DE69626728T2

DE69626728T2 - Verfahren und Vorrichtung zur kontrollierten Erzeugung von Funken in einem Zündsystem

Info

Publication number: DE69626728T2
Application number: DE69626728T
Authority: DE
Inventors: John R. Frus; Michael J. Cochran
Original assignee: Unison Industries LLC
Current assignee: Unison Industries LLC
Priority date: 1995-07-14
Filing date: 1996-07-15
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2016-07-16
Also published as: US5754011A; CA2181092C; US7095181B2; US20020101188A1; US6353293B1; EP0753662A3; CA2181092A1; US6034483A; EP0753662B1; EP0753662A2; DE69626728D1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein die Funkenerzeugung und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontrollierbaren Erzeugung und zur Formung von Funken bei einer funkenerzeugenden Einrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Halbleiterzündsysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die US 5,065,073 A und die US 5,245,252 A lehren unter anderem, das verbesserte Kontrolle über die Wirkungsweise eines Zündsystems dadurch erreicht werden kann, dass ein Halbleiter-Schalter in einen Zündausgangskreis eingebracht wird. Wie von diesen Patenten gelehrt wird, erlaubt die Fähigkeit einen Halbleiter-Schalters zu einem genauen Zeitpunkt anzusteuern es einem Zündsystem mit einem derartigen Schalter gesteuerte Funkenraten zu erreichen. Es gestattet es einem derartigen System auch zeitveränderliche Funkensequenzen zu erzeugen. Zusätzlich kann wie in den erwähnten Patenten erklärt, da ein Halbleiter-Schalter unabhängig von der Spannungshöhe im Zündsystem-speicherkondensator gesteuert werden kann, ein Zündsystem mit einem Halbleiter-Schalter verwendet werden, um verschiedene Energiemengen durch Triggern des Halbleiter-Schalters abzugeben, wenn eine mit der gewünschten Energieübertragung verbundene Spannung am Speicherkondensator auftritt. Dieser letztere Effekt kann mit älteren Schaltungen nicht erreicht werden die Funkenabstandschalter verwenden, da derartige Schalter nur bei einer einzigen Spannung zünden, die während der Herstellung des Funkenabstandschalters eingestellt wird, sodass sie zünden sobald die Spannung am Speicherkondensator die voreingestellte Schalthöhe erreicht.
Die '073 und '252 Patente lehren auch dass die Kurvenformung des der Zündkerze für ein Funkenereignis zugeführten Stromes erwünscht wird. So lehren z. B. diese Patente, dass es erwünscht ist, der Zündkerze einen Strom zuzuführen, der anfänglich in einem geringen Ausmaß ansteigt, während der Zündspalt ionisiert wird und daraufhin dann in einem höheren Ausmaß ansteigt um den Funken über den ionisierten Spalt aufrecht zu erhalten. Neben anderen Dingen maximiert die Steuerung der Anstiegszeit des Stromes die Lebensdauer des Halbleiter-Schalters und der Zündkerze, indem derartigen Komponenten die Möglichkeit gegeben wird, durch ihre Übergangszustände hindurchzugehen, bevor sie mit einem vollen hochenergetischen Impuls beaufschlagt werden.
Wie bereits erwähnt wurde haben Schaltkreise des Standes der Technik wie sie in den '073 und '252-Patenten geoffenbart sind, einigen Einfluß auf die Funkenerzeugung erzielt. Jedoch sind bekannte Schaltkreise wie diese, obwohl sie viele vorteilhafte Wirkungen erreichen, in ihrer Fähigkeit der Steuerung der Funkenerzeugung gewissen physikalischen Beschränkungen ausgesetzt. So ist es z. B. gut bekannt, dass die in einem Zündkreis der einen Speicherkondensator verwendet gespeicherte Energie, durch die Formel
Energie = ½ * Kapazität* (Spannung)² beschrieben wird.
Die bei einem derartigen Schaltkreis zugeführte Energie kann durch Änderung entweder der Ladespannung am Speicherkondensator oder der Kapazität des Kondensators selbst variiert werden. Es gibt jedoch mehrere praktische Beschränkungen, die bei Veränderung dieser Eigenschaften auftreten. Z. B. erfordert eine Absenkung der Spannungsniveaus in dem Schaltkreis eine unproportional starke Erhöhung der physikalischen Größe des in dem Schaltkreis verwendeten Kondensators um ähnliche Energieniveaus zu erreichen. Andererseits ist die vorhandene Auswahl der Kondensatoren, der Isoliermaterialien und der Halbleiter-Schalterkomponenten bei höheren Spannungen beschränkt.
Die Kapazität der funkenerzeugenden Schaltkreise des Standes der Technik liegen im Allgemeinen fest, wenn derartige Schaltkreise konstruiert werden. Bei einem Schaltkreis, der einen Funkenabstandsschalter verwendet, ist die Spannung auch durch die Wahl der Durchschlagsspannung des Spaltes fixiert. Traditionelle funkenerzeugende Schaltkreise sind daher so ausgebildet, dass sie ein vorbestimmtes Energieniveau abgeben, dass jedoch das Energieniveau nicht nachträglich einstellbar ist. Zusätzlich wurde bei Schaltkreisen des Standes der Technik nicht versucht die Fahnenform der Funken wie sie durch die Funkenerzeugungseinrichtung erzeugt werden, zu steuern.
Man hat Zündsysteme konstruiert, die als Versuchsgeräte verwendet wurden, bei denen der Benutzer manuell die vom System abgegebene Energie ändern konnte, indem mehrere Kondensatoren physisch angeschlossen oder getrennt wurden um verschiedenartige Gesamtkapazitäten zu erreichen und somit verschiedene Gesamtspeicherenergien. Vom Sicherheitsstandpunkt jedoch machen die hohen Spannungs- und Stromniveaus in diesem Teil des Schaltkreise das physische Ein- oder Ausschalten von Kondensatoren im Schaltkreis irgendwie unpraktisch; üblicherweise ist das Abschalten und das physische Wiederverbinden erforderlich, um die Funkenerzeugung fortzusetzen. Zusätzlich sind diese System beschränkt auf die Einstellung der totalen zugeführten Energie und geben keinerlei Formungsmöglichkeiten oder Echtzeitsteuerung über die Intensität und Form der erzeugten Funken.
Die US 4,359,037 A offenbart eine Zündeinrichtung für Mehrzylinderverbrennungsmotoren mit wenigstens einer Zündkerze für jeden Zylinder. Jede Zündkerze ist im Sekundärkreis eines Zündtrafos angeordnet. Die Primärkreise der Zündtrafos sind mit einer Energiequelle über einen Zündverteilerkreis verbindbar.
GB 1361724 A offenbart ein Zündsystem für Verbrennungsmotoren mit zwei Ausgangsstufen, wobei jede Ausgangsstufe eine Energiespeichereinrichtung und einen Kontrollschalter aufweist. Die Energiespeichereinrichtungen sind direkt mit den Primärwindungen eines Zündtrafos verbunden.
US 5,170,760 A offenbart ein Zündsystem für einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit einer Vielzahl von Ausgangsstufen, die jeweils eine Energiespeichereinrichtung und einen Steuerschalter zur wahlweisen Entladung der Energiespeichereinrichtungen aufweist.
US 5,065,073 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren, um eine Zündung einem Turbomotor zuzuleiten, bei dem nur eine einzige Ausgangsstufe verwendet wird.
US 4,004,561 A offenbart eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 25.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt diese Aufgaben und beseitigt die Nachteile des Standes der Technik durch Schaffung einer Vorrichtung gemäss Anspruch 1 und eines Verfahrens gemäss Anspruch 25. Besondere Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 24 wiedergegeben. Besondere Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den Ansprüchen 26 bis 33 dargelegt.
Besondere Ausführungsformen der Endung schaffen ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Formung und Steuerung von Funken. Insbesondere schaffen sie ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung, um kontrollierbar Funken zu erzeugen, wobei sowohl das Energieniveau als auch das zeitliche Profil eines Energiepulses, der zur Erzeugung von Funken bei einer funkenerzeugende Einrichtung verwendet wird, zur Erfüllung einer gegebenen Anwendung elektronisch eingestellt werden können.
Eine andere besondere Ausführungsform der Erfindung schafft eine Vorrichtung, die elektronisch Vielfachentladungen in einen gemeinsamen Ausgang schaltet, um einen Zündfunkenereignis an einer Zündfunkenerzeugungsvorrichtung zu schaffen. Eine weitere besondere Ausführungsform schafft eine Vorrichtung, bei der die Gesamtenergie, die an eine funkenerzeugende Einrichtung abgegeben wird, eine additive Zusammensetzung von mehreren Entladungskreisen ist. Eine weitere besondere Ausführungsform schafft eine Vorrichtung, die verlässlicher einen beträchtlich höheren Gesamtenergieaustrittsimpuls erzeugt als bisherige Schaltkreise unter Verwendung mehrerer, unabhängiger Entladungsschaltkreise, die einzeln relativ geringere Energieabgaben erzeugen, die kombiniert werden, um einen hohen Energieaustrittsimpuls zu erreichen, anstatt die Beanspruchung eines einzigen größeren Energieschaltkreis zu erhöhen.
Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung schafft eine Vorrichtung, die ein besonderes Energieniveau an eine funkenerzeugende Einrichtung abgeben kann, indem absichtlich nur eine Untergruppe der mehreren Entladestufen, entladen wird. Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung schafft eine Vorrichtung, die wahlweise die Ausgänge von zwei oder mehr Entladungsstufen mit verschiedenartigen Ausgangsenergieniveaus kombiniert um die Endausgabeimpulse mit einem weiten Bereich von Energieniveaus zu erzeugen.
Eine andere besondere Ausführungsform der Erfindung schafft eine Vorrichtung, die eine binäre Gewichtung der Werte der Speicherkondensatoren der Entladungsstufen einsetzt, um eine größere Breite der möglichen Austrittsenergien zu schaffen.
Eine andere besondere Ausführungsform der Erfindung schafft eine Vorrichtung, die es einem Benutzer gestattet, die Spannungen) der Speicherkondensatoren der einzelnen Entladungsstufen einzustellen, um Ihre Energieniveaus zu skalieren. Eine weitere besondere Ausführungsform schafft eine Vorrichtung, die einem Benutzer gestattet, sowohl die Spannungen) der Speicherkondensatoren in den einzelnen Entladungsstufen einzustellen als auch zu wählen, welche Stufen getriggert werden, wobei der Bereich der möglichen Ausgangsniveaus vergrößert wird, sodass Ausgangsimpulse mit virtuell jeglichem Energieniveau (Null bis Maximum) erzeugt werden können.
Eine andere besondere Ausführungsform der Erfindung schafft eine Vorrichtung, die aktiv die Kurven der Austrittsimpulse durch zeitliche Bestimmung der Entladung mehrerer Entladungsstufen formt, sodass Muster von überlappenden, teilweise überlappenden oder nicht überlappenden Entladungen einen kurvengeformten Impuls zur Erzeugung eines Funkens mit einer gegebenen Fahnenform formen. Eine weitere besondere Ausführungsform schafft eine Vorrichtung, die eine elektrische Kurvenform erzeugt, die der physikalischen zeitveränderlichen Form der Funkenfahne verschiedene Eigenschaften erteilt, wobei der Funken von einer funkenerzeugenden Vorrichtung gebildet wird.
Eine noch weitere besondere Ausführungsform der Erfindung schafft ein Zündsystem, das eine bessere Zündung durch Optimierung der Funkenfahne erreicht, um ihre Energie bestmöglich in die Brennstoffmischung zu übertragen.
Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung schafft eine funkenerzeugende Vorrichtung, deren Betrieb die Lebensdauer einer funkenerzeugenden Einrichtung verbessert, indem die Funkenfahne gesteuert wird, um die vom Bogen hervorgerufene Erosion der Funkenelektroden zu verringern. Eine weitere besondere Ausführungsform schafft eine Vorrichtung, die den Spalt einer funkenerzeugenden Einrichtung ionisiert, um ein Plasma unter Verwendung eines kleinen Energieimpulses zu bilden und gibt dann später den Rest der Energie an das Plasma ab, um die Funkenereignis zu vervollständigen.
Eine noch weitere besondere Ausführungsform der Erfindung schafft eine verlässliche Zündquelle für eine Vielzahl von Anwendungen, die Funkenzündung benötigen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Turbomotoren, Kolbenmotoren, Verbrennungsmotoren, Raketenmotoren, offene oder geschlossene Brenner oder irgendwelche andere Vorrichtungen, die ein Funkenzündsystem verwenden. Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Erzeugung und Formung von Funken für die Verwendung in Einrichtungen wie Raumfahrzeug-Schubantriebe, wo der Funken selbst der erste Austritt ist oder wo der Funken Festmaterial abträgt oder eine Flüssigkeit verdampft, um einen zusätzlichen Schub hervorzurufen. In diesen Fällen tritt eine übliche „Zündung„ eines Brennstoffes nicht auf, jedoch sind die Vorteile der Erfindung nach wie vor anwendbar.
Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung schafft ein einstellbares Versuchsgerät, das die Erzeugung von Funken mit irgendeiner gewünschten Fahnenform und einem gewünschten Energieniveau zum Zwecke der Bestimmung optimaler Parameter von Funken, die für eine besondere Anwendung erzeugt werden (d. h. Energieniveau, Energieverteilung, dreidimensionale Form, räumliche Intensität und Dauer; jeweils oder alle als Funktion der Zeit, falls erwünscht) ermöglicht.
Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung schafft eine fixe, nicht einstellbare Vorrichtung zur Funkenerzeugung, wo das Energieniveau und die Fahnenform der gebildeten Funken feststehen, wenn die Vorrichtung hergestellt ist und bei der nur die benötigte Schaltung zur Erzeugung von Funken mit diesen besonderen festen Eigenschaften in das Endgerät eingebracht wird.
Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Funken, die die Energie des Austrittsimpulses durch gleichzeitiges Zünden von mehreren Stufen vervielfältigt.
Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung schafft eine Vorrichtung zur aktiven Formung der Fahne der Funken, die entweder in Hochspannungs- oder in Niederspannungszündsystemen erzeugt werden.
Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung schafft eine Vorrichtung, die zur Formung von Funken in sowohl bipolaren Austrittssystemen als auch in uni-polaren Austrittssystemen angepasst werden kann.
Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Funken in einer Vielzahl von funkenerzeugenden Einrichtungen wie Mehrzylinder- oder Multi-Verbrennungsmotoren. Eine weitere besondere Ausführungsform umfasst das Einbringen von Impulssteuerschaltungen in eine solche Vorrichtung, sodass ein einziger Austrittsimpuls wahlweise zu irgendeiner einer Gruppe von funkenerzeugenden Einrichtungen in einer Multi-Austrittsanwendung gerichtet werden kann. Eine weitere besondere Ausführungsform steuert mehrere Schaltungen, die gemäss der Erfindung unter Verwendung gemeinsamer Steuerlogikschaltung ausgebildet sind, um ihren Betrieb in einer Vielfachaustrittsanwendung zu synchronisieren.
