DE2909540A1

DE2909540A1 - Eingangsstufe fuer fahrzeug-zuendsteuerschaltkreis

Info

Publication number: DE2909540A1
Application number: DE19792909540
Authority: DE
Inventors: Jerome A Frazee
Original assignee: Fairchild Camera and Instrument Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 1978-03-22
Filing date: 1979-03-10
Publication date: 1979-09-27
Also published as: US4163160A; ES477245A1; JPS54125328A; GB2017441A; DE2909540C2; GB2017441B

Description

■ S-

Fairchild Camera and Instrument

Corporation 464 Ellis Street

Mountain View, California 94042

V.St.A.

F ?846

Eingangsstufe für Fahrzeug-Zündsteuerschaltkreis

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Schaltungen, und sie bezieht sich insbesondere auf eine Schaltung für die Eingangsstufe eines Fahrzeug-Zündsteuerschaltkreises.

Der Zündfunke für die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylindern von Motoren mit innerer Verbrennung wurde bisher überweigend auf elektromagnetischem Wege erzeugt, und zwar insbesondere dadurch, daß ein Verteilerfinger und eine Nockenanordnung mechanisch elektrische Kontakte zur Steuerung einer Spule öffnen und schließen. Die Spule liefert Zündfunken zu den verschiedenen Zylindern, und zwar in der vorgegebenen Folge und über vorgegebene Zeiten. Es ist jedoch bereits bekannt, daß die Ausführung dieser Funktion auf elektronischem Wege gegenüber der herkömmlichen mechanischen Technik wesentliche Vorteile bietet. Allerdings liegt ein gewisser Nachteil darin, daß bei vielen der elektronischen Verfahren zur Ausführung der Funktion der Zündung Energie dadurch verschwendet wird, daß die .Spule für eine übermäßig lange Zeitdauer dem Ladevorgang ausgesetzt wird. Aufgrund dieser Tatsache sind Verfahren zur Erzeugung eines Steuersignals entwickelt worden, welches nur die für die Ladung der Spule erforderliche Mindest-Einschaltzeit hat*

8Ö9Ö3Ö/Ö7.84

- st-

Bei einer Steuerschaltung bekannter Art, welche beispielsweise in der Schaltung Nr. 7357 der Fairchild Camera and Instrument Corporation realisiert ist, wird die Mindesteinschaltzeit, welche für die Ladung der Spule erforderlich ist, unter Verwendung eines magnetischen Gebers in dem Verteiler erzeugt, welcher mechanisch oder elektromechanisch eine nicht-lineare Dreieck-Wellenform erzeugt. Ein gewisser Machteil einer solchen mechanischen bzw, elektromechanischen Anordnung ist, daß sie kostenaufwendig ist und eine sorgfältige Einstellung erfordert.

Die vorliegende Erfindung gestattet, Machteile der bisher ~bekannten Schaltungen und Anordnungen dadurch zu beheben, daß eine verbesserte Eingangsstufe für einen Fahrzeug-Zündsteuerschaltkreis geschaffen wird. Die Eingangsstufe gemäß der Erfindung erzeugt ein Signal der gewünschten Dauer zur Steuerung der Aufladung einer Spule auf den gewünschten Strom über die Mindestzeitdauer.Die Eingangsstufe ist vorzugsweise mit einem geeigneten Geber verbunden, welcher Signale liefert, die für die Yinkelposition der Kurbelwelle repräsentativ sind. Eine solche Einrichtung kann eine integrierte Halleffektschaltung sein, beispielsweise Honeywell TVIicro Switch 1AV2A, welche so geschaltet ist, daß sie die Position der Verteilerwelle abfühlt und entsprechende Signale zu der EingangsStufenschaltung liefert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Schaltung vorgesehen, welche einen Kondensator in Abhängigkeit von Signalen aus einer Halleffektanordnung lädt und entlädt. Durch Vergleich der Spannung über dem Kondensator, welche sich nach einer dreieckförmigen Schwingungsform ändert, mit der Spannung aus einer Bezugsquelle kann ein Signal zu der Spul« geliefert werden, welches die Spule in geeigneter Weise für dievorgesehene Mindestdauer lädt«,

