DE102016115980A1

DE102016115980A1 - Zündgenerator und Verfahren zum Erzeugen von elektrischen Zündfunken zum Zünden von Plasmen in Mikrosystemen

Info

Publication number: DE102016115980A1
Application number: DE102016115980.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Koch
Original assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2036-08-27
Also published as: DE102016115980B4

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Zündgenerator (1) zum Erzeugen von elektrischen Zündfunken (2) zum Zünden von Plasmen (3) in Mikrosystemen (4) mit einem Transformator (5), einem Transistor (6) und einer Funkenstrecke (7), wobei der Transformator (5) eine Primärwicklung (10) und eine Sekundärwicklung (11) aufweist, wobei der Transistor (6) einen Primärstrom (ip) durch die Primärwicklung (10) steuert und wobei die Sekundärwicklung (11) mit der Funkenstrecke (7) verbunden ist und erzeugte Zündfunken (2) über die Funkenstrecke (7) überschlagen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zündgenerator (1) anzugeben, bei dem sowohl eine Frequenz der Zündfunken (2) als auch eine Zündenergie der Zündfunken (2) unmittelbar steuerbar sind. Die Aufgabe ist dadurch gelöst, dass der Zündgenerator (1) eine Steuerungseinrichtung (8) aufweist, dass die Steuerungseinrichtung (8) einen Detektor (9) zur Detektion eines Sollstromwerts (Ip,soll) des Primärstroms (ip) aufweist und dass die Steuerungseinrichtung (8) den Transistor (6) zunächst übersteuert, sodass der Primärstrom (ip) ansteigt, und dann, wenn der Detektor (9) ein Erreichen des Sollstromwerts (Ip,soll) durch den Primärstrom (ip) detektiert hat, den Transistor (6) ausschaltet, sodass ein Zündfunke (2) über die Funkenstrecke (7) überschlägt.

Description

Die Erfindung betrifft zum einen einen Zündgenerator zum Erzeugen von elektrischen Zündfunken zum Zünden von Plasmen in Mikrosystemen. Der Zündgenerator weist einen Transformator, einen Transistor und eine Funkenstrecke auf. Dabei weist der Transformator eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung auf und steuert der Transistor einen Primärstrom durch die Primärwicklung. Weiterhin ist die Sekundärwicklung mit der Funkenstrecke verbunden und schlagen erzeugte Zündfunken über die Funkenstrecke über.
Die Erfindung betrifft zum anderen auch ein Verfahren zum Erzeugen von elektrischen Zündfunken zum Zünden von Plasmen in Mikrosystemen mit einem Zündgenerator. Der Zündgenerator weist einen Transformator, einen Transistor und eine Funkenstrecke auf. Dabei weist der Transformator eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung auf und steuert der Transistor einen Primärstrom durch die Primärwicklung. Weiterhin ist die Sekundärwicklung mit der Funkenstrecke verbunden und schlagen erzeugte Zündfunken über die Funkenstrecke über.
Allgemein dienen Zündgeneratoren der Erzeugung von elektrischen Zündfunken. Da in einer Vielzahl von Anwendungen elektrische Zündfunken notwendig sind, ist auch aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von Arten von Zündgeneratoren bekannt. Jedoch handelt es sich bei den Zündgeneratoren der vorliegenden Art um besondere Zündgeneratoren, die zum Erzeugen von elektrischen Zündfunken zum Zünden von Plasmen in Mikrosystemen geeignet sind. Aufgrund der Eignung der vorliegenden Zündgeneratoren zum Zünden von Plasmen in Mikrosystemen müssen sie insbesondere zwei Anforderungen genügen. Zum einen muss ein solcher Zündgenerator ausgebildet sein, Plasmen wie z. B. Flammen zu entzünden und zum anderen derart ausgestaltet sein, dass eine Verwendung zusammen mit einem Mikrosystem möglich ist. Eine Verwendung mit einem Mikrosystem ist z. B. dann möglich, wenn ein Zündgenerator in Bezug auf ein Mikrosystem ausreichend kompakt ausgebildet ist. Die Verwendung eines Zündgenerators mit einem Mikrosystem besteht z. B. darin, dass der Zündgenerator in das Mikrosystem integriert ist. Mikrosysteme sind z. B. miniaturisierte Flammenionisationsdetektoren und Mikromassenspektrometer. Bei miniaturisierten Flammenionisationsdetektoren ist zur Miniaturisierung z. B. der üblicherweise zur Zündung einer Wasserstoffflamme eingesetzte Glühwendel durch einen kompakten Zündgenerator der vorliegenden Art ersetzt. Entsprechend wird auch bei einem Mikromassenspektrometer zur Miniaturisierung ein kompakter Zündgenerator zur Zündung eines Plasmas eingesetzt.
Der Transformator mit der Primärwicklung und der Sekundärwicklung dient der Erzeugung einer Zündspannung über der Sekundärwicklung, welche einen Zündfunken bewirkt, der über die Funkenstrecke überschlägt. Die Zündspannung wird mit dem Transformator erzeugt, indem zunächst ein Primärstrom durch die Primärwicklung des Transformators fließt und der Primärstrom dann abrupt unterbrochen wird. Durch das abrupte Unterbrechen des Primärstroms durch die Primärwicklung wird die Zündspannung in die Sekundärwicklung induziert.
Zur Übertragung der Zündspannung von der Sekundärwicklung des Transformators zur Funkenstrecke ist die Sekundärwicklung mit der Funkenstrecke verbunden. Wenn eine erste elektrische Komponente wie z. B. die Sekundärwicklung mit einer zweiten elektrischen Komponente wie z. B. der Funkenstrecke verbunden ist, so ist damit gemeint, dass die erste und die zweite elektrische Komponente elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Zündgeneratoren der vorliegenden Art bekannt.
