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Elektronische Zündanordnung mit induktiver Sntlad-lng für Verbrennungsmotoren.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Zündanordnung mit
induktiver Entladung für Verbrennungsmotoren, bei der die in einer Spule gespeicherte
elektromagnetische Energie synchron mit einer Audensteuerung in einen Sekundärkreis
übertragen wird.
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Das prinzipielle Schaltschema einer bekannten Zündanordnung mit induktiver
Entladung ist in Figur 1 dargestellt. Die Arbeitsweise dieser bekannten Anordnung
ist wi folgt. Während der gesamten Schließzeit der Kontakte F bleibt der Transistor
Cj 1 gesperrt und Q 2 gesättigt, weshalb in dem Primärteil der Spule T ein Strom
schießt, dessen qualitativer Verlauf in Abhangigkeit von der Zeit in Pigur 2 dargestellt
ist. Es ist ersichtlich, daß unter Vernachlässigung der Sättigungsapannung von Q
2 der sich ergebende Wert des Stromes IL im Primärteil der Spule durch Vbatt/R4
gegeben ist. Dieser Strom erzeugt in der Spule eine elektromagnetische Energie,
die bei Öffnung der Kontakte auf den Sekunda=eil übertragen wird und zur Erzeugung
eines Funkens an den Kerzen führt.
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Nachteile einer solchen Anordnung sind: ein beträchtlicher Energieverbrauch
bei der Stromversorgung und ein hoher Energieverlust an dem unerläßlichen Begrenzerwiderstand
4 mit daraus folgender geringer abgegebener Leistung des Systems; Abhangigkeit des
Stromwertes IL vom Eatteriespanntmgswert mit daraus folgender Schwankung der Entladungsenergie
und der Beanspruchung der Komponenten; ein Anstieg des Primärstromes gemäß der Zeitkonstante
L/R und ein daraus resultierendes schlechtes Verhalten bei hohen Drehzahlen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteilen möglichst weitgehend
entgegenzuwirken und insbesondere die aufgenommene Energie gering zu halten, den
Stromwert IL unabhängig vom Spannungswert der Batterie zu machen und konstante Leistungen
auch bei höheren Drehzahlen zu erhalten.
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Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strombegrenzung der Spule durch Unterbrechung
ihres Versorgungsstromkreises bewirkt wird.
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Außführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der beiliegenden
Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen: Fig.1 - die schon erörterte
bekannte elektronische Zündanordnung mit induktiver Entladung für Verbrennungsmotoren;
Fig. 2- den qualitativer Verlauf des Stromes IL bei der Anordnung von Fig.1; Fig.3
- eine erfindungsgemäße elektronische Zündanordnung mit induktiver Entladung für
Verbrennungsmotoren,
Sig.4 - den qualitativen Verlauf des Stromes
1 bei der Anordnung von Fig. 3; Fig.5 - eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem
anderen Schaltungsteil zum Unterbrechen und Umleiten des Primärspulenstroms; und
Fig.6 - ein detailliertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektronischen
Zündanordnung.
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In Figur 9 ist ein Teil der Schaltungsanordnung analog zu der bekannten
Anordnung ausgebildet. So erhält Q1 eine Spannung über den Spannungsteiler R1, R2,
an den die Kontakte des Unterbrechers F angeschlossen sind. Der Kollektor von w1
ist mit der basis von Q2 und mit der Stromversorgung über R3 verbunden. Die Kapazität
Cl ist wie bei der bekannten Anordnung mit dem Kollektor von Q2 und mit Masse verbunden
und hält die Beanspruchung des Transistors während seiner Sperrung möglichst gering.
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Der Kollektor von Q2 ist mit dem Primärteil der Spule T verbunden,
deren entgegengesetztes Ende sowohl mit der Stromversorgung über den Schalter S
als auch mit der Kathode der Diode Dl verbunden ist, deren Anode an Masse liegt.
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Ein Spannungsfühler K ist mit dem Primärteil der Spule und mit dem
Regler A verbunden, der das Öffnen und Schließen des Schalters S bei bestimmten
Stromwerten bewirkt.
