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Elektronische Zündvorrichtung für Verbrennungsmotoren Die Erfindung
betrifft eine elektronische Ziindvorrichtung für Verbrennungsmotoren mit einem Gleichspannungsumformer
(Gleich-/Gleichwandler), der einen Aufwärtstransformator für eine Oszillatorspannung
zur Erhöhung der Batteriespannung enthält und von dessen Ausgang aus ein Entladungskondensator
aufladbar ist, dessen gespeicherte elektrische Energie über die Primärwicklung einer
Zündspule mittels eines gesteuerten Siliciumgleichrichters zur Entladung gebracht
werden kann, welcher über eine Zündschaltung von einem Unterbrecher taktgemäß gezündet
werden kann.
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Sogenannte Kondensator-Zündvorrichtungen oder -zündsysteme sind im
Grundsatz derart aufgebaut, daß die hochtransformierte Spannung einer Batterie einen
in Reihe zu der Pri-.
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mänicklung einer Zündspule liegenden Kondensator auflädt, wobei die
in dem Kondensator gespeicherte elektrische Energie sodann synchron mit der Zündung
des Verbrennungsmotors über die Primärwicklung der Zündspule entladen lassen wird,
wobei sie ein Gasgemisch zündet. Eine bekannte Kondensator-Zündvorrichtung ist beispielsweise
gemäß Fig.1 der Zeichnung aufgebaut: Ein Gleichspannungsumformer
(Gleich-/Gleichwandler)
zum Hochtransformieren der Spannung einer Batterie 1 auf eine hohe Gleichspannung
enthält eine Widerstandsschaltung mit Widerständen 3, 4, die über einen Zündunterbrecher
in Reihe zu der Batterie 1 liegen. Außerdem umfaßt sie zwei Oszillatortransistoren
5, 6, einen Aufwärtstransformator 7 für die Oszillatorspannung, eine Primärwicklung
8, eine Rückkopplungswicklung 9 und eine Sekundärwicklung 10, welche gemeinsam den
Aufwärtstransformator 7 bilden, sowie eine Gleichrichterschaltung, die aus Dioden
11, 12, 13, 14 besteht.
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Die positive Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung wird an ein
Ende eines Widerstands 15, die Anode eines gesteuerten Siliciumgleichrichters 16
und ein Ende eines Entladungskondensators 18 anqelegt. Der Entladungskondensator
18 liegt in Reihe zu der Primärwicklung 20 einer Zündspule 19, deren Sekundärwicklung
21 an eine Zündkerze 22 angeschlossen ist. Der gesteuerte Siliciumgleichrichter
16 liegt parallel zu der Primärwicklung 20.
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Die positive Ausgangsspannung der Batterie 1 liegt über einen Zündschalter
2 und einen Widerstand 23 an einem durch einen Nocken 24 betätigten Unterbrecher
25. Ein sich aus der intermittierenden Betätigung des Unterbrechers 25 ergebendes
Rechteckwellensignal wird durch eine aus einem Kondensator 26 und einem Widerstand
27 bestehende Differentiationsschaltung differenziert. Lediglich positive differenzierte
Impulse werden über eine Diode 28 an die Steuerelektrode 17 des gesteuerten Siliciumgleichrichters
16 gelegt.
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Bei geschlossenem Zündschalter 2 wird beispielsweise der Transistor
5 durchlässig gemacht, während der Transistor 6 im gesperrten Zustand gehalten wird.
Wenn der durch den Transistor 5 fließende Strom einen vorbestimmten Sättigunqswert
erreicht, wird die in der Rückkopplungswicklunq 9 induzierte
Spannung
Null, womit der Transistor 5 sperrt und der Transistor 6 leitfähig wird. Wird umgekehrt
der Transisitor 6 gesättigt, so wird der Transistor 5 leitfähig.