Ein aus dem Stand der Technik bekannter Zündgenerator weist einen Oszillator auf und Zündfunken werden mit einer Oszillationsfrequenz des Oszillators kontinuierlich erzeugt. Das Erzeugen einzelner Zündfunken zu bestimmten Zeitpunkten ist nicht möglich, da der Zeitpunkt eines Anschwingens des Oszillators nicht bestimmt ist. Der Zündgenerator umfasst einen Transformator mit einer ersten und einer zweiten Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, einen Transistor zur Steuerung eines Primärstroms durch die erste Primärwicklung und eine mit der Sekundärwicklung verbundene Funkenstrecke, über welche die Zündfunken überschlagen. Dabei sind der Transistor und beide Primärwicklung Komponenten des Oszillators, wobei die erste Primärwicklung und die zweite Primärwicklung magnetisch gegengekoppelt und derart mit dem Transistor derart verbunden sind, dass nach einem Anschwingen eine Oszillation stattfindet. Durch die Oszillation wechselt der Transistor zwischen einem leitenden und einem nicht-leitenden Zustand, wobei im leitenden Zustand der Primärstrom durch den Transistor fließt und im nicht-leiten Zustand kein Primärstrom durch den Transistor fließt. Beim Übergang vom leitenden zum nicht-leitenden Zustand nimmt der Primärstrom ab, wodurch eine Zündspannung in die Sekundärwicklung induziert wird, welche einen Zündfunken bewirkt. Sowohl die Frequenz der Zündfunken als auch eine Zündenergie der Zündfunken sind nicht unmittelbar steuerbar, sondern sind von Parametern der verwendeten Komponenten, wozu der Transistor und der Transformator zählen, abhängig.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Angabe eines Zündgenerators sowie eines Verfahrens zum Erzeugen von elektrischen Zündfunken zum Zünden von Plasmen in Mikrosystemen, bei denen die im Stand der Technik aufgezeigten Nachteile überwunden oder jedenfalls vermindert sind.
Die Erfindung bezieht sich gemäß einer ersten Lehre auf einen Zündgenerator, bei dem die hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist. Der erfindungsgemäße Zündgenerator ist zunächst und im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass der Zündgenerator eine Steuerungseinrichtung und die Steuerungseinrichtung einen Detektor zur Detektion eines Sollstromwerts des Primärstroms aufweist. Die Steuerungseinrichtung ist dabei derart ausgebildet, dass sie im Betrieb den Transistor zunächst übersteuert, sodass der Primärstrom ansteigt, und dann, wenn der Detektor ein Erreichen des Sollstromwerts durch den Primärstrom detektiert hat, den Transistor ausschaltet, sodass ein Zündfunke über die Funkenstrecke überschlägt.
Ein inhärenter Widerstand des Transistors für den Primärstrom durch den Transistor ist durch eine Ansteuerung des Transistors gesteuert. Bei Übersteuerung des Transistors ist dieser Widerstand minimal. Da das Ansteigen des Primärstrom unter anderen durch eine Induktivität der Primärwicklung und den inhärenten Widerstand bestimmt ist, bewirkt der minimale Widerstand bei gegebener Induktivität den schnellstmöglichen Anstieg des Primärstroms. Der Primärstrom ist durch den inhärenten Widerstand des Transistors in seinem Anstieg begrenzt. Das abrupte Ausschalten des Transistors bewirkt ein abruptes Aufhören des Primärstroms, wodurch eine Zündspannung in die Sekundärwicklung induziert wird, die den Zündfunken bewirkt, der über die Funkenstrecke überschlägt.
Vorteile des erfindungsgemäßen Zündgenerators gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Beispiel sind zum einen, dass eine Frequenz und eine Zündenergie der Zündfunken durch die separate Steuerungseinrichtung vorgegeben sind und nicht durch Parameter von Komponenten eingestellt werden müssen. Die Frequenz der Zündfunken ist durch die Frequenz von Ansteuerungen des Transistors durch die Steuerungseinrichtung und die Zündenergie des Zündfunkens ist durch den Sollstromwert vorgegeben, wobei eine Ansteuerung des Transistors eine Übersteuerung des Transistors und ein Ausschalten des Transistors umfasst. Dabei ist der Zeitpunkt des Übergangs von der Übersteuerung zum Ausschalten abrupt und von der Steuerungseinrichtung bestimmt. Da sowohl die Primärwicklung als auch die Sekundärwicklung des Transformators Spulen sind und eine in einer Spule gespeicherte Energie W = 1/2 L·i² ist und unter Berücksichtigung unter anderem des Wirkungsgrads der Übertragung von Energie von der Primärwicklung zur Sekundärwicklung, ist die Zündenergie durch den Sollstromwert bestimmt. Dabei weist der Primärstrom im Moment des Ausschaltens des Transistors den Sollstromwert auf. Insbesondere ermöglicht die Ansteuerung des Transistors durch die separate Steuerungseinrichtung auch das Erzeugen von einzelnen Zündfunken zu bestimmten Zeiten. Des Weiteren ist ein Zeitraum der Übersteuerung des Transistors und damit des minimalen inhärenten Widerstands des Transistors durch die Ansteuerung beliebig vorgegeben, wohingegen beim Beispiel im Stand der Technik aufgrund der Oszillation der inhärente Widerstand des Transistor durch die Oszillation vorgegeben ist und infolgedessen im Mittel höher ist, wodurch der Primärstrom langsamer ansteigt.
