Thyristor-Schaltungsanordnung zum periodischen Ein- und Abschalten einer Last an eine bzw. von einer Gleichstromquelle
Die Erfindung betrifft eine Thyristor-Schaltungsanordnung zum periodischen Ein- und Abschalten einer Last an eine bzw. von einer Gleichstromquelle, mit einer an der Thyristor-Steuerelektrode angeschlossenen Zündschaltung, welche zur Steuerung der Zündfolge einen in einen ersten und in einen zweiten Schaltzustand schaltbaren Steuergeber-Schalter enthält, wobei der Thyristor jedesmal beim Umschalten des Steuergeber-Schalters aus seinem ersten in den zweiten Schaltzustand zündet.
Thyristor-Schaltungsanordnungen dieser Art werden häufig in Kondensator-Zündvorrichtungen für Verbrennungsmotoren benutzt, um bei jedem Zündvorgang mittels des Thyristors einen vorwiegend durch einen induktiven Speicher aufgeladenen Speicherkondensator durch die Primärwicklung eines Zündtransformators zu entladen und in dessen Sekundärwicklung eine für einen Zündfunken an den Elektroden einer Zündkerze ausreichend hohe Spannung zu induzieren. Als Steuergeber-Schalter dient hierbei entweder ein mechanischer Unterbrecher, wobei üblicherweise bei sich öffnenden Unterbrecherkontakten der Thyristor zur Herbeiführung der Kondensatorentladung gezündet wird, oder ein kontaktloser elektromagnetischer Geber, welcher z.
B. durch die Verteilerwelle angetrieben, bei jeder ihrer Umdrehungen eine der Zylinderzahl entsprechende Anzahl Steuerimpulse an die Zündschaltung des Thyristors abgibt, wobei meist durch die Steuerimpulse zunächst ein elektronischer Schalter beeinflusst und durch diesen dann die Zündschaltung gesteuert wird.
Beispielsweise ist bei einer bekannten Zündvorrichtung zur Steuerung des im Entladungskreis des Speicherkondensators angeordneten Thyristors eine transistorisierte lmpulserzeugerschaltung mit einem zwei Sekundärwicklungen aufweisenden Steuertransformator vorgesehen, wobei die eine Sekundärwicklung zur Steuerung der Kondensatoraufladung dient und die andere Sekundärwicklung mit der Steuerelektrode des Thyristors verbunden ist.
Durch einen beim Öffnen der Unterbrecherkontakte erzeugten Steuerimpuls bewirkt die Impulserzeugerschaltung, dass durch die Primärwicklung des Steuertransformators ein Strom fliesst und in der zweiten Sekundärwicklung eine Spannung für einen Zündimpuls induziert wird, so dass der Thyristor zündet und der Speicherkondensator sich entladen kann. Nach Entladung des Speicherkondensators bewirkt die Resonanz im Entladekreis die Sperrung des Thyristors, so dass der Speicherkondensator wieder aufgeladen werden kann.
Es ist auch bekannt, eine Ladetransformator mit einer zweiten Sekundärwicklung auszustatten und diese mit der Steuerelektrode des Thyristors zu verbinden, wobei eine transistorisierte Schaltungsanordnung den Stromfluss durch die Primärwicklung des Ladetransformators steuert und die Schaltungsanordnung ihrerseits durch den Steuergeber gesteuert ist.
Eine elektronische Zündvorrichtung müsste aus Gründen der Zweckmässigkeit in kompakter Bauweise ausgeführt und in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht sein. Im Fahrzeug sollte die Zündvorrichtung in der Nähe des Motors unter der Motorhaube montiert werden.
Unter der Motorhaube herrschen jedoch meist Temperaturen, die bis nahe an die für die in der Zündvorrichtung verwendeten Halbleiter-Bauelemente zulässige Höchsttemperatur heranreichen. Eine solche Bauweise und Unterbringung der Zündvorrichtung ist daher im allgemeinen nur dann möglich, wenn sich die Zündvorrichtung im Betrieb selbst nicht zusätzlich aufheizt, d. h. wenn in ihr keine nennenswerten Verlustleistungen auftreten. Für die gesamte Verlustleistung einer in kompakter Bauweise ausgeführten Zündvorrichtung ist natürlich auch die Verlustleistung der Zündschaltung für den Thyristor von Bedeutung. Bei bekannten Thyristor-Schaltungsanordnungen ist die Verlustleistung meist nicht vernachlässigbar niedrig, so dass ihre Verwendung in Zündvorrichtungen zu unbefriedigenden Ergebnissen führt.