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Die erwähnte Oszillatorschaltung beginnt somit eine Schwingung mit
einer Frequenz von beispielsweise 8 bis 15 KHz.. Eine an der Primärwicklung 8 liegende
Wechselspannung wird in der Sekundärwicklung des Aufwärtstransformators 7 in eine
Wechselspannung von etwa 200 bis 300 Volt hochtransformiert. Diese Wechselspannung
wird von der aus den Dioden 11 bis 14 bestehenden Gleichrichterschaltung gleichgerichtet;
eine der sich ergebenden resultierenden Gleichspannung entsprechende Ladung wird
in dem Kondensator 18 gespeichert. Auf der anderen Seite wird die Steuerelektrode
17 des gesteuerten Siliciumgleichrichters 16 mit positiven Impulsen beaufschlagt,
die erzeugt werden, wenn der Unterbrecher 25 beim Anlassen des Verbrennungsmotors
jeweils ausgeschaltet wird. Dies hat zur Folge, daß der gesteuerte Siliciumgleichrichter
16 leitfähig wird, womit die in dem Entladungskondensator 18 gespeicherte elektrische
Energie schnell über die Primärwicklung 20 der Zündspule 19 entladen wird. Da die
Windungszahl der Primärwicklung 20 und die Windungszahl der Sekundärwicklung 21
der Zündspule 19 normalerweise in dem Verhältnis von 1:100 bis 1:150 stehen, wird
an den Elektrodenluftspalt der Zündkerze 22 eine Hochspannung von 25.000 bis 45.000
Volt angelegt, welche zu einer Funkenentladung über den Elektrodenluftspalt und
damit zur Zündung eines Gasaemisches Anlaß gibt.
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Bei einer hekannten Kondensator-Zündvorrichtung dieser Art speichert
der Entladungskondensator 18 eine der vollen gleichgerichteten Ausgangsspannung
des Gleich-/Gleichwandlers entsprechende elektrische Ladung, wenn der Verbrennungsmotor
mit verhältnismäßig kleiner Drehzahl betrieben wird, weil ein Ladungs-/Entladungszyklus
eine verhältnismäßig
lange Zeit beansprucht. Läuft aber der Verbrennungsmotor
mit zunehmender Drehzahl, so wird ein Ladungs-/Entladungszyklus jeweils in einer
kürzeren Zeitspanne durchlaufen, was zur Folge hat, daß der Entladungskondensator
18 nicht mehr voll aufgeladen wird. Der gesteuerte Siliciumgleichrichter 16 wird
nämlich bei noch nicht vollständig aufgeladenem Entladungskondensator 18 in unerwünschter
Weise mit Steuerimpulsen beaufschlagt, was bedingt, daß eine verhältnismäßig kleine
elektrische Energie zur Entladung kommt. Die Entladung einer sehr kleinen elektrischen
Energie kann aber nicht mehr den vollen Strom für die Zündspule 19 liefern, so daß
auch eine entsprechend kleine Zündenergie der Zündspule 22 zugeführt wird, was zur
Folge hat, daß die Gasmischung nur unvollkommen gezündet wird.
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Um diesen Schwierigkeiten abzuhelfen, ist es notwendig, den Entladungskondensator
18 bei Betrieb des Verbrennungsmotors mit hoher Drehzahl sehr schnell mit elektrischer
Energie aufzuladen und somit eine hohe Ausgangsspannung von dem Gleich-/Gleichwandler
abzunehmen. Wenn aber von dem Gleich-/Gleichwandler eine hohe Ausgangsspannung erzeugt
wird, liegt auch zwischen der Anode und der Kathode des gesteuerten Siliciumgleichrichters
16 eine hohe Spannung.
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Dies hat zur Folge, daß der gesteuerte Siliciumgleichrichter 16 bei
Beaufschlagung mit einer Spannung, die nahe seinem Endwert liegt, unter sehr unstabilen
Bedingungen wirksam wird, wenn er eigentlich nicht leitend werden soll. So wird
z. B. oft die Entladung in Gang gesetzt, wenn auch keine Steuerimpulse zugeführt
werden. Da die Ausgangsspannung einer Wechselstromlichtmaschine mit der Drehzahl
des Verbrennungsmotors sich ändert, beeinflußt die resultierende Änderung der Spannung
an der Klemme der Batterie 1 die über die Ausgangs spannung der Lichtmaschine geladen
wird, die Ausgangsspannung des Gleich-/Gleichwandlers. Jede schon kleine Spannungsänderung
kann damit den gesteuerten Siliciumgleichrichter 16 unnötigerweise leitfähig
machen.
