航空发动机点火稳频电路调节方法的研究

张 旭，鹿泽伦，邓军荣，翟文鹏，张宝昆

(1.天津航空机电有限公司，天津 300000；2.陆军装备部航空军事代表局驻天津地区航空军事代表室，天津 300000)

0 引言

点火系统用于点燃发动机主燃烧室和加力燃烧室，一般由点火装置、接触装置和电嘴组成[1]。常见的晶体管式点火电路采用自激振荡，电路简单，性能稳定[2]。为了提高晶体管式点火电路工作的可靠性，减小发动机复杂环境的影响，可通过双晶体管稳频电路提高点火系统的稳定性[3-4]。由于每只晶体管的放大倍数存在差异，在稳频电路中常包含多个调节参数，以保证每台产品性能合格。然而，在产品生产中，若仅凭人为经验，对每一台产品的多个调节参数进行调节，效率将十分低下。

因此，本文对晶体管式点火电路的工作原理进行深入研究，明确调节参数变化对电路性能指标的影响，提出针对稳频电路理论化的调节方法，在有效保证点火装置合格性能的同时提高产品的生产效率。

1 晶体管式点火电路原理

晶体管式点火装置的电路主要由滤波电路、直流变换电路、高压整流电路、充电电路和放电电路组成，如图1所示。

图1 晶体管式点火系统原理图

1.1 晶体管导通及集电极电流增长

当电源接通后，电路中电阻R1决定了晶体管的初始基极电流，晶体管开始导通。由于初级线圈W12的电感特性，该路电流从零开始渐渐增长，线圈1端感应出正电压。根据变压器同名端的设置，反馈线圈W34的4端也感应出正电压，经过电阻R2和二极管V1向晶体管注入一个相对稳定的基极电流，晶体管立即进入饱和状态。

晶体管导通时，如略去其导通压降，初级线圈中的电流即晶体管集电极电流ic(t)按指数规律增长，如公式(1)所示：

(1)

其中：E为电源电压；L1为初级线圈W12中的电感值；RW1为初级线圈W12的内阻值；t为时间。当初级线圈内阻很小时，电感电流在开关导通阶段可认为由一固定上升率E/L1上升，即晶体管集电极电流ic(t)随着时间线性增大。当该电流增长到Icm=HFE·IB(HFE为晶体管直流放大倍数，IB为基极电流)时，电流变化率迅速下降，使得初级线圈W12和反馈绕圈W34的感应电压降低，晶体管基极电流减小。此时，晶体管退出饱和区而进入放大区，集电极电流ic(t)存在减小趋势，线圈W12、W34的感应电压因此反向，晶体管的基极电位为负，进入关断状态。

根据晶体管集电极峰值电流Icm和电流上升率E/L1，可由式(2)计算得到晶体管导通的时间t0：

(2)

1.2 晶体管截止及电容第一次储能

当晶体管截止时，次级线圈W56上的感应电压向储能电容器C1充电，使变压器原有的电磁能转为静电能。此时，反馈线圈W34的4端感应电压为负压，晶体管保持关断状态。当充电结束后，充电电流降为零，能量转换结束。反馈线圈W34上的感应电压随之消失，晶体管发射结上的负偏置状态被解除，晶体管又再次导通。之后，晶体管将处于不断导通和截止的振荡状态，向储能电容器输出连续的充电脉冲。

下面分析第一次电容器储能时次级电路中各参数的变化。可将反激变压器只视为能量储存装置，将二次侧相关参数折算到一次侧，从而得到等效电路模型，如图2所示(暂不考虑漏感和效率损失等问题)。

图2 点火电路原理简化图

图2中，RW2′=RW2/n2为线圈W56的内阻RW2折算到一次侧的等效值；C1′=n2C1为二次侧电容C1折算到一次侧的等效值；n为变压器次级线圈与初级线圈的匝比。

当开关关断时，L1因其电感特性，以关断时的电流Icm向后端储能电容充电，L1上的感应电压由负载端决定。此时，电容、电感和电阻组成二阶欠阻尼衰减振荡。由于二极管V2的存在，电容器只能充电不能放电，因此电压电流值随时间变化的特性只能表现在电感电流由Icm降为0的时间段内。之后，二极管关断，晶体管又开始导通。

为了方便计算，可以忽略内阻RW2′对充电电路的影响。此时，电感上储存的能量将全部转移到储能电容中，如式(3)所示：

(3)

其中：Uct1为电容第一次充电后的电压。

根据式(3)整理可得式(4)：

(4)

根据电容的伏安特性，可得电容一次充电时间t1为：

(5)

1.3 电容第二次及第s次充电

晶体管第二次截止时，电容进行第二次充电。在充电前，电容器上已存有电压Uct1′，并且晶体管断开瞬间的电流仍为Icm，根据能量关系，即电容存储的能量为两次电感能量之和，如式(6)所示：

(6)

根据电容的伏安特性，可得式(7)：

(7)

