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Bei Vorrichtungen mit geschalteten Transformatoren wie beispielsweise Zündvorrichtungen für Kraftfahrzeuge gemäß der
DE 691 08 094 T2 oder Leistungswandlern gemäß der
DE 694 14 197 T2 ist es häufig erforderlich, den Strom durch die Primärwicklung des Transformators zu begrenzen, damit dessen Kern nicht in die Sättigung geht. Von besonderer Bedeutung ist hierbei jedoch aufgrund der Streuinduktivitäten eines realen Transformators der Strom durch die Hauptinduktivität. Dieser ist jedoch nicht ohne Weiteres zugänglich.
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Die
DE 694 14 197 T2 schlägt daher vor, diesen Strom Ih durch die Hauptinduktivität durch die Differenz des Stroms durch die Primärwicklung Iprim und des mit dem Übersetzungsverhältnis n des Transformators multiplierten Stroms durch die Sekundärwicklung Isec gemäß der Formel
Ih = Iprim – n·Isec zu ermitteln.
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Allerdings ist dieser Schrift nicht zu entnehmen, wie dies schaltungstechnisch zu erfolgen hat.
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Es ist außerdem von Interesse, bei einem Betrieb des Transformators mit Wechselstrom oder Wechselspannung, den Strom oder die Spannung in einem geeigneten Moment umzupolen, um eine Sättigung des magnetischen Kerns zu verhindern. Hierzu kann ein Zweipunktregler verwendet werden, der die Maximalströme für beide Polaritäten als Schwellwerte für die Umschaltung definiert.
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Die
DE 691 08 094 T2 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren, bei dem ein Zündkondensator mittels eines DC/DC-Wandlers auf eine hohe Spannung aufgeladen wird, die beim Anlegen an die Primärwicklung des Zündtransformators einen Durchbruch an einer mit der Sekundärwicklung verbundenen Zündkerze bewirkt. Anschließend dient der DC/DC-Wandler zur Speisung der Primärwicklung, wobei durch ein zeitgesteuertes Umpolen der angelegten Spannung mittels einer Vollbrückenschaltung ein sekundärseitiger Wechselstrom erzeugt wird, dessen Amplitude mittels einer Regelung des Stromes im DC/DC-Wandler einen konstanten Betrag aufweist.
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Durch die Zeitsteuerung der Umpolung der primärseitigen Versorgungsspannung kann es jedoch zu einem unzulässig hohen Strom in der Hauptinduktivität der Primärwicklung des Zündtransformators kommen, vor allem, wenn der Zündkondensator nach dem Durchbruch noch ausreichend Energie gespeichert hat.
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Die
JP H05-236 761 A beschreibt eine Schaltung zur Vermeidung von DC-Anhysterese bei Transformatoren, bei der direkt im Transformator der magnetische Fluss gemessen wird, der direkt mit dem Strom durch die Induktivität ansteigt. Die Messung des Stromes durch einen Transformator mittels eines Sensors für den magnetischen Fluss ist jedoch sehr aufwändig und teuer und zur Verwendung in einer Schaltung für ein Kraftfahrzeugsteuergerät ungeeignet.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, dieses Problem zu vermeiden und eine Vorrichtung anzugeben, die das Erreichen eines vorgegebenen Schwellwerts durch den Strom durch die Hauptinduktivität des Transformators mit schaltungstechnischen Mitteln anzeigt sowie einen Zweipunktregler mit einer solchen Vorrichtung anzugeben.