DE2122609A1

DE2122609A1 - Voltage converter circuit for periodic charging of a capacitor to a precisely defined voltage

Info

Publication number: DE2122609A1
Application number: DE19712122609
Authority: DE
Inventors: der Anmelder. H02k 23-42 ist
Original assignee: Weber, Ulrich, 4900 Herford
Priority date: 1971-05-07
Filing date: 1971-05-07
Publication date: 1972-11-09

Description

rsnungswandlerschaltung zur periodischen Aufladung eines Kondensators auf eine genau definierte Spannung. Solution converter circuit for periodic charging of a capacitor to a precisely defined tension.

Die Erfindung betrifft eine Schaltung für eine elektronisch ge teuerte Hochspannungskondensatorzündung für Kraftfahrzeuge.The invention relates to a circuit for an electronically controlled ge High voltage capacitor ignition for automobiles.

In derartigen Zündanlagen muß ein Kondensator (in der Regel 1pF bis 2pF) periodisch auf eine Spannung von 350V bis 450V aufgeladen werden. Dabei verändert sich die Aufladefrequenz mit der Motordrehzahl in weiten Grenzen, außerdem muß mit sehr verschiedenen Betriebsspannungen für die Anlage gerechnet werden (von ca. 8V beim Anlassen bis ca. 14V bei höchster Lichtmaschinenspannung). Eine Aufladung des Kondensators bei allen diesen Betriebsbedingungen auf gleiche Spannungshöhe bei gleichzeitigem hohem Wirkungsgrad des Spannungswandlers ist mit herkömmlichen Schaltungen nicht möglich. Nach allgemein bekannten Naturgesetzen kann ein Kondensator von einer EMK konstanter Spannung nur mit einem Wirkungsgrad von höchstens 50% aufgeladen werden. Berücksichtigt man die Verluste, die jedem Spannungswandler anhaften, so sinkt der Gesamtwirkungsgrad auf ca. 40k, wenn der Kondensator mittels eines Gleichspannungswandlers, der nach dem Durchflußwandlerprinzip arbeitet, aufgeladen wird.In such ignition systems a capacitor (usually 1pF to 2pF) are periodically charged to a voltage of 350V to 450V. Changed in the process the charging frequency varies with the engine speed within wide limits; very different operating voltages can be expected for the system (from approx. 8V when starting up to approx. 14V at the highest alternator voltage). A charge of the Capacitor at the same voltage level under all these operating conditions simultaneous high efficiency of the voltage converter is with conventional circuits not possible. According to well-known laws of nature, a capacitor can be of a Constant voltage EMF only charged with an efficiency of 50% or less will. If one takes into account the losses that are inherent in every voltage converter, see above the overall efficiency drops to approx. 40k if the capacitor is connected to a DC voltage converter, which works according to the flow converter principle, is charged.

Außerdem schwankt die Ausgangsspannung des Wandlers und damit die Spannung des Kondensators direkt proportional zur Betriebsspannung. Einer Hochspannungskondensatorzündung, die nach dem Durchflußwandlerprinxip arbeitet, haften also erhebliche Mängel an. Dennoch ist dieses Schaltprinzip bisher ausschließlich angewandt worden, weil für Spannungswandler nach dem Prinzip des Sperrwandlers geeignete Regelungsmöglichkeiten fehlten.In addition, the output voltage of the converter and thus the The voltage of the capacitor is directly proportional to the operating voltage. A high voltage capacitor ignition, which works according to the flow converter principle, so there are considerable deficiencies. However, this switching principle has so far only been used because for Voltage converter based on the flyback converter principle, suitable control options were missing.

Wie ebenfalls bekannt ist, liefert die Aufladung eines Kondensators mit einem Sperrwandler technisch die einzige Möglichkeit, einen Wirkungsgrad von annähernd 100% zu erzielen, weil sich die im Uransformatorkern gespeicherte magnetische Energie bei fast beliebiger Ausgangsspannung verlustfrei in den Kondensator ergebot.As is also known, charging a capacitor provides with a flyback converter technically the only way to achieve an efficiency of to achieve almost 100%, because the magnetic Energy at almost any output voltage yielded loss-free in the capacitor.