Diese überstände treten unabhängig von der Wirkung der dem gesteuerten Siliciumgleichrichter
16 zugeführten Steuerimpulse auf, wodurch sich ein unregelmässiger Lauf des Verbrennungsmotors
ergibt. An sich wäre es nun möglich, einen gesteuerten Siliciumgleichrichter zu
verwenden, der eine zunehmend große Spitzensperrspannung in Durchlaßrichtung aufweist.
Ein solcher gesteuerter Siliciumgleichrichter ist aber im Hinblick auf den Kostenaufwand,
die Herstellung und die Qualität unerwünscht, weil er teuer und platzbeanspruchend
ist und weil ihm eine hohe Eingangs spannung zur Steuerung seiner Steuerelektrode
zugeführt werden muß, während die Steuer-Ansprechgeschwindiqkeit nieder wird.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine in hohem Maße
betriebssichere, kompakte und billige Zündvorrichtunq für Verbrennungsmotoren zu
schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs genannten elektronische
Zündvorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß der Gleich-/Gleichwandler mit dem Entladungskondensator
über eine Transformator-Schaltung gekoppelt ist und zwischen der Steuerelektrode
und der Kathode des gesteuerten Siliciumgleichrichters eine umgekehrte Vorspannung
liegt.
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Die neue Zündvorrichtung kann über den gesamten unteren und hohen
Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors eine starke Zündenergie liefern. Die Zündvorrichtung
enthält einen Vorspannungsgenerator, der zwischen die Steuerelektrode und die Kathode
des gesteuerten Siliciumgleichrichters eine Vorspannung entgegengesetzer Polarität
legt, um die Entladung der in dem Entladungskondensator gespeicherten elektrischen
Energie zu steuern, wobei auf diese Weise die Spitzensperrspannung in der Durchlaßrichtung
des gesteuerten Siliciumgleichrichters erhöht und die elektrischen Eigenschaften
des Siliciumgleichrichters verbessert
werden, beispielsweise seine
charakteristischen Eigenschaften hezüglich der Geschwindigkeit dv/dt, bei der die
kritische Aus-Spannung erhöht wird. Es ist zweckmäßigerweise eine zusätzliche Ladeschaltung
vorgesehen, die eine den Gleich-/Gleichwandler mit dem Entladungskondensator koppelnde
Kopplungsschaltung synchron mit der Zündung des Verbrennungsmotors betätigt und
dadurch den EIN-AUS-Betrieb des gesteuerten Siliciumgleichrichters durch entsprechende
Steuerung der Ausgangsspannung des Gleich-/Gleichwandlers steuert, wodurch die Belastung
des Gleich-/Gleichwandlers und der Batterie herabgesetzt werden und die Ladezeit
des Entladungskondensators dadurch verkürzt wird, daß der Entladungskondensator
mit der Ausgangsspannung des Gleich-/Gleichwandlers und der dieser zugemischten
in der Sekundärwicklung eines Transformators induzierten elektromotorischen Kraft
beaufschlagt wird, wodurch eine etwa fehlende Ladung bei hohen Drehzahlen des Verbrennungsmotors
ergänzt wird.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsheispiel des Gegenstandes der
Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 Ein Schaltbild einer bekannten elektronischen
Kondensator-Zündvorrichtung für Verbrennungsmoten, Fig. 2 eine Schaltung einer elektronischen
Zündvorrichtung gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform, Fig. 3 ein
Schaltbild einer elektronsichen Zündvorrichtung gemäß der Erfindung,in einer gegenüber
der Schaltung nach Fig. 2 abgewandelten Ausführungsform und Fig. 4 ein Schaltbild
einer elektronischen Zündvorrichtung gemäß der Erfindung, in einer weiteren Ausführungsform.
