Murata: современные компоненты для современных автомобилей

Компания Murata выпускает керамические конденсаторы и резонаторы, EMI-фильтры и датчики, предназначенные для использования в автомобильной технике, которые полностью удовлетворяют самым жестким требованиям по эксплуатационным характеристикам.

Современный автомобиль немыслим без сложнейшей электроники, которая управляет различными узлами и агрегатами. Это системы впрыска, иммобилайзеры, сигнализации, навигационные системы и другие.

К электронным компонентам, которые используются для изготовления автомобильной электроники, предъявляются очень жесткие требования по эксплуатационным характеристикам.

Во-первых, это температурный диапазон. Компоненты, предназначенные для работы в автомобильной электронике должны выдерживать температуру до 150 °С для устройств, работающих в подкапотном пространстве автомобиля и до 105 °С для остальных устройств. Кроме того, компоненты должны выдерживать резкие перепады температуры окружающей среды.

Во-вторых, стойкость к вибрационному и ударному воздействию. Все компоненты должны сохранять свою работоспособность в подобных условиях без сбоев и выдачи ложных сигналов.

В-третьих, надежность. Ко всем компонентам, которые используются в автомобильной технике, предъявляются повышенные требования к надежности.

Компания Murata (www.murata.com, murata.alkon.net) выпускает широкий спектр компонентов, предназначенных для использования в автомобильной технике, которые полностью удовлетворяют всем вышеперечисленным требованиям.

Мы рассмотрим лишь некоторые из них. Это керамические конденсаторы, керамические резонаторы, EMI-фильтры и датчики различного назначения.

Керамические конденсаторы

Порядка 14% всех выпускаемых компанией Murata керамических конденсаторов идет на нужды рынка автоэлектроники. Основной упор в производстве керамических конденсаторов общего назначения делается на надежность. В период с 1998 по 2002 годы уровень брака керамических конденсаторов, зафиксированный на этапе выходного контроля компонентов, составил от 0,26 до 0,3 ppm (1 ppm = 0,0001%). Под браком в данном случае понимаются такие распространенные неисправности конденсаторов, как короткое замыкание, обрыв, пробой испытательным напряжением и низкое сопротивление изоляции конденсатора.

Возврат забракованных у конечного потребителя конденсаторов в 2001 году составил исчезающе малую величину — 0,01 ppm или 33 штуки.

Специально для использования в автомобильной технике компания Murata выпускает серию керамических конденсаторов GCM. Их технические характеристики приведены в таблице 1.

Основные направления развития керамических конденсаторов:

1. Отказ от использования драгоценных и редкоземельных материалов в конструкции конденсатора за счет использования никеля в качестве обкладок конденсатора и медно-никелевых электродов.
2. Увеличение емкости конденсаторов за счет совершенствования технологии производства (табл. 2).
3. Увеличение емкости конденсаторов за счет их параллельного соединения. В этом случае несколько конденсаторов (до 3-х) устанавливаются друг над другом и соединяются с помощью металлических пластин. Такая конструкция конденсатора высокой емкости значительно сокращает механические напряжения в теле конденсатора, возникающие при перепадах температуры и вибрационном воздействии (рис. 1, табл. 3).
4. Миниатюризация конденсаторов привела к выпуску специализированной серии конденсаторов GCM155 размером 0402 для автомобильной техники. Конденсаторы данного типа выпускаются с диэлектриками NP0 и X7R. Рабочий температурный диапазон — от -55 до +125 °С.
5. Для приборов, работающих в подкапотном пространстве автомобиля, компания Murata выпускает специализированную серию конденсаторов с диэлектриком X8R, который по своим основным свойствам аналогичен диэлектрику X7R, однако обладает расширенным температурным диапазоном — от -55 до 150 °С (рис. 2, табл. 4).

EMI-фильтры

Необходимость в использовании фильтров возникает тогда, когда источник помех и по-мехочувствительное устройство находятся в непосредственной близости друг от друга. Такая ситуация изображена на рис. 1, а.Помеха передается по проводникам, которыми соединены различные устройства или блоки одного устройства, наводится в них внешним электромагнитным полем.

Для решения этой проблемы можно, во-первых, уменьшить уровень помех, излучаемый самим устройством-передатчиком (3), повысить помехозащищенность приемника (4), или, что наиболее желательно, применить оба способа (1).

Все электронные приборы автомобиля подвержены воздействию электромагнитных наводок, которые возникают при работе систем зажигания, управления сервоприводами и т. д. Природа возникновения этих помех сложна и разнообразна, очень важно защитить любое электронное устройство от их воздействия.

Шумоподавляющий эффект достигается за счет использования частотных свойств конденсатора или катушки индуктивности.

Соответственно, EMI-фильтры подразделяются на следующие виды:

• использующие свойства конденсаторов (1);
• использующие свойства катушек индуктивности (2);
• комбинированные (3).

