор напряжения, ждущий мультивибратор, триггер, схему начальной установки, параметрический стабилизатор. Первый вывод параметрического стабилизатора, второй вход компаратора полярности напряжения на катушке индуктивности, первый вывод катушки индуктивности и анод диода соединены с положительной шиной источника питания. Второй вывод катушки индуктивности связан с анодом импульсного диода, стоком силового ключа и первыми входами компаратора полярности напряжения на катушке индуктивности и стробируемого компаратора напряжения, выходы которых соединены с входом запуска ждущего мультивибратора. Второй вход стробируемого компаратора напряжения связан с выходом параметрического стабилизатора. Катоды диода и импульсного диода соединены с первым выводом выходного фильтра и первым входом компаратора выходного напряжения, второй вход которого связан с выходом параметрического стабилизатора. Выход ждущего мультивибратора соединен со счетным входом триггера, инверсный выход которого связан с входом D и входом стробирования стробируемого компаратора напряжения. Выход параметрического стабилизатора через схему начальной установки соединен с S-входом триггера. Прямой выход триггера подключен к первому входу схемы И-НЕ. Выход компаратора выходного напряжения через схему индикации соединен со вторым входом схемы И-НЕ. Выход триггера подключен к первому входу схемы И-НЕ. Выход компаратора выходного напряжения через схему индикации соединен со вторым входом схемы И-НЕ, выход которой связан с входом управления силовым ключом через драйвер. Минусовые выводы параметрического стабилизатора, стробируемого компаратора напряжения, компаратора выходного напряжения, схемы индикации, компаратора полярности напряжения на катушке индуктивности, ждущего мультивибратора, триггера, силового ключа, драйвера, схемы И-НЕ, а также R-вход триггера соединены с минусовой шиной источника питания. 1 ил.

Устройство для заряда накопителей энергии относится к области автомобильной электроники, а точнее к области электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания.

Известна система [1] пуска двигателя внутреннего сгорания, однако в устройстве не принято мер по защите транзисторов выходного каскада преобразователя от импульсных токовых перегрузок.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [2], содержащее микроконтроллер вторичного источника электропитания, выходной каскад, импульсный трансформатор, выпрямитель-фильтр, блок обеспечения обратной связи по току, источник питания, цепь обратной связи по напряжению, причём выходы микроконтроллера вторичного источника электропитания связаны с выходами выходного каскада, выходы которого соединены с первичной обмоткой импульсного трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с выпрямителем-фильтром, первый выход которого через блок обеспечения обратной связи по току соединён с первым входом микроконтроллера вторичного источника электропитания, выход выпрямителя-фильтра через цепь обратной связи по напряжению связан с вторым входом микроконтроллера вторичного источника электропитания, плюсовая шина источника питания соединена с входами питания микроконтроллера источника вторичного электропитания, выходного каскада и импульсного трансформатора, минусовая шина источника питания связана с минусовыми входами питания микроконтроллера источника вторичного электропитания и выходного каскада.

Недостатками такого технического решения являются: отсутствие защиты выходного каскада от перегрузок по импульсному току, а также невозможность совместной работы накопителя энергии и источника питания при пуске двигателя внутреннего сгорания.

Предлагаемое техническое решение направлено на улучшение характеристик системы электропуска.