Eine andere besondere Ausführungsform der Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Funken in einer hohen Rate, die ausreicht zur Verwendung mit Mehrzylinderkolbenmotoren durch aufeinanderfolgende Zündung der einzelnen Ausgangsstufen in nicht-überlappender Weise, um so Folgen von gering getrennten Funken zu erzeugen, wobei jeder Funken ein getrennter (nicht additiver) Vorgang ist.
In Übereinstimmung mit einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann die Logikschaltung, die mit den gesteuerten Schaltern der Ausgangsstufen verbunden ist, konfiguriert sein um die Ausgangsstufen zu verschiedenen Zeiten in verschiedener Reihenfolgen und/oder in verschiedenen Kombinationen zu zünden, um eine funkenerzeugende Einrichtung zu schaffen mit Austrittsimpulsen, die im Wesentlichen jegliche gewünschte Wellenform und jegliches gewünschte Energieniveau haben, um dabei einen Funken, der im Wesentlichen jedes gewünschte Energieniveau und jede gewünschte Fahnenform hat an der funkenerzeugenden Einrichtung zu bilden, um jegliche Anwendung zu erlauben.
Gemäss einem anderen besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Lade- und Isoliereinrichtungen optional eine Vielzahl von Ladeschaltkreisen aufweisen. In einem derartigen Falle kann jede Ausgangsstufe wahlweise einem getrennten Ladeschaltkreis zugeordnet sein, um unabhängig von den anderen Ausgangsstufen geladen zu werden. Die Verwendung getrennter Ladeschaltkreise gewährleistet, dass jede der Energiespeichervorrichtungen wenigstens teilweise von den anderen Energiespeichervorrichtungen isoliert ist. Die Verwendung von getrennten Ladeschaltkreisen ist insbesondere zweckmässig bei Anwendungen wo es erwünscht ist die Energiespeichereinrichtungen auf verschiedene Spannungen zu laden.
Gemäss einem weiteren besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zur steuerbaren Erzeugung von Funken in einer funkenerzeugenden Einrichtung vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Laden einer ersten Energiespeichereinrichtung auf eine erste vorbestimmte Spannung (somit Energie); Laden einer zweiten Energiespeichereinrichtung, die wenigstens teilweise elektrisch von der ersten Energiespeichereinrichtung isoliert ist, auf eine zweite vorbestimmte Spannung (somit Energie); Triggern eines ersten gesteuerten Schalters, der mit der ersten Energiespeichereinrichtung verbunden ist, um die erste Energiespeichereinrichtung an die funkenerzeugende Einrichtung zu einem ersten Zeitpunkt, in Form eines Energieimpulses zu entladen; Triggern eines zweiten gesteuerten Schalters, der mit der zweiten Energiespeichereinrichtung verbunden ist, um die zweite Energiespeichereinrichtung, an die funkenerzeugenden Einrichtung zu einem zweiten Zeitpunkt in Form eines Energieimpulses zu entladen. Nach einer anderen besonderen Ausführungsform der Erfindung können die erste und die zweite vorbestimmte Spannung, die Kapazitäten der ersten und der zweiten Energiespeichereinrichtung und der erste und zweite Zeitpunkt alle eingestellt werden, um Funken irgendeiner gewünschten Energieverteilung, dreidimensionaler Form, räumlicher Intensität und Dauer, falls erwünscht irgendeiner oder alle als Funktion der Zeit, zu erzeugen.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind nach dem Lesen der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Hinweis auf die angeschlossenen Zeichnungen rascher zu erkennen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung zur kontrollierten Erzeugung von Funken, die gemäss der Lehre der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
2 ist ein schematisches Diagramm ähnlich der 1 und zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, wobei mehrere Ladeschaltkreise verwendet werden, um die einzelnen Ausgangsstufen des Funkenerzeugungskreises zu laden.
3 ist ein schematisches Diagramm einer anderen alternativen Ausführungsform der Erfindung ähnlich der 1, zeigt jedoch die Verwendung von Dioden, um die Stufen zu kombinieren um eine einzige Beaufschlagung einer funkenerzeugenden Einrichtung zu schaffen, währenddessen die einzelnen Ausgangsstufen voneinander elektrisch isoliert sind.
4 ist schematisches Diagramm einer anderen alternativen Ausführungsform der Endung ähnlich der 1, jedoch besonders geeignet einen bipolaren Ausgang zu erzeugen.
5a ist ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausbildung einer Ausgangsstufe, die geeignet ist, um einen Hochspannungsionisierungsimpuls am Beginn des Funkenereignisses zu bilden.
5b ist ein schematisches Diagramm einer anderen alternativen Ausbildung der Ausgangsstufen ähnlich der 5a wobei aber der Hochspannungsionisierungsimpuls durch den Ausgang einer zweiten Stufe erzeugt wird.
5c ist ein schematisches Diagramm einer noch weiteren alternativen Ausbildung der Ausgangsstufen, ähnlich zu den anderen dargestellten Ausbildungen, enthält jedoch einen getrennten Induktor/Transformator zur Ergänzung der kombinierten Ausgänge der einzelnen Ausgangsstufen mit einem Hochspannungs-Übertragungsimpuls.
6 ist ein schematisches Diagramm der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung versehen mit einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller.
7 ist ein Flußdiagramm und zeigt die Aufeinanderfolge der Programmschritte, denen der Mikroprozessor gemäss 6 folgt.
8 ist ein schematisches Diagramm und illustriert eine vereinfachte Ausführungsform, die auf die spezifische Anwendung bei der Zündung einer Flugzeugturbine gerichtet ist.
9 ist ein schematisches Diagramm einer anderen alternativen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen für die Verwendung als hochratiges Vielfachzündsystem.
10a ist eine schematische Diagramm des bevorzugten Ladeschaltkreises.
l0b ist ein schematisches Diagramm eines abgeänderten Ladeschaltkreises.
l0c ist das Schema eines weiteren alternativen Ladeschaltkreises, der neben anderen Dingen die Energiespeicheranordnungen der Ausgangsstufen voneinander trennt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt allgemein ein Blockdiagramm eines Schaltkreises 2 zur kontrollierten Erzeugung von Funken, konstruiert in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung. Durch Änderung gewisser Eingangsparameter wie unten dargelegt, kann der Benutzer diesen Schaltkreis 2 Funken erzeugen lassen, die praktisch jegliches Energieniveau und jede Fahnenform haben (d. h.
Energieverteilung, 3-dimensionale Form, räumliche Intensität und Dauer; jeweils oder alle als Zeitfunktion, falls erwünscht). Der Schaltkreis 2 ist daher besonders gut für die Verwendung in einer Versuchsausrüstung geeignet, die eingesetzt werden kann, um die optimale Fahnenform und das optimale Energieniveau der Funken zu bestimmen, die für eine bestimmte Anwendung erzeugt worden sind. Zu diesem Zwecke besitzt der Schaltkreis 2 eine funkenerzeugende Einrichtung 50 um einen Funken zu erzeugen; mehrere unabhängig, triggerbare Ausgangsstufen 40a, 40b, 40c, 40d, die mit der funkenerzeugenden Einrichtung 50 verbunden sind, um Energie zu speichern und selektiv Energie zuzuführen und einen Logikschaltkreis 49 um selektiv eine oder mehrere Ausgangsstufen 40a, 40b, 40c, 40d, zu zünden und einen Funken der gewünschten Fahnenform und des gewünschten Energieniveaus an der funkenerzeugenden Einrichtung 50 zu erzeugen.
Die funkenerzeugende Einrichtung 50 kann bei einer Vielzahl von Einrichtungen eingesetzt werden, besitzt jedoch typischerweise einen Satz von Elektroden zwischen denen ein Plasma gebildet wird, um elektrischen Strom zu leiten, wenn eine genügend hohe Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden liegt. Die funkenerzeugende Einrichtung 50 kann eine Zündkerze oder eine Funkenkerze sein, die für die Anwendung für die der Funken erzeugt wird, geeignet ist. Zusätzlich kann die funkenerzeugende Einrichtung 50 eine Anordnung sein, bei der bestehende strukturelle Teile, als Funkenelektroden verwendet werden, wie z. B. in den Düsenanordnungen eines Raumfahrzeugschubeinheit oder ein Funkenstab (Einzelelektrode) in einem Industriebrenner, wo der Brenner selbst als andere Elektrode dient. Tatsächlich sind die möglichen Einsätze für die funkenerzeugende Einrichtung verschieden wie die Vielzahl der Anwendungen, für die diese Erfindung eine vorteilhafte Leistung bietet. Diese Anwendungen umfassen die Zündung von: alle Arten von Motoren, Turbinen, Brennern, Boilern, Heizeinrichtungen, Bogenlampen, Strobelights, Landefeuern, Veraschungseinrichtungen, pyrotechnischen Zündkapseln, Kanonen, Raketen und Schubbeschleunigern.
Es wird zuerst auf das Aufbringen von Spannung auf den Kreis 2 Bezug genommen. Die Ausführungsform der Erfindung gemäss 1 besitzt einen Spannungseingang 5 der die elektrische Energie, die von den Ausgangsstufen 40a, 40b, 40c, 40d verwendet wird von einer äußeren Spannungsquelle empfängt. Der Leistungseingang 5 kann im Zusammenhang mit jeglicher Gleichstromquelle verwendet werden, einschließlich Batterien und anderen üblichen im Stand der Technik bekannten Spannungsquellen, einschließlich gleichgerichteter Wechselstromenergie (d. h. 120 V AC, 60 Hz Netzspannung). Gegebenenfalls falls erwünscht kann die Spannung durch ein EMI-(elektromagnetische Interferenz) – Filter (nicht dargestellt) oder andere Filtereinrichtungen konditioniert sein. Nach dem Eingang wird die Spannung vorzugsweise lokal in einem Kondensator 7 gespeichert, bevor sie durch einen Ladeschaltkreis 9 verwendet wird.
Der allgemeine Zweck des Ladeschaltkreises 9 ist es Kontrolle über die Ladezyklen des Kreises 2 zu haben. Um diese Kontrolle zu schaffen, hat der Ladeschaltkreis 9 Eingänge 20, 22 zur Aufnahme zweier Signale bezeichnet LADEN und HALT. Wie die Namen andeuten, verursacht das Eingehen eines LADEN-Signals am Eingang 20, dass der Ladekreis 9 einen Ladezyklus beginnt, indem Energie in Form einer Ausgangsspannung oder -impulse dem Energiespeichereinrichtungen zugeführt wird. Andererseits bewirkt das Eingehen eines HALT-Signals am Eingang 22, dass der Ladeschaltkreis 9 den Ladezyklus durch Unterbrechen des Ausganges beendet.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Ladeschaltkreis 9 durch einen Sperrwandler wie in 10a gezeigt, ausgebildet. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass jegliche Art von Ladeschaltkreis, der geeignet ist eine Hochspannung (z. B. 500 – 5000 Volt) oder eine Reihe von Hochspannungsimpulsen, zu erzeugen ebenfalls in dieser Rolle annehmbar sein würde. Wie in 10a gezeigt, umfasst der bevorzugte Ladeschaltkreis 109 einen Steuerkreis 110, der eine Schalteinrichtung 112 wie ein MOSFET moduliert, um den Stromfluß durch die Primärwicklung 114 eines Transformators zu zerhacken. Das Zerhacken wird üblicherweise bei einer hohen Frequenz (z. B. 10 bis 100 kHz) durchgeführt um die Verwendung eines Transformators relativ kleiner physikalischer Größe zu erlauben. Der Strom in der Primärwicklung 114 wird vorzugsweise durch eine Stromfühleinrichtung wie ein Stromfühlwiderstand 118 überwacht. Die Spannung an der Stromfühleinrichtung 118 liefert dem Steuerkreis 110 ein Rückkoppelsignal, das bei der Modulation der Schaltvorrichtung 112 verwendet wird. Jedesmal wenn der Strom in der Primärwicklung 114 unterbrochen (abgehackt) wird, wird die Energie zur Sekundärwicklung 116 des Transformators übertragen, wo sie als Hochspannungsimpuls in bekannter Weise auftritt. Obwohl sogenannte DC-DC-Konverter häufig eine Gleichrichterstufe und einen Ausgangsspeicherkondensator oder andere Filterschaltungen aufweisen, um die Impulse auf eine gleichmässige Gleichstromhöhe zu glätten, ist eine derartige Stufe bei dieser Ausführungsform überflüssig, da die nachfolgenden Stufen diese Glättfunktion wie unten beschrieben wird, durchführen.
Wie in 10a dargestellt, besitzt der Steuerkreis 110 zwei Eingänge 120, 122 für die LADEN-HALT-Signale. Das Eingehen des LADEN-Signals am Eingang 120 bewirkt, dass der Steuerkreis 110 mit einem Ladezyklus beginnt, in dem die Modulation des Schalters 112 anfängt, um dabei Ladeimpulse in der Sekundärwicklung 116 zu erzeugen. Diese Tätigkeit wird fortgesetzt bis ein HALT-Signal am Eingang 122 empfangen wird. Wenn ein derartiges Signal empfangen wird, beendet der Steuerkreis 110 den Ladezyklus, indem die Modulation des Schalters 112 beendet wird und damit die Erzeugung der Ladeimpulse unterbrochen wird.
In gewissen Systemen, die eine geeignet hohe Spannung (Spannungen) zur Verfügung haben, kann die Hochspannung oder können die Hochspannungen dem Leistungseingang 105 zugeführt werden und ohne jegliche Spannungsumwandlung verwendet werden, wie dies in 10b gezeigt ist. Bei diesem, einfacheren Ladeschaltkreis 119 bewirken die LADEN- 120 und die STOP-Eingänge 122, dass eine Schalteinrichtung 115 zwischen seinem leitenden und seinem nicht-leitenden Zustand hin- und herschaltet. Im leitenden Zustand überträgt die Schalteinrichtung 115 Energie vom Leistungseingang 105 an mehrere isolierende Dioden 131a, 131b, 131c, 131d, die mit dem Austritt des Ladeschaltkreises 119 verbunden sind. Im deaktivierten Zustand, blockiert die Schalteinrichtung 115 die Übertragung von Energie vom Leistungseingang 105 und unterbricht so die Ladung der Energiespeichereinrichtungen über die Dioden 131a, 131b, 131c und 131d.
