KR950000222B1 - 배전기 없는 점화 시스템 코일내 전류 흐름을 조절하기 위한 회로 및 방법 - Google Patents

배전기 없는 점화 시스템 코일내 전류 흐름을 조절하기 위한 회로 및 방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

배전기 없는 점화 시스템 코일내 전류 흐름을 조절하기 위한 회로 및 방법
제 1 도는 본 발명의 일실시예를 도시하는 회로도.
제 2 도는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하는 회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 전기점화 시스템 12 : 전압원
14 : 점화코일 16 : 스위칭 트랜지스터
18 : 제어회로 20 : 인덕터
22 : 2차권선 24, 28 : 기준 전위단자
26 : 전위장벽 30 : 입력선
32 : 전압이 제어된 전류원 34 : 연산 증폭기
36 : 비교기 38 : 출력선
40 : 입력선 42, 44 : 출력선
46 : 스위칭 논리 R1, R2 : 저항
C : 콘덴서 SW1, SW2, SW3 : 스위치
VREF: 기준 전압
본 발명은 인덕터의 충전과 방전을 제어하기 위한 회로에 관한 것으로서, 더 구체적으로는, 배전기 없는 점화 시스템에서 1차 코일 권선의 동작을 조절하는 것에 관한 것이다.
수년 동안 자동차에 사용된 점화 시스템은 스파크 플러그를 점화할 전류 펄스를 순서적으로 전송하기 위하여 배전기라고 알려진 전기-기계식 접촉 브레이커를 사용하였다. 훨씬 최근에 와서, 이러한 시스템은 배전기를 제거한 전자점화 시스템으로 대치되었다. 이 소위 "배전기 없는 점화 시스템"(DIS)은 전자적 스위칭과 전류 펄스의 동작에 의지한다.
전형적인 DIS시스템은 점화 코일의 1차 권선(인덕터)을 다링톤(Darlington) 트랜지스터 같은 고이득 트랜지스터와 직렬로 배치한다. 제어 회로가 트랜지스터의 제어 전극에 연결되어 필요할 때 그것을 '온'이나 '오프'로 전환시킨다. 1차 권선이 에너지를 저장하는 휴지 기간 동안, 트랜지스터가 '온'되어 전류를 트랜지스터와 1차 권선을 통하여 흐르게 한다. 전류 흐름이 원하는 값에 이르게 되면, 제어 회로는 트랜지스터의 제어 전극에 공급된 제어 전류를 조절함으로써 전류 흐름을 유지한다. 휴지 기간의 끝, 즉 스파크 플러그가 전류 펄스를 요구할 때, 제어 회로는 트랜지스터를 '오프'로 차단하고 있는 트랜지스터의 제어 전극으로부터 분리된다. 트랜지스터를 통한 전류 흐름의 이 갑작스러운 멈춤은 스파크를 위한 에너지를 공급하는 점화 코일의 2차 권선내 전도성 고전압 서어지를 일으킨다.
이전 DIS시스템에 관련된 두가지 문제는 점화 코일의 1차 권선내 전류 오버슛과 주파수 불안정이다. 전류 오버슛은 휴지 기간동안 트랜지스터를 지나치게 전환함으로써(트랜지스터를 포화상태가 되게 함으로써)초래된다. 1차 권선내 전류 흐름이 원하는 값에 도달할 때, 제어 회로가 전형적으로 트랜지스터의 제어 전극으로의 전류를 감소시킬지라도, 트랜지스터는 포화상태동안 기생 콘덴서를 발현시킨다. 이 콘덴서는 이 시간동안 흐뜨러져야 하는 비교적 큰 용량의 전하를 증강시킬 수 있다. 이러한 흩어짐은 트랜지스터가 조절을 위해 참조된 것보다 높은 전도성을 유지하게 할 수 있다. 이것은 그 원하는 값은 넘는 전류 흐름을 초래한다. 다링톤 트랜지스터를 사용하여 그 흐름을 막아 과전류를 감소시킴으로써, 역전압이 코일의 제 1 권선에 나타나 제 2 권선에 서어지를 일으키고 스파크의 이른 연소를 초래할 수 있다. 오버슛 전류는 또한 제어회로가 전류 흐름을 조절하려할 때 1차 권선에 진동이 발생되는 주파수 불안정에도 기여한다. 불안정은 저이득제어기를 사용함으로써 어느 정도 개량될 수 있다. 그러나, 저이득 전류는 코일 전류에 원하지 않는 고오프셋을 발생할 수 있다.