Insbesondere bei in rascher Folge betätigten mechanischen Steuergeber-Schaltern, z. B. bei mechanischen Unterbrechern, bleibt der bewegliche Kontakt nach dem Öffnen nicht sofort in der Offenstellung, sondern prallt noch ein oder mehrere Male zurück auf den festen Kontakt.
Dieses Flattern des beweglichen Kontaktes kann zu Fehlzündungen des Thyristors führen, und es müssen Massnahmen vorgesehen werden, um diese Rückpralleffekte unwirksam zu machen. Ähnliche Erscheinungen können auch bei kontaktlosen Steuergebern auftreten.
Aufgabe der Erfindung ist, eine Thyristor-Schaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten einer Last zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und wirtschaftlicher Herstellung eine vernachlässigbar niedrige Verlustleistung in der Zündschaltung hat, und bei der durch Rückpralleffekte bedingte Fehlzündungen des Thyristors ohne zusätzlichem Aufwand vermieden werden können.
Die erfindungsgemässe Thyristor-Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zündschaltung einen Zündkondensator enthält, welcher an der Steuerelektrode des Thyristors angeschlossen ist, um diesen durch einen Ladestromstoss zu zünden, und dass der Zündkondensator zum Laden durch einen an einer Hilfs-Steuerschaltung angeschlossenen elektronischen Schalter an eine Lade-Spannungsquelle und zum Entladen an einen Entladekreis anschliessbar ist, wobei die Hilfs-Steuerschaltung und der Entladekreis durch den Steuergeber-Schalter gesteuert sind, um bei Schalten desselben vom ersten in den zweiten Schaltzustand den elektronischen Schalter bei unterbrochenem Entladekreis einzuschalten und im ersten Schaltzustand den Entladekreis zu schliessen.
Der elektronische Schalter kann vorzugsweise ein Thyristor sein, wobei die Hilfs-Steuerschaltung dann als Hilfs Zündschaltung für den Steuer-Thyristor ausgebildet ist.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung enthält im Gegensatz zu den vorstehend erwähnten bekannten Schaltungsanordnungen keine Induktivität aufweisende Wicklungen als Bauteile, und die Verlustleistung der Zündschaltung ist im wesentlichen auf die Verlustleistung des elektronischen Schalters bzw. des Steuer-Thyristors beschränkt, die jedoch durch entsprechende Dimensionierung des Lade- und Entladekreises für den Zündkondensator so niedrig gehalten werden kann, dass die zu einer zusätzlichen Erwärmung der Schaltungsanordnung nicht mehr ausreicht.
Durch Wahl eines geeigneten Widerstandswertes für den Entladekreis kann die Entladedauer des Zündkondensators auf eine Zeitspanne ausgedehnt werden, in welcher beim Steuergeber-Schalter auftretende Rückpralleffekte unwirksam sind, so dass eine für die Erzeugung eines Zündimpulses für den Thyristor ausreichende Aufladung des Zündkondensators erst möglich ist, wenn der Steuergeber Schalter ohne Flattern endgültig in den zweiten Schaltzustand geschaltet ist.
Zum Betrieb des Steuer-Thyristors kann eine Gleichstromquelle vorgesehen sein, und als Hilfs-Zündschaltung für den Steuer-Thyristor kann ein üblicher an der Gleichstromquelle angeschlossener und dem Steuer-Thyristor parallel geschalteter Spannungsteiler mit zwei Widerständen benutzt werden, wobei die Steuerelektrode des Steuer Thyristors an den Mittelabgriff des Spannungsteilers angeschlossen ist.
Zur weiteren Vereinfachung der Schaltungsanordnung kann der aus den beiden in Reihe geschalteten Widerständen bestehende Spannungsteiler der Hilfs-Zündschaltung gleichzeitig auch als Entladekreis für den Zündkondensator verwendet werden, indem der positive Pol der Gleichstromquelle über eine in Durchlassrichtung geschaltete Diode mit dem Spannungsteiler und dieser über den Steuergeber-Schalter mit dem negativen Pol der Gleichstromquelle verbunden wird und die Steuerelektrode des Steuer Thyristors mit dessen Kathode verbindenden Widerstand des Spannungsteilers eine Diode in Sperrichtung parallelgeschaltet wird, so dass in der ersten Schaltstellung des Steuergeber-Schalters der Entladestromkreis für den Zündkondensator geschlossen ist und in der zweiten Schaltstellung desselben der Entladestromkreis unterbrochen und die Hilfs-Zündschaltung für den Steuer-Thyristor erregt ist.