Die Steuerungseinrichtung des Zündgenerators gibt sowohl die Frequenz der Zündfunken als auch den Sollstromwert und damit die Zündenergie der Zündfunken durch die Zeitpunkte und die Dauer der Ansteuerung des Transistors vor. In einer Ausgestaltung des Zündgenerators ist ergänzend vorgesehen, dass der Steuerungseinrichtung der Sollstromwert des Primärstroms oder ein Sollzündenergiewert der Zündenergie eines zu erzeugenden Zündfunken vorgebbar ist. Wenn der Steuerungseinrichtung ein Sollzündenergiewert vorgegeben ist, bestimmt die Steuerungseinrichtung darüber hinaus den zum Sollzündenergiewert gehörenden Sollstromwert. Das bedeutet auch, dass die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, den Transistor entsprechend anzusteuern. Diese Bestimmung der Sollzündenergie erfolgt gemäß dem bereits erläuterten Zusammenhang zwischen dem Primärstrom bei Sollstromwert und der Zündenergie eines Zündfunken.
Der Primärstrom fließt durch die Primärwicklung, durch den Transistor und auch durch den Detektor. Dabei detektiert der Detektor ein Erreichen des Sollstromwerts durch den Primärstrom. Dazu ist in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass der Detektor einen Messwiderstand und eine Referenzspannungsquelle aufweist, wobei die Referenzspannungsquelle im Betrieb einer Referenzspannung erzeugt. Dabei fließt der Primärstrom derart durch den Detektor, dass der Primärstrom auch durch den Messwiderstand fließt. Der Detektor ist ausgebildet, eine über den Messwiderstand abfallende Messspannung mit der Referenzspannung zu vergleichen und ein Erreichen der Referenzspannung durch die Messspannung als Erreichen des Sollstromwerts durch den Primärstrom zu werten. Das Vergleichen der Messspannung mit der Referenzspannung kann z. B. durch einen Komparator mit einem ersten Eingang und einem zweiten Eingang erfolgen, wobei der Komparator die Spannung am ersten Eingang mit der Spannung am zweiten Eingang vergleicht. Dazu wird dem Komparator am ersten Eingang die Messspannung und am zweiten Eingang die Referenzspannung zugeführt.
Da ein Strom durch eine Wicklung eines Transformators und ein Strom durch einen Transistor jeweils einen bestimmten Wert nicht überschreiten dürfen, da andernfalls der Transformator und der Transistor beschädigt werden würden, ist durch geeignete Maßnahmen dafür Sorge zu tragen, dass ein jeweils maximal zulässiger Strom durch einen Transformator und durch einen Transistor nicht überschritten wird. Der maximal zulässige Strom wird auch als Grenzstromwert bezeichnet. Deshalb ist in einer weiteren Ausgestaltung des Zündgenerators vorgesehen, dass ein Widerstandswert des Messwiderstands derart bestimmt ist, dass der Grenzstromwert vom Primärstrom nicht überschritten wird. Der Grenzstromwert ist dabei der niedrigere Stromwert vom maximal zulässigen Strom durch die Primärwicklung des Transformators und vom maximal zulässigen Strom durch den Transistor.
Wenn der Zündgenerator eine Referenzspannungsquelle aufweist, ist in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass die Referenzspannungsquelle ein Digital-Analog-Umsetzer ist und dass die Steuerungseinrichtung zur Steuerung des Digital-Analog-Umsetzers ausgebildet ist. Ein Digital-Analog-Umsetzer setzt ein digitales Datenwort in eine analoge Spannung um, wobei die analoge Spannung im Fall des Zündgenerators die Referenzspannung ist.
Um mit dem Zündgenerator zu beliebigen von außen vorgebbaren Zeiten Zündfunken erzeugen zu können, ist in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung des Zündgenerators einen Triggereingang aufweist und dass ein Triggersignal am Triggereingang die Erzeugung eines Zündfunkens durch die Steuerungseinrichtung auslöst. Dabei bietet es sich an, dass das Triggersignal ein Rechtecksignal ist und dass entweder eine Flanke oder ein Pegel des Rechtecksignals die Erzeugung des Zündfunkens auslösen.
Es ist erkannt worden, dass eine Veränderung eines Zustands des Zündgenerators mit der Zeit und insbesondere eine Veränderung eines Zustands der Funkenstrecke, mit einer Veränderung der Zündspannung des Zündfunkens einhergeht. Deshalb ist in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung eine Zündspannungsmesseinrichtung zur Messung der Zündspannung des Zündfunkens aufweist.
In einer Weiterbildung der vorangehenden Ausgestaltung weist die Zündspannungseinrichtung einen Spannungsteiler zur Teilung der Zündspannung, einen Differenzverstärker zur Verstärkung der geteilten Zündspannung und einen Spitzenwertdetektor zur Messung eines Maximalspannungswerts der geteilten und verstärkten Zündspannung auf. Der Spannungsteiler ist z. B. parallel zur Sekundärwicklung geschaltet und weist einen ersten und einen zweiten Widerstand auf, die in Reihe geschaltet sind. Widerstandswerte der Widerstände sind dabei derart bemessen, dass der durch sie fließende Strom die Erzeugung von Zündfunken nicht beeinträchtigt und eine über einen der Widerstände anliegende Spannung innerhalb eines Eingangsspannungsbereichs des Differenzverstärkers liegt. Entsprechend ist der Differenzverstärker parallel zu diesem Widerstand geschaltet und verstärkt die über diesen Widerstand abfallende Spannung. Der Spitzenwertdetektor misst die bei der Erzeugung eines Zündfunkens maximal auftretende Spannung und übermittelt diese Information an die Steuerungseinrichtung. In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass, wenn die Steuerungseinrichtung einen Triggereingang aufweist und ein Triggersignal die Erzeugung des Zündfunkens durch die Steuerungseinrichtung auslöst, das Triggersignal auch den Spitzenwertdetektor zurücksetzt. Das Zurücksetzen des Spitzenwertdetektors bedeutet, dass der zuvor gemessene Maximalspannungswert gelöscht wird.
