DE2612695A1

DE2612695A1 - Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2612695A1
Application number: DE19762612695
Authority: DE
Inventors: Robert Ing Grad Schach; Peter Scholl
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1976-03-25
Filing date: 1976-03-25
Publication date: 1977-09-29
Also published as: DE2612695C3; DE2612695B2; GB1565747A; US4119868A

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH

6 Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai· 1

Heilbronn, den 24.3.1976 PT-La-mü - HN 76/16

Schaltungsanordnung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, bei der ein Schalttransistor den Auf- und Entladevorgang einer Spule steuert. Eine solche Schaltungsanordnung findet beispielsweise als Transistor-Zündschaltung bei Otto-Motoren Anwendung.

Bei den bekannten Transistoren-Zündschaltungen werden hochsperrende Leistungstransistoren oder Darlington-Transistoren als Schalter zum Steuern der Zündspule eingesetzt. Die Triggerung der Schalttransistoren erfolgt beispielsweise durch Unterbrecherkontakte, Reedkontakte, Feldplatten, induktive Geber oder durch optoelektronische Anordnungen. Um den Schalttransistor vor hohen Rückschlagspannungen beim Öffnen des Unterbrecherkontaktes zu schützen, wird der Anstieg der Primärspannung der Zündspule durch einen Schutzkondensator verzögert, der parallel zur Emitter-Kollektorstrecke des Schalttransistors geschaltet ist. Darüber hinaus sind Avalanche-

Dioden als Schutzdioden parallel zur Emitter-Kollektorstrecke oder besser parallel zur Basis-Kollektorstrecke des Schalttransistors geschaltet, um zu verhindern, daß der Schalttransistor bei gestörten Betriebsfällen im Avalanche-Bereich betrieben wird. .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung aufzuzeigen, die weniger Bauteile erfordert als die bekannten Transistor-Zündschaltungen und die somit einfacher aufgebaut ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung vorgeschlagen, daß keine Mittel vorgesehen sind, die den Schalttransistor vor dem Avalanche-Durchbruch schützen, und daß parallel zur Basis-Emitters trecke des Schalttransistors ein solcher Widerstand wirksam ist, daß der Schalttransistor trotz Avalanche-Betrieb nicht überbeansprucht wird.

Während also bei den bekannten Transistor-Zündschaltungen der Avalanche-Betrieb tunlichst vermieden wird und besondere Schutzelemente zur Vermeidung des Avalanche-Betriebes vorgesehen sind, wird bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung bewußt auf den Schutzkondensator und die Schutzdioden verzichtet und der Schalttransistor bewußt in den ohne Schutzelemente im allgemeinen nicht zu vermeidenden Avalanche-Durchbruch gefahren. Um trotz Avalanche-Betrieb den Schalttransistor nicht überzubelasten

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bzw. zu schädigen, wird die Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors nach der Erfindung - von links gesehen - so hochohmig abgeschlossen, daß der bei. der Abschaltung unvermeidbare Avalanche-Betrieb dem Schalttransistor nichts ausmacht.

Den hochohmigsten Abschluß und damit den Optimalfall· hinsichtlich der Erhöhung der Avalanche-Festigkeit würde natürlich eine offene Basis des Schalttransistors darstellen, wobei die Basis des Schalttransistors weder direkt noch über einen Widerstand mit dem Bezugspotential verbunden ist. Der Begriff "offene Basis" ist bei einem solchen Betrieb allerdings nicht ganz angebracht, da ja die Basis des Schalttransistors in Wirklichkeit zwar nicht mit dem Bezugspotential, aber mit einem Schalter verbunden ist, der das zum Durchschalten des Schalttransistors erforderliche Potential an die Basis des Schalttransistors schaltet.

In der Praxis wird man jedoch die Basis des Schalttransistors in dem oben genannten Sinn nicht offen lassen, da außer.der Bedingung eines hochohmigen Abschlusses der Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors noch die Bedingung erfüllt werden muß, daß der Emitter-Kollektor-Sperrstrom des Schalttransistors I„„„ auf I^„„ reduziert wird. Diese Bedingung kann man nur durch einen Widerstand

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erfüllen, der gegenläufig zur Bedingung eines möglichst hochohmigen Abschlusses parallel zur Emitter-Basisstrecke des Schalttransistors liegt und mit dem Bezugspotential verbunden ist.