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Wenn sich der Halleffekt-Ausgangstransistor oder eine andere Gebereinrichtung im Ein-Zustand befindet, fließt ein Strom von der Eingangsstufe zur Erde. Dieser Strom wird von einem Transistorpaar geteilt, wobei die eine Hälfte des Stromes einen ersten Kondensator lädt und die andere Hälfte einen zweiten Kondensator lädt und eine Bezugsspannung schaltet, welche zu einem Vergleicher (comparator) geliefert wird.

Wenn sich der Halleffekt-Ausgangstransistor oder eine andere geeignete Gebereinrichtung im Aus-Zustand befindet, fließt ein Strom in die Eingangsstufe und erlaubt die Entladung des ersten und des zweiten Kondensators. Wenn die Spannung über dem zweiten Kondensator zu einem Vergleicher mit der Bezugsspannung geliefert wird, wird der Vergleicher veranlaßt, ein Ausgangssignal zur Steuerung der Spule zu erzeugen«

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Fig» 1 zeigt ein schematisch.es Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform einer Eingangsstufe für einen Fahrzeug-Zündsteuerschaltkreis gemäß der Erfindung„

Fig. 2 zeigt zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltung mehrere Diagramme der zeitlichen Steuerung.

Fig. 1 zeigt schematisch und vereinfacht die Eingangsstufe eines Fahrzeug-Zündsteuerschaltkreises gemäß der Erfindung. Die Aufgabe der Eingangsstufe ist, ein Ausgangssignal V_Q zu liefern, welches verstärkt oder in anderer geeigneter Weise verarbeitet und zu einer Spule geliefert werden kann, welche zur Ladung und Entladung veranlaßt wird und dadurch den Zündfunken in den vorgesehenen Zeiten für die verschiedenen Zylinder eines Motors mit innerer Verbrennung erzeugt.

Zum Erzeugen einer Schwingungsform, welche auf Leitung N zu einer Eingangsstufe 10 für den Fahrzeug-Zündsteuerschaltkreis geliefert wird, können geeignete bekannte Einrichtungen benutzt werden, beispielsv/eise der Ausgangstransistor H einer Halleffekt-Anordnung, vorzugsweise ein Offenkollektor-Ausgangsverstärker. Wie in Fig. 2a dargestellt ist, sollte das Eingangssignal V_w auf Leitung N zwischen den Zeiten t^ und t^ niedrig sein, und das Eingangssignal sollte offen sein, um zu erlauben, daß Leitung N zwischen t.. und tp flotiert. Zeit t~ ist der Beginn des nächsten Zyklus, und der Funke aus der Spule soll in der Zeit t₂ auftreten. Bei Verwendung einer Halleffekt-Anordnung ist dieses Kriterium erfüllt, da der Spannungspegel auf Leitung N niedrig sein wird, wenn der Halleffekt einsetzt und hoch, wenn der Halleffekt aussetzt,,

Das Schalten des Halleffekt-Ausgangstransistors H bewirkt, daß ein Strom in und aus Leitung N fließt. Wenn der Halleffekt-Ausgangstransistor H im Zeitpunkt t_Q eingeschaltet wird, wird ein Strom I_ou+. aus Leitung N durch den Halleffekt-Transistor H zur Erde fließen. Die Stärke dieses Stromes I_QU4. ergibt sich aus der Gleichung:

¹OUt = <^VCF - ^VBEQ2>/^R102·

Dabei ist V„„ die Spannung über Kondensator CF, V-a-nno ^-^s^ ^^e Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q2, und R102 ist der Widerstandswert des Widerstandes R102. Die Transistoren Q1 und Q2 haben die gleiche Geometrie, so daß der Strom I_ou+ sich zu gleichen Teilen auf diese Transistoren aufteilt. Der Strom Ipp am Schaltungspunkt P ist daher gegeben durch die Beziehung:

