WO1992007188A1 - Hochspannungsschalter - Google Patents

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WO1992007188A1
WO1992007188A1 PCT/DE1991/000711 DE9100711W WO9207188A1 WO 1992007188 A1 WO1992007188 A1 WO 1992007188A1 DE 9100711 W DE9100711 W DE 9100711W WO 9207188 A1 WO9207188 A1 WO 9207188A1
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voltage
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Manfred Vogel
Werner Herden
Johann Konrad
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Robert Bosch Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P7/00—Arrangements of distributors, circuit-makers or -breakers, e.g. of distributor and circuit-breaker combinations or pick-up devices
    • F02P7/02—Arrangements of distributors, circuit-makers or -breakers, e.g. of distributor and circuit-breaker combinations or pick-up devices of distributors
    • F02P7/03—Arrangements of distributors, circuit-makers or -breakers, e.g. of distributor and circuit-breaker combinations or pick-up devices of distributors with electrical means
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/78—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used using opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
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    • F02P7/035—Arrangements of distributors, circuit-makers or -breakers, e.g. of distributor and circuit-breaker combinations or pick-up devices of distributors with electrical means without mechanical switching means

Definitions

  • the invention relates to a high voltage switch according to the preamble of the main claim.
  • a high-voltage switch is already known from EP 0 377 619, which takes over the function of an ignition voltage distributor when the high-voltage distribution is at rest.
  • This high-voltage switch consists of semiconductor elements that have light-sensitive zones. The light-sensitive zones can be controlled by light-emitting elements so that, for. B. switch through the ignition sequence accordingly.
  • LEDs arranged opposite the light-sensitive zones of the high-voltage switch.
  • the disadvantage here is that some of the light energy is lost to the environment, which affects the functional reliability of the high-voltage switch.
  • the arrangement according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that the light energy through a light-concentrating formation of the transition between light emitting element and light-sensitive zone of the high-voltage switch passed on with little loss and the functional reliability is improved.
  • the glazing of the high-voltage switch and a corresponding design of the light-emitting element for focusing the light can already be included in the focusing of the light energy.
  • Another option is to install the high-voltage switch in a reflector trough or to transmit the light energy to the high-voltage switch using mirrored light guide pieces.
  • the light guide can be arranged along this high-voltage switch and is specially designed with notches or knobs on the light-sensitive areas.
  • FIG. 1 shows an ignition circuit with a high-voltage switch
  • FIG. 2a in cross-section
  • FIG. 2b in front view the transition point of the optical fiber-high-voltage switch with an additional lens
  • FIG. 3 shows a cross-section through the high-voltage switch with inclusion of the glazing in the focusing of the light, a reflector trough
  • Figure 5 with laser-treated glazing
  • Figure 6 advantageous embodiments of a light guide with a thin insulation layer in the longitudinal or cross-section a) with notches, b) with knobs and c) with flattening
  • Figure 7 shows an embodiment with a light guide.
  • a battery voltage UB is connected to a primary winding 1 of an ignition coil 2, a switching transistor 3 being interposed.
  • the switching transistor 3 is continuously operated by a controller via its base connection to generate a secondary-side high voltage on the ignition coil.
  • a secondary winding 5 of the ignition coil 2 is grounded on the one hand and is connected to the spark plugs 10 to 13 on the other hand in each case via a high-voltage switch 6 to 9.
