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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Zündeinrichtung
mit Begrenzung der Spannung an einem Primärwicklungsanschluss einer Zündspule.
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Wie
bekannt ist, ist eines der Probleme, welche bei elektronischen Zündeinrichtung
für induktive Belastungen
vorliegen, die Spannung an dem Primärwicklungsanschluss der Zündspule
zu begrenzen, falls eine Fehlfunktion der Vorrichtung detektiert wird,
um damit zu verhindern, dass ein Zündfunken an dem Sekundärwicklungsanschluss
der gleichen Spule auftritt.
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In
diesem Zusammenhang zeigt 1 ein schematisches
Schaltbild einer elektronischen Zündeinrichtung 1, welche
aufweist: eine Zündspule 2 und ein
Leistungsglied 3, z.B. einen IGBT oder einen bipolaren
Leistungstransistor. Detaillierter dargestellt, beinhaltet die Zündspule 2 eine
Primärwicklung 2a und
eine Sekundärwicklung 2b;
ein erster Anschluss 2c der Primär- und Sekundärwicklungen 2a, 2b ist mit
einer Versorgungsleitung 4 verbunden, welche auf eine Batteriespannung
VB eingestellt ist, ein zweiter Anschluss 5 der Primärwicklung 2a ist
mit einem Kollektoranschluss des Leistungsgliedes 3 verbunden,
und ein zweiter Anschluss 6 der Sekundärwicklung 2b ist mit
einem Funkenstecker (in 1 nicht gezeigt) verbunden,
welcher den Zündfunken erzeugt.
Das Leistungsglied 3 besitzt einen Emitteranschluss 7,
welcher mit der Erde GND verbunden ist, und einen Steueranschluss 8,
welcher über
einen Widerstand 10 mit einem Mikroprozessor 9 verbunden
ist, welcher nur schematisch in 1 gezeigt wird.
Eine Hochspannungs-Zener-Diode 25 ist mit ihrer Kathode
mit dem zweiten Anschluss 5 der Primärwicklung 2a verbunden
und mit ihrer Anode mit dem Steueranschluss 8 des Leistungsgliedes 3 verbunden.
Die Hochspannungs-Zener-Diode 25 begrenzt die
maximale Spannung, welche an dem zweiten Anschluss 5 der
Primärwicklung 2a angelegt
ist, um zu verhindern, dass diese die Durchschlagspannung der Leistungsvorrichtung 1 übersteigt.
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Der
Mikroprozessor 9 steuert das Einschalten des Leistungsgliedes 3,
indem er diesem über dessen
Steueranschluss 8 ein Triggersignal mit einem hohen logischen
Pegel liefert (2). Beim Einschalten des Leistungsgliedes 3 wird
an die Primärwicklung 2a eine
Spannung angelegt, welche nahe an der Batteriespannung VB liegt. Folglich startet ein Primärstrom Iout welcher in den Anschluss der Primärwicklung 5 fließt (2).
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Wenn
eine angemessene Zeit verstrichen ist, während der der Primärstrom Iout einen voreingestellten Wert I0 erreicht (Ladezeit der Zündspule 2),
steuert der Mikroprozessor 9 das Abschalten der Leistungsvorrichtung 3,
indem das Triggersignal mit einem niedrigen logischen Pegel gesandt
wird. In diesem Zustand wird ein Spannungspuls V0 an
dem zweiten Anschluss 5 der Primärwicklung 2a erzeugt (2);
der Spannungspuls, welcher an den zweiten Anschluss der Sekundärwicklung 2b übertragen wird,
multipliziert mit dem Windungsverhältnis der Zündspule 2, löst einen
Funken aus.
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In
einer elektronischen Zündeinrichtung
des oben beschriebenen Typs ist es notwendig, dass der Funke nur
erzeugt wird, wenn der Mikroprozessor 9 das Leistungsglied 3 durch
Senden des Triggersignals mit niedrigem logischen Pegel ausschaltet.
Jedoch im Falle der Fehlfunktion der Vorrichtung kann es notwendig
sein, das Leistungsglied 3 unabhängig von dem logischen Pegel
des Triggersignals auszuschalten und damit kein Funke an dem zweiten
Anschluss 6 der Sekundärwicklung 2b erzeugt
wird.
