DE10040161B4 - Halbleiter-Zündvorrichtung - Google Patents
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Abstract
Halbleiter-Zündvorrichtung,
umfassend
eine in Reihe mit einer Zündspule (16) geschaltete Schaltvorrichtung (2; 2a) zum gesteuerten Ein- und Ausschalten eines Stroms durch die Zündspule (16), und
eine Strombegrenzungsschaltung (4–6, 8, 9, 12, 13; 24–26; 40) zur Steuerung der Schaltvorrichtung (2; 2a) derart, daß der Strom durch die Zündspule (16) begrenzt wird, und
gekennzeichnet durch
eine Spannungsbegrenzungsschaltung (3) zum Begrenzen der von der Zündspule (16) ausgegebenen Spannung,
eine Zeitgeberschaltung (14; 14a), die mit dem Anlegen eines Eingangssignals an einen Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2; 2a) zu arbeiten beginnt und nach einer festgelegten Zeitspanne nach dem Anlegen des Eingangssignals (19) ein Ausgangssignal ausgibt, und
eine Hauptstromabsenkschaltung (10, 11, 14, 15; 14, 20–23; 14, 27, 28), die auf das Ausgangssignal der Zeitgeberschaltung (14; 14a) reagiert, um den durch die Schaltvorrichtung (2; 2a) fließenden Strom ungeachtet des kontinuierlichen Anlegens des Eingangssignals (19) abzusenken.
eine in Reihe mit einer Zündspule (16) geschaltete Schaltvorrichtung (2; 2a) zum gesteuerten Ein- und Ausschalten eines Stroms durch die Zündspule (16), und
eine Strombegrenzungsschaltung (4–6, 8, 9, 12, 13; 24–26; 40) zur Steuerung der Schaltvorrichtung (2; 2a) derart, daß der Strom durch die Zündspule (16) begrenzt wird, und
gekennzeichnet durch
eine Spannungsbegrenzungsschaltung (3) zum Begrenzen der von der Zündspule (16) ausgegebenen Spannung,
eine Zeitgeberschaltung (14; 14a), die mit dem Anlegen eines Eingangssignals an einen Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2; 2a) zu arbeiten beginnt und nach einer festgelegten Zeitspanne nach dem Anlegen des Eingangssignals (19) ein Ausgangssignal ausgibt, und
eine Hauptstromabsenkschaltung (10, 11, 14, 15; 14, 20–23; 14, 27, 28), die auf das Ausgangssignal der Zeitgeberschaltung (14; 14a) reagiert, um den durch die Schaltvorrichtung (2; 2a) fließenden Strom ungeachtet des kontinuierlichen Anlegens des Eingangssignals (19) abzusenken.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiter-Zündvorrichtung, insbesondere zur Anwendung bei Zündanlagen von Verbrennungsmotoren in Automobilen.
- Bekannte Zündsysteme für Verbrennungsmotoren in Automobilen schließen ein verteilerloses Zündsystem ein, das für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors eine Zündspule und eine Halbleiter-Zündvorrichtung enthält. Die bei diesem System eingesetzten Halbleiter-Zündvorrichtungen umfassen eine Schaltvorrichtung zum Ein- und Ausschalten des Primärstroms der Zündspule.
- Die für die einzelnen Zylinder gesondert vorgesehenen Halbleiter-Zündvorrichtungen werden von einer Motorsteuereinheit einzeln ein- und ausgeschaltet, wobei jedoch diese Ein/Aus-Steuerung unter Umständen nicht richtig arbeitet, beispielsweise dann nicht, wenn der Motor steht. Wenn der Schaltvorrichtung ein anhaltendes Treibersignal geliefert wird, fließt kontinuierlich Strom durch die Primärseite der Zündspule, wodurch diese zerstört werden kann oder unkontrolliert der zugehörige Zylinder gezündet werden kann, was zu einer anomalen Motorvibration führt.
- Eine Vorrichtung zur Korrektur solch eines anomalen Verhaltens ist beispielsweise in der
JP 8-28415 A - Die bekannte Halbleiter-Zündvorrichtung weist auch eine Strombegrenzungsschaltung auf, um das Treibersignal an die Schaltvorrichtung zu begrenzen und deren Zerstörung zu verhindern, wenn in der Schaltvorrichtung ein Überstrom festgestellt wird.
- Bei der herkömmlichen Halbleiter-Zündvorrichtung verhindert die Strombegrenzungsschaltung Überströme durch Verwendung eines Ausgangsstufenelements und vermeidet damit eine thermische Zerstörung der Halbleiter-Zündvorrichtung und der Zündspule; dabei schaltet die Schutzschaltung das Treibersignal und damit das Ausgangsstufenelement der Halbleiter-Zündvorrichtung ab, wenn ein Treibersignal kontinuierlich für eine vorbestimmte Zeitdauer oder länger anliegt. Der Abschaltvorgang nach der festgelegten Zeitdauer wird jedoch mit derselben Geschwindigkeit wie beim Normalbetrieb ausgeführt, so daß, wie beim normalen Betrieb, an der Sekundärwicklung der Zündspule eine hohe Spannung auftritt, durch die im Zylinder verbliebenes Brennstoffgemisch gezündet wird und der Motor einer anomalen Drehkraft ausgesetzt wird.
- Aus der Patentschrift
US5,775,310 ist eine Halbleiter-Zündvorrichtung bekannt, die eine in Reihe mit einer Zündspule geschaltete Schaltvorrichtung zum gesteuerten Ein- und Ausschalten eines Stroms durch die Zündspule, und eine Strombegrenzungsschaltung zur Steuerung der Schaltvorrichtung derart, daß der Strom durch die Zündspule (16 ) begrenzt wird, aufweist. Das voranstehend genannte Problem eines Dauerstroms durch die Schaltvorrichtung und die Zündspule in in dieser Druckschrift nicht angesprochen, geschweige denn gelöst. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbleiter-Zündvorrichtung zu schaffen, die einen Ausgangsstufenanschluß nach kontinuierlichem Anlegen eines Treibersignals abschaltet und dabei verhindert, daß eine unerwünschte hohe Spannung in der Sekundärwicklung der Zündspule während dieses Abschaltvorgangs erzeugt wird.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Halbleiter-Zündvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Wenn bei der erfindungsgemäßen Halbleiter-Zündvorrichtung ein Eingangssignal zum Einschalten der Schaltvorrichtung kontinuierlich anliegt, gibt der Zeitgeber ein Zeitablaufsignal ab, und als Folge davon verringert die Hauptstromabsenkschaltung den Strom durch die Schaltvorrichtung. Demgemäß wird die Schaltvorrichtung langsamer abgeschaltet als dies beim normalen Betrieb der Fall ist, um den durch die Primärwicklung der Zündspule fließenden Strom langsam abzuschalten und dadurch die in der Sekundärwicklung der Zündspule erzeugte Spannung zu begrenzen.
- Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Halbleiter-Zündvorrichtung gemäß der Erfindung, -
2(A) schematisch die Anschaltung einer Zündspule, -
2(B) die Änderungen von Strom und Spannung in der Primärwicklung der Zündspule, -
2(C) Änderungen der Sekundärspannung der Zündspule, -
3 –7 Schaltbilder jeweils eines zweiten, dritten, vierten, fünften bzw. sechsten Ausführungsbeispiels der Halbleiter-Zündvorrichtung gemäß der Erfindung, -
8 das Schaltbild von7 mit detaillierterer Darstellung des Blocks47 , und -
9 ein Beispiel einer Halbleiter-Zündvorrichtung, die unter Verwendung eines einzelnen Chips aufgebaut ist. -
1 zeigt das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Halbleiter-Zündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Zündvorrichtung1 verwendet einen IGBT2 (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) als Schaltvorrichtung, welches ein Ausgangsstufenelement darstellt. Eine Zenerdiode3 ist zwischen den Kollektor und das Gate des IGBT2 geschaltet, um die von einer Zündspule abgegebene Spannung zu klemmen. Der Emitter des IGBT2 liegt über einen Emitterwiderstand4 an Masse, während sein Gate über Widerstände5 und6 mit einem Eingangsanschluß7 verbunden ist. Der Verbindungspunkt zwischen dem Emitter des IGBT2 und dem Emitterwiderstand4 ist mit dem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers8 verbunden. Der invertierende Eingang dieses Operationsverstärkers8 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen Widerständen9 und10 , einem Kondensator11 sowie einem Konstantstromelement12 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers8 ist mit dem Gate eines Feldeffekttransistors13 (FET) verbunden. Die Drain des FET13 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen5 und6 verbunden, während seine Source geerdet ist. Der Eingangsanschluß7 ist mit einem Betriebsspannungsanschluß des Operationsverstärkers8 , dem Konstantstromelement12 und einem Zeitgeber14 verbunden. Der Ausgang des Zeitgebers14 ist mit dem Gate eines FET15 verbunden. Die Drain des FET15 ist mit dem dem Widerstand9 abgewandten Ende des Widerstands10 verbunden, während seine Source an Masse liegt. Der Kollektor des IGBT2 ist mit der Primärwicklung einer Zündspule16 verbunden, deren anderes Ende an eine Batterie17 angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung der Zündspule16 liegt über den Luftspalt einer Zündkerze an Masse. - Der Emitterwiderstand
4 , der Operationsverstärker8 , der FET13 , der Widerstand5 , der Widerstand9 , das Konstantstromelement12 und der Widerstand6 bilden eine Strombegrenzungsschaltung zur Begrenzung des Laststroms durch den IGBT2 . Das Konstantstromelement12 dient zur Erzeugung einer Referenzspannung für den Operationsverstärker8 , die durch das Produkt aus dem das Konstantstromelement12 durchfließenden Strom und dem Widerstandswert des Widerstands9 gegeben ist und der Klemmenspannung über dem Emitterwiderstand4 entspricht, die gemessen wird, wenn der Strom vom IGBT2 zum Emitterwiderstand4 den Grenzwert aufweist. - Der Kondensator
11 , der Widerstand10 , der FET15 und der Zeitgeber14 , die mit dem Widerstand9 parallel geschaltet sind, bilden einen Selbstabschaltkreis zum Abschalten des IGBT2 für den Fall, daß ein Eingangssignal19 andauernd am Eingangsanschluß7 ansteht. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Selbstabschaltkreis eine Hauptstromabsenkschaltung, die den IGBT2 allmählich, d. h. mit niedriger Geschwindigkeit abschaltet. Der Zeitgeber14 liefert an das Gate des FET15 zu einer festgelegten Zeitspanne nach dem Anlegen des Eingangssignals19 ein Treibersignal. - Wenn bei dem oben beschriebenen Aufbau das Eingangssignal
19 an den Eingangsanschluß7 angelegt wird, wird der IGBT2 eingeschaltet und veranlaßt einen Stromfluß von der Batterie17 über die Primärwicklung der Zündspule16 zu dem IGBT2 . Wenn dann das Eingangssignal19 innerhalb einer Zeitspanne abgeschaltet wird, die kürzer als die Betriebszeit des Zeitgebers14 ist, wird der IGBT2 abgeschaltet, um den Strom durch die Primärwicklung der Zündspule16 abzuschalten. Dabei führt die in der Primärwicklung der Zündspule16 gespeicherte Energie zur Induktion einer hohen Spannung in der Sekundärwicklung, was einen Zündfunken im Luftspalt18 bewirkt und das Brennstoffgemisch in einem Zylinder zündet. Die Geschwindigkeit dieses Abschaltvorgangs des IGBT2 bei normalem Betrieb hängt von der Eingangskapazität des IGBT2 und den Widerstandswerten der Widerstände5 und6 sowie der Eingangssignalschaltung ab und erfolgt allgemein innerhalb von 50 μs oder weniger. - Wenn das Eingangssignal
19 an den Eingangsanschluß7 angelegt wird, wird die Spannung des Eingangssignals19 als Betriebsspannung für den Operationsverstärker8 verwendet, und das Konstantstromelement12 liefert einen konstanten Strom über den Widerstand9 , um eine Referenzspannung für den invertierten Eingang des Operationsverstärkers8 bereitzustellen. Dementsprechend wird die Strombegrenzungsschaltung dieser Zündvorrichtung1 in Betrieb gesetzt. Wenn der IGBT2 eingeschaltet wird, fließt Strom durch den Emitterwiderstand4 . Wenn der Strom anomal ansteigt, so daß die Klemmenspannung am Emitterwiderstand4 die Referenzspannung übersteigt, wird das Ausgangspotential des Operationsverstärkers8 invertiert, um den FET13 einzuschalten. Hierdurch wird der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen5 und6 an Masse gelegt und dadurch das Eingangssignal19 zum Gate des IGBT2 abgeschaltet, um diesen zwangsweise abzuschalten. - Unter Bezugnahme auf
2 soll nun der Betrieb der Zündvorrichtung1 für den Fall beschrieben werden, daß das Eingangssignal19 kontinuierlich am Eingangsanschluß7 anliegt, beispielsweise infolge eines Stillstands des Motors. -
2 zeigt den Zusammenhang zwischen der Sekundärspannung und dem Primärstrom und der Primärspannung der Zündspule. In2(A) ist der IGBT2 durch einen Schalter dargestellt, der Stromfluß durch die Primärwicklung der Zündspule16 ist mit IL bezeichnet, die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT2 ist mit VSW bezeichnet, und die Spannung am Luftspalt18 der Zündkerze, die von der Sekundärwicklung erzeugt wird, ist mit VC2 bezeichnet. - Zunächst soll der normale Betrieb der Zündvorrichtung
1 erläutert werden. Wenn der IGBT2 eingeschaltet wird, fällt die Spannung VSW von der Batteriespannung auf Massepotential bzw. Null, während der Strom IL durch die Primärwicklung der Zündspule16 allmählich ansteigt, wie in2(B) gezeigt. Wenn dann der Strom IL einen vorbestimmten Wert erreicht hat, setzt die Wirkung der Strombegrenzungsschaltung ein und begrenzt den Strom bei leichtem Ansteigen der Spannung VSW. Wenn der IGBT2 abgeschaltet wird, fällt der Strom IL auf Null, während die Spannung VSW rasch ansteigt. Wenn die Spannung VSW durch die Zenerdiode3 auf die Zenerspannung geklemmt wird, induziert die Spannung VSW Energie von der Primärwicklung in die Sekundärwicklung und fällt dann ab. Die induzierte Energie erzeugt ein negatives Potential in der Sekundärwicklung, und die Spannung VC2 am Luftspalt18 nimmt in negativer Richtung zu, wie in2(C) gezeigt. Die in der Sekundärwicklung erzeugte Spannung wirkt mit einer gewissen Phasenverzögerung auf die Primärwicklung zurück, wodurch die Spannung VSW die gefallen war, wieder ansteigt. Nachdem die Spannung an der Sekundärwicklung, d. h. die Spannung VC2 am Luftspalt18 bis zu einem bestimmten Wert angestiegen ist, tritt am Luftspalt18 eine Entladung auf, was die Spannungen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung der Zündspule16 absenkt. Die Spannung VSW wird gleich der Batteriespannung während die Spannung VC2 am Luftspalt18 null wird. - Als nächstes wird der Fall beschrieben, daß der Motor steht, was ein andauerndes Anlegen des Eingangssignal
