Генератор управляемый напряжением на кмоп. Октавный микропотребляющий высокочастотный КМОП генератор, управляемый напряжением — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как работает октавный микропотребляющий высокочастотный КМОП генератор, управляемый напряжением. Какие преимущества он имеет перед другими схемами. Почему он обеспечивает широкий диапазон частот и высокую помехоустойчивость.

Содержание

Принцип работы октавного микропотребляющего высокочастотного КМОП генератора

Октавный микропотребляющий высокочастотный КМОП генератор, управляемый напряжением (ГУН), представляет собой компактную и эффективную схему для генерации высокочастотных сигналов с широким диапазоном перестройки частоты. Ключевые особенности данного ГУН:

Состоит всего из 8 транзисторов (4 P-канальных и 4 N-канальных)
Обеспечивает диапазон перестройки частоты в одну октаву
Поддерживает постоянную амплитуду выходного сигнала, близкую к напряжению питания
Имеет высокую помехоустойчивость
Характеризуется низким энергопотреблением

Как работает данный генератор? В его основе лежит принцип нелинейной обратной связи, зависящей от управляющих напряжений. При изменении управляющего напряжения происходит не только изменение длительности фронтов сигнала, но и смещение пороговых уровней переключения. Это позволяет расширить диапазон генерируемых частот до одной октавы при сохранении высокой помехоустойчивости.

Преимущества перед другими схемами ГУН

Данный октавный ГУН имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими схемами генераторов, управляемых напряжением:

Компактность — всего 8 транзисторов вместо 12-18 в аналогичных схемах
Широкий диапазон частот (одна октава) при простой схемотехнике
Высокая помехоустойчивость за счет поддержания постоянной амплитуды
Низкое энергопотребление
Совместимость со стандартным цифровым КМОП техпроцессом

Благодаря этим преимуществам, данный ГУН отлично подходит для применения в составе сложно-функциональных блоков высокочастотных синтезаторов сетки частот в современных СБИС.

Схемотехника и принцип действия генератора

Рассмотрим подробнее схемотехнику и принцип действия данного октавного ГУН:

Схема содержит 4 P-канальных (P1-P4) и 4 N-канальных (N1-N4) транзистора
Транзисторы P2 и N2 образуют управляемые источники тока
Транзисторы P4 и N4 создают нелинейную обратную связь
Управляющие напряжения подаются на выводы Pcnt и Ncnt
Выходной сигнал снимается с вывода OUT

При изменении управляющих напряжений происходит одновременное изменение длительности фронтов сигнала и смещение пороговых уровней переключения. Это обеспечивает расширенный диапазон частот при сохранении высокой помехоустойчивости.

Диапазон перестройки частоты генератора

Одним из ключевых преимуществ данного ГУН является широкий диапазон перестройки частоты, составляющий одну октаву. Это означает, что максимальная частота генерации в 2 раза превышает минимальную.

Например, если минимальная частота составляет 500 МГц, то максимальная достигает 1 ГГц. Такой широкий диапазон перестройки позволяет использовать генератор в системах с динамическим изменением тактовой частоты для оптимизации энергопотребления.

Обеспечение постоянной амплитуды выходного сигнала

Важной особенностью данного ГУН является поддержание постоянной амплитуды выходного сигнала, близкой к напряжению питания, во всем диапазоне частот. Это достигается за счет:

Нелинейной обратной связи через транзисторы P4 и N4
Одновременного изменения длительности фронтов и пороговых уровней
Оптимального подбора размеров транзисторов

Постоянная амплитуда сигнала обеспечивает высокую помехоустойчивость генератора и стабильность его работы в широком диапазоне частот.

Повышение помехоустойчивости генератора

Высокая помехоустойчивость данного ГУН достигается за счет нескольких факторов:

Поддержание постоянной амплитуды сигнала во всем диапазоне частот
Симметричность фронтов нарастания и спада выходного сигнала
Нелинейная обратная связь, стабилизирующая работу генератора
Малые пульсации потребляемого тока

Благодаря этому генератор устойчиво работает даже в условиях сильных помех по цепям питания и подложке кристалла СБИС.

Минимизация энергопотребления генератора

Одним из важных преимуществ данного ГУН является низкое энергопотребление. Это достигается за счет:

Минимального количества транзисторов в схеме (всего 8)
Оптимизации размеров транзисторов
Малых пульсаций потребляемого тока
Работы транзисторов в оптимальных режимах

Низкое энергопотребление позволяет использовать данный ГУН в составе энергоэффективных СБИС с динамическим управлением тактовой частотой.

Применение ГУН в составе синтезаторов частот

Данный октавный микропотребляющий высокочастотный КМОП генератор оптимально подходит для применения в составе синтезаторов сетки частот (ССЧ) в современных СБИС. Его ключевые преимущества в этом применении:

Широкий диапазон перестройки частоты (одна октава)
Высокая помехоустойчивость
Низкое энергопотребление
Совместимость со стандартным КМОП техпроцессом
Компактность схемы

Это позволяет создавать эффективные ССЧ для тактовой синхронизации СБИС с возможностью динамического управления частотой.

Схемы генераторов, управляемых напряжением (ГУН)

Генераторы, управляемые напряжением, на транзисторах, операционных усилителях и
логических КМОП элементах

Как следует из названия, генератор, управляемый напряжением (ГУН, VCO, Voltage Controlled Oscillator) – это генератор, частота колебаний которого зависит от напряжения, подаваемого на его управляющий вход.

В данной статье мы в основном рассмотрим варианты построения релаксационных генераторов, генерирующих сигналы пилообразной или треугольной форм в широком диапазоне частот. Именно такие ГУН нередко используются в составе специализированных интегральных микросхем.

Однако начнём мы с простейшего классического двухтранзисторного мультивибратора, который посредством простейших манипуляций превращается в генератор прямоугольных импульсов, частота колебаний которого зависит от приложенного к его управляющему входу напряжения (Рис. 1).

Рис.1 Схема генератора, управляемого напряжением, на базе мультивибратора

Данный ГУН не претендует на высокие параметры линейности преобразования напряжение-частота, а также широкий диапазон перестройки, однако в некоторых практических случаях он может оказаться вполне востребованным за счёт своей схемотехнической простоты.

При указанных на схеме номиналах элементов генератор изменяет частоту импульсного напряжения на выходе (со скважностью близкой к 2) в диапазоне частот 290…950 Гц при изменении напряжения на управляющем входе от 0 В до Еп. Одновременным изменением номиналов конденсаторов С1, С2 можно пропорционально в ту или иную сторону изменять частоту колебаний.
Как это работает?
Входной эмиттерный повторитель на транзисторе VT1 создаёт необходимое для корректной работы мультивибратора начальное смещение (при Евх=0) около 0,7 В. При повышении напряжения на входе растёт и напряжение смещения на базах транзисторов VT2 и VT3, работающих в режиме близком к ключевому.

Это приводит к уменьшению порога (а соответственно, увеличению скорости) их переключения, что в свою очередь, обуславливает повышение частоты генерации.

Более высокими характеристиками обладает схема релаксационного ГУН, приведённая на Рис.2.

Рис.2 Схема релаксационного генератора, управляемого напряжением

В начальный момент включения питания конденсатор С1 представляет собой короткое замыкание. При этом напряжение на входе триггера Шмитта DD1.1 – «1», на выходе – «0», на выходах DD1.2 и DD1.3 – «1». Соответственно: ключ на транзисторе VT5 закрыт, на VT4 – открыт. Начинается процесс заряда конденсатора С1 током, текущем в направлении от +Еп к земле. Постоянство этого тока обеспечивается источником тока на транзисторах VT2, VT3, а величина тока – значением напряжения, снимаемого с истока повторителя VT1.
Как только напряжение на нижней обкладке конденсатора достигнет уровня отпускания триггера DD1.

1, все логические элементы переключатся в противоположное состояние, ключ на VT4 закроется, отключив источник тока от конденсатора, а ключ на VT5 откроется, начиная очень быстро притягивать напряжение на обкладке С1 обратно к +Еп.
В ходе этого быстрого роста напряжения, а конкретно – в момент срабатывания триггера Шмитта, логические элементы и ключи опять переключатся в первоначальное состояние, после чего история зациклится, обеспечивая на обкладке С1 колебательный процесс с пилообразной формой колебаний. Амплитуда этих колебаний равна разнице между порогами срабатывания-отпускания триггера Шмитта и при напряжении питания +15 вольт составляет приблизительно ±4 В.
Для сохранения линейности снимать этот пилообразный выходной сигнал можно только посредством высокоомной нагрузки, сопротивлением не менее 1 МОм.
Импульсы же, идущие с выходов логических элементов, имеют очень высокую скважность, что не всегда удобно, поэтому в устройство добавлен ОУ, включенный по схеме компаратора, функцией которого является получение на выходе импульсного сигнала со скважностью, близкой к 2.

