DE4300953C2

DE4300953C2 - Schaltanordnung für eine elektronische Zündanlage für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4300953C2
Application number: DE4300953A
Authority: DE
Inventors: Noriyoshi Urushiwara; Noboru Sugiura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-01-17
Filing date: 1993-01-15
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2013-01-16
Also published as: JP2796209B2; US5581131A; DE4300953A1; JPH05195927A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltanordnung für eine elektronische Zündanlage für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Schaltanordnung ist aus der US 40 59 084 bekannt.

In herkömmlichen elektronischen Zündanlagen, wie sie etwa aus dem japanischen Gebrauchsmuster JP 63-93 471 bekannt sind, wird der maximal zulässige Primärstrom in der Zündspule durch Bezugnahme auf die Spannung über dem Leitungswiderstand der inte grierten Hybridschaltung gesteuert, welche in einem zur integrierten Hybridschaltung parallel geschalteten Span nungsteiler erfaßt und zum Treiben des Strom-Steuertran sistors verwendet wird. Außerdem wird eine Rückkopplungs schaltung verwendet, um von der Basis des Leistungstran sistors Strom abzuführen.

Ein Nachteil derartiger herkömmlicher Systeme besteht darin, daß sich bei Änderungen der Umgebungstemperatur um etwa 100°C der Stromgrenzwert in Abhängigkeit von der Temperaturkennlinie des Emitterwiderstandes und von der Basis-Emitter-Spannung V_BE des Strom-Steuertransistors um mehr als 30% ändern kann. Es ist daher notwendig, den Strom zu begrenzen, um das Leistungsschaltelement vor Be schädigungen zu schützen, die durch einen übermäßigen Strom verursacht würden. Wenn dieser Stromgrenzwert nied rig angesetzt ist, fällt auch die sekundäre Ausgangsspan nung der Zündspule ab, wodurch die Leistung des Verbren nungsmotors verschlechtert wird. Außerdem steigt die vom Leistungstransistor erzeugte Wärme an. Daher sollte eine Schwankung des Stromgrenzwertes klein gehalten werden.

Aus der US 40 59 084 ist ein Zündsystem für Brennkraftmaschinen die eine Zündspule verwenden, bekannt. Ein Schalttransistor steuert die Zündspule an. Zwischen Basis des Transistors und Masse ist eine Zenerdiode in Sperrichtung geschaltet.

Aus der EP 00 40 260 A1 ist eine Transistorzündschaltung bekannt. Der Temperaturkoeffizient einer einem Transistor vorgeschalteten Zenerdiode wird durch den Temperaturkoeffizienten eines elektrischen Schichtwiderstands eines Spannungsteilers kompensiert.

Aus der US 33 40 861 ist eine Transistor-Zündschaltung bekannt. Aus der Druckschrift ist es bekannt, daß Dioden, die in Durchlaßrichtung gepolt parallel zur Basis-Emitter-Strecke eines Schalttransistors geschaltet sind, der Temperaturkompensation dienen können. Die Temperaturabhängigkeit wird primär als durch das verwendete Halbmaterial verursacht angesehen. Insofern wird vorgeschlagen, beispielsweise bei Siliciumtransistoren auch Dioden auf Siliciumbasis zu verwenden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltanordnung für eine elektronische Zündanlage anzugeben, mittels derer der Temperaturgang eines Halbleiterschaltelements wirksam kompensiert werden kann, ohne daß Oszillationen des Halbleiterelements auftreten.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.

Die erfindungsgemäße Schaltanordnung enthält eine Reihenschaltung zweier Zenderdioden zwischen der Basis des Schalt-Leistungstransistors und Masse, wobei die Kathode der ersten Zenerdiode an der Minus-Seite und die Kathode der zweiten Zenerdiode an der Plus-Seite anliegt. (Das heißt, daß die beiden Dioden in entgegengesetzter Polari tät angeordnet sind.) Die Verwendung einer Zenerdiode als Stromsteuerschaltung gleicht die thermisch hervorgerufenen Änderungen des Emitterwiderstandes und der Basis-Emitter-Spannung V_BE des Leistungstransistors aus, so daß die Schwankung des Stromgrenzwertes bei einer Temperaturänderung von 100°C auf ungefähr 5% begrenzt werden kann. Da ferner die An ordnung als offene Steuerung ausgebildet ist, wird auch die rückkopplungsbedingte Oszillation des Leistungstransistors verhindert, so daß für diese Schaltung kein Phasensteuerungskondensator erforderlich ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Aus führungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläu tert; es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung;

