DE4030418A1

DE4030418A1 - Leistungsendstufe mit einer darlington-schaltung zum schalten einer induktiven last, insbesondere der zuendspule einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4030418A1
Application number: DE4030418A
Authority: DE
Inventors: Gerd Dipl Ing Hoehne; Hartmut Dipl Ing Michel; Lothar Dipl Ing Gademann; Bernd Bodig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-09-26
Filing date: 1990-09-26
Publication date: 1992-04-02
Also published as: DE59107364D1; EP0550469B1; KR100202803B1; EP0550469A1; WO1992005364A1; JP3121834B2; ES2082988T3; JPH06501293A; US5424671A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Leistungsendstufe mit einer Darlington-Schaltung zum Schalten einer induktiven Last, insbesondere der Zündspule einer Brennkraftmaschine, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Beim Schalten induktiver Lasten mit Leistungstransistoren besteht häufig die Forderung, die induktive Spannung am Leistungstransistor oder überhaupt an der elektronischen Schaltung auf einen definierten Wert zu begrenzen. In bekannter Weise kann hierzu ein Schutzelement parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke des Endtransistors geschaltet werden. Weiterhin ist es aus der EP-B-01 74 473 bekannt, eine Z-Diode parallel zur Kollektor-Basis-Strecke des Endtransistors zu schalten, die bei Erreichen einer oberen Grenzspannung von im allgemeinen über 250 Volt die Basis des Endtransistors aufsteuert.

In bestimmten Anwendungsfällen besteht weiterhin die Forde rung, eine Spannungsbegrenzung auch auf einem zweiten, niedrigeren Spannungsniveau vornehmen zu können, um z. B. die gespeicherte Energie einer Zündspule auf diesem nied rigeren Spannungsniveau so abbauen zu können, daß es zu keinem Zündfunken kommen kann. Diese sogenannte funken freie Abschaltung ist grundsätzlich erforderlich, wenn das Abschalten der Endstufe nicht zur Erzeugung eines Zündfunkens dienen soll. Zur Schaffung einer derartigen Spannungsbegrenzung auf niedrigerem Spannungsniveau ist beim genannten Stand der Technik ein Spannungsteiler par allel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Endtransistors geschaltet, wobei ein Abgriff über Transistorstufen auf die Basis eines Vorsteuertransistors einwirkt. Weiterhin ist ein externer Schalttransistor zur Vorgabe des Abschalt modus zwischen die Basis des Vorsteuertransistors und Masse geschaltet. Nur wenn dieser gesperrt ist, kann die Basis des Vorsteuertransistors über den Spannungsteiler und die Transistorschaltung zur Spannungsbegrenzung aufge steuert werden. Hierzu wird bei der bekannten Schaltung eine Vielzahl von Bauelementen benötigt, die einen nicht unerheblichen Kostenaufwand bedeuten.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Leistungsendstufe mit den kennzeich nenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß eine derartige Spannungsbegrenzung auf niedrigerem Spannungs niveau zur Erzielung beispielsweise einer funkenfreien Abschaltung einer Zündspule auch mit einem wesentlich geringeren Bauteileaufwand realisiert werden kann. Der Aufbau wird dadurch kostengünstiger und kann leichter monolithisch integriert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß diese Anordnung auch für nicht voll integrierte Leistungsendstufen mit einer integrierten Darlington- Schaltung eingesetzt werden kann, da jetzt kein Eingriff mehr zwischen die Transistoren der Darlington-Schaltung erforderlich ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Leistungsendstufe möglich.

Zur Temperaturkompensation weist der zwischen dem Abgriff und dem Kollektor der Darlington-Schaltung liegende Teil des Spannungsteilers zweckmäßigerweise eine mit einem der Widerstände in Reihe geschaltete Z-Diode auf.

Für viele Anwendungen ist eine Entkopplung des Teiler abgriffs von der Basis der Darlington-Schaltung zweckmäßig oder erforderlich. Hierzu ist der Abgriff dieses Spannungs teilers über wenigstens eine Entkopplungs-Diode mit der Basis der Darlington-Schaltung verbunden.

Die Aufsteuerung der Darlington-Schaltung auf die niedrigere Grenzspannung kann anstelle über den Eingangstransistor der Darlington-Schaltung auch über einen Hilfstransistor erfolgen, dessen Schaltstrecke die Kollektor-Basis-Strecke des Endtransistors der Darlington-Schaltung überbrückt und dessen Basis an den Abgriff des Spannungsteilers ange schlossen ist.

