В данной статье описываются простые устройства предупреждения о предельно-допустимом количестве оборотов в минуту и отсечки оборотов (далее - УОО) при достижении заданного значения об/м. Устройства предназначены в первую очередь для начинающих автолюбителей, не имеющих навыков своевременного переключения скорости. Опция отсечки оборотов не является основной, но может быть использована при необходимости.
Принципиальная схема первого варианта УОО приведена на рис.1. Устройство выполнено на 3х микросхемах (не считая интегрального стабилизатора напряжения U1). Формирователь входных импульсов (одновибратор) выполнен на интегральном таймере NE555 и способен работать с любым датчиком оборотов по входу, выходные сигналы которого имеют формат, совместимый с ТТЛ- или КМОП-логикой. Кроме того, входной формирователь допускает работу с контактами механического прерывателя и любыми ключами с открытым выходом. U2 формирует импульсы определенной, достаточно стабильной длительности при любых возможных оборотах коленвала. Длительность выходных импульсов задается цепью, состоящей из компонентов C7, R6, PR1. U2 так же управляет ключом на транзисторе Q1, транслирующим импульсы с датчика на вход коммутатора.
Интегрирующая цепь на выходе таймера (R9, R10, C8) преобразует частоту следования импульсов в некоторый, зависимый от частоты, уровень постоянного напряжения, который подается на инверсный вход компаратора U3 (LM311). Прямой вход компаратора соединен через резистор R16 и потенциометр PR2 c движком потенциометра PR3, с помощью которого устанавливается порог срабатывания компаратора на максимальное количество оборотов коленчатого вала. С помощью резистора R16 и потенциометра PR2 осуществляется установка гистерезиса срабатывания компаратора. Диод VD5 так же принимает участие в формировании гистерезиса. Гистерезис позволяет компаратору иметь два порога срабатывания – «прямой», обеспечивающий низкий уровень на выходе компаратора при наличии максимального уровня постоянного напряжения на его инверсном входе; обратный, возвращающий компаратор в исходное состояние при минимальном уровне напряжения на инверсном входе. Разница между порогами «прямого» и «обратного» срабатывания может регулироваться (PR2, PR3) от нескольких сотен милливольт до единиц вольт (1…4В) в зависимости от выбранных номиналов потенциометров (PR2, PR3). При «прямом» срабатывании компаратора зажигается светодиод HL3, запускается (заблокированный до этого момента низким уровнем на выводе 4) генератор на таймере U4, обеспечивающий прерывистое звучание активному звуковому капсюлю LS1. Таким образом выполнена световая и звуковая сигнализация о достижении необходимого числа об/м. В схеме реализовано два способа отсечки оборотов. Первый способ предполагает отключение формирователя импульсов на МС U2 низким уровнем на выводе 4, управляемым выходом компаратора U3 (вывод 7). В этом случае выход таймера U2 (вывод 3) при достижении установленного «верхнего» числа оборотов в минуту (частоте вращения вала в Гц, - можно и так) прекращает трансляцию импульсов. Искрообразование в ДВС прекращается. При этом происходит резкое падение напряжения на инверсном входе U3 (определяется входной интегрирующей цепью), независимое от спада оборотов коленвала, и компаратор вновь «включает» МС U2, - искрообразование восстанавливается.
Второй способ заключается в блокировке транзистора Q1 при «прямом» срабатывании U3. В этом случае возобновление искрообразования будет зависеть от времени спада оборотов коленвала до значения, допускающего «обратное» включение U3. Коммутация способов отсечки производится джамперами J1, J2.
Печатная (рис.2) плата имеет посадочные места для установки регулировочных компонентов PR3, PR3, как под переменные резисторы с регулировочной осью, так и под (отверточные) триммеры типа RM063.
Соединение платы устройства с датчиками и коммутаторами должно выполняться витой парой либо экранированным проводом, несмотря на наличие одноименного соединения (GND) по питанию.
Видео работы УОО (вариант 1): https://disk.yandex.ru/d/pF6i74gd-rqqtw
УОО выполненное по схеме на рис.3, содержит 2 микросхемы (не считая интегрального стабилизатора напряжения U2). Данный УОО имеет два входных узла. Входной узел 1 выполнен на полевом транзисторе 2N7002 (Q1) пороговые свойства которого несколько лучше аналогичных свойств биполярного транзистора и работает исключительно на интегрирующую цепь R4/C1, выполняющую функцию преобразования «частота-напряжение». При максимальной частоте входной импульсной последовательности, напряжение на конденсаторе C1 – максимально, при минимальной частоте напряжение на конденсаторе - минимально возможное.