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Bei der Öffnung der Unterbrecherkontakte und der dementsprechenden
Abgabe des Zündfunkens arbeitet die Anordnung vollständig analog zu der bekannten
Anordnung. Neu ist dagegen die Art der Speicherung und Aufrechterhaltung der elektromagnetischen
Energie in der Spule. In Fig. 4 wird davon ausgegangen, daß zum Zeitpunkt t=O der
Zündfunke beendet ist, das elektromagnetische Peld in der Spule gleich null ist
und
dementsprechend der Schalter S im geschlossenen Zustand ist
und daß die Kontakte sich schließen. Beim Schließen der Kontakte wird Q2 gesättigt,
und im Primärteil der Spule T fließt ein Strom mit ansteigendem linearen Verlauf,
wenn man die Ohm'schen Verluste in der Spule und in den Zulietungen vernachlässigt.
Nach Erreichen eines vorbestimmten Wertes 1Lmax öffnet der Stromfühler K über den
Regler A den Schalter S und löst so die Versorgungsleitung vom Primärteil der Spule
T.
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Der vom elektromagnetischen Feld der Spule aufrecht erhaltene Strom
fließt zunächst weiter über Q2, der noch gesättigt ist, und über die Diode D1. Aufgrund
der Verluste in diesem Stromkreis nimmt dann der Strom bis zu einem vorbestimmten
Wert ILmin ab. In diesem Zeitpunkt betätigt der Fühler K den Regler A, der den Schalter
S wieder schließt. Die Stromversorgung wird mit dem Primärteil der Spule wieder
verbunden, und der Strom steigt wieder mit dem in Figur 4 sichtbaren qualitativen
Verlauf an. Diese Arbeitsweise setzt sich so lange fort, bis sich die Unterbrecherkontakte
öffnen, worauf es zur Sperrung von Q2 sowie zu der für die Funkenentladung notwendigen
Überspannung kommt. Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß die Begrenzung des Stromes
durch Unterbrechung des Versorgungsstromkreises dazu führt, daß die Energieaufnahme
nach Erreichen des betriebsbereiten Zustandes nur in den begrenzten Zeitintervallen
des Schließens des Schalters S erfolgt. Diese Energieaufnahme ist gerade diejenige,
die notwendig ist, die Verluste im Schaltkreis im Zusammenhang mit der Energie umsetzung
auszugleichen. Bei den bekannten Anordnungen dagegen ist der konstante Energieverbrauch
beträchtlich höher und muß, abgesehen von den Schaltkreisverlusten bei der Energie
umsetzung, auch die Verluste an dem unvermeidlichen Begrenzerwiderstand ersetzen.
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Außerdem wird der vom Fühler K festgestellte und vom Regler A begrenzte
Strom fast unabhängig von der Versorgungsspannung, weshalb die für die Entladung
zur Verfügung stehende Energie konstant ist, abgesehen von einer Schwankung + A
I gemäß Fig. 4, die von den jeweiligen Eigenschaften des Schaltkreises abhängt.
Die Konstanz der aufgenommenen Energie erweist sich
insbesondere
als nützlich in den Pällen, wo die Batteriespannung relativ gering ist; es ist dann
ein Starten auch bei kritischen Zuständen, beispielsweise bei niedrigen Umgebungstemperaturen
möglich. Andererseits bedeutet ein Aufrechterhalten einer konstanten Energie bei
hohen Batteriespannungswerten eine vorbestinnite Begrenzung der Beanspruchung der
Komponenten und eine daraus resultierende Erhöhung der Zuverlässigkeit. Sin weiterer
Vorteil ist, daß, abgesehen von den Schaltheisverluster, die bei sollen i;erecnnungen
vernachlässigt werden können, der ansteigende Verlauf des Stroms eine konstante
Neigung gleich hat, was der bei einem solchen Schaltungstyp maximal erreichbare
Anstieg ist. Daraus ergibt sich, daß die notwendige Zeit bis zum Erreichen des betriebsbereiten
Zustandes minimal ist und jedenfalls beträchtlich geringer ist, als bei bekannten
Anordnungen, weshalb eine Konstanz der elektromagnetisnhen Energie in der Spule
auch bei erhöhten Drehzahlen erreicht wird.