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Wie
in 3 gezeigt wird, um diese Forderung zu erfüllen, ist
die elektronische Zündeinrichtung 1 mit
einer Schutzschal tung 11 ausgestattet, welche nur schematisch
in 3 gezeigt wird, um anomale Betriebszustände der
elektronischen Zündeinrichtung 1 zu
detektieren, wie z.B. Überhitzen
des Leistungsgliedes 3 oder Überschreiten des voreingestellten
Stromwertes I0, und zum Liefern eines logischen
Signales EN an einem Ausgangsanschluss 16, welches als
Freigabesignal für
eine spannungsbegrenzende Schaltung 12 benutzt wird.
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Detaillierter
ausgedrückt,
besitzt die spannungsbegrenzende Schaltung 12 einen ersten
Eingangsanschluss 13, einen zweiten Eingangsanschluss 14 und
einen Ausgangsanschluss 15. Der erste Eingangsanschluss 13 der
spannungsbegrenzenden Schaltung 12 ist mit dem zweiten
Anschluss 5 der Primärwicklung 2a verbunden.
Der zweite Eingangsanschluss 14 der spannungsbegrenzenden Schaltung 12 ist
mit dem Ausgangsanschluss 16 der Schutzschaltung 11 über einen
Inverter 17 verbunden; und der Ausgangsanschluss 15 der
spannungsbegrenzenden Schaltung 12 ist mit dem Steueranschluss 8 des
Leistungsgliedes 3 verbunden.
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Die
spannungsbegrenzende Schaltung 12 weist auf: einen Freigabetransistor 18 vom
NPN-Typ, welcher einen Kollektoranschluss besitzt, welcher mit dem
ersten Eingangsanschluss 13 der spannungsbegrenzenden Schaltung 12 über einen
Hochspannungswiderstand 19 verbunden ist, einen Emitteranschluss,
welcher mit Erde GND verbunden ist, und einen Steueranschluss, welcher
mit dem zweiten Eingangsanschluss 14 der spannungsbegrenzenden Schaltung 12 verbunden
ist.
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Die
spannungsbegrenzende Schaltung 12 weist ferner auf: einen
ersten Hochspannungs-Vertikaltransistor 20a und einen zweiten
Hochspannungs-Vertikaltransistor 20b, beide vom NPN-Typ und
in einer Darlington-Konfiguration gekoppelt. Spezieller ausgedrückt, der
erste Hochspannungs-Vertikaltransistor 20a besitzt einen
Kollektoranschluss, welcher mit dem ersten Eingangsanschluss 13 der spannungsbegrenzenden
Schaltung 12 verbunden ist, einen Steueranschluss, welcher
mit dem Kollektoranschluss des Freigabetransistors 18 über einen ersten
Schaltungsknoten 30 verbunden ist, und einen Emitteranschluss.
Der zweite Hochspannungs-Vertikaltransistor 20b besitzt
einen Kollektoranschluss, welcher mit dem ersten Eingangsanschluss 13 der spannungsbegrenzenden
Schaltung 12 verbunden ist, einen Steueranschluss, welcher
mit dem Emitter-Anschluss des ersten Transistors 20a verbunden ist,
und einen Emitter-Anschluss, welcher mit dem Ausgangsanschluss 15 der
spannungsbegrenzenden Schaltung 12 über eine Zener-Diode 22 verbunden
ist. Die Zener-Diode 22 ist mit ihrer Kathode mit dem Emitter-Anschluss
des zweiten Transistors 20b verbunden und mit ihrer Anode
mit dem Ausgangsanschluss 15 der spannungsbegrenzenden
Schaltung 12 verbunden. Ein Widerstandselement 21 ist
zwischen dem Steueranschluss und dem Emitter-Anschluss des zweiten
Hochspannungs-Vertikaltransistors 20b verbunden.
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Die
elektronische Zündeinrichtung 1 weist ferner
auf: einen Schutztransistor 23, welcher einen Kollektoranschluss
besitzt, der mit dem Steueranschluss 8 des Leistungsgliedes 3 über einen
zweiten Schaltungsknoten 31 verbunden ist, einen Emitter, welcher
mit der Erde GND verbunden ist, und einen Steueranschluss, welcher
mit dem Ausgangsanschluss 16 der Schutzschaltung 11 verbunden
ist.