Legt man die Basis des Schalttransistors über einen Widerstand an das Bezugspotential, so ist natürlich der hochohmige Abschluß der Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors geringer als im Fall der offenen Basis. Der zwischen der Basis des Schalttransistors und dem Bezugspotential gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehene Widerstand ist also nach zwei Gesichtspunkten zu wählen, und zwar muß dieser Widerstand so hochohmig sein, daß der Avalanche-Betrieb dem Schalttransistor nicht schadet, andererseits muß dieser Widerstand aber so niederohmig bemessen sein, daß er den Emitter-Kollektor-Sperrstrom des Schalttransistors reduziert.

Bei einer Transistor-Zündschaltung ist, wie bereits erwähnt, vor dem Schalttransistor für die Zündspule ein Schalter vorgesehen, der das zum Durchschalten des Schalttransistors erforderliche Potential an die Basis des Schalttransistors schaltet. Dieser Schalter ist vorzugsweise ein Schalttransistor, der auch als Treibertransistor bezeichnet wird. Wird ein Treibertransistor als Schalter verwendet, so ist darauf zu achten, daß dieser Tran-

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sistor beim Durchschalten des Schalttransistors für die Zündspule nicht zu heiß wird. Dies kann man dadurch verhindern, daß zwischen dem Kollektor des Treibertransistors und der Basis des Schalttransistors ein Widerstand vorgesehen ist, der so bemessen ist, daß der Treibertransistor beim Durchschalten des Schalttransistors in der Sättigung betrieben wird.

Um auch dieser Bedingung zu genügen, sind parallel zur Basis-Emitterstrecke des der Zündspule vorgeschalteten Schalttransistors vorzugsweise zwei zueinander in Reihe liegende Widerstände vorgesehen, von denen der mit der Basis des der Zündspule vorgeschalteten Schalttransistors verbundene Widerstand so bemessen ist, daß der Treibertransistor beim Durchschalten des Schalttransistors für die Zündspule in der Sättigung betrieben wird, während der mit dem Bezugspotential verbundene Widerstand zwei gegenläufige Bedingungen erfüllen muß, nämlich einerseits eine Reduzierung des der Zündspule vorgeschalteten Schalttransistors und andererseits eine möglichst hochohmige Belastung der Emitter-Basisstrecke des Schalttransistors für die Zündspule. Den erforderlichen hochohmigen Abschluß für die Emitter-Basisstrecke des Schalttransistors bewirkt hauptsächlich der mit dem Bezugspotential verbundene Widerstand, da der zwischen dem Kollektor des Treibertransistors und der Basis des Schalttransistors für die Zünd-

spule angeordnete Widerstand relativ niederohmig gemacht werden muß, um bei gesättigtem Treibertransistor den Basisstrom des Schalttransistors zu liefern. Die Bedingung des hochohmigen Abschlusses der Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors fällt also praktisch ausschließlich nur dem mit dem Bezugspotential verbundenen Widerstand zu.

Der ohmsche Widerstand des mit dem Bezugspotential verbundenen Widerstandes liegt beispielsweise im Bereich von 2 kOhm. Der mit der Basis des Schalttransistors verbundene Widerstand hat beispielsweise einen ohmschen Widerstand, der zwischen 20 Ohm und 100 Ohm liegt.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung spart nicht nur Bauteile ein, sondern hat bei Verwendung als Transistor-Zündschaltung auch noch den Vorteil, daß die primärseitige Rückschlagspannung der Zündspule und damit die Zündspannung an der Zündkerze steil ansteigt. Dadurch wird die Zündspannung sehr schnell erreicht und außerdem sind die Nebenschlußverluste der Zündkerze vor Erreichen der Zündspannung sehr gering. Dies hat zur Folge, daß die gesamte Energie nach Erreichen der Brennspannung für eine lange Brennstromdauer zur Verfügung steht. Eine nach der Erfindung ausgebildete Transistor-Spulenzündung mit Avalanche-Betrieb des Schalttransistors weist sowohl die Vorteile

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einer Kondensatorzündung (hohe Ansteiggeschwindigkeit der Zündspannung) als auch die Vorteile einer Transistor-Spulenzündung (lange Funkenbrenndauer und somit gute Verbrennung des Benzin-Luftgemisches) auf.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungs— beispiel näher erläutert.

Die Figur 1 zeigt eine Transistor-Zündschaltung nach der Erfindung. Die Batteriespannung, die zwischen 6V und 16,5V betragen kann, steht erst dann zur Verfügung, wenn das Zündschloß eingeschaltet ist und dadurch der Schalter S₁ geschlossen ist. Wird bei geschlossenem Schalter S₁ auch der Unterbrecherkontakt S₉ geschlossen, so fließt der Kontaktstrom I über die Widerstände R₁ und R₃. Der Widerstand R₁ hat im Ausführungsbeispiel einen ohmschen Widerstand von 18 Ohm und der Widerstand R einen ohmschen Widerstand von 82 Ohm. Der durch die Widerstände R₁ und R₉ fließende Strom I_T. hat eine maximale Stromstärke von 165 mA.