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Bei der Ausführungsform von Pig. 5 erfolgt die Begrenzung des Stromes
im Primärteil der Spule ebenfalls durch Unterbrechnung des Versorgungsstrcmkseises,
wobei die Steuerung durch einen Fühler K über den Regler A erfolgt; jedoch ist der
Schaltungsteil zum Unterbrechen und Umleiten des Stromes anders ausgeführt. An die
Batteriespannung ist der die Basis von Ql vorspannende Spannungsteiler R1, R2 angeschlossen,
an den die Kontakte des Unterbrechers F angeschlossen sind. Der Kollektor von Q1
ist jeweils mit einem Ende der Widerstände R3, R4, R5 verbunden. Das andere Ende
von R5 ist mit der Batteriespannung verbunden. Das andere Ende von R3 ist mit der
B sis von Q5 und mit dem Kollektor von Q3 verbunden. Das andere Ende von R3 ist
mit der Basis von Q4 und mit dem Kollektor von Q2 verbunden. Die Emitter der Transistoren
Q1, W2, Q3, Q4 und Q5 sind mit Masse verbunden. Der Fühler K ist mit dem Primär
teil pl der Spule T verbunden und steuert über den Regler A die Basen von Q2 und
Q3.
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Der Kollektor von Q4 ist mit dem Primärteil von pl der Spule T und
mit der Kapazität C1 verbunden. Das andere Ende des Primarteils Pl liegt an der
Stromversorgungsleitung, während das andere Ende Kapazität Cl an Masse liegt. Der
Kollektor von Q5 ist mit dem Primärteil p2 der Spule verbunden, deren anderes rJnde
an Nasse liegt. Der Sekundärteil der Spule ist mit üblichen Mitteln an die Zündkerzen
angeschlossen. Zum Zeitpunkt des Schließens der Kontakte t = 0 sperrt Q1 und bereitet
die Transistoren Q4 und Q5 auf den leitenden Zustand vor. In diesem Zeitpunkt ist
das elektromagnetische Feld gleich null. Über den Regler A wird Q3 leitend und Q2
gesperrt gehalten, woraus sich ergibt, daß Q4 gesättigt und Q5 gesperrt wird. Ab
diesem Zeitpunkt steigt der Strom I, linear an, wie bereits beschrieben wurde. Ist
der vorbestimmt Xert 1marx erreicht, unterdrückt der Fühler K über den Regler A
Q3 und sättigt Q2 für eine bestimmte Zeit mit dem ergebnis, daß Q4 gesperrt und
Q5 gesättigt wird. Immer in diesem Zeitpunkt wird der Stromkreis im Primärteil pl
der Spule T unterbrochen, woraufhin das elektromagnetische Feld einen Stromumlauf
im Primärteil p2 über Q5, der gesättigt ist, bewirkt. Die abnehmende Phase des Stroms
IX erfolgt also in p2 durch die Ohm'schen Verluste in diesem Kreis bestehend aus
p2 und Q5. Am Ende der vorbestimmten Zeit entsprechend einem erreichten Stromwert
Imin stellt der Regler A den ursprünglichen Zustand wieder her, bei dem Q2 gesperrt
und Q3 gesättigt ist. Diese Arbeitsweise setzt sich bis zur Öffnung der Kontakte
fort, worauf die Sperrung beider Transistoren Q4 und Q5 erfolgt und dementsprechend
die Überspannung entsteht, die die xnergieübertragung auf den Sekundärteil der Spule
T und dementsprechend die Funkenentladung an den Kerzen bewirkt.
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Das Ausführungsbeispiel von Fig. 6 zeigt die nachfolgend aufgeführten
Schaltungsteile, die typisch und bekannt sind für eine Zündung mit induktiver Entladung.
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F ist die Außensteuerung.
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M bestehend aus den Elementen R2, R3, R4, R5, R6, 1-;7,Q1, Q Cl, D2
ist ein monostabiler Multivibrator, der die Dauer der Sperrung des Endtransistors
7 bestimint.
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P bestehend aus den Elementen R17, Riß, D5, D6, C4 ist eine SchutzstuSe
für den Endtransistor Q7.
