DE2514761A1 - Schaltung zur erzeugung von elektrischen zuendimpulsen - Google Patents

Schaltung zur erzeugung von elektrischen zuendimpulsen

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DE2514761A1 DE19752514761 DE2514761A DE2514761A1 DE 2514761 A1 DE2514761 A1 DE 2514761A1 DE 19752514761 DE19752514761 DE 19752514761 DE 2514761 A DE2514761 A DE 2514761A DE 2514761 A1 DE2514761 A1 DE 2514761A1
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Description

Frankfeniorster itraüö 137
25H761
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D/K
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General Marine, Inc.
Clawson, Michigan/USA
" Schaltung zur Erzeugung von elektrischen Zündimpulsen "
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, insbesondere eine Kondensatorentladeschaltung.
Ein bekannter Anwendungsfall für Hochspanriungsimpulsschaltungen besteht darin, eine Zündungsspannung für Brennkraftmaschinen
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zu liefern. Es sind bereits viele Kondensatorentladungszündsysteme dafür vorgeschlagen worden; dabei war es schwierig, eine ausreichend hohe Spannung zum Laden des Zündungs- oder Speicherkondensators zu erzeugen. Ein weiteres Problem bei solchen Systemen besteht darin, eine vorbestimmte Energiemenge je Impuls auch unter stark variierenden Betriebsbedingungen zu schaffen. Ferner war es schwierig, die Schaltung auch bei einer hohen Impulsfrequenz funktionsfähig zu halten, ohne komplizierte Schaltkreise zu verwenden. Versuche zur Verwendung von siliciumgesteuerten Gleichrichtern zum Enladen des Kondensators über die Zündspule haben zu übermäßig komplizierten Schaltungen zum Abschalten des gesteuerten Gleichrichters geführt.
Gemäß der Erfindung ist eine hochspannungsimpulserzeugende Schaltung vorgesehen, die mit einer Kondensatorentladung über eine Hochspannungsspule mit einer bestimmten Spannung und Energie pro Impuls, bei einer gewünschten Impulsfrequenz arbeitet. Diese Vorrichtung wird unter Verwendung einer geringen Zahl von Bauelementen verwirklicht. Das wird durch die Verwendung einer WechselSpannungsquelle, vorzugsweise in Form eines Transistorinverters, erreicht, der durch einen Ladestromkreis betrieben wird, der einen Speicherkondensator auf eine vorbestimmte Hochspannung auflädt. Ein EntladeStromkreis für den Kondensator umfaßt einen Thyristor, vorzugsweise in Form eines gesteuerten
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Gleichrichters, in Reihe mit einem Transformator mit einer parallel geschalteten Funkenstrecke oder dergleichen, als Last. Die Vorrichtung umfaßt eine Steuerung, die an die Steuerelektrode des Thyristors angeschlossen ist und ihn in gesteuerten· Inverfallen einschaltet, so daß der Kondensator über den Transformator entladen wird. Vorzugsweise bewirkt die Steuerung ein Entladen während jeder Periode des Oszillators; die Halbperiode des Oszillators nach dem Beginn der Entladung bewirkt eine Sperrung des Thyristors und verhindert ein Versagen der gesteuerten Schaltung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Diese Zeichnung ist
ein Schaltbild einer erfindungsgeraäßen Schaltung zur Impulserzeugung.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist eine Schaltung zur * einer Folge von Hochspannungsimpulsen mit Hilfe einer Niederspannungsstromquelle.
Wie dargestellt, enthalt die Schaltung einen Transistoroszillator oder -inverter 10, der eine Wechselspannung für einen Ladestromkreis 12 liefert, der seinerseits einen Lade-
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strom an einen Speicherkondensator 14 liefert. Der Speicherkondensator ist über einen Thyristor 18 mit einem Transformator 16 verbunden. Der Thyristor ist mit einer Steuerung 20 verbunden, die ihn zu vorbestimmten Zeitpunkten periodisch einschaltet. Dadurch wird der Kondensator 14 entladen und am Ausgang des Transformators 16 entstehen Hochspannungsimpulse.