Fig. 2 ein Schaltbild einer herkömmlichen Schaltanordnung;

Fig. 3 ein Schaltbild eine weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltanordnung, in der als Leistungs-Schaltelement ein MOSFET verwendet wird; und

Fig. 4-7 Schaltbilder weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltanordnung für eine elektronische Zündanlage für Brennkraftmaschinen gezeigt. Die Schaltanordnung 1 umfaßt eine Leistungstransistor-Schaltung 2 und eine Strom-Steuer schaltung 9, die auf einer integrierten Hybridschaltung ausgebildet sind. Die Strom-Steuerschaltung 9 umfaßt ei nen zwischen dem Emitter des Leistungstransistors 2 und Masse angeordneten gedruckten Emitterwiderstand 6, Zener dioden 3 und 4, die zum Abführen des Basisstroms des Lei stungstransistors 2 verwendet werden, einen Eingangswi derstand 5 und einen Überspannungsableitungskondensator 10. Die Zenerdioden 3 und 4 sind in Reihe geschaltet und in entgegengesetzter Polarität angeordnet.

Der Leistungstransistor 2 wird eingeschaltet, wenn in dessen Basis über den Eingangswiderstand 5 von einer Mo tor-Steuereinheit (üblicherweise ein nicht gezeigter Mi krocomputer) entsprechend dem momentanen Betriebszustand des Motors ein Zündsignal eingegeben wird. Ab diesem Punkt beginnt ein kleiner Strom von der Leistungsversor gung in die Primärwicklung der Zündspule 7, durch den Kollektor und den Emitter des Leistungstransistors 2 und durch den Emitterwiderstand 6 zur Masse zu fließen. Wenn dieser Strom ansteigt, nimmt der Spannungsabfall über dem Emitterwiderstand 6 zu, bis die Summe der Spannung V_E über dem Emitterwiderstand 6 und der Basis-Emitter-Span nung V_BE der Leistungstransistorschaltung 2 gleich der Summe der Vorwärtsspannung V_F der Zenerdiode 3 und der Zenerspannung V_Z der Zenerdiode 4 ist. Dann wird der Ba sisstrom des Leistungstransistors 2 über die zwei Zener dioden 3 und 4 zur Masse abgeführt, wodurch der Strom be grenzt wird.

In diesem Fall besitzt jede der Größen V_BE, V_E, V_F und V_Z ihren eigenen Temperaturkoeffizienten. In der Ausfüh rungsform von Fig. 1 kann der Temperaturkoeffizient der Summe von V_F und V_Z ungefähr an den Temperaturkoeffizien ten der Summe von V_BE und V_E angeglichen werden. Auf diese Weise ist es möglich, die durch Temperaturänderun gen verursachte Schwankung des Strombegrenzungswertes zu reduzieren. Für den Vergleich der Temperaturkennlinie des Stromgrenzwertes dieser Ausführungsform der Erfindung mit einer herkömmlichen Schaltanordnung ist eine kurze Erläuterung von Fig. 2 erforderlich.

Die Temperaturkennlinie der in Fig. 2 gezeigten herkömm lichen Schaltanordnung wird in erster Linie durch den Tempera turkoeffizienten von V_BE des Strombegrenzungswiderstandes 11 und durch denjenigen des Emitterwiderstandes 6′ be stimmt. Da meist für den V_BE-Temperaturkoeffizienten ein Wert von ungefähr -2 mV/°C und für den Emitterwiderstand eine Ag-Pd-Paste verwendet werden, werden sie auch in diesem Anwendungsbeispiel verwendet. Das Ergebnis (Temperaturkennlinie der in Fig. 2 gezeigten herkömmli chen Schaltanordnung) liegt bei ungefähr 1000 ppm/°C. Wenn der Strombegrenzungswert mit I_CL bezeichnet wird, lautet das Ergebnis folgendermaßen:

V_E: ungefähr 1,0 V bei Raumtemperatur (25°C)
V_BE: ungefähr 0,7 V bei Raumtemperatur (25°C).

