DE19946994C2 - Verfahren und Zeitschaltung zur Erzeugung eines Schalt- oder Steuersignales - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Zeitschaltung zur Erzeugung eines Schalt- oder Steuersignales nach einer vorgebbaren Zeitspanne.

Zeitschaltungen zum Ausschalten eines Verbrauchers sind übli­ cherweise als sogenannte RC-Schaltungen mit einem RC-Glied, das als Zeitglied dient, aufgebaut.

Die DE 30 03 892 beschreibt eine Anordnung zur druckabhängi­ gen Verstellung von Betriebssteuergrößen, bei der ein Zeit­ glied durch eine Reihenschaltung einer Reaktanz und eines Wi­ derstandes gebildet ist.

In elektronischen Zündsystemen für Verbrennungsmotoren wird beispielsweise die Zündspule in einer Weise abgeschaltet, dass kein Zündfunke an der Zündkerze mehr entsteht, wenn die Ansteuerung fehlerhaft arbeitet. Die Abschaltung der Zündspu­ le kann zum Beispiel erfolgen, wenn eine maximale Temperatur im elektronischen Schalter überschritten wird, der die Zünd­ spule ein- und ausschaltet. Es ist jedoch vorteilhafter, die Zündspule eine vorgebbare Zeit nach dem Einschalten abzu­ schalten. Diese vorgebbare Zeitspanne ist größer gewählt als die Einschaltzeit der Zündspule bei störungsfreiem Betrieb. In einem elektronischen Zündsystem liegen die Einschalt- und Abschaltzeiten in einem Bereich von ungefähr 10 ms bis 50 ms.

Zur Abschaltung der Zündspule ist eine Zeitschaltung geeig­ net. Es kann hierfür beispielsweise eine RC-Schaltung einge­ setzt werden, die jedoch den Nachteil hat, dass der Kondensa­ tor nicht auf einem Chip integriert werden kann, sondern als externes Bauteil vorzusehen ist. Eine andere, integrierbare Lösung sieht den Einsatz eines Oszillators und mehrerer Binärteilerstufen vor. Diese Lösung hat zwar den Vorteil der Integrierbarkeit aller Bauteile, erfordert jedoch einen hohen Schaltungsaufwand.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Zeit­ schaltung zur Erzeugung eines Schalt- oder Steuersignales für einen steuerbaren Schalter nach einer vorgebbaren Zeitspanne, insbesondere zum Abschalten der Zündspule eines elektroni­ schen Zündsystemes, anzugeben, das ohne hohen Schaltungsauf­ wand integrierbar ist.

Vorrichtungsmäßig wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass in einem Stromkreis eine Spannungsquelle, ein steuerbarer Schalter, eine Induktivität sowie ein Stromschwellwertdetektor mit einem Steuerausgang liegen, wobei ein Spannnungsschwellwertdetektor die Spannung über dem Schalter erfasst und mit dem Stromschwellwertdetek­ tor an eine Logikschaltung angeschlossen ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren löst diese Aufgabe gemäß An­ spruch 5 dadurch, dass zu Beginn der Zeitmessung eine Span­ nung an eine Induktivität gelegt wird und dass eine Logik­ schaltung, die an den steuerbaren Schalter angeschlossen ist, einen durch die Induktivität fließenden Strom und den Span­ nungsabfall über dem Schalter verknüpft und das Schalt- oder Steuersignal erzeugt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Induktivität als Zeitglied vorgesehen. Der Anstieg des Stromes durch die In­ duktivität wird von einem Stromschwellwertdetektor erfasst, der bei Überschreiten eines einstellbaren und vorgebbaren Schwellwertes ein Schalt- oder Steuersignal abgibt, das zum Beispiel einen Verbraucher ein- oder ausschalten kann. Beson­ ders vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren bei einem elektronischen Zündsystem eines Verbrennungsmotors einsetzen, weil die ohnehin vorhandene Zündspule als Zeit­ glied dienen kann.

Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah­ rens sieht vor, den Strom durch die Induktivität mittels ei­ nes Messwiderstandes zu erfassen, an dessen Anschlüssen ein Spannungsschwellwertdetektor angeschlossen ist.

Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah­ rens sieht vor, dass der Spannungsabfall und der Stromanstieg an der Induktivität gemessen und in einer logischen Schal­ tungsanordnung miteinander logisch verknüpft werden. Die lo­ gische Schaltungsanordnung erzeugt das Schalt- oder Steuer­ signal.

Ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah­ rens wird bei einem elektronischen Zündsystem eines Verbren­ nungsmotors eingesetzt. Der bereits erwähnte Stromschwell­ wertdetektor oder Spannungsschwellwertdetektor oder die logi­ sche Schaltungsanordnung steuern den elektronischen Schalter des elektronischen Zündsystems an, der die Zündspule ein- und ausschaltet. Nach der vorgegebenen Zeitspanne gibt der Strom­ schwellwertdetektor, der Spannungsschwellwertdetektor oder die logische Schaltungsanordnung ein Schaltsignal zum Ab­ schalten der Zündspule ab.

Ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah­ rens sieht bei Einsatz in einem elektronischen Zündsystem für einen Verbrennungsmotor vor, dass bei einem Kurzschluss an der Zündspule der Strom durch die Zündspule abgeschaltet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Zeit­ schaltung werden nun anhand der in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Zeitschaltung beschrieben und erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge­ mäßen Zeitschaltung,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsge­ mäßen Zeitschaltung und

Fig. 3 ein drittes in einem elektronischen Zündsystem für einen Verbrennungsmotor eingebautes Ausführungsbei­ spiel einer erfindungsgemäßen Zeitschaltung.

Es wird nun das in der Fig. 1 abgebildete erste Ausführungs­ beispiel einer erfindungsgemäßen Zeitschaltung beschrieben und erläutert.

In einem Stromkreis liegen eine Spannungsquelle U, ein steu­ erbarer Schalter S, eine Induktivität L und ein Stromschwell­ wertdetektor ID mit einem Steuerausgang.

Durch Schließen des steuerbaren Schalters S, der beispiels­ weise von einer Steuerschaltung betätigt werden kann, wird die Zeitschaltung eingeschaltet. Wenn der Strom I durch die Induktivität L einen vorgebbaren und einstellbaren Schwell­ wert überschreitet, gibt der Stromschwellwertdetektor ID an seinem Ausgang ein Schalt- oder Steuersignal ab, das zum Bei­ spiel zum Steuern oder Ein- und Ausschalten eines Verbrau­ chers dienen kann.

Bei Einsatz dieses ersten Ausführungsbeispieles einer erfin­ dungsgemäßen Zeitschaltung in einem elektronischen Zündsystem für einen Verbrennungsmotor ist der Steuerausgang des Strom­ schwellwertdetektors ID mit dem Steuereingang des steuerbaren Schalters S verbunden, der die Induktivität L - die Zündspule - ein- und ausschaltet.

Es wird nun das in der Fig. 2 gezeigte zweite Ausführungsbei­ spiel einer erfindungsgemäßen Zeitschaltung beschrieben und erläutert.

Beim zweiten in der Fig. 2 abgebildeten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zeitschaltung ist der Aufbau des Stromschwellwertdetektors ID gezeigt. Im Stromkreis liegen die Spannungsquelle U, der steuerbare Schalter S, die Induktivität L und ein Messwiderstand R, an dessen Anschlüssen ein Spannungsschwellwertdetektor UD1 angeschlossen ist. Der Mess­ widerstand R und der Spannungsschwellwertdetektor UD1 bilden den Stromschwellwertdetektor ID.

Auch das zweite Ausführungsbeispiel lässt sich in einem elek­ tronischen Zündsystem einsetzen. Der Steuerausgang des Span­ nungsschwellwertdetektors UD1 ist mit dem Steuereingang des steuerbaren Schalters S verbunden, der die Zündspule L ein- und ausschaltet.

Es wird nun das in der Fig. 3 abgebildete und in einem elek­ tronischen Zündsystem eingebaute dritte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zeitschaltung beschrieben und erläu­ tert.

