DE3034176A1 - Eingangsstufe einer zuendsteuerschaltung - Google Patents

Eingangsstufe einer zuendsteuerschaltung

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DE3034176A1 DE19803034176 DE3034176A DE3034176A1 DE 3034176 A1 DE3034176 A1 DE 3034176A1 DE 19803034176 DE19803034176 DE 19803034176 DE 3034176 A DE3034176 A DE 3034176A DE 3034176 A1 DE3034176 A1 DE 3034176A1
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Description

Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. Theodor-Stern-Kai 1, 6000 Frankfurt 70
- Heilbronn, den 01.09.80 'SE2-HN-Ma/1 - HN 80/41
Eingangsstufe einer Zündsteuerschaltung 15
Die Erfindung betrifft eine Eingangsstufe einer Zündsteuerschaltung zur Erzeugung eines Ausgangssignals unter Ver-Wendung eines Komparators, wobei mit dem Ausgangssignal der Primärstrom einer Zündspule in Abhänigkeit eines der Eingangsstufe zugeführten Steuersignals ein- und ausgeschaltet wird.
Derartige Eingangsstufen für Zündsteuerschaltungen werden insbesondere für die Zündung von Kraftfahrzeugmotoren benötigt. Die Zündspule liefert dabei zeitlich gesteuert den Zündfunken für die Motorzyiinder. Früher wurde dieser Zündvorgang durch mechanisch betätigte elektrische Kontakte gesteuert, doch wird zunehmend dazu übergegangen, elektronische Zündsysteme einzusetzen, die dafür sorgen, daß die Zündspulen nur während der Zeit dem Ladevorgang' ausgesetzt sind, die zum Aufbau der Zündenergie erforderlich ist. Dadurch läßt sich eine erhebliche Energieeinsparung erzielen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrationsfähige Eingangsstufe einer Zündsteuerschaltung anzugeben, mit der Impulse erzeugt werden, die den Beginn der Ladezeit einer Zündspule so steuern, daß in der Spule nur während der erforderlichen Mindestzeit ein Ladestrom fließt. Der den Ladestrom
4Q auslösende Impuls wird daher von der Eingangsstufe unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt geliefert. Die genannte Aufgabe wird erfindersgemäß dadurch gelöst, daß das Steuersignal (U. ) einem Inverter (T,,) zugeführt wird, der zwei Stromvervielfacher (T1, T, bzw. T2, T2 ) im invertierten Takt des Steuersignals wechselweise schaltet, daß der durch einen Ladewiderstand (R,)
bestimmte erste Ladestrom (I1-τ) durch den ersten Stromvervielfacher (T-, , T-, ) vergrößert um einen zweiten Ladestrom (I „) einen ersten Kondensator (C,) auflädt und ein vom zweiten Ladestrom (I „) über eine Stromspiegelschaltung (T-. , T,.) abgeleiteter dritter Ladestrom (I 3) einen zweiten Kondensator (C„) auflädt, daß der durch den Entladewiderstand (R, + R- ) bestimmte erste Entladestrom (I1,-,) durch den zweiten Stromvervielfacher (T„, T? ) vergrößert um einen zweiten Entlade-strom (l„o) den ersten Kondensator (C-.) entlädt und ein vom zweiten Entladestrom dF2^ über eine Stromspiegelschaltung
(T. , T2 ) abgeleiteter dritter Entladestrom dE3) den zweiten Kondensator (C ) entlädt, daß die Spannung am zweiten Kondensator (C„) mit einer unmittelbar vom nicht invertierten Steuersignal getakteten Referenzspannung (U _) an einem Komparator
(K) verglichen wird und daß das am Ausgang des Komparators erzeugte Ausgangssignal (I ) für die Einschaltung des Zündspulenprimärstrom zusätzlich den zweiten Kondensator (C7) entlädt.
