ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕРЫВАТЕЛЬ УКАЗАТЕЛЕЙ ПОВОРОТОВ

Полезная модель относится к устройствам импульсной техники, а более точно к электронным устройствам вспомогательного электрооборудования автомобилей (прерывателям указателей поворотов и аварийной сигнализации).
Известны широко применяемые в транспортных средствах системы сигнализации мигающего типа, выполненные на термоэлектромагнитных прерывателях, например, реле РС491 [1].
Недостатками термоэлектромагнитных прерывателей указателей поворотов являются: малый срок службы контактов, искрение контактов, создание ими импульсных радиопомех, повышенная задержка зажигания ламп, температурная нестабильность частоты миганий, большая масса, проблемы зашиты при коротком замыкании в цепях сигнальных ламп.
Известны контактно-транзисторные прерыватели указателей поворотов и аварийной сигнализации, в которых электромагнитные реле приводятся в действие электронной схемой, выполненной на транзисторах [2], например реле РС951А и аналогичные.
Прерыватель указателей поворотов РС951А содержит: источник постоянного напряжения, трехпозиционный переключатель направлений, сигнальные лампы левого и правого бортов транспортного средства, контрольную лампу, силовой коммутирующий элемент - электромеханическое реле с обмоткой и нормально разомкнутыми контактами, двухобмоточное реле с нормально разомкнутыми контактами, задающий генератор, выполненный в виде астабильного мультивибратора с входом запуска и входом выключения, двухстабильное пороговое устройство (например, выполненное на тиристоре), низкоомный резистор - датчик тока, включенный между положительной клеммой источника постоянного напряжения и первым контактом электромеханического реле, вход порогового устройства, подключен к резистору-датчику тока, выход порогового устройства подключен к входу выключения задающего генератора, вход запуска задающего генератора подключен ко второму контакту реле, в свою очередь подключенного к общей клемме трехпозиционного переключателя, клеммы «левый борт», «правый борт» которого через соответствующие обмотки двухобмоточного реле подключены к сигнальным лампам соответственно левого и правого бортов транспортного средства; к выходу задающего генератора подключена обмотка электромеханического реле, нормально разомкнутые контакты двухобмоточного реле включены между контрольной лампой и вторым контактом основного реле.
Задающий генератор таких прерывателей обычно выполняется по схеме астабильного мультивибратора с обратной электромеханической связью. Однако известны и прерыватели, использующие симметричный мультивибратор [2].
Контактно-транзисторные прерыватели указателей поворотов обеспечивает более стабильное (в сравнении с термоэлектро - магнитными прерывателями) мигание сигнальных ламп транспортного средства, выключение задающего генератора, основного реле и сигнальных ламп при коротком замыкании в цепях сигнальных ламп; при перегорании или обрыве цепи сигнальной лампы мигание контрольной лампы, сигнализирующее водителю о функционировании сигнальных ламп, прекращается. Наличие порогового устройства, подключенного к входу выключения задающего генератора (с применением запоминающей ячейки на тиристоре) позволяет отключить ток при токовой перегрузке.
Недостатками контактно-транзисторных прерывателей указателей поворотов являются малый срок службы контактов, искрение контактов, наличие импульсных радиопомех, задержка срабатывания сигнальных и контрольных ламп, большая масса устройства. Кроме того, защита от короткого замыкания в устройстве недостаточно эффективна из-за низкого быстродействия электромеханического реле.
Известны различные варианты прерывателей указателей поворотов, в которых электромеханические реле полностью или частично заменены биполярными транзисторами и диодами, например [3]. Бесконтактные прерыватели указателей поворотов имеют повышенный срок службы, уменьшают уровень радиопомех.
Типичные недостатки этих устройств - большое число дискретных компонентов, повышенная потеря мощности в коммутирующих биполярных транзисторах, отсутствие защиты от короткого замыкания нагрузки или недостаточная защита, неудачный принцип сигнализации аварии лампы (погасание контрольной лампы не обязательно свидетельствует о перегорании сигнальной лампы) и др. недостатки.
Известны прерыватели указателей поворотов, выполненные на основе метода удвоения частоты миганий при отказе сигнальной лампы с применением микросхем [4], [5], [6], [7] и др., которые стали стандартными в новых средствах автомобильного транспорта.