Изменением номинала резистора R5 эту скважность можно менять в широких пределах.
Если всё ж таки на выходе ГУН необходим сигнал пилообразной формы, то этот ОУ следует включить по схеме повторителя напряжения (замкнуть его выход на инвертирующий вход).

Настройка устройства сводится к уточнению номинала резистора R2 с целью получения при нулевом напряжении на входе минимально возможной частоты колебаний (в пределах 2…3 Гц).

Большим достоинством приведённого ГУН является отсутствие в цепях формирования пилообразного напряжения операционных усилителей, что даёт возможность получить (при уменьшении номинала С1) частот вплоть до 4…5 сотен килогерц. Дальнейшего увеличения частотного диапазона можно достичь при использовании более высокочастотной серии логических элементов. При этом, при необходимости иметь на выходе меандр, ОУ TL071, разумеется, также следует заменить на более высокочастотный.

Недостатком же данного преобразователя напряжение-частота является не очень высокий показатель линейности преобразования, который составляет 3. ..4%. Объясняется это проявлением эффекта Эрли в источнике тока (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора). Устранить этот недостаток можно включив в состав источника тока ОУ. Причём, если заставить этот источник работать в статическом режиме, а коммутацию производить посредством всё тех же быстрых МОП транзисторов, то и параметр быстродействия не сильно пострадает, и нелинейность не будет превышать 1%.

Рис.3 Схема улучшенного релаксационного генератора, управляемого напряжением

Данная схема не выглядит сложнее предыдущей, однако существенным её недостатком является необходимость использования двухполярного источника питания. Объясняется это просто – неумением большинства распространённых операционных усилителей работать с однополярными источниками питания при нулевых напряжениях на входе и выходе. И хотя в природе существуют ОУ с возможностью работать в однополярном Rail-to-Rail режиме, однако они, к сожалению, довольно дороги и дефицитны.

В приведённой схеме ОУ ОР1 и транзистор VT1 образуют генератор тока, управляемый напряжением, а всё остальное работает аналогично предыдущему ГУН, изображённому на Рис.2.
Величина напряжения -Еп некритична и может выбрана любой из диапазона: -(3…Еп).

Ну и, конечно же, было бы неправильно не упомянуть схему генератора, управляемого напряжением, приводимую в справочных данных нескольких производителей ОУ. Данный преобразователь имеет ряд недостатков, главным из которых является существенная зависимость его характеристик от внутреннего сопротивления источника управляющего напряжения, однако схема распространена и находит применение в практических устройствах. Вот что пишут по поводу данного ГУН уважаемые авторы многотомника «Искусство схемотехники» Хоровиц и Хилл:

Рис.4 Генератор сигналов специальной формы, управляемый напряжением

Интегратор на IC1 включён так, чтобы при включении Q1 ток зарядки конденсатора ( Vin/15 kΩ ) менял знак, но не величину. На IC2 собран триггер Шмитта с порогами переключения на одной трети и двух третях VREF. Q1 исполняет роль ключа и замыкает нижний конец R4 на землю, когда на выходе IC2 ВЫСОКИЙ уровень, либо размыкает цепь в противном случае.

Приятным свойством схемы является её работа от однополярного источника. TLV3501 – КМОП компаратор с выходным сигналом полного диапазона питания, т. е. на выходе триггера всё время находится либо уровень VREF, либо земля. Данный факт, в свою очередь, гарантирует неизменность порогов переключения, как это могло бы происходить, будь на месте TLV обычный ОУ, т.к. размах сигнала у таких микросхем не специфицируется. Указанные компоненты обеспечивают стабильную частоту и амплитуду треугольного сигнала. Отметим, что частота зависит только от отношения Vin/VREF, и, если Vin формировать из VREF с помощью делителя, например, с помощью какого-либо резистивного датчика, выходная частота будет меняться с изменением его сопротивления, но не с изменением VREF. Это очередной пример использования логометрической техники, позволяющей избавиться от влияния нестабильности напряжения питания.

И масштабный коэффициент для частоты, и амплитуда выходного сигнала устанавливаются опорным напряжением VREF, которым питается IC2. В данном случае его точность и стабильность задаётся 3-выводным источником IC3 на уровне +5.00 V. Если управляющее напряжение получается делением VREF, то дополнительная стабилизация уровня самого VREF не нужна, но желательна, т. к. амплитуда выходного сигнала прямо зависит именно от этого напряжения.

Для интегратора выбран прецизионный ОУ с максимальным напряжением смещения 60 μV. Сделано это для расширения диапазона регулировки частоты вниз почти до нуля вольт на входе. Данную характеристику можно описывать в терминах динамического диапазона цепи управления частотой. Входное напряжение смещения интегратора создаёт ошибку установки частоты, равную 2×Vos (из-за делителя R2R3). Иначе говоря, при Vin≈2×Vos выходная частота будет иметь ошибку 100% (т. е. она может в этот момент быть как в два раза больше установленного значения, так и быть близка к нулю). Отсюда разница между максимальной и минимальной частотой сигнала задаётся отношением VREF/Vos . Указанный на схеме LT1077C обеспечивает отношение VREF/Vin = 5V/60μV или примерно 100’000:1.

Операционный усилитель, выбранный для интегратора, должен допускать входной сигнал вплоть до уровня отрицательной шины, т. е. должен быть из числа ОУ с одним питанием. LT1077 соответствует.

Входной ток Ib интегратора также создаёт ошибку, причём её значение возрастает при низких уровнях управляющего напряжения Vin. Входные токи LT1077C хорошо согласованы между собой и равны Ib(max) = 11 nA. Такой ток вызывает на сопротивлении входных цепей ошибку для наихудшего случая порядка 30 μV, что меньше ошибки от напряжения смещения Vos. Комбинация этих величин (90 μV) сокращает динамически диапазон ненастроенной схемы до 50’000:1. Тот факт, что ошибка от Vos превышает таковую от Ib, неслучаен: именно с такой целью сделан выбор в пользу низких номиналов R1. ..R4 (и соответствующей величины C1 для задания требуемого частотного диапазона).

LT1077C можно подстраивать, чтобы расширить динамический диапазон. Поэтому реальным ограничителем точности преобразования в районе нуля является дрейф величин Vos и Ib по времени и температуре.

TLV3501 необычно шустрый (4.5 ns) компаратор с диапазоном изменения выходного сигнала, равным полному напряжению питания. Но само это напряжение ограничено +5.5 V max. Если требуется работать с более высокими значениями, придётся подобрать что-либо ещё, например, rail-to-rail ОУ CA3130. Данный усилитель относится к нескомпенсированным и показывает лучшие результаты среди малопотребляющих моделей. Правда, это старая разработка и на данный момент почти полностью исчезла из продажи. CA3130 имеет большое напряжение смещения и, к тому же, неустойчив в режиме интегратора [что там, интересно, с талантами разработчиков?], поэтому в качестве IC1 не подходит.

Ещё один вариант замены компаратора – КМОП таймер типа 555, например, ICL7555. У него стабильные пороги переключения (треть и две трети уровня питания) и выходной размах, равный полному диапазону питания.

Варианты для ключа Q1. Подойдут SD210 или 74HC4066, причём, их меньшая ёмкость улучшит работу схемы у верхней границы частотного диапазона.

Если потребляемая мощность важнее, чем максимальная частота или динамический диапазон, можно использовать в качестве обеих микросхем малопотребляющий RR КМОП ОУ, например, TLC2252 (сдвоенный, 35 μA на канал). В этом случае стоит пропорционально увеличить номиналы резисторов во входных цепях, потому что входной ток КМОП ОУ пренебрежимо мал для этой задачи.

Если интересен сдвоенный ОУ, хорошим выбором будет LM6132 – RR входы и выходы, скорость нарастания 14V/μs. В этом семействе есть варианты и побыстрее (LM6142/52), но они имеют большие входные токи и потребляемую мощность.

Ещё один вариант: комбинированная микросхема – «усилитель-компаратор-опорный источник» MAX951. Его использование рассматривалось, но выжать такие же параметры, как у комбинации на схеме Рис. 4 , ни из него, ни из специализированных таймеров, подобных LTC699x не удалось. Данная схема хороший пример результата, которого можно достичь, используя комбинацию лучших микросхем в наибольшей степени подходящих для решения конкретной задачи, по сравнению с использованием универсальных или модульных решений.