Die Schwierigkeiten bei der Anwendung dieses Wandlerprinzips beruhen darauf, daß die Ladespannung des Kondensators immer weiter steigt bis entweder der Kondensator, der Gleichrichter oder die Wandlertransistoren zerstört werden. Man muß also den Spannungswandler bei Erreichen einer bestimmten Kondensatorspannung ausschalten. Bei Kondensatoraufladungen mit sehr niedriger Wiederholungsfrequenz (z.B. bei Elektronenblitzgeräten) kann das über ein Relais geschehen. Bei Kraftfahrzeugzündanlagen mit bis zu 5 5 o Korde 350 Kondensatoraufladungen pro Sekunde ist diese Methode jedoch nicht anwendbar. Die Regelung muß auf jeden Pall rein elektronisch erfolgen. Dabei hat jede elektronische Regelschaltung, die bei einer bestimmten Kondensatorspannung die Spannungswandlertransistoren sperrt, zwei große Nachteile: 1. großen Aufwand an Schaltelementen, 2. ist es unmöglich, falls sich der Transistor in seiner Sperrphase befindet, also während sich die im Eisenkern gespeicherte Energie in den Kondensator ergießt, diese Kondensatoraufladung zu unterbrechen. In jedem Falle wird sich noch die gesamte im Transformatorkern befindliche Energie auf den Kondensator übertragen. Bei den kleinen Kapazitäten bei Hochspannungækondensatorzündungen und den wegen der hohen Ladefrequenz relativ großen Transformatoren, kann so eine einzige Entladung des Transformators den Kondensator um 60V bis looV aufladen. Eine Aufladung des Kondensators zu stets gleicher Spannungshöhe ist damit unmöglich.The difficulties in applying this converter principle are based ensure that the charging voltage of the capacitor continues to rise until either the The capacitor, the rectifier or the converter transistors are destroyed. Man so must the voltage converter when reaching a certain capacitor voltage switch off. For capacitor charges with a very low repetition frequency (e.g. with electronic flash units) this can be done via a relay. In automotive ignition systems with up to 5 5 o cords 350 capacitor charges per second is this method but not applicable. The regulation must be done electronically on each Pall. Every electronic control circuit has that at a certain capacitor voltage blocks the voltage converter transistors, two major disadvantages: 1. great effort on switching elements, 2. it is impossible if the transistor is in its blocking phase is located, so while the energy stored in the iron core is in the capacitor pours to interrupt this capacitor charging. In any case it will still transfer all of the energy in the transformer core to the capacitor. With the small capacities in high-voltage capacitor ignitions and the ways the high charging frequency of relatively large transformers, so a single discharge can be of the transformer charge the capacitor by 60V to looV. A charge of the Capacitor with always the same voltage level is therefore impossible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Schaltung für Sperrwandler zu schaffen, die folgende Vorzüge in sich vereinigt: 1.) Der Kondensator soll bei allen vorkommenden Ladefrequenzen und Betriebsspannungen stets genau bis zur gleichen Spannungshöhe aufgeladen werden.The invention is based on the object of a circuit for flyback converters to create, which combines the following advantages: 1.) The capacitor should be all occurring charging frequencies and operating voltages always exactly up to the same Voltage level to be charged.

2.) Bei niedrigen Motordrehzahlen muß der Kondensator auch nach Beendigung des Ladevorganges sofort nachgeladen werden, falls seine Spannung um einen kleinen Betrag absinkt bevor die Kondensatorenergie für den nächsten Zündfunken abgerufen wird.2.) At low engine speeds the capacitor must also after termination of the charging process can be recharged immediately if its voltage drops by a small Amount drops before the capacitor energy is used for the next spark will.

3.) Nach erfolgter Stoßentladung des Kondensators bei einem Zündvorgang muß der Ladevorgang sofort wieder einsetzen, und zwar sowohl wenn der Zündvorgang nach beendigter Kondensatoraufladung erfolgt,als auch wenn der Zündvorgang noch während der Kondensatoraufladung stattfindet.3.) After a surge discharge of the capacitor during an ignition process the charging process must start again immediately, both when the ignition process after the capacitor has been charged occurs as well as when the Ignition process takes place while the capacitor is charging.