1
Наиболее близким к предлагаемому прерывателю указателей поворотов по совокупности существенных признаков и достигаемому полезному эффекту является прерыватель указателей поворотов [6], который содержит: источник постоянного напряжения, трехпозиционный переключатель направлений, лампы левого и правого бортов, силовой коммутирующий элемент с первым и вторым силовыми электродами и управляющим электродом, задающий генератор, с входом управления частотой, компаратор, вспомогательный источник опорного напряжения, резистор - датчик тока, первый вывод резистора - датчика тока подключен к положительной клемме источника постоянного напряжения, первый силовой электрод коммутирующего элемента подключен ко второму выводу резистора-датчика тока, первый вход компаратора, подключен к клемме, соединяющей резистор-датчик тока и первый силовой электрод коммутирующего элемента, второй вход компаратора подключен к выходу вспомогательного источника опорного напряжения, выход компаратора подключен к входу управления частотой задающего генератора, второй силовой электрод коммутирующего элемента подключен к общей клемме трехпозиционного переключателя, клеммы «левый борт», «правый борт» которого подключены к сигнальным лампам соответственно левого и правого бортов транспортного средства, управляющий электрод коммутирующего элемента подключен к выходу задающего генератора, контрольная лампа подключена к одному из электродов трехпозиционного переключателя направлений («левый борт», «правый борт», «общий» ) Третья позиция переключателя - «нейтраль».).
В этом прерывателе указателей поворотов задающий генератор через коммутирующий элемент (электромеханическое реле) осуществляет прерывистое зажигание ламп соответствующего борта транспортного средства. При перегорании одной из ламп напряжение на резисторе-датчике тока уменьшается, компаратор фиксирует произошедшее изменение, переключается в альтернативное состояние и его выходной сигнал переключает генератор в режим более высокой (удвоенной) частоты. Мигание сигнальных и контрольных ламп легко фиксируется водителем транспортного средства и сторонним наблюдателем. Удвоенная частота мигания сигнальных и контрольных ламп является преимуществом указанных устройств.
Применяемые на практике прерыватели указателей поворотов с применением метода удвоения частоты вспышек ламп, микросхем [4], [5], [6], [7] и электромеханических реле характеризуются и недостатками, свойственными устройствам с электромеханическими реле. В таких устройствах трудно реализовать защиту от короткого замыкания нагрузки или перегрузки по току. В момент перегрузки ток через резистор-датчик тока резко возрастает, напряжение с датчика может быть подано на дополнительное пороговое устройство или компаратор, которые выключат задающий генератор, который в свою очередь выключит электромеханическое реле.
Попытка реализации такой защиты была предпринята в устройстве с микросхемой UAA1041B [4]. Однако такое решение оказалось неудачным, и производители микросхем отказались от этого решения в следующих вариантах микросхем МС33193 [5], U6043B [6] и др.
Причины неудачи заключаются в том, что устройство защиты не должно срабатывать при первом пуске прерывателя на холодные лампы, имеющие низкое омическое сопротивление. Для микросхемы UAA1041B в ее документации указан ток срабатывания защиты 25А. Этот ток значительно превосходит рабочий ток устройства. Кроме того, время же срабатывания электромеханического реле достаточно велико (единицы миллисекунд) и процесс короткого замыкания успевает развиться в опасный режим.
Впоследствии, производители микросхем МС33193, U2043B и аналогичных от этой защиты отказались, как неэффективной, но не предложили какой либо эквивалентной замены. Изготовителям прерывателей указателей поворотов для удовлетворения требований по защите оборудования пришлось вернуться к обычным плавким предохранителям, расположенным обычно вне прерывателей указателей поворотов.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение задач защиты устройства и цепей нагрузок от перегрузки по току и короткого замыкания.
Предлагаемый прерыватель указателей поворота отличается тем, в нем содержатся дополнительно: первый, второй и третий инверторы, первый и второй стабилитроны, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой резисторы, конденсатор; в качестве силового коммутирующего элемента применен р - канальный полевой транзистор, исток р - канального полевого транзистора подключен ко второму выводу резистора-датчика тока, сток р - канального полевого транзистора подключен к общей клемме 3-х позиционного переключателя направлений, между истоком р - канального ролевого транзистора или между положительной клеммой источника постоянного напряжения и затвором р - канального полевого транзистора подключены параллельно соединенные: первый стабилитрон и первый резистор, причем анод первого стабилитрона соединен с затвором р - канального полевого транзистора, выход первого инвертора подключен через второй резистор к затвору р - канального полевого транзистора, вход первого инвертора через третий резистор подключен к выходу задающего генератора, выход второго инвертора через четвертый резистор подключен к выходу задающего генератора и входу третьего инвертора, выход третьего инвертора подключен к входу первого инвертора, вход третьего инвертора зашунтирован конденсатор, между общей клеммой трехпозиционного
переключателя и отрицательной клеммой источника постоянного напряжения подключены последовательно: пятый резистор, второй стабилитрон, шестой резистор, причем анод второго стабилитрона подключен к пятому резистору, а вход второго инвертора подключен к аноду второго стабилитрона.