Der Inverter 10 hat vorzugsweise die Form eines herkömmlichen Gegentakt-Transistoroszillators. Als solcher besteht er aus zwei npn-Leitungstransistören 22 und 24, einer Gleichstromquelle, beispielsweise einer Batterie 26, und einem Ausgangstransformator 28. Der Transistor 22 ist in seinem Ausgang vom Kollektor zum Emitter, über einen Schalter 30 und eine Primärwicklung des Transformators 28 an die Batterie 26 angeschlossen. Entsprechend ist der Ausgang des Transistors 24, also die Kollektor-Emitter-Strecke, über den Schalter 30 und eine Primärwicklung des Transformators an die batterie 26 angeschlossen, deren eines Ende mit einem Ende der Primärwicklung 32 verbunden ist. Der Basis-Emitter-Eingang des Transistors 22 ist über einen Widerstand 36 an eine Rückkopplungswicklung 38 des Transformators angeschlossen. Eine Vorspannung für den Transistor 22 wird durch einen Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen und 36, erzeugt. Entsprechend ist der Basis-E=femitter-Eingang des Transistors 24 durch einen Widerstand 42 in Reihe mit einer Rückkopplungswicklung 44 des Transformators überbrückt.Für
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diesen Transistor wird eine Vorspannung durch den Spannungsteiler gebildet, der aus den Widerständen 46 und 42 besteht. Der Ausgangstransformator 28 besitzt eine Sekundärwicklung 48, die bei Betrieb des Oszillators eine Ausgangs-Wechselstromspannung erzeugt.
Die Arbeitsweise eines Transistoroszillators der beschriebenen Art ist bekannt und braucht im einzelnen nicht erläutert zu werden. Es genügt festzustellen, daß beim Schließen des Schalters 30 beide Transistoren 22 und 24 aufgesteuert und damit leitend werden. Wegen zufälliger Unsymmetrien wird jedoch der eine Transistor einen größeren Strom durch seine Primärwicklung schicken, als der andere. Demzufolge bringt die positive Rückkopplung durch die zugehörige Rückkopplungswicklung diesen Transistor schneller zur Sättigung, während die induzierte Spannung in der Rückkopplungswicklung des anderen Transistors diesen schneller sperrt.
Sobald eine Sättigung im ersten Transistor erreicht ist, verringert sich die Rückkopplungsspannung bis auf Null und der abnehmende Strom in der dem leitenden Transistor zugeordneten Wicklung führt zu einem Zusammenbrechen des magnetischen Flusses und zu einer Umkehrung der Polarität der induzierten Spannungen in den Rückkopplungswicklungen. Entsprechend wird
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der erste Transistor abgeschaltet und der andere Transistor wird leitend und in die Sättigung getrieben. Dieser Arbeitszyklus wiederholt sich mit einer Frequenz die durch die Paramter der Oszillatorschaltung bestimmt wird; entsprechend entsteht eine Wechselspannung an der Sekundärwicklung 48. Wie bekannt ist, hat diese Ausgangsspannung etwa Rechteckform aufgrund der steilen Schaltcharakteristiken der Transistoren 22 und 24.
Der Ladestromkreis 12 ist so eingerichtet, daß er den Speicherkondensator 14 auf eine Spannung lädt, die gleich dem doppelten Spitzenwert der Wechselspannung der Sekundärwicklung 48 ist. Der Ladestromkreis besitzt eine Diode 52, die über einen Koppel-Kondensator 54 an die Sekundärwicklung 48 angeschlossen ist, sowie eine zweite Diode 56, die zwischen die Verbindung zwischen dem Kondensator 54 und der Diode 52 einerseits und einen Anschluß des Speicherkondensators 14 geschaltet ist. Der Koppel-Kondensator 54 ist vorzugsweise so klein, daß er nicht die freilaufende Frequenz des Inverters 10 verringert. Der Ladekondensator 14 ist um ein Vielfaches größer als der Kondensator 54, vorzugsweise mindestens um den Faktor drei. Im Betrieb des Ladestromkreises 12 wird der Kondensator 54 über die Diode 52 während einer Halbperiode der Wechselspannung auf den Spitzenwert der Spannung an der Sekundärwicklung 48 geladen. Die Diode 52 verhindert nach der ersten
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Halbperiode eine Entladung des Kondensators 54 durch seinen Ladestromkreis. Während der folgenden Halbperiode Iieg1}0ie Spannung an der Sekundärwicklung additiv mit der Spannung am Kondensator 54 an der Reihenschaltung der Diode 56 mit dem Speicherkondensator 14. Entsprechend wird der Speicherkondensator 14 auf eine Spannung aufgeladen, die gleich dem doppelten Spitzenwert der Spannung an der Sekundärwicklung ist. Zur Sichtanzeige des Betriebszustandes des Inverters 10 ist eine Neionlampe 62 in Reihe mit einem Widerstand 64 an die Sekundärwicklung 48 angeschlossen und leuchtet auf, wenn der Inverter arbeitet.