Die beschriebene Anordnung kann auch in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden, bei Erreichen der niedrigeren Grenzspannung Hilfsfunktionen zu aktivieren. Hierzu ist im emitterseitigen Teil des Spannungsteilers eine Hilfs funktions-Schaltung vorgesehen, von der ein Schaltungs teil Bestandteil des Spannungsteilers ist oder durch die eine Teilspannung des Spannungsteilers abgegriffen wird. Eine derartige Hilfsfunktions-Schaltung ist beispiels weise eine Schaltung zur Abschaltung der Stromregelung, eine Schaltung zur Erzeugung von Störfall-Informationen od. dgl. Die Hilfsfunktions-Schaltung kann zweckmäßigerweise eben falls als monolithisch integrierter Schaltkreis ausgebildet werden, insbesondere zusammen mit der Leistungsendstufe.

Zusätzlich zur Spannungsbegrenzung auf die niedrigere Grenzspannung kann selbstverständlich auch noch eine Span nungsbegrenzung für ein höheres Spannungsniveau vorgesehen sein, um die elektronischen Bauteile, insbesondere die Darlington-Schaltung, zu schützen. Hierzu überbrückt eine Z-Diode die Kollektor-Emitter-Strecke des Endtransistors der Darlington-Schaltung.

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich nung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Leistungsendstufe mit externer Beschaltung,

Fig. 2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels mit einem Hilfstransistor zur Spannungsbegrenzung auf die niedrigere Grenzspannung und

Fig. 3 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels mit einer Hilfsfunktions-Schaltung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel besteht eine Leistungsendstufe 10, die monolithisch inte griert ausgebildet sein kann, im wesentlichen aus einer Darlington-Schaltung, die aus einem npn-Vorsteuertransistor 11 und einem npn-Endtransistor 12 besteht. In bekannter Weise ist dabei der Emitter des Vorsteuertransistors 11 mit der Basis des Endtransistors 12 verbunden,und die miteinander verbundenen Kollektoren der beiden Transistoren 11, 12 bilden den Kollektoranschluß (C) 13 der Darlington- Schaltung bzw. der Leistungsendstufe 10. Der Emitter des Endtransistors 12 ist mit einem Emitteranschluß (E) 14 und die Basis des Vorsteuertransistors 11 mit einem Basis anschluß (B) 15 der Darlington-Schaltung bzw. der Leistungs endstufe 10 verbunden.

Der Kollektoranschluß 13 und der Basisanschluß 15 sind über die Reihenschaltung eines Widerstands 16 mit einer Z-Diode 17 verbunden. Ein Widerstand 18 verbindet den Basisanschluß 15 mit dem Emitteranschluß 14. Die Wider stände 16, 18 bilden zusammen mit der Z-Diode 17 einen Spannungsteiler, an dem die Kollektor-Emitter-Spannung der Darlington-Schaltung anliegt. Eine Z-Diode 19 ist zwischen die Basis des Endtransistors 12 und den Kollektor anschluß 13 geschaltet. Als externe Beschaltung der Lei stungsendstufe 10 ist der Kollektoranschluß 13 über die Primärwicklung einer Zündspule 20 für eine Zündanlage einer Brennkraftmaschine mit dem positiven Pol 21 einer Versorgungsspannungsquelle verbunden, die die Versorgungs spannung U_b aufweist. Weiterhin liegt die Reihenschaltung eines Widerstandes 22 mit den Schaltstrecken zweier Transi storen 23, 24 zwischen dem positiven Pol 21 und dem nega tiven, als Massepol ausgebildeten Pol der Versorgungs spannungsquelle. Der Verknüpfungspunkt zwischen den beiden Transistoren 23, 24 ist dabei mit dem Basisanschluß 15 verbunden, während der masseseitige Anschluß des Transistors 24 mit dem Emitteranschluß 14 verbunden ist. Die beiden Transistoren 23, 24 werden durch eine elektronische Steuer vorrichtung 25 gesteuert, die im vorliegenden Falle eine Zündsteuervorrichtung ist, die beispielsweise als Mikro rechner ausgebildet ist.

Selbstverständlich kann die Leistungsendstufe 10 auch zur Steuerung anderer induktiver Lasten eingesetzt werden.

Im normalen Betriebszustand ist während der Stromflußzeit durch die Zündspule 20 der Transistor 23 stromleitend und der Transistor 24 gesperrt. Hierdurch ist die Darlington- Schaltung aufgesteuert und der Stromfluß durch die Primär wicklung der Zündspule 20 gewährleistet. Im Zündzeitpunkt werden beide Transistoren 23, 24 umgesteuert, das heißt, der Transistor 23 wird gesperrt und der Transistor 24 strom leitend geschaltet. Hierdurch wird die Darlington-Schaltung sehr schnell abgeschaltet, was zur Erzeugung eines Zünd funkens dient.

