GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für
eine Entladungslast, beispielsweise eine Zündkerze, eine
Entladungselektrode in einer Brennkammer, oder dergleichen.
Insbesondere bezieht sie sich auf eine Durchlaßschaltungsanordnung,
die eine Entladungslast mit einer hohen Ausgangsspannung
versorgt, die von einer Hochspannungsspule eines Transformators
entsprechend dem Einschalten eines Schaltelements abgeleitet
wird, das zum Ein- und Ausschalten einer zugeführten
Gleichspannung betätigt wird, welche über eine Niederspannungsspule
des Transformators zugeführt wird, wobei eine präzise Zündung
in der Entladungslast ausfallsicher unter der Voraussetzung
herbeigeführt werden kann, daß die Anstiegszeit verkürzt und
dennoch die Dauer der Zeit, über die hohe Spannung anliegt, so
eingestellt ist, daß sie eine entsprechend ausreichende Lange
aufweist
STAND DER TECHNIK
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Bei den herkömmlichen Systemen im Zusammenhang mit
einer derartigen Steuerschaltung für eine Entladungslast der
vorbeschriebenen Art sind allgemein ein Zündsystem mit
Kondensatorentladung (nachstehend als CDI-System bezeichnet) und
ein voll transistorisiertes System bekannt, das mit
Rücklaufenergie von einem Transformator arbeitet. Fig. 3 zeigt eine
Steuerschaltung für eine Entladungslast bei einem derartigen
CDI-System, bei welcher eine Gleichspannungsquelle 1, ein
Netzschalter 2, ein Transformator 3, ein Schaltelement 4 bestehend
aus einem Thyristor oder dergleichen, ein Kondensator 5, eine
Entladungslast 6 bestehend aus einer Entladungselektrode einer
Zündkerze, eine Brennkammer oder dergleichen, ein
Strombegrenzungswiderstand 7 und ein Widerstand 8 zum Schutz einer
Spannungsquelle vorgesehen sind. Der Transformator 3 weist
eine Niederspannungsspule 31 und eine Hochspannungsspule 32
auf. Die Gleichspannungsquelle 1, der Schalter 2 und das
Schaltelement 4 liegen in Reihe mit der Niederspannungsspule
31, und der Kondensator 5 ist zwischen die Anode des
Schaltelements 4 und Masse geschaltet. Die Hochspannungsspule 32 ist
an einem Ende geerdet, während die Entladungslast 6 mit dem
äußeren Ende der Spule über den Widerstand 7 verbunden ist.
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Wird die Gleichspannungsquelle 1 dadurch angeschlossen,
daß der Schalter 2 geschlossen wird, wird der Kondensator 5
über den Schutzwiderstand 3 so geladen, daß seine
Klemmenspannung steigt. Und sobald die Klemmenspannung des
Kondensators eine vorgegebene Höhe erreicht hat, wird ein
Klemmenspannungssignal einer Steuerelektrode des Schaelements 4
zugeführt, das dadurch eingeschaltet wird. Wird das Schaltelement
4 eingeschaltet, wird infolge der Resonanz zwischen seiner
Induktivität L und der Kapazität C des Kondensators 5 im
Transformator 3 eine hohe Spannung erzeugt. Die auf diese Weise
erzeugte hohe Spannung wird über die Hochspannungsspule 32
des Transformators 3 an die Entladungslast 6 angelegt und
führt folglich zu einer Entladung der Last 6.
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Fig. 4 zeigt die Wellenform der vom Transformator 3 in
der Schaltung gemäß Fig. 3 abgegriffenen Spulenspannung,
wobei die Hochspannung ab dem Einschaltzeitpunkt t&sub0; eine Dauer
Tc hat.
