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Schaltungsanordnung mit einer eine konstante Einschaltzeit erfordernden
Einrichtung, insbesondere elektronische Zündanlage mit einer Zündspule Die Erfindung
betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer eine zumindest ungefähr konstante Einschaltzeit
erfordernden Einrichtung, ersten Mitteln zum Erzeugen von Einschaltsignalen und
zweiten Mitteln zum Erzeugen von Entladesignalen für diese, von denen die Entladesignale
durch in von einer Steuergröße bestimmten veränderlichen Zeitabständen aufeinanderfolgende
Impulsflanken gebildet sind. Insbesondere ist dabei an eine elektronische Zündanlage
für eine Brennkraftmaschine mit einer Zündspule le gedacht, deren Entladung zur
Gewinnung der eigentlichen Zündimpulse von Impulsflanken ausgelöst wird, die beispielsweise
durch die Arbeitsweise eines Unterbrecherkontakts mit von der jeweiligen Drehzahl
der Brennkraftmaschine abhängigen zeitlichen Abständen aufeinanderfolgen.
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Es ist bekannt, daß Einrichtungen nach Art einer Zündspule nur eine
bestimmte Einschaltzeit erfordern, bis der von ihr aufgenommene Strom einen Maximalwert
erreicht hat. Jede Verlängerung
dieser Einschaltzeit erhöht nicht
die gespeicherte Energie, sondern führt zu einer sehr unerwünschten Umsetzung der
Energie in Wärme der Bauteile.
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Betrachtet man auf der anderen Seite die Betriebsweise der Schaltungsanordnung
bei verschiedenen Werten der Steuergröße und damit der Zeitabstände zwischen aufeinanderfolgenden
Impulsflanken, also bei dem bevorzugten Anwendungsfall der Erfindung bei verschiedenen
Drehzahlwerten, so ist beispielsweise mit einer Verlängerung der Zeitabstände zwischen
den Impulsflanken auch eine Verlängerung der Speisung der Einrichtung verbunden.
Bei sehr niedrigen Drehzahlen einer Brennkraftmaschine ist der Zeitabstand zwischen
den Impulsflanken der vom Unterbrecherkontakt gelieferten Impulse relativ groß gegenüber
diesen Zeitabständen bei hohen Drehzahlen, und da der Zeitraum nach der Beendigung
des eigentlichen Impulses bis zur erneuten Zündung, also dem Auftreten einer neuen
Impulsflanke, dann ebenfalls lang ist, ist die Zündspule für eine im Verhältnis
zu ihrer erforderlichen Einschaltzeit sehr lange Zeit eingeschaltet und erwärmt
sich stark.
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Infolge der Tatsache aber, daß Brennkraftmaschinen - um zur Erläuterung
der Erfindung weiter bei dem bevorzugten Anwendungsfall derselben zu bleiben - auch
mit relativ hohen Drehzahlen betrieben werden und auch dann noch eine einwandfreie
Auf ladung der Zündspule gewährleistet sein muß, ist es nicht möglich, durch MaBnahmen
im Bereich des Unterbrecherkontakts - oder eines anderen Signalgebers für die Zündung
auslösende Impulsflanken - einer wesentlich zu langen Einschaltzeit der Zündspule,
wie sie bei niedrigen Motordrehzahlen auftritt, entgegenzuwirken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung,
insbesondere eine elektronische Zündanlage, der eingangs beschriebenen Art zu schaffen,
die diesen Nachteil vermeidet.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten Mittel einen Sägezahnspannungserzeuger mit Schaltmitteln, die ihn
mit dem Auftreten der Impulsflanken synchronisieren, ferner einen Speicher für eine
Differenzspannung, gewonnen aus dem jeweiligen Spitzenwert der Sägezahnspannung
und einer der Einschaltzeit zumindest ungefähr entsprechenden Spannung, sowie einen
Komparator enthalten, dem die Differenzspannung und die Sägezahnspannung zum Erzeugen
der Einschaltsignale bei zumindest annähernder Gleichheit der beiden Spannungen
zugeführt werden.
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Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin, daß die Einrichtung
nach wie vor nur in Abhängigkeit von den Impulsflanken betätigt wird. Dient zur
Gewinnung der Impulsflanken ein Kontakt, so ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
also völlig unabhängig von dem Schließwinkel desselben. Zur Synchronisierung des
Sägezahnspannungserzeugers, also seiner Steuerung so, daß der Beginn der Aufladung
des ihn darstellenden Integrators und seine praktisch schlagartige Entladung zumindest
ungefähr mit dem Auftreten der Impulsflanken zusammenfallen, erfolgt also unter
Ausnutzung dieser Impulsflanken.