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Vergleichen des Stromes durch die Hauptinduktivität eines Transformators mit einem Vergleichswert gelöst, die mit einem Transformator, an dessen Sekundärwicklung eine Last anschließbar ist, gebildet ist. Zum Betreiben des Transformators mit einer Wechselspannung weist sie eine Vollbrückenschaltung auf, die mit einer ersten Serienschaltung aus einem ersten und einem zweiten steuerbaren Schaltmittel, deren Verbindungspunkt einen ersten Mittenabgriff bildet und die zwischen einem Versorgungspotential und einem Bezugspotential verschaltet ist, sowie mit einer zweiten Serienschaltung aus einem dritten (T3) und einem vierten (T4) steuerbaren Schaltmittel, deren Verbindungspunkt einen zweiten Mittenabgriff (2) bildet und die zwischen dem Versorgungspotential (Vsup) und dem Bezugspotential (GND) verschaltet ist, auf, wobei die Mittenabgriffe mit den Anschlüssen der Primärwicklung des Transformators verbunden sind. Ein erster Strommesswiderstand ist zwischen dem vierten Schaltmittel und dem Bezugspotential und ein zweiter Strommesswiderstand zwischen dem Versorgungspotential und dem dritten Schaltmittel verschaltet, wobei die nicht mit dem Versorgungspotential bzw. dem Bezugspotential verbundenen Anschlüsse der Strommesswiderstände einen ersten und einen zweiten Messanschluss bilden. Sie weist außerdem eine erste und eine zweite Vergleichsschaltung auf, deren erste Eingänge mit dem ersten bzw. dem zweiten Messanschluss verbunden sind, und deren zweite Eingänge mit einer Schwellwertspannungsquelle verbunden sind. Ein dritter Strommesswiderstand ist zwischen der Sekundärwicklung des Zündtransformators und dem Bezugspotential verschaltet, wobei dessen nicht mit dem Bezugspotential verbundener Anschluss einen dritten Messanschluss bildet. Der Eingang einer Gleichrichterschaltung ist mit dem dritten Messanschluss und deren Ausgang ist über einen ersten Spannungsteiler mit dem Bezugspotential verbunden. Die Vorrichtung weist außerdem eine Referenzspannungsquelle auf, die über einen zweiten Spannungsteiler mit dem Mittenabgriff des ersten Spannungsteilers verbunden ist, dessen Mittenabgriff die Schwellwertspannungsquelle bildet.
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Durch einfache schaltungstechnische Mittel kann also angezeigt werden, wann der Strom durch die Hauptinduktivität einen vorgegebenen Schwellwert erreicht.
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Durch einen Zweipunktregler mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die ein Flip-Flop, dessen erster Eingang mit dem Ausgang der ersten Vergleichsschaltung und dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang der zweiten Vergleichsschaltung verbunden ist und dessen Ausgangssignal zur Ansteuerung der Steuereingänge des dritten und des vierten Schaltmittels dient, kann die Spannung an der Primärwicklung des Transformators bei einem vorgegebenen Schwellwert umgepolt werden, so dass der Kern des Transformators nicht in die Sättigung gehen kann.
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Die Erfindung soll nachfolgend mit Hilfe eines Ausführungsbeispiels anhand von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen
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1 ein Schaltbild einer Vorrichtung zum Zünden einer Zündkerze eines Kraftfahrzeugs mit einem Transformator, und
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2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Vergleichen des Stromes durch die Hauptinduktivität des Transformators mit einem Schwellwert.
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In 1 ist eine Vorrichtung mit einem Zündtransformator Tr sowie der mit der Primärwicklung des Zündtransformators Tr verbundenen Vollbrückenschaltung T1, T2, T3, T4 und einer an die Sekundärwicklung des Zündtransformators Tr angeschlossenen Zündkerze Zk dargestellt. Eine Steuereinrichtung SE ist lediglich schematisch dargestellt. Ihr werden die Primär- und Sekundärströme repräsentierende Signale Iprim+, Iprim–, Isec zugeführt und sie stellt Steuersignale für das erste bis fünfte Schaltmittel T1 bis T5 an ihren Ausgängen bereit.