Wieder unter Bezug auf 1 wird das LADEN-Signal periodisch mittels eines Funkenzeitgliedes 25 mit einer Wiederholungsrate erzeugt, die gleich ist der gewünschten Funken-Pro-Sekunden-Rate ist. Diese Rate kann einstellbar sein, wobei dann eine Eingabe in eine Ratensteuerung 27 durch einen Benutzer den Einstellpunkt bildet, oder sie kann durch die Schaltkreiswerte fix sein, abhängig von der geplanten Verwendung der Einrichtung. Bei einer anderen alternativen Anwendung ist das Funkenzeitglied 25 mit einer Ratensteuerung 27 versehen, die nach einer gewissen Zeit, nach der die Funkenbildung zuerst begonnen hat, automatisch von einer höheren auf eine niedere Rate schaltet. Dieser Funkenstoßbetrieb ist vollständig in der US 5,399,942 A beschrieben.
Vorzugsweise besitzt das Funkenzeitglied 25 einen Eingang zur Aufnahme eines Funkenbefehls 29, der zusammen mit der Ratensteuerung 27 mehrere mögliche Betriebsarten schaltet. Bei einer ersten Art ist die Funkensteuerung 27 synonym mit der Spannungsaufbringung, sodass die Funkenbildung unmittelbar beginnt, wenn der Spannungseingang 5 Spannung aufnimmt und endet, wenn diese Spannung entfernt wird. Bei einer zweiten Art ist der Funkenbefehl 29 eine äußere Eingabe wie in 1 gezeigt, die es einer Bedienungsperson des Gerätes gestattet zu entscheiden, wann Beginn oder Ende der Funkenbildung eintritt, während die Spannung am Spannungseingang 5 aufrecht erhalten wird. Bei einer dritten Betriebsart wird die Ratensteuerung 27 auf eine Wiederholungsrate von Null eingestellt, sodass jeder einzelne Funkenbefehl 29 einen einzigen Funken hervorruft.
Nach Empfang eines LADEN-Signals liefert der Ladeschaltkreis 9 eine Ladespannung, die über isolierende Dioden 31a, 31b, 31c, 31d auf die Eingänge der Vielzahl von Ausgangsstufen 40a, 40b, 40c, 40d übertragen. Diese Ausgangsstufen 40a, 40b, 40c, 40d sind im Wesentlichen strukturell identisch bei dieser Ausführungsform. Sie besitzen jeweils: eine Energiespeichervorrichtung 30a, 30b, 30c, 30d; einen gesteuerten Schalter 32a, 32b, 32c, 32d mit einem zugeordneten Triggerkreis 33a, 33b, 33c; 33d und ein Netzwerk 37a, 37b, 37c,37d. Im Hinblick auf diese Ähnlichkeiten und aufgrund des Interesses an Einfachheit, wird die folgende Diskussion ein Bezugszeichen in Klammern ohne einen Buchstaben verwenden, um eine gesamte Gruppe von im Wesentlichen identischen Strukturen zu bezeichnen. So wird z. B. das Bezugszeichen [30] verwendet werden, wenn allgemein auf Kondensatoren 30a, 30b, 30c und 30d Bezug genommen wird statt alle vier Bezugszeichen anzuführen.
Es soll darauf hingewiesen werden, dass obwohl aus Einfachheitsgründen die Ausgangsstufen [40] als im Wesentlichen identisch bei diesem Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, wie im Einzelnen weiter unten beschrieben werden wird, der/die Kapazitätswert(e) einer oder mehrerer der einzelnen Energiespeichervorrichtungen [30] sowie auch die Spannungen) auf die diese Vorrichtungen [30] aufgeladen sind, unterschiedlich sein können, um es dem Kreis 2 zu gestatten, Funken mit einem größeren Bereich von Fahnenformen und/oder Energieniveaus herzustellen ohne den Bereich oder den Geist der Erfindung zu verlassen. Tatsächlich wird es bei vielen Anwendungen bevorzugt, Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitätswerten als Energiespeichereinrichtung [40] einzusetzen. Mehrere Gesichtspunkte für die Auswahl dieser Kapazitätswerte sind im Detail unten beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, werden die Speicherkondensatoren [30] durch Energie geladen, die vom Ausgang des Ladeschaltkreises 9 über die Isolierdioden [31] herrühren. Diese Dioden [31] bewirken drei getrennte Funktionen. Zuerst, falls notwendig, richten sie den gepulsten Austritt gewisser Wandler wie den Rückwirkkonverter gemäss 10a gleich, sodass dieser Impulse von nur einer Polarität abgibt, sodass jeder folgende Impuls zusätzlich die Kondensatoren [30] auflädt. Zweitens verhindern die Dioden [31], dass die in den Kondensatoren [30] gespeicherte Energie durch den Ladeschaltkreis 9 zurückzutreten. Schließlich isolieren die Dioden [31] die Kondensatoren [30] voneinander. Ohne die Dioden [31] wären die Kondensatoren [30] elektrisch parallel und würden daher das Äquivalent einer einzigen größeren Kapazität darstellen, die einen Wert gleich der Summe der einzelnen parallelen Kapazitäten hätte. In einem derartigen Falle hätte die Entladung eines dieser parallelen Kondensatoren die Wirkung, dass alle entladen werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform jedoch gestatten es die vielen Dioden [31], dass alle Kondensatoren [30] vom gleichen Ladeschaltkreis 9 geladen werden und sie gestatten weiters, dass jeder Kondensator [30] einzeln über die gesteuerten Schalter 32 entladen werden ohne die Ladung der anderen zu beeinflussen. Wenn daher nur ein besonderer Schalter wie (z. B. 32a) seinen zugeordneten Kondensator entlädt (d. h. 30a) so bleiben die übrigen Kondensatoren, (d. h. 30b, 30c, 30d) geladen; idealerweise bis zu einem Zeitpunkt, an dem ihre jeweiligen Schalter, (32b, 32c und 32d) getriggert werden.
Obwohl die Richtung (Polarität) der Dioden [31] auf den Kondensatoren [30] eine positive Ladung erzeugt, kann der Fachmann erkennen, dass die Polarität der Dioden [31], der Schalter [32] und der anderen zugeordneten Komponenten umgedreht werden kann, um eine negative Ladung und entsprechender Weise negative Ausgangsimpulse zu erzeugen, ohne vom Umfang oder dem Sinn der Erfindung abzuweichen.
Die Steuerschalter [32] sind vorzugsweise siliziumgesteuerte Gleichrichter (üblicherweise als SCR oder Thyristoren bezeichnet). Der Fachmann kann jedoch erkennen, dass andere gesteuerte Schaltvorrichtungen, die bei den Spannungs- und Stromniveaus betrieben werden können, die im allgemeinen mit Funkenerzeugung verbunden sind, die SCR-Vorrichtungen ersetzen können, ohne vom Umfang oder dem Sinn der Erfindung abzuweichen. In diesem Zusammenhang sollte festgestellt werden, dass die Schaltvorrichtung nicht eine Halbleitervorrichtung sein muss. Sie muss nur durch die Steuerkreise triggerbar sein. Daher können andere triggerbare Funkenabstandsschalter, andere Arten von Halbleitervorrichtungen wie MOSFETs oder MCTs (MOS gesteuerte Thyristoren) und elektromechanische Schalter wie Relais in geeigneter Weise als gesteuerte Schalter [32] verwendet werden, ohne den Umfang der Endung zu verlassen. Es sollte auch darauf hingewiesen werden, dass obwohl ein beispielshafter Triggerkreis und eine beispielhafte Triggertechnik unten beschrieben sind, andere Triggerverfahren, die elektrische, optische, magnetische oder andere Signale verwenden, die für die für den gesteuerten Schalter ausgewählte Vorrichtung geeignet sind, in dieser Rolle verwendet werden können ohne den Bereich und den Sinn der Erfindung zu verlassen.
Bei einer abgeänderten Ausführungsform, gemäss 2 wird eine Vielzahl von Ladeschaltkreisen [209] ähnlich dem Ladeschaltkreis 9 für die unabhängige Ladung der Kondensatoren [230] der Ausgangsstufen [240] verwendet. Diese Alternative, bietet mehrere Vorteile gegenüber der Einzelladeschaltkreisausführung, gemäss 1. Es gestattet z. B. dem Schaltkreis einen größeren Bereich von Austrittswellenformen mit einem größeren Bereich der Gesamtenergieniveaus und -wellenformen zu erzeugen. Insbesondere gestattet die Verwendung getrennter Ladeschaltkreise, dass jeder Kondensator [230] auf eine unterschiedliche Spannung geladen wird, sodass jede Ausgangsstufe [240] ein unterschiedliches Niveau gespeicherter Energie hat. Infolgedessen überträgt jede Stufe eine charakteristische Menge an Energie, (d. h. abhängig sowohl von seiner gespeicherten Spannung als auch von seiner Kapazität) an die funkenerzeugende Einrichtung 50, wenn diese gezündet wird. Ein Benutzer kann dann wählen, eine oder mehrere Stufen [240] in Kombination zu zünden um einen gewünschten Austritt zu erhalten. Ein anderer Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass anstelle einen einzigen Ladeschaltkreis zu belasten, die mit der Ladung der Kondensatoren verbundene Arbeit auf eine Vielzahl von Ladekreisen aufgeteilt [209] wird. Eine derartige Lösung ergibt einen größeren Leistungsdurchfluß, als dies typischerweise bei Verwendung eines einzigen Ladeschaltkreises möglich ist (außer einfache Ladeschaltkreise ähnlich wie der in 10b werden als Mehrzahl der Ladekreise verwendet).
Schließlich gestattet diese Lösung die Vermeidung von isolierenden Dioden [31] da die getrennten Ladeschaltkreise als ein Mittel zur Ladung der Energiespeichervorrichtungen dienen und zumindest teilweise jede der Energiespeichervorrichtungen von den Energiespeichervorrichtungen in den anderen Austrittsstufen isolieren. Bei der Einzelladeschaltkreisausführung kombinieren der Ladeschaltkreis und die isolierenden Dioden um ein Mittel zum Laden der Energiespeichervorrichtung zu bilden und zumindest zum Teil jedes der Energiespeicherelemente von den Energiespeicherelementen der anderen Ausgangsstufen zu isolieren.
Obwohl die Ausführungsform der 2 jedem Kondensator einen Ladeschaltkreis zuordnet, kann der Fachmann erkennen, dass jegliche andere Kombination von Ladeschaltkreisen und Kondensatoren verwendet werden kann ohne sich vom Umfang und dem Geist der Erfindung zu lösen. So kann man z. B. die Stufen [240] in Gruppen von zwei aufteilen und jeder Gruppe einen einzigen Ladeschaltkreis zuordnen, ohne sich von der Erfindung zu lösen. Zusätzlich kann der Fachmann erkennen, dass die Ladeschaltkreise so ausgebildet sein können, dass sie entweder verschiedene Ausgangsspannungen oder identische Ausgangsspannungen erzeugen ohne sich vom Umfang oder dem Geist der Erfindung zu lösen.
Einige Vorteile in der Verwendung getrennter Ladeschaltkreise, wie in 2 gezeigt, können unter Verwendung des weniger komplexer Ladeschaltkreise 129 gemäss 10c erreicht werden. In diesem Schaltkreis schaffen mehrere Sekundärwicklungen [116] an dem Konverter-Transformator getrennt isolierte Ladeimpulse an den Ausgangsstufen. Da die Wicklungen [116] getrennt sind, können sie ausgelegt werden, die gleichen oder verschieden Ladespannungen zu erzeugen. Die Gleichrichter-Dioden [131] in 10c, obwohl sie in einer ähnlichen Lage wie die isolierenden Dioden in den anderen Figuren angeordnet sind, werden prinzipiell als Gleichrichter für die Wechselstromausgangsimpulscharakteristik der Konverterkreise verwendet, da die Isolationsfunktion durch die getrennten Wicklungen [116] erfüllt wird. Der Fachmann kann erkennen, dass die mehreren Wicklungen [116] eine einzelne Wicklung mit mehreren Abgriffen umfassen können, um so die verschiedenen Spannungen abzugeben.
Bei einer derartigen Ausbildung jedoch würden die Wicklungen die Ausgangsstufen nicht voneinander isolieren und die isolierenden Dioden sind daher für diese Isolationsfunktion notwendig.
Zurückkehrend zur Ausführungsform gemäss 1, dient die Beschreibung für irgendeine der vielen Ausgangsstufen [40], die in dieser Ausführungsform vorgesehen sind, für alle, da wie oben erwähnt, diese Stufen [40] im Wesentlichen strukturell identisch sind. Insbesondere besitzt jede Ausgangsstufe [40] ein Energiespeicherelement [30], einen gesteuerten Schalter [32] und ein Ausgangsnetzwerk [37]. Der Betrieb eines derartigen Schaltkreises ist im Detail in der US 5,245,252 A beschrieben, die hier als Bezugsquelle eingefügt wird. Die Konstruktion und Betriebsweise der Schaltkreise [40] wird daher hier nur kurz beschrieben. Der interessierte Leser wird auf das '252 Patent für eine detailliertere Beschreibung verwiesen.
Wie oben erwähnt werden die Energiespeicherelemente [30], die vorzugsweise Kondensatoren sind, über den Ladeschaltkreis 9 und über isolierende Dioden [31] geladen. Jederzeit nachdem die Kondensatoren [30] ihr vorgeschriebenes Ladeniveau erreicht haben, kann der Logikschaltkreis 49 wahlweise jede dieser Einrichtungen durch Triggern des geeigneten kontrollierten Schalters [32] entladen. Zu diesem Zweck ist die Triggerlogik 43 mit den Ausgangsstufen [40] über vier getrennte Triggersignalverbindungen [41] gekoppelt. Man versteht, dass vier getrennte Verbindungen [41] vorzugsweise verwendet werden, obwohl eine einzige Verbindungsleitung mit geeigneter Multiplex-Schaltung falls gewünscht dafür verwendet werden könnte, sowie auch indirekte Kopplungen (z. B. die Verwendung von faseroptischen Verbindungen) verwendet werden könnten ohne vom Umfang und dem Geist der Erfindung abzuweichen.
Auf jeden Fall koppeln die Triggersignalverbindungen [41] die Triggerlogik 43 mit einem Triggerkreis [33] in jeder der Ausgangsstufen [40]. Diese Triggerkreise [33] sind jeweils zum Öffnen und Schließen ihrer zugeordneten gesteuerten Schalter [32] als Reaktion auf ein Triggersignal von der Triggerlogik 43 ausgerüstet.
Die Triggerkreise [33] können eine Vielzahl von Schaltungen je nach der spezifischen Komponente, die zur Ausführung der gesteuerte Schalter [32] benutzt wird, aufweisen. Vorzugsweise besitzen sie Isolierkomponenten, die die Niederspannungslogikschaltungen 49 gegen die höheren Spannungen an den Schaltern [32] schützen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel, das SCR als gesteuerte Schalter [32] verwendet wird, ein Impuls (Trigger) -Transformator mit zugeordneter, im Stand der Technik bekannten Steuerschaltung als Triggerkreis [33] verwendet. Die Sekundärwicklung dieses Transformators ist mit der Steuerelektrode und der Kathode des zugeordneten SCR verbunden und die Primärwicklung ist mit der Triggersignalverbindung [41] verbunden. Die Triggerlogik 43 kann dann den Transformator über ein Steuersignal anregen, dass einen Strom in die Sekundärwicklung des Transformators induziert, der ausreicht den SCR in einen leitenden Zustand zu bringen.