Октавный микропотребляющий высокочастотный кмоп генератор, управляемый напряжением

Настоящее изобретение относится к интегральной электронной технике и может быть использовано в составе сложно-функциональных блоков высокочастотных синтезаторов сетки частот. Технический результат — поддержание постоянной, близкой к симметричной амплитуды выходного сигнала, повышение помехоустойчивости. Октавный микропотребляющий высокочастотный генератор, управляемый напряжением, содержит четыре Р-канальных транзистора, четыре N-канальных транзистора. Связи между транзисторами обеспечивают режим самовозбуждения, а нелинейность обратной связи, зависящей от управляющих напряжений, обеспечивает расширение диапазона генерируемых частот до одной октавы. 6 ил.

Настоящее изобретение относится к интегральной электронной технике и может быть использовано в составе сложно-функциональных блоков (СФ-блоков) высокочастотных синтезаторов сетки частот (ССЧ) тактовой синхронизации КМОП СБИС.

Современная методика проектирования СБИС предполагает широкое использование библиотеки ранее разработанных и верифицированных СФ-блоков. Технология изготовления кристалла СБИС подразумевает технологическую и конструктивную совместимость входящих в него СФ-блоков. При этом необходимо решать следующие проблемы:

— Минимизация площади, занимаемой СФ-блоками на кристалле СБИС.

— Минимизация энергопотребления и уровня помех по цепям питания.

— Повышение помехоустойчивости СФ-блоков.

В качестве СФ-блоков ССЧ тактовой синхронизации СБИС наибольшее распространение получили решения, основанные на использовании генератора, управляемого напряжением (ГУН), частота и фаза выходного сигнала которого стабилизируются с помощью контура импульсной фазовой автоподстройки частоты. Высокочастотный ГУН является источником помех по цепям питания для соседних СФ-блоков, а также сам подвержен влиянию помех, нарушающих его работу. Кроме того, во многих СБИС для уменьшения энергопотребления используются режимы динамической подстройки тактовой частоты под запросы исполняемого приложения. При этом диапазон перестройки ГУН СФ-блока ССЧ должен составлять не менее одной октавы.

При реализации СФ-блока ГУН должны быть выполнены следующие условия:

— Изготовление ГУН по той же технологии, что и ядро СБИС.

— ГУН должен иметь малую потребляемую мощность, а напряжение питания должно быть равным напряжению питания ядра СБИС.

— Амплитуда сигнала колебания ГУН должна быть близкой к значению напряжения питания во всем диапазоне частот. Длительности фронта и спада сигнала колебания должны быть примерно равны.

В качестве ГУН для СФ-блоков ССЧ тактовой синхронизации СБИС наибольшее распространение получили полностью интегральные кольцевые ГУН. Типовая структурная схема кольцевого КМОП ГУН представлена на фиг. 1. В состав генератора входит блок 11 формирования управляющих напряжений Pent и Ncnt, задаваемых напряжением Vent, и генерирующее кольцо 12. Типовое генерирующее кольцо состоит из последовательно включенных инверторов с регулируемой напряжениями Pent и Ncnt длительностью распространения сигнала переключения. За счет общей отрицательной обратной связи в генерирующем кольце происходит вынужденное колебание, частота которого определяется количеством инверторов в кольце и общей задержкой их переключений. Выходной сигнал OUT с генерирующего кольца поступает на элементы, предназначенные для увеличения крутизны фронта и спада и нагрузочной способности выхода ГУН.

Для расширения диапазона частот типового генерирующего кольца требуется соответствующее изменение длительностей фронта и спада сигнала колебания в широких пределах. При этом более пологие фронт и спад колебания будут более чувствительны к помехам по цепям питания и по подложке кристалла СБИС. В результате чего моменты переключения элементов генерирующего кольца будут перемещаться от своего идеального местоположения во времени, тем самым увеличивая значение фазового шума в генерируемом сигнале.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является схема инвертора кольцевого КМОП ГУН, описанная в патенте Российской Федерации №2397603 (С1) «Широкодиапазонный кольцевой генератор, управляемый напряжением», МПК Н03В 5/08, Н03В 29/00 [1]. Эта схема выбрана в качестве прототипа заявляемого изобретения и изображена на фиг.2.

Общим признаком изобретения [1] с заявляемым изобретением является то, что в дополнении к изменению длительностей фронта и спада сигнала колебания, одновременно осуществляется изменение значений входных напряжений переключений схемы. Результатом такого комбинированного взаимодействия длительностей и уровней переключений является расширение диапазона рабочих частот генерирующего кольца, причем при меньших изменениях управляющего тока и длительностей фронта и спада сигнала колебания.

Однако, как показано в изобретении [1], для создания генерирующего кольца, имеющего диапазон частот, равный двум октавам, необходимо использовать последовательное включение трех таких схем. При этом общее количество транзисторов равно 18, что, несмотря на двухоктавный диапазон частот, является недостатком данной схемы.

Генерирующее кольцо, реализованное с использованием одной схемы изобретения [1] представлено в статье [2]: «Развитие схемотехники высокочастотного управляемого КМОП генератора для микросхемы класса «Система на кристалле»» /Зайцев А.А. // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике: материалы 7-й Всерос. научн.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2010. — С.178-182. Генерирующее кольцо статьи [2] представлено на на фиг.3 и образовано последовательным включением схемы 21 изобретения [1] и буферного элемента 31 с регулируемой длительностью распространения сигнала переключения. При диапазоне генерируемых частот, равном одной октаве, общее количество транзисторов равно 12, что является недостатком данной схемы.

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание микропотребляющего высокочастотного ГУН, состоящего из восьми транзисторов, изготавливаемых в стандартном цифровом КМОП техпроцессе, что определяет его компактность и конструктивную совместимость с другими блоками КМОП СБИС. Генератор обеспечивает диапазон частот, равный одной октаве, в котором поддерживает постоянную, близкую к симметричной, амплитуду сигнала, равную напряжению питания, что повышает его помехоустойчивость. При этом генератор имеет малое постоянное значение и малые пульсации потребляемого тока и сам не создает помех для других блоков СБИС.

Указанный результат достигается за счет того, что в схеме изобретения [1] с управляемыми током уровнями и длительностями фронта и спада сигнала переключения, содержащей: первый, второй, третий, четвертый и пятый выводы; первый, второй и третий Р-канальные транзисторы; первый, второй и третий N-канальные транзисторы; первый вывод первого Р-канального транзистора и первый вывод первого N-канального транзистора соединены между собой; второй вывод первого, третий вывод второго и второй вывод третьего Р-канальных транзисторов соединены между собой; второй вывод первого, третий вывод второго и второй вывод третьего N-канальных транзисторов соединены между собой; первый вывод второго Р-канального транзистора подключен к первому выводу устройства; первый вывод второго N-канального транзистора подключен к второму выводу устройства; второй вывод второго Р-канального транзистора и третий вывод третьего N-канального транзистора подключены к третьему выводу устройства; второй вывод второго N-канального транзистора и третий вывод третьего Р-канального транзистора подключены к четвертому выводу устройства; третий вывод первого и первый вывод третьего Р-канальных транзисторов, третий вывод первого и первый вывод третьего N-канальных транзисторов подключены к пятому выводу устройства, предложено ввести четвертый Р-канальный транзистор и четвертый N-канальный транзистор; первый вывод четвертого и первый вывод второго Р-канальных транзисторов соединить между собой; второй вывод четвертого и второй вывод первого Р-канальных транзисторов соединить между собой; третий вывод четвертого и первый вывод первого Р-канальных транзисторов соединить между собой; первый вывод четвертого и первый вывод второго N-канальных транзисторов соединить между собой; второй вывод четвертого и второй вывод первого N-канальных транзисторов соединить между собой; третий вывод четвертого и первый вывод первого N-канальных транзисторов соединить между собой.

В заявляемом изобретении, также как и в изобретении [1], при уменьшении управляющего напряжения на первом и втором выводах устройства и соответственном уменьшении значения тока переключения, происходит не только увеличение фронта и спада сигнала колебания, но и одновременно расхождение значений потенциалов напряжений переключений схемы, что приводит к увеличению задержки распространения сигнала колебания. И наоборот, при увеличении управляющего напряжения и соответственном увеличении значения тока переключения происходит не только обострение фронта и спада сигнала колебания, но и сближение потенциалов напряжений переключения схемы, что приводит к уменьшению задержки распространения сигнала колебания.