19 zur Folge hat. Nachdem das Eingangssignal19 für eine feste Zeitdauer angestanden hat, gibt der Zeitgeber14 sein Zeitablaufsignal an das Gate des FET15 . Der FET15 wird dann eingeschaltet und entlädt über den Widerstand10 den Kondensator11 . Die Entla dungsgeschwindigkeit wird von der Zeitkonstante aus Kondensator11 und Widerstand10 bestimmt. - Wenn der Zeitgeber
14 sein Treibersignal an den FET15 abgibt, ist der Strom des IGBT2 durch den Operationsverstärker8 , den FET13 und die zugehörigen anderen Elemente begrenzt. Wenn in diesem Zustand der Kondensator11 entladen wird, fällt die Bezugsspannung am Operationsverstärker8 allmählich ab. Da der IGBT2 den Strom so stellt, daß die Klemmenspannung am Emitterwiderstand4 gleich der Referenzspannung am Operationsverstärker8 ist, sinkt mit der Referenzspannung der Strom IL allmählich ab, wie durch die gestrichelte Linie in2(B) gezeigt. Dabei steigt die Spannung VSW von dem Potential, das sich bei der Strombegrenzung eingestellt hatte, langsam an, wie durch die gestrichelte Linie dargestellt, während sich die Spannung VC2 am Luftspalt18 gemäß Darstellung in2(C) ändert. Auf diese Weise wird der Strombegrenzungswert des IGBT2 zum Abschalten des IGBT2 mit niedriger Geschwindigkeit verändert, damit verhindert wird, daß die Spannung VC2 am Luftspalt18 auf einen Wert ansteigt, bei dem eine Entladung auftritt. Hierdurch werden unerwünschte Zündungen verhindert. - Die oben beschriebene Halbleiter-Zündvorrichtung
1 , die eine Strombegrenzungsschaltung zur Begrenzung des den IGBT2 durchfließenden Laststroms und eine Hauptstromabsenkschaltung zum allmählichen Absenken des Hauptstroms bzw. zum Abschalten des IGBT2 mit niedriger Geschwindigkeit aufweist, kann als integrierte Hybridschaltung mit einer Kombination dieser Komponenten aufgebaut werden. Beispielsweise können die Komponenten in einem einzelnen Gehäuse untergebracht werden, wobei beispielsweise auf einem Keramiksubstrat Siliciumchips, die den IGBT2 , den Operationsverstärker8 , das Konstantstromelement12 , den Zeitgeber14 , die FETs13 und15 und andere Komponenten darstellen, montiert werden, weiterhin gedruckte Widerstände oder Widerstandschips als Widerstände5 ,6 ,9 und10 , ein Widerstandschip als Emitterwiderstand4 und ein Kondensatorchip als Kondensator11 montiert werden und diese Chips mit Drähten untereinander verbunden werden und dann mit Harz vergossen werden. - Alternativ kann die Halbleiter-Zündvorrichtung
1 dadurch in einem einzigen Gehäuse untergebracht werden, daß sie unter Verwendung lediglich mehrerer Halbleiterchips (bare chips), die den IGBT2 , die Strombegrenzungsschaltung und die Hauptstromabsenkschaltung bilden, aufgebaut wird. - Außerdem kann die Halbleiter-Zündvorrichtung
1 unter Verwendung eines einzigen Chips aufgebaut werden, indem alle Funktionen der Zündvorrichtung auf einem einzelnen Siliciumsubstrat implementiert werden. -
3 zeigt ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Halbleiter-Zündvorrichtung. Gleiche Elemente in den1 und3 sind mit denselben Bezugszahlen versehen und werden nicht noch einmal beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Hauptstromabsenkschaltung einen Zeitgeber14 , einen Oszillator20 , eine Schieberschaltung bzw. ein Schieberegister21 , und n Sätze aus jeweils einem Widerstand22-1 bis22-n und einem FET23-1 bis23-n . - Der Zeitgeber
14 , dessen Ausgang mit dem Oszillator20 verbunden ist, gibt nach einer festgelegten Zeitspanne nach Anlegen des Eingangssignals19 sein Zeitablaufsignal als Startsignal für die Hauptstromabsenkschaltung aus. Der Oszillator20 ist mit dem Schieberegister21 verbunden, dessen n Ausgänge mit dem Gate eines jeweiligen der FETs23-1 bis23-n verbunden sind. Die Reihenschaltungen jeweils aus einem der Widerstände22-1 bis22-n und einem zugehörigen der FETs23-1 bis23-n liegen parallel zu dem Widerstand9 , der die Referenzspannung für den Operationsverstärker8 erzeugt. Die Parallelschaltung aus dem Widerstand9 und den Widerständen22-1 bis22-n erlaubt eine schrittweise Verringerung der Referenzspannung für den Operationsverstärker8 . - Der Oszillator
20 bestimmt die Geschwindigkeit der schrittweisen Verringerung, und das Schieberegister21 legt fest, welcher oder welche FETs anzusteuern sind, der FET23-1 , der FET23-n oder entweder einer oder beide FETs23-1 und23-n (bzw. einer der anderen FETs). Wenn die Widerstände22-1 bis22-n alle den gleichen Widerstandswert aufweisen und das Treibersignal nacheinander an den ersten FET23-1 bis zum n-ten FET23-n angelegt wird, tritt zwischen den beiden Enden des Widerstands9 ein Widerstandswert auf, der der Parallelschaltung des Widerstands9 mit i Widerständen22-1 bis22-i gleicht und mit zunehmendem i von 2 bis n allmählich abnimmt. Die Klemmenspannung über dem Widerstand9 ergibt sich aus dem Ohmschen Gesetz (Spannung = Widerstand × Strom), was bedeutet, daß der Kollektorstrom durch den IGBT2 allmählich verringert wird. Dies wiederum verhindert, daß eine hohe Spannung an der Sekundärwicklung der Zündspule16 erzeugt wird. -
4 zeigt ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der Halbleiter-Zündvorrichtung. Gleiche Elemente in den1 und4 sind mit denselben Bezugszahlen versehen und werden nicht noch einmal beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Strombegrenzungsschaltung Widerstände24 und25 und einen Transistor26 , und die Hauptstromabsenkschaltung umfaßt den Zeitgeber14 , einen Widerstand27 und einen FET28 . - Bei der Strombegrenzungsschaltung ist der Verbindungspunkt zwischen dem Emitter des IGBT
2 und dem Emitterwiderstand4 über den Widerstand24 mit der Basis des Transistors26 verbunden. Der Kollektor des Transistors26 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen5 und6 verbunden. Der Emitter des Transistors26 liegt über den Widerstand25 an Masse. Bei der Hauptstromabsenkschaltung ist der Ausgang des Zeitgebers14 mit dem Gate des FET28 verbunden, dessen Drain über den Widerstand27 mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen5 und6 verbunden ist und dessen Source an Masse liegt. - Wenn das Eingangssignal
19 an den Eingangsanschluß7 angelegt wird, wird der IGBT2 eingeschaltet. Wenn der Hauptstrom ansteigt und dabei die Klemmenspannung des Emitterwiderstands24 , die von dem Hauptstrom herrührt bzw. diesem proportional ist, die Durchlaßspannung des Transistors26 übersteigt, wird dieser eingeschaltet. Dadurch gelangt das Potential am Verbindungspunkt zwischen den Widerständen5 und6 näher zum Massepotential, was die Gatespannung des IGBT2 verringert und dadurch den Hauptstrom auf einen vorbestimmten Wert reduziert bzw. begrenzt. - Wenn das Eingangssignal