Die Lade-Spannungsquelle für den Zündkondensator kann aus einem Ladekondensator mit einer durch den Steuergeber-Schalter gesteuerten Ladeschaltung bestehen, wobei im ersten Schaltzustand des Steuergeber-Schalters der Ladekondensator über die Ladeschaltung von einer Hilfs-Spannungsquelle aufgeladen und beim Schalten in den zweiten Schaltzustand des Steuergeber-Schalters in den Zündkondensator entladen wird.
Mit besonderem Vorteil kann die erfindungsgemässe Thyristor-Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Zündfunken für einen Verbrennungsmotor verwendet werden, insbesondere in einer Schaltungsanordnung, in welcher ein Speicherkondensator, ein Ladetransformator zum Laden des Speicherkondensators und ein Zündtransformator vorgesehen sind und die Thyristor-Schaltungsanordnung die jeweilige Entladung des Speicherkondensators durch die Primärwicklung des Zündtransformators steuert und in welcher eine transistorisierte Steuerschaltung mit einem Rückkoppelglied vorhanden ist, um den Stromfluss durch die Primärwicklung des Ladetransformators und über diesen das jeweilige Aufladen des Speicherkondensators zu steuern.
In einer solchen Anordnung kann die Lade-Spannungsquelle für den Zündkondensator der Thyristor-Schaltungsanordnung ein Kondensator sein, dessen eine Elektrode an Masse liegt und dessen andere Elektrode mit dem elektronischen Schalter verbunden und an die Primärwicklung des Ladetransformators angeschlossen ist, wobei bei ausgeschaltetem elektronischen Schalter der die Lade-Spannungsquelle bildende Kondensator durch die Primärwicklung des Ladetransformators aufgeladen und bei eingeschaltetem elektronischem Schalter der Zündkondensator durch den die Lade-Spannungsquelle bildenden Kondensator aufgeladen wird.
Die Erfindung wird nun anhand eines zur Erzeugung von Zündfunken für einen Verbrennungsmotor dienenden Ausführungsbeispieles ausführlich erläutert.
Die einzige Fig. der Zeichnung stellt ein Schaltbild einer die Thyristor-Schaltungsanordnung nach der Erfindung enthaltende Zündvorrichtung dar, wobei im Schaltbild der besseren Übersicht wegen lediglich die Funkenstrecke eines einzigen Zylinders und ein synchron mit der Motorwelle angetriebener mechanischer Unterbrecher als Unterbrecher-Schalter dargestellt sind.
Die ih der Zeichnung gezeigte Zündvorrichtung enthält einen ersten Schaltungsteil SA, der zur eigentlichen Erzeugung der Zündfunken dient und ausser eines Zündtransformators 7 und eines Speicherkondensators C3 einen Ladetransformator 1 enthält, dessen Eisenkern eine Primärwicklung la und eine Sekundärwicklung lb trägt, und der in der Schaltung als induktiver Speicher verwendet ist.
Das eine Ende der durch eine Diode D4 überbrückten Primärwicklung 7a des Zündtransformators 7 ist über den Speicherkondensator C3 und eine Lade-Diode D5 mit dem einen Ende der Sekundärwicklung lb des Ladetransformators 1 verbunden, am anderen Ende liegen die Primärwicklung 7a des Zündtransformators 7 und die Sekundärwicklung lb des Ladetransformators 1 an Masse. Das eine Ende der Primärwicklung la des Ladetransformators list über einen Zündschalter Z mit dem positiven Pol einer Gleichstromquelle Bt, der Fahrzeugbatterie verbunden und ausserdem an den dritten Schaltungsteil SC, der Thyristor-Schaltungsanordnung angeschlossen.
Das andere Ende der Primärwicklung 1 a des Ladetransformators 1 führt zu einem zweiten Schaltungsteil SB, der zur Steue rung des Stromflusses durch die Primärwicklung la dient und einen Transistor T sowie ein Rückkoppelglied 2 enthält. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Rückkoppelglied 2 eine Hauptwicklung 2a und eine erste und zweite Steuerwicklung 2b bzw. 2c auf. Die Primärwicklung la ist mit der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T und der Hauptwicklung 2a in Reihe mit den Polen der Gleichstromquelle Bt verbunden. Ein Stromstoss durch die zweite Steuerwicklung 2c des Rückkoppelgliedes 2 bewirkt, dass der Transistor T leitend wird und durch die Primärwicklung la des Ladetransformators 1 Strom zu fliessen beginnt. Beim Erreichen einer bestimmten Stromstärke soll der Transistor T sperren.