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Ein
Vorspannungswiderstand 24 ist zwischen dem zweiten Schaltungsknoten 31 und
dem Ausgangsanschluss 15 der spannungsbegrenzenden Schaltung 12 gekoppelt.
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Nachdem
eine Fehlfunktion der elektronischen Zündeinrichtung 1 detektiert
wurde, erzeugt die Schutzschaltung 11 an dem Steueranschluss
des Schutztransistors 23 einen hohen logischen Pegel des
logischen Signals EN. Folglich geht der Schutztransistor 23 in
die Sättigung,
wobei er auf dem zweiten Schaltungsknoten 31 eine Spannung
Vcesat erzeugt, welche gleich seiner ei genen
Sättigungsspannung
ist (der Spannung, welche zwischen dem Kollektor und dem Emitter-Anschluss
des Schutztransistors 23 in Sättigung vorliegt), und wobei
das Abschalten des Leistungsgliedes 3 bestimmt wird, was
ein Ansteigen der Spannung auf dem zweiten Anschluss 5 der
Primärwicklung 2a zur
Folge hat.
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Zur
gleichen Zeit erzeugt der Inverter 17 auf dem Steueranschluss
des Freigabetransistors 18 ein logisches Signal, welches
mit dem logischen Signal EN bei einem niedrigen logischen Pegel
korreliert ist. Folglich schaltet der Freigabetransistor 18 ab,
wobei auf dem ersten Schaltungsknoten 30 eine Spannung erzeugt
wird, welche die Hochspannungs-Vertikaltransistoren 20a und 20b anschaltet.
Diese Transistoren liefern der Zener-Diode 22 und dem Vorspannungswiderstand 24 einen
Strom, welcher eine Vorspannung VP an dem
Vorspannungswiderstand 24 auslöst. Die Vorspannung VP löst
das Wiedereinschalten des Leistungsgliedes 3 aus, welches
die Spannung an dem zweiten Anschluss 5 der Primärwicklung 2a bei
einem Wert VL aufrechterhält, welche die
Hochspannungs-Vertikaltransistoren 20a, 20b eingeschaltet
hält, so
dass letztere fortfahren, Strom zu liefern, bis ein vollständiger Verbrauch
der Energie vorliegt, welche in der Primärwicklung 2a der Zündspule 2 gespeichert
ist. Speziell ist der Wert VL gleich VL =
VR + Vbe1 + Vbe2 + VZ + VP + Vcesat (1)wobei VR die Spannung an dem Hochspannungswiderstand 19 ist,
Vbel und Vbe2 Spannungen
zwischen den Steuer- und den Emitter-Anschlüssen der Hochspannungs-Vertikaltransistoren 20a, 20b sind
und VZ die Spannung an der Zener-Diode 22 ist.
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Am
Ende der Entladung der Zündspule
erreicht die Spannung VL den Wert der Batteriespannung
VB. In diesem Zustand müssen für das geeignete Betreiben der
spannungsbegrenzenden Schaltung 12 die Hochspannungs-Vertikaltransistoren 20a, 20b aus
sein. Dies tritt nur auf, wenn die Spannung VZ die folgende
Bedingung erfüllt: VZ > VB – VR – Vbe1 – Vbe2 – VP – Vcesat (2)welche
aus der Beziehung (1) erhalten wird, wobei VL =
VB gesetzt ist.
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Folglich
muss, auf der Basis der Gleichung (2), um einen richtigen Betrieb
der spannungsbegrenzenden Schaltung vorliegen zu haben, die Zener-Diode 22 jeweils
entsprechend der maximalen Batteriespannung VB gewählt werden,
welche in den Spezifikationen vorgesehen ist.
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Zusätzlich kann
bei Applikationen für
elektronische Zündung,
welche einen voreingestellten Maximalwert von 24 V für die Batteriespannung
VB erfordern, der Wert der Spannung VL zu hoch sein, falls die Spule ein hohes
Wicklungsverhältnis
zwischen ihrer primären
und ihrer sekundären
Wicklung besitzt; folglich kann ein unerwünschter Funke erzeugt werden.