¹CF ^{= 1}OUt^²⁰

Der durch Q2 fließende Strom wird Kondensator CF entladen,, Die andere Hälfte des Stromes wird durch Transistoren Q6A, Q.6B und Q6C gespiegelt» In bekannter Weise können Q6A_r Q6B und Q6C

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drei Transistoren gleicher Abmessungen sein, so daß ein Strom einer bestimmten Stärke, welcher in Q6A hineinfließt, auch in Q6B und Q6C hineinfließt. Auf diese Weise werden auf Leitungen R und S gleiche Ströme geliefert.

Der Strom auf Leitung R bewirkt, daß Kondensator CI während der Zeit, in der die Halleffekt-Anordnung H sich im Ein-Zustand befindet, linear geladen wird, und das ist in Fig. 2c zwischen t_Q und t^ der Fall. Da der Kondensator CF wesentlich größer ist als der Kondensator CI, wird sich die Spannung über Kondensator CF nicht so stark ändern wie die Spannung über Kondensator CI. In diesem Zusammenhang vergleiche man Fig. 2b mit Fig. 2c. Dabei kann bei den meisten Betrachtungen die Spannung über Kondensator CB¹ als konstant angesehen werden_o

Wenn die Halleffekt-Anordnung den Ausgangstransistor H abschaltet (im Zeitpunkt t^ in. Fig. 2c), nimmt der Kollektor des Transistors H einen hohen Wert an, und dadurch wird erreicht, daß ein Strom I- von der positiven Speisespannung +V durch Widerstand R1O1 zur Leitung N fließt.

Dieser Strom I^ ist gegeben durch folgende Beziehung:

BEQ3^}] ^/(R1°^{1 +R102)}

Dabei ist V_BEq3 die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q3, R101 ist der Widerstandswert des Widerstandes R101, und R102 ist der Widerstandswert des Widerstandes R102. Da dieser Strom durch Q3A und Q3B geteilt wird, ergibt sich der Strom !„„ am Schaltungspunkt P durch folgende Gleichung:

Bei den meisten Ausführungsformen wird die Speisespannung +V die Batteriespannung des Fahrzeugs abzüglich irgendwelcher Spannungsfälle sein, welche durch Filter oder andere zwischen

geschaltete Einrichtungen bedingt sind.

Der Strom, welcher in die Eingangsstufe 10 auf Leitung N gelangt, fließt durch Q3A und Q3B, und er teilt sich hier in zwei gleiche Ströme auf, wobei eine Hälfte mit Ladung von Kondensator CF addiert wird. Die andere Hälfte des Eingangsstroms von Transistor Q3A wird durch Transistoren Q7 und Q8 gespiegelt und bewirkt, daß die Spannung über Kondensator CI entsprechend der Darstellung in Fig. 2c in der Periode zwischen t,, und t-z abnimmt.

Im stationären Betrieb kann sich Kondensator CF nur durch die Eingangsleitung N laden oder entladen. Nach mehreren Arbeitszyklen wird sich daher die Eingangsschaltung 10 selbst einstellen, so daß der hineinfließende Strom, multipliziert mit seinem Tastverhältnis, gleich dem herausfließenden Strom, multipliziert mit seinem Tastverhältnis, ist. Als Tastverhältnis (duty cycle) wird dabei das Verhältnis der Ein-Zeit zur Aus-Zeit bezeichnet. Im Regelfall ist das Tastverhältnis mechanisch durch die Dimensionen von Komponenten innerhalb des Verteilers gegeben. Die mittlere Spannung am Kondensator CF wird daher stabil sein, wenn folgende Gleichung erfüllt ist:

*1 *2

2ÜF J ¹OUt ^dt = 2ÜF . / ¹In ^dt -C₀ -C₁

Wenn der Kondensator CF groß ist, so daß die Änderung von V„„ während eines Zyklus klein ist, so kann V^p als Konstante angesehen werden, und I. und I,.,,+. werden konstant sein.