Schaltungsanordnungen hierzu sind bekannt und brauchen deshalb nicht im einzelnen erläutert zu werden, da sie zudem die Erfindung nicht betreffen. Nach dem Unterbrechen des Stromflusses durch die Primärwicklung la bricht das Magnetfeld des Ladetransformators zusammen, und sowohl in der Primärwicklung la als auch in der Sekundärwicklung lb desselben werden Spannungen induziert. Durch die Sekundärwicklung 1b wird, wie erwähnt, der Speicherkondensator C3 aufgeladen. Zur Entladung des Speicherkondensators C3 ist eine Thyristor-Schaltungsanordnung mit dem Thyristor 6 und einer Zündschaltung vorgesehen, die den dritten Schaltungsteil SC der Zündvorrichtung bildet.
Die dargestellte Zündschaltung SC enthält einen Zündkondensator C2, dessen eine Elektrode über einen Widerstand R7 an Masse liegt und über eine Anschlussklemme 11 durch einen Leiter 10 mit der Steuerelektrode G6 des Thyristors 6 verbunden ist. Dem Widerstand R7 ist zur Spannungsstabilisierung eine Zenerdiode ZD, parallel geschaltet. Die andere Elektrode des Zündkondensators C2 ist über einen Ladewiderstand R3 an die Kathode eines Steuer-Thyristors 5 angeschlossen. Die Anode des Steuer Thyristors 5 ist über die zweite Steuerwicklung 2c des Rückkoppelgliedes 2 sowohl mit der einen Elektrode eines Kondensators C, als auch über eine Diode Dss, die Primärwicklung la des Ladetrasformators 1 und den Zündschalter Z mit dem positiven Pol der Gleichstromquelle Bt verbunden.
Die andere Elektrode des Kondensators Cl liegt an Masse. Der Kondensator C bildet zusammen mit der Diode D, und der Primärwicklung la des einen induktiven Speicher darstellenden Ladetransformators 1 die Lade-Spannungsquelle für den Zündkondensator C2, wie noch ausführlicher erläutert wird.
Der positive Pol der Gleichstromquelle Bt ist ferner über den Zündschalter Z, einen Strombegrenzungswiderstand R;, eine in Durchlassrichtung geschaltete Diode D3 und zwei in Reihe geschaltete und einen Spannungsteiler bildende Widerstände R4 und R8 mit der Kathode des Steuer-Thyristors 5 verbunden. Dieser Schaltungsteil bildet die Hilfs-Zündschaltung für den Steuer-Thyristor, wobei die Steuerelektrode desselben an den Mittelabgriff des Spannungsteilers angeschlossen ist.
Zur Stabilisierung der Zündspannung für den Steuer-Thyristor 5 und der Betriebsspannung für die Zündvorrichtung ist der Verbindungspunkt von Zündschalter Z und Strombegrenzungswiderstand R5 sowie der Verbindungspunkt von Strombegrenzungswiderstand R5 und Diode D3 über je eine Zenerdiode ZD3 und ZD2 und einem Erdungsleiter 9 mit Masse verbunden. Der negative Pol der Gleichstromquelle Bt liegt an Masse und ist an den beweglichen Kontakt 3b des hier als Steuergeber-Schalter U benutzten mechanischen Unterbrecher angeschlossen. Der feste Kontakt 3a des Unterbrechers ist über eine Diode D6 mit dem Verbindungspunkt von Diode D3 und Spannungsteiler R4, R8 verbunden.
Dem die Steuerelektrode G5 des Steuer-Thyristors 5 mit dessen Kathode verbindenden Widerstand R8 des Spannungsteilers ist eine Diode D2 parallel geschaltet.
Bei geschlossenen Unterbrecherkontakten 3a, 3b ist somit für den Zündkondensator C2 ein aus dem Widerstand R2, der Diode D2 und dem Widerstand R4 sowie der Diode D6 und den Unterbrecherkontakten 3a, 3b bestehender Entladestromkreis gebildet.
Wird bei aufgeladenem Kondensator C, und offenen Unterbrecherkontakten 3a, 3b der Zündschalter Z geschlossen, so beginnt sich der Zündkondensator C2 über den Strombegrenzungswiderstand R5, die Diode D3 und die Widerstände R4, R8 des Spannungsteilers sowie den Widerstand R2 aufzuladen, wobei infolge des Stromflusses durch den dem Steuer-Thyristor 5 parallelgeschalteten Spannungsteiler der Steuer-Thyristor 5 leitend wird und der, wie noch erläutert wird, auf einer höheren Spannung liegende Kondensator C, den Zündkondensator C2 über die zweite Steuerwicklung 2c des Rückkoppelgliedes 2, den gezündeten Steuer-Thyristor 5 und den Widerstand R, vollends auflädt.