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N bestehend aus den Elementen R8, R9, R10, Q2, Q3 stellt den Schaltungsteil
der Gruppe dar, der die Funktion des Steuertransistors Q1 in der schematischen Darstellung
von Fig. 3 übernimmt.
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Weitere Einzelteile haben eine an stich bekannte Punktion. Der Widerstand
R1 bewirkt die Ladung der Kontakte, pl ist der Primärteil der Spule, Q7 der Endtransistor.
Die weiteren nachfolgend aufgeführten eile der Schaltung sind dagegen gemäß der
Lehre der Erfindung vDrgesehen, wobei die Anordnung hier so getroffen ist, daß der
Schalter S am eOativteil der Batterie liegt.
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K ist der Fühler, bestehend aus dem Widerstand R20, der mit einem
Ende an der Batterie und mit dem anderen Ende am Primärteil pl der Spule und am
Widerstand R21 liegt.
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A ist der Regler, enthaltend den Widerstand R21, der an die Basis
des Transistors Q8 und an die Kapazität C3 angeschlossen ist. Der Emitter von Q8
ist mit der Batterie verbunden, während der Kollektor an der Basis des Transistors
Q9 liegt, dessen Emitter mit der Batterie verbunden ist und dessen Basis ferner
mit Masse über den Widerstand R24 verbunden ist.
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Der Kollektor von Q9 ist mit der Kapazität C3 und mit dem Schalter
S über den Widerstand R22 verbunden.
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S ist der Schalter, enthaltend den Widerstand R2), der zwischen Masse
und der Basis des Transistors Q10 liegt, welche ferner mit dem Multivibrator M über
den Widerstand R19 und mit dem
,;=,lcr A über den Widerstanc' 22
verbunden ist. Der Kollektor von Q10 ist mit dem Emitter des Endtransistors Q7,
der Schutzstufe P,den Anoden der Dioden D1 und D4, mit dem Emitter von 3 in der
Gruppe N,mit dem Widerstand R10 und mit dem Kollektor des Transistors W11 verbunden,
dessen Emitter an Masse liegt und dessen Basis direkt mit dem Emitter von QiO verbunden
ist.
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Dl ist die Diode zum Umleiten des Stromes entsprechend der schematischen
Darstellung von Figur 3.
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Die Arbeitsweise der Schaltung steile K, A, S und Dl ist wie folgt.
Ab dem Augenblick t = 0 ist der Strom im Primärteil der Spule pl gleich null und
dementsprechend ist der Spannungsabfall am Widerstand R20 gleich null. In dieser
Situation ist Q8 gesperrt und Q9 leitend. Die Leitung von Q9 führt zur Leistung
des Darlingtonpaares, bestehend aus den Transistoren Q10 und Q11, weshalb, nachdem
Q7 bereits gesättigt ist, gemäß der vorherigen Beschreibung der Versorgungsstromkreis
geschlossen wird und sich eine Stromentnahme aus der Batterie ergibt. Nach Erreichen
des vorbestimmten Wertes Imax ist der Spannungsabfall am Widerstand R20 so, daß
Q8 zunächst leitend und dann gesättigt wird. Dies bedeutet die Sperrung von Q9,
das Darlingtonpaar Q10 und Qil wird leitend, und dementsprechend wird der Versorgungsstromkreis
und damit die Stromabgabe aus der Batterie unterbrochen. In dieser Phase fließt
der Spulenstrom über Q7 und die Diode Dl. Aufgrund der unvermeidlichen Stromkreisverluste
nimmt der Strom allmählich bis zu einem solchen Wert ab, daß der Spannungsabfall,
der am Widerstand R20 entsteht, unzureichend wird, um Q8 leitend zu halten. Mit
der Sperrung von Q8 wird der vorher beschriebene Ausgangazustand wieder hergestellt.
Diese Arbeitsweise setzt sich bis zur Öffnung der Kontakte fort.
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In dieser Situation erzeugt der monostabile Multivibrator M einen
Impuls von vorbestimmter Dauer t, während der Q10 und Qll leitend werden, und zwar
über R19 unabhängig vom
Zustand von Q9. Das Ende des Impulses fällt
mit dem vorbeschriebenen Augenblick t = 0 zusammen, von dem an der Anstieg des Stroms
beginnt.
