DE2232220A1 - Geregelte zuendschaltung - Google Patents

Description

7380/7-2/Kö/S
RCA Docket No.: 65,021
Convention Date:
July 8, 1971

RCA Corporation, New York, N.Y., V.St.A.

Geregelte Zündschaltung

Die Erfindung betrifft eine geregelte Zündschaltung für Verbrennungsmotoren mit einer Zündspule mit Primär- und Sekundärwicklung , zwei Schalterelementen mit je zwei Hauptelektroden und einer Steuerelektrode, zwei Anschlußklemmen zum Anschluß an eine Gleichstromquelle, einer die Primärwicklung der Zündspule und die Hauptelektroden der beiden Schalterelemente in Reihe zwischen die beiden Anschlußklemmen schaltenden Anordnung, einem an die Primärwicklung der Zündspule und die Hauptelektroden des ersten Schalter^ elements angekoppelten Entladekreis zum Entladen der Primärwicklung bei nichtleitendem erstön Schalterelement und einer an die Steuerelektrode des ersten Schalterelements angekoppelten Anordnung, die das erste Schalterelement im Motorarbeitstakt in den leitenden Zustand schaltet.

Bei herkömmlichen transistorbestückten Zündschaltungen ist die Kollektor-Emitterstrecke eines Schaltertransistors in Reihe mit einem Ballastwiderstand und der Primärwicklung einer Zündspule über eine Gleichstromquelle, beispielsweise eine Batterie, geschaltet. Der Schaltertransistor erhält seinen Basisstrom über einen Satz von Zündkontakten, die im Motorarbeitstakt geöffnet und geschlossen werden. Beim Schließen der Zündkontakte wird der Transistor in den leitenden Zustand geschaltet und die Primärwicklung

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der Zündspule mit Energie in Abhängigkeit von dem in der Reihenschaltung fließenden Strom, der vom Widerstand der Reihenschaltung und von der Batteriespannung abhängt, aufgeladen. Beim Öffnen der Kontakte wird der Transistor ausgeschaltet, und die in der Primär^ wicklung der Zündspule gespeicherte Energie induziert in der Sekundärwicklung eine Kochspannung, die über den Verteiler die Züml kerzen zum Funken bringt· Während des Anlassens des Motors, wo eine hohe Energie für die Zündspule besonders erwünscht ist, wird die Ausgangsspannung der Batterie durch den vom Anlasser und ande ren Zubehörteilen entnommenen Strom stark erniedrigt. Zusätzlich kann die verfügbare Spannung während des Anlassens durch den Zustand der Batterie und/oder dis Umgebungstemperatur herabgesetzt werden. Um die Verringerung der Batteriespannung zu kompensieren, wird der Ballastwiderstand im allgemeinen während des Anlassens kurzgeschlossen, so daß der Strom in der Primärwicklung den maximalen Wert hat. Während des normalen Motorlaufs (und namentlich beim Abdrosseln des Motors, wobei die Kontakte geschlossen bleiben), wo die Batteriespannung erheblich größer als beim Anlassen ist, d_th. ungefähr 12 Volt beträgt, wird der Ballastwiderstand benötigt, um den Strom in der Reihenschaltung zu begrenzen. Obwohl derartige Anordnungen grundsätzlich brauchbar sind, haben sie den Nachteil, daß der Ballastwiderstand im Normalbetrieb erhebliche Leistung verbraucht und infolgedessen hochbelastbar sein muß und entsprechend teuer ist, daß der Stromkreiswiderstand nur zwischen zwei Werten schaltbar ist und folglich nicht über den ge samten Bereich der vorkommenden Batteriespannungen kompensieren kann, daß die guten Anlaßeigenschaften auf Kosten eines weniger guten Leistungsvermögens bei hohen Motordrehzahlen erzielt werden und daß der Schaltertransistor mit unnötig hohen Strömen beaufschlagt wird, wenn der Anlasser sich festläuft oder wenn zum Anlassen bei kaltem Motor eine höhere als die normale Anlaßbatteriespannung verwendet wird.