오버슛을 해결하는 한 방법은 고정 이득 트랜지스터를 사용하는 것이다. 전류원이 확실히 제어되는 한, 오버슛이 발생하지 않게 되는데, 그 이유는 인덕터 전류가 원하는 값에 도달할 때 트랜지스터 제어기가 일정한 전류를 유지하기 때문이다. 그러나, 온도, 전원 변동, 및 인덕터에 있어서의 변동에 대해 안정한 고정 이득 트랜지스터를 이루는 것은 큰 생산량에 대해서 비실용적이다. 오버슛을 피하는 또 다른 방법은 트랜지스터 제어기에 의해 구동된 전류를 트랜지스터 이득에 조정함으로써 개별 DIS시스템을 주문받아 만드는 것이다. 고정 이득 트랜지스터를 사용하는 한, 이 해결책은 비싸질 수 있다.
그러므로 본 발명의 목적은 직렬로 연결된 인덕터와 트랜지스터를 통하여 전류 흐름을 조절하기 위한 새롭고 개량된 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 그런 인덕터의 방전과 충전을 제어하기 위한 새롭고 개량된 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 형상은 직렬로 연결된 인덕터와 트랜지스터를 통하여 전류 흐름을 조절하기 위한 제어회로이다. 회로는 전류 흐름에 비례한 제 1 전압을 받아들이고, 변동 가능한 제 2 전압을 받아들이며 트랜지스터를 그 포화 영역 밖에 유지하는 제어 전류를 트랜지스터로 공급하는 연산 증폭기를 포함한다.
그러나 본 발명의 또 다른 형상은 전압원과 기준 전위 단자 사이에서 트랜지스터에 직렬로 연결된 인덕터의 충전과 방전을 제어하기 위한 방식이다. 인덕터를 통하여 전류 흐름에 비례하는 제 1 전압이 감지되며, 변동 가능한 제 2 전압이 발생된다. 제1 및 제 2 전압이 비교되고, 제 1 및 제 2 전압의 차이에 비례하는 제어전류가 트랜지스터의 제어 전극에 공급된다. 제어 전류는 트랜지스터를 그 포화 영역 밖에 유지할 정도로 작다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
제 1 도는 전기 점화시스템(10)을 도시한다. 시스템(10)은 전압원(12)과, 점화코일(14), 스위칭 트랜지스터(16), 저항(R1) 및 제어회로(18)를 포함한다. 전압원(12)(VBAT)은 참조 실시예에서 약 15볼트의 전압을 공급하도록 되어 있는 이상적인 전지이다. 점화코일(14)은 일차권선이나 2차권선(22)에 결합된 인덕터(20)를 포함한다. 2차권선(22)은 전위장벽(26)을 통하여 기준 전위 단자(24)에 연결되는데, 이 전위 장벽(26)은 스파크 플러그 간극이다. 참조실시예에 사용된 트랜지스터(16)는 달링톤 트랜지스터(Darlington transistor)이다. 달링톤 트랜지스터는 공통 콜렉터와 제 2 트랜지스터 베이스에 연결된 제 1 트랜지스터의 에미터를 지니는 두 개의 트랜지스터로 형성된 매우 높은 이득이 장치이다. 트랜지스터(16)는 콜렉터(c) 에미터(e) 및 제어 전극 또는 베이스(6)를 갖는다. 트랜지스터(16)는 전압원(12)과 기준 전위 단자(28)(접지)사이에 직렬로 연결되며, 인덕터(20)에 연결된 콜렉터(c)와 저항(R1)을 통해 단자(28)에 연결된 에미터(e)를 가지고 있다. 트랜지스터(16)의 베이스(b) 또한 이후 좀 더 상세히 설명되듯이 제어회로(18)에 연결된다.
