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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schalten des Stromflusses durch eine Zündspule, bei welcher der Schaltvorgang durch mindestens einen Transistor ausführbar ist, welcher durch ein Steuersignal kontrollierbar ist, welches über einen Steuersignaleingang der Schaltungsanordnung zuführbar ist.
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Zur Einleitung des Verbrennungsvorgangs einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine ist es aus dem Stand der Technik bekannt, einen elektrischen Strom durch eine auf einen Eisenkern gewickelte Primärspule mit geringer Windungszahl zu leiten. Der Mittelleiter einer Zündkerze ist mit einer zweiten Spule verbunden, welche auf demselben Eisenkern angeordnet ist und eine höhere Windungszahl aufweist. Zum Zeitpunkt der vorgesehenen Zündung wird der Stromfluss durch die Primärspule unterbrochen. Dies führt zur Induktion einer hohen Spannung in der zweiten Spule, welche sich in einem Funken im Luftspalt der Zündkerze entlädt.
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Um den Zeitpunkt der Unterbrechung des Stromflusses und damit den Zündzeitpunkt mittels eines Motorsteuergerätes kontrollieren zu können, ist gemäß dem Stand der Technik vorgesehen, den Stromfluss mittels mindestens eines Schalttransistors zu unterbrechen. Der Schalttransistor wird dabei durch ein Steuersignal geschaltet, welches im Motorsteuergerät in einer Ansteuerschaltung erzeugt wird. Der Zündzeitpunkt für jede einzelne Zündung wird dabei beispielsweise mittels eines im Motorsteuergerät gespeicherten Kennfeldes in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustandes der Brennkraftmaschine bestimmt.
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Oftmals ist vorgesehen, dass die Motorsteuerung mit der Ansteuerschaltung im Fahrzeug an einer räumlich anderen Stelle angeordnet ist als die Zündspule und der zugeordnete Transistor zum Schalten des Stromflusses. In diesem Fall ist eine Kabelverbindung zwischen beiden Bauteilen vorgesehen. Eine solche Kabelverbindung kann während des Betriebes des Fahrzeuges einen Fehler aufweisen. Beispielsweise kann die Kabelverbindung unterbrochen werden. Außerdem kann die Isolierung der Kabelverbindung beschädigt werden, was meist zu einem Kurzschluss führt. Beide Fehler können leicht in der Ansteuerschaltung erkannt werden. Im Falle einer Unterbrechung der Kabelverbindung sinkt der über die Kabelverbindung übertragene elektrische Strom unterhalb eines vorgebbaren Grenzwertes. Im Falle eines Kurzschlusses steigt der Strom auf der Verbindungsleitung über einen vorgebbaren Grenzwert an. Sofern der über die Leitung fließende Strom größer ist als der erste Grenzwert, aber kleiner als der zweite Grenzwert, liegt ein normaler Betrieb der Leitungsverbindung und des Schalttransistors vor. Die beiden Grenzwerte werden daher an den benötigten Ansteuerstrom des Schalttransistors angepasst.
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Die Druckschrift
DE 29 48 645 A1 offenbart eine Zündanlage für eine Brennkraftmaschine, bei der ein veränderlicher Widerstand zur temperaturunabhängigen Festlegung eines Primärstromgrenzwertes verwendet wird.
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Die Druckschrift
US 5 723 916 A offenbart eine Zündspulenschaltung, bei der ebenfalls ein veränderlicher Widerstand zur Festlegung eines Primärstromgrenzwertes verwendet wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich das Problem, dass bei Austausch des Schalttransistors durch einen funktionsgleichen, aber nicht identischen Typ ein anderer Ansteuerstrom benötigt wird. Sofern dieser Ansteuerstrom größer oder kleiner ist als die im Motorsteuergerät abgelegten Grenzwerte, so wird im Motorsteuergerät eine Fehlermeldung erzeugt und ein Betrieb der Brennkraftmaschine ist nicht möglich.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Schalten des Stromflusses durch eine Zündspule anzugeben, welche eine Vielzahl von funktionsgleichen, aber nicht identischen Schaltungsanordnungen ersetzen kann, ohne dass im Motorsteuergerät eine Fehlermeldung erzeugt wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung zum Schalten des Stromflusses durch eine Zündspule, bei welcher der Schaltvorgang durch mindestens einen ersten Transistor ausführbar ist, welcher durch ein Steuersignal kontrollierbar ist, welches über einen Steuersignaleingang der Schaltungsanordnung zuführbar ist und der Steuersignaleingang mit mindestens einem veränderbaren Widerstand verbunden ist.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, am Steuersignaleingang der Schaltungsanordnung, welcher dazu vorgesehen ist, ein im Motorsteuersignal erzeugtes Ansteuersignal entgegenzunehmen, ein Bauelement mit veränderbarem elektrischen Widerstand anzuordnen. Mittels dieses Widerstandselementes kann der Eingangsstrom der Schaltungsanordnung angepasst werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Eingangsstrom auf einen vorgebbaren Sollwert einzustellen, so dass der von der Ansteuerschaltung gelieferte Strom innerhalb derjenigen Grenzen eingestellt werden kann, innerhalb derer die Fehlerüberwachung der Ansteuerschaltung keinen fehlerhaften Betrieb meldet.