Eine weitere Ausgestaltung des Zündgenerators ist durch eine besondere Schaltungstopologie ausgezeichnet. Gemäß dieser Schaltungstopologie weist die Primärwicklung des Transformators einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss und der Transistor einen Steueranschluss, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf. Die Schaltungstopologie ist nun derart, dass der erste Anschluss der Primärwicklung des Transformators mit dem ersten Anschluss des Transistors verbunden ist, dass der zweite Anschluss der Primärwicklung und der zweite Anschluss des Transistors zur Versorgung mit einer elektrischen Energiequelle verbindbar sind und dass der Steueranschluss des Transistors zur Steuerung des Transistors und der Steuerungseinrichtung verbunden ist. Die elektrische Energiequelle ist z. B. eine Gleichspannungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Anschluss, wobei im Betrieb des Zündgenerators der erste Anschluss der Gleichspannungsquelle mit dem zweiten Anschluss der Primärwicklung und der zweite Anschluss der Gleichspannungsquelle mit dem zweiten Anschluss des Transistors zur Versorgung des Zündgenerators mit elektrischer Energie verbunden sind.
In einer Weiterbildung der vorangehenden Ausgestaltung des Zündgenerators, wobei der Detektor einen Messwiderstand umfasst, ist vorgesehen, dass der Messwiderstand einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, dass der erste Anschluss des Messwiderstands mit dem zweiten Anschluss des Transistors verbunden ist und dass der zweite Anschluss des Messwiderstands mit der elektrischen Energiequelle verbindbar ist. Somit ist der zweite Anschluss des Transistors mittelbar über den Messwiderstand mit der elektrischen Energiequelle verbindbar. Der Primärstrom fließt durch die Primärwicklung des Transformators, durch den Transistor und durch den Messwiderstand. Dadurch, dass der Primärstrom durch den Messwiderstand fließt, ist die Messspannung proportional zum Primärstrom und Maß für diesen. Bei der elektrischen Energiequelle handelt es sich zum Beispiel um die bereits erwähnte Gleichspannungsquelle.
Eine wesentliche Komponente des Zündgenerators ist der Transistor. Der Transistor muss für die Anwendung im Zündgenerator geeignet sein und ist insbesondere auch gegen Beschädigungen durch Überspannungen zu schützen. Darüber hinaus muss die Steuerungseinrichtung den Transistor auf geeignete Weise ansteuern.
Geeignete Transistoren sind z. B. Feldeffekttransistoren und insbesondere Bipolartransistoren. Wenn der Transistor ein Bipolartransistor ist, weist der Bipolartransistor eine Basis, einen Kollektor und einen Emitter auf und ist der Steueranschluss mit der Basis, der erste Anschluss entweder mit dem Kollektor oder mit dem Emitter und der zweite Anschluss entweder mit dem Emitter oder mit dem Kollektor verbunden. Wenn der Transistor ein Feldeffekttransistor ist, weist der Feldeffekttransistor ein Gate, ein Drain und eine Source auf und ist der Steueranschluss mit dem Gate, das Drain entweder mit dem ersten Anschluss oder dem zweiten Anschluss und die Source entweder mit dem zweiten Anschluss oder dem ersten Anschluss verbunden.
Ein Bipolartransistor ist insbesondere dann übersteuert, wenn er im Sättigungsbetrieb ist. Im Sättigungsbetrieb sind sowohl der pn-Übergang zwischen Basis und Kollektor als auch der pn-Übergang zwischen Basis und Emitter leitend und ein Strom in den Kollektor des Transistors ist unabhängig von einem Strom in die Basis des Transistors. Im Sättigungsbetrieb ist insbesondere ein inhärenter Widerstand zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors besonders gering. Diese Eigenschaften des Bipolartransistors bedingen seine besondere Eignung für die Anwendung im Zündgenerator. Für gewöhnlich wird der Sättigungsbetrieb eines Bipolartransistors vermieden, da in der Basis mehr Ladungsträger als im Normalbetrieb sind, wodurch das Ausschalten des Bipolartransistors verzögert ist. Im Normalbetrieb ist ein Strom in den Kollektor durch einen Strom in die Basis bestimmt. Vorliegend ist jedoch erkannt worden, dass die Verzögerung beim Ausschalten des Transistors keinen negativen Einfluss auf das abrupte Ausschalten des Transistors hat und dass das die Verzögerung des Ausschaltens des Transistors nach einem entsprechenden Signal am Steueranschluss ausreichend konstant und kurz im Verhältnis zur Frequenz der zu erzeugenden Zündpulse ist. Die Verzögerung des Ausschaltens wird von der Steuerungseinrichtung bei der Ansteuerung des Transistors berücksichtigt.
Der Transistor kann z. B. gegen Spannungen zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss geschützt werden, die eine Beschädigung des Transistors zur Folge hätten, indem die Spannung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss durch eine Zenerdiode begrenzt wird.
Die geeignete Ansteuerung des Transistors erfolgt durch die Steuerungseinrichtung z. B. über einen Schmitt-Trigger. Ein Schmitt-Trigger ist ein mitgekoppelter Komparator mit einem Eingang und einem Ausgang, bei dem eine Ein- und eine Ausschalteschwelle eines Ausgangssignals am Ausgang bedingt durch Hysterese in Bezug auf ein Eingangssignal am Eingang gegeneinander versetzt sind. Ein Schmitt-Trigger hat deshalb die Eigenschaft, dass geringe Fluktuationen des Eingangssignals z. B. durch Störsignale keine Veränderung des Ausgangssignals zur Folge haben, wodurch beim vorliegenden Zündgenerator ungewolltes Ein- oder Ausschalten des Transistors vermieden wird. Das ungewollte Ein- oder Ausschalten des Transistors kann insbesondere dann erfolgen, wenn der Zündgenerator in Umgebungen eingesetzt wird, in denen elektromagnetische Störungen auftreten. Das ist z. B. der Fall, wenn der Zündgenerator zusammen mit Mikrosystemen eingesetzt wird, denn die Miniaturisierung erfordert geringe Abstände, die auch eine gute Übertragung von elektromagnetischen Störsignalen bedingen.