Alle diese Eigenschaften sollen mit einem Minimum an Bauelementen und Kostenaufwand erreicht werden.All of these properties are intended with a minimum of structural elements and costs can be achieved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß auf folgende Weise gelcst: Dem Verständnis der folgenden Ausführungen dient Abb. 1 auf dem beiliegenden Zeichenblatt.According to the invention, this object is achieved in the following way: Fig. 1 on the accompanying drawing sheet serves to understand the following explanations.

In Abb. 1 bilden die Bauelemente R1, R2, T1 , D1, K1 und der Transformator TR1 mit den Windungen W1, W2 und 3 einen nach herkömmlichem Prinzip arbeitenden Sperrwandler ohne Regeleinrichtung zur Begrenzung der Spannung am Punkt P1 des Kondensators K1. Die zum Patent anzumeldende Regelschaltung wird von den Bauelementen Thyristor Th1, der Zenerdiode Z1, dem Widerstand R3 und der Transformatorwicklung 4 gebildet. Deren Funktion nun im einzelnen: Wenn der Punkt P1 des Kondensators K1 eine bestimmte positive Spannung U erreicht, so erreicht der Punkt P2 der Transformatorwindung W3 annähernd dieselbe Spannung (die Durchfluß spannung des Gleichrichters D1 ist bei den durchschnittlichen Lade spannungen des Kondensators K1 von mehreren 100V vernaEhlässigbar klein).In Fig. 1, the components form R1, R2, T1, D1, K1 and the transformer TR1 with the windings W1, W2 and 3 a working according to the conventional principle Flyback converter without control device to limit the voltage at point P1 of the capacitor K1. The control circuit for which a patent is to be applied is made up of the thyristor components Th1, the Zener diode Z1, the resistor R3 and the transformer winding 4 are formed. Their function now in detail: If the point P1 of the capacitor K1 a certain If positive voltage U is reached, then point P2 of the transformer winding is reached W3 is approximately the same voltage (the forward voltage of the rectifier D1 at the average charging voltage of the capacitor K1 of several 100V negligibly small).

Bei ansteigender Spannung des Kondensators K1 während der Sperrphase des Transistors T1 wächst also die Spannung über der Wicklung W3 genau entsprechend mit. Nach allgemein bekannten Transformat orge setzen wächst die Spannung am Punkt P3 über der Wicklung U4 direkt proportional der Spannung über W3. Erreicht der Punkt P1 nun während irgendeiner Sperrphase des Transistors T1 die erwünschte Höchst spannung Umax, so liegt der Punkt P2 ebenfalls auf dem Spannungapotential Umax und am Punkt P3 entsteht W4 die um den Faktor des Übersetzungsverhältnisses W3 verringerte Spannung Umax . W3. Die Zenerdiode Z1 ist nun so ausgewählt, daß W4 sie genau bei dieser Spannung Umax . W3 leitend wird und über den niederohmigen Widerstand R3 den Thyristor Th1 durchsteuert.When the voltage of the capacitor K1 rises during the blocking phase of the transistor T1, the voltage across the winding W3 increases accordingly with. According to the well-known transformer orge set, the tension at the point grows P3 across winding U4 is directly proportional to the voltage across W3. Reached the point P1 now the desired maximum voltage during any blocking phase of the transistor T1 Umax, the point P2 is also at the voltage potential Umax and at the point P3, W4 produces the voltage reduced by the factor of the transmission ratio W3 Umax. W3. The Zener diode Z1 is now selected in such a way that W4 is exactly where it is Voltage Umax. W3 becomes conductive and the thyristor via the low-resistance resistor R3 Th1 goes through.