제어회로(18)는 베이스(b)에 가해진 전류를 변화시킴으로써 인덕터(20) 트랜지스터(16)을 통하여 전류흐름을 조절한다. 전류(18)는 저항(R2)위의 전압을 감지하기 위해 저항(R2)에 연결된 입력선(30) 형태의 감지기를 포함한다. 이 전압은 인덕터(20)와 트랜지스터(16)를 통하여 흐르는 전류에 비례하는데, 그 이유는 저항들(R1, R2)이 병렬로 연결되어 있기 때문이다. 저항(R2)은 저항(R1)보다 훨씬 크며, 전형적으로 각각 1000오옴(ohms)과, 0.05오옴의 값을 지닌다.
제어 회로(18)는 또한 전압이 제어된 전류원(32)과 연산 증폭기(34), 비교기(36), 콘덴서(C) 및 스위치들(SW1, SW2, SW3)을 포함한다. 비교기(36)는 입력선(30)에 연결되고, 그 (-)입력단에서 입력선(30)이 보낸 전압을 받아들인다. 비교기(36)는 그(+)입력단에서 기준 전압(VREF)을 받아들인다. 비교기(36)는 스위치(SW2)에 연결된 그 출력선(38)상에 하이 또는 로우 신호를 발생한다. 스위치(SW2)는 이후 좀 더 상세히 설명되듯이 전압이 제어된 전류원(32)을 콘덴서(C)에 연결하기 위하여 비교기(36)으로부터의 출력신호에 응답한다.
전압이 제어된 전류원(32)은 전압(VBAT)을 받아들이기 위하여 전압원(12)에 연결된 입력선(40)과, 전압(VBAT)의 함수값이 전류를 제공하는 출력선(42)을 가지고 있다. 전류원(32)은 스위치(SW2)를 통하여 연산증폭기(34)의 (+)입력단에 연결된다. 콘덴서(C)와 스위치(SW3)는 병렬로 연산 증폭기(34)의 (+)입력단과 기준 전위 단자(28) 사이에 연결되는데, 참조 실시예에서 이 단자는 접지이다. 스위치(SW3)는 폐쇄되면 콘덴서(C)를 방전한다. 연산증폭기 (34)도 또한 입력선 (30)에 연결되며 그 (+) 입력란에서 입력선(30)의 전압을 받아들인다. 연산증폭기(34)는 그 (+), (-)입력단에 나타나는 전압을 비교하고, 이들 전압차에 비례한 출력 전류를 그 출력선(44)에 공급한다. 이 출력 전류는 스위치(SW1)에 의해 연결될 때 트랜지스터(16)의 베이스(b)에 공급된다. 스위칭 논리(46)는 선들(a, b)을 사용하여 각각 스위치들(SW3, SW1)에 디지털 온/오프 신호를 공급한다. 공급원 신호들은 배전기가 없는 점화 시스템의 동작에 관련되며 통상적인 방법으로 발생된다. 이들 신호들의 타이밍을 아래에 설명한다.
전기 점화 시스템(10)의 동작은 4개의 상태 또는 동작 영역으로 분할 될 수 있다. 첫 번째 영역은 "휴지"상태이다. 스위치(SW3)는 폐쇄되고 스위치(SW1)는 개방된다. 스위치(SW1)가 개방되어 있으므로, 트랜지스터(16)의 베이스(6)로 전류가 제공되지 않으며, 이상적으로 인덕터(20)를 통하여 전류가 흐르지 않게 된다. 저항(R2)에 전압이 발생하지 않게 되고, 비교기(36)의 출력이 '하이'가 되어 스위치(SW2)를 폐쇄하게 된다. 그러나, 스위치(SW3)가 폐쇄되어 있으므로 콘덴서(C)에 전하가 발생하지 않는다.
두 번째 영역은 "전하 증가"상태이다. 스위치(SW1)는 신호를 수신하여 폐쇄되고, 스위치(SW3)는 신호를 수신하여 개방된다. 스위치(SW3)가 개방되면, 콘덴서(C)에 전하가 증강되기 시작한다. 연산 증폭기(34)는 트랜지스터(16)를 유도되기 시작하게 하는 작은 출력 전류를 트랜지스터(16)의 베이스에 공급하기 시작한다. 전류가 인덕터(20)를 통하여 흐르고, 트랜지스터(16)가 저항(R2)에 전압을 발생한다. 이 전압은 비교기(36)와 연산 증폭기(34)에 공급된다. 저항(R2)의 크기는 전하 증가 상태동안 선(30) 위의 전압이 VREF보다 작게 되도록 정해진다. 그러므로 비교기(36)는 '하이'출력 신호를 계속해서 공급하여 스위치(SW2)를 폐쇄상태로 유지한다. 본 발명의 중요한 특징은 콘덴서(C)가 처음엔 방전 상태에서 전하 증가 상태로 전화한다는 것이다.