Применение в качестве силового коммутирующего элемента р - канального полевого транзистора и соединение его затвора через делитель напряжения на первом и втором резисторе и каскад на первом инверторе через третий резистор с выходом задающего генератора позволяют осуществить в устройстве электронную коммутацию сигнальных ламп.
Ограничение напряжения затвора р - канального полевого транзистора первым стабилитроном позволяет ограничить ток в его цепи при токовой перегрузке или коротком замыкании нагрузки на заданном уровне во всем рабочем диапазоне напряжений источника питания и рабочем диапазоне температур.
Применение каскада на третьем инверторе позволяет осуществить режим кратковременного включения первого инвертора, р - канального транзистора и нагрузки (на время заряда конденсатора до напряжения отпирания эмиттерного p-n - перехода транзистора (Uбэ) - единицы-десятки микросекунд). В случае короткого замыкания нагрузки ток в силовой цепи ограничен р - канальным полевым транзистором. Каскад на втором инверторе с пороговой цепью на втором стабилитроне позволяет при отсутствии перегрузки или короткого замыкания нагрузки заблокировать действие третьего инвертора. Другими словами, каскады на втором и третьем инверторах с пороговой цепью на втором стабилитроне периодически осуществляют режим пробы на токовую перегрузку или короткое замыкание; при отсутствии перегрузки пропускают сигнал задающего генератора для коммутации нагрузки, при наличии перегрузки блокируют указанный сигнал до тех пор, пока такая перегрузка имеет место. После устранения перегрузки работа устройства возобновляется автоматически.
Благодаря сочетанию указанных существенных отличительных признаков, прерыватель указателей поворотов нормально функционирует при отсутствии токовой перегрузки и выключает ток в цепи нагрузки при наличии перегрузки или короткого замыкания. При этом сверхтоки короткого замыкания нагрузки не возникают.
Устройство схемы предлагаемого прерывателя указателей поворотов поясняется схемой, приведенной на фиг.1.
Пример схемы устройства с применением биполярных транзисторов в качестве инверторов приведен на рис.2.
Пример схемы прерывателя указателей поворотов, в котором используются специализированные микросхемы типов МС33193, IL33193, U2043B, U6043B, КР1055ГП3, КР1055ХВ4, УР1101ХП33 и др. приведен на фиг.3. В указанных микросхемах применен несамостоятельный астабильный мультивибратор, для работы которого необходим импульс напряжения от силового коммутирующего элемента. Это, с одной стороны, полезно, т.к. останавливает работу генератора при нейтральном положении переключателя направлений. Но с другой стороны, при срабатывании защиты от случайных перегрузок или кратковременных коротких замыканиях для восстановления работы устройства необходимо отключить и включить питание устройства, чего можно не делать, если задающий генератор независим.
Приняты следующие условные обозначения:
1 - источник постоянного напряжения (аккумулятор, генератор транспортного средства);
2 - трехпозиционный механический переключатель направления («левый борт», «правый борт», «нейтраль»);
3 - общая клемма трехпозиционного переключателя направлений;
4 - клемма «левый борт» трехпозиционного переключателя направлений;
5 - клемма «правый борт» трехпозиционного переключателя направлений;
6, 7 - сигнальные лампы левого борта транспортного средства;
8, 9 - сигнальные лампы правого борта транспортного средства;
10, 11 - контрольные лампы левого и правого бортов (в случае применения одной контрольной лампы она может быть включена, например, между клеммами 4 и 5);
12 - р - канальный полевой транзистор;
13 - сток р - канального полевого транзистора;
14 - исток р - канального полевого транзистора;
15 - затвор р - канального полевого транзистора;
16 - низкоомный резистор - датчик тока (обычно 10-60 мОм);
17 - задающий генератор (астабильный или симметричный мультивибратор);
18 - вход управления частотой задающего генератора (управление частотой мультивибратора обычно осуществляется при помощи ключей, изменяющих сопротивление резистора в RC - цепочках, определяющих частоту и скважность генерируемых импульсов или изменяющих уровни порогов срабатывания плеч мультивибратора);
19 - выход задающего генератора;
20 - компаратор (сравнивающий входные напряжения по отношению к потенциалу положительной клеммы источника напряжения, т.н. «компаратор верхнего уровня»);
21 - первый вход компаратора;
22 - второй вход компаратора;
23 - выход компаратора;
24 - вспомогательный источник опорного напряжения (задающий уровень опорного напряжения, отсчитываемый от уровня напряжения положительной клеммы источника постоянного напряжения);
25 - выход вспомогательного источника опорного напряжения;
26, 27 - первый и второй стабилитроны (напряжение пробоя стабилитрона 26 выбирают в пределах от 6 до 15 В в соответствии со спецификацией транзистора 12 и необходимым уровнем ограничения тока нагрузки, напряжение пробоя стабилитрона 27 выбирают менее минимального напряжения источника постоянного напряжения 1);
28, 29, 30 - первый, второй, третий инверторы (могут быть выполнены на биполярных или полевых транзисторах);
31-36 - первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой резисторы;
37 - конденсатор;
1
38 - выключатель (роль выключателя в автомобиле обычно выполняет ключ зажигания ) Переключатель режима аварийной остановки здесь не рассматривается.);
39, 40, 41 - биполярные п-р-п - транзисторы;
42 - микросхема типа U2043B, МС33193 или аналогичная, в которой применяются элементы: 43 - конденсатор и 44-46 - резисторы в соответствии со спецификацией.