Die Erfindung bezieht sich gemäß einer zweiten Lehre auf ein Verfahren zum Erzeugen von elektrischen Zündfunken zum Zünden von Plasmen in Mikrosystemen, bei dem die hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zunächst und im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor zunächst von einer Steuerungseinrichtung übersteuert wird, sodass der Primärstrom ansteigt, und dass dann, wenn ein Erreichen eines Sollstromwerts durch den Primärstrom von der Steuerungseinrichtung detektiert worden ist, der Transistor von der Steuerungseinrichtung ausgeschaltet wird, sodass ein Zündfunke über die Funkenstrecke überschlägt.
Bei einem Zündgenerator, dessen Funkenstrecke eine erste und eine zweite Elektrode aufweist, wobei die erste und die zweite Elektrode eine Strecke definieren, über welche die Zündfunken überschlagen, ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass zur Überwachung eines Zustands der ersten und der zweiten Elektrode in zeitlichen Abständen jeweils ein minimaler Zündenergiewert zur Erzeugung des Zündfunkens bestimmt wird. Der minimale Zündenergiewert ist der Zündenergiewert, der mindestens zur Erzeugung des Zündfunkens benötigt wird. Dabei gibt eine zeitliche Veränderung des minimalen Zündenergiewerts Auskunft über den Zustand der ersten und der zweiten Elektrode.
In einer Weiterbildung der vorangehenden Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass eine Zunahme der minimalen Zündenergie in aufeinanderfolgenden zeitlichen Abständen einem Verschleiß der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode zugeordnet wird. Der Verschleiß der ersten und/oder der zweiten Elektrode bedingt, dass die Strecke zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zunimmt, wodurch eine minimal zur Erzeugung eines Zündfunkens notwendige Zündspannung über der Funkenstrecke und damit auch der minimale Zündenergiewert ansteigt.
Zur Bestimmung des minimalen Zündenergiewerts ist in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass der minimale Zündenergiewert in jedem der zeitlichen Abstände bestimmt wird, indem in Schritten ein Zündenergiewert erhöht wird und in jedem der Schritte ein Maximalspannungswert der Zündspannung des Zündfunkens bestimmt wird und indem der Zündenergiewert, bei dem eine Erhöhung des Maximalspannungswerts im Vergleich zu einem der vorangehenden Maximalspannungswerte ausbleibt, dem minimalen Zündenergiewert zugeordnet wird.
Die vorstehende Ausgestaltung wird im Folgenden anhand eines Beispiels mit drei Schritten erläutert.
In einem ersten Schritt mit einem ersten Zündenergiewert wird ein erster Maximalspannungswert, in einem zweiten Schritt mit einem im Vergleich zum ersten Zündenergiewert höheren zweiten Zündenergiewert wird ein zweiter Maximalspannungswert und in einem dritten Schritt mit einem im Vergleich zum zweiten Zündenergiewert höheren dritten Zündenergiewert wird ein dritter Maximalspannungswert bestimmt. In diesem Beispiel ist nun der zweite Maximalspannungswert höher als der erste Maximalspannungswert und der dritte Maximalspannungswert gleich dem zweiten Maximalspannungswert. Das Ausbleiben einer Erhöhung vom zweiten Maximalspannungswert zum dritten Maximalspannungswert bedeutet, dass beim zweiten Zündenergiewert noch kein, aber beim dritten Zündenergiewert ein Zündfunke erzeugt worden ist, weshalb der dritte Zündenergiewert dem minimalen Zündenergiewert zugeordnet wird. Wie bereits ausgeführt, bedeutet eine Zunahme des minimalen Zündenergiewerts einen Verschleiß der Elektroden. Durch die Bestimmung der minimalen Zündenergie ist es nun möglich, den Zündenergiewert auf den minimalen Zündenergiewert einzustellen, so dass der Verschleiß der ersten und der zweiten Elektrode im Vergleich zum Betrieb mit höheren Zündenergiewerten reduziert ist. Deshalb wird in einer weiteren Ausgestaltung die Zündenergie fortlaufend auf den minimalen Zündenergiewert eingestellt.
Die Ausführung des Verfahrens, bei dem ein minimaler Zündenergiewert bestimmt wird, bietet sich insbesondere in Verbindung mit einem Zündgenerator an, dessen Steuerungseinrichtung eine Zündspannungsmesseinrichtung aufweist, welche die Maximalspannungswerte der Zündfunken bestimmt. Weiterhin ist die Steuerungseinrichtung zur Ausführung der Verfahren ausgebildet und sind die Verfahren auf den beschriebenen Zündgeneratoren ausführbar.
Die Ausführungen zur ersten Lehre der Erfindung gelten entsprechend auch für die zweite Lehre der Erfindung und umgekehrt.
Im Einzelnen ist eine Vielzahl von Möglichkeiten gegeben, den erfindungsgemäßen Zündgenerator und das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen von elektrischen Zündfunken zum Zünden von Plasmen in Mikrosystemen auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche als auch auf die nachfolgende Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
1 ein Mikrosystem mit einem Zündgenerator,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Zündgenerators,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Zündgenerators und
4 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens.