Man hat schon frühzeitig nach Wegen gesucht, um die Verwendung des Ballastwiderstands in der Zündschaltung zu vermeiden. Eine derartige Schaltung ist durch die USA-Patentschrift 3 340 86l der gleichen Anmelderin bekannt, wobei ein in Reihe mit der

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Primärwicklung der Zündspule liegender Schaltertransistor anfänglich in den Sättigungszustand gesteuert wird, um den Stromfluß im Transistor einzuleiten, während danach der Strom ohne Rücksicht auf die Batteriespannung und unabhängig vom Zeitpunkt des Schließens der Zündkontakte begrenzt wird und der Transistor leitet. Die Schaltung arbeitet zwar zufriedenstellend, hat jedoch den Nachteil, daß sie einen teuren hochwattigen Leistungstransistor benötigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geregelte Zündschaltung zu schaffen, welche die Nachteile des Standes der T e chni k ve rme i det.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Zündschaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine an die Steuerelektrode des zweiten Schalterelements angekoppelte Anordnung, die das zweite Schalterelement in den leitenden Zustand schaltet, wenn die in der Primärwicklung der Zündspule gespeicherte Energie unter einen vorbestimmten Wert abfällt; und durch eine Anordnung, die, wenn sich das erste Schalterelement im leitenden und das zweite Schalterelement im nichtleitenden Zustand befindet, die Stromentladung der Primärwicklung der Zündspiie begrenzt, derart, daß die in der Primärwicklung gespeicherte Energie in der Sekundärwicklung der Zündspule keine für die Erzeugung eines Zünd funkens ausreichende Spannung induzieren kann.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur la das Schaltschema einer transistorisierten Zündschaltung ohne Ballastwiderstand gemäß dem Stand der Technik;

Figur Ib ein Diagramm, das die Strom- und Spannungszustände in der Zündschaltung nach Figur la wiedergibt;

"Figur 2a das Schaltschema einer erfindungsgemäßen transistorisierten Zündschaltung ohne Ballastwiderstand; und

Figur 2b und 2c Diagramme, welche die Strom- und Spannungszustände in der Zündschaltung nach Figur 2a wiedergeben.

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In Figur la sind in Reihe zwischen den positiven Pol 10 und den negativen Pol 12 einer Gleichstromquelle (nicht gezeigt) die Primärwicklung 19 einer Zündspule 20, die Kollektor-Emitterstrecke eines npn-Transistors 25 und ein kleiner Emitterwiderstand 30 geschaltet. Die Sekundärwicklung 21 der Zündspule 20 ist mit ihrem einen Ende an den Pol 10 und mit ihrem anderen Ende an den Verteiler angeschlossen. Der Pol 10 ist ferner über einen Satz von Zündkontakten 35 und einen Widerstand 40 mit der Basis des Transistors 2 5 verbunden. Zwischen der Basis des Transistors 25 und dem Pol 12 liegt die Reihenschaltung zweier Dioden 45, die so gepolt sind, daß sie in bezug auf den Pol 12 den Strom in der gleichen Richtung leiten wie die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 25.

