DE3735631A1

DE3735631A1 - Zuendeinrichtung fuer eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3735631A1
Application number: DE19873735631
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl Phys Meinders; Ulrich Nelle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1987-10-21
Filing date: 1987-10-21
Publication date: 1989-05-03
Also published as: EP0383768A1; EP0383768B1; DE3881216D1; US5050573A; WO1989003937A1; JPH03500673A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Zündeinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs, die aus DE-A-28 25 830 bekannt ist. Bei den bisher bekannten Zündeinrichtungen, die einen pnp-Transistor in der Endstufe verwenden, ist mit dem Kollektoranschluß des Transistors die Primärwicklung eines Zündtransformators verbunden, während der Emitteranschluß des Transistors, gegebenenfalls über einen Strommeß widerstand, mit dem Masseanschluß verbunden ist. Während des Betriebs der Zündeinrichtung treten an der Endstufe der Zündeinrich tung hohe Verlustleistungen auf, die vom Kollektoranschluß zum Kühl körper abgeführt werden müssen. Gleichzeitig muß aber der Kollektor anschluß während der beim Abschaltvorgang auftretenden Klammer spannung gegen den Kühlkörper elektrisch isoliert werden. Diese beiden entgegengesetzten Forderungen lassen sich nur mit einer ther misch gutleitenden, elektrisch isolierenden Keramikschicht zwischen Kollektoranschluß und Kühlkörper erfüllen, die jedoch den Aufbau der Zündeinrichtung erheblich verteuert und die insbesondere bei Hoch leistungszündeinrichtungen den auftretenden thermischen Wechselbe lastungen nicht gewachsen ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zündeinrichtung mit den kennzeichnenden Merk malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Verwendung eines pnp-Transistors in der Endstufe der Zündeinrichtung und die thermisch und elektrisch gut leitenden Verbindung seines Kollektoranschlusses mit dem Masseanschluß der Zündeinrichtung eine große Verlustleistung betriebssicher abgeführt werden kann. Durch die Einsparung isolierender Schichten zwischen dem Kollektoranschluß und dem Masseanschluß wird zudem der Aufbau der Zündeinrichtung ver einfacht und dadurch verbilligt. Schließlich läßt sich der über wiegende Teil der Zündeinrichtung in besonders vorteilhafter Weise monolithisch integrieren, wodurch auch große Stückzahlen mit engen elektrischen Kennwerten herstellbar sind.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der im Hauptanspruch angegebenen Zündeinrichtung möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Zündein richtung, Fig. 2 den Stromlaufplan eines Teiles der Zündeinrichtung mit der Endstufe und den Entkopplungsmitteln, Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Zündeinrichtung mit Darstellung der Endstufe und der Entkopplungsmittel, Fig. 4 die Zündeinrichtung mit Dar stellung einer Wiedereinschaltsperre in der Endstufe und einer Ent koppelungsdiode in der Vorstufe, Fig. 5 als Stromlaufplan ein Ausführungsbeispiel der Endstufe der Zündeinrichtung in monolithisch integrierter Technik und Fig. 6 einen Querschnitt durch ein Halbleitersubstrat.

Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt die im wesentlichen als Blockschaltbild dargestellte Zündeinrichtung 3, insbesondere für eine fremdgezündete Brennkraft maschine, mit einem eine Primärwicklung 1 a und eine Sekundärwicklung 1 d aufweisenden Zündtransformator 1, an dessen Primärwicklung 1 a eine Gleichspannungsquelle anlegbar ist. Die Zündeinrichtung 3 umfaßt eine Stromsteuereinrichtung zur Steuerung des durch die Primärwicklung 1 a des Zündtransformators 1 fließenden Stromes. Diese Stromsteuereinrichtung besteht aus einer Vorstufe 3 a und einer End stufe 3 c. Die Endstufe 3 c besteht im wesentlichen aus einem Tran sistor T 100 eines ersten Leitfähigkeitstyps, nämlich einem pnp-Tran sistor oder pnp-Darlington-Transistor, dessen Kollektor mit dem Masseanschluß der Zündeinrichtung 3 verbunden ist. Zwischen Vorstufe 3 a und Endstufe 3 c sind Entkopplungsmittel 3 b vorgesehen, die die Vorstufe 3 a von der Endstufe 3 c entkoppeln und die insbesondere die Vorstufe 3 a vor der jeweils beim Abschaltvorgang an der Endstufe 3 c auftretenden hohen Klammerspannung schützen. Wie in Fig. 2 darge stellt, umfassen bei einem Ausführungsbeispiel der Zündeinrichtung die Entkopplungsmittel 3 b einen Transistor T 20 eines zweiten Leit fähigkeitstyps, dessen Kollektoranschluß mit dem Basisanschluß des in der Endstufe 3 c vorgesehenen Transistors T 100, und dessen Emitteranschluß mit dem Masseanschluß der Zündeinrichtung 3 verbun den sind. Der Basisanschluß des Transistors 20 ist mit der Vorstufe 3 a der Zündeinrichtung 3 verbunden und wird von dieser angesteuert. Da der Transistor T 100 ein pnp-Transistor ist, wird als Entkopp lungstransistor T 20 ein Transistor vom npn-Typ eingesetzt. Dieser muß mindestens das gleiche Sperrvermögen, wie die am T100 auftre tende Klammerspannung haben. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Zündeinrichtung (Fig. 3) umfassen die Entkopplungsmittel neben dem Transistor T 20, dessen Kollektoranschluß über einen Widerstand R 21 mit dem Basisanschluß des Transistors T 100 verbunden ist, einen weiteren Transistor T 25, der parallel zur Emitter-Basisstrecke des Transistors T 20 geschaltet ist. Der Kollektoranschluß des Tran sistors T 25 ist also mit dem Basisanschluß des Transistors T 20 ver bunden, während der Emitteranschluß des Transistors T 25 mit dem Masseanschluß der Zündeinrichtung verbunden ist, an dem auch über den Widerstand R 22 der Emitteranschluß des Transistors T 20 liegt. Der Widerstand R 22 hat die Funktion eines Stromfühlerwiderstandes, d. h., bei einem Stromfluß durch den Transistor T 20 und den Wider stand R 22 tritt am Widerstand R 22 ein Spannungsabfall auf, der für Steuerzwecke einsetzbar ist. Der Basisanschluß des Transistors T 25 liegt am Abgriff eines aus den Widerständen R 23 und R 24 gebildeten Spannungsteilers, der zwischen dem Basisanschluß des Transistors T 20 und den Masseanschluß der Zündeinrichtung geschaltet ist. Zweckmäßig ist dabei zur exakten Festlegung der Basisspannung des Transistors T 25 der mit dem Masseanschluß der Zündeinrichtung verbundene Teil widerstand R 24 des Spannungsteilers R 23, R 24 abgleichbar ausge bildet. Auf besonders vorteilhafte Weise erfolgt der Abgleich durch Parallelschaltung geeigneter Zusatzwiderstände, die zunächst mit Zenerdioden in Reihe geschaltet sind. Durch Überlastung der Zener dioden werden diese zerstört und die Zusatzwiderstände parallel zum Teilwiderstand R 24 geschaltet. In der gleichen Weise, wie mit T 25 und T 20 der Baustrom für T 1OO eingeregelt wird, läßt sich alternativ mit T 30 und den Widerständen R 31, R 32 eine Emitterstromregelung für T 100 realisieren. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Zündeinrichtung (Fig. 4) umfassen die Entkopplungsmittel eine Diode D 41, deren Anodenanschluß mit dem Emitteranschluß eines Ansteuertransistors T 40 in der Vor stufe und deren Kathodenanschluß mit dem Basisanschluß des Tran sistors T 100 und über den Lastwiderstand R 42 des Transistors T 40 mit dem Masseanschluß der Zündeinrichtung verbunden sind. Auch hier muß die Diode mindestens das Sperrvermögen der am T 100 auftretenden Klammerspannung haben. Die Zündeinrichtung bietet den besonderen Vorteil, daß der in der Endstufe 3c angeordnete Transistor T 100 mit seinem Kollektoranschluß unmittelbar mit dem Masseanschluß elektrisch leitend verbunden ist und somit unmittelbar auf einem mit dem Masseanschluß verbundenen Kühlkörper montiert werden kann. Im Gegensatz zu herkömmlichen Zündeinrichtungen wird somit die Ableitung der während des Betriebs der Zündeinrichtung auftretenden Verlustleistung außerordentlich erleichtert, da keine den Wärmefluß behindernden Isolierschichten zwischen dem Kollektoranschluß des Transistors T 100 und einem vom Kollektoranschluß zu isolierenden Kühlkörper angeordnet werden müssen. Zusätzlich ergibt sich dadurch der Vorteil, daß der Aufbau einer solchen Zündeinrichtung wesentlich vereinfacht wird, wodurch diese erheblich preisgünstiger herstellbar ist. Um einen störungs freien Betrieb der Zündeinrichtung zu gewährleisten, werden die zuvor beschriebenen Entkopplungsmittel vorgesehen, die eine Beein trächtigung der Vorstufe 3 a durch die beim Abschalten des Tran sistors T 100 auftretende hohe Klammerspannung verhindern. Weiter ist dafür zu sorgen, daß nach einem planmäßigen Abschalten des in der Endstufe 3 c angeordneten Transistors T 100 sein unkontrolliertes Wiedereinschalten zuverlässig verhindert wird. Dies wird durch einen weiteren Transistor T 43 erreicht (Fig. 4), dessen Kollektoranschluß mit dem Basisanschluß des Transistors T 100, dessen Emitteranschluß mit dem Emitteranschluß des Transistors T 100 und dessen Basisan schluß über einen Widerstand R 44 mit dem positiven Anschluß der Gleichspannungsquelle verbunden ist. Durch diese Schaltungsanordnung wird gewährleistet, daß der Transistor T 43 über seinen Basisanschluß nur dann angesteuert und durchgeschaltet wird, wenn der Basisan schluß ein negativeres Potential aufweist als der Emitteranschluß des Transistors T 43. Dies ist jedoch nur dann der Fall, wenn beim Abschalten des Transistors T 100 die in der Größenordnung von etwa 400 Volt liegende Klammerspannung auftritt, die zu einem ungewollten Wiedereinschalten des Transistors T 100 führen könnte.