Die beiden Stromvervielfacher bestehen vorzugsweise aus je zwei Transistoren gleicher jedoch zu den Transistoren im jeweils anderen Stromvervielfacher entgegengesetzter Polarität, wobei die Emitter- und die Basiselektroden beider Transistoren in den Stromvervielfachern jeweils miteinander verbunden sind. Dadurch ist sichergestellt, daß jeweils nur einer der Stromvervielfacher Strom führt.
Der Kollektor des das Eingangssignal invertierenden Invertertransistors ist mit dem Abgriff eines Spannungsteilers verbunden, wobei der dem Lade- und Entladestromzweig des ersten Kondensators gemeinsame Widerstand des Spannungsteilers mit je einem Transistor der beiden Stromvervielfächer verbunden ist.
Der in den Stromvervielfachern erzeugte und der Vergrößerung des Lade- bzw. Entladestroms dienende zusätzliche Strom fließt über einen Transistor der dem Stromvervielfacher zugeordneten spiegelschaltung, so daß ein vom zusätzlichen Strom abgeleiteter Strom im zweiten Stromzweig der jeweiligen Stromspiegelschaltung fließt und den in diesem Stromzweig angeordneten gfei-
— ο -
": ten Kondensator auf- bzw. entlädt. Bei der erfindungsgemäßen Schaltung werden somit die beiden in der Schaltung enthaltenen Ladekondensatoren gleichsinnig auf- bzw. entladen. Der Lade- bzw. der Entladestrom des ersten Kondensators besteht jeweils aus der Summe zweier Teilströme, wobei einer dieser Teilströme über die angeschlossenen Stromspiegelschaltungen das Maß für den Auf- bzw. Entladestrom des zweiten Kondensators bildet.· . : .-
Parallel zum zweiten Kondensator liegt die Kollektor-Emitter-Strecke eines an seiner Basis vom Ausgang des Komparators angesteuerten Schalttransistors.
Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung wird anhand eines Ausführungsbeispieles noch näher erläutert. Die Figur 1 zeigt die vereinfachte Schaltung der Eingangsstufe samt dem angeschlossenen Komparator. Die Figur 2a zeigt den Verlauf des Eingangssignals U. . In Figur 2b ist der durch den Widerstand R, fließende Teil des Ladestroms für den Kondensator C-, dargestellt.
In Figur 2c ist der durch den Spannungsteiler R-, + R„ fließende Teil des Entladestroms des Kondensators C-, dargestellt.
In Figur 2d wird der Verlauf der Spannung am Kondensator C, wiedergegeben und Figur 2e zeigt den Verlauf der Spannung am Kondensator C~ sowie die am Komparator anliegende Referenzspannung.
In Figur 2f ist das Ausgangssignal am Ausgang des Komparators dargestellt.
Figur 2g zeigt schließlich noch den Verlauf der Spannung am " Kondensator C„ unter Berücksichtigung der Rückkopplungschleife aus den Widerständen R1fi und dem Transistor T1. zwischen dem Ausgang des Komparators und seinem einen Eingang.
Gemäß der Figur 1 wird mit dem Eingangssignal U über die Widerstände R-, λ > Ri2 + Ri4 ^er Invertertränsistor T,, basisseitig angesteuert.
Der Emitter des Transistors T1- ist mit der Versorgungsspannung verbunden, während der Kollektor zum Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen R1 + R_ führt. Das andere Ende des Widerstandes R ist an den Transistor T, Öes ersten Stromvervielfachers angeschlossen. Dieser Stromvervielfacher besteht aus den Transistoren T, und T1 , deren
X la
Basis- und Emitterelektroden jeweils zusammengeschaltet sind. Beim Transistor T- ist die Basis-Kollektor-Strecke kurzgeschlossen.