Новшеством в схеме КМОП ГУН заявляемого изобретения является то, что введенные четвертый Р-канальный транзистор и четвертый N-канальный транзистор создают внутреннюю нелинейную отрицательную обратную связь, зависящую от величин управляющих напряжений на первом и втором выводах устройства. Через данную связь соединенные вместе первые выводы первых Р- и N-канальных транзисторов попеременно подключаются к выходным потенциалам управляемых источников тока, образованных вторыми Р- и N-канальными транзисторами. В зависимости от состояния выхода генератора, подключение происходит или через четвертый Р- или четвертый N-канальные транзисторы, вызывая самовозбуждение ГУН. Нелинейность обратной связи обеспечивает расширение диапазона генерируемых частот до одной октавы, при этом амплитуда сигнала колебания на выходе генератора приближается к значению напряжения питания.

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

Фиг.1. Типовая структурная схема кольцевого КМОП ГУН.

Фиг.2. Схема инвертора кольцевого КМОП ГУН, представленная в изобретении [1] и выбранная в качестве прототипа заявляемого изобретения.

Фиг.3. Схема генерирующего кольца, представленного в статье [2].

Фиг.4. Схема КМОП ГУН, заявляемая в данном изобретении.

Фиг.5. Диаграммы сигналов заявляемой схемы КМОП ГУН при генерации выходного сигнала частотой 0,5 ГГц.

Фиг.6. Диаграммы сигналов заявляемой схемы КМОП ГУН при генерации выходного сигнала частотой 1,0 ГГц.

Заявляемая в данном изобретении схема КМОП ГУН представлена на фиг.4. Генератор имеет: первый (Pent) и второй (Ncnt) выводы для подключения управляющих сигналов, третий (VDD) и четвертый (GND) выводы для подключения напряжения и общего питания, пятый вывод (OUT) выходного генерируемого сигнала. В состав генератора входят: первый (Р1), второй (Р2), третий (Р3) и четвертый (Р4) Р-канальные транзисторы и первый (N1), второй (N2), третий (N3) и четвертый (N4) N-канальные транзисторы. Первый вывод транзистора Р1, третий вывод транзистора Р4, первый вывод транзистора N1 и третий вывод транзистора N4 соединены между собой. Второй вывод транзистора Р1, третий вывод транзистора Р2, второй вывод транзистора РЗ и второй вывод транзистора Р4 соединены между собой. Второй вывод транзистора N1, третий вывод транзистора N2, второй вывод транзистора N3 и второй вывод транзистора N4 соединены между собой. Первый вывод транзистора Р2 и первый вывод транзистора Р4 подключены к первому выводу Pent устройства. Первый вывод транзистора N2 и первый вывод транзистора N4 подключены к второму выводу Ncnt устройства. Второй вывод транзистора Р2 и третий вывод транзистора N3 подключены к третьему выводу VDD устройства. Второй вывод транзистора N2 и третий вывод транзистора Р3 подключены к четвертому выводу GND устройства. Третий вывод транзистора Р1, первый вывод транзистора РЗ, третий вывод транзистора N1 и первый вывод транзистора N3 подключены к пятому выводу OUT устройства.

Заявляемое изобретение работает следующим образом. Пусть на вывод VDD относительно вывода GND подано напряжение питания, на выводы Pent и Ncnt поданы соответствующие напряжения управления. Пусть потенциал напряжения на выводе OUT устройства находится в состоянии напряжения низкого уровня при котором каналы транзисторов Р1 и N3 закрыты, а каналы транзисторов Р3 и N1 открыты. Тогда, через транзисторы Р2 и РЗ от вывода VDD к выводу GND протекает ток, ограниченный напряжением управления на выводе Pent. При этом уровень напряжения на выводе 3 транзистора Р2 зависит от величины протекающего через него тока и значения сопротивления открытого канала транзистора Р3. Чем меньше значение протекающего тока, тем выше уровень падения напряжения между выводами 2 и 3 транзистора Р2 и, соответственно, ниже потенциал напряжения между выводами 1 и 2 транзистора Р4, в результате чего транзистор Р4 переходит в закрытое состояние. Одновременно, через открытый канал транзистора N2 потенциал напряжения на его выводе 3 стремится к уровню вывода GND, увеличивая потенциал напряжения между выводами 1 и 2 транзистора N4. В результате, канал транзистора N4 открывается и потенциал напряжения на первых выводах транзисторов Р1 и N1 стремится к уровню GND. Причем величина тока, перезаряжающего паразитную емкость этого узла, зависит от значения управляющего напряжения Ncnt. Когда потенциал напряжения на первых выводах транзисторов Р1 и N1 достигнет соответствующего уровня от напряжения между вторыми выводами транзисторов Р1 и N1, канал транзистора Р1 откроется, а канал транзистора N1 закроется и вывод OUT устройства переключится в состояние напряжения высокого уровня. При этом ток переключения зависит от значения управляющего напряжения Pent.

Наличие потенциала напряжения высокого уровня на выводе OUT закрывает канал транзистора РЗ и открывает канал транзистора N3. Через транзисторы N3 и N2 от вывода VDD к выводу GND протекает ток, ограниченный напряжением сигнала управления на выводе Ncnt. При этом уровень напряжения на выводе 3 транзистора N2 зависит от величины протекающего через него тока и значения сопротивления открытого канала транзистора N3. Чем меньше значение протекающего тока, тем выше уровень падения напряжения между выводами 2 и 3 транзистора N2 и, соответственно, ниже потенциал напряжения между выводами 1 и 2 транзистора N4, в результате чего транзистор N4 переходит в закрытое состояние. Одновременно, через открытый канал транзистора Р2 потенциал напряжения на его выводе 3 стремится к уровню вывода VDD, увеличивая потенциал напряжения между выводами 1 и 2 транзистора Р4. В результате канал транзистора Р4 открывается и потенциал напряжения на первых выводах транзисторов Р1 и N1 стремится к уровню VDD. Причем величина тока, перезаряжающего паразитную емкость этого узла, зависит от значения управляющего напряжения Pent. Когда потенциал напряжения на первых выводах транзисторов Р1 и N1 достигнет соответствующего уровня от напряжения между вторыми выводами транзисторов Р1 и N1, канал транзистора Р1 закроется, а канал транзистора N1 откроется и вывод OUT устройства переключится в состояние напряжения низкого уровня. При этом ток переключения зависит от значения управляющего напряжения Ncnt.

Таким образом, в заявляемой схеме КМОП ГУН возникает самовозбуждение с частотой, зависящей от величины токов переключения схемы, управляемых значениями потенциалов напряжений на выводах Pent и Ncnt. При генерации сигнала низкой частоты при уменьшении значения тока переключения происходит не только завал фронта и спада сигнала колебания, но и одновременно расхождение уровней потенциалов напряжений на первых выводах транзисторов Р1 и N1, требуемых для переключений третьих выводов транзисторов Р1 и N1 в направлении VDD и в направлении GND. Это приводит к увеличению задержки переключения сигнала, а значит, к уменьшению частоты колебания. При генерации сигнала высокой частоты при увеличении значения тока переключения одновременно происходит не только обострение фронта и спада сигнала колебания, но и сближение требуемых уровней потенциалов напряжений для переключений транзисторов Р1 и N1, что приводит к уменьшению задержки переключения сигнала, а значит, к увеличению частоты колебания. Результатом взаимодействия этих факторов является расширение диапазона генерируемых частот, в котором амплитуда генерируемого сигнала поддерживается постоянной и близкой к значению напряжения питания.

Для защиты ГУН СФ-блока ССЧ от помех по цепям питания, по подложке и посредством электромагнитных волн, в его конструкции применяются охранные кольца и электростатическое экранирование. Электростатическое экранирование осуществляется слоями металлизации, имеющими контакты с подложкой по всему периметру СФ-блока. Дополнительные экраны, располагаемые над Р-канальными транзисторами, соединяются с потенциалом VDD, а располагаемые над N-канальными транзисторами, — с потенциалом GND.

На фиг.5 и фиг.6. представлены диаграммы сигналов заявляемой схемы ГУН, реализованного по технологическому процессу КМОП 180 нм. Диаграммы на фиг.5 соответствуют частоте выходного сигнала, равной 0,5 ГГц. На фиг.6 частота выходного сигнала равна 1,0 ГГц. В верхней части чертежей представлены диаграммы токов, в нижней части чертежей — диаграммы напряжений.