Nach derartiger Aktivierung geht der gesteuerte Schalter [32] aus seinem ausgeschalteten (nicht leitenden) Zustand in den eingeschalteten (leitenden) Zustand. Dies gestattet es, dass die im Kondensator [30] gespeicherte Energie durch das Netzwerk [37] zum Ausgang des Schaltkreises [40] fließt, wo sie an eine funkenerzeugende Einrichtung 50 abgegeben wird, um einen Zündfunken zu erzeugen. Da die Ausgänge aller Ausgangsstufen [40] mit der funkenerzeugenden Einrichtung 50 über die Verbindung 39 verbunden sind, ist die an die funkenerzeugende Einrichtung 50 abgegebene Energie die überlappende, teilweise überlappende oder nicht überlappende, Summe der Energien, die von jedem getriggerten Ausgangskreis [40] je nach dem Zeitpunkt Ihrer Zündung abgegeben wird.
Es soll festgestellt werden, dass obwohl aufgrund der Klarheit nur eine einzige Einrichtung zur Darstellung des gesteuerten Schalters gezeigt ist, wie in dem vorher erwähnten '252 Patent angeführt, der gesteuerte Schalter [32] eine Gruppe von gleichzeitig getriggerten Einrichtungen umfassen kann, als ob sie eine einzige Einrichtung wären ohne sich vom Umfang oder dem Geist der Erfindung zu lösen.
Jedes Netzwerk [37] in der bevorzugten Ausführungsform besteht aus drei Komponenten: Einer Induktivität [34] (vorzugsweise ein sättigbaren Kerninduktor wie im '252 Patent geoffenbart), die so verbunden ist, dass der Strom auf seinem Weg zur oder von der funkenerzeugenden Einrichtung 5 ) durch sie hindurchtreten muss; einem Widerstand [35]; und einer optionalen unipolaren Diode [36], die verbunden ist, um einen nominalen unidirektionalen Entladungsstrom zur funkenerzeugenden Einrichtung 50 zu gewährleisten, wenn eine unipolare Zündung erwünscht wird. Die Netzwerke [37] der Ausgangsstufen [40] führen mehrere wichtige Funktionen aus. Erstens formen sie die Kurve der Spannung und des Stromes der Ausgangswellenformen, um die Zündung zu verbessern. Zweitens schaffen sie einen Schutz für den Halbleiterschalter [32] im Schaltkreis indem sie den vom Kondensator [30] e entladenen Strom für eine Zeit zurückhalten, die ausreicht, dass der Schalter [32] von seinem nicht-leitenden Zustand in seinen leitenden Zustand übergent. Diese Funktionen sind im Detail im US 5,245,252 A beschrieben und werden hier nicht mehr weiter dargelegt.
Bei der vorliegenden Erfindung haben die Netzwerke [37] einen dritten Zweck. Insbesondere, da alle Netzwerke [37] mit der funkenerzeugenden Einrichtung 50 über die Verbindung 39 verbunden sind, müssen die Netzwerke 37] auch einen Grad an Rückisolierung haben, sodass die Entladung einer Stufe nicht unerwartet irgendeine der anderen Stufen falsch triggert. Wann immer eine oder mehrere der Ausgangsstufen [40] entladen wird/werden, wird die Verbindung 39, wo alle Stufen [40] mit der funkenerzeugenden Einrichtung 50 zusammen verbunden sind, großen Spannungsübergängen unterworfen. Z. B. wird wenn einer der Schalter [32] geschlossen ist, die Verbindung 39 auf die vorher im Speicherkondensator [30] gespeicherte Spannung gebracht. Dann wird sofort bei Bildung des Funkenplasmas mit seinem extrem niedrigen Widerstand, die Verbindung 39 auf Erde (0 Volt) zurückgesetzt. Dieser Übergangsimpuls würde eine große dv/dt-Belastung auf die nicht angesteuerten Schalter [32] aufbringen, wenn das Netzwerk [37] nicht vorhanden wäre, um die Schalter [32] von der Verbindung 39 zu isolieren. Mit dem Netzwerk [37] an der Stelle können die Werte der Induktivität [34] und des Widerstandes [35] gewählt werden, um als Tiefpass zu wirken und so den hohen dv/dt-Übergangsimpuls am Verknüpfungspunkt 39 zu hindern, die nicht angesteuerten Schalter [32] zu erreichen.
Der Fachmann wird erkennen, dass der Induktor [34] irgendwoanders angeordnet sein kann (z. B. im Erdrückleitungsweg), solange als der Entladungsstrom hindurchgeht, sowie auch durch die funkenerzeugende Einrichtung 50.
Der Fachmann wird weiters erkennen, dass viele Anordnungen der Ausgangsnetzwerke, die ein ähnliches Isolierungergebnis erzeugen können, eingesetzt werden können ohne vom Umfang und dem Geist der Erfindung abzuweichen. Z. B. enthalten die in der alternativen Ausführungsform gemäß 3 gezeigten Netzwerke [337] jeweils eine Diode [300], die es gestattet, dass Energie von jeglicher Stufe [340] durch die Verbindung 339 und zur funkenerzeugenden Einrichtung [350] fließt. Diese Dioden [300] verhindern jedoch auch, dass Rückenergie zurück von der Verbindung 339 in die Ausgangsstufen [340] übertragen wird. Die Verwendung von Dioden [300] zur Isolierung der Ausgänge der Stufen [340] ist in ähnlicher Weise zu der Ausbildung der Verendung der Dioden [31], um die Eingänge der Stufen [40] zu isolieren, wie dies früher anhand der 1 beschrieben worden ist. Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied zwischen den beiden Ausführungen. Insbesondere ist die Größe der von den Dioden [31],[331] an den Eingängen der Entladungsstufen [40],[340] geführten Ströme relativ klein verglichen mit den durch die Ausgangsdioden [300] geführten Strömen. So sind z. B. die Ausgangsströme typischerweise in der Größenordnung von mehreren 100 bis 1000 Ampere wohingegen die Eingangsströme üblicherweise in der Größenordnung von 10 bis 100te mA liegen. Elektrische Verluste in einer schadhaften Diode sind proportional zu dem durchlaufenden Strom. Während Dioden [300] die in den Ausgangsnetzwerken [337] der Einrichtung eingebracht sind eine gute Rückisolierung ergeben, sind sie jedoch ineffizient, wenn sie zur Leitung eines hohen Stromes verwendet werden und sie würden einen Teil der Entladungsenergie wegnehmen. Außerdem ist der Schaltkreis auf unipolaren Betrieb beschränkt, wenn eine Diode in der Weise wie in 3 dargestellt eingesetzt wird. Aufgrund dieser Beschränkungen wird diese Isolationstechnik nicht bevorzugt.
In der Ausführungsform gemäss 3 sind alle Dioden [300] wie gezeigt mit dem Verzweigungspunkt 339 verbunden. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass die Netzwerke [337] abgeändert werden können, um im Wesentlichen die gleiche Funktion auszuführen wenn die Lagen jedes Induktors [336] und der in Serie angeordneten Diode [300] umgekehrt wird ohne sich vom Umfang oder dem Geist der Erfindung zu entfernen.
Gewisse Zündanwendungen können Änderungen gegenüber der in 1 gezeigten Ausführungsform bedingen. Z. B. falls eine bipolare Zündung gewünscht wird, können die Netzwerke [437] der Ausgangsstufen [440] sowie in 4 gezeigt geändert werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass obwohl zur Vereinfachung die 4 nur eine der Ausgangsstufen 440a im Detail zeigt, die anderen Ausgangsstufen 440b, 440c in ähnlicher Weise ausgebildet wären. Zusätzlich sollte darauf hingewiesen werden, dass 4 eine Ausführungsform der Erfindung darstellt, die nur drei Ausgangsstufen [440] zeigt. Jedoch wie alle anderen Ausführungsformen der Erfindung könnte sie mit jeglicher anderen Vielzahl von Stufen ausgebildet sein (d. h. wenigstens zwei) ohne den Umfang oder den Geist der Erfindung zu verlassen.
Der bipolare Kreis 402 gemäss 4 enthält nicht die unipolare Diode [36] wie sie im unipolaren Kreis der 1 verwendet worden ist, da im bipolaren Zündsystemen der Strom durch die funkenerzeugende Einrichtung 450 für einen wesentlichen Teil des Energiezuführzykluses die Richtung umkehrt. Bei beiden dem bipolaren und dem unipolaren System überträgt der Strom die Energie in den Kondensator [430] zu der funkenerzeugenden Einrichtung [450] über den Indukor [434]. Jedoch, wird nicht die gesamte Energie im ersten Abschnitt des Entladungszykluses verbraucht. Ein Teil der Energie verbleibt im Induktor [434]. Bei einem unipolaren Kreis wie jener der in 1 gezeigt ist, wird diese Energie schließlich vom Induktor [34] in einem späteren Teil des Entladungszykluses über die Freilaufdiode [36] entladen, wobei der Strom in der gleichen Richtung durch die funkenerzeugende Einrichtung über den Zyklus entladen wird. Bei bipolaren Schaltkreisen wie jenem, der in 4 gezeigt ist, ist der zweite Teil des Zyklus durch eine Umkehr des Stromflusses charakterisiert, bei dem ein Teil der Energie in dem Induktor [434] zurück zu dem Kondensator [430] übertragen wird, wobei der größte Teil der Energie durch die funkenerzeugende Einrichtung [450] verbraucht wird. Die restliche unverbrauchte Energie schwingt zwischen dem Induktor [434] und dem Kondensator [430] weiter hin und her, wobei mit jeder Schwingung dem Funkenplasma zusätzliche Energie zugeführt wird, bis die Energie verbraucht ist.
Derartige Schwingungen sollten nicht mit den kurzdauernden Schwingungsübergängen verwechselt werden, die typischerweise in den Kreisen vorhanden sind. Obwohl derartige „Rausch„-Übergänge eine beträchtliche Größe zu haben scheinen, übertragen sich doch nicht merkliche zweckmässige Energie an das Plasma. Rauschübergänge wie diese treten in vielen Kreisen auf, einschließlich Kreisen, die im Wesentliche unipolar ausgelegt sind. Obwohl diese übertretenden Rauschimpulse bipolar sein können, ist der Kreis nach wie vor ein „unipolarer Kreis" solange wie die Hauptenergieübertragung im Wesentlichen ein unipolares Ereignis ist.
Eine Antipolaritätsdiode [401] ist ein notwendiger Teil des Netzwerkes [437], wenn gewisse Halbleiter-Schaltvorrichtungen [432] verwendet werden. Eine derartige Diode [401] gestattet den Fluß des umgekehrten Stromes, überbrückt jedoch den Schalter [432], sodass der Schalter durch den Rückstromfluß nicht beschädigt wird. Bei diesen Ausführungsbeispielen muß der Triggerkreis [433] gewährleisten, dass der gesteuerte Schalter [432] über mehrere Zyklen, die Umkehrungen des Stromes einschließen, leitend bleibt.
Bei Hochspannungs-Zündausführungen hat die funkenerzeugende Einrichtung eine Durchschlagsspannung (die minimale Spannung damit Plasma gebildet wird) die im Allgemeinen jenseits praktischer Grenzen der Schaltanordnung, des Kondensators oder anderer Komponenten der einzelnen Ausgangsstufen [40] liegt. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, können diese Systeme einen speziellen Induktor/Transformator 599 in einem oder mehreren der Netzwerke ihrer Ausgangsstufen wie in 5a gezeigt verwenden. Eine erste Wicklung dieser Anordnung 599 kann vorzugsweise in Serie (durchgehend, in irgendeiner Reihenfolge) mit dem der Kondensator 530, dem Schalter 532 und der funkenerzeugenden Einrichtung 550 in ähnlicher Lage wie der Induktor [34] der 1 verbunden sein. Eine zweite Wicklung des Induktor-/Transformators 599 ist magnetisch mit der ersten Wicklung zur Übertragung eines Spannungsimpulses gekoppelt, wenn der gesteuerte Schalter 532 getriggert wird. Wenn daher der Schalter 532 getriggert wird, erzeugt ein Übertragungsimpuls auf der zweiten Wicklung eine Spannung auf der ersten Wicklung die zu der bereits auf die erste Wicklung aufgebrachte Spannung durch Schließen des Schalters 532 hinzugefügt wird. Obwohl der exakte Wert dieser Spannung vom Wicklungsverhältnis der ersten und zweiten Wicklung abhängt, kann die kombinierte Spannung eine Größe haben, die ein mehrfaches bis ein zigfaches größer ist als die Energiespeicherspannung des Kondensators 530 allein. Während die additive Wirkung des Impulses über die zweite Wicklung im Allgemeinen von kurzer Dauer mit Bezug zum gesamten Entladungsvorgang ist (eine Begrenzungsvorrichtung 508, die vorzugsweise ein kleiner Kondensator ist, wird üblicherweise in Serie mit der zweiten Wicklung eingesetzt, um den Impuls auf einen kurzen Übergang zu beschränken, der nur einen kleinen Prozentsatz der Energie verbraucht, die im Kondensator 530 gespeichert war), ist die erhöhte Spannung am Beginn des Entladungsvorganges ausreichend um ein Plasma in einer Hochspannungs-Funkenerzeugungseinrichtung 550 zu erzeugen. Nach dem dieses Plasma gebildet worden ist, wird der Widerstand zwischen den Elektroden vernachlässigbar und der Hauptentladungsstrom fließt dann durch die erste Wicklung in Serie, die in gleicher Weise wirkt wie der Serienausgangsinduktor, der im Zusammenhang mit 1 beschrieben worden ist, ohne weitere Unterstützung von der zweiten Wicklung.
Der Fachmann kann erkennen, dass die exakte Anordnung und die Polarität der Verbindungen des Induktor/Transformators 599 nicht kritisch ist, solange die additive Wirkung einen ionisierenden Impuls von genügender positiver oder negativer Polarität erzeugt, damit Plasma in der Hochspannungsfunkenerzeugungs-,Einrichtung 550 gebildet wird. Wie der Ionisierungsimpuls kann der Entladungsstrom nach der Ionisierung, (d. h. der Strom der auf den anfänglichen Ionisierungsimpuls folgt) entweder bipolar oder im Wesentlichen unipolar sein. Im Falle eines im Wesentlichen unipolaren Nachionisationsentladungsstromes wird der Kreis als „unipolarer Kreis„ bezeichnet und das Vorhandensein eines bipolaren Ionisierungsimpulses oder eines ionisierenden Impulses mit einer Polarität entgegengesetzt zu jener des Nachionisationentladungsstromes ändert diese Definition nicht. Mit anderen Worten für die Zwecke dieser Anmeldung wird ein Kreis mit unipolar definiert, selbst wenn die Polarität des Stromes, der durch die funkenerzeugende Einrichtung entlädt entgegengesetzt zur Polarität des Ionisierungsimpulses ist und/oder selbst wenn der Ionisierungsimpuls selbst bipolar ist, solange der Nachionisierungsentladungsstrom im Wesentlichen in eine Richtung fließt.