In diesem Augenblick sinkt die Spannung über der Wicklung W7 schlagartig auf den Wert der Durchflußspannung UF des Thyristors, damit ist der Gleichrichter Dt gesperrt und die Kondensatoraufladung blitzartig beendet. Die noch im Transformatorkern befindliche magnetische Restenergie, deren Wert abhängig ist vom Zeitpunkt der Thyristordurchsteuerung (wird der Thyristor am Beginn einer Sperrphase des Transistors durchgesteuert, weil der Kondensator K1 seine Sollspannung erreicht, so ist noch fast die gesamte magnetische Energie im Transformator gespeichert; tritt dieser Fall erst zum Schluß einer Sperrphase ein, so ist nur noch ein geringer Teilbetrag der Energie im Transformatorkern vorhanden) entlädt sich nun unter der geringen Durchfluß spannung UF über den Thyristor Th1. Nach den bekannten Funktionsgesetzen eines Sperrwandlers geht diese Entladung sehr langsam vor sich, da die Spannung über der Wicklung 3 nur noch den sehr geringen Wert UF hat. Wenn die gesamte magnetische Energie den Transformatorkern verlassen hat, sinkt der Entladestrom durch den Thyristor auf den Wert 0; dadurch fällt der Thyristor in den sperrenden Zustand zurück. Da über der Wicklung W4 nur noch die winzige Spannung von UF . W3 liegt, und somit die Zenerdiode Z1 gesperrt ist, wird der W3 Thyristor auch nicht mehr angesteuert. Die Folge ist, daß der Transistor T1 wieder anschwingt und -der Kollektorstrom linear bis zu dem Grenzstrom ansteigt, der durch R2 und die über W2 liegende Rückkoppelungsspannung bestimmt ist; dadurch wird der Transformator wieder mit magnetischer Energie aufgeladen. Wenn der Transistor danach in die Sperrphase zurückkippt, wächst die Spannung über der Wicklung W3 schlagartig an, da zunächst alle am Transformator liegenden Gleichrichter gesperrt sind. Da während der Zeit, die nach dem Durchsteuern des Thyristors Th1 vergangen ist, der Kondensator K1 immer einen geringen Spannungsverlust dU erfahren hat, wird wenn der Punkt P2 die Spannung Umax - dU erreicht, der Gleichrichter D1 leitend und es fließt ein Strom in den Kondensator K1. In dem Moment, in dem der Spannungsverlust dU ersetzt ist, erreicht der Punkt Pi und mit ihm auch der Punkt P2 wiederum die Spannung Umax und damit der Punkt P3 die notwendige Steuerspannung Umax W4 d.h. die Zenerdiode Z1 wird wieder W3' leitend und der Thyristor Th1 durchgesteuert. Dadurch wird der Gleichrichter D1 spontan gesperrt und fast die gesamte magnetische Energie des Transformatorkerns entlädt sich langsam über den Thyristor. Wenn diese Entladung beendet ist, wird der Thyristor wieder gesperrt und der Transistor T1 kippt in den leitenden Zustand; der periodische Ablauf beginnt von neuem.At this moment the voltage across the winding W7 drops suddenly to the value of the forward voltage UF of the thyristor, so that the rectifier is Dt blocked and capacitor charging ended in a flash. The ones still in the transformer core residual magnetic energy, the value of which depends on the point in time the Thyristor control (becomes the thyristor at the beginning of a blocking phase of the transistor controlled because the capacitor K1 has reached its target voltage, so is still almost all of the magnetic energy stored in the transformer; occurs this If a blocking phase only occurs at the end of the period, then only a small partial amount is left of the energy present in the transformer core) is now discharged below the low Flow voltage UF through the thyristor Th1. According to the well-known functional laws of a flyback converter, this discharge takes place very slowly because the voltage over the winding 3 only has the very low value UF. When the entire magnetic Energy has left the transformer core, the discharge current through the thyristor drops to the value 0; this causes the thyristor to revert to the blocking state. There only the tiny voltage of UF across winding W4. W3 lies, and thus the Zener diode Z1 is blocked, the W3 thyristor is also no longer activated. The result is that the transistor T1 starts to oscillate again and the collector current is linear up to the limit current rises through R2 and the feedback voltage over W2 is determined; this recharges the transformer with magnetic energy. If the transistor then flips back into the blocking phase, the voltage overgrows the winding W3 abruptly, as all rectifiers connected to the transformer are locked. Since during the time after the thyristor Th1 has passed, the capacitor K1 always experienced a small voltage loss dU has, when the point P2 reaches the voltage Umax - dU, the rectifier D1 conductive and a current flows into the capacitor K1. The moment the Voltage loss dU is replaced, the point Pi reaches and with it the point P2 in turn the voltage Umax and thus the point P3 the necessary control voltage Umax W4 i.e. the Zener diode Z1 becomes W3 'conductive again and the thyristor Th1 is turned on. As a result, the rectifier D1 is blocked spontaneously and almost all of the magnetic Energy from the transformer core is slowly discharged through the thyristor. If those Discharge is finished, the thyristor is blocked again and the transistor T1 switches to the conductive state; the periodic process begins anew.