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Das veränderbare Widerstandselement ist dabei zwischen dem Steuersignaleingang und der Basis des ersten Transistors angeordnet.
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Der zum Schalten des Stromflusses durch die Zündspule vorgesehene Schalttransistor kann beispielsweise ein Feldeffekttransistor oder ein IGBT sein. Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines bipolaren Transistors. Weiterhin kann die Schaltungsanordnung weitere Bauelemente aufweisen, um beispielsweise eine Überspannung an der Zündspule, einen Überstrom oder eine Übertemperatur des mindestens einen Schalttransistors zu detektieren und um Schutzschaltungen zu realisieren, welche einen Ausfall dieser Bauteile vermeiden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist weiterhin ein Messwiderstand vorgesehen, um den Stromfluss durch das veränderbare Widerstandselement zu überwachen. Mittels einer fallweise vorgesehenen Regelungsvorrichtung kann der gemessene Istwert auf einen vorgebbaren Sollwert eingestellt werden, indem das veränderbare Widerstandselement so angepasst wird, dass die Schaltungsanordnung einen vorgebbaren Eingangsstrom aufnimmt. Auf diese Weise kann der Eingangsstrom auch bei wechselnder Versorgungsspannung konstant gehalten werden. Wechselnde Versorgungsspannungen treten in Kraftfahrzeugen insbesondere während des Anlassvorganges auf, wenn die Batterie durch den elektrischen Anlasser belastet wird, jedoch der Generator noch keine Ladespannung liefert.
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Das veränderbare Widerstandselement kann entweder stufenweise geschaltet werden oder aber zur kontinuierlichen Änderung seines Widerstandswertes vorgesehen sein. Eine kontinuierliche Änderung ist insbesondere dadurch realisierbar, dass als Widerstandselement mindestens ein Transistor eingesetzt wird. Dabei kann es sich entweder um die Kollektor-Emitter-Strecke eines Bipolartransistors oder um den Kanalbereich eines Feldeffekttransistors handeln. Der Widerstand einer Kollektor-Emitter-Strecke lässt sich über den angelegten Basisstrom kontinuierlich beeinflussen. Der Widerstand eines Kanalbereiches kann über die angelegte Gate-Spannung beeinflusst werden. Um eine stufenförmige Umschaltung des Eingangswiderstandes zu realisieren, kann mindestens ein Widerstandselement mittels eines Schalters mit dem Steuersignaleingang der Schaltungsanordnung verbunden werden. Als elektrischer Schalter eignet sich insbesondere ein Feldeffekt- oder Bipolartransistor oder ein DI P-Switch.
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Bevorzugt, aber nicht zwingend, befindet sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Schaltungsanordnung im selben Gehäuse wie die Zündspule bzw. der Zündtransformator. Auf diese Weise ergibt sich ein kompaktes Bauelement, welches gut vor Spritzwasser und Umwelteinflüssen geschützt werden kann und lediglich eine fehleranfällige Kabelverbindung zum Motorsteuergerät zur Übertragung des Steuersignals erfordert. Die Zuverlässigkeit kann weiter erhöht werden, wenn die erfindungsgemäß vorgeschlagene Schaltungsanordnung monolithisch auf einem einzelnen Halbleitersubstrat integriert ist.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, welche teilweise in den anliegenden Figuren dargestellt sind, näher erläutert werden.
- 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Schalten des Stromflusses durch eine Zündspule gemäß dem Stand der Technik.