Die Z-Diode 19 dient zur Spannungsbegrenzung auch im Normal betrieb. Hierzu wird eine Klammerspannung von beispiels weise mehr als 250 Volt durch diese Z-Diode 19 festgelegt. Bei Erreichen dieser Spannung erfolgt ein Durchbruch, durch den der Endtransistor 12 zum Spannungsabbau wieder stromleitend gemacht wird. Zur sogenannten funkenfreien Abschaltung werden beide Transistoren 23, 24 gleichzeitig gesperrt. Hierdurch wird zunächst auch die Darlington- Schaltung gesperrt, so daß es induktionsbedingt zu einem Spannungsanstieg kommt. Die zwischen dem Kollektoranschluß 13 und dem Emitteranschluß 14 liegende, ansteigende Span nung liegt gleichzeitig am Spannungsteiler 16-18 an. Dieser ist so dimensioniert, daß bei einer bestimmten Spannung von beispielsweise 35 Volt der durch den Widerstand 16 fließende Strom den Vorsteuertransistor 11 und über diesen den Endtransistor 12 wieder aufsteuert. Da der Transistor 24 gesperrt ist, kann dieser Strom nämlich jetzt nicht nach Masse abfließen. Hierdurch wird die Spannung auf den durch den Spannungsteiler eingestellten Wert begrenzt, der so niedrig ist, daß kein Zündfunke entstehen kann. Die Z-Diode 17 dient der Temperaturkompensation und kann in einer einfacheren Ausführungsform auch weggelassen werden.

Die Spannungsbegrenzung erfolgt bei:
U_CE=2U_BE(1+R₁₆/R₁₈)+U_k.

Dabei ist U_CE die Kollektor-Emitter-Spannung und U_BE die Basis-Emitter-Spannung der Darlington-Schaltung, während U_k die an der Z-Diode 17 abfallende Spannung ist. Diese Bedingung gilt für einen einstufigen Vorsteuertransistor 11. Dieser kann selbstverständlich auch mehrstufig ausge bildet sein, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.

Das in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel und das in Fig. 3 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel entsprechen weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel, so daß gleiche oder gleich wirkende Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen und nicht nochmals beschrieben sind. Gleichfalls wurde zur Vereinfachung die externe Beschaltung weggelassen, die selbstverständlich wieder in der gleichen Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein kann.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel der Abgriff des Spannungsteilers 16-18 nicht direkt, sondern über eine Entkopplungs-Diode 26 mit dem Basisanschluß 15 verbunden. Weiterhin ist dieser Abgriff mit der Basis eines Hilfstransistors 27 verbunden, dessen Schaltstrecke parallel zur Schaltstrecke des Vorsteuertransistors 11 geschaltet ist.

Die Aufsteuerung bei Erreichen der niedrigeren Grenzspan nung von beispielsweise 35 Volt erfolgt nun nicht mehr über den Vorsteuertransistor 11, sondern über den Hilfs transistor 27. Die Basis des Vorsteuertransistors 11 liegt infolge der Entkopplungs-Diode 26 um den Betrag der Fluß spannung der Entkopplungs-Diode 26 unter der Basisspannung des Hilfstransistors 27, das heißt, der Vorsteuertransistor 11 bleibt beim Einsetzen der Spannungsbegrenzung gesperrt, und nur der Hilfstransistor 27 wird stromleitend und steuert dadurch den Endtransistor 12 in den stromleitenden Zustand. Wenn dagegen der Basisanschluß 15 nach Masse gezogen ist, wenn also der externe Transistor 24 stromleitend ist, so ist auch der Hilfstransistor 27 ständig gesperrt, da sein Basisstrom über die Entkopplungs-Diode 26 nach Masse abgeführt wird. Die Spannungsbegrenzung erfolgt dann nur noch bei Erreichen des hohen Spannungsniveaus von beispiels weise über 250 Volt durch die Z-Diode 19.