Die Gleichwertigkeit der Strom-Tastverhältnis-Produkte führt zu einem wesentlichen Fortschritt gegenüber bekannten Schaltungen, bei denen dem Schaltungspunkt P eine feste Spannung zugeführt wirdο Schaltungen bekannter Art waren extrem empfindlich gegen-

- Vif-

über Dimensionsänderungen bei den Halleffektplatten, dem Verteiler und anderen mechanischen Geräten und Teilen. Im Gegensatz hierzu kann bei der Schaltung 10 gemäß der Erfindung der Schaltungspunkt P flotieren und der Schaltungspunkt P wird daher denjenigen Spannungspegel suchen, bei dem die Eingangsströme, welche in Leitung N hineinfließen und aus Leitung N herausfließen, im gleichen Verhältnis stehen wie beim Tastverhältnis.

Zwischen den Zeiten t^ und tp nimmt die Spannung über Kondensator CI ab, bis sie den Wert einer Bezugsspannung V_n, erreicht, welche durch Spannung Vn über Widerstand R1O3 erzeugt wird. Die Bezugsspannung V_n, wird durch den Strom aus Transistor Q6C ein- und ausgeschaltet. Das Schalten der Bezugsspannung V„, ist in Fig. 2d dargestellt. Wenn sie nicht geschaltet wird, würde das Signal V_R, das Signal V^j im Punkt V (Fig. 2c) kreuzen, und das Signal Vq würde unnötig lang sein und daher in unnötigem Umfang Leistung verbrauchen. Beim Schalten des Signals Vp, kreuzt die Bezugsspannung V_n, die Spannungskurve V_Gj nur einmal je Zyklus, bevor sie sie zu Beginn eines jedes Zyklus kreuzt. Spannungsvergleicher 741 erzeugt daher nur zwischen den Zeiten t^ und tp ein Ausgangssignal Vq, und dies ist dann der Fall, wenn Vp!^: V«,. ist. Der Vergleicher 7^1 vergleicht die Bezugsspannung V_n, mit der Spannung Vq-T-, und wenn Spannung Vpj negativer wird und die Spannung V_n, kreuzt, wird der Ausgang des Vergleichers in den Ein—Zustand versetzt. Hierdurch wird der Strom zu der Spule eingeschaltet. Zwischen den Punkten t-z und ±2 ^wi^rd die Spule (nicht dargestellt) geladen, wobei der Funke im Zeitpunkt tp"auftritt.

Wenn die Halleffekt-Anordnung H veranlaßt, daß Transistor Q6A in den Ein-Zustand versetzt wird, wird Transistor Q17 durch den Strom von Transistor Q6C in den Ein-Zustand versetzt. Hierdurch wird die Be zugs spannung Vr,, auf einen niedrigeren Wert gebracht, so daß sie unter den unteren Punkt der Vq₁-Schwingungs-

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form abfallt und den Vergleicher in diesem Zeitpunkt (t~) wieder in den Aus-Zustand zurückversetzt. Die Wirkung der sich ändernden Beziehung zwischen Spannung V_R, und Spannung V_Cj ist, daß entsprechend der Darstellung in Fig. 2e ein Ausgangssignal Vq erzeugt wird, welches in der erwähnten ¥eise verwendet wird, eine Spule zu laden und zu entladen, so daß ein Funke erzeugt wird.