Технический результат достигается тем, что устройство для заряда накопителей энергии для системы конденсаторного электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания содержит источник питания и выходной фильтр, причем минусовая шина источника питания соединена со вторым выводом выходного фильтра. Кроме того, в устройство дополнительно введены диод, катушка индуктивности, импульсный диод, силовой ключ, драйвер, схема И-НЕ, компаратор выходного напряжения, схема индикации, компаратор полярности напряжения на катушке индуктивности, стробируемый компаратор напряжения, ждущий мультивибратор, триггер, схема начальной установки, параметрический стабилизатор, причем первый вывод параметрического стабилизатора, второй вход компаратора полярности напряжения на катушке индуктивности, первый вывод катушки индуктивности и анод диода соединены с положительной шиной источника питания, второй вывод катушки индуктивности связан с анодом импульсного диода, стоком силового ключа и первыми входами компаратора полярности напряжения на катушке индуктивности и стробируемого компаратора напряжения, выходы которых соединены с входом запуска ждущего мультивибратора, второй вход стробируемого компаратора напряжения связан с выходом параметрического стабилизатора, катоды диода и импульсного диода соединены с первым выводом выходного фильтра и первым входом компаратора выходного напряжения, второй вход которого связан с выходом параметрического стабилизатора, выход ждущего мультивибратора соединен со счетным входом триггера, инверсный выход которого связан с входом D и входом стробирования стробируемого компаратора напряжения, выход параметрического стабилизатора через схему начальной установки соединен с S-входом триггера, прямой выход триггера подключен к первому входу схемы И-НЕ, выход компаратора выходного напряжения через схему индикации соединен со вторым входом схемы И-НЕ, выход триггера подключен к первому входу схемы И-НЕ, выход компаратора выходного напряжения через схему индикации соединен со вторым входом схемы И-НЕ, выход которой связан с входом управления силовым ключом через драйвер, минусовые выводы параметрического стабилизатора, стробируемого компаратора напряжения, компаратора выходного напряжения, схемы индикации, компаратора полярности напряжения на катушке индуктивности, ждущего мультивибратора, триггера, силового ключа, драйвера, схемы И-НЕ, а также R-вход триггера соединены с минусовой шиной источника питания.

Сравнение предлагаемого устройства с прототипом [2] позволяет выявить новые элементы: диод, катушку индуктивности, импульсный диод, силовой ключ, драйвер, схему И-НЕ, компаратор выходного напряжения, схему индикации, компаратор полярности напряжения на катушке индуктивности, стробируемый компаратор напряжения, ждущий мультивибратор, триггер, схему начальной установки, параметрический стабилизатор, также новые связи между вновь введенными и ранее применявшимися элементами.

Сравнение предлагаемого устройства с другими техническими решениями позволяет сделать вывод о появлении новых свойств: наличие защиты выходного каскада от перегрузок по импульсному току, а также возможность совместной работы накопителя энергии и источника питания при пуске двигателя внутреннего сгорания.

Функциональная схема устройства представлена на чертеже.

Устройство для заряда накопителей энергии содержит источник 1 питания, диод 2, катушку 3 индуктивности, импульсный диод 4, силовой ключ 5, драйвер 6, схему 7 И-НЕ, компаратор 8 выходного напряжения, схему 9 индикации, компаратор 10 полярности напряжения на катушке 3 индуктивности, стробируемый компаратор 11 напряжения, ждущий мультивибратор 12, схему 13 начальной установки, триггер 14, параметрический стабилизатор 15, выходной фильтр 16, причем первый вывод параметрического стабилизатора 15, второй вход компаратора 10 полярности напряжения на катушке 3 индуктивности, первый вывод катушки 3 индуктивности и анод диода 2 соединены с положительной шиной источника питания, второй вывод катушки 3 индуктивности связан с анодом импульсного диода 4, стоком силового ключа 5 и первыми входами компаратора 10 полярности напряжения на катушке индуктивности и стробируемого компаратора 11 напряжения, выходы которых соединены с входом запуска ждущего мультивибратора 12, второй вход стробируемого компаратора 11 напряжения связан с выходом параметрического стабилизатора 15, катоды диода 2 и импульсного диода 4 соединены с первым выводом выходного фильтра 16 и первым входом компаратора 8 выходного напряжения, второй вход которого связан с выходом параметрического стабилизатора 15, выход ждущего мультивибратора 12 соединен со счетным входом триггера 14, инверсный выход которого связан с входом D и входом стробирования стробируемого компаратора 11 напряжения, выход параметрического стабилизатора 15 через схему 13 начальной установки соединен с S-входом триггера 14. прямой выход триггера 14 подключен к первому входу схемы 7 И-НЕ, выход компаратора 8 выходного напряжения через схему 9 индикации соединен со вторым входом схемы 7 И-НЕ, выход которой связан с входом управления силовым ключом 5 через драйвер 6, минусовые выводы параметрического стабилизатора 15, стробируемого компаратора 11 напряжения, компаратора 8 выходного напряжения, схемы 9 индикации, компаратора 10 полярности напряжения на катушке 3 индуктивности, ждущего мультивибратора 12, триггера 14, силового ключа 5, драйвера 6, схемы 7 И-НЕ, а также R-вход триггера 14 соединены с минусовой шиной источника питания.

