君越轎車剎車燈監(jiān)視器的研究與設計

崔建國,寧永香

(山西工程技術(shù)學院，山西 陽泉 045000)

0 引言

汽車剎車燈就是車輛剎車時亮起的燈，它主要用來提醒后面的車輛，本車要減速或停車，剎車燈若使用錯誤或者出問題，便很容易造成追尾撞車事故[1]。

在交通日益擁擠的今天，汽車剎車燈顯得更加重要，應該讓其時刻保持良好工作狀態(tài)，如有損壞應及時更換或修理。

目前幾乎所有汽車的電氣電路部分，對剎車燈的監(jiān)控都沒有采取任何措施，這項技術(shù)在行業(yè)內(nèi)部處于一片空白，若要檢查兩個剎車燈的工作狀態(tài)僅靠司機一人是非常困難的，只能靠第二人在車外觀察剎車燈是否正常高亮。

以別克君越轎車的制動系統(tǒng)為基礎，設計一個汽車剎車燈監(jiān)視電路，該電路的核心部分是一個斯密特觸發(fā)器電路；該電路可以作為一個模塊電路直接應用在幾乎所有車型的剎車燈控制電路里，或者集成在汽車的車身控制模塊(BCM)內(nèi)部，作為BCM模塊的組成部分。

1 斯密特觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)及工作原理

既然用到了斯密特觸發(fā)器，就先簡單介紹一下斯密特觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)及工作原理。

斯密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中經(jīng)常用到的一種電路，有時也簡稱為斯密特電路。斯密特電路應用相當廣泛，不僅有獨立制作的集成電路產(chǎn)品，還可以用分立元件構(gòu)成一個斯密特電路，如圖1所示，電路由兩個NPN三極管T1、T2以及電阻R1、R2、RE組成[2]。

圖1 斯密特觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)

圖1中的斯密特電路是通過公共發(fā)射極電阻RE耦合的兩級正反饋放大器，假定三極管發(fā)射極的導通壓降為0.7V，那么當輸入端的電壓μI為低電平時(μI=0)，必有:

μI-μE=μBE1<0.7V.

則T1將截止而T2飽和導通。若μI逐漸升高并使μBE1>0.7V時，T1進入導通狀態(tài)，并有如下的正反饋過程發(fā)生:

從而使電路迅速進入T1飽和導通、T2截止的狀態(tài)。

若μI從高電平逐漸下降，并且降到μBE1只有0.7V左右時，iC1開始減小，于是又引發(fā)了另一個正反饋過程:

使電路迅速返回T1截止、T2飽和導通的狀態(tài)。

可見，無論T2由導通變?yōu)榻刂惯€是由截止變?yōu)閷?，都伴隨有正反饋過程發(fā)生，使輸出端電壓μO的上升沿和下降沿都很陡。

同時由于R1>R2,所以T1飽和導通時的μE值必然低于T2飽和導通時的μE值。因此，T1由截止變?yōu)閷〞r的輸入電壓必然高于T1由導通變?yōu)榻刂箷r的輸入電壓。通常用VT+和VT-分別表示μI上升時T1由截止變?yōu)閷〞r的輸入電壓和μI下降時T1由導通變?yōu)榻刂箷r的輸入電壓。并將VT+稱為正向閾值電壓，將VT-稱為負向閾值電壓，將|VT+-VT-|=ΔVT稱為回差電壓。

2 基于斯密特觸發(fā)器的汽車剎車燈監(jiān)視器工作原理

本設計的電氣原理圖如圖2所示，可以看到電路系統(tǒng)包括由左右剎車燈組成的車燈電路、兩個PNP三極管及電阻構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器電路、電流放大電路、LED警示電路、聲音警示電路等組成。以別克君越轎車為例，其中S1為別克君越轎車制動燈繼電器的觸點結(jié)合開關，繼電器受車身控制模塊(BCM)的控制，為了便于理解或描述，暫且認為開關S1就是汽車制動踏板。LA1、LA2是左右兩只剎車燈。

我們設計的要求是：當司機踩下剎車，兩個剎車燈良好運行時，LED燈常亮且聲音警示不工作；有一個剎車燈出故障時，LED燈短暫亮一下然后熄滅,緊接著開始持續(xù)聲音報警；萬一兩個剎車燈都出故障時，LED燈永遠不會亮且持續(xù)聲音報警。

2.1 斯密特觸發(fā)器電路

圖2中的斯密特觸發(fā)器電路由兩個PNP三極管Q1、Q2及電阻R1、R2、R3、R4、R5、電位器P1構(gòu)成。

與圖1相比，兩個斯密特電路結(jié)構(gòu)比較類似，但有所區(qū)別，圖1的斯密特電路由兩個NPN三極管組成。圖2的斯密特電路由兩個PNP三極管組成，由于三極管極性不一樣，故這種兩級正反饋放大器的正反饋過程路徑會與前述有所不同，圖2中斯密特電路工作原理如下分析[3]。