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Das
technische Problem, welches durch die vorliegende Erfindung gelöst wird,
liegt darin, dass eine elektronische Zündeinrichtung geliefert wird, welche
die Spannung, welche an dem Primärwicklungsanschluss
der Zündspule
liegt, begrenzt, wodurch Einschränkungen
und Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
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Dieses
Problem wird durch eine elektronische Zündeinrichtung gelöst, wie
sie im Anspruch 1 definiert ist.
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Die
Merkmale und Vorteile der elektronischen Zündeinrichtung entsprechend
der Erfindung werden klar aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform
hervorgehen, welche nur als ein nicht einschränkendes Beispiel gegeben wird,
mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen, in welchen:
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1 ein
schematisches Schaltbild einer bekannten elektronischen Zündeinrichtung
ist;
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2 die
Graphen der elektrischen Größen zeigt,
welche mit der Vorrichtung der 1 aufgenommen
wurden;
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3 ein
vollständigeres
Schaltbild der elektronischen Zündeinrichtung
der 1 zeigt;
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4 ein
Schaltbild einer elektronischen Zündeinrichtung entsprechend
der Erfindung zeigt;
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5 ein
detaillierteres Schaltbild einer elektronischen Zündeinrichtung
entsprechend der Erfindung zeigt; und
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6 einen
Querschnitt durch einen Chip zeigt, welcher einen Teil der elektronischen
Zündeinrichtung
der 4 beinhaltet.
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4 zeigt
das Schaltbild einer elektronischen Zündeinrichtung 50 entsprechend
der Erfindung, welches eine spannungsbegrenzende Schaltung aufweist,
welche einen Operationsverstärker 51 besitzt.
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Der
Operationsverstärker 51 besitzt
einen Freigabeanschluss 53, welcher über den Inverter 17 mit
dem Ausgangsanschluss 16 der Schutzschaltung 11 verbunden
ist, einen nicht invertierenden Anschluss 54, welcher mit
dem zweiten Anschluss 5 der Primärwicklung 2a verbunden
ist, einen invertierenden Anschluss 55, welcher mit der
Versorgungsleitung 4 verbunden ist, und einen Ausgangsanschluss 56,
welcher mit dem Steueranschluss 8 des Leistungsgliedes 3 verbunden
ist.
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Die
anderen Teile der elektronischen Zündeinrichtung 50 sind
mit denen der bekannten elektronischen Zündeinrichtung 1 identisch,
welche in den 1 und 3 gezeigt
wird; folglich wer den sie mit den gleichen Referenzzahlen versehen
und nicht weiter beschrieben.
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Wie
detaillierter in 5 gezeigt wird, weist der Operationsverstärker 51 auf:
einen Freigabetransistor 57 vom NPN-Typ, welcher einen
Kollektoranschluss besitzt, welcher mit dem nicht invertierenden Anschluss 54 über einen
Hochspannungswiderstand 58 verbunden ist, einen Emitter-Anschluss,
welcher mit der Erde GND verbunden ist, und einen Steueranschluss,
welcher mit dem Freigabeanschluss 53 verbunden ist.
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Der
Operationsverstärker 51 weist
ferner auf: einen Hochspannungs-Vertikaltransistor 59 vom NPN-Typ
mit einem Kollektoranschluss, welcher mit dem nicht invertierenden
Anschluss 54 verbunden ist, einen Steueranschluss, welcher
an einem ersten Schaltungsknoten 60 mit dem Kollektoranschluss des
Freigabetransistors 57 verbunden ist, und einen Emitter-Anschluss.
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Ein
Fehlertransistor 61 vom PNP-Typ, welcher einen Fehlerverstärker definiert,
besitzt einen Emitter-Anschluss, welcher mit dem Emitter-Anschluss
des Hochspannungs-Vertikaltransistor 59 verbunden ist,
einen Steueranschluss, welcher mit dem invertierenden Anschluss 55 verbunden
ist, und einen Kollektoranschluss, welcher mit dem Ausgangsanschluss 56 über einen
Stromverstärkerblock 62 verbunden
ist, welcher nur schematisch in 4 dargestellt
wird und an sich bekannt ist.
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Der
Stromverstärkungsblock 62 besitzt
einen Versorgungsanschluss 63, welcher mit dem invertierenden
Anschluss 55 verbunden ist.