将式(4)代入式(7)整理后，可得电容第二次充电的时间t2为：

(8)

当晶体管第s次截止时，电容进行第s次充电。此时，电容中的能量等于s次转移的电感能量之和，类似于式(6)，可得第s次充电后储能电容的折算电压Ucts′为：

(9)

类似于式(7)和式(8)，可推导得第s次充电的时间ts为：

(10)

根据式(9)和式(10)可知，电容每次充电增加的电压随充电次数递减，每次充电的时间也随充电次数递减，如图3所示。

图3 储能电容电压增长曲线 图4 储能电容充放电 图5 稳频电路原理图

1.4 火花频率和初级电流

当储能电容不断充电，电压上升至放电管的击穿电压Uf后，储能电容通过放电管向电嘴放电，电容储存的能量耗尽，如图4所示。根据式(9)，可以计算储能电容器的电压上升至最大电压值Uf时，总的充电次数s0为：

(11)

设电容升至放电管电压值Uf的总时间为T，为晶体管导通的总时间与晶体管关断的总时间之和。晶体管导通总时间为单次导通时间t0乘以电容充电次数s0；晶体管关断总时间，即电容充电总时间为t1+t2+…+ts0。

根据上段说明，可得总时间T为：

T=s0t0+(t1+t2+…+ts0).

(12)

将式(2)、式(4)、式(10)和式(11)代入式(12)，可得电容充电总时间T为：

(13)

考虑到电路中存在的能量损耗，引入损耗系数η,可得到装置的火花频率为f=η/T。

根据变压器初级电流的振荡波形，可以计算初级电流的平均值ia为：

ia=0.5·HFEIBD.

(14)

其中：D为初级电流波形占空比。D可由下式计算：

(15)

其中：UR为变压器次级对初级的反射电压。

1.5 稳频电路分析

为了提高电路耐电压变化和温度变化的能力，可在电路中引入双晶体管稳频电路以稳定火花频率和初级电流，稳频电路原理图如图5所示。

V1为稳压管，当电源电压小于稳压管截止电压时，晶体管V5不工作，此时图5电路与图1电路相同；当电源电压大于稳压管截止电压时，晶体管V5的集电极电流对晶体管V6的基极电流进行分流；当电源电压升高时，晶体管V6的基极电流相应增加，此时晶体管V5的分流作用也增加；当温度升高时，晶体管V6的放大倍数增加，此时晶体管V5的放大倍数也增加，相应地减小了晶体管V6的基极电流，保持了系统的稳定。

2 调节参数分析

由于晶体管的性能参数受到生产工艺中杂质掺杂水平的影响，每只晶体管的性能参数会存在一定的误差，在双晶体管电路中这种误差会成倍放大。为了更好地调节晶体管V5与晶体管V6的分流关系，常在稳频电路中设置调节参数，以满足点火装置的性能指标。如图5所示，电阻R1负责调节晶体管V5的基极电流大小，电阻R2负责调节晶体管V6的基极电流大小。

在点火装置装配中，往往仅凭人为经验进行产品调试工作，效率较低下。因此，针对图5所示的点火电路原理，根据本文第1节的理论分析，可知调节电阻R1、R2直接影响式(13)和式(14)中的IB，从而影响点火装置的火花频率和初级电流两项性能指标，具体地：

(1)当电源电压小于稳压管截止电压时：火花频率和初级电流随R1的增加而增加，高温下火花频率上升、初级电流下降；低温下火花频率下降、初级电流上升。

(2)当电源电压大于稳压管截止电压时：火花频率和初级电流随R2的增加而减小，高温下火花频率下降、初级电流上升；低温下火花频率上升、初级电流下降。

当针对某型点火装置，其稳压管截止电压为12 V,工作电压为10 V～30 V，性能指标为最小火花频率fmin和最大初级电流imax，可按下述方法调节：

(1)在常温10 V电压下，R1取任一阻值，调节电阻R2，使得点火装置满足性能指标，若频率和电流偏大，则增大R2的阻值。

(2)在常温30 V电压下，固定电阻R2，调节R1的阻值，使得点火装置满足性能指标，若频率和电流偏大，则减小R1的阻值。

(3)考虑到高低温下火花频率和初级电流的变化，在常温下调节的火花频率应略大于fmin，初级电流值应略小于imax，这样才能在高低温试验中仍满足性能指标。

3 实验和分析

本文通过实物产品进行实验验证。实验中，调节不同的阻值参数，得到某型点火装置在不同电压下的火花频率和初级电流。之后，在高低温箱中进行测试，与常温下的工作性能进行比较。

测试结果如表1和表2所示,实验结果符合本文第2节中所提的结论。

表1 电阻R1为3.48 kΩ时调节R2

表2 电阻R2为16 Ω时调节R1

4 小结

本文对晶体管式点火电路的工作原理进行了理论推导，分析了稳频电路的工作原理，明确了调节参数变化对点火装置性能指标的影响，从而获得有效的调节方法,并通过实验验证了本文理论的准确性。