Der Entladestromkreis für den Speicherkondensator 14 wird durch die Primärwicklung 66 des Transformators 16 und den Ausgang, d.h. die Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors 18, vorzugsweise eines siliciumgesteuerten Gleichrichters, gebildet. Bekanntlich ist ein Thyristor ein Gleichrichter in Festkörperhalbleiterausführung, dessen Anoden-Kathoden-Strecke leitet, wenn die angelegte Spannung einen Schwellwert überschreitet und wenn der Strom von der Steuerelektrode zur Kathode einen Sollwert überschreitet. Die Anoden-Kathoden-Strecke bleibt selbst dann leitend, wenn der Strom von der Steuerelektrode zur Kathode zu Null wird, solange die angelegte Spannung den Schwellenwert überschreitet. Der Thyristor bzw. siliciumgesteuerte Gleichrichter 18 wird also durch den erforderlichen Steuerelektroden-
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strom nur gezündet; so dann kann er nur durch entsprechende Verringerung der Spannung zwischen Kathode und Anode wieder abgeschaltet werden.
Der Entladestromkreis wird durch eine Leitung von der Kathode des Thyristors 18 zum anderen Anschluß des Kondensators 14 vervollständigt. Diese Leitung enthält, wie man sieht, eine Diode 58, die das Abschalten des Thyristors erleichtert.
Die Schaltmittel zum Steuern des Einschaltens des Thyristors 18 erlauben eine Synchronisierung des Einschalt-Zeitpunktes mit der Bewegung der Unterbrecherkontakte oder entsprechender Schaltmittel in einem konventionellen Zündsystem für Kraftfahrzeuge. Zu diesem Zweck enthalten die genannten Schaltmittel einen Spannungsteiler, bestehend aus einem Leckstromwiderstand 63> einem Isolationswiderstand 65 und einem Ausgangswiderstand 67 in Reihe mit dem Ladekondensator 14. Die Unterbrecherkontakte 78 sind zwischen die Verbindungsstelle der Widerstände 63 und 65 einerseits und Masse andererseits gelegt. Das Tor des Thyristors 18 wird mit der Verbindungsstelle der Widerstände 65 und 67 verbunden. Ein Filterkondensator 72 ist zwischen Tor und Kathode des Thyristors geschaltet, um die Gefahr eines Schaltens des Thyristors durch Störströme zu reduzieren. Zwischen Tor und Kathode des Thyristors ist ein Widerstand 69 geschaltet, der den Einschaltpunkt ent-
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sprechend der Spannung am Kondensator 14 beeinflußt. Zweckmäßig ist der Widerstand 69 ein Thermistor der eine Thermistor-Netzwerk (temperaturabhängiger Widerstand), um eine Temperaturkompensation für den Thyristor zu erhalten. Der Spannungswandler 16 ist vorzugsweise eine Hochspannungs-Zündspule, deren Primär- und Sekundärwicklungen miteinander verbunden sind, so daß der Transformator aus einer einzigen Wicklung mit einem Abgriff besteht, der als gemeinsame Rückleitung und Masseanschluß dient. Der Spannungswandler ist also ein Autotransformator, wie er gewöhnlich für Zündp]sulen Verwendung findet.
Die erfindungsgemäße Schaltung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen arbeitet wie folgt:
Wenn der Schalter 30 geschlossen wird, tritt der Inverter 10 in Funktion und erzeugt eine Ausgangswechselspannung an der Sekundärwicklung 48. In jeder Periode des Oszillators 10 wird der Speicherkondensator 14 einmal auf einen Wert geladen, der gleich dem doppelten Spitzenwert der Wechselspannung an der Sekundärwicklung ist. Während der ersten Halbperiode wird der Kondensator 54 geladen und während der zweiten Halbperiode werden die Spannung am Kondensator 54 und die Spannung an der Sekundärwicklung 48 additiv auf den Speicherkondensator 14 gegeben, so daß dieser auf einen Wert aufgeladen wird, der gleich der doppelten Spitzenspannung an der Sekundärseite des Transformators ist.
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Mit dem Laden des Kondensators 14 wird seine Spannung auch an den Spannungsteiler angelegt, der die Reihenschaltung der Widerstände 63, 65 und 67 enthält.