19 kontinuierlich an den Eingangsanschluß7 angelegt wird, gibt der Zeitgeber14 nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach Anlegen des Eingangssignals19 das Zeitablaufsignal aus. Davon wird der FET28 eingeschaltet und öffnet einen Nebenschluß für das Eingangssignal19 über den Widerstand27 , um die Gatespannung des IGBT2 zum Verschwinden zu bringen. Zusätzlich wird im Gate des IGBT2 gespeicherte Ladung über die Widerstände5 und27 abgeführt, wodurch ein Abschaltbetrieb des IGBT2 eingeleitet wird. Die Abschaltgeschwindigkeit des IGBT2 wird von den Widerständen5 und27 bestimmt. Durch Erhöhen des Widerstandswerts des Widerstands27 kann sie verringert werden. Auf diese Weise kann der den IGBT2 und die Primärwicklung der Zündspule16 durchfließende Strom langsam verringert werden, um die Erzeugung einer hohen Spannung in der Sekundärwicklung der Zündspule16 einzuschränken oder zu unterbinden. -
5 zeigt ein Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels der Halbleiter-Zündvorrichtung. Gleiche Elemente in den1 und5 sind mit denselben Bezugszahlen versehen und werden nicht noch einmal erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Hauptstromabsenkschaltung ein Konstantstromelement12 , den Widerstand9 , eine Diode35 , den Kondensator11 , den Zeitgeber14 und FETs31 ,32 und33 . - Der Kondensator
11 der Hauptstromabsenkschaltung ist so angeschlossen, daß ein Teil des vom Konstantstromelement12 zum Widerstand9 fließenden Stroms über die Diode35 den Kondensator11 lädt. Außerdem ist der Kondensator11 mit der Drain des FET32 verbunden, um mittels eines Konstantstroms entladen zu werden. Die Source des FET32 liegt an Masse, während sein Gate mit Gate und Drain des FET33 verbunden ist. Die Drain des FET33 ist mit einem Konstantstromelement34 verbunden, während seine Source an Masse liegt. Die FETs32 und33 bilden einen Stromspiegel, von dem der Kondensator11 mit einem von dem Konstantstromelement34 bestimmten konstanten Strom entladen werden kann. Der Ausgang des Zeitgebers14 ist mit dem Gate des FET31 verbunden, dessen Drain mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand9 und der Diode35 verbunden ist, während seine Source an Masse liegt. - Wenn das Eingangssignal
19 an den Eingangsanschluß7 angelegt wird, wird der IGBT2 eingeschaltet. Wenn der Hauptstrom ansteigt und die Klemmenspannung des Emitterwiderstands4 , die von dem Hauptstrom herrührt, die von dem Konstantstromelement12 und dem Widerstand9 bestimmte Referenzspannung übersteigt, wird der FET13 eingeschaltet. Dadurch wird das Potential am Verbindungspunkt zwischen den Widerständen5 und6 näher an Masse gebracht, was die Gatespannung des IGBT2 verringert, wodurch der Hauptstrom verringert und auf einen vorbestimmten Wert begrenzt wird. - Wenn das Eingangssignal
19 kontinuierlich am Eingangsanschluß7 anliegt, gibt der Zeitgeber14 nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach Anlegen des Eingangssignals19 das Zeitablaufsignal aus, was den FET31 einschaltet und die Anode der Diode35 auf Massepotential legt. Die Diode35 verhindert nun, daß der Kondensator11 geladen wird und verhindert außerdem, daß ein Entladestrom von dem Kondensator11 zum Widerstand9 und zum FET31 fließt. Demzufolge entlädt der FET32 mit konstantem Strom den Kondensator11 . - Wenn der Zeitgeber
14 das Zeitablaufsignal an den FET31 ausgibt, ist der Strom des IGBT2 durch den Operationsverstärker8 , den FET13 und die anderen Element begrenzt. Wenn in diesem Zustand der Kondensator11 entladen wird, fließt ein konstanter Strom durch den FET32 , der vom Verhältnis zwischen dem FET32 und dem FET33 bestimmt wird, wobei durch letzteren ein vom Konstantstromelement34 bestimmter konstanter Strom fließt. Demzufolge wird der Kondensator11 langsam entladen, womit die Referenzspannung des Operationsverstärkers8 allmählich verringert wird. Als Folge davon wird der durch den IGBT2 und die Primärwicklung der Zündspule16 fließende Strom langsam abgesenkt und die Erzeugung einer hohen Spannung in der Sekundärwicklung der Zündspule16 begrenzt oder unterbunden. - Die meisten Automobile verwenden eine 12-V-Batterie. In kalten Gegenden werden teilweise zwei Batterien in Reihe geschaltet, um den Motor zu starten. Selbst im Sommer kann, wenn die Batterie z. B. infolge Alterung zum Starten des Motors nicht mehr ausreicht, die Stromquelle eines anderen Automobils zum Starten des Motors eingesetzt werden. 12-V-Automobile können natürlich die Stromquelle eines 24-V-Automobils verwenden. Wenn in solchem Fall das Eingangssignal
19 kontinuierlich an den Eingangsanschluß7 angelegt wird, kann der IGBT2 als Schaltvorrichtung während des Strombegrenzungsvorgangs einer hohen Spannung ausgesetzt sein und thermisch zerstört werden. - Wenn beispielsweise die Batteriespannung 12 V beträgt, der Strombegrenzungswert (Grenzwert) bei 20 A liegt und der Zündspulenwiderstand 0,5 Ω beträgt, ergibt sich der Kollektorverlust des IGBT
2 zu 20 A × (12 V – 20 A × 0,5 Ω) = 40 W. Wenn andererseits eine 24-V-Stromquelle für die im übrigen gleiche Schaltung verwendet wird, dann steigt der Kollektorverlust auf 20 A × (24 V – 20 A × 0,5 Ohm) = 280 W. - Der als Schaltvorrichtung dienende IGBT
2 muß deshalb vor thermischer Zerstörung auch dann geschützt werden, wenn die Betriebsspannung höher ist als bei Normalbetrieb. Eine Halbleiter-Zündvorrichtung, die eine solche Funktion aufweist, wird nachfolgend beschrieben. -
6 ist ein Schaltbild eines fünften Ausführungsbeispiels der Halbleiter-Zündvorrichtung. Gleiche Elemente in den1 und6 sind mit denselben Bezugszahlen versehen und werden nicht noch einmal erläutert. Dieses Ausführungsbeispiel umfaßt eine Strombegrenzungs/Hauptstromabsenkschaltung40 mit einem Strombegrenzungsschaltungsteil und einem Hauptstromabsenkschaltungsteil sowie eine Hauptstromabschaltschaltung zum Abschalten des Hauptstroms durch den IGBT2 mit hoher Geschwindigkeit, wenn die Spannung der Batterie17 auf oder über einem bestimmten Wert liegt und das Eingangssignal19 kontinuierlich anliegt. - Die Hauptstromabschaltschaltung umfaßt Spannungsteilerwiderstände
41 und42 zum Messen der Kollektorspannung des IGBT2 , eine Referenzspannungsquelle43 zum Einstellen einer bestimmten Spannung, einen Operationsverstärker44 , einen mit dem Ausgang des Operationsverstärkers44 verbundenen Widerstand45 und einen FET46 . Der nicht invertierte Eingang des Operationsverstärkers44 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen41 und42 verbunden, während der invertierte Eingang mit der Referenzspannungsquelle43 verbunden ist. Die Drain des FETs46 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen zwei Widerständen5a und5b verbunden, die mit dem Gate des IGBT2 in Reihe geschaltet sind. Die Source des FETs46 liegt an Masse, und sein Gate ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers44 über den Widerstand45 verbunden. Der Stromversorgungsanschluß des Operationsverstärkers44 ist mit dem Eingangsanschluß7 verbunden. Auf diese Weise wird eine Schaltung gebildet, die das Eingangssignal19 und die Kollektorspannung des IGBT2 überwacht und zwangsweise die Gatespannung des IGBT2 auf einen Wert absenkt, bei dem der IGBT2 den Leitzustand nicht aufrechterhalten kann, wenn das Eingangssignal19 kontinuierlich anliegt und die Kollektorspannung einen bestimmten Wert erreicht oder überschreitet. - Wenn bei diesem Aufbau das Eingangssignal