스위치(SW3)가 개방되면, 콘덴서(C)의 전압은 순간적으로 변하지 않고 전류원(32)으로부터의 전류에 응답하여 점차적으로 증강한다. 그러므로 연산 증폭기(34)의 출력 전류는 처음엔 작으며, 이에 의하여 트랜지스터(16)가 포화상태로 되는 것이 방지된다. 콘덴서(C)의 전압이 증강됨에 따라, 연산증폭기(34)의 출력 전압이 증가히게 되고, 이는 인덕터(20)를 통한 전류 흐름을 증가시킨다. 그러나, 증폭기(34)의 출력 전류가 과도하게 증가하지 않는데, 그 이유는 저항(R2)으로부터 발생된 (-)입력 전압이 또한 전류 흐름과 함께 증가하기 때문이다. 더욱이, 콘덴서(C)의 특성은 그것이 점차적으로 충전되어 연산 증폭기(34)의 출력전류가, 트랜지스터(16)를 그 포화 영역이 되게 하는 값을 초과하는 것을 방지한다는 데에 있다. 트랜지스터(10)를 그 포화 영역 밖에 유지함으로써, 그리고 그 저항 영역 내에서만 동작하게 함으로써 인덕터(20)를 통한 전류 흐름을 조절할 수 있다.
더 자세히 스파크 플러그를 너무 일찍 정화되게 하는 전류 오버슛과 발진같은 문제가 피해진다. 콘덴서(C)가 아닌 장치들, 즉 전압이 제어된 전류원(32)과 스위치들(SW2, SW3)이 같은 결과를 이룰 수 있다.
예를들면, 다음의 동작 특성을 지니는 클럭처리된 디지털 회로망과 아날로그/디지탈 변환기가 사용될 수 있다. 즉, (1) 만일 스위칭 논리(46)선 "a"위 신호가 작동되면, 신(60)에 공급된 A/D변환기의 출력은 "0"이다. (2) 만일 스위칭 논리(46)선 "a"위 신호가 작동치 않고, 선(38)위 신호가 작동하면, 선(60)에 공급된 전압이 시간기능과 VBAT기능을 하게 된다. (3) 만일 스위칭 논리(46)선 "a"위 신호가 작동치 않고, 선(38)위 신호가 작동치 않으면, 선(60)에 공급된 전압은 이전 상태에 근거한 정수값이다.
제 3 영역은 "조절"상태이다. 스위치(SW1)는 계속 폐쇄되고 스위치(SW3)는 개방상태가 유지된다. 저항(R2)의 크기는 원하는 전류 흐름이 인덕터(20)내에 달성될 때 저항(R2)에 발생된 전압이 VBAT보다 약간 크게 되도록 정해진다. 그러므로 비교기(36)는 스위치(SW2)를 개방할 "로우"출력신호를 발생하게 되며, 그에 의해 콘덴서(C)가 더 이상 충전되는 것을 금지한다. 연산 증폭기(34)는 트랜지스터(16) 위 베이스 바이어스를 유지하게 되어 인덕터(20)내 전류를 유지한다. 만일 콘덴서(C) 위 전하가 연산 증폭기(34)로부터의 출력 전류를 감소하고 인덕터(20)내 전류 흐름을 감소시키도록 누출되어야 한다면, 그 결과로서 생기는 저항(R2) 전압의 강하가 비교기(36)의 출력을 움직여 다시 스위치(SW2)를 폐쇄한다. 이는 전자 점화 시스템(10)을 전하 증가상태로 되돌아 가게한다.