Wenn angenommen wird, daß I_CL bei Raumtemperatur einen Wert von 7,0 A besitzt, lautet das Ergebnis folgenderma ßen:

Somit beträgt I_CL bei 25°C 7,0 A und bei 130°C 4,4 A, wo bei der I_CL-Temperaturkoeffizient ungefähr 3700 ppm/°C beträgt. Dies ist der Temperaturkoeffizient für die her kömmliche Schaltung.

Die Temperaturkennlinie der erfindungsgemäßen Schaltanordnung Zündanlage in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungs form wird durch die Temperaturkoeffizienten der Spannung V_BE des Leistungstransistors 2′, den Widerstandswert des Emitterwiderstandes 6, die Spannung V_F der Zenerdiode 3 und die Spannung V_Z der Zenerdiode 4 bestimmt. Der Tempe raturkoeffizient beträgt ungefähr -3 mV/°C, während der Temperaturkoeffizient des Emitterwiderstandes 6 ungefähr 1000 ppm/°C beträgt. Wenn der Strom, der bei der Begren zung abgeführt werden soll, ungefähr 20 mA beträgt, be trägt die Summe der Temperaturkoeffizienten von V_F und V_Z ungefähr -1,5 mV/°C, wenn V_Z 2,0 V beträgt. Wenn der Strombegrenzungswert mit I_CL bezeichnet wird, lautet das Ergebnis folgendermaßen:

Da V_BE auf ungefähr 1,5 V, V_F auf ungefähr 0,7 V und V_E auf ungefähr 1,0 V gesetzt sind, sollte für V_Z ein Wert von 2,0 V verwendet werden. V_E ergibt sich folgenderma ßen:

V_E=2+0,7-1,5=1,2V (6)

Wenn angenommen wird, daß I_CL bei Raumtemperatur 7,0 A beträgt, ergibt sich:

Im Ergebnis beträgt I_CL bei 25°C 7,0 A und bei 130°C 7,2 A, so daß der I_CL-Temperaturkoeffizient ungefähr 300 ppm/°C beträgt. Daher ist in dieser Beziehung die erfin dungsgemäße Schaltanordnung viel besser als die Schaltung des Standes der Technik.

In Fig. 3 ist ein Schaltbild einer zweiten Ausführungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ge zeigt. In diesem Beispiel wird im Gegensatz zur ersten Ausführungsform als Leistungs-Schaltelement ein MOSFET 15 verwendet. Wie im ersten Beispiel sind jedoch zwischen das Gate des MOSFET 15 und Masse zwei in entgegengesetz ter Polarität angeordnete Zenerdioden 3 und 4 in Reihe geschaltet. Die Funktion der Ausführungsform von Fig. 3 ist gleich derjenigen von Fig. 1.

In Fig. 4 ist die Schaltung einer dritten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, in der wie in der ersten Ausfüh rungsform für das Leistungs-Schaltelement ein Leistungs transistor verwendet wird. In einer einzelnen Schaltanordnung sind mehrere Schaltelemente 2 parallel geschaltet, wobei die Kathoden der entsprechenden Zenerdioden 3 mit einem Knoten verbunden sind, mit dem die Zenerdiode 4 in der zur Zenerdiode 3 entgegengesetzten Richtung verbunden ist. Die Anode der Zenerdiode 4 ist mit Masse verbunden (die Zündspule und die Zündkerze sind nicht gezeigt.) Wenn für jeden Zylinder einer Brennkraftmaschine ein Schaltelement verwendet wird, sollte die Verbindung wie in Fig. 4 gezeigt ausgebildet werden, so daß die Zenerdi ode 4 gemeinsam genutzt werden kann.

In Fig. 5 ist die Schaltung einer Schaltanordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, in der für das Leistungs-Schaltelement ein MOS FET 15 verwendet wird. Wie in Fig. 4 sind mehrere Schalt elemente parallel angeordnet, wobei die Zenerdioden 3 über eine einzelne Zenerdiode 4 mit Masse verbunden sind.