Im Betrieb erhält, wenn die Kontakte 35 offen sind, der Tran sistor 25 keinen Basisstrom, so daß er nichtleitend ist. Beim Schließen der Kontakte schaltet der Transistor 25 anfänglich in den Sättigungszustand, d.h. die Spannung an der Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 25 ist kleinerals 1 Volt), und in der Reihenschaltung mit der- Primärwicklung 19, dem Transistor 25 und dem Widerstand 30 beginnt ein Strom zu fließen, wie in Figur Ib gezeigt. Der Maximal st rom des Transistors 25 wird durch die Spannung zwischen Basis und Emitter begrenzt, die wiederum durch den Spannungsabfall an den Dioden 45 minus dem Spannungsabfall am Widerstand 30 bestimmt ist. In dem Maße, wie der Strom in der Reihenschaltung ansteigt, erhöht sich auch der Spannungsabfall am Widerstand 30, so daß der Strom im Transistor 25 und folglich der Strom in der Primärwicklung 19 der Zündspule 20 begrenzt wird. Wenn dies geschieht (d.h. zum Zeitpunkt t^ in Figur Ib), verläßt der Transistor 25 den Sättigungszustand und arbeitet im aktiven Bereich, so daß der Spannungsabfall an seiner Kollektor-Emitterstrecke beträchtlich (di\ in der Größenordnung von 8 Volt) ansteigt. Eine typische Schaltung nach Figur la arbeitet, bei Verwendung in einem Kraftfahrzeug, mit einem Primärwicklungsstrom von ungefähr ό Ampere bei einer Batterienormalspannung von 14 Volt, Da der Emitterwiderstand 30 gegenüber dem Innenwiderstand der Primärwicklung 19 vernachlässigbar klein ist, führt der Tran-

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sistor 25 einen Strom von ungefähr 6 Ampere bei einer Kollektor-Emitterspannung von ungefähr 8 Volt. Bei einer durchschnittlichen Verweilrate von 66 % (d.h. Verweilrate gleidi dem Prozentsatz des Intervalls zwischen Zündfunken bei geschlossenen Kontakten) muß der Transistor 25 im Mittel 32 Watt verarbeiten. Beim Abdrosseln des Motors (d.h. einer Verweilrate von 100 %) kann der Leistungsverbrauch in der Größenordnung von 50 Watt betragen, wenn der Motor bei geschlossenen Kontakten gedrosselt wird.

In Figur 2a liegen in Reihe zwischen dem positiven Pol 110 und dem negativen Pol 112 einer Gleichstromquelle 111, beispielsweise einer Kraftfahrzeugbatterie, die Emitter-Kollektorstrecke eines pnp-Transistors 115, die Primärwicklung 119 einer Zündspule 120, die Kollektor-Emitterstrecke eines npn-Transistors 125 und ein kleiner Emitterwiderstand 130. Die Sekundärwicklung 121 der Zündspule 120 ist mit ihrem einen Ende an den Kollektor des Transistors 115 und mit ihrem anderen Ende an den Verteiler angeschlojs sen. Ein Satz von Zündkontakten 135, die sich im Arbeitstakt des Motors öffnen und schließen, ist in Reihe mit einem Widerstand 140 zwischen die Basis des Transistors 125 und den Pol 110 der Gleichstromquelle 111 geschaltet. Der negative Pol 112 der Gleich stromquelle 111 liegt wie üblich an Masse. In Reihe mit der Primärwicklung II9» der Kollektor-Emitterstrecke des Transistors und dem Widerstand 130 liegt eine erste Diode 150 in solcher Polung, daß die Reihenschaltung mit der Diode 150, der Primärwicklung 119, dem Transistor 125 und dem Widerstand 130 einen Stromkreis bildet. Zwischen Emitter und Kollektor des Transistors 115 liegt eine zweite Diode 152 in solcher Polung, daß sie in entgegengesetzter Richtung wie der Stromweg des Transistors leitet. Die beiden Dioden I50 und 152 bilden Stromwege mit entgegengesetzter Polarität relativ zur Primärwicklung II9 der Zündspule 120. Zwischen den Kollektor des Transistors 125 und' den Pol 112 ist ein Abstimmkondensator 155 geschaltet. Der Kondensator 155 bildet zusammen mit der Primärwicklung II9 einen Schwingkreis, der bei geöffneten Zündkontakten 135 die Spannung am Transistor 125 begrenzt. Der Abstimmkondensator 155 kann auch an anderer Stelle, beispielsweise direkt parallel zur Primärwicklung II9 liegen.