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Die Vollbrückenschaltung ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem ersten, als n-Kanal-MOS-Transistor ausgebildeten Schaltmittel T1 und einem dazu in Serie geschalteten, ebenfalls als n-Kanal-MOS-Transistor ausgebildeten, zweiten Schaltmittel T2 sowie einem dritten, als n-Kanal-MOS-Transistor ausgebildeten Schaltmittel T3 und einem dazu in Serie geschalteten vierten, als IGBT ausgebildeten Schaltmittel T4 gebildet. Die beiden Serienschaltungen aus dem ersten und dem zweiten Schaltmittel T1, T2 einerseits und dem dritten und dem vierten Schaltmittel T3, T4 andererseits sind jeweils zwischen einem Versorgungspotential Vsup, das im dargestellten Ausführungsbeispiel 60 Volt betragen soll, und einem Bezugspotential GND verschaltet. Der Verbindungspunkt des ersten Schaltmittels T1 und des zweiten Schaltmittels T2 bildet einen ersten Mittenabgriff 1 der Vollbrückenschaltung und ist mit einem ersten Anschluss der Primärwicklung des Zündtransformators Tr verbunden. In gleicher Weise bildet der Verbindungspunkt des dritten Schaltmittels T3 mit dem vierten Schaltmittel T4 einen zweiten Mittenabgriff 2, der mit dem zweiten Anschluss der Primärwicklung des Zündtransformators Tr verbunden ist. Ein Zündkondensator Cz ist mit seinem einen Anschluss mit dem Bezugspotential GND und mit seinem anderen Anschluss über ein fünftes, im dargestellten Ausführungsbeispiel als IGBT ausgeführtes fünftes Schaltmittel T5 mit dem zweiten Mittenabgriff 2 der Vollbrückenschaltung bzw. dem zweiten Anschluss der Primärwicklung des Zündtransformators Tr verbunden. Der Zündkondensator Cz ist auf eine hohe Spannung Vd von beispielsweise 300 Volt aufgeladen, was beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Schaltreglers erfolgen kann.
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Damit bei durchgeschaltetem fünftem Schaltmittel T5 kein Strom von der hohen Spannung Vd über die Substratdiode des dritten Schaltmittels T3 zum Versorgungspotential Vsup fließen kann, ist zwischen dem dritten Schaltmittel T3 und dem zweiten Mittenabgriff 2 eine in Flussrichtung gepolte Diode D1 verschaltet.
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Um bei jeweils eingeschaltetem dritten Schaltmittel T3 bzw. vierten Schaltmittel T4 die durch die Primärwicklung in jeweils entgegengesetzter Flussrichtung fließenden Primärströme erfassen zu können, sind zwischen dem vierten Schaltmittel T4 und dem Bezugspotential GND ein erster Strommesswiderstand R1a und zwischen dem Versorgungspotential Vsup und dem dritten Schaltmittel T3 ein zweiter Strommesswiderstand R1b verschaltet. Die an diesen Strommesswiderständen R1a, R1b abfallenden Spannungen können erfasst werden und sind proportional einem positiven Primärstrom Iprim+ bzw. einem negativen Primärstrom Iprim–.
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Im Folgenden sollen diese Spannungen als postitive und negative Primärstromsignale Iprim+ bzw. Iprim– bezeichnet werden.
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Zur Erfassung des Stromes im Sekundärkreis ist der nicht mit der Zündkerze Zk verbundene Anschluss der Sekundärwicklung des Zündtransformators Tr über einen dritten Strommesswiderstand R2 mit dem Bezugspotential GND verbunden. An diesem dritten Strommesswiderstand R2 kann eine dem Sekundärstrom Isec proportionale Spannung abgegriffen werden. Auch diese Spannung soll im Folgenden als Sekundärstromsignal Isec bezeichnet werden.
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Sowohl das positive Iprim+ und das negative Iprim– Primärstromsignal als auch das Sekundärstromsignal Isec werden in Form der an den Strommesswiderständen R1a, R1b, R2 abfallenden Spannungen der Steuereinrichtung SE zugeführt. Diese ermittelt daraus die Schaltsignale für das erste bis fünfte Schaltmittel T1 bis T5, was in der 1 schematisch dargestellt ist.
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Im Folgenden soll die Funktion der in der 1 dargestellten Vorrichtung erläutert werden.