Условные обозначения на диаграммах соответствуют:

IVDD — ток, потребляемый схемой по линии напряжения питания VDD;

IР2 — ток, протекающий через транзистор Р2;

IN2 — ток, протекающий через транзистор N2;

IР4 — ток, протекающий через транзистор Р4;

IN4 — ток, протекающий через транзистор N4;

VPN1 — напряжение нелинейной обратной связи на первых выводах транзисторов Р1 и N1;

VP2 — напряжение на выводе 3 транзистора Р2;

VN2 — напряжение на выводе 3 транзистора N2;

VOUT — напряжение на выводе OUT.

В обоих случаях наблюдаются практически симметричные сигналы колебаний, происходящих относительно уровня половины напряжения питания с коэффициентом заполнения, равным 0,5±5%. При этом амплитуда сигнала нелинейной обратной связи VPN1 превышает половину значения напряжения питания, а амплитуда сигнала OUT поддерживается близкой к напряжению питания схемы, равному 1,8 В. При генерации сигнала частотой 0,5 ГГц среднее значение потребляемого тока составляет 16 мкА (30 мкВт), величина пульсаций тока составляет +7/-6 мкА. При генерации сигнала частотой 1,0 ГГц среднее значение потребляемого тока составляет 27 мкА (50 мкВт), величина пульсаций +6/-7 мкА.

Диапазон генерируемых частот в заявляемой схеме КМОП ГУН может быть изменен подключением конденсатора соответствующей емкости: между выводом OUT и выводами VDD или GND; между первыми выводами транзисторов Р1 и N1 и выводами VDD или GND; между первыми выводами транзисторов Р1 и N1 и выводом OUT; комбинацией данных подключений. Требуемый конденсатор может быть образован слоями металлизации, транзисторными структурами или иным способом, удобным при интегральной реализации.

Заявляемая схема КМОП ГУН состоит из восьми транзисторов, изготавливаемых в стандартном цифровом КМОП техпроцессе, что определяет его компактность и конструктивную совместимость с другими блоками КМОП СБИС. Благодаря образованной внутренней нелинейной отрицательной обратной связи генератор вырабатывает сигнал с диапазоном частот, равным одной октаве, в котором поддерживает постоянную, близкую к симметричной амплитуду выходного сигнала колебания, равную напряжению питания, что повышает его помехоустойчивость. При этом генератор имеет малое постоянное значение и малые пульсации потребляемого тока и не создает помех для других блоков СБИС.

Совокупность этих качеств позволяет использовать заявляемую схему КМОП ГУН при разработке микропотребляющих СФ-блоков ССЧ тактовой синхронизации, предназначенных для применения в составе СБИС самого широкого назначения от АЦП до микропроцессоров.

Октавный микропотребляющий высокочастотный генератор, управляемый напряжением, содержащий: первый, второй, третий, четвертый и пятый выводы; первый, второй и третий Р-канальные транзисторы; первый, второй и третий N-канальные транзисторы; первый вывод первого Р-канального транзистора и первый вывод первого N-канального транзистора соединены между собой; второй вывод первого, третий вывод второго и второй вывод третьего Р-канальных транзисторов соединены между собой; второй вывод первого, третий вывод второго и второй вывод третьего N-канальных транзисторов соединены между собой; первый вывод второго Р-канального транзистора подключен к первому выводу устройства; первый вывод второго N-канального транзистора подключен к второму выводу устройства; второй вывод второго Р-канального транзистора и третий вывод третьего N-канального транзистора подключены к третьему выводу устройства; второй вывод второго N-канального транзистора и третий вывод третьего Р-канального транзистора подключены к четвертому выводу устройства; третий вывод первого и первый вывод третьего Р-канальных транзисторов, третий вывод первого и первый вывод третьего N-канальных транзисторов подключены к пятому выводу устройства, отличающийся тем, что введены четвертый Р-канальный транзистор и четвертый N-канальный транзистор; первый вывод четвертого и первый вывод второго Р-канальных транзисторов соединены между собой; второй вывод четвертого и второй вывод первого Р-канальных транзисторов соединены между собой; третий вывод четвертого и первый вывод первого Р-канальных транзисторов соединены между собой; первый вывод четвертого и первый вывод второго N-канальных транзисторов соединены между собой; второй вывод четвертого и второй вывод первого N-канальных транзисторов соединены между собой; третий вывод четвертого и первый вывод первого N-канальных транзисторов соединены между собой.

Диагностика зарядных систем с компьютерным управлением | МОТОР

Иногда мы дурачимся, делая работу сложнее, чем она есть на самом деле. Позже мы оглядываемся назад и понимаем, что стоим себе времени, денег и горя, делая задачу более сложной, чем она должна быть. Вау! У нас уже достаточно обострений, не так ли?

Диагностика системы зарядки относится к этой категории, и я считаю, что она должна быть максимально простой. Путь к упрощению всегда заключался в том, чтобы разделять и властвовать. Другими словами, разделите систему зарядки автомобиля, тщательно изолировав подозрительный генератор. Затем замените генератор, если он по-прежнему не работает или работает неправильно.

Диагностические помещения

Единственным, наиболее распространенным симптомом системы зарядки является разряженный аккумулятор. Во-первых, всегда заряжайте или заменяйте батарею по мере необходимости, а затем проверяйте систему зарядки. Предположим, что система не проходит рутинные тесты напряжения и силы тока, особенно генератор переменного тока, который вообще не заряжается. На этом этапе диагностическими выборами были неисправный генератор или неисправность проводки. Естественно, тщательное испытание на падение напряжения выявит любые проблемы с проводкой и/или плохие соединения.

К сожалению, многие современные системы зарядки имеют третью возможность отказа — компьютер! Эта комбинация возможных проблем является одной из убедительных причин, по которой изоляция генератора более уместна, чем когда-либо прежде. Еще одна веская причина – это время, необходимое для восстановления и восстановления некоторых из этих генераторов переменного тока. Если вы тратите это время, вы хотите знать, что усилия оправданы.

es, вы должны получить доступ к генератору и подключить что-то к нему, чтобы изолировать его. Но вы, вероятно, все равно направлялись к этому подозрительному генератору. И как только вы сделаете правильное подключение, этот подход полностью отделит генератор от компьютера и его проводки. Теперь, если этот генератор по-прежнему не заряжается нормально, вы уверены, что должны заменить его и повторить проверку.

Однако, если так называемый изолированный генератор заряжается нормально, проблема должна быть где-то вне генератора. Это означает, что вам нужно время для устранения неполадок, чтобы методично отследить проблему. Вежливо объясните клиенту формат диагностики. Если он или она не разрешит даже минимальное количество времени для диагностики, соберите все, что вы сделали до сих пор, и переходите к следующему автомобилю. Зачем ввязываться в потенциально длительную процедуру устранения неполадок, если вам за это не заплатят?

Позвольте мне отдать должное старому сканеру, прежде чем я продолжу. Многие инструменты сканирования имеют чрезвычайно полезный набор активных или выходных тестов. Они могут включать в себя возможность управлять зарядкой генератора переменного тока. Но предположим, что вы даете генератору команду зарядиться, а он не отвечает. В крайнем случае, является ли основная проблема сканером или его программным обеспечением? Или это сбой ECM, проблема с проводкой или неисправный генератор?

Здесь я сконцентрируюсь на обеспечении бесплатных условий для популярных систем General Motors и Chrysler. Форды это тема для другого раза. Я исхожу из того, что вы также ознакомитесь с соответствующим руководством по ремонту и электрической схемой для рассматриваемого автомобиля.

Клемма GM L

В подавляющем большинстве продуктов General Motors с 1986 года используются генераторы переменного тока с одними и теми же базовыми клеммами. Самые популярные генераторы переменного тока имеют клеммы P-L-I-S или P-L-F-S. Помните, что разъем жгута для генератора P-L-I-S физически взаимозаменяем с разъемом для блока P-L-F-S. В целях нашей тактики изоляции нас интересуют только клеммы P и L.

Более ранние генераторы переменного тока с таким расположением клемм имели прямоугольные разъемы жгута; более поздние имеют разъемы овальной формы. Львиная доля продуктов GM, поступающих в ваши отсеки, имеет овальный разъем генератора, который использовался до середины 2000-х годов.