  • the high-voltage switches 6 to 9 are used as toggle diodes in a cascade connection, a cascade consisting of 30 to 50 chips, so that approx. 40 KV blocking voltage is guaranteed, at their light-sensitive areas by a light-emitting source 14 to 17 (e.g.
  • FIGS. 2 to 6 show possibilities for designing the transition from the light-emitting element to the light-sensitive zone of the high-voltage switch to be light-igniting, in order to ensure that as little light energy as possible is lost.
  • FIG. 2a The cross section of a high-voltage switch 18, a glass rod 19 and an optical fiber 20 can be seen in FIG. 2a.
  • the glass rod 19 has a lenticular effect due to the different refractive indices of air and glass and due to its round cross section and bundles the light rays of the LED 14 in such a way that as much energy as possible hits the high-voltage switch 18.
  • Figure 2b shows the same embodiment in front view.
  • FIG. 3 also shows a cross section through the high-voltage switch 18 and the associated light guide 20, but here no glass rod is used for focusing the light, but the thick glazing 21 is used to focus the light energy.
  • the polygonal high-voltage switch 18 is arranged in such a way that the largest possible circumferential surface of the high-voltage switch is irradiated with light energy.
  • FIG. 4 shows the cross section of the high-voltage switch with associated light guide 20, the high-voltage switch 18 being arranged in a reflector trough 22. This configuration enables a high effectiveness of the transmission of the light energy to the light-sensitive zones of the high-voltage switch 18, since no light energy is lost due to the reflection.
  • FIG. 5 shows a high-voltage switch 18 with thick glazing 21, the surface of the glazing being treated with a laser in such a way that small elevations 23, which have a lens effect, arise.
  • 6a to c show that, in the case of a thin transparent insulation layer 24 on the high-voltage switch 18, the light guide 20 can also be appropriately designed for a low-loss transition of the light energy.
  • the light guide 20 is arranged lengthwise at the high-voltage switch and is mirrored at its end 25, ie no light energy can escape at the end of the light guide 20.
  • FIG. 6a shows a light guide which has notches 26, the notches covering only part of the high-voltage switch 8 and being arranged at the distance which corresponds to the distance between the light-sensitive zones on the high-voltage switch.
  • FIG. 6b shows an optical waveguide with knobs 27 formed, the spacing of the knobs 27 corresponding to the spacing of the light-sensitive zones.
  • the high-voltage switch 18 at its light-sensitive zones, that is to say the pn junctions, in such a way, for example, by indentations that the light switch 20 and the high-voltage switch can be assigned to one another with as little space as possible.
  • the possible flattening of the light guide 20 shown in FIG. 6c on the side of the high-voltage switch 18 with which it rests on the high-voltage switch 18 should also be mentioned.
  • a light guide piece 28 has a round cross section on one side around the light-emitting element or the end of a light guide 20 to record and is adapted on the other side to the shape of the high-voltage switch, for example by means of a rectangular or linear exit surface.
  • the outer surface of this light guide piece 28 can be white or mirrored, so that almost complete transmission of the light energy to the light-sensitive zones is ensured by reflection on the outer surface.
  • an optical fiber 20 according to FIG. 8 can be fanned out from many individual optical fibers 30 in such a way that one optical fiber each can be assigned to a light-sensitive zone of the high-voltage switch 18, i.e. the originally round cross section of the optical fiber 20 becomes linear or stretched rectangular.
  • these optical fibers 30 can each be led into a notch 29 on the light-sensitive zones of the cooking voltage switch, so that the transition from the end of an optical fiber 30 at a pn junction is as favorable as possible.