Die Widerstände R₁ und R-. bestimmen den Basis- und den Kollektorstrom des Niedervolttreibertransistors T₁. Der Kollektorstrom dieses Treibertransistors, der das zum Durchschalten des Schalttransistors T₂ erforderliche Potential an die Basis des Transistors T liefert, fließt vorwiegend über den Widerstand R. in die Basis des Schalttransistors T^ und steuert diesen durch. Der Widerstand R. sorgt

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dafür, daß der Transistor T- gesättigt und damit mit geringer Verlustleistung betrieben wird. Der Kollektorstrom des Schalttransistors T„ steigt beim Durchschalten exponentiell mit der Zeitkonstante L/R der Primärspule der Zündspule Z an und wird durch den Innenwiderstand der Primärspule begrenzt. Während der Einschaltzeit t.p_TT, des

Transistors T wird die Energie E^ 1/2 LI in der Zündspule magnetisch gespeichert.

Öffnet der Unterbrecherkontakt S„, so schaltet der Treibertransistor T₁ ab- Dadurch wird auch der Schalttransistor T„ abgeschaltet. Der wirksame Basis-Emitterwiderstand, der parallel zur Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors T„ liegt, ergibt sich aus der Summe der Widerstände von R.

und R_c. Der relativ hohe Widerstand R_c, der zwischen dem 5 b

Kollektor des Transistors T₁ und dem Bezugspotential liegt, sorgt dafür, daß der Schalttransistor T„ die erforderliche Avalanche-Festigkeit erhält. Andererseits darf der Widerstand R₁- aber auch nicht zu hochohmig gemacht werden (für die Avalanche-Festigkeit des Transistors T„ wäre allerdings ein Verzicht auf den Widerstand R₅ und dadurch offene Basis am optimalsten), da der Widerstand R^ außerdem dafür sorgen muß, daß der Emitter-Kollektorsperrstrom des Transistors T„ nicht zu groß wird. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 wurde für den ohmschen Widerstand .R₅ ein Kompromißwert von 2 kOhm gewählt. Der ohmsche Widerstand R hat

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lediglich die Aufgabe, dafür zu sorgen, daß der Transistor T₁ beim Durchschalten des Transistors T„ in der Sättigung arbeitet.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 hat der Widerstand R. einen ohmschen Widerstand von 56 Ohm. Der wirksame Abschluß wider stand von der Basis des abgeschalteten Schalttransistors T„ zum Bezugspotential beträgt damit im Ausführungsbeispiel 2,056 kOhm und wird also hauptsächlich durch R_n- bestimmt.

Die Rückschlagspannung steigt am Schalttransistor T_ sehr schnell an und treibt ihn so lange in den Avalanche-Betrieb, bis die durch Nebenschlüsse verzögerte Zündspannung erreicht ist. Von diesem Zeitpunkt an kann die gesamte, in der Zündspule gespeicherte magnetische Energie über die Zündkerzenstrecke abgebaut v/erden.

Als Treibertransistor T. wurde im Ausführungsbeispiel ein Transistor der Type BD 176 und als Schalttransistor T„ ein Transistor der Type BDY 45 verwendet. Der Widerstand R, hat im Ausführungsbeispiel einen ohmschen Widerstand von 11 Ohm- Durch den Widerstand R₃ fließt ein Strom von ungefähr 0,2 A. Der Zündspulenstrom beträgt ungefähr 5 A. Die Sekundärspule der Zündspule Z ist außer mit dem Schalter S₁ mit dem Zündverteiler verbunden.

Die Dioden D. und D„ verhindern, daß der Schalttransistor T„ bei gestörten Betriebsfällen negatives Basis-Emitterpotential und damit schlechte Avalanchefestigkeit erhält. Dies gilt für den im Ausführungsbeispiel gewählten npn-Transistor T„; für einen pnp-Transistor gilt das Umgekehrte.

Die. Figur 2 zeigt den Kollektorstrom des Schalttransistors T„ über einen Zyklus in Abhängigkeit von der Zeit. Wie die Figur 2 zeigt, steigt der Kollektorstrom zunächst exponentiell entsprechend der Zeitkonstante L/R der Primärwicklung der Zündspule an und fällt beim Abschalten des Schalttransistors T₂ abrupt ab.

Die Figur 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des Brennstromes der Zündkerze im gleichen Zyklus. Aus dieser Figur erkennt man deutlich die lange Funkenbrenndauer als wesentlichen Vorteil der Erfindung.