In einer ähnlichen Ausführungsform gemäss 5b wird der Strom durch die zweite Wicklung des Induktor/Transformators 599 durch eine der anderen Ausgangsstufen 540b geführt und gesteuert. Der Induktor/Transformator 599 dient so zur Kombination der Energien, die durch die beiden Stufen 540a/540b in einem gemeinsamen Ausgang entladen werden. Wie der Fachmann erkennen kann, können die Induktoren [534] der anderen Stufen [540] in den Ausgang kombiniert werden, indem man sie zu einem gemeinsamen Punkt 539 verbindet oder andererseits können sie dem Induktor/Transformator 599 als zusätzliche Wicklungen hinzugefügt werden, um die Energien dieser zusätzlichen Stufen mit den Stufen gemäss 5b zu kombinieren, ohne sich vom Umfang oder dem Geist der Erfindung sich zu entfernen.
Bei einer anderen ähnlichen Ausführungsform gemäss 5c ist der Hochspannungs-Induktor/Transformator 599 eine getrennte Vorrichtung (nicht irgendeinen Induktor [534] ersetzend), die so verbunden ist, dass Niederspannungsimpulsen am Verbindungspunkt 599 ein übergehender Hochspannungs-Ionisierungsimpuls zugesetzt wird, damit der Abstand der funkenerzeugenden Einrichtung 550 ionisiert wird, um ein Plasma zu bilden.
Die Ausführungsformen gemäss der 5a, 5b und 5c sind als unipolare Schaltkreise ausgeführt. Alternativ könnten diese Ausführungsformen als bipolare Kreise ausgeführt sein, z. B. durch Änderung der Schaltkreise wie oben anhand der 4 aufgeführt.
Allgemein kann die Mehrheit der Stufen ausgebildet sein, dass sie irgendeine Kombination von Konstruktionen besitzen. So kann z. B. eine Stufe als ein bipolarer Schaltkreis ausgebildet sein, während eine andere Stufe im Wesentlichen unipolar ausgebildet sein kann. In ähnlicher Weise könnte eine andere Stufe als Hochspannungs- und eine weitere als Niederspannungsstufe ausgebildet sein. Alle diese Stufen wirken zusammen um die letztliche Wellenform zu bilden, die die funkenerzeugende Einrichtung erreicht. Weiters fügt die gesteuerte relative Zeitwahl der Entladungen der Kreise, die diese Techniken kombiniert (d. h. bipolar, unipolar, Hochspannungs- und Niederspannungsimpulserzeugung) in jeglicher Kombination noch einen weitern Grad an Komplexität zur Wellenform des Impulses hinzu, der an die funkenerzeugende Einrichtung abgegeben wird und somit zu der zeitlich verändernden Fahnenform der erzeugten Funken.
Kehrt man wieder zur 1 zurück, so werden die Ausgabekreise [40] zum großen Teil durch zwei Hauptelemente gesteuert: ein spannungsabfühlender Komparator 52 und die Logikschaltung 49. Diese Elemente 52, 49 kombinieren mit dem oben erwähnten Funkenzeitglied 25, um eine Gesamtsteuerung der Funkenerzeugung zu erreichen. Insbesondere nach dem das Funkenzeitglied das nächsten Funkenereignis durch Aktivierung des Ladesstromkreises 9 verlangt, beginnt der Komparator 52 kontinuierlich ein Signal aus einem Spannungsteiler-Netzwerk, bestehend aus Widerständen 56, 58 zu überwachen. Dieses Signal ist proportional der Spannung an den Energiespeicherkondensatoren [30]. Der Komparator 52 vergleicht dieses proportionale Signal mit einer Referenzspannung, die von der HV-Referenz 54 empfangen wird, um festzustellen, wann die Kondensatoren [30] eine vorbestimmte Spannung erreicht haben.
Obwohl in der Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, ein Spannungsteiler und ein Spannungsfühl-Komparator verwendet werden, um die Spannung der Kondensatoren [30] zu überwachen, wird der Fachmann erkennen, dass andere Strukturen zur indirekten oder direkten Überwachung der Spannung an den Kondensatoren [30], wie Strukturen die die Ladungszeit in einem Schaltkreis messen, der die Kondensatoren [30] in einem konstanten Ausmaß auflädt, verwendet werden können, ohne vom Umfang oder dem Geist der Erfindung abzuweichen.
Wenn die Kondensatoren [30] ihre gewünschte Ladung erreichen, gleicht die Spannung die vom Spannungsteiler erzeugt wird, der Spannung an der HV-Referenz 54. Zu diesem Zeitpunkt wird der Komparator 52 seinen Ausgang umschalten, um dieses Ereignis den anderen Schaltböcken anzuzeigen. Eine Bestimmung des durch den Komparator 52 erzeugten Signals ist der HALT-Eingang 22 im Ladeschaltkreis 9. Wenn der Ladeschaltkreis 9 dieses Signal empfängt, beendet er die Ladung der Kondensatoren [30]. So wird die gespeicherte Energie in den Kondensatoren [30] genau kontrolliert. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss 1 gestattet es der Eingang 55, der Bedienungsperson einen HV-Befehl einzubringen, um die exakte Ladespannung der Kondensatoren [30] einzustellen. Bei einigen Produktionsgeräten kann dieser Eingang 55 weggelassen sein und der Spannungswert fix sein, sodass alle Funken mit der gleichen optimalen Spannung ohne Eingreifen des Benutzers abgegeben werden.
In der Ausführungsform gemäß 1 wird die beschriebene Spannungssteuerung durch Überwachung nur einer der Vielzahl von Ausgangsstufen [40] erreicht, da alle Kondensatoren [30] auf die gleiche Spannung geladen werden. Wenn Kondensatoren verschiedener Größen verwendet werden, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, den kleinsten Kondensator [30] zu überwachen, da seine Spannung sich rascher ändert, als die Spannungen der anderen Kondensatoren (d. h. er hat die schnellste elektrische Zeitkonstante). Viele kompliziertere Schaltkreise können konstruiert werden, um mehr als eine der Ausgangsstufen zu überwachen. So kann es z. B. zweckmässig sein, die höchste einer Vielzahl überwachter Spannungen als Rückmeldesignal auszuwählen.
Bei anderen Ausführungsformen wie jene der 2 wird eine Vielzahl von Ladeschaltkreisen [209] verwendet, wobei jeder derartige Ladeschaltkreis [209] einen zugeordneten Speicherkondensator [230] hat. In diesem Ausführungsbeispiel ist in jeder Stufe [240] ein Spannungsabfühl-Netzwerk vorgesehen, um jedem Ladeschaltkreis [209] die separate Überwachung der Ladung des zugeordneten Kondensators [230] zu ermöglichen. Jeder Ladeschaltkreis [209] in 2 weist einen Komparator (nicht dargestellt) ähnlich dem Komparator 52 gemäß 1 oder eine andere äquivalente Schaltanordnung auf, die die Ladung abbricht, (ähnlich dem HALT-Signal 22 in 1) und liefert ein eigenes FIRE-Signal 244a, 244b, 244c, 244d an die Triggerlogik 243.
Die Einpunkt-Überwachung gemäß 1 ist nur von der Schaltungseinfachheit und vom Kostenstandpunkt vorteilhaft und kann nur in Ausführungsformen verwendet werden, wo alle Kondensatoren [30] mit der gleichen Spannung geladen sind.
Das zweite Ziel des vom Komparator 52 erzeugten Signals ist die Logikschaltung 49. Wie in 1 gezeigt wird dieses Signal am FIRE-Eingang 44 der Triggerlogik 43 aufgenommen, die dem Schaltkreis mitteilt, dass die gewünschte Energiespeicherhöhe erreicht worden ist, und dass die Ausgangsstufen [40] somit bereits zum Zünden sind. In der bevorzugten Ausführungsform triggert die Triggerlogik 43 die Stufen [40], indem sie über die entsprechenden Triggersignalverbindungen [41] in Übereinstimmung mit in der Energie/Verzögerungsmatrix 45 gespeicherte Regeln Triggersignale weiterleitet. Diese Regeln bestimmen, ob jede einzelne Stufe überhaupt gezündet wird und wann bezüglich der Zündung der ersten Stufe jede gezündet wird. Somit wird in Abhängigkeit von den in der Energie/Verzögerungsmatrix 45 gespeicherten Regeln, die Triggerlogik 43 eine oder mehrere der Ausgangsstufen [40] triggern, um eine überlappende, teilweise überlappende oder nicht überlappende Austrittswellenform oder -impuls zur funkenerzeugenden Einrichtung 50 zu übertragen. Die funkenerzeugende Einrichtung 50 wird dann einen Funken erzeugen, dessen zeitveränderliche Fahnenform und Energieniveau der Wellenform und der Energiehöhe des empfangenen Impulses entspricht.
Es sei darauf hingewiesen, dass zu Zwecken dieser Patentanmeldung „Fahnenform„ sich auf einen einzigen Lade-/Entladezyklus bezieht. Wenn daher das Gerät ausgebildet ist, eine Folge von zwei oder mehr Funken innerhalb eines einzigen Lade-/Entladezyklus abzugeben, erzeugt es immer noch eine einzige Fahnenform für diesen Zyklus (d. h. eine Fahnenform, die wenigstens für einen Moment keine Energie zwischen dem Beginn und der Beendigung der Ionisation an der funkenerzeugenden Einrichtung während eines gegebenen Lade/Entladezyklus hat. Selbstverständlich erzeugt sie auch eine einzige Fahnenform, wenn ein einziger Funken während eines gegebenen Lade-/Entladezykluses erzeugt wird (d. h. ohne Momente von Null Energie zwischen dem Beginn und der Beendigung der Ionisation an der funkenerzeugenden Einrichtung während eines gegebenen Lade-/Entladezykluses).
Die Energie/Verzögerungsmatrix 45 kann voreingestellt sein oder sie kann einen ENERGIE-Befehl 46 und/oder einen ZEIT-Befehl 47 von einer Bedienungsperson des Gerätes empfangen. Der ENERGIE-Befehl 46 steuert die gesamte Energie, die an die funkenerzeugende Einrichtung 50 übertragen wird durch Bestimmung welche der Stufen [40] in Kombination gezündet werden, um die benötigte Summierung entsprechend der gewünschten Gesamtenergie zu erzeugen. Die Energie/Verzögerungsmatrix 45 kann in Form einer Ablesetabelle ausgebildet sein. Daher hätte für jegliches Energieniveau, das ein Benutzer fordert, die Energie/Verzögerungsmatrix 45 einen entsprechenden Einstellpunkt der anzeigt welche Stufen [40] gezündet werden sollen, um das gewünschte Ergebnis zu erreichen. Die Energie/Verzögerungsmatrix 45 kann auch zum Speichern von Daten verwendet werden, die die Spannungen) angibt auf die Stufen [40] [140] geladen werden sollten. Selbstverständlich kann die Energie/Verzögerungsmatrix 45 in jeglicher Ausführungsform der Erfindung so ausgebildet werden.
Schließlich nach dem alle ausgewählten Ausgangsstufen getriggert worden sind, ruht der Schaltkreis bevor das Funkenzeitglied den nächsten Zyklus beginnt. Die Pause zwischen den Funkenzyklen, die nach Beendigung der Entladung der langsamsten Entladungsstufe beginnt muss lang genug sein, damit die gesteuerten Schalter [32] voll in ihre nicht leitende Zustände übergehen, bevor der nächste Ladezyklus beginnt.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Kapazitätswerte der Energiespeichervorrichtungen [30] der Ausgangsstufen [40] binär gewichtet, um der Einrichtung die Erzeugung von Impulsen mit einem weiten Bereich von Austrittsenergien zu gestatten. (Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass dieser gleiche Gewichtungseffekt erreicht werden kann, wenn identische Kondensatoren auf verschiedene Spannungen gemäß den beschriebenen Techniken aufgeladen werden). Den Stufen [40] gibt man eine relative Energieverteilung 1 : 2 : 4 : 8. Mit anderen Worten, wenn die kleinste der Stufen eine Energie von 1 (einer) Einheit hat, dann haben die anderen Stufen 2 (zwei) Einheiten, 4 (vier) Einheiten und 8 (acht) Einheiten der jeweiligen Energie. Diese Gewichtung gestattet der Einrichtung einen Impuls zu erzeugen, der jegliches Energieniveau zwischen Null und fünfzehn Einheiten (16 unterschiedliche Niveaus) durch Zündung verschiedener Kombinationen der Stufen [40] hat. Z. B. durch Zündung nur der ersten Einheit und der vierten Einheit erzeugen die Stufen die Summe: 1+ 4 = 5 Einheiten. Es sei darauf hingewiesen, dass die Skalierungseinheit nicht notwendigerweise ein Joule ist. Das Skalierungssystem ist in gleicher Weise zweckmässig, unbeachtlich der gewählten Basiseinheit. Z. B. wenn die Basiseinheit einen Wert von 0,5 Joule hat, dann erzeugt die obige Kombination von Stufen [40] einen Austrittsimpuls mit
0,5 * (1 + 4) = 2.5 Joule
Gesamtenergie. Die Energie des von dem Gerät erzeugten Impulses gleicht der Basiseinheit multipliziert mit der kollektiven Summe der Skalierungsfaktoren der gezündeten Stufen. Die maximale Energie dieses 4-Stufen Ausführungsbeispieles ist dann:
Einheitswert* (1 + 2 + 4 + 8) = Einheitswert* 15
In der tatsächlichen Praxis können andere Beschränkungen vorliegen, die eine Abweichung von der optimalen binären Gewichtung der Stufen notwendig machen. Bei einem Einsatz der Erfindung der untersucht worden ist, war die kleinste Stufe ausgelegt 1 Joule der Energie zu speichern und 1 Joule Energie abzugeben. In Kombination mit zwei anderen Stufen, die 2.0 bzw. 4.0 Joule Energie jeweils abgeben konnten wurde ein Gerät gebaut, das Impulse bis zu (1.0 + 2.0 + 4.0) = 7.0 Joule Gesamtenergie erzeugt. Um eine höhere maximale Abgabe zu erzeugen, wurde eine vierte Stufe benötigt, jedoch wäre gemäß den binären Gewichtungsregeln eine einzige Stufe notwendig, die eine Energie von 8.0 Joule erzeugen soll. Dieses Energieniveau war jenseits praktischer Grenzen der genauen Komponenten, die zur Bildung der anderen drei Stufen verwendet worden war. Ein Kondensator, der geeignet ist 5.0 Joule Energie zu speichern wurde daher für die vierte Stufe ausgewählt und die Endeinrichtung erzeugte Funken mit einer maximalen Gesamtenergie von
1,0* (1+2+4+5) = 12,0 Joule.