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Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen,
daß unter Ausnutzung des linearen Anstiegs der Sägezahnspannung von dem Spitzenwert
derselben in der Schaltungsanordnung ein Spannungswert subtrahiert wird, der zumindest
ungefähr der Einschaltzeit entspricht. Die so erhaltene Differenzspannung wird dann
gespeichert, und beim nächsten Anstieg der Sägezahnspannung wird in einem Komparator
der jeweilige Augenblickswert derselben verglichen mit dem gespeicherten Wert der
Differenzspannung und ein Einschaltsignal für die Einrichtung, also beispielsweise
ine Zündspule, dann erzeugt, wenn der Augenblickswert der Sägezahnspannung den Wert
der gespeicherten Differenzspannung überschreitet.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß der gewünschte
Effekt mit einer sehr einfachen Schaltung erreicht wird. Sägezahnspannungserzeuger,
Speicher und Komparatoren sind übliche Schaltungsbausteine. Zur Gewinnung der Differenzspannung
hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn zwischen den Sägezahnspannungserzeuger
und den Speicher zumindest eine Diode geschaltet ist, deren Durchlaßspannung die
der Einschaltzeit entsprechende Spannung ist.
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Es war gesagt, daß durch die Erfindung die Einrichtung, also beispielsweise
eine Zündspule, unabhängig von der Steuergröße, im 3eispiel der Drehzahl, und unabhängig
beispielsweise von einem Uastverhgltnis für eine Zeitdauer eingeschaltet werden
kann, die zumindest ungefähr gleich der erforderlichen Einschaltzeit ist.
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Beispielsweise in dem bevorzugten Anwendungsfall der Erfindung, also
bei einer elektronischen Zündanlage, ist aber die erforderliche Einschaltzeit, also
diejenige Zeit, die zum vollen Aufladen der Zündspule notwendig ist, nicht als exakt
konstant anzusehen. So muß beispielsweise beim Starten der Brennkraftmaschine insbesondere
dann, wenn, wie im Winter, die Batterie nicht voli aufgeladen ist, mit einer relativ
langen erforderlichen Einschaltzeit gerechnet werden, während bei schnell laufender
Maschine, wenn also bei einem Kraftfahrzeug die Lichtmaschine die volle Batteriespannung
gewährleistet, bei Einhaltung einer derart langen Einschaltzeit infolge der schnellen
Aufeinanderfolge der Impulsflanken die Gefahr von Zündaussetzern auftreten kann,
da dann nicht mehr genügend Zeit zum Brennen des Funkens vorhanden ist. Dem trägt
eine Weiterbildung der Erfindung dadurch Rechnung, daß dem Speicher ein Entladezweig
solcher Auslegung zugeordnet ist, daß auch bei den kürzesten Zeitabständen und damit
den niedrigsten Spitzenwerten eine Aufladung des Speichers erfolgt. Hierdurch wird
also sichergestellt, das ßuch bei sehr hohen Drehzahlen vor jeder Zündimpulserzeugung"
also zeitlich vor dem Eintreffen jeder der mehrfach erwähnten Impulsflanken, eine
Aufladung des Speichers eintritt,
die Spannung an diesem also einen
geknickten Verlauf mit einem Punkt niedrigster Spannung bei Beginn dieser Aufladung
aufweist. Infolge der konstanten Neigungen der Sägezahnspannung und der Spannung
am Speicher (unter Berücksichtigung der Entladung desselben) ergibt sich bei niedrigen
Drehzahlen eine Lage des Schnittpunkts zwischen beiden (der ja für die Gewinnung
des Einschaltsignals entscheidend ist) in größerer Entfernung von der nächstfolgenden
Impulsflanke als bei sehr hohen Drehzahlen.
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Diese Verlängerung kann aber sehr gering gehalten werden, da man bei
der Auslegung der erfindungsgemäßen Schaltung von einer Einschaltzeit bei den höchsten
vorkommenden Drehzahlen ausgehen wird, die dort die Erzeugung einwandfreier Zündfunken
sicherstellt, und die Entladung des Speichers nur klein wählen wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand eines
Beispiels für eine elektronische Zündanlage einer Brennkraftmaschine erläutert.