Самое интересное, что независимо от формы разъема, первый контакт всегда является клеммой P. Я сейчас остановлюсь на P. Второй контакт всегда L, что обозначает лампу или индикатор заряда. Ключом к работе этих генераторов является подача питания или возбуждение на клемму L. Типичный генератор P-L-I-S или P-L-F-S будет работать только на клемме L. Действительно, миллионы автомобилей GM, прошедших через вашу мастерскую, имели разъем генератора переменного тока с одним проводом — одинокий провод, подключенный к клемме L.

Электрические системы наиболее распространенных автомобилей GM подают напряжение 5,00 или 12,00 В на клемму L после запуска двигателя. Помните, что эти генераторы немедленно отключаются, если L теряет питание! Не менее важно и то, что для питания L и поддержания работы генератора переменного тока требуется лишь очень небольшое количество постоянного тока. Я измерял ток во многих L-цепях; обычно это всего от 5 до 8 миллиампер (от 0,005 до 0,008 ампер) при нормальной работе генератора.

Клемма GM P

Клемма P, обозначающая фазу, является клеммой статора. Типичные генераторы P-L-I-S или P-L-F-S имеют работающие клеммы P, но редко можно увидеть провод, подключенный к P на автомобиле. Предположим, что есть хорошая цепь от выходной клеммы генератора переменного тока (BAT) к положительной клемме аккумулятора, и генератор правильно заземлен. В этом случае запустите двигатель и тщательно измерьте обратное напряжение P. Напряжение статора исправного генератора составляет половину зарядного напряжения плюс-минус около 0,50 вольт. Следовательно, если напряжение на BAT равно 14,00, P должно быть равно 7,00 вольт или очень близко к этому. Опыт показывает, что при выходе из строя статора или диода напряжение статора намного выше или ниже половины значения.

Процедура проверки изоляции

Предположим, вы работаете над системой зарядки GM с общими клеммами, которые я описал ранее (P-L-I-S или P-L-F-S). Генератор не заряжается, а вы уже проверили массу и выходные цепи. Выключите зажигание и отсоедините разъем жгута от генератора. Вы можете изолировать генератор этого типа, возбудив или подав напряжение на клемму L независимо от электрической системы. Генератор исправен, если он правильно заряжается, когда вы возбуждаете клемму L.

Вы можете купить подходящий инструмент возбуждения или изготовить его самостоятельно. Имейте в виду эти моменты, если вы делаете свой собственный: во-первых, многие генераторы установлены в неудобном месте, где вы едва можете достать пальцами до разъема жгута. Во-вторых, клеммы (включая L) утоплены глубоко внутрь разъема; надежное подключение к L может быть проблемой, даже если генератор легко доступен. В-третьих, безопасное соединение с L жизненно важно для точного теста.

Я обнаружил, что использование обычного разъема жгута генератора — это самый простой и надежный способ самостоятельного подключения к клемме L. Приобретите разъем типа P-L-I-S/P-L-F-S у одного из ваших поставщиков или на свалке. По сути, идея состоит в том, чтобы соединить перемычкой L непосредственно с положительной клеммой аккумулятора, но ограничить ток, протекающий через эту цепь, с помощью небольшой лампочки. Простой и эффективный подход — сращивание № 19.4 лампочки между аккумулятором и клеммой L разъема жгута проводов. Патрон с косичками для лампы № 194 можно легко найти в магазинах запчастей и на свалках. К вашему сведению, эта лампа рассчитана на 270 мА (0,270 ампер).

Никогда не прокладывайте перемычку напрямую от положительной клеммы аккумулятора к клемме L, потому что это почти наверняка приведет к подгоранию регулятора напряжения.

Итак, зажигание выключено, и вы подаете напряжение на клемму L через слаботочную лампочку. Теперь лампочка должна загореться. Замените генератор, если лампочка не горит. Но если лампочка горит, запустите двигатель. Исправный генератор выключит лампочку, а затем пройдет стандартные тесты зарядки в вольтах/амперах.

Обратите внимание, что вы можете столкнуться с несколькими отличными регуляторами напряжения, которые не могут включить лампочку № 194 до нормальной яркости. На самом деле, вас беспокоит, загорается ли лампочка или нет, и точка. Но если вы суетливы, избегайте этого потенциального раздражения, используя лампочку с меньшим током, такую как лампа на приборной панели № 53. Он рассчитан на 120 мА (0,120 ампер).

Более того, вы можете увеличить полезность самодельного изолирующего жгута, установив клемму и провод в положение P, чтобы можно было проверять напряжение статора. Если генератор переменного тока выключает слаботочные лампы и выдает нормальное напряжение статора, это еще одно измерение, указывающее на то, что генератор исправен.

Аккумуляторы с выносным креплением

Возможно, вам придется диагностировать состояние отсутствия заряда на автомобиле GM с аккумулятором с выносным креплением. Техника отключения генератора в таком случае точно такая же, как только что описанная, но может потребоваться дополнительный шаг. Вот информация, которая вам нужна.

Автомобили GM с кузовом G 1990-х годов, в том числе Buick Riviera, Olds Aurora и Cadillac Allanté, имеют аккумулятор, установленный под задним сиденьем. Система зарядки на этих автомобилях также может иметь термистор, который контролирует температуру аккумулятора. Если это так, термистор расположен на положительной клемме аккумуляторной батареи и подключен последовательно между аккумуляторной батареей и клеммой S генератора. Обратите внимание, что на генераторах, обсуждаемых в этой статье, клемма S всегда находится на противоположном конце разъема жгута проводов от клеммы P.

Во-первых, проверьте электрическую схему конкретного автомобиля или осмотрите область плюсовой клеммы аккумулятора. Если автомобиль оснащен термистором, вы должны воссоздать схему датчика в стиле термистора, чтобы точно проверить генератор. Пойдите в магазин электроники и приобретите резистор или комбинацию резисторов общим сопротивлением примерно 1800 Ом (для этой задачи достаточно резисторов 1/2 Вт).

Сделайте перемычку достаточной длины, чтобы пройти от клеммы S генератора до положительной клеммы аккумуляторной батареи. Осторожно вставьте сопротивление 1800 Ом в эту перемычку. Теперь генератор должен нормально работать со слаботочной лампочкой, подключенной последовательно к клемме L, и резистором 1800 Ом, последовательно подключенной к клемме S.

Chrysler Charging Systems

Чем больше некоторые вещи меняются, тем больше они остаются неизменными. Например, внимательно посмотрите на наиболее распространенные системы Chrysler, находящиеся в эксплуатации с 1989-90 гг. Прежде всего, эти системы в основном одинаковы. Во-вторых, на самом деле это всего лишь варианты систем Chrysler первого поколения 1960-х годов. В-третьих, они настолько сложны, насколько вы решите их сделать.

В самых ранних системах Chrysler на задней части генератора переменного тока есть две полевые клеммы. Питание от батареи подается на один терминал — технически не имеет значения, на какой именно. Внешний регулятор напряжения управляет генератором переменного тока, переключая другую полевую клемму; то есть он включает и выключает другую полевую клемму на землю. Чем дольше эта полевая клемма заземлена, тем дольше заряжается генератор переменного тока, и наоборот.

Предположим, что эта более ранняя система зарядки не заряжается. Во-первых, убедитесь, что на один полевой терминал подается питание от батареи. Если питания нет, проследите эту ветвь цепи возбуждения, устраните проблему и повторите проверку. Во-вторых, если на одной полевой клемме есть питание от батареи, проверьте напряжение батареи на другой полевой клемме при включенном зажигании и выключенном двигателе. Замените генератор, если напряжение на другой клемме равно 0. Это означает, что цепь возбуждения разомкнулась где-то внутри генератора; щетки скорее всего износились. (Кстати, изношенные щетки являются частой причиной отказа генератора переменного тока в системах Chrysler с компьютерным управлением.) Но если другой полевой терминал измеряет напряжение батареи, продолжайте тестирование.

На этом этапе вы можете изолировать генератор переменного тока от регулятора, просто заземлив клемму заземления — ту, которая подключена к регулятору. Генератор заряжает? Если да, то либо цепь заземления разомкнута, либо вышел из строя регулятор напряжения.

Вы можете выполнить еще одну простую проверку системы, подключив слаботочный тестовый светильник, измеритель рабочего цикла или осциллограф к клемме заземления. Затем перезапустите двигатель. Если регулятор включает и выключает наземную сторону поля, контрольная лампочка должна мигать. Или измеритель рабочего цикла должен показывать показание рабочего цикла. Осциллограф должен показать, что поле переключается между напряжением батареи и примерно 0 вольт. Если ни один из этих методов не показывает активность на стороне заземления поля, это еще один признак того, что существует обрыв цепи заземления или неисправный регулятор напряжения.