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Fig. 5 zeigt einen voll transistorisierten Steuerkreis für
eine Entladungslast. Bei dieser schematischen Darstellung
bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie beim vorhergehenden
Beispiel in Fig. 3 auch entsprechende Schaltungselemente. Die
Hauptschaltung eines Schaltelements, das aus einem Transistor
etc. besteht, ist zwischen ein Ende einer Niederspannungsspule
31 eines Transformators 3 und Masse geschaltet, während von
einer Steuerschaltung 9 ein Impulssignal einer Steuerelektrode
des Schaltelements 4 zugeführt wird, um einen Schaltvorgang
auszulösen. Die Polarität der Niederspannungsspule 31 und der
Hochspannungsspule 32 des Transformators 3 ist so vorgegeben,
daß entsprechend dem Ausschalten des Schaltelements 4 in der
Hochspannungsspule 32 durch Freisetzung der Rücklaufenergie
ein hoher Spannungsausgang erzeugt wird.
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Wird das Schaltelement 4 von der Steuerschaltung 9 in
einem Zustand angesteuert, in dem der Schalter 2 zum Anschluß
der Stromversorgung 1 geschlossen ist, wird die im
Transformator 3 während der Einschaltzeit des Schallelements 4
gespeicherte Erregungsenergie nach anschließendem Ausschalten des
Schaltelements 4 von der Hochspannungsspule 32 als
Rücklaufenergie abgeleitet und anschließend der Entladungslast 6
zugeführt, wodurch es zu einer Funkenentladung in der Last 6
kommt. Fig. 6 zeigt die Wellenform der vom Transformator 3 in
diesem Betriebszustand abgelieteten Spulenspannung.
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Es treten jedoch bei den vorstehend erläuterten
herkömmlichen Steuerschaltungen für Entladungslasten die folgenden
Probleme auf.
(a) Probleme im CDI-System
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Da durch die Resonanz zwischen der Kapazität C des
Kondensators 5 und der Induktivität L des Transformators 3 eine
hohe Spannung erzeugt wird, ist es unmöglich, eine ausreichend
lange Dauer Tc der Anlegung der hohen Spannung zu erreichen.
Im CDI-System ganz allgemein beträgt die Dauer Tc höchstens
etwa 100 Ps, was als Entladungsdauer für eine Zündkerze oder
dergleichen nicht ausreichend ist. Infolgedessen fehlt es an
ausreichender Entladungsenergie, um eine entsprechende
Ausbreitung
einer Flamme zu veralassen, und dies ist die Ursache
für unvollständige Verbrennung.
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Im allgemeinen ist eine Ladezeit von rund 2 ms
erforderlich, um die Klemmenspannung des Kondensators 5 auf einen
Pegel anzuheben, der zum Anschalten des Schallelements 4
erforderlich ist. Deshalb ist es schwierig, die Entladungsenergie
dadurch zu erhöhen, daß solche Entladungsvorgange wiederholt
werden.
(b) Probleme bei voll transistorisierten Systemen
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Auch wenn die Dauer Tc relativ lang ist, z.B. rund 1 ms
beträgt, liegt eine längere Anstiegszeit Tr vor, wie nachstehend
noch erläutert wird. Bezogen auf die Induktivität L des
Transformators und auf den Erregungsstrom I läßt sich die im
Transformator 3 während der Einschaltzeit des Schaltelements 4
gespeicherte Erregungsenergie E wie folgt ausdrücken:
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E = 1/2 LI²
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Die Erregungsenergie E wird synchron mit dem
Ausschalten des Schallelements 4 freigesetzt und an die Entladungslast
6 angelegt, um diese zur Entladung zu veranlassen. Um eine
vorbestimmte Menge der Erregungsenergie E sicherzustellen, ist
es deshalb erforderlich, daß die Induktivätät L des
Transformators 3 auf einen Wert über einem gewissen Pegel eingestellt
wird. Indessen wird, bezogen auf die Induktivätät L und die
verteilte Kapazität C, die Eigenresonanzfrequenz f des
Transformators 3 wie folgt ausgedrückt:
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f = 1/2 π (LC)
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Wie sich deutlich aus den vorstehenden beiden
Gleichungen ergibt, sinkt die Eigenresonanzfrequenz f ab, während sich
die
Anstiegszeit Tr verlängert, wenn die Induktivität L auf
einen ausreichend hohen Wert eingestellt wird, um die
erforderliche Erregungsenergie E zum Ansteuern der Entladungslast 6 zu
gewährleisten. Infolgedessen wird der Betrieb leicht unstabil, da
eine Funkenentladung nicht herbeigeführt wird, was letztendlich
zu einem Zündversagen führt, wenn die Oberfläche der
Zündkerze, die die Entladungslast 6 darstellt, verschmutzt ist und
der von dieser Verschmutzung abgeleitete Widerstandswert nicht
vernachlässigbar klein ist
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung leitet sich aus dem Ansatz ab,
die vorstehend genannten Probleme zu lösen. Ihre Aufgabe be
steht darin, eine verbesserte Steuerschaltung für eine
Entladungslast zu schaffen, die in der Lage ist, eine präzise
Zündung der Entladungslast ausfallsicher durchzuführen, indem
eine kurze Anstiegszeit realisiert und eine entsprechend
ausreichend lange Dauer der Anlegung einer hohen Spannung
eingestellt wird.