19 kontinuierlich anliegt, bewirkt die Strombegrenzungs/Hauptstromabsenkschaltung40 zunächst einen begrenzten Hauptstromfluß und dann ein langsames Verringern des Hauptstroms. In diesem Fall gleicht die Kollektorspannung des IGBT2 während des Strombegrenzungsbetriebs der Spannung der Batterie17 minus dem Produkt aus Widerstand der Zündspule und Wert des begrenzten Stroms, d. h. VCE = VB – RCA × Ic1, wobei VCE die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT2 ist, VB die Batteriespannung ist, RCA den Widerstand der Zündspule darstellt und Ic1 den Strombegrenzungswert repräsentiert. - Da in diesem Fall der Strombegrenzungswert nicht merklich ansteigt, selbst wenn die Batteriespannung hoch ist, steigt die Kollektorspannung des IGBT
2 proportional zur Batteriespannung an. - Bei dem beschriebenen Aufbau erzeugt der Operationsverstärker
44 ein Ausgangssignal auf der Basis der von den Widerständen41 und42 gemessenen Kollektorspannung und der Spannung der Referenzspannungsquelle43 , um den FET46 anzusteuern. Da der FET46 quasi parallel zur Gate-Emitter-Strecke des IGBT2 geschaltet ist, verringert er zwangsweise die Gatespannung des IGBT2 bis auf Masse, und zwar ungeachtet des Betriebs der Strombegrenzungs/Hauptstromabsenkschaltung40 , um den IGBT2 rasch in den Abschaltzustand zu bringen. - Die Kollektorteilspannung, die an den nicht-invertierten Eingang des Operationsverstärkers
44 angelegt wird, kann auch mittels einer Zenerdiode anstelle des Widerstands41 gewonnen werden. Alternativ können eine Zenerdiode und der Widerstand41 in Reihe geschaltet werden. Außerdem kann ein Konstantstromelement in Reihe mit dem Widerstand41 geschaltet werden, so daß die Kollektorspannung vom Konstantstromelement mit übernommen wird, wenn sie einen festgelegten Wert erreicht. - Die Strombegrenzungs/Hauptstromabsenkschaltung
40 kann die Strombegrenzungsschaltung und die Hauptstromabsenkschaltung enthalten, die in den1 ,4 bzw.5 dargestellt sind. - Wie oben schon beschrieben, kann die Spannung der bei den meisten Automobilen eingesetzten 12 V-Batterie bei großer Kälte oder schlechtem Batteriezustand zum Motorstart nicht ausreichen. In diesem Fall kann das Eingangssignal
19 zum Ein- oder Ausschalten der Schaltvorrichtung so gesteuert werden, daß es eine längere Einschaltdauer aufweist (länger anliegt) als bei normaler Batteriespannung. Anders ausgedrückt, die oben beschriebene Hauptstromabsenkschaltung, die als Schutzschaltung wirkt, wenn das Eingangssignal19 außergewöhnlich lang anliegt, kann so ausgestaltet werden, daß sie anspricht, wenn das Eingangssignal für eine längere Zeitspanne anliegt als bei normaler Batteriespannung, wenn die Dauer des tatsächlichen Anliegens des Eingangssignals, diesen verlängerten Wert übersteigt. Bei dieser Ausgestaltung kann jedoch, wenn die Batteriespannung zunimmt, die Schaltvorrichtung thermisch zerstört werden. Um zu verhindern, daß dies auftritt, muß die Zeitablaufzeit verringert werden, nach der der Zeitgeber das Zeitablaufsignal ausgibt um zu bewirken, daß die Hauptstromabsenkschaltung den allmählichen Absenkbetrieb ausführt, wenn die Batteriespannung auf oder über einem bestimmten Wert liegt. Um dies zu erreichen, muß die Schaltvorrichtung die Batteriespannung überwachen. - Generell kann ein Schaltungsaufbau, bei dem ein Ende des Hauptstromkreises der Schalterschaltung über die Primärwicklung der Zündspule
16 als Last mit der Batterie verbunden ist, während das andere Ende an Masse liegt, die Batteriespannung nicht direkt überwachen. Dementsprechend ist zur Überwachung der Batteriespannung eine zusätzliche Anschlußklemme erforderlich, an der die Batteriespannung direkt anliegt. Nachfolgend wird eine Halbleiter-Zündvorrichtung beschrieben, die mit einer Funktion zur Überwachung der Batteriespannung versehen ist, um eine thermische Zerstörung der Schaltvorrichtung zu verhindern, ohne daß eine solche zusätzliche Anschlußklemme erforderlich wäre. -
7 zeigt das Schaltbild eines sechsten Ausführungsbeispiels der Halbleitervorrichtung. Gleiche Elemente in den1 und7 sind mit denselben Bezugszahlen versehen und werden nicht noch einmal erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt eine Schaltung zur Überwachung der Spannung der Batterie17 eine Halteschaltung47 zum Messen und Halten der Sperrspannung VCE zwischen Kollektor und Emitter des IGBT2 , d. h. wenn dieser abgeschaltet ist, einen Operationsverstärker48 zur Ermittlung, ob die Spannung der Batterie17 höher als die einer Referenzspannungsquelle ist, und eine Referenzspannungsquelle49 zur Durchführung dieses Vergleichs. Diese Elemente bilden eine Zeitgebersteuerschaltung. Zu Erläuterungszwecken zeigt die Figur den Zeitgeber, der an sich Bestandteil der Hauptstromabsenkschaltung ist als gesonderten Zeitgeber14a zusätzlich zu der Strombegrenzungs/Hauptstromabsenkschaltung40a . - In der Zeitgebersteuerschaltung ist die Halteschaltung
47 mit dem Kollektor des IGBT2 verbunden und so ausgestaltet, daß sie die Spannung mißt, die am Kollektor des IGBT2 anliegt, wenn dieser abgeschaltet ist, d. h. die Spannung der Batterie17 . Diese Batteriespannung wird gespeichert, damit Änderungen erkannt werden. Wenn das Eingangssignal19 zum Einschalten des IGBT2 an den Eingangsanschluß7 angelegt wird, hält die Halteschaltung47 den unmittelbar vor dem Anlegen des Eingangssignals19 gespeicherten Spannungswert und gibt ihn aus. Durch Überwachung der Kollektor-Emitter-Spannung VCE des IGBT2 in dessen Ausschaltzustand kann die Spannung der Batterie17 genau gemessen werden. Der Operationsverstärker48 ist so aufgebaut, daß er arbeitet, wenn das Eingangssignal19 zum Einschalten des IGBT2 dem Eingangsanschluß7 eingegeben wird, um die Spannung der Batterie17 , die von der Halteschaltung47 an den nicht-invertierten Eingang des Operationsverstärkers48 angelegt wird, mit der Spannung der Referenzspannungsquelle49 am invertierten Eingang zu vergleichen und das Vergleichsergebnis an den Zeitgeber14a auszugeben. Der Zeitgeber14a ist so ausgestaltet, daß er sein Zeitablaufsignal an die Strombegrenzungs/Hauptstromabsenkschaltung40a als Startsignal für die Hauptstromabsenkung ausgibt, wenn nach dem Anlegen des Eingangssignals19 eine feste Zeitspanne verstrichen ist; wenn das Vergleichsergebnisses vom Operationsverstärker48 eine höhere Batteriespannung anzeigt, verringert der Zeitgeber14a den Wert seiner Zeitkonstanten, um die Dauer der Zeit vom Anlegen des Eingangssignals19 bis zur Ausgabe des Zeitablaufsignals, d. h. des für den Hauptstromabsenkvorgang, zu verkürzen. - Bevor bei dieser Schaltung das Eingangssignal