Obwohl dies ein zweckmäßiges Resultat ist, ist es nicht optimal, da dieses System nur Impulse mit 13 bestimmten Energieniveaus (0-12) erzeugt, wohingegen ein wirkliches binäres Gewichtungssystem Impulse mit 16 bestimmten Energieniveaus erzeugen kann. Der Verlust von drei möglichen Energieniveaus erfolgt auf Grund von Redundanzen in der Sequenz. Insbesondere können drei Energieniveaus erreicht werden, indem man eine von zwei verschiedenen Kombinationen von Stufen zündet, die sich zum gleichen Gesamtwert addieren:
Niveau 5 ist entweder (5) oder (1 + 4 )
Niveau 6 ist entweder (1 + 5) oder (2 + 4)
Niveau 7 ist entweder (1 + 2 + 4) oder (2 + 5)
Obwohl noch immer 16 mögliche Kombinationen vorhanden sind, erzeugen nur 13 von diesen Kombinationen bestimmte Energieniveaus. Fachleute können erkennen, dass die obige beispielsweise Einrichtung abgeändert werden kann, um gemäß einem echten binären Gewichtungssystem zu arbeiten und zwar durch Ersetzen der 5 Joule Stufen durch zwei 4,0 Joule Unterstufen, die gleichzeitig gezündet werden um 8,0 Joule Energie abzugeben.
Der andere Eingang in die Energie/Verzögerungsmatrix 45 ist der ZEIT-Befehleingang 47. Dieser Befehl kontrolliert den Zeitablauf und Befehl zum Triggern der verschiedenen Ausgangsstufen [40]. Die Zeitenfolge beginnt von Neuem jeweils wenn der FIRE-Eingang 44 der Triggerlogik 43 ein Signal vom Komparator 52 erhält. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beruht die Triggerlogik 43 auf Daten, die in der Energie/Verzögerungsmatrix 45 gespeichert sind, um jedes der Vielzahl von Triggersignale zu erzeugen nach dem eine Verzögerung, die für die entsprechende Stufe spezifisch ist und in der Matrix 45 gespeichert worden ist, durchlaufen ist. Die tatsächliche Erzeugung des Triggersignals tritt auf, wenn und nur dann, wenn diese Stufe gemäß dem ENERGY-Befehle, der zuletzt in der Matrix 45 gespeichert worden ist, aktiv ist.
In der Ausführungsform gemäß 1 können die ZEIT-Befehle als vier getrennte Verzögerungsbefehle gedacht werden, die den vier einzelnen Stufen [40] dieser Fig. entsprechen. Ist die Zahl der Stufen geringer oder größer als vier, dann entspricht die Zahl der Verzögerungsbefehle der Zahl der Stufen. In gewissen Produktionsgeräten kann keine Verzögerungsfunktion vorliegen, wobei in diesem Falle die Triggerlogik 43 Triggersignale gleichzeitig an alle Stufen abgibt, die gezündet werden sollen.
Die Größe der Verzögerung für jegliche Stufe [40] reicht von 0 bis zu einem praktischen Maximum, das durch die Selbstentladungszeit der Vorrichtung von 1 bestimmt ist. Im gleichen Moment in dem die Triggerlogik 43 das FIRE-Signal erhält, erhält der Ladeschaltkreis 9 sein HALT-Signal und beendet das Laden der Kondensatoren [30]. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beginnt jede Stufe; die zu diesem Zeitpunkt nicht getriggert wird mit einer relativ langsamen Selbstentladung ihrer gespeicherten Energie durch den gesteuerten Schalter [32] und den Widerstand [35] die nicht perfekt sind. Nach einiger Zeit bestimmt durch die Komponentenwerte verliert der Kondensator [30] seine nutzbare Energie und ein Triggersignal nach dieser Zeit hätte geringe Wirkung.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß 6 wird die Logikschaltung 649 durch einen Mikroprozessor 600 realisiert. Der Mikroprozessor 600 wird verwendet um viele der Logikfunktionen beschrieben im Zusammenhang mit der Ausführungsform gemäß 1 durchzuführen. Bei der Mikroprozessorenausführung gemäß 6 führt der Mikroprozessor 600 die Funktionen der folgenden Elemente der Ausführungsform gemäß 1 aus: das Funkenzeitglied 25, die Triggerlogik 43, die Energie/Verzögerungsmatrix 45, den Komparator 52, und HV Referenz 54. Abhängig vom Typ des verwendeten Mikroprozessors und falls die bevorzugte Ladeschaltung gemäß 10a verwendet wird kann der Mikroprozessor 600 optional ausgeführt werden, um die Funktion des Steuerkreises 110 durchzuführen. Es kann erkannt werden, dass der Mikroprozessor 600 auch ausgeführt sein kann ähnliche Steuerfunktionen mit anderen Ladeschaltkreisen durchzuführen, ohne den Umfang oder den Geist der Erfindung zu verlassen.
Wie in 6 gezeigt ist der Mikroprozessor 600 mit einem Daten-I/O-Anschluss 630 versehen, der als Kommunikationsverbindung zwischen dem Mikroprozessor und einem Bedienungs-Interface dient. Dieses Interface ist wahrscheinlich ein anderer Computer oder ein Terminal mit einer Tastatureingabe und Anzeigemöglichkeiten, die es einer Bedienungsperson gestatten das Gerät über den Daten-I/O-Anschluss 630 zu programmieren. Zwei unterschiedliche Interfaces sind eingesetzt worden und können austauschbar verwendet werden:
Ein Personal-Computer der mit dem Daten-I/O-Anschluss 630 über den SERIAL COM PORT des Computers verbunden ist und ein spezielles Handterminal mit einfacher Anzeige und Tastatur zur Eingabe von Befehlen. In beiden Fällen ist die Verbindung wahlweise bidirektional, wobei in diesem Falle das Gerät gemäß 6 auch Statusinformationen zurück zum Computer oder dem Handterminal unter Verwendung des Daten-I/O-Anschluss 630 als Ausgang senden kann. Diagnostische Informationen über den Funken ist eine typische Nachricht. Wahlweise kann das Gerät der 1 oder 6 abgeändert werden, um derartige diagnostische Information gemäß dem Verfahren und dem Gerät zu erzeugen, die in der US 5,155,437 A und 5,343,154 A beschrieben sind.
Bei der Mikroprozessor basierten Ausführungsform gemäß 6 führt der Mikroprozessor 600 vorzugsweise das im Fließschema der 7 dargestellte Programm durch. Das Fließschema entspricht dem Code der in das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung eingefügt ist. Der Fachmann kann jedoch erkennen, dass viele ähnliche Programme eingesetzt werden können, ohne vom Umfang oder dem Geist der Erfindung abzuweichen.
Der Mikroprozessor 600 beginnt am START Block 701, wenn die Spannung angelegt wird. Folgt man den Pfeilen in 7, so führt die nächste Stufe INITIALISIERUNG 702, die notwendige Systemorganisation durch um den Prozessor für den Betrieb zu konfigurieren. Eine derartige Systemkonfiguration umfasst gewisse Eingangs- und Ausgangsleitungen zu ermöglichen und den Daten-I/O-Anschluss 630 einzuschalten.
Wieder unter Bezug auf 7 tritt nach Beendigung des Schrittes zur Systemkonfiguration der Mikroprozessor in die WARTEN AUF BEFEHL Schleife 703 und es tritt keine weitere Aktion auf, bis der Prozessor 600 einen Befehl erhält. Zwei Arten von Befehlen werden erwartet und jeder wird den Austritt von der WARTEN AUF BEFEHL Schleife 703 bewirken. Die erste Art von Befehl ist ein Parameter-Signal, das kennzeichnend für die verschiedenen Betriebsarten der Einrichtung ist. Die zweite Art von Befehl ist das FIRE-Signal. Wenn ein Signal empfangen wird, entscheidet der Mikroprozessor 600 ob dies ein Parameter ist wie er vom Entscheidungsblock 704 darstellt wird. Ist dies ein Parameter, dann wird der Prozessor die DATEN SPEICHERN 705 in einer geeigneten Adresse des zugeordneten Speichers 651 (dargestellt in 6) speichern und in die WARTEN AUF BEFEHL Schleife 703 zurückkehren. Andere Parameter, die während dieser Zeit aufgenommen worden sein könnten entsprechen den Befehlen wie Sie im Zusammenhang mit 1 beschrieben worden sind und umfassen: RATE-Befehl, FUNKEN-Befehl, ENERGIE-Befehl, ZEIT-Befehle und den HV-Befehl, die verschiedene Aspekte des Funkenerzeugungsverfahrens steuern.
Zurück zu 7 – der zweite mögliche Ausgang aus der WARTE AUF BEFEHL Schleife 703 ist über die IST DAS EIN START? Entscheidung 706. Wenn der empfangene Befehl einen Funken oder eine Serie von andauernden Funken fordert, folgt das Programm dem „JA„ Pfeil zum LADE-Block 707 der einen Ladezyklus beginnt, indem er den Ladeschaltkreis 609 über seinen LADE-Eingang 620 ermöglicht. Als nächstes tritt das Programm in den TEST HV (ist HV gleich der HV Referenz?) Block 708 ein. Der Prozessor führt eine A/D (analog/digital) Umwandlung am Eingang des Spannungsfühlschaltkreises (verwirklicht durch die Widerstände 656, 658 und den Bufferverstärker 659) durch und vergleicht das Ergebnis mit den im Speicher [651] gespeicherten Daten, die dem zuvor gespeicherten HV-Befehl entsprechen. Der Mikroprozessor 600 wartet dann darauf, dass die Kondensatoren [30] die erforderliche Spannung aufbauen. In einem fortgeschrittenen Programm kann das Programm ein Zeitaus enthalten, sodass wenn das erwartete Spannungsniveau nicht in einer begrenzten Zeit erreicht wird, der Mikroprozessor den Ladeschaltkreis 609 stoppt und eine Fehlermeldung generiert.
Der Fachmann sollte verstehen, dass wenn getrennte Konverter (wie in 2) in einem Mikroprozessor basierenden Schaltkreis ähnlich dem in 6 eingesetzt werden, eine Vielzahl von Spannungsrückmeldungssignalen für den Mikroprozessor vorhanden wären. Das durch den Prozessor ausgeführte Programm könnte daher abgeändert werden, um eine individuelle Kontrolle über das Laden jeder Ausgangsstufe durchzuführen. In dieser Hinsicht ist der Mikroprozessor 600 der 6 mit optionalen Rückmeldungseingängen für die anderen Stufen sowie mit optionalen Kontrollausgängen für die LADE und HALT-Eingänge der anderen Konverter dargestellt.
Nochmals in Bezug auf 7 tritt der Mikroprozessor 600 aus dem TEST HV? Block 708 aus, wenn er feststellt, dass der Wert der von dem Spannungsfühl-Schaltkreis erhalten wird gleich dem gespeicherten HV-Parameter ist. Der Prozessor 600 erzeugt dann ein Softwareäquivalent des FIRE-Signals indem er in den ZÜNDEN JETZT Abschnitt 710 des Programms austritt. Bei SENDE HALT 711 erzeugt der Mikroprozessor 600 sofort ein Ausgangssignal, dass er zu dem HALT-Eingang 622 des Lade-Schaltkreises 609 überträgt.
Der Mikroprozessor 600 führt dann ähnliche Zeitverzögerungstriggerfunktionen für jede der Ausgangsstufen [40] des Gerätes durch. Insbesondere wie durch die Entscheidungsblöcke ZEIT FÜR A? 712, ZEIT FÜR B? 713, ZEIT FÜR C? 714 und ZEIT FÜR D? 715 dargestellt, überprüft der Mikroprozessor 600, die in seinem zugeordneten Speicher gespeicherten Parameter, die den oben beschriebenen Zeitbefehlen entsprechen. Wenn der Vorgang, der durch die ZEIT FÜR A? Entscheidung 712 angezeigt ist, anzeigt, dass es Zeit zum Zünden der Stufe „A„ ist, tritt der Mikroprozessor in den STROBE A Schritt 722 ein und erzeugt das Triggersignal über die Verbindung 641a, welches die Ausgangsstufe 640a seine gespeicherte Energie an die funkenerzeugende Einrichtung 650 übertragen läßt. Ähnlich verursachen Bestätigungsausgaben an den anderen Zeitentscheidungsblöcken 713, 714, 715, dass der Mikroprozessor 600 Triggersignale, dargestellt durch die logischen Boxen STROBE B 723, STROBE C 724 und STROBE D 725, erzeugt. Eine abschließende Frage in der FUNKEN JETZT Schleife 710 ist ERFÜLLT (ALLE STUFEN)? 730, welche die zuvor im Speicher 651 durch den ENERGIE-Befehl gespeicherten Parameter verwendet, um zu bestimmen, ob alle in diesem Funkenereignis zu zündenden Stufen entladen wurden. Wie oben erwähnt steuert der ENERGIE Parameter, welche der Stufen entladen werden müssen, um die korrekte Gesamtenergie zu erzielen. Einige Stufen sind abgeschalten und werden während des laufenden Funkenereignisses nicht gezündet, wohingegen andere nach einer vorbestimmten Verzögerung getriggert werden. Wenn die ERFÜLLT (ALLE STUFEN)? Entscheidung 730 bestätigt wird, tritt der Mikroprozessor 600 aus dem WARTEN AUF NÄCHSTEN FUNKEN Schritt 732 aus.
Die WARTEN AUF NÄCHSTEN FUNKEN Funktion 732 ist das Software-Äquivalent des Funken Zeitgliedes beschrieben oben im Zusammenhang mit 1. Wenn der Parameter, der durch den RATE-Befehl gespeichert ist, einen Wert von Null hat, dann weiß der Mikroprozessor 600, dass das vorhergehende Ereignis ein Einzelfunken war. Diese Entscheidung ist durch den EINZELFUNKEN? – Block 734 in 7 dargestellt. Im Falle von „JA„ kehrt der Mikroprozessor 600 in den Zustand zurück, der durch den WARTEN AUF BEFEHL – Block 703 in 7 dargestellt ist und wiederholt das oben beschriebene Verfahren.