1 zeigt den Zündgenerator 1 zum Erzeugen von elektrischen Zündfunken 2 zum Zünden des Plasmas 3 in dem Mikrosystem 4. Bei dem Mikrosystem 4 handelt es sich um einen miniaturisierten Flammenionisationsdetektor.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Zündgenerators 1. Der Zündgenerator 1 weist den Transformator 5, den Transistor 6, die außerhalb des Zündgenerators 1 dargestellte aber zum Zündgenerator 1 gehörende Funkenstrecke 7, die Steuerungseinrichtung 8 und den Detektor 9 auf.
Der Transformator 5 weist die Primärwicklung 10 und die Sekundärwicklung 11 auf, wobei die Primärwicklung 10 den ersten Anschluss 12 und den zweiten Anschluss 13 hat.
Der Transistor 6 hat den Steueranschluss 14, den ersten Anschluss 15 und den zweiten Anschluss 16. Der Transistor 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein npn-Bipolartransistor und weist somit eine Basis, einen Kollektor und einen Emitter auf. Der Steueranschluss 14 ist mit der Basis, der erste Anschluss 15 ist mit dem Kollektor und der zweite Anschluss 16 ist mit dem Emitter des Transistors 6 verbunden.
Nicht zum Zündgenerator 1 gehört die elektrische Energiequelle 17 in Form einer Versorgungsspannungsquelle mit der konstanten Versorgungsspannung U₀. Die Versorgungsspannung U₀ liegt zwischen einem ersten und einem zweiten Potenzial an, wobei als erstes Potenzial Massepotenzial gewählt ist.
Die Schaltungstopologie des Zündgenerators 1 ist wie folgt:
Der zweite Anschluss 13 der Primärwicklung 10 des Transformators 5 ist mit der elektrischen Energiequelle 17 derart verbunden, dass der zweite Anschluss 13 auf dem zweiten Potenzial liegt. Der erste Anschluss 12 der Primärwicklung 10 ist mit dem ersten Anschluss 15 des Transistors 6 verbunden. Der zweite Anschluss 16 des Transistors 6 ist aufgrund des Detektors 9 nicht unmittelbar, sondern mittelbar mit Massepotenzial verbunden. Somit sind der zweite Anschluss 13 der Primärwicklung 10 und der zweite Anschluss 16 des Transistors 6 zur Versorgung mit der elektrischen Energiequelle 17 verbunden. Die Topologie bedingt, dass der Primärstrom i_p ausgehend von der elektrischen Energiequelle 17 zunächst durch die Primärwicklung 10 des Transformators 5, dann in den Kollektor des Transistors 6 und schließlich aus dem Emitter des Transistors 6 fließt. Der Transistor 6 steuert den Primärstrom i_p und kann als gesteuerte Stromsenke für den Primärstrom i_p aufgefasst werden.
Die Sekundärwicklung 11 des Transformators 5 ist mit der Funkenstrecke 7 verbunden und erzeugte Zündfunken 2 schlagen über die Funkenstrecke 7 über.
Der Steueranschluss 14 des Transistors 6 ist mit der Steuerungseinrichtung 8 zur Steuerung des Transistors 6 durch die Steuerungseinrichtung 8 verbunden. Die Steuerungseinrichtung 8 ist ausgebildet, im Betrieb den Transistor 6 zunächst zu übersteuern, sodass der Primärstrom i_P ansteigt, und dann, wenn der Detektor 9 ein Erreichen des Sollstromwerts I_p,soll durch den Primärstrom i_P detektiert hat, den Transistor 6 auszuschalten, so dass ein Zündfunke 2 über die Funkenstrecke 7 überschlägt. Dabei steigt der Primärstrom i_P näherungsweise gemäß
an. Darin gibt die Zeit t die nach dem Beginn des Übersteuerns des Transistors 6 verstrichene Zeit an. U_CE,sat ist der Spannungsabfall vom Kollektor zum Emitter des Transistors 6 im Sättigungsbetrieb, R_p ist ein Widerstandswert und L_p ein Induktivitätswert der Primärwicklung 10 des Transformators 5.
Der Detektor 9 ist in diesem Ausführungsbeispiel in Flussrichtung des Primärstroms i_p nach dem Transistor 6 angeordnet, wobei der Primärstrom i_p durch den Detektor 9 fließt. Der Detektor 9 ist zur Detektion des Sollstromwerts I_p,soll des Primärstroms i_P ausgebildet. Vorliegend wird angenommen, dass der Detektor 9 keinen Widerstand für den Primärstrom i_p darstellt.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Zündgenerators 1. Da das zweite Ausführungsbeispiel auf dem ersten Ausführungsbeispiel des Zündgenerators 1 basiert, werden im Folgenden nur die Unterschiede besprochen und wird im Übrigen auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen.
Im zweiten Ausführungsbeispiel weist der Detektor 9 den Messwiderstand 18 mit dem ersten Anschluss 19 und dem zweiten Anschluss 20 und die Referenzspannungsquelle 21 auf. Der erste Anschluss 19 des Messwiderstands 18 ist mit dem zweiten Anschluss 16 des Transistors unmittelbar, also ohne weitere zwischenliegende elektrische Bauelemente, verbunden und der zweite Anschluss 20 des Messwiderstands 18 ist mit Massepotenzial und somit mit der elektrischen Energiequelle 17 verbunden.