Хорошо, давайте перенесемся к современным системам зарядки Chrysler. Первое большое отличие заключается в том, что Chrysler уже много лет не производит собственных генераторов переменного тока. Во-вторых, до генераторов зачастую гораздо труднее добраться. В-третьих, ЭБУ управляет цепью возбуждения, поэтому теперь компьютер заменил относительно недорогой автономный регулятор напряжения. В-четвертых, Chrysler постепенно перешел на управление B-контуром; это означает, что ECM переключает горячую сторону цепи возбуждения вместо стороны массы.

Тестовые приемы, которые я только что описал для старых систем зарядки Chrysler, применимы и к версиям с компьютерным управлением. Но есть важные меры предосторожности, которые вы должны принять при отключении генератора переменного тока в одной из современных систем. Некоторые технические специалисты изолируют подозрительный генератор от электрической системы, заземляя соответствующую полевую клемму с помощью перемычки. Очевидно, что такой подход обходит всю наземную часть поля, включая ЭВМ. Если генератор заряжается, техник знает, что проблема в этой стороне цепи возбуждения.

С другой стороны, вы изолируете генератор переменного тока B-цепи, подавая напряжение батареи на его клемму горячего поля. Помните, системы зарядки B-цепи начали появляться на автомобилях Chrysler в 2002 модельном году. Поэтому, если вы сомневаетесь, проверьте соответствующую схему, прежде чем вешать перемычку где-либо на такой автомобиль!

Также можно изолировать генератор на автомобиле Chrysler, отсоединив оба провода возбуждения от задней части генератора. Подключите перемычку питания аккумулятора к одной полевой клемме, а затем заземлите другую. Преимущество здесь в том, что обход обеих сторон цепи возбуждения полностью отделяет цепь возбуждения от остальной части электрической системы. Более того, ротору генератора все равно, в каком направлении через него протекает ток возбуждения, лишь бы он протекал. Так что на данный момент вам не нужно беспокоиться о том, какая полевая клемма горячая, а какая заземлена.

Вы можете еще больше ускорить этот метод изоляции, сделав набор проводов-перемычек Chrysler с розетками. Подавляющее большинство продуктов Chrysler, которые вы обслуживаете, имеют генераторы Nippondenso или Mitsubishi с полевыми клеммами типа «папа». Каждый вилочный полевой терминал обычно имеет ширину 0,097 дюйма, поэтому гнездовой терминал шириной 0,110 дюйма подойдет идеально.

Пожалуй, наиболее уместной мерой предосторожности в этом обсуждении является напоминание о том, что обход ECM с полным полем запускает генератор. Это означает, что генератор переменного тока работает неконтролируемо на автомобиле, оснащенном электроникой, поэтому соблюдайте соответствующие меры предосторожности. Например, убедитесь, что все электрические принадлежности отключены заранее. Затем подключите цифровой вольтметр к аккумулятору. Надежно подсоедините проволочную перемычку к клемме(ам) возбуждения генератора перед запуском двигателя. Затем запустите двигатель и подключите перемычку (перемычки) к источнику питания и/или заземлению по мере необходимости, но только на время, достаточное для того, чтобы проверить, заряжается ли генератор. Отсоедините перемычку, как только увидите реакцию цифрового вольтметра.

Опыт показывает, что эти генераторы обычно заряжают или не заряжают. Увеличение оборотов двигателя не превратит плохой генератор в хороший во время теста на изоляцию. Единственное, что обороты двигателя делают для неконтролируемой системы зарядки, — это потенциальная отправка выходного сигнала генератора в стратосферу!

Комплект изоляции вторичного рынка

Наконец, не забывайте о практичности использования комплекта изоляции генератора переменного тока, такого как I-60 от JIMCO, Inc. (продажи @jimcotest.com; 816-331-1917). Я впервые упомянул об этом еще летом 1999 года, и это до сих пор единственный автономный тестовый набор, который я нашел. Как правило, этот комплект обходит всю внешнюю проводку, за исключением выходного провода генератора.

JIMCO уже более 30 лет производит контрольно-измерительное оборудование для ремонтных мастерских и автоэлектриков. Одной из ее особенностей были жгуты адаптеров, которые соединяют самые разные генераторы переменного тока с ее испытательными стендами. Эффективные адаптеры экономят время, сводя к минимуму использование перемычек, и повышают точность, заставляя генератор на испытательном стенде думать, что он работает в автомобиле.

Тестовый комплект I-60 позволяет использовать этот обширный набор жгутов адаптеров в автомобиле, а не на испытательном стенде, что позволяет изолировать подозрительный генератор от электрической системы. Сердцем комплекта является небольшая коробка с двумя проводами, идущими непосредственно к аккумулятору автомобиля. Жгуты проводов адаптера для конкретного автомобиля, которые соединяют I-60 с генератором, подключаются к собственному разъему тестера.

Обычные генераторы переменного тока имеют внутренние регуляторы напряжения. Этот комплект позволяет безопасно тестировать системы зарядки в нормальных условиях эксплуатации, поскольку он обходит только внешнюю проводку, а не регулятор напряжения. Фактически, установка JIMCO для тестирования обычных систем Chrysler заменяет ECM собственным твердотельным постоянным напряжением. Это позволяет провести безопасную и тщательную проверку генератора, минуя проводку автомобиля и ECM. При необходимости жгут проводов адаптера для конкретного применения включает в себя такие функции, как слаботочная лампочка возбуждения и контрольная точка для измерения напряжения статора.

Нет, такой комплект, как у JIMCO, не будет думать за вас и не избавит от необходимости методических испытаний на падение напряжения. Но это дает вам большое преимущество в разделении и завоевании этих сложных систем зарядки. Удачи там, и сохранять хладнокровие!

Загрузить PDF

Журнал Gears — Высокая производительность: взгляд на современные системы зарядки

Чем дольше я работаю, тем больше я понимаю важность основ. Сколько раз вы решали сложную проблему с транспортным средством только для того, чтобы обнаружить, что проблема была чем-то действительно простым?

Благодаря ежегодным семинарам я обнаружил, что у нас, вероятно, есть некоторая информация, касающаяся сил и оснований системы. Чем сложнее система, тем больше потребность в надлежащем источнике питания и заземлении.

Системы зарядки транспортных средств стали облагаться большими налогами с появлением все большего количества контроллеров и опций транспортных средств. Если система зарядки не обеспечивает необходимое напряжение и силу тока, это, вероятно, вызовет проблемы с работой различных систем, включая трансмиссию. Понимание современной технологии системы зарядки является ключом не только к диагностике, но и к успешному ремонту автомобиля.

Итак, давайте рассмотрим типичную систему зарядки, используемую в современных автомобилях GM, Ford, Honda и Chrysler. Системы регулирования напряжения (RVC), используемые в современных транспортных средствах, сильно отличаются от конструкций, использовавшихся всего несколько лет назад.

Как и системы прошлого, сегодняшние системы зарядки по-прежнему сводятся к некоторым основным компонентам: аккумулятору, генератору переменного тока и некоторому методу управления напряжением и силой тока в системе; вообще модуль.

Одно из отличий современных систем заключается в том, что они должны делать гораздо больше, чем раньше. Система зарядки теперь помогает улучшить экономию топлива, а также заряжать аккумулятор и подавать дополнительное питание для работы электронных систем автомобиля.

Для выполнения своих функций современные системы зарядки имеют несколько режимов работы:

Режим сульфатации батареи — увеличивает выходную мощность системы зарядки через определенное время (обычно около 45 минут), если уровень заряда батареи (SOC) все еще низкий. .
Режим запуска — после запуска система обычно увеличивает выходное напряжение как минимум до 14,5 В в течение как минимум 30 секунд.
Режим экономии топлива — система снижает напряжение до 13 вольт и менее, чтобы уменьшить нагрузку на двигатель и увеличить срок службы ремня.
Режим фары — при повышенном запросе система повысит выходное напряжение.
Режим снижения напряжения — снижает выходное напряжение, когда заряд батареи составляет 80 % или выше, а потребление электроэнергии низкое.
Режим защиты от обледенения лобового стекла — увеличивает мощность при включении противообледенительных решеток или обогревателей сидений.
Заряд/нормальный режим — предназначен для поддержания уровня заряда 80%.
Режим торможения — при торможении может увеличиваться выходная мощность системы зарядки. Это помогает достичь нескольких целей: увеличить скорость зарядки без ущерба для экономии топлива и помочь автомобилю замедлиться, подобно гибридному рекуперативному торможению.

УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМОЙ

Современные системы зарядки работают вместе с контроллерами автомобиля. Это может быть с PCM, BCM, ECM или автономным модулем, в зависимости от приложения. Информация о работе системы передается по таким сетям, как CAN и LIN, или может быть жестко связана между генератором и определенным модулем.

Некоторые генераторы переменного тока имеют внутренние регуляторы, которые обычно управляются сигналом PWM от модуля, такого как PCM. Chrysler и другие производители устанавливают регулятор напряжения внутри бортового компьютера, такого как PCM.

ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ/ТОКА

GM и Honda являются примерами систем зарядки, в которых используется устройство для контроля напряжения батареи и тока.

В некоторых приложениях GM использует сенсорный модуль батареи , который обычно монтируется на один из кабелей батареи. В сенсорном модуле используется датчик Холла, который передает ШИМ-сигнал частотой 128 Гц на BCM (модуль управления кузовным оборудованием). Датчик остается включенным, даже когда ключ выключен, поэтому BCM может определить паразитный слив.

В автомобилях Honda используется детектор электрической нагрузки (ELD), который обычно располагается в блоке предохранителей под капотом. Функция детектора электрической нагрузки очень похожа на модуль датчика батареи.

PCM подает пять вольт на детектор электрической нагрузки. Детектор электрической нагрузки заземляет цепь, подавая сигнал напряжения от 0,3 до 4,50 вольт на PCM. Чем выше напряжение, тем ниже выходная мощность системы зарядки, а более низкое напряжение указывает на более высокую выходную мощность системы зарядки.

GM

Примерно с 2004 года GM представила свою систему зарядки с регулируемым напряжением (RVC). Вы можете определить систему, найдя датчик аккумуляторной батареи или двухпроводное соединение на генераторе. У GM есть две версии этой системы: регулирование с регулируемым напряжением и автономное регулирование с регулируемым напряжением (SARCV) (рис. 1).

Автономная система регулирования напряжения использовалась недолго. Автономные системы регулирования напряжения использовали собственный модуль для управления системой зарядки, известный как модуль управления аккумуляторной батареей генератора (GBCM).

Система управления регулируемым напряжением GM может варьироваться от 11,5 до 15,5 вольт. Как и другие системы, используемые сегодня, система GM имеет режим экономии топлива, который предназначен для снижения напряжения в системе зарядки за счет уменьшения напряженности поля генератора переменного тока.

Техники часто диагностируют этот режим как неисправную систему зарядки, только чтобы обнаружить, что автомобиль работает так же, даже с новыми установленными деталями. Простое приложение максимальной нагрузки к электрической системе автомобиля приведет к тому, что PCM/ECM среагирует, повысив напряжение в системе зарядки.

Компания GM также разработала эту систему для определения сульфатации аккумулятора. В ответ PCM/ECM даст команду на увеличение напряжения системы зарядки до 15,5 вольт даже при отсутствии электрической нагрузки. Режим сульфатации обычно длится менее пяти минут за один раз, поэтому по истечении таймера система вернется к обычному режиму зарядки.

BCM — это мозг операции, но PCM — это модуль, который фактически управляет работой системы зарядки. PCM управляет сигналом на клемме L генератора для управления выходом системы.

Клемма L — Клемма L предназначена для управления системой зарядки. Клемма L подает сигнал на регулятор внутри генератора. PCM/ECM посылает пять вольт на клемму L генератора. Когда системе требуется увеличение выходной мощности, PCM/ECM изменит рабочий цикл цепи, что заставит регулятор изменить заданное значение напряжения.

Рабочий цикл может варьироваться от 10% до 90%, при этом более высокий рабочий цикл создает более высокую скорость зарядки напряжением. В случае обрыва цепи система по умолчанию установит зарядное напряжение 13,2–13,8 В.

Клемма F — Клемма F является сигналом рабочего цикла, который контролируется PCM/TCM. Процент рабочего цикла представляет работу поля генератора переменного тока. PCM/ECM контролирует рабочий цикл, чтобы определить нагрузку, которую генератор оказывает на двигатель. Затем они используют этот вход для управления скоростью холостого хода и уставки напряжения генератора.

FORD

Ford Smart Charge был представлен на Windstar 1999 года. Как и в системе GM, регулятор установлен на генераторе. Затем PCM управляет регулятором для управления выходом системы. Это похоже на работу системы GM с двумя основными управляющими подключениями к генератору: контроль генератора (GEN MON) и управление генератором (GEN COM). GEN MON и GEN COM аналогичны клеммам F и L в системе GM (рис. 2).

GEN COM — Команда генератора управляет выводом системы. PCM посылает сигнал PWM 128 Гц на клемму GEN COM генератора. Рабочий цикл варьируется от 3% до 95%, при этом высокий рабочий цикл соответствует более высокой мощности генератора.

Если напряжение аккумуляторной батареи правильное, в цепи GEN COM не будет сигнала. В случае обрыва цепи выходное напряжение по умолчанию будет составлять 13,5–13,7 В после того, как частота вращения двигателя превысит 2500 об/мин в первый раз.

GEN — Монитор генератора отправляет сигнал на PCM в зависимости от нагрузки и мощности генератора. PCM посылает сигнал в цепь GEN MON генератора. Затем регулятор заземляет или размыкает цепь на фиксированной частоте (обычно 128 Гц), но изменяет рабочий цикл от 5 до 95% в зависимости от нагрузки генератора. Цепь GEN MON будет иметь сигнал в любое время, когда двигатель работает.

SENSE — Генератор получает текущее напряжение аккумуляторной батареи от цепи датчика.

HONDA

Honda использует двухрежимную систему зарядки на большинстве автомобилей 1990–2012 годов (рис. 3). Эта система снижает сопротивление двигателю при прокручивании коленчатого вала и снижает выходную мощность системы наддува (нагрузку двигателя) для повышения экономии топлива. Подобно другим системам, PCM управляет генератором. PCM получает системное напряжение и требуемую силу тока от электронного детектора нагрузки в блоке предохранителей.

Пуск (Режим низкой мощности) — во время запуска PCM установит целевое значение мощности в диапазоне 12,4-12,9.вольт. Этот режим будет активен, когда система соответствует заданному набору критериев, что приводит к тому, что PCM дает команду генератору уменьшить выходную мощность системы зарядки. Не путайте режим низкой мощности с плохим генератором.

Нормальный режим — при работающем двигателе и выполнении определенного набора критериев PCM будет задавать целевое выходное напряжение от 13,5 до 14,9 вольт. При включенном зажигании генератор должен получить сигнал в цепи IG более 12 вольт, который он использует для включения генератора.

PIN C — PCM смотрит на PIN C генератора, чтобы определить выходное напряжение. Когда цепь заземлена, генератор будет работать в режиме низкой мощности.

PIN FR — PCM подает 5-вольтовый сигнал на PIN FR. Регулятор генератора переключает цепь для заземления переменного рабочего цикла в зависимости от нагрузки генератора.

PIN IG — Зажигание

PIN C — Компьютер; когда выходное требование низкое, PCM заземлит контакт C, переводя регулятор в режим низкого выходного сигнала.

Начиная с 2013 года Honda представила обновленную конструкцию, в которой используется один провод управления.

CHRYSLER

Система зарядки Chrysler немного отличается от других систем (рис. 4). За последние несколько лет компания Chrysler использовала три различных конструкции системы зарядки: локальную сеть межсоединений (LIN), аналоговое управление (используется только с двигателями объемом 1,4 л) и их самую популярную систему, управляемую PCM.

Большинство генераторов переменного тока Chrysler обычно не содержат регулятора, за исключением приложения с аналоговым управлением. Chrysler управляет генератором снаружи. PCM управляет током возбуждения. Электроника регулятора напряжения размещена внутри PCM.

PCM обычно получает входное напряжение батареи по двум цепям: одна от цепи датчика B+ генератора (датчик Кельвина) и одна от полностью интегрированного силового модуля (TIPM).

Крайслер может контролировать одну или обе стороны поля (силу и землю). Поток тока возбуждения будет варьироваться в зависимости от потребности в электроэнергии, состояния заряда аккумулятора и оборотов двигателя.

В отличие от некоторых других производителей, отсоединение генератора Chrysler от сети приведет к нулевой мощности. В системе Chrysler доступны два типа управления полем: управление контуром А и управление контуром В.

A Circuit Control — управляет питанием поля. Это может быть выполнено через реле выключения или это может быть прямой вход от PCM к полю генератора. PCM управляет второй полевой клеммой, которая управляет полевой землей.