Ferner führt der Widerstand R1 zum Transistor T- des zweiten Stromvervielfachers, der aus den Transistoren T0 + T0 besteht, wobei gleichfalls die Emitter- und die Basiselektroden jeweils miteinander verbunden sind. Auch hier ist der Transistor T„ als Diode geschaltet. Die Transistoren des ersten Stromvervielfachers weisen eine entgegengesetzte Polarität zu den Transistoren des zweiten Stromvervielfachers auf. Alle Emitterelektroden der Transistoren in den beiden Stromvervielf achern sind an den Kondensator C-, angeschlossen, so daß über die genannten Stromvervielfacher die Lade- und Entladestromwege des Kondensators C, führen. In der Kollektorstrecke des Transistors T-. des ersten Stromvervielfachers liegt die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T-, , der wiederum Teil einer Stromspiegelschaltung aus den Transistören T-., und T, ist. Beide Tranistoren der Stromspiegelschaltung sind an den Basiselektroden und an den Emitterelektroden jeweils miteinander verbunden. Der Transistor T-, ist als Diode geschaltet. Der Kollektor des Transistors T ist an den zweiten Kondensator C„ angeschlossen. In entsprechender Weise liegt in der Kollektorstrecke des Transistors T0 des zweiten Stromvervielfachers der Transistor T0, der zweiten Stromspiegelschaltung. Diese zweite Stromspiegelschaltung besteht aus den Transistoren T„, und T-c, wobei die Basiselektroden und die Emitterelektroden der beiden Transistören miteinander verbunden sind. Dieser Transistor T0, ist als Diode geschaltet. Der Transistor T„ ist mit seinem Kollektor wiederum an den Kondensator C0 angeschlossen. Da die Transistoren T- und T„ entgegengesetzte Polarität aufweisen, wird der Kondensator C0 über den Transistor T-, aufgeladen und über
den Transistor T_ entladen.
2c
Aus der Figur 2a ist die Periodendauer T, des Zündzykluses ersichtlich. Mit der erfxnäungsgemaßen Schaltung wird«ein Ausgangssignal U . geliefert, das erst kurz vor dem Ende der Periode T, nämlich zum Zeitpunkt t2 (Figur 2f) auftritt, und zum Einschalten des Primärstroms der Zündspule dient. Am Ende der Periode T wird das Signal U abgeschaltet und im Zündsystem die Hochspannung zur Auslösung des Zündfunkens erzeugt.
Am Eingang der Schaltung liegt das Eingangssignal U. , das über einen geeigneten Geber bezogen und von der Winkelposition der Kurbelwelle gesteuert wird. Dieses Signal ist in der Figur 2a dargestellt. In der Zeit von t - t, herrscht am Eingang ein Low-Pegel und in der Zeit von t, bis zum Ende der Periodendauer T floatet das Potential am Eingang der Schaltung. Das Eingangssignal wird vom Transistor T, -, invertiert. Wenn U den Low-Pegel aufweist, wird der Transistor T11 durchgesteuert, so daß am Kollektor des Transistors T1, praktisch das Potential der VersorgungsSpannungsquelle liegt und über den Transistor T11 Strom fließen kann. Bei floatendem Potential am Eingang der Schaltung ist der Transistor T,, gesperrt und der Entladestrom des Kondensators C1 kann nur über den Spannungsteiler aus den Widerständen R1 und R„ und den Transistor T„, der Stromspiegelschaltung fließen.
Bei Low-Potential am Eingang fließt somit über den Widerstand R1 und den Transistor T1 der Ladestrom I ,, der in Figur 2b dargestellt ist, in den Kondensator C,. Ein weiterer Ladestromanteil I „ wird über den Transistor T1 bezogen, so daß der Strom IT, vergrößert bzw. vervielfacht um den Strom I,.-in den Kondensator C1 hineinfließt und diesen auflädt. Haben die Transistoren T1 und T-, elektrisch gleiche Daten, so ist
-L J. el
für den Kondensator C1 der Ladestrom I „ί« 2 χ Γν ■-,- In der Regel werden die elektrisch gleichen Daten der Transistoren T1 und T1 dadurch hergestellt, daß die Emitterflächen der
gleichzeitig erzeugten Transistoren gleich groß sind. Durch Abwandlung der Geometrie können aber auch andere Vervielfachungsverhältnisse eingestellt werden.