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Zwischen die Basis des Transistors 115 und den Emitter des Transistors 125 ist ein Schwellwertdetektor 16O geschaltet. Der Schwellwertdetektor 160 beliefert, wenn die Spannung am Widerstand 130 unter einen vorbestimmten ersten Wert gegenüber Massepotential abfällt, den Transistor 115 niit Basisstrom und kann in beliebiger bekannter Weise, beispielsweise als Schmitt-Triggerschaltung mit nachgeschalteter Verstärkerstufe, die das Ausgangssignal der Schmitt-Triggerschaltung vor der Weiterleitung an die Basis des Transistors 115 verstärkt, ausgebildet sein. Wenn die Spannung am Widerstand 130 über einen zweiten vorbestimmten Wert gegenüber Masse ansteigt, liefert dei* Schwellwertdetektor 160 keinen Basisstrom an den Transistor 115·

Im Betrieb der Schaltung nach Figur -2a erhält der Transistor 125 bei geschlossenen Zündkontakten 135 einen Basisstrom. Da anfänglich kein Strom in der Schaltung fließt, ist die Spannung am Widerstand 130 null, und der Transistor 115 erhält über den Schwellwertdetektor 160 ebenfalls einen Basisstrom. Beide Transistoren schalten daher in den Sättigungszustand, und durch die Reihenschaltung mit der Gleichstromquelle 111, dem Transistor 115, der Primärwicklung 119, dem Transistor 125 und dem Widerstand 130 beginnt ein Strom in Abhängigkeit von der Zeitkonstante der Schaltung zu fließen. Die Zeitkonstante der Reihenschaltung ist hauptsächlich durch die Impedanz der Primärwicklung 119 bestimmt, da der kombinierte Widerstand des Transistors 115» des Transistors 125 und des Widerstands 130 vernachlässigbar gegenüber dem Innenwiderstand der Primärwicklung 119 ist.

In dem Maße, wie der Strom in der Spule sich aufbaut, steigt die Spannung am Widerstand 130 an, und wenn sie einen vorbestimmten Wert erreicht, spricht der Schwellwertdetektor I60 an, indem er die Belieferung des Transistors II5 mit Basisstrom abbricht, so daß der Transistor gesperrt wird. Bei gesperrtem Transistor und leitendem Transistor 125 (d.h. bei noch geschlossenen Zündkontakten 135) unterhält die in der Primärwicklung 119 gespeicherte Energie den Stromfluß in der Reihenschaltung mit der Primärwicklung 119, lern Transistor 125, dem Widerstand 130 und der Diode 150.

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In dem Maße, wie die in der Zündspule gespeicherte Energie infolge der SchaltungsVerluste verbraucht wird, nimmt der Strom und entsprechend die Spannung am Widerstand 130 ab. Bei ausreichend abgesunkenem Strom nimmt der SchweBwertdetektor l60 den Spannungsabfall am Widerstand 130 wahr und beliefert den Transistor 115 mit Basisstrom, so daß dieser Transistor leitend wird und die Zündspule wieder auf ihren Sollenergiewert auflädt. Der Transistor 115 reguliert also die in der Primärwicklung 119 der Zündspule 120 gespeicherte Energie innerhalb gewünschter Grenzen, wenn die Zündkontakte 135 geschlossen sind. Die Diode 150, die den Stromkreis mit der Primärwicklung 119, dem Transistor 125 und dem Widerstand 130 schließt, bietet dem zirkulierenden Strom einen verhältnismäßig hohen Widerstand, so daß die Stromentladung der Primärwicklung bei leitendem Transistor 125 und gesperrtem Transistor 115 begrenzt wird. Bei nichtleitendem Transistor 115 ist die Zündspule 120 effektiv von der Gleichstromquelle 111 abgeschaltet.

Wenn die Zündkontakte 135 sich öffnen, wird der Basisstrom vom Transistor 125 weggenommen, so daß dieser gesperrt wird, worauf hin die in der Primärwicklung 119 gespeicherte Energie in der Sekundärwicklung 121 eine Hochspannung induziert, die ihrerseits die Zündkerzen über den Verteiler mit dem erforderlichen Zündfunken speist. Während also der Transistor 115 als Regeltransistor arbeitet, arbeitet der Transistor 125 als Zündsteuertransistor.