Работает устройство следующим образом: если накопитель энергии не заряжен, то с выхода компаратора 8 выходного напряжения через схему 9 индикации уровень логической единицы поступает на второй вход схемы 7 И-НЕ, выход которой связан с входом управления силовым ключом 5 через драйвер 6, и состояние силового ключа 5 определится уровнем напряжения, поступающего на первый вход схемы 7 И-НЕ.

При появлении напряжения на выходе параметрического стабилизатора 15 это напряжение через схему 13 начальной установки кратковременно воздействует на вход S триггера 14, вызывая появление логической единицы на его прямом выходе и соответственно на первом входе схемы 7 И-НЕ также появится уровень логической единицы. К затвору силового ключа 5 прикладывается с выхода драйвера 6 положительное напряжение и силовой ключ 5 открывается. На выходе компаратора 10 полярности напряжения на катушке 3 индуктивности установится низкий уровень напряжения, так как напряжение на открытом силовом ключе 5 мало. На выходе стробируемого компаратора 11 напряжения установится высокий уровень напряжения, соответствующий уровню логической единицы, поскольку инвертирующий вход операционного усилителя, входящего в состав компаратора 11, соединен со стоком силового ключа 5, а неинвертирующий вход операционного усилителя, входящего в состав компаратора 11, соединен с делителем напряжения, образованным сопротивлением и диодом, также входящими в состав компаратора 11, причем на катод диода поступает низкий уровень напряжения с инверсного выхода триггера 14. Идет процесс накопления энергии в катушке 3 индуктивности. Ток через катушку возрастает до тех пор, пока напряжение на стоке силового ключа 5 не превысит порог срабатывания стробируемого компаратора 11 напряжения. При этом на выходе стробируемого компаратора 11 напряжения установится низкий уровень, этот фронт импульса запустит ждущий мультивибратор 12, с выхода которого короткий импульс переключит триггер 14. При этом на входе схемы 7 И-НЕ появится низкий уровень напряжения, а на ее выходе - высокий. Драйвер 6 закроет силовой ключ 5 и энергия, запасенная в катушке 3 индуктивности, через импульсный диод 4 подзаряжает накопитель энергии. При закрывании силового ключа 5 напряжение на его стоке резко возрастает, что приводит к срабатыванию компаратора 10 полярности напряжения на катушке 3 индуктивности и на его выходе появляется уровень логической единицы. Однако это не приводит к запуску ждущего мультивибратора 12, поскольку он запускается только отрицательным фронтом импульса. По мере разряда катушки 3 индуктивности напряжение на ней уменьшается и при достижении порога срабатывания компаратора 10 полярности напряжения на катушке 3 индуктивности компаратор 10 сработает и запустит ждущий мультивибратор 12, с выхода которого короткий импульс переключит триггер 14. В результате устройство вернется в исходное состояние, при котором силовой ключ 5 открыт. Работа схемы повторяется до тех пор, пока не зарядится накопитель энергии и не переключится компаратор 8 выходного напряжения, на его выходе установится уровень логического нуля, который через схему 9 индикации поступит на вход схемы 7 И-НЕ, при этом схема 7 И-НЕ вне зависимости от состояния ее другого входа через драйвер 6 закроет силовой ключ 5. Схема 9 индикации отобразит окончание процесса заряда накопителя энергии. Поскольку сопротивление канала открытого полевого транзистора, используемого в качестве силового ключа 5, практически постоянно, то напряжение на ключе 5 линейно зависит от протекающего через него тока. Поскольку это напряжение является входным для стробируемого компаратора 11 напряжения, регулировкой порога срабатывания стробируемого компаратора 11 можно изменять ток, при котором срабатывает защита по импульсному току силового ключа 5.