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Abstract

Es wird ein Hochspannungsschalter (18) mit lichtempfindlichen Zonen vorgeschlagen, der die Hochspannung an die Zündkerzen weiterleitet. Um die Lichtenergie vom lichtemittierenden Element (20) an die lichtempfindlichen Zonen des Hochspannungsschalters (18) möglichst verlustarm weiterzuleiten, wird eine lichtbündelnde Ausbildung des Übergangs (21) lichtemittierendes Element - lichtempfindliche Zone vorgeschlagen.

Description

Hochspannungsschalter
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einen Hochspannungsschalter nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist aus der EP 0 377 619 bereits ein Hochspannungsschalter bekannt, der die Funktion eines Zündspannungsverteilers bei ruhender Hochspannungsverteilung übernimmt. Dieser Hochspannungsschalter besteht aus Halbleiterelementen, die lichtempfindliche Zonen aufweisen. Die lichtempfindlichen Zonen können von lichtemittierenden Elementen so angesteuert werden, daß sie zu einem vorgegebenen Zeitpunkt z . B. der Zündfolge entsprechend durchschalten. Bei den bekannten Anordnungen sind Lichtleiter oder
Leuchtdioden den lichtempfindlichen Zonen des Hochspannungsschalters gegenüber angeordnet. Nachteilig ist hierbei, daß ein Teil der Lichtenergie an die Umgebung verlorengeht, wodurch die Funktionssicherheit des Hochspannungsschalters beeinträchtigt wird.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hautpanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Lichtenergie durch eine lichtbündelnde Ausbildung des Übergangs zwischen licht emittierenden Element und lichtempfindliche Zone des Hochspannungsschalters verlustarm weitergegeben und die Funktionssicherheit verbessert wird.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Hochspannungsschalters möglich.
Besonders vorteilhaft ist es zwischen dem lichtemittierenden Element und den lichtempfindlichen Zonen des Hochspannungsschalters ein Bauelement mit Linsenwirkung zur Bündelung der Lichts anzubringen. Weiterhin kann in die Fokussierung der Lichtenergie bereits die Verglasung des Hochspannungsschalter sowie eine entsprechende Ausbildung des lichtemittierenden Elementes zur Lichtbündelung einbezogen werden. Eine weitere Möglichkeit ist es, den Hochspannungsschalter in einer Reflektorwanne einzubringen oder die Lichtenergie mittels verspiegelten Lichtleitstücken an den Hochspannungsschalter weiterzuleiten. Letztendlich sei noch erwähnt, daß bei einer dünnen durchsichtigen Isolierschicht am Hochspannungsschalter der Lichtleiter längs diesem Hochspannungsschalter angeordnet werden kann und an den lichtempfindlichen Bereichen speziell mit Kerben oder Noppen ausgebildet ist. Als zusätzlicher Vorteil sei noch darauf hingewiesen, daß es auch ausreichend ist, nur einen Teil des Hochspannungsschalters mit Licht zu bestrahlen, dadurch wird nur ein Teil der Dioden durchgeschaltet und die restlichen werden beim Erreichen einer bestimmten Spannung durchgeschalten, so daß ein Aufsteilerungseffekt erhalten bleibt.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine Zündschaltung mit Hochspannungsschalter , Figur 2a im Querschnitt und Figur 2b in Vorderansicht die Übergangsstelle Lichtleiter-Hochspannungsschalter mit zusätzlicher Linse, Figur 3 einen Querschnitt durch den Hochspannungsschalter mit Einbeziehung der Verglasung in die Fokussierung des Lichts, Figur 4 Querschnitt eines Hochspannungsschalters in einer Reflektorwanne, Figur 5 mit Laser behandelte Verglasung, Figur 6 vorteilhafte Ausbildungen eines Lichtleiters bei dünner Isolationsschicht im Längs- beziehungsweise Querschnitt a) mit Kerben, b) mit Noppen und c) mit Abflachung und Figur 7 zeigt eine Ausführung mit einem Lichtleitstück.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist eine Schaltungsanordnung zur Verteilung der Zündspannung angegeben. Eine Batteriesannung UB liegt an einer Primärwicklung 1 einer Zündspule 2, wobei ein Schalttransistor 3 zwischengeschaltet ist. Der Schalttransistor 3 wird von einer Steuerung über seinen Basisanschluß zur Erzeugung einer sekundärseitigen Hochspannung an der Zündspule kontinuierlich betätigt. Eine Sekundärwicklung 5 der Zündspule 2 liegt einerseits an Masse und ist andererseits jeweils über einen Hochspannungsschalter 6 bis 9 mit den Zündkerzen 10 bis 13 verbunden. Die Hochspannungsschalter 6 bis 9 werden als Kippdioden in Kaskadenschaltung, wobei eine Kaskade aus 30 bis 50 Chips besteht, so daß ca. 40 KV Sperrspannung gewährleistet sind, an ihren lichtempfindlichen Bereichen von je einer lichtemittierenden Quelle 14 bis 17 (z. B. Leuchtdioden) entsprechend der Zündfolge angesteuert und geben so die Zündspannung an die Zündkerzen weiter. Die Figuren 2 bis 6 zeigen Möglichkeiten den Übergang vom lichtemittierenden Element zur lichtempfindlichen Zone des Hochspannungsschalter lichtzündelnd auszugestalten, um zu gewährleisten, daß möglichst wenig Lichtenergie verlorengeht.