Входной узел 2 является «трансляционным», являясь «врезкой» между датчиком оборотов коленвала и коммутатором. Выполнен узел 2 на элементе U3.3 микросхемы CD4093 и полевом транзисторе 2N7002 (Q2). Транзистор Q2, являясь ключом с открытым выходом, имитирует работу прерывателя (датчика Холла) для коммутатора. Входные узлы 1 и 2 для устранения взаимовлияния разделены диодной развязкой (VD1, VD2). На микросхеме U1 выполнен двухпороговый компаратор, где U1.1 является компаратором верхнего уровня и срабатывает при максимальном значении напряжения на инверсном входе, которое сравнивается с напряжением установки на прямом входе компаратора, в зависимости от выставленного значения с помощью подстроечного резистора (потенциометра) PR1. При достижении максимального значения на выходе компаратора (вывод 1) U1.1 устанавливается низкий логический уровень. При этом на элементе триггера U3.1 (вывод 3) появляется логическая единица, зажигая светодиод HL1 и разрешающая работу генератора-прерывателя на элементе U3.4 (формирующего предупреждающую трель) и управляемого этим генератором активного спикера LS1. Спикер «выдает» прерывистый звук с частотой основного сигнала 400-900Гц (устанавливается производителем спикера и значением питающего напряжения), с прерыванием частотой 1-2Гц (устанавливается компонентами C6/R16).
Логический «0», появляющийся при этом на выходе второго плеча триггера (вывод 4 элемента U3.2), запрещает элементу U3.3 трансляцию входных импульсов на выход устройства. Коммутатор, подключаемый к выходу устройства, прекращает процесс искрообразования в цилиндрах ДВС.
Возобновление процесса искрообразования происходит при срабатывании компаратора нижнего уровня после падения числа оборотов в минуту и, следовательно, спада напряжения до определенного уровня, определяемого значением «установочного» напряжения на выводе 6 микросхемы U1.2. Установка этого значения производится подстроечным резистором PR2 относительно значения на выводе 3 (U1.1). При этом на выходе U1.2 появляется логический «0», опрокидывая триггер на элементах U3.1-U3.2 в противоположное состояние. При этом конфликта элементов триггера (единовременное присутствие на входах триггера логических «0») не происходит т.к. до начала срабатывания компаратора нижнего уровня, на выходе компаратора верхнего уровня появляется логическая «1», а зоны срабатывания компараторов разделены по уровням напряжения падением напряжения на PR2. Спикер прекращает звучание, гаснет HL1 и загорается HL2, трансляция импульсов с датчика оборотов на коммутатор разрешена, искрообразование восстановлено.
Размеры печатной платы (рис.4) для этого УОО (принципиальная схема на рис.3) - 4,5Х4см.
Для разовой установки настроек на плату в качестве PR1, PR2 устанавливаются подстроечные резисторы. Если планируется периодическая смена настроек срабатывания устройства, то на плату (или за ее пределы) предпочтительнее устанавливать потенциометры, с предварительно нанесенной градуировкой значений. Не исключено и применение многопозиционных переключателей с обозначениями значений (об/м) для соответствующих позиций переключения.
Устройство работоспособно в диапазоне напряжений +10…+20В при частоте входных импульсов от 0 до 1кГц. Плата устройства может быть смонтирована на приборной панели автомобиля. Соединения с датчиком оборотов и с коммутатором должны выполняться витой парой или экранированным проводом.
Налаживание устройства необходимо производить до установки по месту. Для настройки необходим генератор импульсов, частотомер или осциллограф.