Figur 1 zeigt die gesamte Schaltung der Zündanlage, während in Figur 2 die zeitlichen
Spannungsverläufe an verschiedenen Schaltungspunkten bei hohen Drehzahlen (linke
Spalte), mittleren Drehzahlen (mittlere Spalte) und niedrigen Drehzahlen (rechte
Spalte) in verschiedenen MaBstäDen wiedergegeben sind.
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Betrachtet man zunächst das Schaltbild nach Figur 1, so enthält sie
als Hauptbestandteile das Differenzierglied 1, die Stillstandsabschaltung 2, den
Sägezahnspannungserzeuger 3, den Speicher 4, den Komparator 5, die Treiberstufe
6 und die Stromregelung 7, die Leistungsstufe 8 und die Zündspule 9.
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An der Klemme 10 liegt die konstante Batteriespannung, während die
Klemme il, die identisch ist mit dem Schaltungspunkt a, dessen Spannung in der erzen
Zeile der Figur 2 wiedergegeben ist, in Verbindung steht mit einem Unterbrecherkontakt
oder einer anderen Anordnung, die Ansteuersignale in hier von der Drehzahl
der
Maschine abhängiger Aufeinanderfolge erzeugt Wie durch die Blitz symbole in der
ersten Zeile der Figur 1 angedeutet, dient jeweils die erste Impulsflanke zur Erzeugung
von Zündfunken, also zur Entladung der Zündspule 9. Wie an sich bekannt, ist der
zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Impulsflanken, der in der ersten
Zeile der Figur 2 mit T bezeichnet ist, umgekehrt proportional der Drehzahl der
Maschine, und da, wie in der vorletzten Zeile der Figur 2 bei t angedeutet, zum
Aufladen der Zündspule 9 eine erheblich kleinere, im wesentlichen konstante Einschaltzeit
erforderlich ist, würde sich ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen zumindest bei
der niedrigen Drehzahl (mittlere und rechte Spalte der Figur 2) eine nur schädliche,
da zu Übertemperaturen führende überlange Einschaltdauer ergeben. Die unterste Zeile
der Figur 2 veranschaulicht dies für die hier vorausgesetzten drei Drehzahlen: Die
Zündspule wird bei entsprechend arbeitenden bekannten Zündanlagen durch die abfallenden
Flanken der der Klemme 11 zugeführten Impulse eingeschaltet und durch die Anstiegsflanken
wieder abgeschaltet. Bezeichnet man die erforderliche Einschaltzeit wiederum mit
t, so ergibt sich also ein Bereich t', in dem die Energiezufuhr zur Zündspule lediglich
eine Aufheizung derselben bewirkt.
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Etwas günstiger liegen die Verhältnisse bei mittleren Drehzahlen (mittlere
Spalte der Figur 2), da hier der Bereich t' erheblich kleiner geworden ist. Bei
hohen Drehzahlen dagegen ergibt sich eine Einschaltzeit vernünftiger Länge. Die
tatsächlich vorliegende Einschaltzeit ist nicht nur in starkem Maße von der jeweiligen
Motordrehzahl, sondern auch von dem Tastverhältnis abhängig.
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t ,{ " Diese Nachteile vermeidet die erfindungsgemäße Schaltungsan
Ordnung. Das Differenzierglied mit dem Kondensator 12 und den Tfiderständen
13
und 14 liefert im Schaltungspunkt b durch Differenziation der Impulse gemäß Zeile
1 in Figur 2 Nadelimpulse abwechselnder Polarität, von denen die Diode 15 an den
Schaltungspunkt d nur die Impulse positiver Polarität durchläßt. Es sind also Impulse
aus denjenigen Impulsflanken, die die Zündung bewirken. Aus diesem Grunde wird der
Schalttransistor 16 nur in Zeitpunkten durchgeschaltet, die mit dem Auftreten der
Impulsflanken zusammenfallen. Er schließt dann den Scndensator 17 des Sägezahnspannungserzeugers
3, der ferner den Operationsverstärker 18 enthält, kurz, so daß sich der Kondensator
17 nur während der Zeitabstände zwischen positiven Nadesimpulsen über den Widerstand
19 von der Batterie 10 her, gesteuert vom Operationsverstärker 18, aufladen kann.
Das Ergebnis dieses lntegrationsvorganges ist im Schaltungspunkt e die in der entsprechenden
Zeile der Figur 2 wiedergegebene Sägezahnspannung. Sie gelangt nicht direkt, sondern
über die Diode 20 zum Schaltungspunkt f und damit an den Eingang des in bekannter
Weise aufgebauten Speichers 4, so daß dieser bei jedem Zündvorgang eine Spannung
speichert, die der Differenz zwischen dem Spitzenwert der Sagezahnspannung und der
Durchlaßspannung der Diode 20 entspricht.