Im Falle von „NEIN„ wird der Mikroprozessor 600 eine Reihe von Funken mit einer Rate erzeugen, die vorher durch den RATE-Befehl gespeichert worden ist. In einem derartigen Falle, der durch den End-Entscheidungsblock mit dem Titel ZEIT FÜR FUNKEN? 736 dargestellt ist, benutzt der Mikroprozessor 600 den Nicht-Null Parameter, der durch den RATE-Befehl gespeichert ist zur Erzeugung einer Verzögerung zwischen aufeinander folgenden Funken, sodass die gewünschten Funken pro Sekunde erreicht werden. Der Mikroprozessor 600 verbleibt dann in der WARTEN AUF NÄCHSTEN FUNKEN Schleife 732 oder tritt zum LAUFEN/HALT? Entscheidung-Block 739 aus.
Es gibt mehrere Wege, die LAUFEN/HALT-Funktion durchzuführen. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird dies durch ein gehaltenes Signals, das den Kommunikationseingang am Daten-I/O-Anschluss 630 in 6 mitbenutzt erreicht. Der Mikroprozessor 600 testet einmal pro Funken, um zu gewährleisten, dass das Signal immer aufrecht ist (i. e. dass die LAUFEN-Bedingung noch vorhanden ist). Nach Verifizierung des LAUFEN-Signals kehrt der Mikroprozessor 600 zum LADE-Block 707 zurück, wo er den nächsten Funkenzyklus beginnt.
Wenn das LAUFEN-Signal nicht festgestellt wird, beendet der Mikroprozessor 600 die Funkenbildung und kehrt in die WARTEN AUF BEFEHL-Schleife 703 zurück, wo er die normalen Verbindungen wieder aufnimmt und auf einen Befehl wartet. Die Begründung für diesen extra Schritt bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das übliche Vorhandensein des starken elektrischen Rausches im Entladungsgerät dieses Typs. Die Übermittlung eines besonderen HALT-Befehles als ein kodiertes Signal könnte gestört werden, da es auftritt während das Gerät Funken bildet, wohingegen ein einfaches, aufrechterhaltenes (konstantes) Signal äußerst zuverlässig ist. Schließlich gestattet es, dass der Computer/das Terminal nach dem Laden der Parameter in den Mikroprozessorspeicher 651 getrennt wird und dass danach und ein einfacher Ein/Ausschalter verwendet werden kann, die Funkenbildung zu beginnen und zu beenden.
Der Fachmann kann erkennen, dass die Schaltkreise 2, 602 gemäß den 1 und 6 fähig sind, Funken mit praktisch jeglichem Energieniveau und jeglicher Fahnenform zu erzeugen. Die Schaltkreise 2, 602 sind daher besonders gut geeignet in einer Testausrüstung verwendet zu werden, die zur Bestimmung der optimalen Fahnenform und des optimalen Energieniveaus der Funken eingesetzt werden, die für eine besondere Anwendung gebildet werden. Der Fachmann wird weiters erkennen, dass bei der Herstellung von Zündgeräten, die nicht für die Verwendung als Testanordnungen geplant sind, dieses Niveau an Einstellbarkeit typischerweise weder notwendig noch erwünscht ist. In diesen Fällen können die Schaltkreise 2, 602 der 1 und 6 abgeändert werden, um konsistent Funken zu erzeugen, die eine spezielle Fahnenform und ein spezielles Energieniveau haben, um die verlässlichste Zündleistung für die besondere Anwendung zu haben, bei denen die Schaltkreise verwendet werden. Zusätzlich könnten die Schaltkreise 2, 602 in den 1 und 6 vereinfacht werden, um nur die Schaltung zu besitzen, die zur Erzeugung der gewünschten Funken benötigt werden. Ein Beispiel eines derartigen Schaltkreises 802 ist in 8 gezeigt und wird nur im Detail beschrieben. Der Fachmann kann erkennen, dass die Schaltkreise 2, 602 der 1 und 6 und der Schaltkreis 802 der 8 und andere Schaltkreise, die gemäß der Erfindung hergestellt sind, die in der angeschlossenen Ansprüchen definiert ist, alle unter den Umfang und den Geist der Erfindung fallen.
Flugzeugturbinenzündung ist ein Beispiel einer Anwendung, wo der volle Umfang der Präzision und Flexibilität, die durch andere Ausführungsbeispiele, wie sie in den 1 und 6 dargelegt sind, nicht notwendig ist. Tatsächlich sind andere Umwelt- und Systembeschränkungen wichtigere Auflagen für die endgültige Form eines Produktionsgerätes für die besondere Anwendung.
8 zeigt ein Flugzeugturbinenzündsystem, das gemäß den Lehren zur vorliegenden Erfindung hergestellt ist, um Funken zu erzeugen mit insgesamt 7 Joule gespeicherter Energie bei einer Funkenrate von zwei Funken pro Sekunde. Das Gerät besitzt nur zwei Stufen 840a, 840b die ausgelegt sind Ausgangsimpulse mit jeweils zwei bzw. fünf Joule Energie zu erzeugen. Obwohl das Hinzufügen von mehr Stufen zusätzliche Funkenformung gewährleisten würde, die Beschränkung des Geräts 802 auf zwei Stufen in diesem Zusammenhang bevorzugt, da das Gerät hohe Verlässlichkeit, kleine Abmessung und ökonomische Wirkungsweisen durch Minimalisieren der Komplexität des Schaltkreises erzielt. In diesem Falle ist die 2 : 5 Energieaufteilung gewählt, da sie innerhalb der oberen (fünf Joule) Begrenzung für die besondere Einrichtung liegt, die für den gesteuerten Schalter 832b gewählt ist. Das Funkenzeitglied oder der Impulsgenerator 825 gibt Signale an den LADE-Eingang 820 des Ladeschaltkreises 809 mit einer zwei Hertz Rate ab, um zwei Funken pro Sekunde zu erzeugen.
Um eine geringere Belastungsumgebung für die Zündkerze 850 zu schaffen, besitzt der Schaltkreis 802 der 8 eine vereinfachte Logikschaltung 849, die eine Triggersignalverbindung 841a über einen Treiberanschluss 881 unmittelbar nach Empfang des FIRE-Signals aktiviert. Dies zündet die zwei Joule (kleinere) Stufe 840a, um das Plasma zu bilden und die Abgabe der Energie an die Kerze 805 zu beginnen. Die Logikschaltung 849 besitzt weiters Zeitverzögerungsschaltungen 803, die die Aktivierung des Triggersignals 841b (über den Treiberanschluss 882) um eine vorbestimmte Zeitlänge verzögern, um eine zeitverzögerte Abgabe der Hauptenergie der fünf Joule-Stufe 840b hervorzurufen. Diese Anordnung begrenzt die Energieabgabe an die Zündkerze 850 während der anfänglichen plasmaformenden Entladung, wodurch die Belastung und die Bogen induzierte Erosion an den Elektroden der Kerze 850 durch das Funkenereignis verringert und infolgedessen die Lebensdauer der Zündkerze 850 vergrößert.
Bei dieser Anwendung wird der Wert der festen Verzögerung gewählt um die 5 Joule-Stufe zu zünden, wenn der Ausgangsstrom der 2-Joule Stufe bis zu einer Schwelle von ungefähr 20% seines Spitzenwertes abgenommen hat. Diese Wahl ist jedoch in hohem Maße von der besonderen Anwendung abhängig. Andere Verzögerungen und/oder andere Schwellen können bei anderen Anwendungen bevorzugt werden. Die erneute Zunahme von Energie, wenn die 5-Joule-Stufe zündet, vergrößert und verlängert die Fahnenform in Richtung weg von der Spitzenfläche der Zündkerze, sodass diese weiter in die zündbare Mischung reichen kann und die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Zündereignisses vergrößert wird. Gleichzeitig verlängert die verzögerte Zunahme von Energie die Zeitdauer der Funkenfahne.
Der Fachmann kann erkennen, dass an Stelle der Verwendung des simplen oben beschriebenen Verzögerungskreises/Zeitgliedes die erwünschte Zeitverzögerung erreicht werden kann, indem geeignete Abfühl- und Rückmeldungs-Schaltungen gegeben sind um den Ausgangsstrom der Kerze 850 zu überwachen. Die Abfühl- und Rückmeldungs-Schaltung würden es der Logikschaltung gestatten zu bestimmen, wann der ursprüngliche Stromimpuls auf das erwähnte 20% Niveau fällt und somit wann es Zeit ist die zweite Stufe 840b zu zünden.
Wenn ein derartiger Versuch unternommen wird, kann die optimale Rückmeldungs-Schaltung einen Stromüberwacher 890 und einen Verstärker 891 besitzen, die zusammen eine Rückmeldung zur Logikschaltung 849 schaffen. Obwohl der Überwacher 890 als getrennte Vorrichtung in 8 wiedergegeben ist, kann der Fachmann erkennen, dass es vorteilhaft ist den optionalen Überwacher 890 auszubilden, indem eine extra Wicklung in die bestehenden Induktoren [836] der Ausgangsnetzwerke [837] eingebracht wird. Diese Maßnahme ist auch in den erwähnten Patenten '073 und '252 beschrieben.
Der Fachmann kann erkennen, dass jegliche geeignete Rückmeldungs-Schaltung und zwar bei jeder Ausführungsform der Erfindung, die hier dargelegt ist, verwendet werden kann um eine zusätzliche Steuerung der Ausgangswellenformen zu schaffen. So kann z. B. ein geeigneter Sensor 690 und Verstärker 691 der Ausführungsform der Erfindung, basierend auf einem Mikroprozessor wie in 6 dargestellt, hinzugefügt werden um sowohl den Ausgangsimpuls, der der Zündkerze 650 zugeführt wird zu überwachen als auch den Mikroprozessor 600 mit einem Rückmeldungssignal zu versehen und eine weitere Kontrolle der Wellenform und des Energieniveaus der Ausgangsimpulse zu schaffen, die durch das Gerät erzeugt werden, ohne den Umfang und den Geist der Erfindung zu verlassen. Zusätzlich kann der Fachmann erkennen, dass die Rückmeldungssignale, die vom Sensor 690 erzeugt werden, verwendet werden können, um eine diagnostische Information zu erhalten, wie sie von den vorher erwähnten Patenten '154 und '437 erwähnt werden. Man kann weiters erkennen, dass der Mikroprozessor 600 oder der andere logische Schaltkreis 649 angepasst werden können, um eine adaptive Steuerung zu ergeben, indem die Ausgangswellenform (einschließlich Ihres Energieniveaus) in der Abhängigkeit von der diagnostischen Information geändert wird; z. B. kann diese adaptive Steuerung verwendet werden, um die Spannung der Ausgangswellenform zu erhöhen und die Ionisation zu verbessern, wenn festgestellt worden ist, dass die funkenerzeugende Einrichtung fehlgeschlagen hat, einen Funken in der Abhängigkeit von einer früheren Ausgangswellenform zu erzeugen.
Gegebenenfalls können auch zusätzliche von dem Motor erhaltene Rückmeldungssignale als Eingaben in den Mikroprozessor 600 der 6 oder in die vereinfachten Logikschaltung 849 der 8 hinzugefügt werden. Ein Beispiel eines derartigen Signals und dessen vorhersehbare Verwendung ist in 8 dargestellt. In diesem Zusammenhang wird die Verbrennungstemperatur überwacht und verwendet, um die 5 Joule (verzögerte) Zündung zu verhindern, wenn die überwachte Temperatur ein vorbestimmtes Niveau überschreitet. Somit ist der Gesamtenergieausgang zur funkenerzeugenden Einrichtung auf nur 2 Joule beschränkt, um die auf die Zündkerze 650 aufgebrachte Beanspruchung zu begrenzen, wann immer die Verbrennungsmaschine heiß genug ist, mit der geringeren Energie (2 Joule) Funken zu zünden oder wieder zu zünden.
Eine andere alternative Ausführungsform der Erfindung ist allgemein in 9 dargestellt. Dieser Multi-Ausgangszündkreis 902 ist ausgelegt ein hohe Funkenrate zu erzeugen, um wahlweise die Ausgangsimpulse abzugeben oder zu verteilen an eine Vielzahl funkenerzeugender Einrichtungen [950] wie Zündkerzen eines Automotors. Zu diesem Zwecke besitzt der Schaltkreis 902 der
9 zwei Ausgangsstufen [940], die nacheinander von der Logikschaltung 949 getriggert werden, um eine eng aufeinander folgende Sequenz, nicht überlappende Impulse zu erzeugen.
Obwohl die dargestellte Ausführungsform nur zwei Ausgangsstufen [940] verwendet, kann der Fachmann erkennen, dass wie bei allen anderen hier dargestellten Ausführungsformen der Mulit-Ausgangszündkreis 902 der 9 mit jeglicher Zahl von Ausgangsstufen [940] eingesetzt werden kann. Die Verwendung von mehreren Ausgangsstufen [940] verringert die thermischen und Spannungsbeanspruchungen jeder einzelnen Stufe indem eine Entspannungszeit für die gezündeten Stufen geschaffen wird, während die anderen Stufen an der Reihe sind Ausgangsimpulse abzugeben. Der Fachmann kann erkennen, dass bei Anwendungen, die eine hohes Funkerate benötigen, mehrere Ladeschaltkreise [909] verwendet werden können, um in Übereinstimmung mit der obigen Lehre, die erschöpften Stufen [940] wieder aufzuladen, während die Logikschaltung 949 die anderen Stufen [940] in zyklischer Weise zündet. Der Fachmann wird auch erkennen, dass diese Technik für hohe Funkenraten in gleicher Weise bei Einzelausgangsanwendungen verwendet werden kann, die eine einzelne Funkenerzeugungsvorrichtung verwenden, jedoch eine hohe Funkenrate benötigen, ohne sich vom Umfang und dem Geist der Erfindung zu entfernen. Unter diesen Umständen ist der Impulssteuerungskreis nicht notwendig und wird daher weggelassen.
Um die Ausgangsimpulse auf eine Vielzahl von funkenerzeugenden Einrichtungen [950] zu verteilen, besitzt die Schaltung 902 zusätzlich einen Impulssteuerungskreis 975, der Impulse von der Verbindung 939 empfängt und sie der Reihe nach zu jeder Zündkerze führt. Die Verteilung auf die und die Zündung der Zündkerzen muss mit dem Motorbetrieb synchronisiert werden, was durch ein oder mehrere am Eingang 977 empfangene Zeitsignale des Motors erreicht wird. Da die Funkenereignisse zu bestimmten Zeiten unter Kontrolle des Motors auftreten müssen, wird das gleiche Zeitsignal auch direkt mit dem LADE-Eingang 920 des Ladekreises 909 verbunden, der die Notwendigkeit für das Funkenzeitgerät 25, gemäß 1 beseitigt. Das FIRE-Signal 944, das auch der HALT-Eingang 922 für den Ladeschaltkreis 909 wird wie vorher durch den Komparator 952 erzeugt, der das Spannungssignal von Stufe 940a mit der HV-Referenz 954 vergleicht.