Для установки верхнего предела об/м, на вход устройства необходимо подать последовательность прямоугольных импульсов с частотой, соответствующей выбираемому числу об/м. Требуемая частота определяется по формуле F=N*I/30*U*G, где U - тактность, G - число катушек зажигания, N - обороты в минуту, I - число цилиндров. Так, например, если для переключения передачи (или отсечки) выбрать число 4000об/м, то частота, при которой следует установить срабатывание устройства по верхнему уровню, будет равна 133Гц. Срабатывание устройства на предупреждение (отсечку оборотов) регулируют с помощью PR1. Выбрав частоту, соответствующую «обратному» срабатыванию (например, при 2500об/м) – 83Гц, с помощью PR2 устанавливают нижнее значение числа оборотов. При градуировке потенциометров рядом значений, используется та же методика. Следует при этом учесть, что с помощью PR2 устанавливается нижнее значение относительно верхнего. Поэтому при перестройке максимального числа об/м, соответственно будет изменено и нижнее число.
Видео работы УОО (вариант 2): https://disk.yandex.ru/d/b-6B4iWT3L6RZw
Третий вариант УОО интегрирован в схему шкального тахометра с точечным отображением динамики изменения числа оборотов в минуту (принципиальная схема на рис.5).
Таким образом, данная модификация является скорее шкалой с функцией УОО, т.к. для работы собственно УОО используются сигналы, сформированные схемой шкалы. Любой из выводов дешифратора U2 (с подходящим значением индикации оборотов) можно использовать для инициации сигнала предупреждения или отсечки.
Для фиксации сигнала о достижении необходимого количества об/м используется триггер на элементах U6.1, U6.2. Сигнал этот (низкий логический уровень) может быть подан с любого из выходов дешифратора Y с выводов микросхемы U2 8-11, 13-17 на вход элемента U6.2 (вывод 6). Выбор необходимого значения (выхода дешифратора) осуществляется с помощью перемычек j5-i13. При появлении на выбранном выходе дешифратора низкого уровня (логический «0»), на выходе элемента U6.2 триггера появляется высокий уровень и загорается красный (желательно) светодиод HL17, индицируя достижение выбранного количества об/м. Этим же уровнем инициируется работа генератора на элементе U6.4, формирующего прерывание работы звукового капсюля с встроенным генератором LS1. Транзистор Q1 используется в качестве буферного инвертора, т.к. элементы микросхемы U6 не способны обеспечить капсюль LS1 током, необходимым для его нормальной работы. Элемент U6.3 является транслятором сигнала датчика Холла (или механического прерывателя), формирующего импульсную последовательность, численно соответствующую оборотам коленвала. U6.3 управляет транзистором Q2, имитирующим работу прерывателя. Стоком Q2 подключается к коммутатору катушки зажигания вместо собственно прерывателя (датчика Холла). При появлении выводе 8 элемента U6.3 логического «0» трансляция импульсной последовательности на коммутатор прекращается до момента снижения количества об/м и появления низкого логического уровня на выводе 3 дешифратора U2. Триггер на элементах U6.1, U6.2 опрокинется в противоположное состояние, зажжется светодиод HL19 (желательно – зеленый), звуковой генератор прекратит свою работу, трансляция импульсов транзистором Q2 на коммутатор возобновится. Если цент (любой из зажженных светодиодов) шкалы тахометра будет равен 400об/м, то последний цент (16-й светодиод) шкалы будет соответствовать количеству 6400об/м. Если в качестве предельного количества об/м для переключения на следующий скоростной режим выбрать 3600об/м, то этому значению будет соответствовать 9-й светодиод шкалы. Именно в момент зажигания этого светодиода сработает сигнал предупреждения и прекратится трансляция импульсов (в случае использования узла отсечки). Нормальный режим восстановится при возврате к 1200об/м.
Выбор режима работы устройства можно осуществлять при однажды жестко установленных перемычках j5-i13, выбирая «цент» шкалы с помощью заранее отградуированного потенциометра PR1 путем изменения частоты тактового генератора на элементе U5.1. Способы настройки такого тахометра описаны в частях I-III "Шкальные светодиодные тахометры" (например: https://zen.yandex.ru/media/id/62ce7456bd5f802af1981e4e/shkalnye-svetodiodnye-tahometry-chast-i-62d7b1970d702c2dd8c46b11).
Для схемы на рис.5 (тахометр + устройство предупреждения) была разработана печатная плата (рис.6).
Видео работы шкального тахометра с интегрированным УОО: https://disk.yandex.ru/d/v4vLef_q-i6GiQ
При эксплуатации УОО стабильность выбранных значений будет определяться стабильностью напряжения стабилизатора и температурной зависимостью примененных деталей.