In der Fig. 3 ist der eine Anschluss der Primärwicklung PW der Zündspule L mit dem einen Pol der Spannungsquelle U - der Fahrzeugbatterie - und dem ersten Eingang eines Spannungs­ schwellwertdetektors UD2 verbunden. Der zweite Anschluss der Primärwicklung PW der Zündspule L ist an den zweiten Eingang des Spannungsschwellwertdetektors UD2 und an den Kollektor eines Feldeffekttransistors T angeschlossen, der den steuer­ baren Schalter S darstellt. Der erste Emitter des Feldeffekt­ transistors T ist über den Messwiderstand R mit seiner Gate- Elektrode, mit dem ersten Ausgang A1 einer logischen Schal­ tung LS, mit dem dritten Eingang des zweiten Spannungs­ schwellwertdetektors UD2 und mit dem anderen Pol der Span­ nungsquelle U verbunden. Der eine Anschluss des Messwider­ standes R ist mit dem ersten Eingang eines Spannungsschwell­ wertdetektors UD1 und der andere Anschluss des Messwiderstan­ des R mit dem zweiten Eingang des Spannungsschwellwertdetek­ tors UD1 verbunden, dessen Ausgang mit dem ersten Eingang der logischen Schaltung LS verbunden ist. Der Ausgang des Span­ nungsschwellwertdetektors UD2 ist mit dem zweiten Eingang der logischen Schaltung LS verbunden, deren zweiter Ausgang A2 an die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors T angeschlossen ist. Parallel zum ersten Emitter des Feldeffekttransistors T und zum Messwiderstand R liegt ein zweiter Emitter des Fel­ deffekttransistors T. Parallel zur Gate-Elektrode und zum Emitter des Feldeffekttransistors T ist eine Zenerdiode Z ge­ schaltet.

Vorzugsweise wird für den Feldeffekttransistor T ein soge­ nannter Insulated Gate Bipolar Transistor eingesetzt.

Es wird nun die Funktion des in der Fig. 3 abgebildeten drit­ ten Ausführungsbeispieles der Erfindung erläutert.

Der Strom durch die Primärwicklung PW der Zündspule L wird mittels des Feldeffekttransistors T zyklisch an- und abge­ schaltet, um bei den an die Sekundärwicklung SW der Zündspule L angeschlossenen Zündkerzen im richtigen Augenblick einen Zündfunken zu erzeugen. Bei leitendem Feldeffekttransistor T steigt der Strom I durch die Primärspule PW der Zündspule L linear an. Erfindungsgemäß dient der lineare Anstieg des Stromes I zur Zeitmessung.

Bei störungsfreiem Betrieb wird der Feldeffekttransistor T zyklisch ein- und ausgeschaltet, damit die Zündspule im rich­ tigen Augenblick die für die Zündkerzen erforderliche Zünd­ spannung liefert. Wenn nun aufgrund einer Störung zum Zünd­ zeitpunkt kein Zündfunke erzeugt wird, steigt der Strom I durch die Primärwicklung PW der Zündspule L weiter linear an. Um eine Zerstörung der Zündspule durch zu hohen Strom zu ver­ hindern, wird der Feldeffekttransistor T von der logischen Schaltung LS so langsam vom leitenden Zustand in den nicht leitenden Zustand gesteuert, dass der Differentialquotient dI/dt des durch die Primärwicklung PW der Zündspule L flie­ ßenden Stromes so klein bleibt, dass die an der Sekundärwick­ lung SW der Zündspule L induzierte Zündspannung nicht mehr ausreicht, um einen Zündfunken an den Zündkerzen zu erzeugen. Dadurch werden Zündfunken außerhalb der Zündzeitpunkte ver­ mieden.

Mittels des Spannungsschwellwertdetektors UD1 wird der Span­ nungsabfall am Messwiderstand R erfasst, der proportional zum durch die Primärwicklung PW der Zündspule L fließenden Strom I ist. Mittels des Spannungsschwellwertdetektors UD2 wird der Spannungsabfall über der Kollektor-Emitter-Strecke des Fel­ deffekttransistors T erfasst. Der im Spannungsschwellwertde­ tektor UD1 eingestellte Schwellwert ist größer gewählt als der Wert des Spannungsabfalls am Messwiderstand R zum Zünd­ zeitpunkt. Bei störungsfreiem Betrieb wird der im Spannungs­ schwellwertdetektor UD1 eingestellte Wert deshalb nie er­ reicht. Dagegen steigt der Strom I durch die Primärspule PW und somit der Spannungsabfall am Messwiderstand R bei einer Störung, das heißt, wenn der Feldeffekttransistor T zum Zünd­ zeitpunkt nicht ausgeschaltet wird, über den im Spannungs­ schwellwertdetektor UD1 eingestellten Schwellwert an. Gleich­ zeitig sinkt die Spannung über der Kollektor-Emitter-Strecke des Feldeffekttransistors T, die mittels des Spannungs­ schwellwertdetektors UD2 erfasst wird, unter die Kollektor- Emitter-Sättigungsspannung. Wenn sowohl die erste Bedingung, dass der Strom I durch die Primärwicklung PW der Zündspule L den vorgebbaren Schwellwert überschreitet, als auch die zwei­ te Bedingung, dass die Spannung über der Kollektor-Emitter- Strecke des Feldeffekttransistors T = oder der Kollektor- Emitter-Sättigungsspannung wird, gibt die logische Schaltung LS ein Steuersignal an die Gate-Elektrode des Feldeffekttran­ sistors T ab, das ihn so langsam vom leitenden in den nicht­ leitenden Zustand überführt, dass der Differentialquotient ID/dt des durch die Primärwicklung PW der Zündspule L flie­ ßenden Stromes I nicht mehr ausreicht, um an der Sekundär­ wicklung SW der Zündspule L eine Zündspannung mit einer zur Erzeugung eines Zündfunkens erforderlichen Höhe zu induzie­ ren.