Transistor Q10, welcher als Diode geschaltet ist, definiert eine Spannung, welche sich um einen geringen Wert über Erde als der am stärksten negativen Spannung, zu der die Spannung V_CI gelangen kann, befindet. \Ienn. der Vergleicher im Zeitpunkt t, den Ein-Zustand einnimmt, bewirkt ein Ausgangssignal aus Vergleicher 741 durch Widerstand R1 zum Transistor Q9, daß Transistor Q9 den Sättigungszustand einnimmt und die Spannung Vqj auf diesen Pegel gezogen wird₀ Spannung V_Cj wird durch Transistor Q9 entladen und bleibt während der Zeit von t, bis t₂ entladen. Im Zeitpunkt t₂ wird der Vergleicher in den Aus-Zustand versetzt, und dies bewirkt, daß Transistor Q9 abschaltet und dadurch ermöglicht, daß der Arbeitszyklus erneut beginnen kann. Die Bezugsspannung V^ wird durch Transistor Q17 auf eine Sattigungsspannung über Erde herabgesetzt. Transistoren Q4, Q5 und Q12 sind so geschaltet, daß sie Basisstromfehler in den Stromspiegeln herabsetzen.

Die Form der in den Fig. 2a bis 2e dargestellten Kurven ändert sich entsprechend der Drehzahl (Upm), mit der die Verbrennungskraftmaschine und dementsprechend auch der Verteiler arbeiten. Allgemein kann gesagt werden, daß ein Ansteigen der Drehzahl die Folge hat, daß die dargestellten Schwingungsformen zusammengedrückt werden, also die Periode jedes Zyklus verkürzt und die Höhe der Vp₁- und V_CF_Signale herabgesetzt wird. Bei noch höheren Drehzahlen wird im Zeitpunkt t^ V_CI gleich oder niedriger als V_R, und dann wird V . im Zeitpunkt t^ auf einen hohen Wert und im Zeitpunkt t₂ auf einen niedrigen Wert schalten. V_Q wird daher V^ folgen.

ο / ο ·

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Transistoren Q1 und Q2 so angepaßt, daß sie bei einem gegebenen Iiollektorstrom die gleiche Basis-Emitter-Spannung haben. Die Transistorpaare Q3A und Q3B sind ebenfalls angepaßt, und dies ist auch der Fall bei dem Paar Q7 und Q8, ebenso wie bei dem Satz Q.6A, ÖSE und Q6C_O Bei einer solchen bevorzugten Ausführungsform können die Komponenten der in. Fig. 1 dargestellten Schaltung die folgenden Werte haben bzw. die folgenden Typen sein:

Widerstände R1 2000 Ohm

R101 15000 0hm

R102 5000 0hm

R103 2000 0hm

Speisespannung +V Vd Volt

+V_R 2.5 Volt

Kondensatoren CF 4.7 Microfarad

CI 0.47 Microfarad

Wesentliche Merlanale der Erfindung v/erden nachfolgend ohne Anspruch auf Vollständigkeit zusammengefaßt: Eine Eingangsstufe für einen Fahrzeug-Zündkontrollschaltkreis empfängt ein Signal von einem Geber und erzeugt in Abhängigkeit hiervon ein Steuersignal zum Laden und Entladen einer Spule. Der Geber ist vorzugsweise ein Offenkollektorschalter, welcher die Flußrichtung eines Stromes in die Eingangsstufe bzw. aus der Eingangsstufe steuert. Dieser Strom wird benutzt, um einen Kondensator in der Eingangsstufe zu laden und zu entladen, wobei ein Signal mit einer Dreieck-Schwingungsform erzeugt wird, deren Neigung dem !festverhältnis (duty cycle) proportional ist. Das Signal mit Dreieck-Schwingungsform steuert zusammen mit einem Bezugsspannungssignal einen Vergleicher, welcher seinerseits die Arbeit der Spule steuert.

Leerseite

Claims

Fairchild Camera and Instrument

Corporation

464 Ellis Street

Mountain View, California 94042

V.St.A.