19 an den Eingangsanschluß7 angelegt wird hält die Halteschaltung47 die vor dem Anlegen des Eingangssignals19 gemessene Spannung VCE, d. h. die Spannung der Batterie17 . Mit dem Anlegen des Eingangssignals19 wird zugleich der Operationsverstärker48 in Betrieb gesetzt und gibt das Ergebnis des Vergleichs zwischen dem von der Halteschaltung47 gehaltenen Spannungswert VCE und dem Spannungswert der Referenzspannungsquelle49 aus. Ein entsprechendes Spannungsvergleichssignal wird dem Zeitgeber14a geliefert. Nach Empfang des Spannungsvergleichssignals gibt der Zeitgeber14a das Startsignal für den Hauptstromabsenkvorgang aus. Die Länge der Zeit vom Anlegen des Eingangssignals19 bis zur Ausgabe dieses Startsignals hängt vom Spannungsvergleichssignal ab. Anders ausgedrückt, der Zeitgeber14a gibt dieses Startsignal nach kurzer Zeit aus, wenn das Ergebnis des Spannungsvergleichs anzeigt, daß die Spannung der Batterie17 erhöht ist. -
8 zeigt die Schaltung von7 mit einer Detaildarstellung einer möglichen Ausführungsform der Halteschaltung47 . Letztere enthält zwei Verarmungs-IGBTs50 und51 , Widerstände52 bis55 , zwei MOSFETs56 und57 und einen Kondensator58 . - Die Kollektoren der beiden IGBTs
50 und51 sind mit dem Kollektor des IGBT2 verbunden. Gate und Emitter sind bei beiden IGBTs50 und51 jeweils zusammengeschaltet und über Widerstände52 und53 bzw.54 und55 an Masse gelegt. Das Gate des MOSFET56 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen54 und55 verbunden, während seine Drain mit einem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen52 und53 verbunden ist. Die Source des MOSFETs56 ist mit dem Kondensator58 und dem nicht-invertierten Eingang des Operationsverstärkers48 verbunden. Das Gate des MOSFETs57 ist mit dem Eingangsanschluß7 verbunden, während seine Drain mit dem Verbindungspunkt zwischen Gate und Emitter des IGBT51 einerseits und dem Widerstand54 andererseits verbunden ist. Die Source des MOSFETs57 liegt an Masse. Der Stromversorgungsanschluß des Operationsverstärkers48 ist mit dem Eingangsanschluß7 verbunden. Sein nicht-invertierter Eingang ist mit der Referenzspannungsquelle49 verbunden, und sein Ausgang ist mit dem Zeitgeber14a verbunden. - Wenn bei diesem Schaltungsaufbau das Eingangssignal
19 bewirkt, daß der IGBT2 abgeschaltet wird, fließt ein Strom proportional der Kollektor-Emitter-Spannung VCE des IGBT2 durch den IGBT50 , was zu einer Teilspannung am Verbindungspunkt zwischen den Widerständen52 und53 führt. Eine am Verbindungspunkt zwischen den Widerständen54 und55 infolge eines Stroms durch den IGBT51 und die Widerstände54 und55 auftretende Spannung schaltet den MOSFET56 ein, so daß die am Verbindungspunkt zwischen den Widerständen52 und53 erzeugte Teilspannung über den MOSFET56 an den Kondensator58 geliefert und von diesem gehalten wird. - Wenn das Eingangssignal
19 an den Eingangsanschluß7 angelegt wird, wird der MOSFET57 eingeschaltet, wodurch die Gatespannung des MOSFET56 näher zum Massepotential kommt und der MOSFET56 gesperrt wird. Auf diese Weise hält der Kondensator58 eine Spannung entsprechend der Spannung der Batterie17 , die unmittelbar vor dem Anlegen des Eingangssignals19 "gemessen" wird. Zugleich mit dem Anlegen des Eingangssignals19 wird der Operationsverstärker48 in Betrieb gesetzt, dem das Eingangssignal19 als Betriebsspannung dient, um die Spannung am Kondensator58 mit der Spannung der Referenzspannungsquelle49 zu vergleichen und das Ergebnis des Vergleichs an den Zeitgeber14a zu liefern. Wenn der Zeitgeber14a das Signal vom Operationsverstärker48 erhält, und das Ergebnis des Spannungsvergleichs durch den Operationsverstärker48 anzeigt, daß die Spannung der Batterie17 erhöht ist, gibt der Zeitgeber14a das Startsignal für den Hauptstromabsenkvorgang schneller an die Strombegrenzungs/Hauptstromabsenkschaltung40a aus als dies bei niedrigerer Spannung der Batterie17 der Fall ist, wodurch verhindert wird, daß die Schaltvorrichtung thermisch zerstört wird. - Bei dem oben beschriebenen Beispiel sind der Operationsverstärker
48 und die Referenzspannungsquelle49 dazu vorgesehen zu ermitteln, ob die Spannung der Batterie17 über oder unter einem speziellen Wert liegt. Wenn die Spannung über diesem Wert liegt, wird das Startsignal für den Hauptstromabsenkvorgang schneller ausgegeben als in dem Fall, wo die Spannung unter diesem Wert liegt. Mehrere Sätze aus Operationsverstärker und Referenzspannungsquelle können vorgesehen sein, um den Zeitgeber14a in einer solchen Weise zu steuern, daß die Dauer bis zur Ausgabe des Startsignals für den Hauptstromabsenkvorgang nach Maßgabe der Spannung der Batterie17 immer mehr verkürzt wird. - Die Strombegrenzungs/Hauptstromabsenkschaltung
40 (14a und40a ) kann unter Verwendung der Strombegrenzungsschaltung und der Hauptstromabsenkschaltung aufgebaut sein, wie sie in den1 ,4 oder5 dargestellt sind. -
9 zeigt ein Beispiel einer Halbleiter-Zündvorrichtung, die unter Verwendung eines einzigen Chips aufgebaut ist. Gleiche Elemente in den4 und9 sind mit denselben Bezugszahlen versehen und werden nicht noch einmal erläutert. Die Halbleiter-Zündvorrichtung1 ist hier eine monolithisch integrierte Schaltung mit einem IGBT2a als Ausgangsstufenelement zur Steuerung des Hauptstroms durch die Zündspule16 , einem IGBT2b zur Messung des Hauptstroms, einer Strombegrenzungsschaltung zur Begrenzung des Hauptstroms, einer Zenerdiode3 zur Begrenzung (Klemmung) der von der Zündspule abgegebenen Spannung, und einer Hauptstromabsenkschaltung. Alle diese Elemente sind auf einem einzigen Siliciumsubstrat ausgebildet. Die Halbleiter-Zündvorrichtung1 enthält einen Eingangsanschluß7 , einen Ausgangsanschluß59 und einen Masseanschluß60 . Da diese Schaltung nicht zuläßt, daß ein Emitterwiderstand4 hoher Leistung auf dem Siliciumsubstrat ausgebildet wird, ist der Strommeß-IGBT2b parallel zum IGBT2a zur Steuerung des Hauptstroms geschaltet, so daß ein Teil des Hauptstroms im Nebenschluß durch den IGBT2b fließt und zur Ermittlung des Werts des Hauptstroms gemessen wird. - Bei dem dargestellten Beispiel kann es sich bei der Strombegrenzungsschaltung und der Hauptstromabsenkschaltung um die in
4 dargestellten handeln. Jene der1 ,3 oder5 können indes ebenso verwendet werden. Alternativ kann die Vorrichtung auch so ausgebildet werden, daß sie die Hauptstromabschaltschaltung gemäß6 oder die Zeitgebersteuerschaltung gemäß8 enthält. - Wie voranstehend beschrieben, ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Selbstabschaltschaltung vorgesehen, die aktiv wird, wenn das Eingangssignal kontinuierlich zu lange eingegeben wird, um den Zündspulenstrom abzuschalten, und zwar selbst wenn das Eingangssignal so ausgebildet ist, daß es das Ausgangsstufenelement mit niedriger Geschwindigkeit abschaltet. Dementsprechend kommt beim Selbstabschalten das Ausgangsstufenelement langsamer in den Ausschaltzustand, als dies bei normalem Abschaltbetrieb der Fall ist, um die Erzeugung einer Hochspannung in der Zündspule zu beschränken oder zu unterbinden und dadurch zu verhindern, daß der Motor einer ungewöhnlichen Drehkraft ausgesetzt wird. Dieses Verhindern einer ungewöhnlichen Drehkraft vermeidet anomale Geräusche oder Vibrationen im Motor und führt somit zu einem leiseren Fahrzeug.