네 번째 영역은 "스파크 플러그 연소"상태이다. 스위칭 로직(46)으로부터의 신호에 응답하여 스위치(SW1)가 재빨리 개방되므로, 트랜지스터(16)를 차단한다. 트랜지스터(16)를 통한 전류 흐름에 있어서의 이 갑작스런 멈춤은 점화 코일(14)의 2차 권선(22)에 전도성 고전압 서어지를 일으킨다. 스위치(SW1)가 개방되면, 스위치(SW3)가 폐쇄되어 콘덴서(C)를 방전시킨다. 저항(R2)을 통한 전류의 중지는 "비교기(36)로부터의 고출력 신호를 일으키며, 이에 의해 스위치(SW2)가 폐쇄된다. 이것은 전자 점화 시스템(10)을 첫 번째 영역으로 되돌아가게 한다.
제 2 도는 본 발명의 다른 실시예를 보여 준다. 전자 점화 시스템(10)은 전압이 제어된 전류원(32)이 저항(50)으로 대체되었다는 것을 제외하고는 제 1 도에 보여진 것과 비슷하다. 시스템(10)의 동작은 제 1 도 실시예에 대해 상기에 기술한 것과 비슷하다. 선(60)의 전압은 VBAT의 값이 5볼트에서 30볼트로 변화하는 동안 0과 0.5볼트 사이의 값을 유지한다. 저항(50)은 전압이 제어된 전류원(32)에 근사한데, 그 이유는 저항을 통하여 흐르는 전류가 저항을 가로지르는 전압에 비례하기 때문이다.
제 1 도와 제 2 도의 참조실시예에서, 콘덴서(C)와 저항(R)을 제외한 제어 회로내에 보여진 요소들은 집적회로로 형성된다. 콘덴서(C)와 저항(R2)은 다른 적용에 사용될 수 있도록 크기 변화를 가능하게 하기 위하여 집적 회로에 외부적으로 연결된다.

Claims (7)

  1. 직렬로 연결된 인덕터와 트랜지스터를 통하여 전류 흐름을 조절하기 위한 제어 회로로서, 상기 전류 흐름에 비례하는 제 1 전압을 받아들이고, 가변 제 2 전압을 받아들이며, 상기 트랜지스터를 그 포화 영역 밖에 유지하는 제어 전류를 그 트랜지스터에 공급하기 위한 연산 증폭기를 포함하는 제어 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연산 증폭기가 상기 제 1 및 제 2 전압을 각각 받아들이기 위한 제1 및 제2 입력단들을 지니고, 상기 제어회로는 상기 제 2 입력 단과 기준 전위 단자 사이에 연결된 콘덴서와, 스위치에 의해 상기 제 2 입력단에 연결된 전류원을 더 포함하는 제어 회로.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 트랜지스터와 기준 전위 단자 사이에 연결된 저항을 더 포함하고, 상기 제 1 입력단이 상기 저항에 연결되는 제어 회로.
  4. 전압원과 기준 전위 단자 사이에서 트랜지스터에 직렬로 연결된 인덕터의 충전과 방전을 제어하기 위한 방법으로서, 상기 인덕터를 통한 전류 흐름에 비례하는 제 1 전압을 감지하는 단계 ; 가변 제 2 전압을 발생시키는 단계 ; 상기 제 1 전압과 제 2 전압을 비교하는 단계 ; 상기 트랜지스터를 포화 영역 밖에 유지하기 위하여 상기 제 1 전압과 제 2 전압의 차에 비례하는 제어 전류를 상기 트랜지스터의 제어 전극에 공급하는 단계들을 포함하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 가변 제 2 전압 발생 단계가 전류원으로부터 콘덴서를 충전하는 것을 포함하고, 상기 제 2 전압이 상기 콘덴서에 발현되는, 상기 인덕터의 충전과 방전을 제어하기 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 전압을 기준 전압에 비교하고 이에 응답하는 신호를 공급하는 단계와, 상기 신호에 응답하여 상기 전류원을 상기 콘덴서에 선택적으로 연결하거나 분리함으로써 상기 전류 흐름을 조절하는 단계를 더 포함하는, 상기 인덕터의 충전과 방전을 제어하기 위한 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 제 2 코일을 상기 인덕터에 결합하고, 상기 코일을 전위 장벽을 통해 기준 전위 단자에 연결하는 단계와, 상기 제어 전극으로부터 상기 제어 전류를 제거함으로써 상기 인덕터를 방전하고, 상기 콘덴서를 방전함에 의해 상기 전위 장벽을 가로질러 스파크를 유도하는 단계를 더 포함하는, 상기 인덕터의 충전과 방전을 제어하기 위한 방법.
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