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Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe weist die
erfindungsgemäße Steuerschaltung für eine Entladungslast folgendes
auf: einen Transformator mit einer Niederspannungsspule und
einer Hochspannungsspule, ein Schaltelement, das so betätigbar
ist, daß es eine über eine Niederspannungsspule des
Transformators zugeführte Gleichspannungsversorgung an- und
abschaltet, und eine mit der Hochspannungsspule verbundene
Entladungslast, die durch einen hohen Spannungsausgang entladen
wird, die in der Hochspannungsspule entsprechend dem
Einschalten des Einschaltelements erzeugt wird. Die
erfindungsgemäß Steuerschaltung für eine Entladungslast ist in Form einer
Durchlafßschaltungsanordnung ausgebildet, in welcher die
Entladungslast mit einer hohen Ausgangsspannung versorgt wird, die
von der Niederspannungsspule des Transformators zu dessen
Hochspannungsspule entsprechend dem Einschalten des
Schaltelements übertragen wird. Bei dieser Schaltungsauslegung ist
die Voraussetzung erfüllt, daß bei Kopplung der
Niederspannungsspule und der Hochspannungsspule des Transformators mit
einem bestimmten Windungsverhaltnis der Grad der Kopplung
niedriger als bei einem Rücklaufsystem sein kann. Deshalb wird
die erforderliche Induktivität des Transformators entsprechend
verringert, wodurch die Eigenresonanzfrequenz des
Transformators auf einen höheren Wert gesetzt werden kann und
infolgedessen die Anstiegszeit Tr im Vergleich zum herkömmlichen
volltransistorisierten System verkürzt wird.
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Darüberhinaus läßt sich ein hoher Spannungsausgang mit
einer Dauer erreichen, die der Breite des Ansteuerpulses für
das Schaltelement entspricht, so daß es möglich wird, die Ein-
und Ausschaltung des Schaltelements in einem vorgegebenen
kurzen Zeitraum zu wiederholen, um die Entladungsenergie der
Entladungslast so lange zuzuführen, bis sich im Anschluß an die
Bildung eines Flammenkerns durch Funkenentladung der
Entladungslast die Flamme selbst ausbreitet, wodurch die Dauer der
Anlegung einer hohen Spannung entsprechend verlängert wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Steuerschaltung für
Entladungslasten besteht der Magnetkern des Transformators aus
einem ausgewählten Material mit einer anfänglichen Permeabilität
von 1500 oder mehr bei einer Frequenz von 200 kHz und einer
Magnetfluß-Sättigungsdichte von 300 mT oder mehr in einem
Feld mit einer Stärke von 1600 A/m bei einer Temperatur von
120 ºC, so daß auch eine schnelle Impulsansteuerung möglich
wird und dennoch eine ausreichende Beständigkeit bei hoher
Temperatur erzielbar ist, wodurch die Voraussetzungen für ein
Bauteil einer Zündanläge bei einer Brennkraftmaschine erfüllt
sind.