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Zunächst wird das fünfte Schaltmittel T5 und das zweite Schaltmittel T2 eingeschaltet, so dass an der Primärwicklung des Zündtransformators Tr die am Zündkondensator Cz anliegende Spannung von im dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 300 Volt anliegen. Aufgrund der Haupt- und Streuinduktivitäten des Zündtransformators Tr sowie der parasitären Kapazitäten der Sekundärwicklung Csec und der Kapazität der Zündkerze Zk findet durch das Anliegen der hohen Spannung Vd von 300 Volt ein resonanter Umschwingvorgang statt, der durch das Übersetzungsverhältnis des Zündtransformators Tr sich auf Werte für die Sekundärspannung Vsec von über 50 kV aufschwingen kann. Hierdurch erfolgt auch bei widrigen Bedingungen ein Durchbruch der Zündkerze Zk, nach dem die Spannung an der Zündkerze Vsec auf Werte zwischen 1 bis 5 kV zusammenbricht und ein Strom Isec im Sekundärkreis von etwa 200 mA zu fließen beginnt. Dies ist das Ende der Durchbruchphase, wobei das Fließen des Sekundärstromes Isec von der Steuereinheit SE detektiert wird und als Folge das fünfte Schaltmittel T5 wieder abgeschaltet wird.
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Mit dem fünften Schaltmittel T5 wurde ebenso das dritte Schaltmittel T3 von der Steuereinheit SE eingschaltet, was jedoch aufgrund der dort anliegenden geringeren Spannung von etwa 60 Volt zunächst keinen Einfluss hatte. Nachdem das fünfte Schaltmittel T5 wieder abgeschaltet wurde, fließt aufgrund des nach wie vor eingeschalteten dritten Schaltmittels T3 nun ein positiver Primärstrom Iprim+, der langsam ansteigt. Dieser Primärstrom Iprim+ muss auf einen maximalen Wert von beispielsweise 30 A begrenzt werden, wofür in der Steuereinrichtung SE ein entsprechender Schwellwert für den Primärstrom vorgegeben ist. Wenn dieser Wert erreicht wird, ist eine Phase 1 beendet und die Steuereinrichtung SE schaltet das dritte Schaltmittel T3 und das zweite Schaltmittel T2 der Vollbrückenschaltung aus und das erste Schaltmittel T1 und das vierte Schaltmittel T4 ein. Hierdurch ändern sowohl der Primärstrom Iprim als auch der Sekundärstrom Isec ihre Fließrichtung. Dieser negative Primärstrom Iprim– wird am ersten Strommesswiderstand R1a detektiert und als entsprechendes Stromsignal der Steuereinrichtung SE zugeführt. Auch der negative Primärstrom Iprim– steigt betragsmäßig langsam an und wird in der Steuereinrichtung SE mit einem vorgegebenen Schwellwert für einen maximalen Primärstrom Iprim verglichen und bei Erreichen dieses Schwellwertes ist diese Phase 2 beendet und es beginnt wieder eine neue Phase 1, indem das erste Schaltmittel T1 und das vierte Schaltmittel T4 von der Steuereinrichtung SE wieder ausgeschaltet und das dritte Schaltmittel T3 und das zweite Schaltmittel T2 wieder eingeschaltet werden, wodurch sich der Primärstrom Iprim sowie der Sekundärstrom Isec wieder umkehren. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis der Zündvorgang der Zündkerze Zk beendet werden soll.
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Durch diese Steuerung des Primärstroms Iprim+, Iprim– wird verhindert, dass der Primärstrom unzulässig hohe Werte erreichen kann, die zu einer thermischen Überlastung der Zündvorrichtung führen können und/oder den Kern des Zündtransformators Zr in die Sättigung treiben.
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Zu der 1 wurde die Vorrichtung und das Verfahren anhand der Messung des Primärstroms bzw. der Teilströme Iprim+ und Iprim– beschrieben. Für die Steuerung der Umpolung der an die Primärwicklung des Zündtransformators Tr anzulegenden Spannung ist jedoch die Kenntnis des Stroms durch die Hauptinduktivität des Zündtransformators Tr vorteilhaft.