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Wie
in 6 gezeigt wird, ist die spannungsbegrenzende Schaltung 51 implementiert,
indem eine VIPOWERTM-Technologie benutzt
wird, welche das Integrieren eines Hochspannungsschaltteils 101 der
spannungsbegrenzenden Schaltung 51 und ei nes Niederspannungsschaltteils 102 der
spannungsbegrenzenden Schaltung 51 im gleichen Chip 100 gestattet,
welche voneinander über
einen Isolationsbereich 103 getrennt sind, welcher eine
Leitfähigkeit vom
P-Typ besitzt. Detaillierter ausgedrückt, in dem Hochspannungsschaltungsteil 101 sind
der Hochspannungs-Vertikaltransistor 59 und der Hochspannungswiderstand 58 untergebracht,
wobei der letztere als Verlängerung
eines Basisbereiches 104 hergestellt ist, welcher zu dem
Hochspannungs-Vertikaltransistor 59 gehört. In dem Niederspannungsschaltteil 102 sind
der Freigabetransistor 57 und der Fehlertransistor 61 ebenso
wie der Stromverstärkungsblock 62 (nicht
gezeigt in 6) untergebracht.
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Der
Betrieb der elektronischen Zündeinrichtung 50 der 4 wird
nachfolgend beschrieben.
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Ähnlich zu
oben erzeugt die Schutzschaltung 11, nachdem eine Fehlfunktion
der elektronischen Zündeinrichtung 50 detektiert
ist, am Ausgangsanschluss 16 der Schutzschaltung 11 einen
hohen logischen Pegel des logischen Signals EN, so dass damit das
Leistungsglied 3 ausgeschaltet wird und der Operationsverstärker 51 freigegeben
wird.
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Wenn
der Operationsverstärker 51 freigegeben
ist, arbeitet er so, dass er seine eigenen Eingangsanschlüsse 54, 55 auf
dem gleichen Potenzial hält,
und liefert an seinem eigenen Ausgangsanschluss 56 einen
Strom, welcher an dem Vorspannungswiderstand 24 eine Vorspannung
VP1 bestimmt, welche das Leistungsglied 3 zum
Wiedereinschalten bringt; umgekehrt begrenzt das letztere sowohl
die Spannung an dem zweiten Anschluss 5 der Primärwicklung 2a als
auch die Spannung, welche an dem nicht invertierenden Anschluss
des Operationsverstärker 51 vorhanden
ist, auf einen Wert, welcher gleich der Batteriespannung VB ist.
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Detaillierter
ausgedrückt,
erzeugt der Inverter 17 auf dem Steueranschluss des Freigabetransistors 57 ein
logisches Signal, welches mit dem logischen Signal EN bei einem
niedrigeren logischen Pegel korreliert ist. Folglich schaltet der
Freigabetransistor 57 ab, wodurch der Strom durch den Hochspannungswiderstand 58 zum
Fließen
in den Steueranschluss des Hochspannungs-Vertikaltransistors 58 freigegeben
wird, um ihn so einzuschalten. Der Strom, welcher durch den Hochspannungs-Vertikaltransistor 59 geliefert
wird, fließt
in den Fehlertransistor 61 und wird, nachdem er durch den
Stromverstärkungsblock 62 verstärkt wurde,
in den Vorspannungswiderstand 24 eingegeben, wobei damit
die Vorspannung VP1 erzeugt wird, welche,
wie erwähnt, das
Leistungsglied 3 wieder einschaltet und die Spannung an
dem nicht invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers 51 begrenzt.
In der Praxis wird eine negative Rückkopplung erzeugt, wodurch die
Spannung an dem zweiten Anschluss 5 der Primärwicklung 2a auf
einen Wert VL1 entsprechend der folgenden
Gleichung begrenzt wird: VL1 = VR +
Vbe1 + Veb2 + VB (3)wobei
VR die Spannung ist, welche an dem Hochspannungswiderstand 58 vorliegt,
Vbe1 die Anschlussspannung zur Emitter-Steuerung des Hochspannungs-Vertikaltransistors 59 ist,
Veb2 die Anschlussspannung zur Emitter-Steuerung
des Fehlertransistors 61 ist und VB die
Batteriespannung ist.