In Figur 2a ist der Querschnitt eines Hochspannungsschalters 18, eines Glasstabes 19 und eines Lichtleiters 20 zu sehen. Der Glasstab 19 hat durch die unterschiedlichen Brechungsindexe von Luft und Glas und durch seinen runden Querschnitt eine linsenförmige Wirkung und bündelt die Lichtstrahlen der LED 14 in der Art, daß möglichst viel Energie auf den Hochspannungsschalter 18 auftrifft. Figur 2b zeigt dieselbe Ausführung in der Vorderansicht.
Figur 3 zeigt ebenfalls einen Querschnitt durch den Hochspannungsschalter 18 und den zugehörigen Lichtleiter 20, allerdings ist hier kein Glasstab zur Lichtbündelung eingesetzt, sondern die dicke Verglasung 21 wird zur Fokussierung der Lichtenergie genutzt. Gleichzeitig wird der mehreckige Hochspannungsschalter 18 so angeordnet, daß eine möglichst große Umfangsfläche des Hochspannungsschalters mit Lichtenergie bestrahlt wird.
Figur 4 zeigt den Querschnitt des Hochspannungsschalters mit zugehörigen Lichtleiter 20, wobei der Hochspannungsschalter 18 in einer Reflektorwanne 22 angeordnet ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine hohe Effektivtät der Weiterleitung der Lichtenergie an die lichtempfindlichen Zonen des Hochspannungsschalters 18, da durch die Reflexion keine Lichtenergie verlorengeht.
Figur 5 zeigt einen Hochspannungsschalter 18 mit einer dicken Verglasung 21, wobei die Oberfläche der Verglasung mit Laser so behandelt wurde, daß kleine Erhebungen 23, die eine Linsenwirkung haben, entstehen. In Figur 6a bis c ist gezeigt, daß bei einer dünnen durchsichtigen Isolationsschicht 24 am Hochspannungsschalter 18 auch der Lichtleiter 20 für einen möglichst verlustarmen Übergang der Lichtenergie entsprechend ausgebildet werden kann. Der Lichtleiter 20 wird hierbei in allen Fällen längs an den Hochspannungsschalter angeordnet und ist an seinem Ende 25 verspiegelt, d. h. es kann keine Lichtenergie am Ende des Lichtleiters 20 austreten.
Figur 6a zeigt einen Lichtleiter, der Kerben 26 aufweist, wobei die Kerben nur einen Teil des Hochspannungsschalter 8 abdecken und in dem Abstand angeordnet sind, der dem Abstand der lichtempfindlichen Zonen auf dem Hochspannungsschalter entspricht. Figur 6b zeigt einen Lichtleiter mit ausgebildeten Noppen 27, wobei auch hier der Abstand der Noppen 27 im Abstand der lichtempfindlichen Zonen entspricht. Zusätzlich ist es möglich, den Hochspannungsschalter 18 an seinen lichtempfindlichen Zonen, das heißt den pn-Übergängen, so auszugestalten beispielsweise durch Einkerbungen, daß der Lichtschalter 20 und der Hochspannungsschalter möglichst ohne Zwischenraum einander zugeordnet werden können. Letztlich sei noch die in Figur 6c dargestellte mögliche Abflachung des Lichtleiters 20 an der Seite des Hochspannungsschalters 18 erwähnt, mit der er am Hochspannungsschalter 18 anliegt.
Alle in Figur 2 bis Figur 6 beschriebenen und gezeigten Übergänge vom lichtemittierenden Element zur lichtempfindlichen Zone am Hochspannungsschalter dienen dazu, die Lichtenergie mit möglichst wenig Verlusten an den Hochspannungsschalter weiter zu geben.
Eine weitere Möglichkeit zur Weiterleitung der Lichtenergie an die lichtempfindlichen Zonen des Hochspannungsschalters ist die Verwendung eines Lichtleitstücks 28 gemäß Figur 7. Dieses Lichtleitstück hat auf einer Seite einen runden Querschnitt, um das lichtemittierende Element beziehungsweise das Ende eines Lichtleiters 20 aufzunehmen und ist auf der anderen Seite der Form des Hochspannungsschalters angepaßt, beispielsweise durch eine rechteckige oder linienförmige Austrittsfläche. Zusätzlich kann die Mantelfläche dieses Lichtleitstücks 28 weiß oder verspiegelt ausgebildet sein, so daß durch Reflexion an der Manteloberfläche eine fast vollständige Weiterleitung der Lichtenergie an die lichtempfindlichen Zonen gewährleistet ist.
Letztlich sein noch darauf hingewiesen, daß ein Lichtleiter 20 gemäß Figur 8 aus vielen einzelnen Lichtleitfasern 30 so aufgefächert werden kann, daß je eine Lichtleitfaser einer lichtempfindlichen Zone des Hochspannungsschalters 18 zugeordnet werden kann, das heißt, der ursprünglich runde Querschnitt des Lichtleiters 20 wird linienförmig beziehungsweise reckteckig gestreckt.
Diese Lichtleitfasern 30 können gemäß Figur 8 jeweils in eine Einkerbung 29 an den lichtempfindlichen Zonen des Kochspannungsschaltes geführt werden, so daß ein möglichst günstiger Übergang vom Ende einer Lichtleitfaser 30 an einem pn-Übergang entsteht.