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In der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Vergleichen des Stromes Ih durch die Hauptinduktivität Lh der Primärwicklung des Zündtransformators Tr mit einem vorgegebenen Schwellwert gemäß 2, werden der positive Primärstrom Iprim+ und der negative Primärstrom Iprim– getrennt erfasst, da jeder nur fließt, wenn der jeweils andere Strom nicht fließt.
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Da die Erfassung des positiven Primärstromes Iprim+ am zweiten Strommesswiderstand R1b mit Bezug auf die Versorgungsspannung Vsup von +60 V erfolgt, ist vor der Weiterverarbeitung eine Pegelverschiebung auf Bezugspotential GND sinnvoll. Dies kann gemäß 2 mit der dort gezeigten Anordnung von Stromspiegeln MIR1, MIR2 und Widerständen R19 bis R23 erfolgen. An dem Widerstand R23 kann mit Bezug auf Bezugspotential GND eine Spannung erfasst werden, deren Wert dem Spannungsabfall am zweiten Strommesswiderstand R1b entspricht und damit ein Maß für den positiven Primärstrom Iprim+ ist. Der als Puffer-Verstärker mit Verstärkung +1 verschaltete Operationsverstärker IC5B entkoppelt diese Spannung gegenüber der nachfolgenden Schaltung. Das Ausgangssignal ist proportional dem positiven Primärstrom Iprim+.
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Die Spannung am ersten Strommesswiderstand R1a wird mittels eines als Differenzverstärker mit Verstärkung +1 beschalteten Operationsverstärkers IC5A erfasst. Dies erlaubt die Umsetzung des Bezuges zum Bezugspotential GND vom Leistungskreis auf einen weniger störsignalbeeinflussten Mess- und Regelkreis. Das Ausgangssignal ist proportional zum negativen Primärstrom Iprim–.
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Die Signale Iprim+ und Iprim– werden nun über je einen als Störfilter wirkenden Tiefpass R1, C2 bzw. R16, C1 den invertierenden Eingängen von Spannungsvergleichern IC1A, IC1B zugeführt. Die beiden nicht-invertierenden Eingänge sind mit dem Mittenabgriff eines zweiten Spannungsteilers R7, R15 verbunden, über den eine Referenzspannungsquelle Vth mit dem Mittenabgriff eines ersten Spannungsteilers R17 verbunden ist. Der Mittenabgriff des zweiten Spannungsteilers R7, R15 bildet eine Schwellwertspannungsquelle.
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Mittels der Widerstände R3, R4 sind die Spannungsvergleicher IC1A, IC1B mit einer Umschalthysterese versehen, welche ein unerwünschtes Mehrfachschalten bei verrauschten Signalen verhindert. Solange die Primärstromsignale Iprim+ und Iprim– einen kleineren Wert haben als der Schwellwert der Schwellwertspannungsquelle, liegen die Ausgangssignale der Spannungsvergleicher IC1A, IC1B auf High-Pegel. Erst wenn eines der Primärstromsignale Iprim+ oder Iprim– den Wert des Schwellwerts überschreitet, springt das Ausgangssignal des dazugehörigen Spannungsvergleichers auf Low-Pegel um.
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Die Ausgänge der beiden Spannungsvergleicher IC1A, IC1B steuern ein mit NAND-Gattern IC2A, IC2B aufgebautes R-S-Flip-Flop. Der Ausgang des NAND-Gatters IC2A liefert das Signal UM, welches – wie oben erläutert – zum Umschalten zwischen dem dritten Schaltmittel T3 und dem vierten Schaltmittel T4 benutzt wird.