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Aus
Obigem wird klar, dass die elektronische Zündeinrichtung 50 eine
negative Rückkopplungsvorrichtung
ist, in welcher der Fehlertransistor 61 zwischen seinen
Emitter- und Steueranschlüssen
die Spannungsdifferenz detektiert, welche zwischen dem zweiten Anschluss 5 der
Primärwicklung 2a und der
Versorgungsleitung 4 (Batteriespannung VB)
vorliegt, und liefert auf seinem eigenen Kollektoranschluss einen
Strom, welcher das Leistungsglied 3 steuert, so dass die
Spannung an dem zweiten Anschluss 5 der Primärwicklung 2a nicht über den
Wert VL1 entsprechend der Beziehung (3)
steigen kann.
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Der
Stromverstärkungsblock 62 dient
dem Zweck, den höchsten
Strom zu reduzieren, welcher in den Kollektoranschlüssen des
Hochspannungs-Vertikaltransistors 59 und des Fehlertransistors 61 fließt, um somit
das Verwenden von Bauteilen zu ermöglichen, welche minimale Dimensionen
besitzen; zusätzlich
minimiert er den Strom, welcher in dem Steueranschluss des Hochspannungs-Vertikaltransistors 59 fließt, und
folglich die Spannung VR1 an dem Hochspannungstransistor 58.
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Außerdem ist
die Aktion des Stromverstärkungsblocks 62 speziell
wichtig, wenn das Leistungsglied 3 ein bipolarer Leistungstransistor
ist, welcher an seinem Steueranschluss einen adäquaten Strom zum Wiedereinschalten
während
der Begrenzung benötigt.
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Bei
normalen Betriebsbedingungen der elektronischen Zündeinrichtung 50 hält die Schutzschaltung 11 das
logische Signal EN auf einem niedrigen logischen Pegel. Der Schutztransistor 23 ist
deshalb aus, wohingegen der Aktiviertransistor 57, sofern
er ein logisches Signal bei einem logischen hohen Pegel an seinem
Steueranschluss besitzt, gesättigt
ist und den Hochspannungs-Vertikaltransistor 59 ausschaltet.
Auf diese Weise liefert der Fehlertransistor 61 keinen
Strom an den Vorspannungswiderstand 24, und die elektronische
Zündeinrichtung 50 kann regulär arbeiten,
wie oben beschrieben.
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Die
elektronische Zündeinrichtung 50,
wie sie hier beschrieben wird, hat die folgenden Vorteile. Erstens,
im Gegensatz zur bekannten spannungsbegrenzenden Schaltung, bei
der es notwendig ist, jedes Mal eine Zener-Diode 22 zu
benutzen, welche mit dem Maximalwert korreliert, welcher für die Batteriespannung
VB ausgewählt ist, ist die vorliegende spannungsbegrenzende
Schaltung 51 in der Lage, sich automatisch dem maximalen
Wert der Batteriespannung VB anzupassen,
ohne dass eine Modifikation der Schaltung notwendig ist.
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Tatsächlich ist
die spannungsbegrenzende Schaltung 51 immer in der Lage,
die an dem zweiten Anschluss 5 der Primärwicklung 2a vorliegende Spannung
auf einen Spannungswert VL1 zu begrenzen,
ungeachtet des Wertes der Batteriespannung VB. Der
Wert der Spannung VL1 ist auch derart, dass
er das Bilden eines Funkens an dem zweiten Anschluss 6 der
Sekundärwicklung 2b der
Zündspule
verhindert.
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Außerdem weist
die spannungsbegrenzende Schaltung 51 einen einzelnen Hochspannungstransistor 59 auf;
zusätzlich
besitzt sie kleinere Abmessungen als der Hochspannungs-Vertikaltransistor, welcher
in der bekannten spannungsbegrenzenden Schaltung beinhaltet ist.
Dadurch sind die Abmessungen der spannungsbegrenzenden Schaltung 51 entsprechend
der Erfindung beträchtlich
reduziert.
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Schließlich ist
es klar, dass zahlreiche Variationen und Modifikationen an der elektronischen Schaltvorrichtung,
welche hier beschrieben und erläutert
wurde, durchgeführt
werden können,
welche alle in den Umfang der Erfindung fallen, wie sie in den angefügten Ansprüchen definiert
sind. Speziell wird hervorgehoben, dass die spezielle Implementation, welche
in 5 gezeigt wird, nur als ein Beispiel dient.