Рассмотрим подавление ВЧ-шума с использованием конденсаторного фильтра (рис. 4). Конденсатор в такой схеме подключается между сигнальным проводником и «землей» устройства. С ростом частоты полное сопротивление конденсатора падает. Поскольку характер шума в основном высокочастотный, он отводится конденсатором на землю. В таких фильтрах могут использоваться обычные конденсаторы, подбирая емкость которых, можно «вырезать» шум в заданном частотном диапазоне. Однако с ростом частоты эффективность таких фильтров сильно падает, что связано с паразитной индуктивностью выводов конденсатора (рис. 5).

В EMI-фильтрах фирмы Murata используются специальные трехвыводные проходные конденсаторы, характеризующиеся уменьшенным влиянием индуктивности выводов на фильтрующие свойства EMI-фильтра (рис. 6). Такие конденсаторы могут использоваться для подавления шума на частотах свыше 1 ГГц.

При использовании индуктивного элемента его включают последовательно в за-шумленную цепь. Полное сопротивление индуктивности растет с увеличением частоты, что позволяет ослабить или подавить шумовые помехи (рис. 7).

Как и в случае с конденсаторами, можно использовать индуктивности общего назначения в качестве EMI-фильтров. Однако при этом появляется опасность возникновения резонанса в цепях, содержащих индуктивность, и искажения формы сигнала.

Индуктивности, используемые в EMI-фильтрах фирмы Murata, при работе на высоких частотах по своим свойствам приближаются к резистору, что, во-первых, уменьшает вероятность возникновения паразитных колебаний, а во-вторых, не искажает форму полезного сигнала (рис. 8 — R доминирует на высоких частотах).

Основные серии EMI-фильтров компании Murata, предназначенных для работы в автомобильной технике, приведены в таблице 5.

Керамические резонаторы

В основу керамического резонатора положен принцип явления механического резонанса в пьезоэлектрической керамике. Приложение электрического потенциала к керамической пластине вызывает ее деформацию и наоборот, деформация керамики приводит к появлению на поверхности пластины электрических зарядов. Приложение переменного электрического потенциала приведет к возбуждению механических колебаний керамической пластины. Если частота этих колебаний близка к частоте собственного механического резонанса керамической пластины, то амплитуда колебаний значительно возрастает, увеличивается величина зарядов, обусловленных пьезоэффектом. В этом случае керамический резонатор, включенный в электрическую цепь, проявляет себя эквивалентно колебательному контуру. В зависимости от того, в какой плоскости пластины происходит резонанс, можно получить различные рабочие частотные диапазоны.

Важной отличительной чертой керамического резонатора являются малые размеры корпуса и малый вес. Габаритные размеры в эпоху миниатюризации являются одной из важных характеристик, так как уменьшение размеров элементов на схеме позволит напрямую уменьшить габаритные размеры корпуса самого изделия.

Керамика является более дешевым материалом по сравнению с кварцем, поэтому применение керамических резонаторов в схеме позволит удешевить готовое изделие, кроме того, компания Murata гарантирует сохранение указанных параметров в заданных интервалах рабочих температур.

Одной из важнейших характеристик, отличающих керамические резонаторы от кварцевых, является меньшая длительность переходных процессов, возникающих после включения электронного устройства. По методике Ceralock время нарастания определяется как время, необходимое для достижения 90% уровня генерации при установившемся режиме.

Другой отличительной характеристикой керамических резонаторов является высокая устойчивость к вибрационному и ударному воздействиям.

Основные технические характеристики керамических резонаторов компании Murata приведены в таблице 6.

Датчики

Помимо пассивных компонентов для автомобильной техники компания Murata выпускает широкий спектр датчиков различного назначения. По принципу действия эти датчики можно разбить на следующие группы:

• Ультразвуковые датчики. Сюда входят ультразвуковые излучатели и приемники, предназначенные для работы в датчиках парковки и автомобильных сигнализациях.
• Пьезоэлектрические датчики ударного воздействия. Датчики этого типа используются в качестве рабочих датчиков в сигнализациях и подушках безопасности автомобилей.
• Пьезоэлектрические элементы для датчиков детонации.
• Пьезоэлектрические гироскопические датчики. Датчики данного типа используются в системах навигации автомобилей в качестве вспомогательных элементов, фиксирующих перемещение автомобиля.

Рассмотрим эти группы датчиков подробнее.

Ультразвуковые датчики компании Murata для приема и излучения ультразвука. Murata выпускает излучатели, приемники и комбинированные приборы, которые сочетают в себе свойства как излучателей, так и приемников.