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In den Figuren 2 bis 4 sind mit Fig. 1 identische Teile mit gleichen
Bezugszeichen benannt, wobei eine nochmalige Beschreibung dieser Teile sich erübrigt.
In Fig. 2 ist ein Oszillatorspannung-Aufwärtstransformator 7 vorgesehen, der eine
Vorspannungswicklung 45 trägt. Diese Vorspannungswicklung 45 bildet zusammen mit
einem Kondensator 42, einem Widerstand 43 und einer Diode 44 einen Gleichvorspannungsgenerator,
der derart geschaltet ist, daß der Kondensator 42, der Widerstand 43 und die Diode
44 zwischen den Klemmen der Vorspannungswicklung 45 liegen. Die positive Ausgangsklemme
des Gleichvorspannungsqenerators ist an die Kathode des gesteuerten Siliciumgleichrichters
16 angeschlossen, während die negative Ausgangsklemme über einen Widerstand 46 mit
der Steuerelektrode 17 des gesteuerten Siliciumgleichrichters 16 verbunden ist.
Der gesteuerte Siliciumgleichrichter 16 ist somit zwischen seiner Steuerelektrode
und seiner Kathode mit einer umgedrehten Vorspannung beaufschlagt.
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Diese Gleichvorspannung erhöht die Spitzen sperrspannung in Durchlaßrichtung
des gesteuerten Siliciumgleichrichters 16 und bildet eine Grenze für den kritischen
Ausschalt-Spannungsaufbau dv/dt, womit der Gleich-/Gleichwandler eine größere gleichgerichtete
Spannung erzeugen und die noch zu beschreibende Spannungsmischung wirkunqsvoll durchgeführt
werden können. Durch das Anlegen der erwähnten umgedrehten Vorspannung zwischen
der Steuerelektrode und der Kathode des gesteuerten Siliciumgleichrichters 16 wird
ein unerwünschtes zeitweiliges Einschalten des gesteuerten Siliciumgleichrichters
16 verhütet, das durch Änderungen der Anodenspannung des gesteuerten Siliciumgleichrichters
16 bei laufendem Motor hervorgerufen werden kann; außerdem wird dadurch die Zeitspanne
verkürzt, die notwendig ist, um einen minimalen Haltestrom einzuregeln, wenn der
gesteuerte Siliciumgleichrichter 16 seinen Zustand EIN in AUS ändert.
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Aus Fig. 2 ist zu ersehen, daß die positive Ausgangsklemme der Gleichrichtungsschaltung
mit den Dioden 11 bis 14 an ein Ende einer Primärwicklung 32 eines Transformators
31 angeschlossen ist.
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Die andere Klemme der Primärwicklung 32 ist mit einem Ende einer Sekundärwicklung
33, eines Widerstandes 34 sowie mit der Anode einer Diode 37 verbunden. Die anderen
Enden der Sekundärwicklung 33 und des Widerstandes 34 sind gemeinsam an die Anode
einer Diode 36 angeschlossen. Die Kathoden der Dioden 36, 37 sind gemeinsam mit
einem Ende des Entladungskondensators 18 verbunden. Zwischen der positiven und der
negativen Ausgangsklemme der erwähnten Dioden-Gleichrichterschaltung liegt ein Kondensator
35. Zwischen die negative Ausgangsklemme der Gleichrichtungsschaltung und die Anode
der Diode 36 ist eine Diode 38 mit einer der Gleichspannungsquelle entgegengesetzten
Polarität geschaltet. Ein Kondensator 39 liegt parallel zu dem Widerstand 15, während
eine aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes 40 und eines Kondensators 41 bestehende
Schaltung parallel zu dem gesteuerten Siliciumgleichrichter 16 liegt.