Der Fachmann wird erkennen, dass der Impulssteuerkreis 975 auf viele übliche Weisen verwirklicht werden kann, die im Stand der Technik bekannt sind ohne vom Umfang oder dem Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. So kann z. B. der Impulssteuerkreis 975 ein mechanischer Verteiler sein, wie sie üblicherweise bei Automobilanwendung verwendet werden, oder es kann ein vollelektronisches Schaltnetz sein, das eine Gruppe von gesteuerten Schaltern aufweist, die im Wesentlichen wie jene sind, die in Verbindung mit den Ausgangsstufen [40] beschrieben wurden, die jedoch einzeln in gegenseitig ausschließender Weise getriggert werden. Alle diese Versuche werden gegenwärtig in gleicher Weise bevorzugt.
Der Fachmann wird erkennen, dass obwohl viele der Ausführungsformen wie sie hier dargestellt sind, Ausgangsstufen mit einer Geerdeten-Kondensator-Ausbildung verwenden eine Geerdeter-Schalter-Ausbildung, wo die Lagen des Kondensators und des gesteuerten Schalters umgedreht sind, ebenfalls verwendet werden kann, ohne vom Umfang der Ansprüche sich abzuweichen. In ähnlicher Weise wird der Fachmann erkennen, dass obwohl viele der hier wiedergegebenen Ausführungsformen Ausgangsstufen haben, die ausgebildet sind um Strom einer gegebenen Polarität zu entladen, die Ausgangsstufen ausgebildet werden könnten, dass Strom der entgegengesetzten Polarität hindurchgeführt wird, derart, dass der EntLadeschalt durch die funkenerzeugende Einrichtung in einer Richtung entgegengesetzt zum Stromfluß in 1 fließt, ohne den Umfang der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit gewissen Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es verständlich, dass dies in keiner Weise die Erfindung auf diese Ausführungsformen beschränken soll. Es ist im Gegenteil beabsichtigt alle Alternativen, Abänderungen und Äquivalente, die im Umfang der Erfindung wie sie in den angeschlossenen Ansprüchen definiert ist, einzuschließen.

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen von Funken an einer funkenerzeugenden Einrichtung (50; 250; 350; 450; 550; 650; 850; 950a–950e); dabei umfaßt die Vorrichtung in Kombination: mindestens zwei Ausgangsstufen (40a–40d; 240a–240d; 340a–340d; 440a–440c; 540a–540b; 640a–640d; 840a–840b; 940a–940b), welche mit der funkenerzeugenden Einrichtung verbunden sind, dabei umfaßt jede der Ausgangsstufen: (1) eine Energiespeichereinrichtung (30a–30d; 230a–230d; 430; 530a–530b; 630a–630d; 830a–830b) zum Speichern von Energie; (2) einen gesteuerten Schalter (32a–32d; 232a–232d; 432; 532a– 532b; 632a–632d; 832a) zum selektiven Entladen der Energiespeichereinrichtung; und (3) ein Netzwerk (37a–37d; 237a–237d; 337a –337d; 437a; 637a –637d; 837a–837b) zum Übertragen der von der Energiespeichereinrichtung entladenen Energie zu der funkenerzeugenden Einrichtung, Mittel (9, 31a–31d; 209a–209d; 609; 631a- 631d; 809, 831a –831b; 909; 109; 119, 131a–131d; 129) zum Laden der Energiespeichereinrichtungen und zum zumindest teilweisen Isolieren der Energiespeichereinrichtung jeder Ausgangsstufe von den Energiespeichereinrichtungen der anderen Ausgangsstufen; eine Logikschaltung (49, 243, 649, 849, 949), die mit den gesteuerten Schaltern der mindestens zwei Ausgangsstufen zum selektiven Triggern der Ausgangsstufen zum Übertragen ihrer gespeicherten Energie zu der funkenerzeugenden Einrichtung, um einen Funken zu erzeugen, verbunden ist; wobei jede der Energiespeichereinrichtungen mit der funkenerzeugenden Einrichtung verbunden ist, so dass die Entladung von Energie von der Energiespeichereinrichtung zu der funkenerzeugenden Einrichtung über den gesteuerten Schalter erfolgt; wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass das Netzwerk mindestens einer der Stufen Komponenten (34a–34d, 35a–35d; 234a–234d, 235a–235d; 300a–300d; 434; 599;534a– 534b; 836a) umfasst, welche einen Grad der Rückwärtsisolation bereitstellen, sodass die Entladung der Energiespeichereinrichtung der Stufe nicht unabsichtlich die Energiespeichereinrichtung einer anderen Stufe fehltriggert.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei das Netzwerk mindestens einer Stufe einen induktiven Widerstand (34a–34d; 234a–234d; 434; 599; 534a – 534b; 836a), welcher so verbunden ist, dass der Entladestrom auf seinem Weg zu der funkenerzeugenden Einrichtung durch den induktiven Widerstand tritt, und eine Diode (36a–36d; 236a– 236d), welche so verbunden ist, dass ein nominell unidirektionaler Entladestrom zu der funkenerzeugenden Einrichtung gewährleistet ist, umfaßt.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei das Netzwerk Komponenten (34a –34d; 234a–234d; 434; 599; 534a– 534b; 836a) umfaßt, welche die Kurvenform der Spannung und des Stroms, welche von jeder der Stufen zu der funkenerzeugenden Einrichtung geliefert werden, gestalten, um die Zündung zu verbessern und um den gesteuerten Schalter jeder Stufe durch Abhalten des von der Energiespeichereinrichtung der Stufe entladenen Stroms über einen ausreichend langen Zeitraum, damit der Schalter von einem nicht-leitenden Zustand in einen leitenden Zustand übergehen kann, zu schützen.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei die Energiespeichereinrichtung ein Kondensator ist.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei die Energiespeichereinrichtungen der mindestens zwei Ausgangsstufen verschiedene Kapazitäten aufweisen.
Die Vorrichtung von Anspruch 5, wobei die Kapazitäten der Energiespeichereinrichtungen binär gewichtet sind.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei die gesteuerten Schalter der Ausgangsstufen Festkörperschalter umfassen.
Die Vorrichtung von Anspruch 7, wobei die Festkörperschalter der Ausgangsstufen gesteuerte Siliziumgleichrichter umfassen.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei jede der mindestens zwei Ausgangsstufen ferner eine Triggerschaltung (33a–33d; 233a– 233d; 433; 633a–633d) umfasst, welche mit dem gesteuerten Schalter und mit der Logikschaltung verbunden ist, um den gesteuerten Schalter in Antwort auf ein Steuersignal von der Logikschaltung zu triggern.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, umfassend einen Induktor in jedem Netzwerk der mindestens zwei Ausgangsstufen, wobei der Induktor in dem Netzwerk der ersten Ausgangsstufe eine erste Wicklung eines Transformators umfasst und der Induktor in dem Netzwerk der zweiten Ausgangsstufe eine zweite Wicklung des Transformators umfasst, wobei die zweite Wicklung mit der ersten Wicklung des Transformators magnetisch gekoppelt ist, um darin eine hohe Spannung zu induzieren, wenn die zweite Ausgangsstufe getriggert wird.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei mindestens eines der Netzwerke der mindestens zwei Ausgangsstufen einen Induktor, welcher so verbunden ist, dass Strom zu der funkenerzeugenden Einrichtung hin und von dieser weg fließen kann, und eine Diode, welche parallel mit dem gesteuerten Schalter gekoppelt ist, um das Fließen von Rückwärtsstrom während der bipolaren Entladung zu ermöglichen, umfasst.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, welche ferner einen Widerstand (35a– 35d; 235a – 235d) und einen Induktor (34a–34d; 234a–234d; 434, 599, 534a–534b; 836a) in jedem Netzwerk der mindestens zwei Ausgangsstufen umfasst und wobei der Induktor und der Widerstand jedes Netzwerks einen Tiefpaßfilter bilden, um zu verhindern, dass nicht getriggerte Ausgangsstufen der mindestens zwei Ausgangsstufen durch das Entladen einer der anderen Ausgangsstufen fehlgetriggert werden.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei jedes der Netzwerke der mindestens zwei Ausgangsstufen eine Diode umfasst, um jede der mindestens zwei Ausgangsstufen von den anderen Ausgangsstufen zumindest teilweise zu isolieren.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei das Lade- und Isoliermittel eine Ladeschaltung (9; 609; 809; 119; 129) und mindestens zwei isolierende Dioden (31a–31d, 631a -631d; 831a–831d; 131a–131d) umfasst, wobei jede der isolierenden Dioden mit einer der mindestens zwei Ausgangsstufen assoziiert ist. 15: Die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei die Logikschaltung einen Zeitgeber zum Verzögern der Entladung von mindestens einer der Ausgangsstufen relativ zu den anderen Ausgangsstufen umfasst.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei die Logikschaltung eine Trigger-Logikschaltung (43; 243) und eine Energie/Verzögerungs-Matrix (45; 245) umfasst, wobei die Energie/Verzögerungs-Matrix Informationen enthält, die angeben, welche der Ausgangsstufen gezündet werden sollen.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei die Logikschaltung eine Trigger-Logikschaltung (43; 243) und eine Energie/Verzögerungs-Matrix (45; 245) umfasst, wobei die Energie/Verzögerungs-Matrix Informationen enthält, die angeben, dass mindestens eine der Ausgangsstufen zu einem späteren Zeitpunkt als die anderen Ausgangsstufen gezündet werden sollte.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei die Logikschaltung einen Mikroprozessor (600) zum Steuern des Triggers der mindestens zwei Ausgangsstufen umfasst.
Die Vorrichtung von Anspruch 18, wobei die Logikschaltung ferner einen mit dem Mikroprozessor assoziierten Speicher (651) zum Speichern von Daten, die angeben, welche der mindestens zwei Ausgangsstufen gezündet werden sollte(n), umfasst.
Die Vorrichtung von Anspruch 18, wobei die Logikschaltung ferner einen mit dem Mikroprozessor assoziierten Speicher zum Speichern von Daten, die angeben, dass mindestens eine der Ausgangsstufen zu einem späteren Zeitpunkt als die anderen Ausgangsstufen gezündet werden sollte, umfasst.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei die Netzwerke mit einem gemeinsamen Ausgang, der mit der funkenerzeugenden Einrichtung verbunden ist, gekoppelt sind, und eine Rückkopplungsschaltung mit der Logikschaltung und mit dem gemeinsamen Ausgang gekoppelt ist, um die Logikschaltung zu befähigen, die Energie, welche zu der funkenerzeugenden Einrichtung übertragen wird, zu überwachen.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, welche ferner mindestens eine zweite funkenerzeugenden Einrichtung (950b–950d) und eine Steuerungsschaltung (975) umfasst, welche mit den Netzwerken der mindestens zwei Ausgangsstufen gekoppelt ist, um die von den Ausgangsstufen übertragene gespeicherte Energie selektiv zu einer der funkenerzeugenden Einrichtungen zu lenken.
Die Vorrichtung von Anspruch 22, wobei die Steuerungsschaltung die gespeicherte Energie sequenziell zu jeder der funkenerzeugenden Einrichtungen lenkt.
Die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei die funkenerzeugende Einrichtung mit einem Motor assoziiert ist, wobei der Motor Sensoren umfasst, welche mit der Logikschaltung gekoppelt sind, um Rückkopplungssignale, welche mindestens einen Betriebszustand des Motors angeben, an die Logikschaltung zu liefern.
Verfahren zum Erzeugen von Funken an einer funkenerzeugenden Einrichtung (50; 250; 350; 450; 550; 650; 850; 950a–950e), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: das Laden mindestens zweier Energiespeichereinrichtungen (30a– 30d; 230a–230d; 430, 530a–530b; 630a– 630d; 830a–830b) auf vorher bestimmte Energieniveaus; das zumindest teilweise Isolieren einer der Energiespeichereinrichtungen von der anderen Energiespeichereinrichtung während des Ladens; das Entladen jeder der Energiespeichereinrichtungen in die funkenerzeugende Einrichtung über einen gesteuerten Schalter durch separate Ausgangsgangsnetzwerke (37a–37d; 237a–237d; 337a–337d; 437a; 637a–637d; 837a–837b) zum Erzeugen eines Funkens, wobei die von jeder der Energiespeichereinrichtungen entladene Energie über den gesteuerten Schalter durch das assoziierte Netzwerk fließt, welches wiederum die Energie zu der funkenerzeugenden Einrichtung liefert, um einen Funken zu erzeugen; wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch den Schritt des Bereitstellens eines Grades der Rückwärtsisolation in den Ausgangsnetzwerken, damit die Entladung einer Energiespeichereinrichtung nicht unabsichtlich eine andere Energiespeichereinrichtung fehltriggert.
Das Verfahren von Anspruch 25, welches ferner die Schritte umfasst: das Entladen der in einer ersten Energiespeichereinrichtung gespeicherten Energie zu der funkenerzeugenden Einrichtung zu einem ersten Zeitpunkt; und das Entladen der in einer zweiten Energiespeichereinrichtung gespeicherten Energie zu der funkenerzeugenden Einrichtung zu einem zweiten Zeitpunkt, sodass die von der zweiten Energiespeichereinrichtung entladene Energie zeitlich zumindest teilweise die von der ersten Energiespeichereinrichtung entladene Energie überlappt.
Das Verfahren von Anspruch 26, wobei die erste und die zweite Energiespeichereinrichtung auf eine erste bzw. zweite jeweils vorher bestimmte Spannung geladen werden und wobei die erste und die zweite vorher bestimmte Spannung im Wesentlichen gleich sind.
Das Verfahren von Anspruch 26, wobei die erste und die zweite Energiespeichereinrichtung auf eine erste bzw. zweite jeweils vorher bestimmte Spannung geladen werden und wobei die erste und die zweite vorher bestimmte Spannung verschieden sind.
Das Verfahren von Anspruch 26, wobei die erste Energiespeichereinrichtung eine erste Kapazität aufweist und die zweite Energiespeichereinrichtung eine zweite Kapazität aufweist, wobei die erste Kapazität im Wesentlichen gleich der zweiten Kapazität ist.
Das Verfahren von Anspruch 26, wobei die erste Energiespeichereinrichtung eine erste Kapazität aufweist und die zweite Energiespeichereinrichtung eine zweite Kapazität aufweist, wobei die erste Kapazität von der zweiten Kapazität verschieden ist.
Das Verfahren von Anspruch 26, wobei der erste und der zweite Zeitpunkt im Wesentlichen dieselben sind.
Das Verfahren von Anspruch 26, wobei der von der ersten Energiespeichereinrichtung entladene Energieimpuls vollständig mit dem von der zweiten Energiespeichereinrichtung entladenen Energieimpuls überlappt.
Das Verfahren von Anspruch 26, wobei der erste Zeitpunkt später als der zweite Zeitpunkt eintritt.