圖2 基于斯密特觸發(fā)器的汽車剎車燈監(jiān)視器電氣原理圖

圖2中的斯密特電路是通過公共發(fā)射極電阻R2耦合的兩級正反饋放大器，假定PNP三極管發(fā)射極的導通壓降為0.6V，那么當斯密特電路的輸入端電壓uA≈12V時，必有μQ1-E-μQ1-B=μQ1-EB<0.6V，則Q1將截止而Q2飽和導通。這里的μQ1-E指三極管Q1的發(fā)射極電壓，別的工作點電壓參照μQ1-E理解，不再贅述。

若μA電壓逐漸降低并使μQ1-EB>0.6V時，Q1進入微導通狀態(tài)，并有如下的正反饋過程發(fā)生：

強烈的正反饋使斯密特電路迅速轉(zhuǎn)為Q1飽和導通、Q2截止的狀態(tài)，這個正反饋稱作上升沿正反饋。

若μA電壓逐漸升高，并且升高到使μQ1-EB只有0.6V左右時，iQ1-C開始減小，于是又引發(fā)了另一個正反饋過程：

強烈的正反饋使電路迅速返回到Q1截止、Q2飽和導通的狀態(tài)，這個正反饋稱為下降沿正反饋。

同時按照圖2參數(shù)所示，由于(R1+P1)

2.2 汽車剎車燈監(jiān)視器工作原理

如圖2所示，該監(jiān)視器的工作電壓(即斯密特電路輸入電壓)，取決于別克君越轎車制動燈繼電器的輸出端連接兩剎車燈LA1和LA2導線兩端的電壓降UX，注意是導線兩端的電壓降，而不是A點的電位。

假定三極管Q1發(fā)射極的導通壓降為0.6V，故導線兩端電壓降UX必須大于0.6V，如果達不到0.6V壓降，就必須在每個車燈串一只正向?qū)娏鳛?A的二極管。

下面分兩剎車燈皆完好、一個剎車燈壞、兩剎車燈皆壞三種情況來分析汽車剎車燈監(jiān)視器的工作原理。

2.2.1 兩剎車燈全部正常工作

圖2中的晶體管Q1和Q2組成斯密特觸發(fā)器，這個觸發(fā)器由跨接在燈泡電源線上電壓降UX來觸發(fā)，若兩車燈都發(fā)光，并聯(lián)的兩燈絲電壓降比12V略小一些，而這時的導線電壓降UX>0.6V，參照上文介紹的斯密特電路上升沿正反饋部分，強烈的正反饋使斯密特電路迅速轉(zhuǎn)為Q1飽和導通、Q2截止的狀態(tài)。

這時斯密特電路輸出低電平，晶體管Q3基級為低電平，觸發(fā)晶體管Q3導通而使發(fā)光二極管D1穩(wěn)定“持續(xù)”地發(fā)光；晶體管Q4截止，直流蜂鳴器靜聲。

這里的持續(xù)指司機腳踩下制動閘的時間，司機腳挪開制動閘，監(jiān)視器電路沒有供電，發(fā)光二極管D1自然會熄滅。

2.2.2 一只剎車燈正常、另一只損壞

如果有一只剎車燈突然損壞，電流只由另一只好的剎車燈所消耗，這時的燈絲電壓比剛才兩只剎車燈都正常的時候的燈絲電壓略高一些，這時的導線壓降UX≈0.6V，由于斯密特電路的磁滯特性，斯密特電路輸出低電平狀態(tài)不會馬上改變，發(fā)光二極管D1繼續(xù)短暫發(fā)光、蜂鳴器繼續(xù)靜聲。

參照上文介紹的斯密特電路下降沿正反饋部分，強烈的正反饋使電路迅速返回到Q1截止、Q2飽和導通的狀態(tài)。這時斯密特電路輸出高電平，晶體管Q3基級為高電平，晶體管Q3截止而使發(fā)光二極管D1熄滅；晶體管Q4導通，直流蜂鳴器持續(xù)報警。

注意觀察和傾聽D1發(fā)光(光指示)與蜂鳴器報警(聲音警示)有時間差，不會同時發(fā)生。

2.2.3 兩只剎車燈皆不正常

如果兩剎車燈都損壞，這時的燈絲電壓約等于12V，圖2中的導線壓降UX<0.6V，斯密特電路不工作，斯密特電路輸出高電平，發(fā)光二極管永遠也不會發(fā)光，直流蜂鳴器持續(xù)報警。

這里的持續(xù)指司機腳踩下制動閘的時間，司機腳挪開制動閘，監(jiān)視器電路沒有供電，蜂鳴器自然會靜聲。

3 結(jié)語

本設計利用一個斯密特觸發(fā)器巧妙地解決了對剎車燈故障的監(jiān)視或報警，填補了行業(yè)空白，但由于別克君越轎車高位剎車燈的供電沒有通過制動燈繼電器，而直接通過車身控制模塊(BCM)控制，故本設計對高位剎車燈的損壞不能起到警示作用。

另外如果左右剎車燈采用LED剎車燈泡而非常用的鹵素燈泡，由于LED燈泡工作電流比鹵素燈泡低，故上文斯密特電路的輸入電壓將會相應變化，LED燈泡供電導線兩端的電壓降UX為了適應該變化，需要將每個車燈所串的二極管型號進行調(diào)整，使所串二極管的正向壓降增大，以符合斯密特電路的閾值電壓的需求。