- Es ist außerdem eine Schaltung vorgesehen, die zwangsweise den Hauptstrom durch die Schaltvorrichtung mit hoher Geschwindigkeit abschaltet, wenn die Batteriespannung hoch ist und das Treiber- bzw. Eingangssignal kontinuierlich anliegt. Dies kann eine thermische Zerstörung verhindern, die andernfalls durch Anlegen einer Überspannung an die Schaltvorrichtung bewirkt würde.
- Weiterhin ist eine Einrichtung zum Speichern und Halten der Batteriespannung vorgesehen, die an der Schaltvorrichtung anliegt, wenn die Schaltvorrichtung ausgeschaltet ist. Eine Zeitgebersteuerschaltung steuert die Länge der Zeit, nach der ein Zeitablaufsignal als Startsignal für das allmähliche Absenken des Hauptstroms ausgegeben wird, nach Maßgabe der Batteriespannung. Als Folge davon kann die Halbleiter-Zündvorrichtung als herkömmliches, mit drei Anschlüssen versehenes Gehäuse mit einem Eingangsanschluß, einem Ausgangsanschluß für den Anschluß der Zündspule und einem Masseanschluß ohne einen zusätzlichen Anschluß zur Überwachung der Batteriespannung ausgebildet werden. Da außerdem die Länge der Zeit bis zur Ausgabe des Zeitablaufsignals nach Maßgabe der Batteriespannung gesteuert wird, kann die Schaltvorrichtung vor einer thermischen Zerstörung geschützt werden.
Claims (15)
- Halbleiter-Zündvorrichtung, umfassend eine in Reihe mit einer Zündspule (
16 ) geschaltete Schaltvorrichtung (2 ;2a ) zum gesteuerten Ein- und Ausschalten eines Stroms durch die Zündspule (16 ), und eine Strombegrenzungsschaltung (4 –6 ,8 ,9 ,12 ,13 ;24 –26 ;40 ) zur Steuerung der Schaltvorrichtung (2 ;2a ) derart, daß der Strom durch die Zündspule (16 ) begrenzt wird, und gekennzeichnet durch eine Spannungsbegrenzungsschaltung (3 ) zum Begrenzen der von der Zündspule (16 ) ausgegebenen Spannung, eine Zeitgeberschaltung (14 ;14a ), die mit dem Anlegen eines Eingangssignals an einen Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2 ;2a ) zu arbeiten beginnt und nach einer festgelegten Zeitspanne nach dem Anlegen des Eingangssignals (19 ) ein Ausgangssignal ausgibt, und eine Hauptstromabsenkschaltung (10 ,11 ,14 ,15 ;14 ,20 –23 ;14 ,27 ,28 ), die auf das Ausgangssignal der Zeitgeberschaltung (14 ;14a ) reagiert, um den durch die Schaltvorrichtung (2 ;2a ) fließenden Strom ungeachtet des kontinuierlichen Anlegens des Eingangssignals (19 ) abzusenken. - Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstromabsenkschaltung allmählich den von der Strombegrenzungsschaltung (
4 –6 ,8 ,9 ,12 ,13 ;24 –26 ;40 ) bewirkten Strombegrenzungswert verringert, um die Schaltvorrichtung (2 ;2a ) abzuschalten. - Zündvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungsschaltung umfaßt: einen Nebenschlußwiderstand (
4 ), der mit der Schaltvorrichtung (2 ) in Reihe geschaltet ist, um einen dem Strom durch die Schaltvorrichtung proportionalen Ist-Spannungswert messen zu können, eine Referenzspannungsschaltung (12 ,9 ) zur Erzeugung eines Referenzspannungswerts entsprechend dem Strombegrenzungswert, einen Operationsverstärker (8 ), der den Ist-Spannungswert und den Referenzspannungswert als Eingangssignale erhält, und einen ersten Transistor (13 ) zur Steuerung der Spannung des an den Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2 ) angelegten Eingangssignals (19 ) auf der Basis des Ausgangssignals vom Operationsverstärker (8 ), und daß die Hauptstromabsenkschaltung umfaßt: einen parallel zur Referenzspannungsschaltung (9 ) geschalteten Kondensator (11 ), einen zweiten Transistor (15 ), der als Antwort auf das Ausgangssignal der Zeitgeberschaltung (14 ) eingeschaltet wird, und einen Widerstand (10 ), der mit dem Kondensator (11 ) und dem zweiten Transistor (15 ) in Reihe geschaltet ist, um den Kondensator zu entladen, wenn der zweite Transistor (15 ) eingeschaltet ist. - Zündvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungsschaltung umfaßt: einen Nebenschlußwiderstand (
4 ), der mit der Schaltvorrichtung (2 ) in Reihe geschaltet ist, um einen Ist-Spannungswert proportional dem die Schaltvorrichtung (2 ) durchfließenden Strom zu messen, eine Referenzspannungsschaltung (9 ,12 ) zur Erzeugung eines Referenzspannungswerts entsprechend dem Strombegrenzungswert, einen Operationsverstärker (8 ), der den Ist-Spannungswert (4 ) und den Referenzspannungswert als Eingangssignale erhält, und einen ersten Transistor (13 ) zur Steuerung der Spannung des an den Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2 ) angelegten Eingangssignals (19 ) auf der Basis des Ausgangssignals vom Operationsverstärker (8 ), und daß die Hauptstromabsenkschaltung umfaßt: eine Oszillatorschaltung (20 ), die als Antwort auf das Ausgangssignal der Zeitgeberschaltung (14 ) arbeitet, eine Schiebeschaltung (21 ), die das Schwingungssignal von der Oszillatorschaltung (20 ) empfängt, mehrere zweite Transistoren (23-1 –23-n ), die als Antwort auf die jeweiligen Ausgangssignale von der Schiebeschaltung (21 ) eingeschaltet werden, und mehrere Widerstände (22-1 –22-n ), deren eines Ende zur Bildung einer jeweiligen Reihenschaltung mit einem entsprechenden der zweiten Transistoren verbunden ist, während das andere Ende dieser Widerstände gemeinsam mit der Referenzspannungsschaltung (9 ) verbunden ist, um den Referenzspannungswert stufenweise abzusenken. - Zündschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstromabsenkschaltung umfaßt: einen Transistor (
28 ), der als Antwort auf das Ausgangssignal der Zeitgeberschaltung (14 ) eingeschaltet wird, und einen Widerstand (27 ), der mit dem Transistor (28 ) in Reihe geschaltet ist, um einen Nebenschluß für das Eingangssignal zu bilden und die Spannung abzusenken, die an den Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2 ) angelegt wird, wenn der Transistor (28 ) eingeschaltet ist, wobei der Widerstand (27 ) parallel zum Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2 ) geschaltet ist, um die Eingangskapazität der Schaltvorrichtung (2 ) zu entladen. - Zündvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungsschaltung umfaßt: einen Nebenschlußwiderstand (