Der Primärstrom i_p fließt durch den Messwiderstand 18, der den Widerstandswert R_M aufweist, wodurch an dem Messwiderstand 18 die Messspannung u_M = R_M·i_p abfällt. Der Detektor 9 misst die über den Messwiderstand 18 abfallende Messspannung u_M und vergleicht die gemessene Messspannung u_M mit der von der Referenzspannungsquelle 21 erzeugten Referenzspannung U_Ref. Das Erreichen der Referenzspannung U_Ref durch die Messspannung u_M wertet der Detektor 9 als das Erreichen des Sollstromwerts I_p,soll durch den Primärstrom i_p. Dabei ist der Sollstromwert I_p,soll durch den Quotienten aus der Referenzspannung U_Ref und dem Widerstandswert R_M des Messwiderstands 18 vorgegeben:
Demnach ist der Sollstromwert I_p,soll durch Wahl der Referenzspannung U_Ref und Wahl des Widerstandswerts R_M einstellbar.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der maximal zulässige Strom durch die Primärwicklung 10 I_max,1 = 1 A und durch den Transistor 6 I_max,2 = 0,5 A, weshalb als Grenzstromwert, der vom Primärstrom i_p nicht überschritten werden darf, der kleinere von beiden, also I_max,2 gewählt wird. Das Begrenzen des Primärstroms i_p auf den Grenzstromwert I_max,2 wird durch Bestimmung des Widerstandswerts R_M des Messwiderstands 18 gemäß
gewährleistet. Darin ist R_CE,sat ein inhärenter Widerstand des Transistors 6 zwischen dem Kollektor und dem Emitter im Sättigungsbetrieb des Transistors 6. Wenn der Primärstrom i_p derart begrenzt ist, ist der Sollstromwert I_p,soll noch durch U_Ref einstellbar, weshalb als Referenzspannungsquelle 21 vorzugsweise ein Digital-Analog-Umsetzer verwendet wird.
Weiter weist die Steuerungseinrichtung 8 in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich zum ersten Ausführungsbeispiel noch einen Triggereingang 22 auf. Die Steuerungseinrichtung 8 ist derart ausgebildet, dass ein Triggersignal am Triggereingang 22 die Erzeugung eines Zündfunkens 2 auslöst.
Darüber hinaus weist die Steuerungseinrichtung 8 die Zündspannungsmesseinrichtung 23 zur Messung der Zündspannung u_Z eines Zündfunkens 2 zwischen der ersten Elektrode 27 und der zweiten Elektrode 28 auf. Dazu umfasst die Zündspannungsmesseinrichtung 23 den Spannungsteiler 24 zur Teilung der Zündspannung u_Z, den Differenzverstärker 25 zur Verstärkung der geteilten Zündspannung u_Z und den Spitzenwertdetektor 26 zur Messung des Maximalspannungswerts in der geteilten und verstärkten Zündspannung u_Z. Der Spannungsteiler 24 ist dabei parallel zur Primärwicklung 10 des Transformators 5 geschaltet.
Im Betrieb führt die Steuerungseinrichtung 8 ein Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten aus.
In dem ersten Schritt 29 wird der Transistor 6 übersteuert, sodass der Primärstrom i_p ansteigt.
In dem zweiten Schritt 30 wird dann, wenn ein Erreichen des Sollstromwerts I_p,soll durch den Primärstrom i_p detektiert worden ist, der Transistor 6 ausgeschaltet, sodass ein Zündfunke 2 über die Funkenstrecke 7 überschlägt.
Bezugszeichenliste

1: Zündgenerator
2: Elektrischer Zündfunken
3: Plasma
4: Mikrosystem
5: Transformator
6: Transistor
7: Funkenstrecke
8: Steuerungseinrichtung
9: Detektor
10: Primärwicklung des Transformators
11: Sekundärwicklung des Transformators
12: Erster Anschluss der Primärwicklung
13: Zweiter Anschluss der Primärwicklung
14: Steueranschluss des Transistors
15: Erster Anschluss des Transistors
16: Zweiter Anschluss des Transistors
17: Elektrische Energiequelle
18: Messwiderstand
19: Erster Anschluss des Messwiderstands
20: Zweiter Anschluss des Messwiderstands
21: Referenzspannungsquelle
22: Triggereingang
23: Zündspannungsmesseinrichtung
24: Spannungsteiler
25: Differenzverstärker
26: Spitzenwertdetektor
27: Erste Elektrode
28: Zweite Elektrode
29: Erster Verfahrensschritt
30: Zweiter Verfahrensschritt
I_max,1: Maximal zulässiger Strom durch die Primärwicklung
I_max,2: Maximal zulässiger Strom durch den Transistor
i_P: Primärstrom
I_p,soll: Sollprimärstromwert
L_P: Induktivitätswert der Primärwicklung
R_CE,sat: Widerstandswert zwischen Kollektor und Emitter des Transistors
bei: Sättigungsbetrieb
R_M: Widerstandswert des Messwiderstands
R_P: Widerstandswert der Primärwicklung
U₀: Versorgungsspannung
U_CE,sat: Sättigungsspannung zwischen Kollektor und Emitter des Transistors bei Sättigungsbetrieb
u_M: Messspannung
U_Ref: Referenzspannung
u_Z: Zündspannung

Claims

Zündgenerator (1) zum Erzeugen von elektrischen Zündfunken (2) zum Zünden von Plasmen (3) in Mikrosystemen (4) mit einem Transformator (5), einem Transistor (6) und einer Funkenstrecke (7), – wobei der Transformator (5) eine Primärwicklung (10) und eine Sekundärwicklung (11) aufweist, – wobei der Transistor (6) einen Primärstrom (i_p) durch die Primärwicklung (10) steuert und – wobei die Sekundärwicklung (11) mit der Funkenstrecke (7) verbunden ist und erzeugte Zündfunken (2) über die Funkenstrecke (7) überschlagen, dadurch gekennzeichnet, – dass der Zündgenerator (1) eine Steuerungseinrichtung (8) aufweist, – dass die Steuerungseinrichtung (8) einen Detektor (9) zur Detektion eines Sollstromwerts (I_p,soll) des Primärstroms (i_p) aufweist und – dass die Steuerungseinrichtung (8) den Transistor (6) zunächst übersteuert, sodass der Primärstrom (i_p) ansteigt, und dann, wenn der Detektor (9) ein Erreichen des Sollstromwerts (I_p,soll) durch den Primärstrom (i_p) detektiert hat, den Transistor (6) ausschaltet, sodass ein Zündfunke (2) über die Funkenstrecke (7) überschlägt.