Bei einem Kurzschluss an der Zündspule L liegt die Kollektor- Emitter-Spannung des Feldeffekttransistors T deutlich über der Sättigungsspannung, was vom Spannungsschwellwertdetektor UD2 detektiert wird. Bei deutlich über der Sättigungsspannung liegender Kollektor-Emitter-Spannung des Feldeffekttransi­ stors T gibt der Spannungsschwellwertdetektor UD2 ein Steuer­ signal an die logische Schaltung LS ab, die daraufhin den Feldeffekttransistor T sofort in den nichtleitenden Zustand steuert. Bei einem Kurzschluss an der Zündspule L kann der Strom durch die Primärwicklung PW der Zündspule L sofort ab­ geschaltet werden, weil in diesem Fall in der Sekundärwick­ lung SW der Zündspule L keine Spannung induziert wird und da­ her auch kein Zündfunke erzeugt werden kann.

Weil beim erfindungsgemäßen Verfahren und bei der erfindungs­ gemäßen Zeitschaltung eine Induktivität als Zeitglied vorge­ sehen ist, ist weder ein RC-Glied noch ein Oszillator mit an­ schließenden Binärteilerstufen erforderlich. Die Erfindung ist deshalb insbesondere für ein elektronisches Zündsystem geeignet, weil ein elektronisches Zündsystem ohnehin eine In­ duktivität - die Zündspule - enthält, die eine Doppelfunktion ausübt. Sie erzeugt die Zündspannung und dient gleichzeitig als Zeitglied. Die Erfindung ist besonders gut für Schal­ tungsanordnungen oder Systeme geeignet, in denen eine Induk­ tivität vorgesehen ist, die dann zusätzlich als Zeitglied ge­ nutzt werden kann.

Jedoch ist die Erfindung keineswegs auf derartige Schaltungen oder Systeme mit einer bereits vorhandenen Induktivität be­ schränkt. Sie kann überall dort vorteilhaft eingesetzt wer­ den, wo verhältnismäßig lange Zeiten zu messen sind. Falls in dem Anwendungsbereich nicht bereits eine Induktivität vorhan­ den ist, und als Zeitglied genutzt werden kann, ist eine In­ duktivität als Zeitglied vorzusehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Zündsystem sind lediglich zwei Spannungsschwellwertdetektoren und eine logische Schaltung erforderlich, die einen nur kleinen Aufwand darstellen und außerdem leicht auf einem Chip integrierbar sind.

Claims (14)

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Schalt- oder Steu­ ersignals, die folgende Merkmale aufweist:

• - einen Stromkreis, in dem eine Spannungsquelle (U), ein als Transistor ausgebildeter steuerbarer Schalter (T), eine In­ duktivität (L) sowie ein Stromschwellwertdetektor (UD1, R) mit einem Steuerausgang liegen,
• - ein Spannungsschwellwertdetektor (UD2), der an einen Kol­ lektor- und einen Emitteranschluss (T) des Transistors (T) angeschlossen ist,
• - eine Logikschaltung (LS) mit einem ersten und zweiten Ein­ gang und einem Ausgang (A2), wobei der Ausgang an eine Gate- Elektrode (G) des Transistors (T) angeschlossen ist, der ers­ te Eingang an den Steuerausgang des Stromschwellwertdetektors (UD1, R) angeschlossen ist und der zweite Eingang an einen Ausgang des Spannungsschwellwertdetektors (UD2) angeschlossen ist.

2. Zeitschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom­ schwellwertdetektor (ID) aus einem ersten Spannungsschwell­ wertdetektor (ID) mit einem Steuerausgang und einem dazu pa­ rallel geschalteten Messwiderstand (R) aufgebaut ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induk­ tivität (L) die Primärwicklung (PW) einer Zündspule eines e­ lektronischen Zündsystems eines Verbrennungsmotors ist und dass der Steuerausgang des Stromschwellwertdetektors (ID) mit dem Steuereingang des steuerbaren Schalters (S) verbunden ist.

4. Zeitschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induk­ tivität (L) die Primärwicklung (PW) einer Zündspule eines e­ lektronischen Zündsystems eines Verbrennungsmotors ist und dass der Steuerausgang des Spannungsschwellwertdetektors (UD1) mit dem Steuereingang des steuerbaren Schalters (S) verbunden ist.

5. Verfahren zur Erzeugung eines Schalt- oder Steuersignales für einen in Reihe zu einer Induktivität (L) geschalteten steuerbaren Schalter (T) nach einer vorgebbaren Zeitspanne, wobei zu Beginn der Zeitmessung eine Spannung (U) an eine In­ duktivität (L) gelegt wird und in einer Logikschaltung (LS), die an den steuerbaren Schalter angeschlossen ist, ein durch die Induktivität (L) fließender Strom und der Spannungsabfall über dem Schalter (T) miteinander verknüpft werden, wobei die Logikschaltung (LS) das Schalt- oder Steuersignal erzeugt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom (I) durch die Induktivität (L) durch einen Messwiderstand (R) fließt und dass der Spannungsabfall am Messwiderstand (R) von einem Spannungsschwellwertdetektor (UD1) gemessen wird, der als Maß für den Strom (I) durch die Induktivität (L) dient.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Induk­ tivität (L) die Zündspule eines Zündsystems eines Verbren­ nungsmotors ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kurzschluss an der Zündspule (L) der Strom durch die Zündspu­ le (L) abgeschaltet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom (I) durch die Zündspule (L) mit einem Differentialquotienten dI/dt abgeschaltet wird, der so klein gewählt ist, dass an den an die Zündspule (L) angeschlossenen Zündkerzen kein Zündfunke erzeugt wird.

10. Verfahren oder Zeitschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der steuer­ bare Schalter (S) ein Feldeffekttransistor (T) ist.

11. Verfahren oder Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Feld­ effekttransistor (T) ein Insulated Gate Bipolar Transistor ist.

12. Zeitschaltung nach einen der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Anschluss der Primärwicklung (PW) der Zündspule (L) mit dem einen Pol und mit dem ersten Eingang eines zweiten Spannungs­ schwellwertdetektors (UD2) verbunden ist, dass der zweite An­ schluss der Primärwicklung (PW) an den zweiten Eingang des zweiten Spannungsschwellwertdetektors (UD2) und an den Kol­ lektor eines Feldeffekttransistors (T) angeschlossen ist, dessen erster Emitter über den Messwiderstand (R) mit der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors (T), mit dem ersten Ausgang (A1) einer logischen Schaltungsanordnung (LS), mit dem dritten Eingang des zweiten Spannungsschwellwertdetektors (UD2) und mit dem anderen Pol der Spannungsquelle (U) verbun­ den ist, dass der eine Anschluss des Messwiderstandes (R) mit dem ersten Eingang des ersten Spannungsschwellwertdetektors (UD1) verbunden ist, dessen Ausgang mit dem ersten Eingang der logischen Schaltungsanordnung (LS) verbunden ist, und dass der Ausgang des zweiten Spannungsschwellwertdetektors (UD2) mit dem zweiten Eingang der logischen Schaltungsanordnung (LS) verbunden ist, deren zweiter Ausgang (A2) an die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors (T) angeschlossen ist.

13. Zeitschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum ersten Emitter und zum Messwiderstand (R) liegend ein zweiter Emitter des Feldeffekttransistors (T) vorgesehen ist.

14. Zeitschaltung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Gate-Elektrode und zum Emitter des Feldeffekttransistors (T) eine Zenerdiode (Z) liegt.