Wegen der außerordentlich langen Entladezeit der gespeicherten magnetischen Energie über die Wicklung W3 und den Thyristor Thl, befindet sich der Transistor während ca. 98 der Periodendauer im gesperrten Zustand, d.h. der Leerlauf strom, der der Betriebsspannungsquelle entnommen wird, ist ungewöhnlich gering (wesentlich geringer als der Leerlaufstrom eines Durchflußspannungswandlers).Because of the extremely long discharge time of the stored magnetic Energy via the winding W3 and the thyristor Thl, the transistor is during approx. 98 of the period in the blocked state, i.e. the no-load current, which is taken from the operating voltage source is unusually small (essential less than the no-load current of a forward voltage converter).

Tritt nun der Fall ein, daß der Kondensator K1 durch einen vom Fahrzeugunterbrecher ausgelösten Zündimpuls stoßartig entladen wird, während sich gerade die gespeicherte magnetische Energie allmählich über den Thyristor Th1 entlädt, so sinkt die Spannung am Kondensator E1 schlagartig auf OV (wegen der Entladung des Kondensators K1 über die Induktivität der Kraftfahrzeugzündspule wird der Punkt P1 sogar negativ) wegen der am Punkt P2 liegenden Thyristordurchflußspannung UF wird der Gleichrichter D1 leitend, die Spannung am Thyristor bricht zusammen, der Thyristor fällt in den gesperrten Zustand und die noch im Transformatorkern verbliebene Restenergie geht sofort über den Gleichrichter D1 auf den Kondensator E1 über und verschiebt das Potential des Punktes P1 wieder zu positiven Werten. Der Thyristor Th1 bleibt jetzt ständig gesperrt, und es beginnt ein normaler Aufladevorgang des Kondensators durch den Sperrwandler. Durch die elektrischen Eigenschaften eines Sperrwandlers bedingt wird der Kondensator K1 bei allen möglicherweise im Kraftfahrzeug vorkommenden Betriebsspannungen stets genau auf seine Soll spannung Umax aufgeladen (in der Praxis läßt sich durch geeignete Dimensionierung der Transformatorwicklungen und der Widerstände R1 und R2 mühelos erreichen, daß bei einer 12V Anlage bei Betriebsspannungen von 5V bis 18V der Kondensator K1 immer genau die Spannung Umax erreicht). Diese Regelschaltung paßt sich also allen nur möglichen Betriebszuständen in idealer Weise an.If now the case occurs that the capacitor K1 by one of the vehicle interrupter triggered ignition pulse is discharged abruptly while the stored magnetic energy gradually discharges through the thyristor Th1, the voltage drops at capacitor E1 suddenly to OV (due to the discharge of capacitor K1 over the inductance of the motor vehicle ignition coil is even negative because of the point P1 the thyristor forward voltage UF at point P2 becomes the rectifier D1 conductive, the voltage on the thyristor collapses, the thyristor falls into the blocked State and the remaining energy in the transformer core is transferred immediately the rectifier D1 to the capacitor E1 and shifts the potential of the Point P1 to positive values again. The thyristor Th1 now remains permanently blocked, and normal charging of the capacitor by the flyback converter begins. The capacitor is determined by the electrical properties of a flyback converter K1 always at all operating voltages that may occur in the motor vehicle charged exactly to its nominal voltage Umax (in practice this can be achieved by means of suitable Dimensioning the transformer windings and the resistors R1 and R2 effortlessly achieve that with a 12V system at operating voltages of 5V to 18V the capacitor K1 always exactly reaches the voltage Umax). So this control circuit adapts itself all possible operating states in an ideal way.

Alle diese Eigenschaften werden mit nur drei Bauelementen, nämlich dem Thyristor Th1, der Zenerdiode Z1 und dem Widerstand R3 erzielt, wobei R3 lediglich eine Schutzfunktion für die Steuerstrecke des Thyristors Th1 erfüllt.All of these properties come with just three components, viz the thyristor Th1, the Zener diode Z1 and the resistor R3, with R3 only fulfills a protective function for the control path of the thyristor Th1.