F 7846

Eingangsstufe für Fahrzeug-Zündsteuerschaltkreis

Pate-ntansprüche

Π. Eingangsstufe für Fahrzeug-Zündsteuerschaltkreis zum Liefern eines Ausgangssignals von einem Ausgangsschaltungspunkt in Abhängigkeit von einem an einen Eingangsschaltungspunkt angelegten Eingangssignal, gekennzeichnet durch

eine erste und eine zweite Speisespannung zur Darstellung einer ersten bzw. zweiten Bezugsspannung, wobei die erste Speisespannung mit dem Eingangsschaltungspunkt verbunden ist,

einen ersten Stromteiler zur Aufteilung eines vom Eingangsschaltungspunkt abfließenden Stromes in einen ersten und einen zweiten Strom, · . ·

einen zweiten Stromteiler zur Aufteilung eines in den Eingangsschalt ungspunkt hineinfließenden Stroms in einen dritten und einen vierten Strom, ·

einen ersten Kondensator, welcher so geschaltet ist, daß er von dem ersten Strom geladen und von dem dritten Strom entladen wird,

einen zweiten Kondensator, welcher so geschaltet ist, daß er von dem zweiten Strom geladen und von dem vierten Strom entladen wird, und

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einen Spannungsvergleicher, welcher mit dem zweiten Kondensator und der zweiten Speisespannung so verbunden ist, daß er das Ausgangssignal an dem Ausgangsschaltungspunkt erzeugt.

2„ Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsvergleicher ein erstes Ausgangssignal erzeugt, wenn die zweite Bezugsspannung größer als das Potential über dem zweiten Kondensator ist..

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Strom einen Schalter zur Entladung des zweiten Kondensators betätigt.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß

der erste Stromleiter Transistoren (Q1 und Q2) enthält, deren Emitter mit dem Eingangsschaltungspunkt verbunden sind, und deren Basen miteinander verbunden sind,

wobei der Kollektor des einen Transistors (Q2) mit seiner Basis und mit dem ersten Kondensator zur Lieferung des ersten Stromes verbunden ist, und

der Kollektor des anderen Transistors (Q.1) mit dem zweiten Kondensator zur Lieferung des zweiten Stromes verbunden ist,

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

ein Schalter mit der zweiten Speisespannung so verbunden ist, daß er den Stromfluß zu dem Spannungsvergleicher steuert,und

ein erster Stromspiegel mit dem Kollektor des anderen Transistors (Q1) so verbunden ist, daß er einen fünften 5trom liefert, dessen Stärke gleich der des zweiten Stromes ist, um den Schalter für die zweite Speisespannung zu betätigen.

60 Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der zweite Stromteiler Transistoren (Q3A und Q3B) enthält, deren Emitter mit dem EingangsSchaltungspunkt und deren Basen miteinander verbunden sind,

wobei der Kollektor des einen Transistors (Q3B) mit seiner Basis und mit dem ersten Kondensator so verbunden ist, daß er den dritten Strom liefert, und

der Kollektor des anderen Transistors (Q3A) mit dem zweiten Kondensator so verbunden ist, daß er den vierten Strom liefert.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

die Basis eines Transistors (Q9) mit dem Ausgangsschaltungspunkt verbunden ist,

der Kollektor mit dem zweiten Kondensator verbunden ist, und der Emitter mit Erde verbunden ist.

8c Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transistor (Q7) und ein Transistor (Q8) zwischen dem zweiten Kondensator und dem Kollektor von Transistor (Q4) liegen,

die Basen der beiden erstgenannten Transistoren (Q7 und Q8) miteinander verbunden sind,

der Kollektor des einen Transistors (Q7) mit dem Kollektor des Transistors (Q3A) verbunden ist,

der Kollektor des anderen Transistors (Q8) mit dem zweiten Kondensator verbunden ist, und

die Emitter der Transistoren (Q7, Q8 und Q9) miteinander verbunden sind.

9. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

zwischen den verbundenen Emittern der Transistoren (Q7, Q8 und Q9) und Erde ein Transistor (Q10) liegt.

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10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

der Kollektor und die Basis des Transistors (Q10) miteinander und mit den verbundenen Emittern der Transistoren (Q7, Q8 und Q9) verbunden sind, und

der Emitter des Transistors (Q10) mit Erde verbunden ist.

11. Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß

das dem Eingangsschaltungspunkt zugeführte Eingangssignal von einer Halleffekt-Anordnung geliefert wird.