Figur 2b und 2c sind Diagramme, welche die Strom- und Spannungszustände des Regeltransistors 115 bzw. des Zündsteuertransistors 12 5 wiedergeben.

In Figur 2b sieht man, daß, wenn die Zündkontakbe sich schliessen (d.h. zum Zeitpunkt t ), der Strom im Transistor 115 in Abhängigkeit von der Zeitkonstante der Schaltung auf einen Wert von ungefähr 6 Ampere ansteigt. Während dieser Zeit befindet sich der Transistor im Sättigungszustand und ist der Spannungsabfall an seiner Emitter-Kollektorstrecke sehr klein (d.h. in der Größenordnung von 0,6 Volt. Wenn der Strom einen Wert von 6 Ampere erreicht, bewirkt die Spannung am Widerstand 130, daß der Schwellwertdetektor 160 die Belieferung des Transistors 115 mit Basis-

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strom unterbricht, so daß dieser Transistor gesperrt wird. Wenn der Transistor ί ί 5 gespex'rt wird, steigt eeine Emitter-Kollektorspannung auf einen Were an, de:·* gleich ist der Batteriespannung plus der Durchlaävorsparxuung der Diode 150 (d.h. ungefähr 14,7 Volt), und dei> Strom in ihm sinkt auf null ab. Wenn der in der Reihenschaltung mit der Primärwicklung 119, dem Transistor 12 5, dem Widerstand 130 und ά&ν Diode 150 zirkulierende Strom auf ungefähr 5 Ampere abge—Malier? ist<·, wird der Transistor 115 wieder in den Sättigungszustand geschaltet, so daß seine Emitter-Kollektorspannung erneut ungefähr 0,6 Volt wird. Dieser Vorgang wiederholt sich bis zu dem Zeitpunkt,, vfo die Zündkontakte sich öffnen . (d.h. zum Zeitpunkt t ). Die vom Regeltransistor 115 maximal verbrauchte Leistung beträgt ungefähr 3_f6 Watt (d.h. 6 Ampere χ 0,6 Volt). Der tatsächliche mittlere Leistungsverbrauch ist jedoch wegen der Verweilrate, und weil der mittlere Strom und die mittlere Spannung tatsächlich kleiner eind als die Spitzenwerte, erheblich geringer.

In Figur 2c sieht man* laß, wenn die Zündkontakte sich schließen (Zaitiaük!:. '.: /- dr'-r- Zivam im Transistor 125 ebenfalls auf ungefähr ό Ampere ansteigt- „ WeiHi jedoch der Transistor 115 gesperrt wird, bleibt der Transistor 125 in? Sättigungszustand, obwohl der Strom in ihm a^f 5 Anpere abzufallen beginnt. Während dieser Zeit; ändern- sich die Spannung an. seiner Kollektor-Emitterstrecke von 0,6 in 0,5 ^volt. Wenn der Strom im Widerstand 130 auf ungefähr 5 Ampere abfällt, bewirkt der Schwellwertdetektor 160, daß der Transistor Ii5 leitend wird,und-der Strom im Transistor 125 steigt wieder gegen 6 Ampere an. Da der Strom im Transistor 125 eier gleiche ist Vf:».e aer Sti-oss in der Priisärwicklung der Zündspule j, wird (nach eineai anfänglichen Aufladeintervall) der Strom in der Zündspule (und folglich die in ihr gespeicherte Energie) zwischen S und 5 Asigerti i-tg^U.wö* Fsr&er beträgt der maximale Leistungsverbrauch des Zündsteuertransistors 125 ebenfalls ungefähr 3,6 Watt.