Claims

Ansprüche
1. Hochspannungsschalter, insbesondere als Zündspannungsverteiler für die Zündspannung einer Brennkraftmaschine bestehend aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterelementen, insbesondere Kippdioden in Kaskadenschaltung mit einem lichtdurchlässigen
Isolator überzogen, die bei einer vorwählbaren oder vorgegebenen Spannung schlagartig in den leitenden Zustand übergehen, in der Art, daß bei Bestrahlung der lichtempfindlichen Zonen der Halberleiterelemente durch ein lichtemittierendes Element der Hochspannungsschalter die Hochspannung durchschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des lichtemittierenden Elementes (14 bis 17; 20) durch eine lichtbündelnde Ausbildung des Übergangs vom lichtemittierenden Element (14 bis 17; 20) zur lichtempfindlichen Zone des Hochspannungsschalters (6 bis 9) die Lichtenergie verlustarm an die lichtempfindlichen Zonen des Hochspannungsschalters (6 bis 9) weitergegeben wird.
2. Hochspannungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem lichtemittierenden Element (20) und dem Hochspannungsschalter (18) mindestens ein Bauelement (19) mit Linsenwirkung zur Bündelung des Lichts angebracht ist.
3. Hochspannungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine dicke runde Verglasung (21) des Hochspannungsschalters (18) eine Fokussierung der Lichtenergie erfolgt und zusätzlich der im Querschnitt mehreckige Hochspannungsschalter (18) zum lichtemittierenden Element (20) derart senkrecht angeordnet ist, daß durch die Lichtbrechung an der Verglasung (21) eine möglichst große Umfangsfläche des Hochspannungsschalters (18) mit Lichtenergie bestrahlt wird.
4. Hochspannungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsschalter (18) in einer Reflektorwanne (22) angebracht ist.
5. Hochspannungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sein durchsichtiger Isolator mittels Laser derart behandelt ist, daß in der Verglasung kleine Erhebungen (22) mit Linsenwirkung entstehen.
6. Hochspannungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine punktuelle Bestrahlung der lichtempfindlichen Zonen der Hochspannungsschalter (18) mit einer dünnen durchsichtigen Isolierschicht (24) überzogen ist.
7. Hochspannungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an seinen lichtempfindlichen Bereichen längs seines Hochspannungsanschlusses ein Lichtleiter (20) angeordnet ist, wobei der Lichtleiter (20) an seinem Ende (25) verspiegelt ist und in Höhe der lichtempfindlichen Bereiche des Hochspannungsschalters mit Kerben (26) oder Noppen (27) ausgebildet ist.
8. Hochspannungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an seinen lichtempfindlichen Bereichen ein Lichtleiter längs seines Hochspannungsanschlusses ein Lichtleiter (20) angeordnet und an seiner am Hochspannungsschalter (18) anliegenden Seite abgeflacht ist.
9. Hochspannungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem lichtemittierenden Element (20) und dem Hochspannungsschalter (18) ein Lichtleitstück (28) mit einer vorzugsweise weißen oder verspiegelten Mantelfläche angebracht ist.
10. Hochspannungsschalter nach Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet, daß sich das Licht in den Lichtleitstücken (28) durch Totalreflexion an den Mantelflächen ausbreitet.
11. Hochspannungschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtleitstück (28) aus vielen einzelnen Lichtleitfasern gebildet wird.
12. Hochspannungsschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtleitstück (28) am Eingang eine kreisförmigen und am Ausgang einen rechteckigen oder linienförmigen Querschnitt aufweist.
13. Hochspannungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine linsenförmig ausgebildete Austrittsfläche am lichtemittierenden Element (20) eine Lichtbündelung erfolgt.
14. Hochspannungsschalter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil der lichtempfindlichen Zonen des Hochspannunsschalters (18) beleuchtet wird und die restlichen Kippdioden bei Erreichen der so herabgesetzten Durchbruchspannung durchschalten.
15. Hochspannungsschalter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Zonen des Hochspannungsschalters mit Einkerbungen (29) versehen sind.
16. Hochspannungsschalter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in jede Einkerbung an der lichtempfindlichen Zone des Hochspannungsschalters (18) eine Lichtleitfaser (30) des Lichtleiters geführt ist.
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