Der Ladestromanteil I o wird über den als- Diode geschalteten Transistor T,, einer Stromspiegelschaltung bezogen. Damit fließt auch durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Tansistors T, ein Ladestrom I ,,.der in einem definierten Verhältnis zum Ladestrom I „ steht. Bei gleichen elektrischen
LiZ
Daten der Transistoren T1, und T1 gilt: I „ ty I1. o. Der Strom
XiD XC Xi Z- Xj -j
I lädt während der Zeit t_ bis t (Figur 2a) den Konden-
Xi-J vJ X
sator C0 auf. Die zunehmende Spannung am Kondensator C„ ist in der Figur 2e dargestellt.
Während der Zeit t-, bis t_ ', also in der Restzeit der Periodendauer T, kann durch den Transistor T11 aufgrund des floatenden Potentials am Eingang der Schaltung kein Strom fließen. Folglich entlädt sich der Kondensator C1 während der Zeit t-, bis t ! über den als Diode geschalteten Transistor T0 und den Spannungsteiler R-, , R„, sowie über den Transistor T0 des zweiten Stromvervielfachers. Der Entladestrom Ip1 über den Transistor T2 ist in der Figur 2c dargestellt. Der über den Transistor T0 fließende Entladestromanteil I0 entspricht dann dem Strom I1, wenn die beiden Transistoren T0 und T0
tiJ. Z ZcL
gleiche elektrische Daten, also im allgemeinen gleiche Emitterabmessungen, aufweisen. Dann ist für den Kondensator C1 der Entladestrom I_1T,^ 2 χ Ι_Ί. Der Stromanteil I_o fließt
CXxS iiX kiZ
über den einer Stromspiegelschaltung zugehörigen Transistor T_b, so daß im zweiten Stromzweig dieser Stromspiegelschaltung ein vom Transistor I - durch Spiegelung abgeleiteter Strom I3 den Transistor T0 durchfließt, der den Entladestrom des Kondensators C0 bildet. Die» Kondensatoren C1 und C0 werden somit gemäß den Figuren 2d und 2e gleichsinnig, während der Zeit t, bis t ' entladen.
Ist die Zeitkonstante des Lace- und Fntladestromkreises des Kondensators C1/ C, * R, bzw. C1(R-, + R2) groß gegenüber der Periodendauer T, so wird sich am Kondensator C-, ein mittleres
Glexchspannungspotenxal U , M gemäß Figur 2d einstellen. Für diese Gleichspannung ϋ-,,Μ gilt
U = UB + IUBe1 (A UCJ.M — —
1 + A
Dabei ist Uß das Potential der Speisespannungsquelle, |u_,_jdef Betrag der Basisemitterspannung des Transistors T-, und A
t„ . R1.
tL RF
Xj JCi
Dabei ist t„ die Entladezeit des Kondensators C,, die der
il· X
Zeit von t, bis t ' gemäß Figur 2c entspricht. tT ist die
-L \J Xj
Ladezeit der Kondensatoren C, in der Zeit von t bis t».
R ist der Wert des Ladewiderstandes R, und R„ ist der Wert
Xj X Ji
des Entladewiderstandes. R, + R„. Bei Transistoren gleicher elektrischei- Daten bzw. gleicher Geometrie in den Stromspiegelschaltungen entspricht der Ladestrom ITq des Kondensators C„ dem Strom I2 un<^ der Entladestrom des Kondensators C? I,.,-. dem Strom I „ · Die Spannungen am Kondensator C-, und C? haben daher einen sägezahnförmigen Verlauf gemäß den Figuren 2d und 2e. Da sich der Kondensator C-, dabei auf eine mittlere Gleichspannung U-,,.. einstellt, die vom Tastverhältnis t_/tT ab-
LXM h, Jj
hängig ist, gilt für die Spannungszunahme während der Ladezeit:
= 1ClL · 1L
Cl .
