DE3411309A1

DE3411309A1 - Einrichtung zur erzeugung elektrischer pulse

Info

Publication number: DE3411309A1
Application number: DE19843411309
Authority: DE
Inventors: Robert V. Los Angeles Calif. Jackson
Original assignee: Mcculloch Corp
Current assignee: Mcculloch Corp
Priority date: 1983-03-28
Filing date: 1984-03-27
Publication date: 1984-10-04
Also published as: AU565620B2; SE8401081L; GB8407458D0; FI79764B; SE457488B; GB2137427A; FI79764C; IT1173907B; SE8401081D0; CA1211518A; IT8420159A0; FI840922A0; FR2543757A1; JPS59188072A; FI840922A; AU2501684A; US4561707A; GB2137427B

Description

TER MEER · MÜLLER · STEINMElSTEFi "" McCulloch" Corp. -MAC-I 36-GER

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Speicherung und Übertragung elektrischer Energie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Sie bezieht sich ferner auf eine Pulserzeugungseinrichtung sowie Zündvorrichtung mit einer derartigen Speicher- und übertragungseinrichtung.

Es sind bereits verschiedene Vorrichtungen, Schaltungen und Systeme zur Erzeugung elektrischer Impulse für diverse Anwendungen, einschließlich Zündsysteme zur Funkenzündung von Verbrennungsmotoren, bekannt. Sie besitzen typischerweise Hochspannungstransformatoren mit induktiv gekoppelten Primär- und Sekundärwicklungen. Durch die Primärwicklung fließt ein Strom, der so gesteuert wird, daß an der Sekundärwicklung ein gewünschter Ausgangspuls entsteht. Die Stromsteuerung erfolgt dabei mit Hilfe besonderer Stromschalter bzw. kapazitiver Entladungssysterne. Im ersten Fall wird der durch die Primärwindung fließende und ein gewünschtes Magnetfeld erzeugende Strom mit Hilfe von mechanischen und/oder Halbleiterschaltern kurzzeitig bzw. periodisch zur Erzeugung der gewünschten Ausgangspulse an der Sekundärwicklung unterbrochen. Im zweiten Fall ist die Primärwicklung dagegen mit einem Kondensator verbunden, der zur Erzeugung der gewünschten Ausgangspulse an der Sekundärwicklung entladen wird. Die Entladung des Kondensators erfolgt dabei durch einen steuerbaren Schalter, so daß der Entladestrom die Primärwicklung des Transformators durchfließen kann. Die kapazitive Steuerung hat den Vorteil, daß der Primärstrom bzw. die Aufladung des Kondensators im Hinblick auf verschiedene Anwendungsfälle unterschiedlich groß gewählt werden kann, und daß die Ladung so lange gespeichert werden kann, bis ein gewünschter

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER McCulloch Corp.-MAC-1 36-GER

Ausgangspuls an der Sekundärwicklung des Transformators erzeugt werden soll. Der Kondensator stellt jedoch ein weiteres Bauteil dar, das über konventionelle Leitungen mit der Primärwicklung des Pulerzeugungstransformators verbunden werden muß. Hierdurch erhöhen sich die Kosten für ein derartiges Pulserzeugungssystem. Darüber hinaus wird durch die Zuführung des kapazitiv gespeicherten Ladestroms in die Primärwicklung die Pulswiederholungsfrequenz begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Speicherung und übertragung elektrischer Energie zur Erzeugung elektrischer Pulse zu schaffen, die kostengünstig herstellbar ist, und die gegenüber den bekannten Einrichtungen mit einer vergrößerten Pulsfolgefrequenz betrieben werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist kurzgefaßt im Patentanspruch 1 angegeben.

Der Kern der Erfindung besteht darin, daß eine Einrichtung zur Speicherung und übertragung elektrischer Energie vorgesehen ist, die zunächst aufgeladen wird und die zur Erzeugung der gewünschten Pulse erforderliche Energie speichert, und die zu einem beliebigen Zeitpunkt zur Bildung eines sich schnell verändernden Magnetfelds entladbar ist. Dieses Magnetfeld wird dann dazu herangezogen, in einer mit ihm induktiv gekoppelten Ausgangsspule die gewünschten Ausgangspulse zu induzieren. Auf diese Weise wird eine Pulserzeugungseinrichtung erhalten, die zuverlässig arbeitet, kostengünstig herzustellen ist, und die mit einer erhöhten ausgangsseitigen Pulsfolgefrequenz betrieben werden kann.

Die genannte Pulserzeugungseinrichtung eignet sich insbesondere zum Einsatz in Zündsystemen zur Funkenzündung von

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTfR- '••'McCullrüch ^:Corp. -MAC-1 36-GER

- 8

z. B. ein- oder mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschinen. Sie ist aber auch zum Einsatz in pyrotechnischen Schaltanlagen bzw. in Einrichtungen zur Erzeugung von Radarpulsen vorgesehen.
5

Die Einrichtung zur Speicherung und Übertragung elektrischer Energie besitzt leitfähige Folien sowie dielektrische Mittel zur Trennung und Isolierung der Folien voneinander bzw. zur Erzeugung einer kapazitiven und induktiven Kopplung zwischen den Folien. Ferner sind Schaltungsmittel zur elektrischen Aufladung der Folien bzw. Speicherung der zur Pulserzeugung erforderlichen elektrischen Energie sowie weitere Mittel zur Entladung der Einrichtung vorgesehen, wobei der Elektronenfluß wenigstens während der Entladung ein Magnetfeld mit einer vorgegebenen Größe erzeugt.

Der Elektronenfluß in den Folien kann bei der Entladung so gewählt werden, daß sich die jeweils erzeugten Magnetfeider ganz oder teilweise addieren, so daß ein entsprechend starkes bzw. sich schnell veränderndes Gesamtmagnetfeld erzeugbar ist.

Dieses Magnetfeld induziert in einer Ausgangsspule, die mit der Stromfolien-Induktionseinrichtung induktiv gekoppelt ist, und die von den Feldlinien des durch die Stromfolien-Induktionseinrichtung erzeugten Magnetfelds geschnitten wird, die erwünschten elektrischen Ausgangspulse.
30

Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind bei der Einrichtung zur Speicherung und übertragung elektrischer Energie die ersten und zweiten leitfähigen Folien streifenförmig ausgebildet und spulenartig übereinanderliegend aufgewickelt. Dabei sind erste und zweite dielektrische Streifen zur Beabstandung und Isolierung der leit-

TER MEER · MÜLLER · STEINMEI5TER- "-'ftoCull-csch «Corp.-MAC-136-GER

9 -

fähigen Streifen voneinander vorgesehen. Die leitfähigen Streifen sind zur Aufladung der Einrichtung mit einer geeigneten Energiequelle, z. B. einer Batterie, verbunden. Die Entladung kann beispielsweise über einen steuerbaren Gleichrichter, z. B. einen Thyristor, erfolgen.

Die leitfähigen Streifen können jeweils mit einem oder mehreren Anschlußkontakten versehen sein. Diese können sowohl am Ende als auch in der Mitte eines jeweiligen Streifens angeordnet und gegebenenfalls als verschiebbare Abgriffe ausgebildet sein. Durch die Veränderung der Positionen der Abgriffe läßt sich die Magnetfeldstärke beeinflussen, ohne die kapazitiven Eigenschaften der Einrichtung zu verändern. Auch das Verhältnis der induktiven zu den kapazitiven Eigenschaften läßt sich auf diese Weise einstellen.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Energiequelle zur Ladung der erfindungsgemäßen Einrichtung eine von einem Magneten kurzzeitig beaufschlagte Induktionsspule. Sie befindet sich beispielsweise auf dem Schenkel eines laminierten, im wesentlichen U-förmig gebogenen Magnetkerns, an dem z. B. ein am Umfang einer rotierenden Scheibe angeordneter Permanentmagnet kurzzeitig bzw. periodisch vorbeibewegt wird. Die Induktionsspule ist durch einen Mittelabgriff in einen ersten Abschnitt zur Erzeugung eines Ladestroms zur Aufladung der Stromfolien-Induktionseinrichtung und in einen zweiten Abschnitt zur Erzeugung eines Steuerstroms zur Entladung der Stromfolien-Induktionseinrichtung unterteilt. Der Steuerstrom gelangt beispielsweise an die Steuerelektrode eines zwischen den unterschiedlichen Stromfolien liegenden Thyristors und macht diesen leitend, sobald er einen gewissen Schwellenwert überschritten hat. Die Entladung der Stromfolien-Induktionseinrichtung läßt sich auf diese Weise vorteilhaft steuern. Bei jeder Vorbeibewegung des Magne-

TER MEER · MÜLLER · STEINMEIStER " " MdCulicrch Corp. -MAC-1 36-GER

- 10 -

ten an der Induktionsspule liefert diese jeweils einen Stromzyklus mit einer ersten positiven Halbwelle, einer zweiten negativen Halbwelle und einer dritten positiven Halbwelle. Die erste Halbwelle lädt die Stromfolien-Induktionseinrichtung auf, während die zweite negative Halbwelle zur Steuerung der Entladung der Stromfolien-Induktionseinrichtung dient. Durch die dritte positive Halbwelle wird die Einrichtung wiederum, zumindest teilweise, aufgeladen. Diese Aufladung wird im darauffolgenden Zyklus durch die erste positive Halbwelle gegebenenfalls vervollständigt.

Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:
15

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild einer Stromfolien-Induktionseinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 ausgebreitete leitfähige und dielektrische Streifen zur Bildung der Stromfolien-Induk

tionseinrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung, in der die Streifen nach Fig. 2 um eine Achse herum spiralförmig aufgewickelt sind,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Pulserzeugungseinrichtung in Explosionsdarstellung mit einer Stromfolien-Induktionseinrichtung,

Fig. 5 einen Querschnitt durch die zusammengesetzte Pulserzeugungseinrichtung nach Fig. A₁

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines magnetischen Zündsystems mit einer Pulserzeugungseinrichtung

TER MEER ■ MÜLLER · STEINMEISTER *" " McCul'IocH Corp.-MAC-136-GER

11 -

nach den Fig. 4 und 5 zur Funkenzündung von Verbrennungskraftmaschinen,

Fig. 7 eine Schaltung mit einem Zündsystem nach Fig. 6, und

Fig. 8 idealisiert dargestellte Ausgangsimpulse einer Aufnahmespule des Zündsystems nach Fig. 6.

In der Fig. 1 ist ein Ersatzschaltbild einer Stromfolien-Induktionseinrichtung nach der Erfindung dargestellt. Sie besitzt wenigstens zwei Stromfolien-Induktionswicklungen CSU und CSI2, die kapazitiv und induktiv miteinander gekoppelt sind, wie weiter unten genauer ausgeführt wird. Die Stromfolien-Induktionswicklungen besitzen ferner einen Eigenwiderstand, der im Ersatzschaltbild jedoch nicht explizit eingezeichnet ist.

Die Stromfolien-Induktionswicklungen CSU, CSI2 sind mit Anschlußkontakten T1, T3 bzw. T2, T4 zur Erzeugung eines Vierpol-Netzwerks fest verbunden. Durch die gebrochenen Linien in Fig. 1 ist angedeutet, daß statt der oder zusätzlich zu den festen Anschlußkontakten auch unterschiedlich positionierbare Anzapfungen verwendet werden können. Die Stromfolien-Induktionseinrichtung nach Fig. 1 stellt eine nützliche Einrichtung zur Speicherung und übertragung elektrischer Energie dar. Ihre Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten sowie die Verhältnisse zwischen ihnen können über weite Bereiche unabhängig voneinander gewählt werden, so daß hierdurch insbesondere die Schaffung von Geräten ermöglicht wird, die sich zur Erzeugung von elektrischen Pulsen eignen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen beispielhaft, wie die Stromfolien-Induktionseinrichtung nach der Erfindung, im folgenden als CSI-Einrichtung bezeichnet, hergestellt werden kann. Nach

.. . ^J *T I I S U^! ^J

TER MEER ■ MÖLLER · STEINMEISTER """" McCullOcH Cofp.-MAC-1 36-GER

- 12 -

Fig. 2 besitzt die CSI-Einrichtung vorzugsweise erste und zweite leitfähige Metallfolienstreifen S1, S2 und dazwischenliegende Streifen DS1, DS2 aus isolierendem dielektrischem Material. Die leitfähigen und dielektrischen Streifen sind abwechselnd ineinandergeschachtelt, wie in Fig. 3 dargestellt ist, und miteinander zur Bildung einer Spule spiralförmig aufgewickelt, wobei der innere Durchmesser der Spulenöffnung vorzugsweise zwischen 2 und 3 cm liegt. Die leitfähigen Streifen bzw. Folien S1, S2 haben eine Breite A, die vorzugsweise kleiner ist als die Breite B der zwischen ihnen liegenden dielektrischen Streifen DS1, DS2. Sie sind relativ zu den leitfähigen Streifen S1, S2 so angeordnet, daß diese leitfähigen Streifen keinen elektrischen Kontakt miteinander entlang ihrer Kanten haben. Beispielsweise kann die Gesamtlänge der nichtleitfähigen dielektrischen Streifen DS1, DS2 langer sein als die Länge der benachbarten bzw. zwischen ihnen liegenden leitfähigen Streifen S1, S2, um auf diese Weise die leitfähigen Streifen vollständig gegeneinander zu beabstanden bzw. zu isolieren.

Die leitfähigen Streifen S1, S2, die die ineinandergeschachtelten Folien in der Spulenanordnung nach Fig. 3 bilden, sind mit Anschlußleitungen T1, T3 bzw. T2, T4 verbunden, beispielsweise durch Punktschweißung oder kontinuierliches Schweißen. Wie weiter unten genauer beschrieben wird, können die Positionen einer oder mehrerer der Anschlußleitungen T1, T3 bzw. T2, T4 in Längsrichtung der ihnen zugeordneten leitfähigen Streifen S1, S2 verschoben werden, um auf diese Weise die Kapazitäts- und Induktivitätsverhältnisse der CSI-Einrichtung zu verändern.

Für die weiter unten beschriebene Anwendung der Stromfolien-Induktionseinrichtung in einem Zündsystem können die leitfähigen Streifen S1, S2 beispielsweise aus einem Metall, wie Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER " * MCulIoclTCorp*. -* MAC-1 36-GER

- 13 -

mit bestinunter Widerstandscharakteristik bestehen. Ihre Dicke liegt dann etwa zwischen 4 und 12 μπι, ihre Breite zwischen 12 und 32 mm und ihre Länge zwischen 5 und 7 m. Die isolierenden dielektrischen Streifen DS1, DS2 sind aus nichtleitfähigem Material, wie z. B. Kunststoff (Mylar) hergestellt und besitzen eine Filmdicke zwischen 4 und μΐη, vorgewählte dielektrische Eigenschaften (dielektrische Konstante) und eine Breite bzw. eine Länge, die vorzugsweise größer ist als die entsprechende Breite bzw. Länge der zwischen ihnen angeordneten leitfähigen Streifen S1, S2, wie bereits oben beschrieben.

Es liegt im Rahmen fachmännischen Könnens, auch andere Materialien und Herstellungstechniken zur Bildung der Stromfolien-Induktionseinrichtung nach der Erfindung vorzusehen. Beispielsweise können die leitfähigen Streifen S1, S2 direkt auf die dielektrischen Streifen DS1, DS2 aufgebracht werden, etwa durch Vakuumaufdampfung oder durch Sputtern von Aluminium, um einen kombinierten leitfähigen sowie dielektrischen Streifen zu erhalten, der in Kombination mit einem oder mehreren weiteren derartigen Streifen in besonders vorteilhafter Weise zum Aufbau der genannten CSI-Einrichtung dient.

Die Widerstands-, Kapazitäts- und Induktivitätsverhältnisse der CSI-Einrichtung sind wenigstens zum Teil durch das Material und die Konstruktionsweise der Spulenanordnung bestimmt. Der Widerstand ist eine Funktion des spezifischen Widerstands des leitfähigen Materials der leitfähigen Streifen S1, S2, ihres Querschnitts bzw. ihrer Länge, und nicht zuletzt eine Funktion der Arbeitstemperatur. Die Kapazitätsverhältnisse hängen unter anderem von der Größe de sich gegenüberliegenden Flächen der leitfähigen Streifen S1, S2,dem durch die Dicke der dielektrischen Streifen DS1, DS2 bestimmten Abstand zwischen den leitfähigen Streifen S1, S2, und von der di-

TER MEER ■ MÜLLER · STEINMEISTER McCuÜoch Corp. -MAC-1 36-GER

- 14 -

elektrischen Konstante der dielektrischen Streifen DS1, DS2 ab. Dagegen ist die Induktivität, wie für Stromfolien-Induktionseinrichtungen allgemein bekannt, eine Funktion des Leitungsquerschnitts der Stromfolien bzw. leitfähigen Streifen, ihrer Gesamtlänge, und eine Funktion der Windungszahlen. Wie sich aus dem Aufbau der beschriebenen CSI-Einrichtung ergibt, ist ferner eine gegenseitige induktive Kopplung zwischen den leitfähigen Streifen bzw. Folien S1, S2 vorhanden.

Die Widerstands-, Kapazitäts- und Induktivitätsverhältnisse einer derartigen CSI-Einrichtung können über weite Bereiche unabhängig voneinander variiert werden, indem lediglich die Materialeigenschaften und ihr physikalischer Aufbau verändert zu werden brauchen. Die Induktivitätsverhältnisse und die Gegeninduktivitäten können durch entsprechende gegenseitige Positionierung der Anschlußelemente und durch Steuerung der Stromrichtung während der Ladung oder Entladung zur Erzeugung eines schwachen oder starken Feldes in der einen oder anderen Richtung verändert werden. Ebenso ist eine Steuerung der Güte hinsichtlich der Induktivitätsverhältnisse (X_T /R₁. ) und der Kapazitätsverhältnisse (X /R_) möglich.

C C

Wird an die leitfähigen Streifen S1, S2 eine Gleichspannung angelegt, wie beispielsweise in Fig. 4 dargestellt ist, so fließt ein sich zeitlich verändernder Strom so lange, bis die leitfähigen Streifen SI, S2 in gleich großer und entgegengesetzter Weise aufgeladen sind. Die Ladungsenergie wird durch Bildung eines elektrostatischen Felds zwischen den leitfähigen Streifen S1, S2 gespeichert. Während des Stromflusses entsteht ein magnetisches Feld, das ganz oder teilweise unterstützt oder geschwächt werden kann, je nachdem, wie die Stromrichtung in den leitfähigen Streifen durch die Wahl fester oder veränderbarer Anschlußkontakte bestimmt ist. Durch die Kapazitätseigen-

M * a m m m m m t

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER McCulloch Corp.-MAC-1 36-GER

- 15 -

schäften der CSI-Einrichtung wird die zugeführte Ladung über eine Zeit aufrechterhalten, die zum Teil eine Funktion des Widerstands des dielektrischen Mediums und eventueller Nebenschlußwege ist. Während der Entladung der CSI-Einrichtung bzw. während des Abbaus des in ihr gespeicherten elektrischen Felds kann die Richtung des Entladestroms zur Erzeugung eines geeigneten Magnetfelds gesteuert werden. Die Entladung zweier voll aufgeladener leitfähiger Streifen S1/ S2 über Anschlußkontakte zur Unterstützung des sich bildenden Magnetfelds führt zu einer schnellen Änderung dieses Magnetfelds. Dagegen führt die Entladung der beiden voll aufgeladenen leitfähigen Streifen S1, S2 über Anschlußkontakte zur Schwächung des Magnetfelds zu einer weniger schnellen Änderung dieses FeI-des. Der Gebrauch ausgewählter bzw. in ihrer Position veränderlicher Anschlußkontakte zur Entladung der leitfähigen Streifen S1, S2 führt somit zu einem resultierenden Magnetfeld mit gewünschten Eigenschaften. Dieses resultierende Magnetfeld, das während der Entladung der geladenen leitfähigen Streifen S1, S2 entsteht, kann mit einer Ausgangsspule zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangspulses in Wechselwirkung treten.

Eine Pulserzeugungseinrichtung mit einer oben beschriebenen CSI-Einrichtung ist in der Fig. 4 perspektivisch als Explosionsdarstellung gezeigt, während in der Fig. 5 ein Querschnitt durch die Pulserzeugungseinrichtung nach Fig. 4 dargestellt ist.

Die Pulserzeugungseinrichtung 10 besitzt eine entsprechend den Fig. 1 bis 3 aufgebaute CSI-Einrichtung 12 sowie eine mit einem Spulenkern 16 versehene Ausgangsspule 14. Diese Ausgangsspule 14 besteht vorzugsweise aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Teilspulen L1, ..., Ln, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel η = 4 ist. Diese Spulenkonfiguration (Pi-Wound-Konfiguration) ist bevor-

. ." . : . „" „ ., . .Jt I NU«; TER MEER · MÜLLER . STEINMEISTER McCulloch Corp. - MAC-136-GER

zugt, da der Spannungsabfall über jeder der Teilspulen L1 , .«., L4 gleich der von der Ausgangsspule 14 erzeugten Gesamtspannung, dividiert durch die Anzahl der Teilspulen ist. Der Spannungsabfall zwischen einzelnen Windüngen bzw. Windungslagen einer jeden Teilspule Ln kann daher relativ klein gewählt werden bzw. kleiner sein als der entsprechende Spannungsabfall bei einer nicht unterteilten bzw. einzigen Spule. Zusätzlich erlaubt die Unterteilung der Ausgangsspule 14 in Teilspulen L1 , ..., L4 eine einfache Veränderung der Windungszahl jeder Teilspule Ln entsprechend den elektrischen und wirtschaftlichen Notwendigkeiten. Wie in Fig. 5 dargestellt, besitzen die am Ende bzw. außen liegenden Teilspulen L1 und L4 eine geringere Windungszahl als die in der Mitte liegenden Teilspulen L2, L3. Die geringere Anzahl von Windungen ist dort vorhanden, wo die Kraftlinien- bzw. Magnetfeldliniendichte gering ist, während die Teilspulen mit höherer Windungszahl im Bereich großer Kraftliniendichte bzw. Magnetfeldliniendichte angeordnet sind.

In Verbindung mit einem Zündsystem besitzt die Ausgangsspule 14 vier separate Teilspulen (Bobbin-Spulen), die mit Draht von ungefähr 0,1 Millimeter Durchmesser gewickelt sind, und von denen die beiden inneren Spulen jeweils 1000 Windungen und die beiden äußeren Spulen jeweils 70 0 Windungen zur Erzeugung einer Gesamtwindungszahl von 3400 Windungen aufweisen. Der Spulenkern 16 besteht aus magnetischem Material von bestimmter und vorzugsweise hoher Permeabilität, wie z. B. Ferrit, und ist innerhalb der Ausgangsspule 14 zur Konzentration der magnetischen Feldlinien bzw. Kraftlinien angeordnet. Wie in Fig. 5 dargestellt, ist die Gesamtlänge der Ausgangsspule 14 größer als die der CSI-Einrichtung 12. Sie überragt die CSI-Einrichtung zu beiden Seiten um jeweils den Abstand d, so daß hierdurch in vorteilhafter Weise weitere Windungen innerhalb des Feldlinienverlaufs zur Steige-

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER McCulloch Corp.-MAC-I 36-GER

- 17 -

rung des elektrischen Wirkungsgrads der Pulserzeugungseinrichtung positionierbar sind.

Die Wirkungsweise der Pulserzeugungseinrichtung 10 sei anhand der Fig. 4 erläutert. Die beiden leitfähigen Streifen S1 und S2 sind über ihre Anschlußleitungen T1 und T2 mit einer Gleichstrom-Spannungsquelle, z. B. einer Batterie 18, über einen Schaltkontakt 20 verbunden. Nach Einschaltung der Spannungsquelle 18 fließen freie Leitungselektronen so zu den leitfähigen Streifen S1 und S2, daß einer von ihnen einen Elektronenüberschuß aufweist und damit negativ aufgeladen wird, während sich beim anderen ein Elektronenmangel einstellt, wodurch dieser positive Polarität annimmt. Zwischen den beiden Streifen S1, S2 bildet sich ein elektrostatisches Feld aus, das den Ladungszustand aufrechterhält. Der Nennladestrom ist eine Funktion der verschiedenen Blindwiderstände und der Leitfähigkeit der Streifen S1, S2 sowie vom Innenwiderstand R. der Spannungsquelle 18 abhängig. Über einen Entladeschaltkontakt 22 kann die CSI-Einrichtung 12 entladen werden. In einem solchen Fall wird durch den Entladestrom vorzugsweise ein verstärktes Magnetfeld erzeugt. Seine Feldlinien werden durch den Spulenkern 16 konzentriert und schneiden die Windungen der Ausgangsspule 14. Aufgrund des schnell abklingenden Entladestroms wird sich das Magnetfeld ebenfalls schnell ändern, so daß die Ausgangsspule 14 einen entsprechenden Ausgangsspannungspuls erzeugt. Dieser Spannungspuls kann beispielsweise einer eine Funkenstrekke G aufweisenden Pulsverarbeitungseinrichtung zugeführt

3Q werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform einer Zündvorrichtung mit einer eine CSI-Einrichtung 10 enthaltenden Pulserzeugungseinrichtung für Verbrennungsmotoren ist in Fig. 6 gezeigt und allgemein mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet. Die Zündvorrichtung 100 besitzt eine Ladungserzeugungs-

TER MEER · MÜLLER - STEINMEISTER McCulloch Corp. - MAC-136-GER

- 18 -

und Triggerspule 102 mit einer Vielzahl von Windungen 104, die auf einem Schenkel 106 eines laminierten, im wesentlichen U-förmig ausgebildeten magnetischen Kerns 108 angeordnet sind. Der andere Schenkel 106' des magnetischen Kerns 108 dient zur Vervollständigung eines weiter unten beschriebenen magnetischen Kreises. Die Pulserzeugungseinrichtung 110 besitzt eine CSI-Einrichtung 112, eine Ausgangsspule 114 sowie einen Spulenkern 116, wie bereits im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 5 allgemein beschrieben worden ist. Die Ladungserzeugungs- und Triggerspule 102 sowie die CSI-Einrichtung 112 sind mit verschiedenen weiteren elektrischen Komponenten, die vorzugsweise auf einer gedruckten Schaltungsplatte (nicht dargestellt) angeordnet sind, verbunden und gemeinsam mit diesen innerhalb einer Gußmasse eingekapselt, wie durch die gestrichelte Linie 118 in Fig. 6 angedeutet ist.

Die Zündvorrichtung 100 ist typischerweise in der Nähe des äußeren Umfangs eines Schwungrads (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors angeordnet, das einen oder mehrere Permanentmagnete trägt und diese an den Polflächen des laminierten Magnetkerns 108 während jeder Motorumdrehung vorbeiführt, um über die Ladungserzeugungs- und Triggerspule 102 der Zündvorrichtung 100 elektrische Energie zuzuführen.

Die Bauelemente nach Fig. 6 sowie weitere mit ihnen zusammenwirkende elektrische Einheiten sind gemäß dem Schaltplan nach Fig. 7 miteinander verbunden. Die Stromfolien-Induktionseinrichtung (CSI-Einrichtung) 112 ist in Fig. 7 durch konventionelle, nebeneinanderliegende Spulensymbole dargestellt, die jedoch nicht elektrisch miteinander verbunden sind. Die Ausgangsspule 114 besteht aus vier hintereinandergeschalteten Teilspulen L1 bis L4, deren magnetischer Kern 116 zwischen der CSI-Einrichtung 112 und der Ausgangsspule 114 liegt. Die Anschlußkontakte T1 und T2 sind als verschiebbare Abgriffe an jeweils einem der leit-

y;f;_::; 1309

TER MEER - MÜLLER . STEINMEISTER "*** 'McCulloch Corp. - MAC-1 36-GER

- 19 -

fähigen Streifen S1/ S2 dargestellt, um anzudeuten, daß diese Anschlußkontakte T1, T2 auch zwischen den Enden der ihnen jeweils zugeordneten leitfähigen Streifen positioniert werden können, um das Verhältnis zwischen Kapazitäten und Induktivitäten verändern zu können. Die Anschlußkontakte T1, T2 sind darüber hinaus so positioniert, daß der wenigstens in einem Teil der leitfähigen Streifen S1, S2 vorhandene Elektronenfluß während der Entladung in derselben Richtung erfolgt, um die oben bereits erwähnte Magnetfeldverstärkung hervorzurufen.

Die Ladungserzeugungs- und Triggerspule 102 ist als angezapfte Wicklung dargestellt, in deren Nähe sich ein üblicher Permanentmagnet M befindet, der die Ladungserzeu- -gungs- und Triggerspule 102 nach jeder Umdrehung des Motors überstreicht, um in ihr einen Stromfluß zu erzeugen. Die Ladungserzeugungs- und Triggerspule 102 ist in einen ersten Teil GEN zur Ladungserzeugung und in einen kleineren zweiten Teil TRIG zur Erzeugung von Triggersignalen unterteilt. Ein Ende des Ladungserzeugungsteils GEN ist mit dem Anschlußkontakt T1 über eine PN-Diode D1 verbunden, während das andere Ende des Ladungserzeugungsteils GEN mit dem Anschlußkontakt T2 der CSI-Einrichtung 112 verschaltet ist. Ein steuerbarer Gleichrichter SCR mit Anschlußklemmen MT1, MT2 und G sowie eine PN-Diode D2,liegen zwischen den Anschlußkontakten T1 und T2, während ein Widerstand R1 parallel zum Ladungserzeugungsteil GEN der Spule 102 geschaltet ist. Eine Triggerschaltung enthält neben dem Triggerteil TRIG der Spule 102 eine PN-Diode D3 und einen Widerstand R2, die über die Anschlußklemme MT2 in Reihe mit dem steuerbaren Gleichrichter SCR liegen, sowie einen Widerstand R3, der zwischen der Steuerelektrode G des steuerbaren Gleichrichters SCR und dem Leitungsabschnitt zwischen der Diode D3 und dem Widerstand R2 liegt.

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER McCul'lofcli Cdxp. '- MAC136-GER

Wie in Fig. 8 dargestellt, erzeugen ein oder mehrere Magnete M, die an der Ladungserzeugungs- und Triggerspule 102 vorbeigeführt werden, mit jeder Umdrehung des erwähnten Schwungrads des Motors (nicht dargestellt) einen Stromfluß innerhalb der Spule 102, der durch eine vordere positive Halbwelle, eine nachfolgende negative Halbwelle und eine hintere positive Halbwelle gekennzeichnet ist, wie beispielsweise in der US-PS 4 169 446 beschrieben.

Der Magnet M ist beispielsweise ein Permanentmagnet, der einen schmalen Spalt zwischen seinem Nordpol und seinem Südpol besitzt. Wird zunächst in Drehrichtung des Schwungrades der Nordpol an der Spule 102 vorbeigeführt, so entsteht die erste positive Halbwelle. Erreicht der Spalt das Zentrum der Spule 102, ändert der Fluß in der Spule seine Richtung und die negative Halbwelle entsteht. Sobald der Südpol an der Spule vorbeigeführt wird, ändert sich der Fluß wiederum, um die zweite positive Halbwelle zu erzeugen. Läuft der Permanentmagnet an der Ladungserzeugungs- und Triggerspule 102 vorbei, so wird durch die vordere positive Halbwelle eine positive Spannung am Widerstand Rl zur Durchführung der gewünschten Ladung erzeugt, wobei der Ladestrom durch die Diode Dl derart gleichgerichtet wird, daß die CSI-Einrichtung 112 die Ladung aufnimmt. Diese Ladung ist von geeigneter Größe, um den gewünschten Ausgangspuls, wie beschrieben, zu erzeugen. Die zeitliche Änderung der elektrischen Energie während der Aufladung ist durch die Scheinwiderstände der mit der CSI-Einrichtung 112 verbundenen elektrischen Komponenten so beeinflußt, daß ein während der Aufladung entstehendes Magnetfeld immer kleiner bleibt als ein solches, das zur Erzeugung eines Ausgangspulses in der Ausgangsspule 114 erforderlich ist.

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER "McCUlloch'CÖr'p. "- MÄC-136-GER

- 21 -

Die nachfolgende negative Halbwelle kehrt die Stromrichtung in der Spule 102 um, während die Diode D1 eine Entladung der nunmehr aufgeladenen CSI-Einrichtung 112 verhindert. Die Diode D3 richtet das Ausgangssignal des Triggerteils TRIG der Spule 102 bei Vorbeigleiten des Magneten M gleich, um einen Steuerstrom für die Steuerelektrode G (Gate) des steuerbaren Siliciumgleichrichters SCR zu erzeugen,' wobei der Ansteuerungspunkt bzw. der zur Anseuerung erforderliche Strompegel durch den Spannungsteiler R1, R2 bestimmt ist. Erreicht der Steuerstrom der Steuerelektrode G des Gleichrichters SCR seinen zur Ansteuerung vorgesehenen Pegel, geht der Gleichrichter SCR in den leitenden Zustand über und schaltet somit die leitfähigen Streifen S1, S2 zusammen, so daß der nunmehr einsetzende Entladestrom ein sich schnell veränderndes magnetisches Feld erzeugt, dessen Feldlinien durch den Magnetkern 116 konzentriert werden und die Windungen der Ausgangsspule 114 zur Erzeugung eines gewünschten Ausgangsspannungspulses an der Funkenstrecke F schneiden. Eventuell auftretende Oszillationen oder gedämpfte Schwingungen innerhalb des Schaltungsnetzwerks werden mit Hilfe der Diode D2 verhindert.

Mit der nachfolgenden hinteren positiven Halbwelle wird die CSI-Einrichtung 112 wieder geladen, wie bereits oben beschrieben. Sie hält diese Ladung so lange, bis der auf dem Schwungrad angeordnete Magnet M die Ladungser zeugungsund Triggerspule 112 nach einer Umdrehung des Schwungrads wieder erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird die vordere positive Halbwelle für eine zusätzliche Aufladung der CSI-Einrichtung 112 sorgen, z. B. dann, wenn die CSI-Einrichtung 112 durch die vorhergehende hintere positive Halbwelle nicht vollständig aufgeladen worden ist. Es liegt somit eine periodische Arbeitsweise der beschriebenen Schaltungsanordnung vor, mit deren Hilfe Spannungsimpulse an einer Funkenstrecke F erzeugt werden.

TER MEER -MÜLLER · STEINMEISTER -^:-· ^: McCvIlicfCh C Or ρ. ^:- MAC-136-GER

Die Zündeinrichtung nach den Fig. 6 und 7 kann zur Zündung von Einzylinder-Motoren eingesetzt werden. Sie eignet sich aber auch zur Zündung von Mehrzylinder-Motoren, wie z. B. Automotoren. Dabei kann die Zündeinrichtung auch mit einer Batterie betrieben werden. Die Zündpulserzeugungseinrichtung kann allein oder in Verbindung mit

. einer Zündkerze vorgesehen sein, wobei die erwähnte Aufladung und Entladung zentral gesteuert wird, beispielsweise durch die elektronische Kraftstoffeinspritzsteuerung.

Weiterhin kann die beschriebene Zündvorrichtung nach der Erfindung in Radarpuls-Erzeugungseinrichtungen und pyrotechnischen Zündvorrichtungen Anwendung finden.

Die Erfindung beschreibt somit eine Stromfolien-Induktionseinrichtung zur Bildung einer Pulserzeugungseinrichtung, die elektrische Ladung aufnehmen und kapazitiv speichern kann, und mit deren Hilfe bei Entladung ein sich schnell veränderndes magnetisches Feld erzeugbar ist, das zur Bildung von Spannungspulsen dient. Mit der Pulserzeugungseinrichtung läßt sich in vorteilhafter Weise ein Zündsystem aufbauen, bei dem die erzeugten Spannungsimpulse an einer Funkenstrecke anliegen.