4 ), der mit der Schaltvorrichtung (2 ) in Reihe geschaltet ist, um einen Ist-Spannungswert proportional dem durch die Schaltvorrichtung (2 ) fließenden Strom zu messen, eine Referenzspannungsschaltung (9 ,12 ) zur Erzeugung eines Referenzspannungswerts entsprechend dem Strombegrenzungswert, einen Operationsverstärker (8 ), der als Eingangssignale den Ist-Spannungswert und, über eine Diode (35 ), den Referenzspannungswert erhält, und einen ersten Transistor (13 ) zur Steuerung der Spannung des an dem Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2 ) anliegenden Eingangssignals auf der Basis des Ausgangssignals des Operationsverstärkers (8 ), und daß die Hauptstromabsenkschaltung umfaßt: einen parallel mit dem Eingangsanschluß des Operationsverstärkers zur Eingabe des Referenzspannungswerts geschalteten Kondensator (11 ), einen zweiten Transistor (31 ), der als Antwort auf das Ausgangssignal der Zeitgeberschaltung (14 ) eingeschaltet wird, um das Ausgangssignal der Referenzspannungsschaltung abzuschalten, und eine Konstantstromentladeschaltung (32 –34 ), die parallel zu dem Kondensator (11 ) geschaltet ist, um diesen zu entladen. - Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch eine Hauptstromabschaltschaltung zur Überwachung der Klemmenspannung zwischen den Hauptanschlüssen der Schaltvorrichtung (
2 ) und der Spannung des an den Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2 ) angelegten Eingangssignals und zur Steuerung des Eingangssignals zum Abschalten des Hauptstroms ungeachtet des Betriebs der Hauptstromabsenkschaltung, wenn die Klemmenspannung zwischen den Hauptanschlüssen der Schaltvorrichtung einen bestimmten Wert erreicht oder übersteigt, während die Strombegrenzungsschaltung einen Strombegrenzungsbetrieb ausführt. - Zündvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstromabschaltschaltung umfaßt: einen zweiten Operationsverstärker (
44 ), der als Eingangssignale eine Spannung proportional der Klemmenspannung zwischen den Hauptanschlüssen der Schaltvorrichtung (2 ) und eine zweite Referenzspannung entsprechend der bestimmten Spannung erhält und als Betriebsspannung die Spannung des Eingangssignals verwendet, die an den Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2 ) angelegt wird, und einen dritten Transistor (46 ) zur Steuerung der Spannung des Eingangssignals auf der Basis des Ausgangssignals des zweiten Operationsverstärkers (44 ) zum schnellen Abschalten der Schaltvorrichtung. - Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, ferner gekennzeichnet durch: eine Spannungshalteschaltung zum Messen der Spannung zwischen den Hauptanschlüssen der Schaltvorrichtung (
2 ) während deren Ausschaltzustand und zum Halten des gemessenen Spannungswerts zur Überwachung der Spannung der über die Zündspule (16 ) angeschlossenen Batterie (17 ), eine Referenzspannungsquelle (43 ) zur Erzeugung einer Referenzspannung, und einen zweiten Operationsverstärker (44 ), der als Betriebsspannung die Spannung des Eingangssignals verwendet, das an den Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2 ) angelegt wird, um den von der Spannungshalteschaltung (47 ) gehaltenen Spannungswert mit der Referenzspannung zu vergleichen und ein Signal an die Zeitgeberschaltung (14a ) auszugeben und die Dauer der Zeit vom Anlegen des Eingangssignals bis zur Ausgabe eines Ausgangssignals durch die Zeitgeberschaltung zu verringern, wenn der von der Spannungshalteschaltung gehaltene Spannungswert die Referenzspannung übersteigt. - Zündvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungshalteschaltung (
47 ) umfaßt: eine erste und eine zweite Spannungsteilerschaltung (50 –55 ) zum Teilen der Spannung an dem Hauptanschluß der Schaltvorrichtung (2 ) der mit der Zündspule (16 ) verbunden ist, einen dritten Transistor (56 ), der mittels der Ausgangsspannung der zweiten Spannungsteilerschaltung (51 ,54 ,55 ) eingeschaltet wird, einen zweiten Kondensator (58 ), der von der ersten Spannungsteilerschaltung (50 ,52 ,53 ) nach Maßgabe des Einschaltbetriebs des dritten Transistors (56 ) aufladbar ist, und einen vierten Transistor (57 ) zum Abschalten des dritten Transistors (56 ), wenn ersterer von der Spannung des an den Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2 ) angelegten Eingangssignals eingeschaltet wird. - Zündvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Sätze aus zweitem Operationsverstärker (
48 ) und Referenzspannungsquelle (49 ) jeweils unterschiedlicher Referenzspannung aufweist, wobei die Zeitgeberschaltung (14a ) die Zeitdauer, die die Zeitgeberschaltung bis zur Ausgabe eines Ausgangssignals verstreichen läßt, nach Maßgabe der Spannung der Batterie (17 ) verändert. - Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine integrierte Hybridschaltung aus einer Kombination mehrerer Teile handelt, die Schaltvorrichtung (
2 ), die Strombegrenzungsschaltung, die Spannungsbegrenzungsschaltung, die Zeitgeberschaltung und die Hauptstromabsenkschaltung umfassend. - Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine monolithisch integrierte Schaltung umfassend die Schaltvorrichtung, die Strombegrenzungsschaltung, die Spannungsbegrenzungsschaltung, die Zeitgeberschaltung und die Hauptstrom-Absenkschaltung, handelt, die auf einem einzigen Siliciumsubstrat ausgebildet sind.
- Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem einzigen Gehäuse mehrere Halbleiterchips enthält, die die Schaltvorrichtung, die Strombegrenzungsschaltung, die Spannungsbegrenzungsschaltung, die Zeitgeberschaltung und die Hauptstromabsenkschaltung darstellen.
- Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Hauptstromabschaltschaltung zur Überwachung der Klemmenspannung zwischen den Hauptanschlüssen der Schaltvorrichtung (
2a ) sowie der Spannung des an den Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2a ) angelegten Eingangssignals und zur Steuerung des Eingangssignals derart, daß Hauptstrom ungeachtet des Betriebs der Hauptstromabsenkschaltung schnell abgeschaltet wird, wenn die Klemmenspannung einen vorbestimmten Wert oder mehr aufweist, während die Strombegrenzungsschaltung die Strombegrenzungsfunktion ausübt.
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