Предлагаемое устройство для заряда накопителей энергии позволяет повысить величину пускового тока, потребляемого стартером, что особенно важно при пуске холодного двигателя внутреннего сгорания. Это обеспечивается совместной работой накопителя энергии и источника питания при пуске двигателя внутреннего сгорания. Безопасная работа транзистора ключа 5 обусловлена быстродействующей защитой по импульсному току. Применение мощного диода 2 позволяет зарядить накопитель энергии до уровня напряжения источника питания практически без применения импульсного преобразователя. Импульсный преобразователь позволяет зарядить накопитель энергии до напряжения, превышающего напряжение источника питания, что повышает коэффициент полезного действия системы электростартерного пуска в целом.

Источники информации

1. И.С. Осипов. Система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания. А.с. СССР № 1629590 А1, МПК F 02 N 11/08, БИ № 7, 1991.

2. Ю.В Гармаш, Е.И. Титов, С.А. Лебедев. Зарядное устройство для накопителей энергии. Грузовик, № 7, М., 2001, с. 10-11.

Формула изобретения

Устройство для заряда накопителей энергии для системы конденсаторного электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания, содержащее источник питания и выходной фильтр, причём минусовая шина источника питания соединена со вторым выводом выходного фильтра, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены диод, катушка индуктивности, импульсный диод, силовой ключ, драйвер, схема И-НЕ, компаратор выходного напряжения, схема индикации, компаратор полярности напряжения на катушке индуктивности, стробируемый компаратор напряжения, ждущий мультивибратор, триггер, схема начальной установки, параметрический стабилизатор, причём первый вывод параметрического стабилизатора, второй вход компаратора полярности напряжения на катушке индуктивности, первый вывод катушки индуктивности и анод диода соединены с положительной шиной источника питания, второй вывод катушки индуктивности связан с анодом импульсного диода, стоком силового ключа и первыми входами компаратора полярности напряжения на катушке индуктивности и стробируемого компаратора напряжения, выходы которых соединены с входом запуска ждущего мультивибратора, второй вход стробируемого компаратора напряжения связан с выходом параметрического стабилизатора, катоды диода и импульсного диода соединены с первым выводом выходного фильтра и первым входом компаратора выходного напряжения, второй вход которого связан с выходом параметрического стабилизатора, выход ждущего мультивибратора соединен со счетным входом триггера, инверсный выход которого связан с входом D и входом стробирования стробируемого компаратора напряжения, выход параметрического стабилизатора через схему начальной установки соединен с S-входом триггера, прямой выход триггера подключен к первому входу схемы И-НЕ, выход компаратора выходного напряжения через схему индикации соединен со вторым входом схемы И-НЕ, выход триггера подключен к первому входу схемы И-НЕ, выход компаратора выходного напряжения через схему индикации соединен со вторым входом схемы И-НЕ, выход которой связан с входом управления силовым ключом через драйвер, минусовые выводы параметрического стабилизатора, стробируемого компаратора напряжения, компаратора выходного напряжения, схемы индикации, компаратора полярности напряжения на катушке индуктивности, ждущего мультивибратора, триггера, силового ключа, драйвера, схемы И-НЕ, а также R-вход триггера соединены с минусовой шиной источника питания.

РИСУНКИ

Рисунок 1