In Fig. 6 ist ein Schaltbild einer Schaltanordnung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung gezeigt. In diesem Beispiel wird als Leistungsschaltele ment ein Leistungs-MOSFET verwendet, ferner sind zwischen dem Gate und der Source des MOSFET 15 als Stromsteuer schaltung in entgegengesetzter Polarität angeordnete Zen erdioden 3 und 4 in Reihe geschaltet. Ferner kann auf dem Leistungs-MOSFET-Chip eine Primärspannungs-Steuerschal tung in Form von in entgegengesetzter Polarität angeord neten Zenerdioden 16 und 17 angebracht werden, welche zwischen dem Gate und dem Drain des MOSFET in Reihe ge schaltet sind. Bei Verwendung von Polysilizium auf dem Leistungs-MOSFET-Chip auf im Stand der Technik wohlbe kannte Weise können ein Widerstand oder eine Zenerdiode ausgebildet werden.

In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, in der eine herkömmliche Diode 18 durch die Zen erdiode 3 von Fig. 1 ersetzt ist. Da die Zenerdiode 3 (Fig. 1) in der Ausführungsform von Fig. 1 im wesentli chen auf die gleiche Weise wie eine herkömmliche Diode arbeitet, wird dadurch die Funktion der Einrichtung nicht beeinflußt. Auch in den anderen Ausführungsformen kann auf analoge Weise eine entsprechende Abwandlung vorgenom men werden.

Die Erfindung verhindert ein übermäßiges Abfallen des Stromgrenzwertes bei hohen Betriebstemperaturen, so daß die Sekundärspannung am Ausgang der Zündspule weniger stark abfällt und eine gute Leistung der Brennkraftmaschine aufrechterhalten wird.

Da außerdem der Stromgrenzwert weniger stark abfällt, kann die vom Leistungs-Schaltelement abgegebene Wärme verringert werden, so daß die Verwendung der Schaltanordnung bei höheren Temperaturen möglich ist.

Da in der Erfindung ein offener Regelkreis verwendet wird, können außerdem Oszillationen des Leistungstransi stors beseitigt werden, so daß der in einer herkömmlichen Schaltanordnung verwendete Kondensator zur Phasensteuerung und zur Verhinderung von Oszillationen nicht erforderlich ist bzw. die Grenzen des Bereichs des Leistungstransistors h_FE und der Zündspulen-Induktivität erweitert werden kön nen.

Obwohl die Erfindung im einzelnen beschrieben und erläu tert worden ist, ist diese Beschreibung selbstverständ lich lediglich beispielhaft und in keinerlei Weise be schränkend. Der Geist und der Umfang der vorliegenden Er findung werden nur durch die beigefügten Ansprüche fest gelegt.

Claims

1. Schaltanordnung für elektronische Zündanlage für Brennkraftmaschinen, mit

- einem Stromsteuerelement (2, 6, 15), bei dem der Stromfluß zwischen seinen zwei Leistungsanschlüssen durch entsprechende Ansteuerung eines Steuerungsanschlusses ermöglicht oder unterbrochen werden kann, und das zumindest ein Halbleiterschaltelement (2,15) aufweist, und
- einem Strombegrenzungselement (3, 4, 18), das zwischen dem Steueranschluß und einem Leistungsanschluß des Stromsteuerelements (2, 6, 15) geschaltet ist und zumindest eine in Sperrichtung gepolte Z-Diode (4) aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturkoeffizient des Strombegrenzungselements (3, 4, 18) so gewählt ist, daß er im wesentlichen demjenigen des Stromsteuerelements (2, 6, 15) zwischen seinem Steuereingang und dem beschalteten Leistungseingang entspricht.

2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromsteuerelement (2, 6, 15) einen Widerstand (6) aufweist, der zwischen dem beschalteten Leistungsanschluß des Stromsteuerelements und einem Leistungsanschluß des Halbleiterschaltelements (2, 15) geschaltet ist.

3. Schaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Strombegrenzungselement (3, 4, 18) eine zur in Sperrichtung gepolten Z-Diode (4) weitere, in Serie und in Durchschlagsrichtung geschaltete Diode (18) oder Z-Diode (3) aufweist.

4. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement (2, 15) einen Polartransistor (2) oder einen Feldeffekttransistor (15) aufweist.

5. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

- mehrere Zweige jeweils bestehend aus Stromsteuerelementen (2, 6, 15) und Strombegrenzungselementen (3, 4, 18) nebeneinander vorgesehen sind, wobei
- lediglich eine einzige in Sperrichtung gepolte Z-Diode (4) vorgesehen ist, die durch alle Zweige gemeinsam benutzt wird.