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Diese Durchlaßspannung ist zumindest ungefähr gleich der erforderlichen
Einschaltzeit der Zündspule 9 gewählt, und da der Komparator 5 dann an seinem Ausgang
g ein Signal erzeugt, wenn die Sägezahnspannung nach dem Zündvorgang wieder diesen
gespeicherten Spannungswert erreicht hat, ergibt sich so im Schaltungspunkt g ein
Signal, dessen Abstand von der nächsten zündimpulserzeugenden Impulsflanke konstant
ist.
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In dem gewählten Ausführungsbeispiel ist dieser Abstand aber nicht
genau konstant, d.h. völlig drehzahlunabhängig, da für eine derartige vollkommene
Konstanz die gespeicherte Spannung zumindert in dem Intervall zwischen aufeinanderSolgenden
Impulsflanken konstant bleiben müßte. In dem figürlich Aargestellten Ausführungsbeispiel
ist aber dem Kondensator 21 des Speicher3 4 dauernd ein die Widerstände 22 und 23
es klltender 3ntladesweig
zugeordnet, so daß sich im Schaltungspunkt
e ein Spannungsverlauf ergibt, der zunächst gemäß der entsprechenden Zeile der Figur
2 etwas nach unten gerichtet ist, dann aber eine erneute Aufladung sicherstellt.
Durch diese Entladung und die damit erzielte Neigung der die Spannung am Speicherkondensator
21 darstellenden Linie ergibt sich bei niedrigen Drehzahlen eine gewisse Verlängerung
der Einschaltzeit der Zündspule 9, wie sie in Figur 2 bei t" angedeutet ist. Mit
zunehmender Drehzahl verschwindet die Verlängerung t", bis bei hoher Drehzahl sogar
eine gewisse Verkürzung der tatsächlichen Einschaltdauer unter die erforderliche
Einschaltzeit eingetreten ist. Diese Verkürzung kann aber ohne weiteres in Kauf
genommen werden und ist sogar sinnvoll, da bei hohen Drehzahlen die Spannung an
der Klemme 10 hoch ist, also eine Entladung der Batterie keine Rolle spielt, und
weil durch kurze Einschaltzeiten genügend Zeit für die Ausbildung sicherer Zündfunken
gewonnen ist.
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Ebenfalls im Sinne einer Verringerung der thermischen Belastung der
Zündspule 9 wirkt die Stillstandsabschaltung 2. Wenn die Zündung eingeschaltet ist,
aber die Maschine nicht läuft, also an dem Schaltungspunkt a keine Impulse anstehen,
kann sich der Kondensator 24 aufladen, der sonst über den Transistor 25 in schneller
Folge entladen wird. Diese Aufladung erfolgt über den Widerstand 26 und hat zur.
Folge, daß die Diode 27 leitend wird. Im Schaltungspunkt e steht dann Nullpotential,
und über den Transistor 28 wird die Zündspule 9 ausgeschaltet.
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An der Stromregelung 7 ist vor allem ihre spannungsabhängige Ausbildung
bemerkenswert. tiber den Widerstand 29 wird nämlioh ein der Spannung an der Batterieklemme
10 entsprechendes Spannungssignal auf die Basis des Transistors 30 gegeben, während
über den Widerstafid 31 ein I/ strómproportionales Signal abgegriffen wird. Eine
derartige'spannungsabhängige Stromregelung bietet den Vorteil einer weitgehenden
Konstanz des der Zündspule 9 zugeführten Stromes, ein Effekt, der sich ebenfalls
hinsichtlich des thermischen Schutzes der Spule günstig bemerkbar macht.
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Da in dem figürlich dargestellten Ausführungsbeispiel der Eingang
32 des Operationsverstärkers 18 über einen Spannungsteiler an Batteriespannung liegt,
erfolgt bei Schwankungen der Batteriespannung automatisch eine Korrektur im Sinne
einer Zunahme der Einschaltzeit mit fallender Batteriespannung infolge Änderung
der Steilheit der Sägezahnspannung. Auch dies ist ein Vorteil im Rahmen der Anpassung
der tatsächlichen Einschaltzeit an die Ladeeigenschaften der Zündspule bei verschiedenen
Batterie spannungen.