Diese Spannungszunähme muß der Spannungsabnähme während der Entladephase entsprechen, für die gilt:
AUC1E
Durch Gleichsetzung der beiden Gleichungen erhält man folgende Beziehung zwisc]
ßenden Strömen:
Beziehung zwischen dem Tastverhältnis und den durch C-, flie-
1ClL ' ^L ~ 1ClE
Entsprechend gilt auch:
IC2L ' fcL ~ JC2E
Die sägezahnförmige Spannung gemäß der Figur 2e am Kondensator Cy wird dem einen Anschluß eines Spannungskomparators K zugeführt. Diese Spannung am Kondensator C„ wird an diesem Komparator mit einer Referenzspannung U_„„ verglichen. Die Referenzspannung U wird dem Komparator im Gleichtakt mit dem Eingangssignal U. zugeführt. Dies geschieht über die Transistoren T,„ und T,.,, die vom Eingangsanschluß aus angesteuert werden. Wenn am Eingang der Low-Pecrel anliegt, wird der Transistor T2 , dessen Basiselektrode über den Widerstand R.. _ am Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R,2 und R-, λ liegt, durchgesteuert. Folglich wird auch der Transistor T13 durchgeschaltet, sodaß am zweiten Anschluß des Komparators das Bezugspotential anliegt. Floatet dagegen der Eingangsanschluß, bleibt der Transistor T,„ und damit der ihm nachgeschaltete Transistor T13 gesperrt, so daß auf den Komparator die Referenzspannung U-,^^ gegeben wird. Dies ergibt sich aus der Figur 2e. Am Komparatorausgang erscheint nur dann ein Ausgangssignal U wenn die Spannung U ~ am Kondensator C„ unter die Referenzspannung URFT-, gefallen ist. Das den Ladevorgang der Zündspule auslösende Ausgangssignal tritt somit gemäß der Figur 2f nur in der Zeit zwischen t„ und t ' auf, wobei diese Zeit ausreicht, um der Zündspule die erforderliche Zündenergie zuzuführen. Während der restlichen Zeit bleibt die Primärspule stromlos, so daß eine optimale Energieeinsparung erzielt wird. Aufgrund der Tatsache, daß die Referenzspannung üot:,„ mit Hilfe des nicht invertierten Eingangssignals UTN getaktet dem Komparator K zugeführt wird, ist
sichergestellt, daß die Referenzspannung auch dann am Komparator auftritt, wenn der Kondensator C, bei Einleitung eines Zündvorganges entladen ist. Somit wird auch bei stillstehendem Motor und eingeschalteter Zündung das Fließen eines unnötigen Ladestroms durch die·Primärspule verhindert. * ·
Das Ausgangssignal U , am Komparator K wird über den Widerstand R16 und den Transistor T-,, auf den Komparatoreingäng für die Spannung U _ zurückgeführt. Der Transistor T-,, wird bei einem vorhandenen Ausgangssignal U , am Komparator K durchgeschaltet und entlädt den parallel geschalteten Kondensator C„, so daß sichergestellt ist, daß zu Beginn einer neuen Zündperiode am Kondensator C„ stets Nullpotential herrscht. Dadurch wird eine Aufschauke"lung der Spannung am Kondensator C„ verhindert. Der sich daraus ergebende Spannungsverlauf am Kondensator C„ ist in der Figur 2g dargestellt.
Die in den Figuren 2a - 2g dargestellten Kurvenverläufe ändern, sich mit der Drehzahl des Motors bzw. des Verteilers.
Beim Ansteigen der Drehzahl werden die Periodendauern verkürzt und die maximalen Spannungspotentiale an den Kondensatoren C, und C„ reduziert. Dies bedeutet, daß mit steigender Drehzahl der Ausgangsimpuls U . einen immer größeren Anteil des Zeitabschnittes zwischen t, und t ' umfaßt. Bei sehr hohen Drehzahlen wird die Dauer des Ausgangsimpulses U der Zeitspanne zwischen t.. und t ' entsprechen, während bei sehr geringen Drehzahlen der Ausgangsimpuls U ., gemessen an der Gesamtperiodendauer T, nur einen kleinen Zeitanteil aufweist. Daher wird gerade bei geringen und mittleren Drehzahlen mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung der Stromfluß in der Primärspule zeitlich eingeschränkt und damit Energie eingespart.