- 2 zeigt ein Blockdiagramm einer Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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1 zeigt eine Schaltungsanordnung 1 zum Schalten des Stromflusses durch die Primärwicklung einer Zündspule 4 gemäß dem Stand der Technik. Der Schaltungsanordnung 1 wird mittels einer Ansteuerschaltung 12 ein Steuersignal über Leitung 14 zugeführt.
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Die Primärwicklung der Zündspule 4 weist einen Anschlusskontakt 7 auf, welcher an eine Spannungsversorgung, beispielsweise eine Fahrzeugbatterie, angeschlossen wird. Der Strom fließt über den Anschlusskontakt 7 durch die Zündspule 4 zum Kollektoreingang eines Schalttransistors 2. Sofern der Schalttransistor 2 leitfähig ist, fließt der Strom weiter zum Emitterausgang des Schalttransistors 2 und von dort zu einem Masseanschluss. Die Spule 4 befindet sich auf einem Eisenkern, welcher auch die zweite Spule 5 trägt. Die Windungszahl der zweiten Spule 5 ist größer als die der Spule 4.
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Um einen Zündfunken an der Zündkerze 6 auszulösen, erzeugt die Ansteuerschaltung 12 ein Steuersignal, welches der Schaltungsanordnung 1 über den Steuersignaleingang 14 zugeführt wird. Innerhalb der Schaltungsanordnung 1 befindet sich eine Logikschaltung 3. Diese beeinflusst den Basisstrom des Schalttransistors 2in Abhängigkeit des Steuersignals, so dass die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 2 zum Zündzeitpunkt hochohmig wird. Dadurch kommt der Stromfluss vom Anschluss 7 über die Spule 4 zum Erliegen. Dieser plötzliche Zusammenbruch des Stromflusses induziert eine Spannungsspitze in Spule 5. Diese Spannungsspitze entlädt sich über die Luftstrecke der Zündkerze 6. Der dabei entstehende Funke zündet das Gemisch im Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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Als Schalttransistor 2 kann beispielsweise ein IGBT, ein Bipolartransistor oder ein Feldeffekttransistor verwendet werden. Im dargestellten Beispiel ist der Transistor 2 ein IGBT. Fallweise können auch mehrere Transistoren zusammenwirken, um die Schaltfunktion des Transistors 2 auszuführen.
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Im Ausführungsbeispiel nach 1 wirkt der Transistor 2 als Serienschalter. Fallweise kann der Fachmann auch vorsehen, einen Transistor parallel zur Spule 4 einzusetzen, um damit die Versorgungsspannung 7 auf einen Masseanschluss zu ziehen. Dies führt zum Zusammenbruch des Stromflusses durch Spule 4.
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Weiterhin kann die Logikschaltung 3 über weitere Anschlussleitungen die Temperatur des Transistors 2, dem Stromfluss durch Transistor 2 oder die entstehende Spannung an Spule 4 messen und mit vorgebbaren Sollwerten vergleichen. Die Logikschaltung 3 kann dabei dazu eingerichtet sein, bei Überschreiten dieser Sollwerte Maßnahmen zum Bauteilschutz zu ergreifen.
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Zwischen der Ansteuerschaltung 12 und dem Steuersignaleingang 14 befindet sich eine Anschlussleitung. Der Zustand dieser Anschlussleitung wird in der Ansteuerschaltung 12 überwacht, um Unterbrechung oder Kurzschluss der Leitung zu detektieren.
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Die Ansteuerschaltung 12 kann beispielsweise Bestandteil eines Motorsteuergerätes sein. Die Ansteuerschaltung 12 weist wiederum einen Anschluss 7 zum Anschluss einer Versorgungsspannung auf. Weiterhin weist die Ansteuerschaltung 12 eine Logikschaltung 13 auf, welche zum Zündzeitpunkt einen Stromimpuls auf den Steuersignaleingang 14 leitet und die in der Verbindungsleitung fließende Stromstärke überwacht.
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Zur Überwachung der Stromstärke steht ein Messwiderstand 11 zur Verfügung. Der seriell in der Verbindungsleitung liegende Messwiderstand 11 misst unmittelbar den in der Verbindungsleitung zum Steuersignaleingang 14 fließenden Strom und kann daher unmittelbar zur Feststellung eines Schadens der Verbindungsleitung herangezogen werden. Bei einem Kurzschluss der Verbindungsleitung wird der durch Widerstand 11 fließende Strom stark ansteigen. Bei einer Unterbrechung der Anschlussleitung wird kein messbarer Strom durch Widerstand 11 fließen.