In den Ausführungsbeispielen der Zündeinrichtung nach Fig. 1 und Fig. 4 ist zum Zwecke der Strommessung zwischen dem positiven An schluß der Gleichspannungsquelle und dem massefernen Anschluß der Primärwicklung 1 a des Zündtransformators 1 ein Widerstand R 12 ange ordnet. Bei Stromfluß durch die Primärwicklung 1 a fällt an diesem Widerstand R 12 eine Spannung ab, die der Vorstufe 3 a für Steuer zwecke zuführbar ist. In den Ausführungsbeispielen der Zündeinrich tung nach Fig. 2 und 3 ist ein Strommeßwiderstand R 12′ zwischen dem Emitteranschluß des Transistors T 100 und dem masseseitigen An schluß der Primärwicklung 1 a des Zündtransformators angeordnet. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird der Spannungsabfall am Meß widerstand R 12′ über zwei hochohmige Widerstände R 13, R 14 abge griffen und Eingangsanschlüssen der Vorstufe 3 a zugeführt, die mit gegen Masse geschalteten Zenerdioden Z 1, Z 2 geschützt sind. Die bei der Abschaltphase an beiden Anschlüssen des Meßwiderstandes R 12′ auf tretende Hochspannung wird über R 13, R 14, Z 1 und Z 2 abgekoppelt. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist ein weiterer Transistor T 30 vorgesehen, der parallel zur Reihenschaltung von Emitter-Basis strecke des Transistors T 100 und Strommeßwiderstand R 12′ geschaltet ist. Dabei sind der Emitteranschluß des Transistors T 30 mit dem masseseitigen Anschluß der Primärwicklung 1 a des Zündtransformators 1, sein Kollektoranschluß mit dem Basisanschluß des Transistors T 100 und schließlich sein Basisanschluß mit dem Abgriff eines zwischen Emitter- und Kollektoranschluß des Transistors T 30 liegenden Spannungsteilers R 31, R 32 verbunden. Wie bereits zuvor im Zusammen hang mit dem Entkoppeltransistor T 25 beschrieben, wird auch bei diesem Spannungsteiler R 31, R 32 der dem Masseanschluß nähere Teil widerstand R 32 abgleichbar ausgebildet.

In besonders vorteilhafter Weise werden Vorstufe 3 a, Endstufe 3 c sowie die Entkopplungsmittel 3 b der Zündeinrichtung 3 in mono lithisch integrierter Technik ausgeführt. Dadurch lassen sich auch in Großserienherstellung außerordentlich geringe Streuungen der wesentlichen elektrischen Kennwerte erzielen. Bei Ausführung der Zündeinrichtung 3 in integrierter Technik wird der Strommeßwider stand R 12′ zweckmäßig als verteilter Widerstand an den Emitterzähnen des Emitterbereichs des Transistors T 100 angeordnet, wodurch für eine gute Stromgleichverteilung über das gesamte aktive Emitter gebiet des Transistors T 100 gesorgt wird. Strommeßwiderstand R 12′ und die in Fig. 3 in Zusammenhang mit der Endstufe dargestellte Stromregelschaltung werden dabei zweckmäßig in die Emitter-Basis strecke des pnp-Transistors T 100 integriert, wobei der Transistor T 30 als lateraler pnp-Transistor ausgestaltet ist. In gleicher Weise können auch die im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 dargestellten Entkopplungsmittel mit den Transistoren T 20 und T 25 integriert werden. Auch der im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 der Zündein richtung vorgesehene, eine unkontrollierte Wiedereinschaltung des Transistors T 100 verhindernde Transistor T 43, kann als lateraler pnp-Transistor in die Basis-Emitterstrecke des in der Endstufe 3 c angeordneten Transistors T 100 monolithisch integriert werden.

Sowohl die Ansteuerstufe 3 a als auch die für Entkopplungszwecke vor gesehenen Transistoren T 20, T 25 oder die Entkoppeldiode D 41 müssen in Form von separaten Chips auf die Dickschichttschaltung gebracht und mittels Bondverbindungen an die übrige Schaltung angeschlossen werden. Die Widerstände R 33, R 44 und R 12 sind als Dickschichtfilm widerstände zu realisieren.

Anhand von Fig. 5 und Fig. 6 wird beispielhaft die Ausgestaltung der Endstufe 3 c der Zündeinrichtung 3 in monolithisch integrierter Technik erläutert. Dabei zeigt Fig. 5 den Stromlaufplan der End stufe, während Fig. 6 einen Querschnitt durch ein Halbleitersub strat darstellt. Der Endstufentransistor T 100 ist dabei als zwei stufiger Darlington-Transistor mit den Bestandteilen T 101 und T 102 ausgeführt. In Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist der als pnp-Lateraltransistor ausgestaltete Kurzschluß transistor mit der Bezugsziffer 43 gekennzeichnet. Die Integration der im Stromlaufplan nach Fig. 5 dargestellten Widerstände R 50 und R 51 erfolgt in einer dem Fachmann an sich bekannten Weise und ist daher in Fig. 6 nicht mehr dargestellt. Fig. 6 zeigt mit Bezugs ziffer 60 ein hochohmiges p-leitendes Substrat, in die n-leitende Basiswannen 62, 63 und 64 eingediffundiert sind. In die vorgenannten Basiswannen sind wiederum hoch dotierte p-leitende Emitterzonen 85, 66, 67 und 68 eindiffundiert. Dabei stellen die Basiswannen 62 und 63 die Basen der beiden zum Darlington gehörenden Transistoren T 101 und T 102 dar, während 64 die den lateralen Kurzschlußtransistor T 43 umfassende Basiswanne darstellt. Die zusätzlichen Wannen 69, 70 und 71 bestehen aus hoch mit Phosphor dotiertem n-leitenden Silicium. Sie dienen zunächst der Herstellung niederohmiger Kontakte 612, 614 und 617 auf den sonst hochohmig mit Phosphor dotierten Basiswannen. Zum anderen üben diese hochdotierten Phosphorschichten eine getternde Wirkung aus, die für das Sperrverhalten und gleichzeitig für die Verstärkung der Transistoren T 43, T 101 und T 102 günstig ist. Die äußeren Verbindungsleitungen 612 bis 618 werden nun wie folgt miteinander verknüpft. Die Zusammenschaltung der Transistoren T 101 und T 102 zu einem Darlingtonpaar erfolgt in der Weise, daß die Anschlüsse 613 und 614 miteinander verbunden werden, während der Anschluß 612 der äußere Basisanschluß und der Anschluß 615 der äußere Emitteranschluß des Darlingtontransistors sind. Zur Inte gration des pnp-Lateraltransistors T 43 wird dessen lateraler Kollek toranschluß 618 mit dem Basisanschluß 612 des Darlingtontransistors T 101, T 102 und der laterale Emitteranschluß 616 des Transistors T 43 mit dem Emitteranschluß 615 des Darlingtontransistors verbunden. Somit umfaßt die Transistoranordnung die drei äußeren Anschlußlands 612 (Basis des Darlingtontransistors), 617 (Basis des Lateraltran sistors) und 615 (Emitter des Darlingtontransistors).