Der den Zündkondensator C2 aufladende starke Stromimpuls erzeugt über den Widerstand R7 einen Zündimpuls für den Thyristor 6, so dass dieser zündet und der Speicherkondensator C3 durch die Primärwicklung 7a des Zündtransformators 7 entladen und über die Sekundärwicklung 7b desselben ein Zündfunke erzeugt wird.
Gleichzeitig wird durch den Stromfluss durch die zweite Steuerwicklung des Rückkoppelgliedes 2 in dessen ersten Steuerwicklung 2b eine Spannung induziert, die den Transistor T aufsteuert, so dass durch die Primärwicklung la des Ladetransformators Strom zu fliessen beginnt.
Bei einer bestimmten Stromstärke sperrt der Transistor T wieder, so dass das Magnetfeld des Ladetransformators 1 zusammenbricht und durch die in dessen Primärwicklung la induzierte Spannung über die Diode D1 der Kondensator C, augeladen wird, da vorher mit dem Aufladen des Zündkondensators C2 der Steuer-Thyristor 5 wieder gesperrt worden war.
Das Veihältnis der Windungszahlen von Primär- und Sekundärwicklung des Ladetransformators ist hierbei so gewählt, dass sich der Speicherkondensator C3 auf ca. 370 Volt und der Kondensator C, auf ca. 40 Volt auflädt.
Diese Spannung am Kondensator C, reicht aus, um auch den Zündkondensator C2 auf ca. 30 Volt aufzuladen, so dass an den geöffneten Unterbrecherkontakten 3a, 3b eine ausreichend hohe Spannung liegt, die Fehlschlüsse beim Schliessen der Kontakte verhindert.
Beim Schliessen der Unterbrecherkontakte 3a, 3b entlädt sich der Zündkondensator C2 einerseits durch den Widerstand R7 und andererseits über den Widerstand R2, die Diode D2 und den Widerstand R4 sowie die Diode D,, wobei die Gleichstromquelle Bt über den Strombegrenzungswiderstand R5 kurzgeschlossen ist, jedoch wegen der Höhe des Strombegrenzungswiderstandes nur ein ganz geringer Strom fliesst.
Der Zündimpuls für den Thyristor 6 der Schaltungsanordnung wird, wie beschrieben, durch den Ladestrom des Zündkondensators C2 erzeugt. Damit am Widerstand R7 ein zum Zünden des Thyristors 6 ausreichender Spannungsabfall-Impuls entstehen kann, muss der Kondensator C2 vor dem Ladevorgang eine bestimmte freie Ladekapazität aufweisen. Hat sich der Zündkondensator C2 beim Zünden des Steuer-Thyristors 5 nicht entsprechend weit entladen, so reicht der Spannungsabfall-Impuls am Widerstand R7 zum Zünden des Steuer-Thyristors 5 nicht aus.
Um Fehlzündungen durch Rückprallen der Unterbrecherkontakte 3a, 3b zu verhindern, werden die Widerstände R7 und R2, R4 so bemessen, dass ein Zündvorgang erst wirk sam werden kann, wenn die Unterbrecherkontakte eine gewisse Zeit geschlossen waren, so dass sich der Zündkondensator C genügend weit entladen konnte.
Öffnen sich die Unterbrecherkontakte 3a, 3b wieder, so wiederholt sich der eben beschriebene Vorgang erneut.
Die Zenerdiode ZD2 verhindert Fehlzündungen, die bei Spannungsschwankungen auftreten würden.
Die Diode Db verhindert Fehlzündungen, die infolge von durch Störfelder bedingte statische Aufladungen entstehen würden.
Die vorstehend anhand eines Zündgerätes beschriebene Thyristor-Schaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten einer Last ist auch für andere Zwecke bestens brauchbar, wobei schaltungstechnische Unterschiede im wesentlichen auf die Ausbildung des Steuergeber-Schalters und der Lade-Spannungsquelle für den Zündkondensa tor beschränkt sein werden.
Die Thyristor-Schaltungsanordnung ist einfach im Aufbau und ihre Verlustleistung im Betrieb ist so gering. dass eine Eigenerwärmung der Halbleiter-Bauelemente praktisch nicht in Erscheinung tritt.