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Wenn während des Betriebes die Steuerelektrode 17 des gesteuerten
Siliciumgleichrichters 16 mit Steuerimpulsen beaufschlagt wird, wird die in dem
Entladungskondensator 18 gespeicherte elektrische Energie über den gesteuerten Siliciumgleichrichter
16 entladen, während von dem Gleich-/ Gleichwandler Ausgangsstrom durch die Primärwicklung
32 und die Diode 37 fließt. Die Induktivität der Primärwicklung 32 wirkt aber dem
von dem Gleich-/Gleichwandler fliessenden Strom entgegen, wodurch eine Überlastung
dieses Wandlers verhütet wird. Wenn die Induktivität der Primärwicklunq 32 im Augenblick
der Entladung so bemessen ist,
daß der durch den gesteuerten Siliciumgleichrichter
16 fließende Strom auf einen unter dem minimalen Haltestrom liegenden Wert verringert
wird, kann der gesteuerte Siliciumgleichrichter 16 leicht von seinem EIN- in den
AUS-Zustand oder umgekehrt umgeschaltet werden. Nach dem Abschalten des gesteuerten
Siliciumgleichrichters 16 wird wegen der Selbstinduktion der Primärwicklung 32 kurzzeitig
verzögerter Strom über die gleichgerichtete Ausgangsklemme des Gleich-/Gleichwandlers
in den Entladungskondensator 18 eingespeist. Dies hat zur Folge, daß der Entladungskondensator
18 vollständig getrennt geladen und entladen wird.
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Der EIN-AUS-Zyklus des gesteuerten Siliciumgleichrichters 16, der
synchron mit der Zündung des Verbrennungsmotors erfolgt, wird umso öfter wiederholt
je höher die Drehzahl ist, mit der der Motor läuft. Die Größe des durch die Primärwicklung
32 des Transformators 31 fließenden Stromes ändert sich mit den EIN- und AUS-Zuständen
des gesteuerten Siliciumgleichrichters 16. Wenn beispielsweise bei einem vierzylindrigen
Viertaktmotor bei 1.000 UpM ein Strom mit 33 Hz. durch die Primärwicklung 32 fließt,
so fließt bei einer Drehzahl von 10.000 UpM ein Strom mit 333 Hz.. Die Sekundärwicklung
33 des Transformators 31 ist mit einer der Frequenz des durch die Primärwicklung
32 fließenden Stromes entsprechenden Spannung beaufschlagt.
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Wird die in der Sekundärwicklung 33 erzeugte Spannung so eingerichtet,
daß sie im Augenblick des Abschaltens des gesteuerten Siliciumgleichrichters 16
die gleiche Polarität wie die Ausgangsgröße des Gleich-/Gleichwandlers aufweist,
so wird über die Diode 36 an den Entladungskondensator 16 eine Spannung angelegt,
die aus der Summe der Spannung der Sekundärwicklung 33 und einer Ausgangsspannung
des Gleich-/Gleichwandlers besteht.
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Je qrößer deshalb die Drehzahl des Verbrennungsmotors ist, umso größer
ist auch der Betrag der in dem Entladungskondensator 18 gespeicherten elektrischen
Energie und umso kürzer ist deshalb auch die Ladezeit. Die Zündkerze 22 gibt deshalb
bei jeder Drehzahl des Verbrennunqsmotors immer einen starken Zündfunken ab.
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Da der Entladungskondensator 18 immer mit einer höheren Spannung als
der Ausgangsspannung des Gleich-/Gleichwandlers beaufschlagt ist, werden die Dioden
36, 37 der Transformator-Kupplunqsschaltung gleichzeitig dazu henutzt, einen Rückstrom
aus dem Entladungskondensator 18 in den Gleich-/Gleichwandler zu verhüten, das Auftreten
elektromotorischer Kräfte entgegengesetzter Polarität in der Primär- und Sekundärwicklung
32, 33 zu verhindern und außerdem das Kurzschließen der Sekundärwicklung 33 auszuschalten.
Der Widerstand 34 soll die in der Sekundärwicklung 33 induzierte Spannung steuern.
Durch Steuerung dieser induzierten Spannung wird die erwähnte Mischspannung auf
einen optimalen Wert eingeregelt. Die Diode 38 dient dazu, in der Sekundärwicklung
33 induzierte gegenelektromotorische Kräfte abzuleiten, während der Kondensator
39 die Aufgabe hat, für hochfrequenten Strom einen Nebenschlußweg zu bilden. Der
Widerstand 15 soll einen Fehlerstrom von dem Entladungskondensator 18 verhindern.