Die Figur 4 zeigt das Spannungsverhalten an der Funkenstrecke der Zündkerze während des gleichen Zyklus. Man erkennt die hohe Zündspannungsspitze an der Zündkerze und die darauf folgende niedrige Brennspannung.

Die Figur 5 entspricht der Figur 2 und zeigt speziell das Abschaltverhalten des Kollektorstromes des Schalttransistors

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T„ in einem vergrößerten Maßstab. Das Abschalten wird dadurch verzögert, daß beim Abschalten die Zündspannung der Zündkerze noch nicht erreicht ist und während der Abfallzeit des Kollektorstromes die Zündspule Energie an den im Avalanche-Durchbruch befindlichen Schalttransistor abgibt.

Die Figur 6 zeigt die Spannung zwischen dem Kollektor und Emitter des Schalttransistors T„ in Abhängigkeit von der Zeit. Wie diese Figur zeigt, geht die Spannung beim. Abschalten des Schalttransistors steil in die Höhe und wird auf die Avalanche-Spannung des Schalttransistors begrenzt. Die Spannung fällt jedoch abrupt ab, wenn sich an der Zündkerze die niedrige Brennspannung einstellt.

Die Figur 7 entspricht der Figur- 4, zeigt jedoch nur einen Ausschnitt der Figur 4 im vergrößerten Maßstab. Wie die Figur 7 erkennen läßt, erfolgt ein verzögerter Spannungsanstieg an der Zündkerze und ein abruptes Abfallen der Zündspannung auf die Brennspannung der Zündkerze.

Die Figur 8 entspricht der Figur 3, zeigt jedoch ebenfalls nur einen Ausschnitt der Figur 3 in vergrößertem Maßstab. Die Figur 8 zeigt den zeitlichen Verlauf des Brennstromes der Zündkerze nach Erreichen der Brennspannung der Zündkerze. Mit Erreichen der Brennspannung und dem Anstieg des Brennstromes wird keine Energie mehr an den Schalttransistor abgegeben. Damit ist der Avalanche-Betrieb des Schalt-

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transistors in Übereinstimmung mit den Figuren 5 und 6 beendet.

Die Figuren 9 bis 12 zeigen die entsprechenden bekannten Verhältnisse bei einem Schalttransistor mit Schutzkondensator und Schutzdioden ohne Avalanche-Betrieb. Die Figur 9 entspricht der Figur 5, die Figur 10 entspricht der Figur 6, die Figur 11 entspricht der Figur 7 und die Figur 12 entspricht der Figur 8. Nach den Figuren 9 bis 12 besteht der Nachteil der bekannten Schaltung darin, daß ein langsamerer Anstieg der Spannung an der Zündkerze sowie ein verzögerter Einsatz der Brennspannung bzw. des Brennstromes zu verzeichnen sind.

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Claims

Patentansprüche

1) Schaltungsanordnung, bei der ein Schalttransistor den Auf- und Entladevorgang einer Spule steuert, dadurch gekennzeichnet, daß keine Mittel vorgesehen sind, die den Schalttransistor vor dem Ävalanche-Durchbruch schützen, und daß parallel zur Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors ein solcher Widerstand wirksam ist, daß der Schalttransistor trotz Avalanche-Betrieb nicht überbeansprucht wird.

2) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der parallel zur Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors wirksame Widerstand zur Vermeidung einer überbeanspruchung bei Avalanchebetrieb entsprechend hochohmig ist.

3) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet/ daß die Basis des Schalttransistors weder direkt noch über einen Widerstand mit dem Bezugspotential verbunden ist.

4) Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter vorgesehen ist, der das zum Durchschalten des Schalttransistors erforder-

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liehe Potential an die Basis des Schalttransistors schaltet.

5) Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter ein Treibertransistor vorgesehen ist und daß zwischen dem Kollektor des Treibertransistors und der Basis des Schalttransistors ein Widerstand vorhanden ist, der so bemessen ist, daß der Treibertransistor beim Durchschalten des Schalttransistors in der Sättigung betrieben wird.

6) Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kollektor des Treibertransistors und dem Bezugspotential ein Widerstand zur Reduzierung des Emitter-Kollektor-Sperrstromes des Schalttransistors vorgesehen ist.

7) Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß,dem Kollektor des Treibertransistors eine in Flußrichtung geschaltete Diode vorgeschaltet ist.

8) Schaltungsanordnung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeich net, daß die Diode zwischen dem Kollektor des Treibertransistors und dem Verbindungspunkt der parallel zur Basis-

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Emitterstrecke des Schalttransistors liegenden Widerstände angeordnet ist.

9) Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Betriebsspannung eine Diode geschaltet ist.

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