-is

- Leerseite -

Claims

TER MEER-MULLER-STEiNMEISTER

PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Dipl.-Chem. Dr. N. tar Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister

T?SSSee ^ ^ΜΰΙΙθΓ Artur-Ladebeck-Strasse 51

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1

Mü/Ur/cb

MAC-136-GER 27. März 1984

McCulloch Corporation 5401 Beethoven Street Los Angeles, California 90066, USA

Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Pulse

Priorität: 28. März 1983, USA, Ser.No. 479 742 (P)

Patentansprüche

1i Einrichtung zur Speicherung und übertragung elektrischer Energie, gekennzeichnet durch eine Stromfolien-Induktionseinrichtung (12, 112) mit

- wenigstens ersten und zweiten leitfähigen Folien (S1, S2) ,

- dielektrischen Mitteln (DS1, DS2) zur Trennung und Isolierung der Folien (S1, S2) voneinander sowie zur Erzeugung einer kapazitiven und induktiven Kopplung zwischen den Folien (S1, S2),

- Ladungsmitteln zur elektrischen Aufladung der Folien (S1, S2) durch Elektronenfluß in den Folien, wobei die Ladung speicherbar ist, und mit

- Entladungsmitteln zur Entladung durch Elektronenfluß

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTEFf

McCulloch Corp. - MAC-136-GER

in den Folien, wobei der Elektronenfluß wenigstens während, der Entladung ein Magnetfeld mit einer vorgegebenen Größe erzeugt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch . eine Spulenanordnung (14, 16; 114, 116), die mit der Stromfolien-Induktionseinrichtung (12, 112) induktiv gekoppelt ist, und die von den Feldlinien des durch die Stromfolien-Induktionseinrichtung erzeugten Magnetfelds zur Erzeugung eines Induktionsstroms geschnitten wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten leitfähigen Folien (S1, S2) streifenförmig ausgebildet und spulenartig übereinanderliegend aufgewickelt sind, wobei wenigstens erste und zweite dielektrische Streifen (DS1, DS2) zur Beabstandung und Isolierung der leitfähigen Streifen voneinander vorgesehen sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste leitfähige Streifen (S1) mit wenigstens einem Anschlußkontakt (T1) und der zweite leitfähige Streifen (S2) mit wenigstens einem Anschlußkontakt (T2) versehen ist, wobei die Anschlußkontakte (T1, T2) mit einer Energiequelle zur Erzeugung eines Elektronenflusses in den Streifen (S1, S2) verbindbar sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Anschlußkontakte (T1, T2) zwischen den Enden der ihnen zugeordneten Streifen (S1, S2) positionierbar sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die spulen-

TER MEER · MÜLLER . STEINMEISTER· *""* McCul'ioch ^:Corp . - MAC-1 36-GER

artig aufgewickelten Streifen (S1, S2)einen Hohlzylinder mit einem vorgewählten Innendurchmesser bilden.
7. Einrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung eine Ausgangsspule (14, 114) mit wenigstens einem Draht von bestimmter Länge besitzt.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e kennzeichnet, daß die Ausgangsspule (14, 114) eine Zylinderspule mit vorgewähltem Innendurchmesser ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausgangsspule (14, 114) aus einer Anzahl (n) von einzelnen, elektrisch in Reihe geschalteten Teilspulen (L1, ..., Ln) mit gemeinsamer Spulenachse besteht.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e kennzeichnet, daß die äußeren Teilspulen (L1, L4) eine geringere Windungszahl besitzen als die zwischen ihnen liegenden Teilspulen (L2, L3).
11. Einrichtung nach Anspruch 8 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ausgangsspule (14, 114) ein Spulenkern (116) mit vorgewählter Permeabilität angeordnet ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 2 und 4 sowie einem oder mehreren der folgenden, dadurch gekennzeichnet , daß die Energiequelle zur Erzeugung eines Elektronenflusses eine von einem Magneten (M) kurzzeitig beaufschlagte Induktionsspule (102) ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Induktionsspule

TER MEER · MÜLLER . STEINMEISTTER- " McCull'Öch "Corp. - MAC-1 36-GER

(102) auf einem Schenkel (106) eines laminierten, im wesentlichen U-förmig gebogenen Magnetkerns (108) angeordnet ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (M) den durch den Magnetkern (108) gebildeten magnetischen Kreis kurzzeitig bzw. periodisch schließt.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Magnet (M) am Umfang einer rotierenden Scheibe angeordnet ist.
16. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromfolien-Induktionseinrichtung (112) mit dem Schenkel (106) des Magnetkerns (108) fest verbunden, z. B. vergossen ist.
17. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (102) in einen Abschnitt (GEN) zur Erzeugung eines Ladestroms zur Aufladung der Stromfolien-Induktionseinrichtung (112) und in einen Abschnitt (TRIG) zur Erzeugung eines Steuerstroms zur Entladung der Stromfolien-Induktionseinrichtung (112) unterteilt ist.
18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung der Stromfolien-Induktionseinrichtung (112) mit Hilfe eines zwischen den Anschlußklemmen (T1, T2) liegenden steuerbaren Gleichrichters (SCR) erfolgt, dessen Steuerelektrode (G) von dem durch den Abschnitt (TRIG) der Induktionsspule (102) erzeugten Steuerstrom beaufschlagt wird.
19. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprü-

■":■'? -TV": ·:-:!.:. 3Λ1 ι

TER MEER - MÜLLER ■ STEINMElSTEF? ** McCulloch* Corp.-MAC-1 36-GER

ehe 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet/ daß die Ausgangsklemmen der Ausgangsspule (14, 114) mit einer Funkenstrecke (F) zur Erzeugung eines Zündfunkens, beispielsweise für Verbrennungsmotoren, verbunden ist.
20. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Bauelemente zur Aufladung bzw. Entladung der Stromfolien-Induktionseinrichtung gemeinsam mit ihr und dem Schenkel (106) vergossen sind.