Sind die Transistoren 11, 12 der Darlington-Schaltung mehr stufig, z. B. zweistufig, ausgebildet, so können statt einer Entkopplungs-Diode 26 auch zwei derartiger Dioden eingesetzt werden, um im Klammerbetrieb auf dem Niveau der niedrigeren Grenzspannung den Vorsteuertransistor 11 noch stärker vom Hilfstransistor 27 zu entkoppeln. Auch der Hilfstransistor 27 kann selbstverständlich ein- oder mehrstufig ausgebildet sein.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel ist zwar wie im zweiten Ausführungsbeispiel eine Entkopp lungs-Diode 26 vorgesehen, jedoch entfällt der Hilfstransi stor 27. Der Widerstand 18 des Spannungsteilers ist nicht direkt mit dem Emitter des Endtransistors 12 bzw. mit Masse verbunden, sondern indirekt über eine Hilfsfunktions- Schaltung 28, die zusätzlich noch mit dem Emitter des Vorsteuertransistors 11 verbunden ist. Die Hilfsfunktions- Schaltung 28 stellt beispielsweise eine bekannte Schaltung zur Abschaltung der Stromregelung, eine Schaltung zur Erzeugung von Störfall-Informationen od. dgl. dar. Durch Abgriff eines Teils der am Spannungsteiler abfallenden Spannung kann die jeweilige Hilfsfunktion aktiviert werden, wenn die niedrigere Grenzspannung erreicht wird. Dabei wird durch die Entkopplungs-Diode 26 sichergestellt, daß die Hilfsfunktion nur dann zum Tragen kommt, wenn der Basisanschluß 15 vom Emitteranschluß 14 getrennt ist, wenn also der Transistor 24 gesperrt ist.

Die Hilfsfunktions-Schaltung 28 kann beispielsweise als monolithisch integrierte Schaltung ausgebildet sein und zusammen mit der übrigen Leistungsendstufe einen einzigen monolithisch integrierten Schaltkreis bilden.

Zur Einstellung der Betriebszustände mit und ohne Spannungs begrenzung auf niedrigerem Spannungsniveau kann anstelle des Transistors 24 auch ein anderes Schaltmittel treten, durch das der Basisanschluß 15 und der Emitteranschluß 14 miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können. Soll für andere Anwendungszwecke die Spannungs begrenzung auf niedrigerem Spannungsniveau ständig wirksam sein, so muß selbstverständlich der Emitteranschluß 14 ständig vom Basisanschluß 15 getrennt sein.

Claims

1. Leistungsendstufe mit einer Darlington-Schaltung zum Schalten einer induktiven Last, insbesondere der Zünd spule einer Brennkraftmaschine, mit einem die Betriebsart der Leistungsendstufe vorgebenden, die Basis-Emitter- Strecke der Darlington-Schaltung überbrückenden Schalter, der bei schneller Abschaltung der Endstufe geschlossen und bei spannungsbegrenzter Abschaltung der Endstufe geöff net ist, und mit einem wenigstens aus zwei Widerständen bestehenden, die Schaltstrecke der Darlington-Schaltung überbrückenden Spannungsteiler, der einen auf die Basis der Darlington-Schaltung einwirkenden Abgriff aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff des Spannungsteilers (16-18) mit dem Verknüpfungspunkt zwischen dem Schalter (24) und der Basis der Darlington-Schaltung (11, 12) ver bunden ist, wobei der Schalter (24) parallel zu einem Teil (18) des Spannungsteilers (16-18) geschaltet ist.

2. Leistungsendstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß sie als monolithisch integrierter Schaltkreis ausgebildet ist.

3. Leistungsendstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß der Schalter (24) als externer Transistor ausge bildet ist.

4. Leistungsendstufe nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem Abgriff und dem Kollektor der Darlington-Schaltung (11, 12) liegende Teil des Spannungsteilers (16-18) eine mit einem der Widerstände (16) in Reihe geschaltete Z-Diode (17) aufweist.

5. Leistungsendstufe nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff des Span nungsteilers (16-18) über wenigstens eine Entkopplungs- Diode (26) mit der Basis der Darlington-Schaltung (11, 12) verbunden ist.

6. Leistungsendstufe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß ein Hilfstransistor (27) vorgesehen ist, dessen Schaltstrecke die Kollektor-Basis-Strecke des Endtransistors (12) der Darlington-Schaltung (11, 12) überbrückt und dessen Basis an den Abgriff des Spannungsteilers (16-18) ange schlossen ist.

7. Leistungsendstufe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß im emitterseitigen Teil des Spannungs teilers (16-18) eine Hilfsfunktions-Schaltung (28) vorge sehen ist, von der ein Schaltungsteil Bestandteil des Spannungsteilers ist, oder durch die eine Teilspannung des Spannungsteilers abgegriffen wird.

8. Leistungsendstufe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die Hilfsfunktions-Schaltung (28) eine Schaltung zur Abschaltung der Stromregelung, eine Schaltung zur Erzeugung von Störfall-Informationen od. dgl. ist.

9. Leistungsendstufe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfunktions-Schaltung (28) als monolithisch integrierter Schaltkreis ausgebildet ist, insbesondere zusammen mit der Leistungsendstufe.

10. Leistungsendstufe nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Z-Diode (19) die Kollektor-Emitter-Strecke des Endtransistors (12) der Darlington-Schaltung (11, 12) überbrückt.