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Um nun zum Vergleich des Stromes durch die Hauptinduktivität mit dem Schwellwert zu gelangen, ist – wie oben beschrieben – die Subtraktion des Sekundärstromes Isec hinzuzufügen. Dabei müssen Polarität und Wert des Sekundärstromes Isec berücksichtigt werden. Da der als Spannung an R2 beobachtbare Sekundärstrom Isec bipolar ist (wechselnde positive und negative Polarität), wird er gleichgerichtet. Dies erfolgt mit Hilfe des Operationsverstärkers IC3A, der Widerstände R8 bis R10, sowie der Doppeldiode D2a, D2b. Die als Pufferverstärker mit Verstärkung +1 beschalteten Operationsverstärker IC3B, IC4A entkoppeln das Ausgangssignal des Gleichrichters und führen es dem als Differenzverstärker mit Verstärkung +1 beschalteten Operationsverstärker IC4B zu. An seinem Ausgang entsteht ein gleichgerichtetes Abbild des Signals Isec, welches nun dem Anschluss E des Potentiometers bzw. ersten Spannungsteilers R17 zugeführt wird. Durch Verändern der Schleiferstellung des Potentiometers R17 kann nun dem herabgesetzten Schwellwert Uth ein Anteil des gleichgerichteten Sekundärstromes Isec hinzugefügt werden. Dies bewirkt wiederum, dass zum Erreichen der Schaltpunkte der Spannungsvergleicher IC1A, IC1B ein höherer Primärstrom Iprim+, Iprim– erforderlich ist. Somit ist die oben angegebene Formel für den Strom Ih durch die Hauptinduktivität des Zündtransformators durch die in der 2 dargestellte Schaltung umgesetzt.
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Der als Potentiometer R17 dargestellte erste Spannungsteiler dient lediglich der Veranschaulichung und kann alternativ durch zwei Widerstände ersetzt werden.
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Zur Funktionserläuterung wird nun angenommen, das vierte Schaltmittel T4 sei eingeschaltet, das Signal UM habe Low-Pegel und der Wert des negativen Primärstromsignals Iprim– sei noch klein. Mit zunehmendem Stromfluss durch die Primärwicklung des Transformators Tr steigt auch der Wert des Signals Iprim– (der Betrag des negativen Primärstromes), bis dieser den des Schwellwerts überschreitet. Daraufhin schaltet der Ausgang des Spannungsvergleichers IC1A von High- auf Low-Pegel um, woraufhin der Ausgang des NAND-Gatters IC2A von Low-Pegel auf High-Pegel umspringt. Die Steuereinrichtung SE schaltet daraufhin aufgrund des Signals UM im weiteren Verlauf das vierte Schaltmittel T4 aus und das dritte Schaltmittel T3 ein. Als Folge davon wird nun das negative Primärstromsignal Iprim– absinken und der Ausgang des Spannungsvergleichers IC1A wiederum High-Pegel annehmen. Der Ausgang des NAND-Gatters IC2A wird weiterhin High-Pegel beibehalten, der Zustand ist somit gespeichert.
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Durch den Umschaltvorgang entsteht ein Strompfad vom Versorgungspotential Vsup über das dritte Schaltmittel T3 durch die Primärwicklung des Zündtransistors Tr, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen. Der dabei fließende Strom bewirkt einen Spannungsabfall am zweiten Strommesswiderstand R1b, welcher – pegelverschoben – als positives Primärstromsignal Iprim+ am Eingang des Spannungsvergleichers IC1B anliegt. Steigt der Wert des positiven Primärstromsignals Iprim+ über den des herabgesetzten Schwellwerts Uth, so schaltet der Ausgang des Spannungsvergleichers IC1B von High-Pegel auf Low-Pegel um. Dieses Signal bewirkt dann, dass der Ausgang des NAND-Gatters IC2B von Low-Pegel auf High-Pegel umspringt, woraufhin der Ausgang des Spannungsvergleichers IC2A auf Low-Pegel springt. Dessen Ausgangssignal UM hat nun Low-Pegel, woraufhin das dritte Schaltmittel T3 ausgeschaltet und das vierte Schaltmittel T4 wieder eingeschaltet wird. Im weiteren Verlauf wiederholen sich diese Vorgänge periodisch.
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Die erfindungsgemäße Schaltung erlaubt die kostengünstige Erstellung eines Zweipunktreglers für den Strom durch die Hauptinduktivität eines Zündtransformators mit einfachen, handelsüblichen Mitteln. Mit ihr kann eine ansonsten mögliche Sättigung des Magnetmaterials des Zündtransformators sicher verhindert werden.