Claims (6)

  1. Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. Theodor-Stern-Kai 1, 6000 Frankfurt 70
    Heilbronn, den 01.09.80 SE2-HN-Ma/1 - HN 80/41
    Patentansprüche
    I I)J Eingangsstufe einer Zündsteuerschaltung zur Erzeugung eines Ausgangssignals unter Verwendung eines Komparators, wobei mit dem Ausgangssignal der Primärstrom einer Zündspule' in Abhängigkeit eines der Eingangsstufe zugeführten Steuersignals ein- und ausgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal (U. ) einem Inverter (T,,) zugeführt wird, der zwei Stromvervielfacher (T,, T, bzw. T0, T0 ) im invertierten Takt des Steuersignals wechsel- . weise schaltet, daß der durch einen Ladewiderstand (R.. ) bestimmte erste Ladestrom (I1) durch den ersten Stromver-
    Ll
    vielfacher (T1, T1 ) vergrößert um einen zweiten Ladestrom
    _L J- ä
    (I „) einen ersten Kondensator (C,) auflädt und ein vom zweiten Ladestrom (I „) über eine Stromspiegelschaltung (T,, ,T, ) abgeleiteter dritter Ladestrom (I _) einen zweiten Kondensator (C„) auflädt, daß der durch den Entladewiderstand (R,+R0) bestimmte erste Entladestrom (I ,) durch den zweiten Stromvervielfacher (T0, T0 ) vergrößert um einen zweiten Entladestrom (I o) den ersten Kondensator (C,) entlädt und ein vom zweiten Entladestrom (Ip?) über eine Stromspiegelschaltung (T„, , T0 ) abgeleiteter dritter Entladestrom dE3) den zweiten Kondensator (C„) entlädt, daß die Spannung am zweiten Kondensator (C„) mit einer unmittelbar vom nicht invertierten Steuersignal getakteten Referenzspannung (U ) an einem Komparator (K) verglichen wird und daß das am Ausgang des Komparators erzeugte Ausgangssignal (U ) für die Einschaltung des Zündspulenprimärstrom zusätzlich den zweiten Kondensator (C0) entlädt.
  2. 2) Eingangsstufe einer Zündsteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stromvervielfacher aus je zwei Transistoren (Tn, T, bzw. T0 , T„ ) gleicher je-
    JL Xa Z ZcL
    doch zu den Transistoren im jeweils anderen Stromvervielfa— eher entgegengesetzter Polarität bestehen, wobei die Emitter- und die Basiselektroden beider Transistoren in den Stromvervielfachern jeweils miteinander verbunden sind.
  3. 3) Eingangsstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Invertertransistors (T,,) mit dem Abgriff eines Spannungsteilers (R,, R„) verbunden ist, wobei der dem Lade- und Entladestromzweig des ersten Kondensators (C-,) gemeinsame Widerstand (R,) des Spannungsteilers mit je einem Transistor (T, bzw. T„) der beiden Stromvervielfacher verbunden ist.
  4. 4) Eingangsstufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Stromvervielfachern erzeugte, der Vergrößerung des Lade- (IT,) bzw. Entladestroms
    LX (Im1) dienende zusätzliche Strom (ITo bzw. I„o) über einen
    Transistor (T,, bzw. T„, ) einer dem Stromvervielfacher zugelb 2b
    ordneten Stromspiegelschaltung fließt, so daß ein vom zusätzlichen Strom (I 2 bzw. I „) abgeleiteter Strom im zweiten Stromzweig der jeweiligen Stromspiegelschaltung fließt und den in diesem Stromzweig angeordneten zweiten Kondensator (C2) auf- bzw. entlädt.
  5. 5) Eingangsstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum zweiten Kondensator (C2) die Kollektor-Emitter-Strecke eines an der Basis vom Ausgang des Komparators angesteuerter Schalttransistor (T,.) liegt.
  6. 6) Eingangsstufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Verwendung in Kraftfahrzeugen,
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