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Die in der Logikschaltung 13 hinterlegten Schwellenwerte für den Spannungsabfall über den Messwiderstand 11 ergeben sich aus dem Eingangswiderstand des Steuersignaleingangs 14 und der Versorgungsspannung 7. Die Schwellenwerte werden dabei so festgesetzt, dass auch bei Schwankung der Versorgungsspannung und des Eingangswiderstandes im zulässigen Bereich alle auftretenden Messwerte des Stromes innerhalb der festgelegten Grenzwerte liegen.
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Sofern während der Lebensdauer des Steuergerätes mit der Ansteuerschaltung 12 ein Austausch der Schaltungsanordnung 1 notwendig wird, kann die Logikschaltung 13 in der Ansteuerschaltung 12 auch bei einwandfreiem Betrieb der Schaltungsanordnung 1 einen Fehler erkennen, wenn sich der Eingangswiderstand und damit die Stromaufnahme des Steuersignaleingangs 14 von der neu hinzugefügten Schaltungsanordnung 1 vom Eingangswiderstand der bisher eingesetzten Schaltungsanordnung 1 unterscheidet. Dies kann insbesondere dann auftreten, wenn sich der eingesetzte Typ des Schalttransistors 2 ändert. So weisen beispielsweise Feldeffekttransistoren oder IGBT einen höheren Eingangswiderstand und daher einen geringeren Basisstrom auf als Bipolartransistoren. Weiterhin kann auch der Eingangswiderstand der zur Ansteuerung der Schalttransistoren verwendeten Schaltungen unterschiedlich sein.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1. Der Stromfluss durch die Primärspule 4 eines Zündtransformators wird dabei mittels eines Transistors 8 unterbrochen. Im Ausführungsbeispiel nach 2 wird diese Schaltfunktion von einem Bipolartransistor 8 ausgeführt wird. Fallweise kann der Fachmann hier auch Feldeffekttransistoren oder IGBT vorsehen. Auch können mehrere Transistoren eingesetzt werden, um die Schaltfunktion auszuführen. Die zweite Spule 5 und die Zündkerze 6 sind der Übersichtlichkeit halber in 2 nicht dargestellt.
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Um den elektrischen Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 8 zu beeinflussen, wird an diesen ein Basisstrom angelegt. Der Basisstrom wird der Schaltungsanordnung über den Steuersignaleingang 14 zugeführt. Die hierfür benötigte Ansteuerschaltung 12 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit ebenfalls nicht in 2 dargestellt.
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Die Stromzuführung zur Basis des Transistors 8 erfolgt über die Widerstände 16 und 17. Dabei handelt es sich bei Widerstand 16 um einen Messwiderstand. Der durch den Messwiderstand 16 fließende Basisstrom erzeugt am Messwiderstand 16 einen Spannungsabfall, welcher direkt proportional zum fließenden Basisstrom ist. Dieser Spannungsabfall wird der Logikschaltung 15 als Strom-Istwert zugeführt. Weiterhin fließt der Basisstrom durch das veränderliche Widerstandselement 17. Der Widerstandswert des Widerstandselementes 17 wird von der Logikschaltung 15 durch ein Steuer- oder Regelsignal beeinflusst. Sofern die Logikschaltung 15 eine Regeleinrichtung enthält, kann der Basisstrom auf einen vorgebbaren Sollwert geregelt werden. Dieser Sollwert ist so gewählt, dass dieser zwischen den in der Logikschaltung 14 der Ansteuerschaltung 12 hinterlegten Grenzwerten liegt.
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Der elektrische Widerstand des veränderbaren Widerstandselementes 17 kann dabei stufenweise oder kontinuierlich veränderbar sein. Im Falle einer stufenweisen Veränderung können diskrete Widerstandselemente mittels zugeordneter Schalteinrichtungen in den Strompfad eingekoppelt oder von diesem getrennt werden. Ein kontinuierlich veränderbares Widerstandselement kann beispielsweise durch einen oder mehrere Transistoren gebildet werden.