Die Unterbrecherkontakte 78 werden periodisch mit einer Frequenz geöffnet und geschlossen, die der Drehzahl der Brennkaftmasehine entspricht. Wenn die Unterbrecherkontakte geschlossen werden, wird die Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 63 und 65 mit Masse verbunden, so daß von dem Kondensator 14 kein Strom zum Tor des Thyristors fließen kann. Der Thyristor wird deshalb eim Schließen der Untaforecherkontakte geöffnet. Wenn die Unterbrecherkontakte dann öffnen, wird der Kondensator 14 geladen. Die Frequenz des Oszillators 10 ist so hoch, daß mindestens eine Periode während der Schließzeit der Unterbrecherkontakte vergeht, wenn die Brennkraftmaschine mit voller Drehzahl läuft. Diese Schließzeit ist also lang genug, um zu ermöglichen, daß die Spannung an der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 65 und 69 einen Triggerstrom zum Tor des Thyristors und damit dessen Einschaltung verursacht. Ein Entladestromkreis wird damit durch die Primärwicklung der Zündspule 16 geschlossen und durch den primären Stromimpuls ein Hochspannungs- Ausgangsimpuls in der Sekundärwicklung 76 erzeugt. Der Kondensator 14 wird durch den Thyristor 18 schnell entladen und der Thyristor abgeschaltet, so daß er für den nächsten Arbeitszyklus wieder bereit steht. Die Abschaltung des Thyristors 18 wird, Je nach den Arbeitsbedingungen, in einer der beiden
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folgenden Arten erreicht: wenn die Hochspannung an der Sekundärwicklung 75 zusammenbricht, wird die Energie im Kondensator verbraucht; dadurch wird der Stromfluß durch den Thyristor beendet. Wenn dagegen die Hochspannung an der Sekundärwicklung nicht zusammenbricht, dann beendet die in der Primärwicklung 66 induzierte* Spannung den Stromfluß durch den Thyristor. Folglich wird der Thyristor 18 am Ende des ersten Zyklus'abgeschaltet und der folgende Zyklus beginnt. Wie vorstehend beschrieben, bewirkt die erste Halbwelle die Ladung des Kondensators 54, während die zweite Halbwelle die Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators und die Spannung des Kondensators 54 an den Ladekondensator 14 gelangen läßt. Sobald eine vorbestimmte Spannung erreicht ist, schaltet die Steuerschaltung 20 den Thyristor ein und entlädt damit den Kondensator 14 über die Primärwicklung 66 des Transformators, so daß in der Sekundärwicklung 76, wie vorstehend beschrieben wurde, ein Hochspannungsimpuls erzeugt wird.
Die Erzeugung von Hoch spannungsimpuls en der Sekundärwicklung setzt sich solange fort, wie die Unterbrecherkontakte offen bleiben. Infolgedessen wird bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine eine Folge mehrerer Zündimpulse bei jeder Öffnung der Unterbrecherkontakte erzeugt. Bei hohen Motordrehzahlen wird dagegen nur ein einziger Zündimpuls bei jeder Öffnung der
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Unterbrecherkontakte erzeugt werden. Die Frequenz des Oszillators 10 kann so eingestellt werden, daß dadurch die Drehzahl der Brennkraftmaschine auf einen vorbestimmten Wert begrenzt bzw. gesteuert wird.
Die Steuerschaltung 20 wird jetzt ausführlich in Verbindung mit der schon vorstehend erwähnten Wirkungsweise beschrieben. Wenn die Unterbrecherkontakte geschlossen werden, lädt sich der Ladekondensator 14 auf eine Entspannung auf, die doppelt so groß wie die Amplitude der Wechselspannung des Oszillators 10 ist. Wenn die Unterbrecherkontakte öffnen, wird der Kondensator 14 augenblicklich entladen und erzeugt einen Zünd- oder Steuerimpuls. Solange die Unterbrecherkontakte offen bleiben, werden nacheinander mehrere Zündimpulse erzeugt. Jeder derartige Impuls tritt auf, wenn die Spannung am Kondensator 14 einen Wert erreicht, der hoch genug ist, um den Thyristor 18 einzuschalten. Der Endwert der Kondensatorspannung ist als während dieser Zeit so begrenzt, daß die Impulse hinsichtlich ihrer Spitzenspannung und ihres Energiegehaltes gleichmäßig sind. Wenn mann allerdings keine besonderen Vorkehrungen trifft, besitzt der erste gesteuerte Impuls eine höhere Spitzenspannung und einen größeren Energieinhalt, weil der Kondensator beim Schließen der Unterbrecherkontakte auf einen größeren Wert aufgeladen wird, als er zur Einschaltung des Thyristors erforderlich ist. Erfindungsgemäß wird die Kondensatorspannung auf einen gewünschten Wert
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begrenzt, nämlich durch einen besonderen Spannungsteiler, der aus den Widerständen 63, 65 und 67 besteht und an den die Unterbrecherkontakte 78 angeschlossen sind. Wenn die Unterbrecherkontakte schließen, wird ein Strompfad vom Kondensator 14 über den Leckstromwiderstand 63 und die Unterbrecherkontakte gegen Masse fließen. Der Viert des Widerstandes 63 wird so ausgewählt, daß der Stromfluß durch ihn in die Aufladung des Kondensators 14 auf einen Spannungswert begrenzt, der etwa gleich dem erforderlichen "ert ist.