Электронный прерыватель указателей поворотов работает следующим образом:
При замыкании контактов выключателя 38 в схеме фиг.1 генератор 17 формирует импульс напряжения, который через инвертор 28, резистор 32 включает транзистор 12. В начале этого процесса конденсатор 37 создает задержку срабатывания инвертора 30, который в начальный момент не шунтирует вход инвертора 28.
Потенциал стока 13 транзистора 12 достигает высокого уровня, импульс через стабилитрон 27 поступает на вход инвертора 29, напряжение на выходе элемента 29 падает и конденсатор 37 разряжается, напряжение на выходе инвертора 30 повышается и он не шунтирует вход инвертора 28. Этот процесс периодически повторяется. Если переключатель направлений 2 замыкается в одном из направлений на клемму 4 или 5 лампы 6, 7, 10 или 8, 9, 11 мигают.
Если ток через цепи питания ламп повышается до такого уровня, что транзистор 12 выходит из состояния высокой проводимости, то напряжение на контакте 3 переключателя 2 уменьшается и, когда оно становится ниже напряжения пробоя стабилитрона 27 напряжение на выходе инвертора 29 повышается, а на выходе инвертора 30 - снижается, на выходе инвертора 28 повышается, транзистор 12 выключается. Очередной импульс задающего генератора повторяет попытку включения транзистора 12 через инвертор 28 и резистор 32, но как только конденсатор 37 заряжается, инвертор 30 блокирует вход инвертора 28. Если ток перегрузки уменьшается, то напряжение на контакте 3 переключателя 2 повышается, инвертор 29 блокирует инвертор 30 и работа устройства возобновляется. Это справедливо для варианта, когда задающий генератора работает независимо (вариант симметричного мультивибратора).
Уровень тока, при котором транзистор 12 выходит из состояния высокой проводимости определяется напряжением на затворе 15 транзистора 12,связанным с напряжением пробоя стабилитрона 26. На практике значение напряжения затвора для типичных р - канальных силовых транзисторов составляет 6-10 В и соответствующее напряжение пробоя стабилитрона 26 выбирается с учетом необходимого уровня ограничения тока транзистора 12. Такой выбор напряжения пробоя стабилитрона подходит для устройств, работающих от автомобильных аккумуляторов с номинальным напряжением 12 В и 24 В.
Схема, показанная на фиг.2, где инверторы выполнены на биполярных транзисторах, работает аналогично.
Работа схемы, показанной на фиг.3, в которой применена стандартная микросхема, например, МС33193, аналогична описанной. Различие заключается в том, что для формирования очередного импульса на вход компаратора запуска (электрод: «стартер» микросхемы) должен поступить импульс от силового коммутирующего элемента. Так как после короткого замыкания нагрузки такой импульс не поступает, то прерыватель выключается и для возобновления его работы необходимо выключить и затем включить питание.
Тем не менее, применение этого варианта позволяет создавать экономичные электронные прерыватели указателей поворотов.
Литература:
[1] А.Г.Ходасевич, Т.И.Ходасевич Системы световой сигнализации поворотов и аварийной сигнализации реле поворотов, Москва, Антелком, 2003, стр.9.
[2] Там же, стр.16-23, 102
[3] Там же, стр.32-33
[4] Automotive Direction Indicator MC33193, Motorola
[5] Automotive Direction Indicator UAA1041B, Motorola
[6] Flasher U2043B, Atmel
[7] Flasher U6043B, Atmel