Claims

1. Zündeinrichtung, insbesondere für eine fremdgezündete Brennkraft maschine, mit einem eine Primär- und eine Sekundärwicklung auf weisenden Zündtransformator, mit einer an die Primärwicklung anleg baren Gleichspannungsquelle, mit einer aus einer Vorstufe und einer Endstufe bestehenden Stromsteuereinrichtung zur Steuerung des durch die Primärwicklung fließenden Stromes, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstufe (3 c) der Stromsteuereinrichtung einen Transistor (T 100) eines ersten Leitfähigkeitstyps umfaßt, dessen Kollektoranschluß mit dem Masseanschluß der Zündeinrichtung verbunden ist, daß zwischen der Vorstufe (3 a) und der Endstufe (3 c) Entkopplungsmittel (3 b) sowie Mittel zur Veränderung des unkontrollierten Einschaltens der Endstufe (3 c) vorgesehen sind.

2. Zündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsmittel (3 b) einen Transistor (T 20) eines zweiten Leit fähigkeitstyps umfassen, dessen Kollektoranschluß mit dem Basisan schluß des Transistors (T 100) und dessen Emitteranschluß mit dem Masseanschluß der Zündeinrichtung verbunden sind, und der über seinen Basisanschluß von der Vorstufe (3 a) der Stromsteuereinrich tung ansteuerbar ist.

3. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Endstufe (3 c) eine Strommeßeinrichtung umfaßt, deren Ausgangssignal der Vorstufe (3 a) zugeführt wird.

4. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Strommeßeinrichtung aus einem Widerstand (R 12, R 12′) besteht und daß die bei Stromfluß durch die Primärwicklung (la) des Zündtransformators (1) an ihm abfallende Spannung der Vor stufe (3 a) zugeführt wird.

5. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Anschlüsse des Widerstandes (R 12′) über hochohmige Widerstände (R 13, R 14) mit Eingangsanschlüssen der Vorstufe (3 a) verbunden sind, welche Eingangsanschlüsse durch mit Masse verbundene Zenerdioden (Z 1, Z 2) geschützt sind.

6. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vorstufe (3 a) einen Ansteuertransistor (T 40) um faßt und daß zum Schutz der Vorstufe (3 a) gegen primärseitig auf tretende Spannungspitzen eine Diode (D 41) vorgesehen ist, deren Anodenanschluß mit dem Emitteranschluß das Ansteuertransistors (40) und deren Kathodenanschluß mit dem Basisanschluß des Transistors (T 100) und über den Lastwiderstand (R 42) des Transistors (T 40) mit dem Masseanschluß der Zündeinrichtung verbunden ist.

7. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mittel zur Verhinderung des unkontrollierten Ein schaltens der Endstufe (3 c) einen Transistor (T 43) umfassen, dessen Kollektoranschluß mit dem Basisanschluß des Transistors (T 100), dessen Emitteranschluß mit dem Emitteranschluß des Transistors (T 100), und dessen Basisanschluß über einen Widerstand (R 44) mit dem positiven Anschluß der Gleichspannungsquelle verbunden sind.

8. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vorstufe (3 a), die Endstufe (3 c) und gegebenen falls die Entkopplungsmittel (3 b) in monolithisch integrierter Tech nik hergestellt sind.

9. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Strommeßwiderstand (R 12′) zwischen dem Emitter anschluß des Transistors (T 100) und dem masseseitigen Anschluß der Primärwicklung (1 a) angeordnet ist, daß der Emitteranschluß eines Transistors (T 30) mit dem masseseitigen Anschluß der Primärwicklung (1 a), daß der Kollektoranschluß des Transistors (T 30) mit dem Basis anschluß des Transistors (T 100) und des schließlich der Basisan schluß des Transistors (T 30) mit den Abgriff eines zwischen dem Emitter- und dem Kollektoranschluß des Transistors (T 30) liegenden Spannungsteilers (R 31, R 32) verbunden ist.