Bie ■»-erstehend beechri ebene geregelte Zündschaltung für einen Verbrennungsmotor liefert. zJ.s^ die erforderliche Zündfunkenspannung bei sov:ohl niedrifen e.la such hohen Batteriespannungen, ohne

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daß wie bei den bekannten Zündschaltungen Schaltungselemente mit hohem Leistungsverbrauch benötigt werden,

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Claims (5)

- ι; Patentansprüche

1.JGeregelte Zündschaltung für Verbrennungsmotoren mit einer Zündspule mit Primär- und Sekundärwicklung, zwei Schalterelementen mit je zwei Hauptelektroden und einer Steuerelektrode, zwei Anschlußklemmen zum Anschließen an eine Gleichstromquelle, einer die Primärwicklung der Zündspule und die Hauptelektroden der beiden Schalterelemente in Reihe zwischen die beiden Anschlußklemmen schaltenden Anordnung, einem an die Primärwicklung der Zündspule und die Hauptelektroden des ersten Schalterelements angekoppelten Entladekreis zum Entladen der Primärwicklung bei nichtleitendem ersten Schalterelement und einer an die Steuerelektrode des ersten Schalterelements angekoppelten Anordnung, die das erste Schalterelement im Motorarbeitstakt in den leitenden Zustand schaltet, gekennzeichnet durch eine an die Steuerelektrode des zweiten Schalterelements (115) angekoppelte Anordnung (l60), die das zweite Schalterelement (115) in den leitenden Zustand schaltet, wenn die in der Primärwicklung (119) der Zündspule (120) gespeicherte Energie unter einen vorbestimmten Wert abfällt; und durch eine Anordnung, die, wenn sich das erste Schal^ terelement (125) im leitenden und das zweite Schalterelement (115) im nichtleitenden Zustand befindet, die- Stromentladung der Primärwicklung (119) der Zündspule (120) begrenzt, derart, daß die in der Primärwicklung (119) gespeicherte Energie in der Sekundärwick lung (121) der Zündspule (120) keine für die Erzeugung,eines Zünd funkens ausreichende Spannung induzieren kann.

2. Zündschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das zweite Schalterelement (115) schaltende Anordnung (l60) einen zwischen die Steuerelektrode des zweiten Schalterelements (115) und einen Punkt in der Reihenschaltung der Primärwicklung (119) der Zündspule (120) und der Hauptelektroden der beiden Schaltereleeente (115> 125) gekoppelten Schwellwertdetektor enthält, der das zweite Schalterelement (115) leitend macht, wenn die der in der Primärwicklung (119) der Zündspule (120) gespeicherten Energie entsprechende Spannung an dem genannten Punkt der Reihenschaltung unter einen ersten vorbestimm-

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ten Wert abfällt, und nichtleitend macht, wenn diese Spannung über einen zweiten vorbestimmten Viert ansteigt.

3. Zündschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung, die verhindert, daß die Primärwicklung (119) der Zündspule (120) in der Sekundärwicklung (121) eine für die Erzeugung eines Zündfunkens ausreichen de Spannung induziert, wenn das erste Schalterelemesrb (125) leitend und das zweite Schalterelement (i15) nichtleitend ist, eine zwischen die eine Hauptelektrode des ersten Schelterelements (1,25) und das eine Ende der mit ihrem anderen Ende an die andere Hauptelektrode des ersten Schalterelements (125) angeschlossenen Pi*±- märwicklung (119) geschaltete Diode (ISO) enthält, die so gepclb ist, daß sie Strom durch die Primärwicklung (119) in der Richtung des in der Reihenschaltung des erster» SuhslSbsEOlemesrcs (125), der Diode (150) und der Primärwicklung (119) fließenden Primärwicklungs-Ladestromes leitet.

4. Zündschaltung nach Anspruch I, 2 oder 3_S gekennzeichnet durch eine^i a« die Primärwicklung (119) angeschalteten Kondensator (155) $ <ier die bei iia nichtleitenden Zustand befindlichem ersten Schaltereleaient (125) an dessen Haupi* elektroden erzeugte Spannung begrenzt»

5. Zündschaltung nach einem der "/©^'hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schalterelemente (125, 115) Bipolartransistoren mit Emitter und Kollektor als Hauptelektroden und Basis als Steuerelektrode sind.

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