Zündgenerator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungseinrichtung (8) der Sollstromwert (I_p,soll) oder ein Sollzündenergiewert des zu erzeugenden Zündfunken (2) vorgebbar ist und dass die Steuerungseinrichtung (8), wenn der Sollzündenergiewert vorgegeben ist, den zum Sollzündenergiewert gehörenden Sollstromwert (I_p,soll) bestimmt.
Zündgenerator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass der Detektor (9) einen Messwiderstand (18) und eine Referenzspannungsquelle (21) mit einer Referenzspannung (U_Ref) aufweist, – dass der Primärstrom (i_P) durch den Messwiderstand (18) fließt und – dass der Detektor (9) eine über den Messwiderstand (18) abfallende Messspannung (u_M) mit der Referenzspannung (U_Ref) vergleicht und ein Erreichen der Referenzspannung (U_Ref) durch die Messspannung (u_M) als Erreichen des Sollstromwerts (I_p,soll) durch den Primärstrom (i_P) wertet.
Zündgenerator (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstandswert (R_M) des Messwiderstands (18) derart bestimmt ist, dass ein Grenzstromwert (I_max,1, I_max,2) vom Primärstrom (i_p) nicht überschritten wird.
Zündgenerator (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannungsquelle (21) ein Digital-Analog-Umsetzer ist und dass die Steuerungseinrichtung (8) zur Steuerung des Digital-Analog-Umsetzers ausgebildet ist.
Zündgenerator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (8) einen Triggereingang (22) aufweist und dass ein Triggersignal am Triggereingang (22) die Erzeugung des Zündfunkens (2) durch die Steuerungseinrichtung (8) auslöst.
Zündgenerator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (8) eine Zündspannungsmesseinrichtung (23) zur Messung einer Zündspannung (u_Z) des Zündfunkens (2) aufweist.
Zündgenerator (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündspannungsmesseinrichtung (23) einen Spannungsteiler (24) zur Teilung der Zündspannung (u_Z), einen Differenzverstärker (25) zur Verstärkung der geteilten Zündspannung (u_Z) und einen Spitzenwertdetektor (26) zur Messung (u_Z) eines Maximalspannungswerts der geteilten und verstärken Zündspannung (u_Z) aufweist.
Zündgenerator (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, – dass die Primärwicklung (10) einen ersten Anschluss (12) und einen zweiten Anschluss (13) aufweist, – dass der Transistor (6) einen Steueranschluss (14), einen ersten Anschluss (15) und einen zweiten Anschluss (16) aufweist, – dass der erste Anschluss (12) der Primärwicklung (10) mit dem ersten Anschluss (15) des Transistors (6) verbunden ist, – dass der zweite Anschluss (13) der Primärwicklung (13) und der zweite Anschluss (16) des Transistors (6) zur Versorgung mit einer elektrischen Energiequelle (17) verbindbar sind und – dass der Steueranschluss (14) des Transistors (6) zur Steuerung des Transistors (6) mit der Steuerungseinrichtung (8) verbunden ist.
Zündgenerator (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (18) einen ersten Anschluss (19) und einen zweiten Anschluss (20) aufweist, dass der erste Anschluss (19) des Messwiderstands (18) mit dem zweiten Anschluss (16) des Transistors (6) verbunden ist und dass der zweite Anschluss (20) des Messwiderstands (18) mit der elektrischen Energiequelle (17) verbindbar ist.
Verfahren zum Erzeugen von elektrischen Zündfunken (2) zum Zünden von Plasmen (3) in Mikrosystemen (4) mit einem Zündgenerator (1), – wobei der Zündgenerator (1) einen Transformator (5), einen Transistor (6) und eine Funkenstrecke (7) aufweist, – wobei der Transformator (5) eine Primärwicklung (10) und eine Sekundärwicklung (11) aufweist, – wobei der Transistor (6) einen Primärstrom (i_p) durch die Primärwicklung (10) steuert und – wobei die Sekundärwicklung (11) mit der Funkenstrecke (7) verbunden ist und erzeugte Zündfunken (2) über die Funkenstrecke (7) überschlagen, dadurch gekennzeichnet, – dass der Transistor (6) zunächst von einer Steuerungseinrichtung (8) übersteuert wird, sodass der Primärstrom (i_p) ansteigt und – dass dann, wenn ein Erreichen eines Sollstromwerts (I_p,soll) durch den Primärstrom (i_p) von der Steuerungseinrichtung (8) detektiert worden ist, der Transistor (6) von der Steuerungseinrichtung (8) ausgeschaltet wird, sodass ein Zündfunke (2) über die Funkenstrecke (7) überschlägt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Funkenstrecke (7) eine erste Elektrode (27) und eine zweite Elektrode (28) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung eines Zustands der ersten Elektrode (27) und der zweiten Elektrode (28) in zeitlichen Abständen jeweils ein minimaler Zündenergiewert zur Erzeugung des Zündfunkens (2) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zunahme der minimalen Zündenergiewerte in aufeinanderfolgenden zeitlichen Abständen einem Verschleiß der ersten Elektrode (27) und/oder der zweiten Elektrode (28) zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Zündenergiewert in jedem der zeitlichen Abstände bestimmt wird, indem in Schritten ein Zündenergiewert erhöht wird und in jedem der Schritte ein Maximalspannungswert einer Zündspannung (u_Z) des Zündfunkens (2) bestimmt wird und indem der Zündenergiewert, bei dem eine Erhöhung des Maximalspannungswerts im Vergleich zu einem der vorangehenden Maximalspannungswerte ausbleibt, dem minimalen Zündenergiewert zugeordnet wird.