Выпускаются две разновидности датчиков — с изолированной и полностью герметичной конструкцией — для использования в качестве датчиков парковки. Несколько датчиков двойного назначения, сочетающих в себе свойства передатчика и приемника, устанавливаются на задний бампер автомобиля. Излучатель выдает пачки импульсов в пространство, переключаясь в паузах в режим приема и принимая отраженный сигнал. По задержке сигнала вычисляется расстояние между бампером автомобиля и препятствием. При уменьшении расстояния до критической отметки выдается предупреждающий сигнал.

Датчики, предназначенные для автоматов парковки, имеют высокую чувствительность: при резонансной частоте, равной 40 кГц. Дальность действия датчика достигает 1,5 метров при разрешающей способности 9 мм. Выпускаются датчики с различной диаграммой направленности, как симметричной (круговой), так и не симметричной (овальной).

Другая разновидность ультразвуковых датчиков — датчики, имеющие открытую конструкцию. Датчики этого типа предназначены для работы внутри салона автомобиля. Они выполняют роль объемных датчиков охранных сигнализаций и датчиков положения пассажиров в салоне автомобиля для контроллеров подушек безопасности. Один или несколько ультразвуковых излучателей создают в салоне автомобиля ультразвуковое поле, характер которого изменяется при появлении или перемещении объектов внутри салона автомобиля. Эти изменения улавливаются ультразвуковыми приемниками, которые также расположены в салоне автомобиля. На основании данных от ультразвуковых приемников контроллер выдает управляющие сигналы на исполнительные устройства.

Основные характеристики датчиков этой серии приведены в таблице 7. Внешний вид и габаритные размеры ультразвукового датчика типа MA40MF14-1B изображены на рис. 9. Датчик типа MA40S5 изображен на рис. 10.

Датчики детонации выполняют очень важную роль в работе двигателя. Они фиксируют момент детонации горючей смеси в цилиндрах двигателя автомобиля и выдают блоку управления двигателем информацию, на основании которой последний производит коррекцию угла опережения зажигания.

Компания Murata выпускает чувствительные элементы для датчиков детонации двух видов:

• Резонансные датчики имеют узкую зону чувствительности и позволяют зафиксировать только сам факт возникновения детонации. Кроме того, для надежной работы датчика данного типа требуется его индивидуальная подгонка для каждого двигателя, что усложняет процесс регулировки на заводе и в сервис-центрах. Однако это компенсируется простотой управляющих схем, которые работают совместно с датчиком детонации данного типа.
• Нерезонансные или широкополосные датчики, напротив, не имеют явно выраженного резонансного пика. В отличие от резонансных датчиков, они способны зафиксировать момент начала детонации и скорректировать угол опережения на раннем этапе, не допуская возникновения детонации. Кроме того, не требуется подгонка каждого конкретного датчика к двигателю, индивидуальная калибровка и т. д. Однако в отличие от резонансного датчика, требуются более сложные управляющие схемы. Несмотря на некоторые недостатки, нерезонансные датчики постепенно вытесняют резонансные из автомобильных двигателей. Основные характеристики датчиков этого типа приведены в таблице 8, а внешний вид и габаритные размеры — на рис. 12.

Все чаще в автомобили устанавливаются навигационные системы, предназначенные для ориентации в незнакомой водителю местности, поиска оптимального маршрута и т. д. Подавляющее большинство таких систем основано на спутниковой системе глобального позиционирования (GPS). Однако такая система имеет существенный недостаток — невозможность работы в зоне неуверенного приема сигнала со спутников: в условиях мегаполиса, в тоннелях, подземных гаражах и т. д. Иногда оказывается, что точность определения и отслеживания координат с использованием GPS недостаточна для работы системы в целом.

В этом случае на выручку GPS приходят гироскопические датчики, которые позволяют отследить скорость и направление перемещения автомобиля без участия спутниковых систем (рис. 13).

Компания Murata серийно выпускает гироскопический датчик ENV-05G, предназначенный для работы в автомобильной технике. Принцип действия датчика основан на возникновении силы Кориолиса при повороте качающегося маятника вокруг оси качения. При этом возникает сила, перпендикулярная плоскости качания маятника (рис. 14).

Датчик угловой скорости компании Murata состоит из так называемой биморф-ной пластины. Биморфная пластина представляет собой две керамические пластины с разной поляризацией, соединенные вместе. На одну из пластин биморфа подается высокочастотное напряжение, под действием которого весь биморф приводится в колебательное движение. При этом со второй пластины снимается напряжение, которое возникает при ее колебании, вызванном колебаниями первой пластины. При повороте пластин вокруг своей оси возникает сила Корио-лиса, которая изменяет характер колебаний керамических пластин и, соответственно, приводит к изменению напряжения, снимаемого со второй пластины. Затем этот сигнал обрабатывается и на выходе гироскопического датчика получается напряжение, которое прямо пропорционально скорости поворота датчика вокруг рабочей оси (рис. 15).

Основные характеристики гироскопического датчика ENV-05G приведены в таблице 9.