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Des weiteren wird bei der erfindungsgemäßen
steuerschaltung für Entladungslasten ein Feldeffekttransistor als
Schaltelement eingesetzt, so daß eine schnelle Impulsansteuerung möglich
wird, ohne dar ein großer Verlust auftritt, wodurch die
Vorausetzungen für ein Bauteil einer Zündanläge bei einer
Brennkrattmaschine erfüllt sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Fig. 1 ist ein Schaltschema einer erfindungsgemäßen
Steuerschaltung für Entladungslasten;
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Fig. 2 zeigt ein Wellenformschema zur Veranschaulichung
der Spulenspannung eines Transformators in der
Schaltung gemäß Fig. 1;
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Fig. 3 ist ein Schaltschema einer herkömmlichen
Steuerschaltung für Entladungslasten;
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Fig. 4 zeigt ein Wellenformschema zur Veranschaulichung
der Spulenspannung an einem Transformator in der
Schaltung gemäß Fig. 3;
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Fig. 5 ist ein Schaltschema einer anderen herkömmlichen
Steuerschaltung für Entladungssten; und
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Fig. 6 zeigt schematisch eine Wellenform der
Spulenspannung eines Transformators in der Schaltung gemäß
Fig. 5.
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Fig. 1 zeigt ein Schaltschema einer erfindungsgemäßen
Steuerschaltung zum Ansteuern einer Entladungslast. In dieser
schematischen Darstellung bezeichnen die gleichen
Bezugszeichen
wie bei den vorstehend erläuterten herkömmlichen
Schaltungen gemäß Fig. 3 und 5 entsprechende Bauteile. Bei einem
Transformator 3 ist die Polarität einer Niederspannungsspule 31
und einer um einen Magnetkern 30 gewickelten
Hochspannungsspule 32 so vorgegeben, daß ein in der Hochspannungsspule 32
erzeugter Hochspannungsausgang entsprechend dem Einschalten
eines Schaltelements 4 an eine Entladungsläst 6 angeiegt wird.
Mit 11 ist eine Steuerschaltung angegeben, die aus einem
Transistor Q&sub3;, einem Widerstand R&sub2; und einer Zenerdiode Dz besteht
und einen Impulsbreitensteuerkreis und dergleichen enthält,
sowie zwischen einen Widerstand 12, der als Stromsensor auf der
Sekundärseite dient, und eine Ansteuerschaltung 9 geschaltet
ist. Auch wenn bei diesem Ausführungsbeispiel das
Schaltelement 4 aus einem MOS-Feldeffekttransistor besteht, kann
stattdessen auch ein bipolarer Transistor verwendet werden. Die
Ansteuerschaltung 9 weist zwei Transistoren Q&sub1; und Q&sub2; auf, die
zwischen eine Gleichspannungsquelle Vcc und Masse geschaltet
sind, sowie einen Widerstand R, der zwischen eine gemeinsame
Anschlußbasis für diese Transistoren und einen
Steuersignalanschluß CP geschaltet ist.
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Der Magnetkern 30 besteht beispielsweise aus
Ferritmaterial oder einem ähnlichen Werkstoff, der bei einer Frequenz von
200 kHz und einer Magnetflußß-Sättigungsdichte von 300 mT oder
höher in einem Feld mit der Stärke 1600 A/m bei einer
Temperatur von 120 ºC eine anfängliche Permeabilität von 1500 oder
mehr aufweist. Wird das Schaltelement 4 in der vorstehend
beschriebenen Schaltungsanordnung eingeschaltet, wird ein hoher
Spannungsausgang, der von der Niederspannungsspule 31 des
Transformators 3 zu dessen Hochspannungsspule 32 übertragen
wird, der Entladungslast 6 zugeführt, um so eine
Funkenentladung in der Last 6 herbeizuführen. In diesem Fall ist die an
die Entladungslast 6 angelegte Hochspannung gegenüber Masse
negativ.
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Die Voraussetzung ist erfüllt, wenn die
Niederspannungsspule 31 und die Hochspannungsspule 32 des Transformators 3
miteinander in einem bestimmten Wicklungsverhältnis gekoppelt
sind, und die erforderliche Induktivität L des Transformators 3
kann niedriger als beim Rückführschaltungstyp sein, so daß die
Eigenresonanzfrequenz f des Transformators 3 auf einen
höheren Wert eingestellt werden kann und es deshalb möglich wird,
eine kurze Anstiegszeit Tr zu realisieren, die im wesentlichen
gleich der Anstiegszeit bei dem bekannten CDI-System ist.
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Wegen der Schaltungsauslegung, bei der die hohe
Ausgangsspannung, die in der Hochspannungsspule 32 erzeugt
wird, der Entladungslast 6 entsprechend dem Einschalten des
Schaltelements 4 zugeführt wird, erreicht die so erhaltene
Hochspannung eine Dauer, die der Breite des Ansteuerimpulses für
das Schaltelement entspricht, so daß das Ein- und Ausschalten
des Schaltelements 4 innerhalb einer vorgegebenen kurzen
Dauer wiederholt werden kann, um die Entladungslast 6 mit der
Entladungsenergie zu versorgen, bis im Anschluß an die Bildung
eines Flammenkerns durch die Funkenentladung der
Entladungslast 6 eine Flamme sich selbst ausbreiten wodurch die Dauer
der Anlegung der hohen Spannung entsprechend verlängert
wird. Beispielsweise wird bei dem Beispiel gemäß Fig. 2, bei dem
Tc die erforderliche Zeit bis zur Selbstausbreitung einer Flamme
ab Bildung eines Flammenkerns durch Funkenentladung der
Entladungslast 6 bezeichnet, das Schaltelement 4 wiederholt im
Zeitraum Tc bei der Einschaltzeit ton ein- und ausgeschaltet. Wird
das Schaltelement 4 mit seiner Einschaltzeit ton angesteuert, ist
die Lange jedes Zeitraums tc kürzer als der Zeitraum Tc, doch
wegen der Wiederholung dieses Vorgangs kann die erforderliche
Zeitdauer Tc entsprechend gewährleistet werden. Die optimale
Dauer ts für die wiederholte Ein- und Ausschaltung des
Schaltelements 4 gilt als kürzer als 500 ps.
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Ein Sensor 12 erfaßt den Entladungsstrom in der
Entladungslast 6 und erzeugt ein Erfassungssignal, das anschließend
einer Steuerschaltung 11 zugeleitet wird. Und ein
Ausgangssignal der Steuerschaltung 11 dient zum Anhalten des Betriebs
der Ansteuerschaltung 9 und des Schaltelements 4.
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Da der bei diesem Ausführungsbeispiel für den Kern 30
verwendete Werkstoff in seinen magnetischen Eigenschaften dem
bekannten Material überlegen ist, kann die Wicklungszahl der
Niederspannungsspule und der Hochspannungsspule relativ
geringer gehalten werden, was die verteilte Kapazität in den
Wicklungen abbaut. Und wegen der hohen anfänglichen
Impermeabilität im Hochfrequenzbereich läfßt sich eine ausreichend große
Induktivität trotz der kleinen Wicklungszähl erreichen, und
außerdem ist der Einsatz bei hoher Temperatur zulässig.
Infolgedessen lassen sich durch Zuleitung schneller Impulse zum
Schaltelement 4 in der Entladungslast 6 hohe Spannungsimpulse
erzeugen, wodurch es möglich wird, eine befriedigende
Steuerschaltung für eine Entladungslast zu schaffen, die als
Bestandteil einer Zündanläge in einer Brennkraftmaschine fungiert.
Angesichts der Ansteuerung der Brennkraftmaschine mit hoher
Drehzahl wird eine kürzere Einschaltzeit des Schaltelements als
50 ps pro Entladung gewünscht.