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Weiterhin umfasst die Logikschaltung 15 weitere Funktionen zur Überwachung des im Transistor 8 fließenden Stromes und zur Überwachung der an Spule 4 anliegenden Spannung. Zur Überwachung der Spannung dient die Verbindung 22. Beispielsweise kann die an Spule 4 über Leitung 22 gemessene Spannung über einen in der Logikschaltung 15 hinterlegten Grenzwert ansteigen, wenn die Zündkerze defekt ist oder das Motorsteuergerät ohne eingesetzte Zündkerze betrieben wird. In diesem Fall kann die Logikschaltung 15 durch Beeinflussung des Basisstromes die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 8 wieder leitfähig machen, um die entstehende Spannungsspitze über den Transistor 8 zum Masseanschluss abzuleiten.
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Zur Überwachung des durch die Spule 4 und den Transistor 8 fließenden Stromes weist der Transistor 8 im Ausführungsbeispiel nach 2 einen zusätzlichen Emitterausgang auf, welcher über Leitung 23 mit der Logikschaltung 15 verbunden ist. Sofern der über Leitung 23 gemessene Strom einen Grenzwert überschreitet, kann der dem Transistor 8 zugeführte Basisstrom über einen parallelen Transistor 18 nach Masse abgeleitet werden. Dadurch erreicht ein geringerer Basisstrom den Transistor 8. Die Kollektor-Emitter-Strecke wird dadurch hochohmig und der durch die Spule 4 fließende Strom begrenzt.
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3 zeigt nochmals ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltungsanordnung 1 mit einem Messwiderstand 16 und einem veränderbaren Widerstandselement 19, welches den Eingangswiderstand eines Steuersignaleingangs 14 auf einen vorgebbaren Sollwert regelt.
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Auch im Ausführungsbeispiel nach 3 ist eine Primärwicklung 4 vorgesehen, welche mit einer Spannungsquelle über Anschluss 7 in Verbindung steht. Der Masseanschluss der Spule 4 führt über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Bipolartransistors 8. Der über die Kollektor-Emitter-Strecke und damit durch die Spule 4 fließende Strom wird über einen zugeführten Basisstrom beeinflusst, welcher durch einen Steuersignaleingang 14 zugeführt wird.
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Dieser Basisstrom fließt zunächst durch den Messwiderstand 16. Dadurch fällt am Messwiderstand 16 eine Spannung ab, welche am Ausgang des Komparators 20 ein Regelsignal erzeugt. Der Komparator 20 ist dabei Bestandteil der Logikschaltung 15, welche Bestandteil der Schaltungsanordnung 1 ist und zur Regelung des über Eingang 14 fließenden Stromes verwendet wird. Das Ausgangssignal des Komparators ist dabei proportional zum Unterschied der Eingangsspannungen, so dass die Sollwertvorgabe durch eine Spannungsquelle 24 erfolgen kann, welche den Spannungsabfall über den Messwiderstand 16 gerade kompensiert, wenn der Eingangsstrom 14 dem Sollwert entspricht.
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Das Ausgangssignal des Komparators 20 wird über einen Transistor 21 verstärkt. Dieses verstärkte Ausgangssignal bildet den Basisstrom für einen weiteren Transistor 19. Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 19 bildet das veränderbare Widerstandselement 17. Der Widerstand ändert sich in diesem Fall kontinuierlich mit dem an Transistor 19 anliegenden Basisstrom. Auf diese Weise wird der Eingangswiderstand des Steuersignaleingangs 14 der Schaltungsanordnung 1 so geregelt, dass der über den Steuersignaleingang 14 fließende Eingangsstrom auf einen vorgebbaren Grenzwert limitiert wird. Dieser Grenzwert ist so gewählt, dass er innerhalb des in der Logikschaltung 13 hinterlegten Grenzwertes der Ansteuerschaltung 12 liegt. Somit kann die Schaltungsanordnung 1 universell an einer Vielzahl von Ansteuerschaltungen 12 betrieben werden, unabhängig vom Basisstrom, welcher von Transistor 8 benötigt wird. Damit kann in der Schaltungsanordnung 1 beispielsweise ein Bipolartransistor 8 eingesetzt werden, welcher einen vergleichsweise hohen Basisstrom erfordert, auch wenn die Schaltungsanordnung 1 als Austauschelement für eine Schaltungsanordnung verwendet wird, welche ursprünglich als Schaltelement einen IGBT 2 mit geringerem Basisstrom umfasst hatte.
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Selbstverständlich ist es dem Fachmann freigestellt, der Logikschaltung 15 weitere Funktionen zukommen zu lassen, beispielsweise eine Spannungsüberwachung und/oder eine Stromüberwachung der Zündspule 4. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die hierfür benötigten Schaltungsteile jedoch in 3 nicht dargestellt.