Hinzuweisen ist noch auf die Vergleichsspannungserzeugung durch W4 und Z1. Man hätte die Vergleichsspannung zum Durchsteuern des Thyristors Thl bei Erreichen der Kondensatorsollspannung auch direkt durch einen Spannungsteiler über dem Kondensator K1 und eine Zenerdiode ableiten können; man hätte aber dabei, um den Thyristor sicher durchzusteuern, für die Spannungsteilerwiderstände und die Zenerdiode Typen für hohe Verlustleistung verwenden müssen. Die statt dessen gewählte Anordnung zur Vergleichsspannungserzeugung durch eine zusätzliche niederohmige Transformatorwicklung W4 gestattet es dagegen, für die Zenerdiode Z1 und den Widerstand R3 Ausführungen mit sehr geringer Verlustleistung zu verwenden. Dadurch wird bei gleichzeitiger Kostensenkung auch der Gesamtwirkungsgrad des Spannungswandlers nochmals verbessert.Reference should also be made to the comparison voltage generation by W4 and Z1. One would have the equivalent voltage for controlling the Thyristor Thl also directly through a voltage divider when the nominal capacitor voltage is reached can derive through the capacitor K1 and a Zener diode; but one would have to control the thyristor safely, for the voltage divider resistors and the Must use zener diode types for high power dissipation. The one chosen instead Arrangement for generating a comparison voltage through an additional low-resistance transformer winding On the other hand, W4 allows versions for the Zener diode Z1 and the resistor R3 to be used with very low power dissipation. This will result in simultaneous Cost reduction also improves the overall efficiency of the voltage converter again.

Die weitere Schaltung einer Hochapannungskondensatorzündung von dem Zündkondensator K1 über einen anderen, vom Fahrzeugunterbrecher gesteuerten Thyristor zur Zündspule ist für diese Patentanmeldung unwesentlich und erscheint deshalb nicht in Abb. 1.The further circuit of a high voltage capacitor ignition of the Ignition capacitor K1 via another thyristor controlled by the vehicle interrupter to the ignition coil is not essential for this patent application and therefore does not appear in Fig. 1.

Abb. 2 zeigt ein Oszillogramm des Kollektorstromverlaufes des Transistors T1 bei vollständig geladenem Kondensator K1, also im Leerlauf (wegen der fast rein induktiven Leistungsaufnahme des Sperrwandlers steigt der Strom bei durchgesteuertem Transistor linear an).Fig. 2 shows an oscillogram of the collector current curve of the transistor T1 with fully charged capacitor K1, i.e. idling (because of the almost pure inductive power consumption of the flyback converter, the current increases when it is switched on Transistor linearly on).

Abb. 3 zeigt ein gleichzeitig aufgenommenes Oszillogramm des Spannungsverlaufes am Punkt P2 über dem Thyristor.Fig. 3 shows an oscillogram of the voltage curve recorded at the same time at point P2 above the thyristor.

Abb. 4 zeigt ein Oszillogramm des Spannungsverlaufes des Kondensators K1 am Punkt P1 bei sehr niedriger Zündfrequenz (Motorleerlauf) mit zweimaliger zwischenzeitlicher Nachladung des Kondensators auf Umax.Fig. 4 shows an oscillogram of the voltage curve of the capacitor K1 at point P1 at a very low ignition frequency (engine idling) with two times in between Recharge the capacitor to Umax.

Claims

Patent claims:

1.) Voltage converter circuit for periodic charging of a capacitor to a precisely defined tension.

By means of a transistor and a transformer that works according to the flyback converter principle works, and with the help of an electronic control circuit becomes a capacitor periodically charged to a precisely defined high DC voltage.

The electronic control circuit is characterized in that in parallel a thyristor is connected to the high-voltage winding of the converter transformer, which is controlled by a voltage dependent on the capacitor voltage. (Fig. 1) 2.) Control circuit according to claim 1, characterized in that the control voltage for the thyristor via an additional low-resistance transformer winding and a Zener diode is obtained. (Fig. 1: 4 Z1 R3) Blank page