Es ist zu beachten, daß die erfindungsgemäße Schaltung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen eine Folge derartiger Impulse erzeugt, die jeder einen ganz bestimmten Energieinhalt haben. Eine solche Arbeitsweise wird dadurch erreicht, daß der Speicherkondensator 14 erst dann entladen wird, wenn er auf einen vorbestimmten Spannungswert geladen wurde. Das wiederum wird bei der vorgeschlagenen Schaltung erreicht, obwohl die Ausgangsspannung des Oszillators 10 bei Schwankungen der Speisespannung der Batterie 26 schwankt. Es ist ferner zu beachten, daß die Energie der Ausgangsimpulse praktisch konstant bleibt, unabhängig von der Impedanz der Last, die an die Sekundärwicklung angeschlossen wird. Die Schaltung kann sogar mit kurzgeschlossener Sekundärwicklung 76 arbeiten, ohne daß der Batterie 26 mehr Strom entnommen wird, als bei normaler Arbeitsweise. Das wird dadurch erreicht, daß während einer jeden Entladeperiode des Kondensators 14 ein festgelegter Energiebe-
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trag auf die angeschlossene Last übertragen wird. Während des Ladeintervalles wird die Last vom Kondensator 14 abgeschaltet und der Oszillator und die Batterie werden vom Kondensator 14 und dadurch auch von der angeschlossenen Last getrennt.
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Claims (5)

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    1· Zündschaltung für Brennkraftmaschinen, gekennzeichnet durch einen Koppel-Kondensator, einen Gleichrichter und einen Ladekondensator, die in Reihe an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen sind, einen Thyristor mit Anode, Kathode und Tor, einen Entladestromkreis, der die Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors umfaßt, eine mit dem Ladekondensator verbundene Zündspule, eine Steuereinrichtung, enthaltend ein Schaltmittel, die mit dem Tor des Thyristors verbunden sind und bei ihrem Schließen den Thyristor öffnen bzw. bei ihrem Öffnen den Thyristor schließen, wobei die Schaltmittel abwechselnd für ein bestimmtes Zeitintervall geschlossen und für ein darauf folgendes Zeitintervall geöffnet werden, entsprechend der Drehzahl der Brennkraftmaschine, wobei ferner die Frequenz der Wechselspannungsquelle hoch genug ist, um bei maximaler Drehzahl der Brennkraftmaschine während der Schließzeit wenigstens eine Entladung zu ermöglichen, wobei ferner ein gesteuerter Entladeimpuls durch die Zündspule beim Öffnen der Schaltmittel geschickt wird, und wobei schließlich die Frequenz der Wechselspannungsquelle so hoch ist, daß bei der untersten Drehzahl der Brennkraftmaschine während des Öffnungsintervalls der Schaltmittel mindestens ein zusätzlicher Ladevorgang erfolgt, der einen
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    Entladeimpuls durch die Zündspule veranlaßt.
  2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen in Reihe mit dem genannten ersten Gleichrichter in gleicher Polarität wie dieser geschalteten zweiten Gleichrichter, parallel zum Ladekondensator.
  3. 3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen Leckstromwiderstand, der mit dem Ladekondensator verbunden ist, einen weiteren, mit dem anderen Anschluß des Ladekondensators verbundenen Widerstand und einen Isolationswiderstand umfaßt, der zwischen den Leckwiderstand und den vorgenannten Widerstand geschaltet ist, wobei die Verbindung zwischen dem vorgenannten Widerstand und dem Isolationswiderstand an das Tor des Thyristors angeschlossen ist, und wobei ferner die Schaltmittel zwischen den anderen Anschluß des Ladekondensators und die Verbindung zwischen dem Leckwiderstand und dem Isolationswiderstand geschaltet sind.
  4. 4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppel-Kondensator in der Lädezuleitung für den Speicherkondensator liegt, so daß der
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    der Spannungsquelle entnommene Strom während der Entladung des Speicherkondensators durch die Impedanz des Koppe-Kondensators begrenzt wird.
  5. 5. Schaltung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Halbleiterdiode, die in gleicher Polarität mit dem Thyristor zwischen dessen Kathode und den Speicherkondensator geschaltet ist.
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