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Der Widerstand 40 und der Kondensator 41 bilden gemeinsam die Dämpfungsschaltung
für den gesteuerten Siliciumgleichrichter 16. Der Kondensator 35 wird zum Glätten
und Speichern der gleichgerichten Ausgangsgröße des Gleich-/Gleichwandlers benutzt.
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Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung einer neuen Zündvorrichtung ist
gegenüber jener nach Fig. 2 etwas abgewandelt.
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Bei der Schaltung nach Fig. 3 liegt der gesteuerte Siliciumgleichrichter
16 der Entladungsschaltung an der Masseseite der Primärwicklung der Zündspule 19.
Der Entladungskondensator
18 ist mit der Ausgangsklemme der Transformator-Kopp-lungsstufe
verbunden, d.h. er liegt zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Kathoden
der Dioden 36, 37 und Masse. Wird die Steuerelektrode 17 des gesteuerten Siliciumgleichrichters
16 mit Steuerimpulsen beaufschlagt, so gelangt die in dem Entladungskondensator
gespeicherte elektrische Energie von der Primärwicklung 20 der Zündspule 19 zu dem
gesteuerten Siliciumgleichrichter 16. Die übrige Betriebsweise der Schaltung nach
Fig. 3 ist die gleiche wie bei der Schaltung nach Fig. 2.
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In Fig. 4 ist eine weitere Ausffihrungsform der Erfindung veranschaulicht,
bei der die Transformator-Kopplungsstufe an die Seite des negativen Pols (Masse)
der gleichgerichteten Ausgangsgröße des Gleich-/Gleichwandlers angeschlossen ist.
Es liegen nämlich hier die Kathoden der Dioden 36, 37 der Transformator-Kupplungsstufe
an der negativen Ausgangsklemme der die Dioden 11 bis 14 enthaltenden Gleichrichterschaltung,
während ein Ende der Primärwicklung 32 des Transformators 31 an Masse liegt. In
diesem Falle ist die Transformator-Kopplungsstufe an die negative Klemme (Masse)
der Gleichrichterschaltung angeschlossen, was den Vorteil mit sich bringt, daß die
einzelnen Bauelemente lediglich für einen kleinen Höchstspannungswert ausgelegt
werden müssen. Die Schaltung nach Fig. 4 arbeitet grundsätzlich in der qleichen
Weise wie jene nach Fig. 2, so daß sich eine nochmalige Beschreibung erübrigt.
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Bei den Ausführungsformen nach Fig. 2 bis 4 ist der gesteuerte Siliciumgleichrichter
16 mit einer von der Sekundärwicklung 45 des Oszillator-Spannungsaufwärts-Transformators
7 gelieferter umgedrehter Vorspannung beaufschlagt.
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Der Pegel dieser Vorspannung ändert sich deshalb mit der Ausgangsspannung
der Wechselstromlichtmaschine, welche ihrerseits mit der Drehzahl des Verbrennungsmotors
eine Xnderung
erfährt. Dies bedeutet, daß der gesteuerte Siliciumgleichrichter
16 bei schneller laufendem Motor mit einer höheren umgedrehten Vorspannung beaufschlagt
ist als vorgeschrieben ist, wodurch die Spitzensperrspannung in Durchlaßrichtung
des gesteuerten Gleichrichters 16 erhöht wird. Wenn der Verbrennungsmotor mit niedriger
Drehzahl betrieben wird, erhält der gesteuerte Siliciumgleichrichter 16 eine umgedrehte
Vorspannung, die kleiner als der vorgeschriebene Wert ist, womit der gesteuerte
Siliciumgleichrichter 16 seinen Zustand von EIN in AUS oder umgekehrt leichter ändern
kann. Dies bedeutet, daß der gesteuerte Siliciumgleichrichter 16 stets mit einem
optimalen Wert der umgedrehten Vorspannung entsprechend der jeweiligen Drehzahl
des Verbrennungsmotors beaufschlagt ist.