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Die Stufe 0, die in der schematischen Darstellung nach Fig. 3 durch
den Widerstand R3 dargestellt wird, hat die Aufgabe, den Basisstrom für den Endtransistor
Q7 in solcher Weise zu liefern, daß die hier vorgesehene Verbindung des Schalters
mit der Negativseite der Batterie berücksichtigt ist. Während des Fließens des Spulenstroms
durch die Diode D1 befindet sich der Emitter des pnp-Transistors Q7 unter einer
höheren Spannung als die Batteriespannung, weshalb zur Aufrechterhaltung der Sättigung
ein Basisstrom geliefert werden muß, dessen Spannung noch höher ist. Diese Aufgabe
wird hier durch die Stufe 0 erfüllt. Der Emitter des Transistors Q5 ist mit der
Batterie verbunden, und seine Basis wird durch den Widerstand Ril vorgespannt, und
satin Kollektor befindet sich an R15 und an der Basis von Q6, dessen Emitter an
der Stromversorgung liegt, und dessen Kollektor an der Kathode von D4 und dessen
Anode am Emitter von Q7 liegt. Die Anode der Diode D3 befindet sich an der Basis
von Q5 und am Kollektor von Q 9 über den Widerstand R16, während die Kathode der
Diode D3 mit der Kapazität C2 und mit dem Kollektor von Q4 über den Widerstand R12
verbunden ist. Das andere Ende von C2 ist mit dem Widerstand R13 verbunden, dessen
anderes Ende am Kollektor von Q6 und an der Induktanz L1 liegt, die mit dem anderen
Ende mit der Basis von Q7 über den Widerstand RL und die Diode D6 sowie mit der
Basis von Q4 über den Widerstand R14 verbunden ist. Der Emitter von Q4 liegt an
der Anode der Diode D6 deren Kathode an der Basis von Q7 liegt. Dieser Schaltkreis
ist praktisch ein Generator konstanten Stroms mit intermittierender Regelung.
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Während des Ansteigens des Stroms -leitet Q6, und der Batteriestrom
fließt über diesen Transistor, die Induktanz L1, den
Widerstand
RL, die Diode D6, die Basis-t'mftter-Strecke,von Q7 und das Darlingtonpaar Q10,<11.
Wenn der Strom einen bestimmen vorher festgelegten Wert erreicht, ist die Spannung
an RL ausreichend, um Q4 leitend zu machen, wodurch Q5 Leitend und Q6 gesperrt wird.
Die Sperrung von Q6 trennt die Induktanz Ll von der Batterie, woraus sich eine Überspannung
an m1 ergibt, die so ist, daß ein Stromweg über RL, D6, Q7 und die Diode D4 zustande
kommt. Aufgrund der Verluste nimmt der Strom in diesem Stromkreis so lange ab, bis
der Spannungsabfall an RL nicht mehr ausreichend ist, um W4 leitend zu halten, woraus
sich die Sperrung von Q5 und die Leitung Q6 ergibt.
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Zu diesem Zeitpunkt beginnt der beschriebene Zyklus von neuem.
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Die Kapazität C2 uni die Widerstände R13 und R12 dienen zur Sicherung
von minimalen Sperrzeiten des Transistors Q6 und zur Steigerung seiner Umschaltgeschwindigkeit.
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Soweit beschrieben wurde, ist die Arbeitsweise der Stufe O unabhängig
von der Stellung des Schalters S. Eine Wechselwirkung zwischen S und 0 ergibt sich
über die Gruppe A und den Widerstand R16, und zwar deshalb, weil, wenn S offen ist,
Q5 leitend und Q6 sperrend ist und die Induktanz L1 sich nicht aufladen kann, weshalb
während der gesamten Zeit, während der Q10 und Qil gesperrt sind, diese unter Überspannung
arbeiten wird, wie beschrieben wurde, wodurch in erwünschter Weise der Stromfluß
an der Basis von Q7 aufrecht erhalten wird.
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Die Erfindung kann auch auf andere ähnlich arbeitende Schaltungen
angewendet werden.
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Patentansprlche: